无土栽培的环境保护设施与建造要求

无土栽培的环境保护设施与建造要求

无土栽培是保护地设施栽培中的一种高效技术。它之所以较土壤栽培高产、优质和高效，不仅是因为无土栽培设施本身有调控作物根际环境的功能，还需有与其配套的温室大棚等环境保护设施，使作物的地上部生长条件同地下都一样都处于最佳状态。作为商业性生产的无土栽培都是在保护设施内进行综合环境调控的条件下进行的。

无土栽培设施本身，不具有反季节和周年生产蔬菜、花卉等作物的功能，而只有在温室大棚等保护设施配合的条件下，才能实现反季节栽培或周年供应，从而提高了设施的利用率。所以，无土栽培设施与温室设施既有密切联系，又是两种不同的设施。[吉山花瑶]

现代化农业即工厂化农业，可在固定的设施内创造适合作物生长的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照等条件。发达国家无土栽培的生产设施多为大型连栋玻璃温室，其经营规模大、生产效益高。

一、环境保护设施的类型与及分类

我国目前常用于无土栽培的环境保护设施主要有日光温室、塑料大棚、现代化温室、防雨棚和遮阳网等。塑料大棚在全国各地大面积应用，尤其是南方地区规模较大，近年来正朝着连栋化、高大化、规模化方向发展；日光温室主要在北纬330～460的北

方地区推广应用，在-15～-20℃的高寒地区，基本不加温实现了冬季喜温性果菜的生产，在我国设施园艺发展史上谱写了辉煌的篇章；进入20世纪90年代后从国外引进大型现代化温室，通过学习、消化、吸收，研究开发出国产化现代温室设施，推动了我国温室园艺的科技进步和农业的现代化，为无土栽培技术的发展提供了巨大的空间；防雨棚和遮阳网等夏季保护设施在夏季高温期，尤其是南方地区，为克服夏季高温暴雨、台风和病虫害多发等灾害性气候与不利环境的胁迫起到了重要的作用，对缓解南方地区夏秋淡季园艺产品的供应，提供了一条简易有效的新途径，使无土栽培的季节从冬春季拓展到夏秋季。由于各地自然、气候、经济、技术、劳力等条件的不同，设施类型、结构材料、规模大小各异，应因地制宜，选型定位。

环境保护设施是指为调控温、光、水、气等环境因子，其栽培空间覆以透光性的覆盖材料，人可入内操作的一种栽培设施。依覆盖材料的不同通常分为玻璃温室和塑料温室两大类，塑料温室依覆盖材料的不同，又分为硬质（PC板、FRA板、FRP板、复合板等）塑料温室和软质塑料（PVC、PE、EVA膜等）温室；依形状分为单栋与连栋两类；依屋顶的形式，则分为双屋面、单屋面、不等式双屋面、拱圆屋面等。

(一)日光温室

日光温室是指三面围墙，脊高在2m以上，跨度在6～8m，热量来源（包括夜间）主要依靠太阳辐射能的园艺保护设施。大多以塑料薄膜为采光覆盖材料，以太阳辐射为热源，靠最大限度地采光、加厚的墙体和后坡以及防寒沟、纸被、草苫等一系列采光、保温御寒设备以达到增温、保温的效果，从而充分利用光热资源，减弱不利气象因子的影响。一般不进行加温，或只进行少量的辅助性补温。日光温室主要有矮后墙长后坡日光温室、高后墙短后坡日光温室、琴弦式日光温室、钢竹混合结构日光温室和全钢架无支柱日光温室（图4－4）等形式。塑料薄膜覆盖的节能型日光温室是我

国北方地区蔬菜保护地设施的主要形式，投资少、效益高，适合我国当前农村的技术及经济条件；它在采光性、保暖性、低能耗和实用性等方面都有明显的优异之处，是北方农家乐于应用、面积年年持续增长的设施栽培方式。

（二）塑料大棚

通常把只以竹、木、水泥或钢材等杆材作骨架，在表面覆盖塑料薄膜的大型保护栽培设施称为塑料薄膜大棚，简称塑料大棚。根据棚顶形状分为拱圆形和屋脊形两类，以拱圆形屋顶为多。根据骨架材料可分为：竹木结构、钢架（管）结构、钢竹混合结构、混凝土钢架结构、充气式等类型；根据连接方式又可分为单栋大棚、双连栋大棚及多连栋大棚。塑料大棚设施简单，一般没有环境调控设备，依靠自然光照进行生产，在气候温暖的南方地区发展较快。

目前，塑料大棚主要有竹木结构大棚、悬梁吊柱竹木拱架大棚、拉筋吊柱大棚、无柱钢架大棚和装配式镀锌薄壁钢管大棚（图4－5）等形式，其中装配式镀锌薄壁钢管大棚棚内空间较大、无立柱、作业方便，属于国家定型产品，规格统一，组装拆卸方便，盖膜便利，生产上普遍采用。

图4－4　日光温室的主要形式（单位：m）

1．琴弦式日光温室 2．钢竹混合结构日光温室

3．辽沈Ⅰ型日光温室 4．改进冀优Ⅱ型节能日光温室

图4－5　塑料大棚的主要形式（单位：m）

1．悬梁吊往竹木拱架大棚 2．拉筋吊往大棚

3．无柱钢架大棚 4．装配式镀锌薄壁钢管大棚

（三）现代化温室

现代化温室是设施园艺中一种高级类型。设施内的环境实现了计算机自动控制，基本上不受自然气候条件下灾害性天气和不良环境条件的影响，能周年全天候进行园艺作物生产的大型温室。目前我国引进的现代化温室主要有荷兰研究开发而后流行全世界的多脊连栋小屋面的芬络型（Venlo type）玻璃温室（图4－6）、法国瑞奇温室公司研究开发的一种流行的塑料薄膜里歇尔（Richel）温室、顶侧屋面可将覆盖薄膜由下而上卷起通风透气的一种拱圆型连栋卷膜式全开放型塑料温室（Full open tyPe）和由意大利Serre Italia公司开发的一种全开放型玻璃温室（Future greenhouse）。国内自行设计制造的典型现代化自控温室有：双层充气连栋塑料温室、双坡面玻璃温室、华北型大型连栋塑料温室、华南型大型连栋塑料温室、金顶型连栋温室、LGP－732型连栋温室、XA和GK型系列温室、FRP（轻质玻璃钢）连栋温室（图4－7）等。

图4－6　荷兰芬络型玻璃温室（单位：mm）

图4－7　连栋温室几种构型

1．拱圆形塑料连栋温室　2．双层充气式塑料连栋温室　3．FRP连栋温室

（四）植物工厂

植物工厂是指在工厂般的全封闭建筑设施内，利用人工光源，实现环境的自动化控制，进行植物高效率、省力化、稳定种植的生产方式。根据光源的不同，植物工厂分为三类：即人工光照型、自然光照型和人工光照与自然光照合用型。属“可控农业”，它是园艺保护设施的最高层次，其管理完全实现了机械化和自动化。作物在大型设施内进行无土栽培和立体种植，环境要素的变化通过感测器传输到计算机，通过运算能够精确控制各种环境调控设备的运行和生产的各个环节，所需要的温、湿、光、水、肥、气等均按植物生长的要求进行最优配置，不仅全部采用电脑监测控制，而且采用机器人、机械手进行全封闭的生产管理，实现从播种到收获的流水线作业，完全摆脱了自然条件的束缚。做到合理利用空间及设施，达到经济、高效生产，实现全天候、无季节、无公害生产。具有高度集成、高效生产、高商品性、高投入的特征。

现介绍日本M式水耕研究所提供的一种中型双连栋玻璃温室(图4－8)。它长60m、宽50m、高4m，每一个单位面积为3000m2。在环境控制方面，由室内外感测器进行监测，包括日照感测器（测定日照时间）、室外温度感测器和室内温度感测器，感测器，加上风速风向感测器和降雨感测器共同控制天窗、侧窗、天幕的开闭及冷暖供应机组的运转。湿度感测器则控制细雾器和除湿机的运转。营养液的供应需借助营养液箱组（4个）和水泵。电导率仪、酸度计、液温感测器、水位测量器等控制营养液组分、液温、PH值和均衡定时供液。二氧化碳感测器用于测定温室内二氧化碳浓度，给二氧化碳发生装置传送信号，以保持温室内二氧化碳浓度。上述数据均输入一台电子计算机，按栽培的作物种类设定各项参数，实现全自动化控制。我国引进与此类似的温室是南京市蔬菜研究所无土栽培温室。

图4－8　M式水耕研究所无土栽培番茄双栋全自动电脑控制温室

1.日照感测器　2.温度感测器　3.天窗及开启装置　4.喷雾加温装置5.侧窗及开启装置 6.室外气温感测器　7.雨量感测器　8.风向风速感测器　9.C02感测器　10.增湿机组 11.电脑控制柜　12.营养液泵　13.四种肥料液桶　14营养液槽　15.冷暖风控制　16.室温感测器　17. C02发生装置 18.营养液加温装置

(五)防雨棚和遮阳网装置

夏季雨水多，且易受强光照射和高温胁迫，病虫多发，使蔬菜等作物的生长受抑制，生产没有保证。利用大棚骨架，仅覆盖顶幕（天幕）而揭除边膜（围裙幕），使夏季能防雨，而又四周通风，这是一种最简易的防雨棚栽培。如果在顶幕上面再覆盖上银灰色或黑色的遮阳网则能减弱强光照射，使棚内基质温度在夏日中午下降8～12℃，有效地减轻高温的危害，而且能在夏季进行叶菜、根菜类的反季节栽培。作为其他保护设施的夏季辅助设施――遮阳网和防雨棚的存在，使大棚、日光温室在夏季也能进行无土栽培。一些夏季难以栽培的番茄、黄瓜、甜瓜、莴苣、菠菜等的越夏防雨栽培成为现实。

二、主要环境保护设施的结构及性能

（一）日光温室

1．日光温室的结构　日光温室属单屋面温室，俗称“冬暖大棚”，是我国淮河以北地区面积最大的保护生产设施。日光温室骨架由后墙、后坡、前屋面和两山墙组成，各部位的长宽、大小、厚薄和用材决定了它的采光和保温性能，总体要求为采光好、保温好。成本低、易操作、高效益。表4－7为我国常见日光温室的结构参数。

表4－7　我国日光温室主要类型的结构参数（单位：m）

表4-8 不同类型日光温室内光照强度的水平分布

日光温室的基本结构一般采用坐北面南、东西延长的方位，有一个较大的受光面和进光角度，利用太阳能作为温室主要能源。为提高保温性，日光温室的北侧、东西山墙，可采用中空墙体结构，后屋顶也可由多层复合材料建成保温结构。第一代日光温室多由竹木、土墙建成．待价较低，内部有支柱（分前柱、中柱、后柱）．一般每3m一排，称其为一间。第二代日光温室多由钢材、砖墙建成，内部无支柱，空间扩大，操作性变好，结构牢固，抗风、雪能力较第一代有所提高，使用年限延长，造价较高，但折旧费用较低。也有采用钢竹混合结构、GRC骨架结构等多种形式。

2.日光温室的性能　日光温室的特点主要体现在保温性上，从结构上看，进光不及塑料大棚多，尤其是散射光进入室内较少，室内光照分布不均匀，南侧较强、北侧显低（表4－8）；同时，保温草帘的覆盖，会影响见光时间，在冬季可减少见光时间达2～3h/d以上。覆盖草帘一般是在温度减低到18℃方左右时（下午16时前后），直到次日清晨8：30前后揭开，最低温度能够维持在8～13℃，平均降温幅度在0.4～0.6 ℃/h，远远低于塑料大棚的降温幅度（1℃/h），使得日光温室温度日较差显著低于大棚，最低温度大幅度提高（5～8 ℃），作物生长期较塑料大棚可提早（春季）或延后（秋季）各35～45d。日光温室内的湿度与塑料大棚相类似，由于容积小，气温和湿度受辐射量变化影响大，在上午快速升温阶段湿度迅速下降，甚至可降低到15％左右，下午快速降温阶段，相对湿度迅速提高，下午16时前后湿度就会超过80％，在降温迅速的傍晚，室内常会产生雾气，在植株上结露，诱发病害发生，这也是日光温室和塑料大棚病害严重和难以实现无公害生产的重要原因之一。同时由于室内温度分布不均匀，存在一定的局部湿度差，散热较快的南侧早晚湿度较大。

无土栽培以基质培果菜类蔬菜较多，但低矮的日光温室，作物的生长空间有限，会影响大株型作物的生长。

（二）塑料大棚

1.塑料大棚的结构 塑料大棚结构较简单，骨架主要包括拱架、纵梁、立柱、山墙立柱、骨架连接卡具和门等，由于建造材料不同，骨架构件的结构也不同。拱架是塑料大棚承受风、雪荷载和承重的主要构件，按构造不同，拱架主要有单杆式和桁架式两种形式；纵梁是保证拱架纵向稳定，使各拱架连接成为整体的构件，纵梁也有单杆式和格架式两种形式；拱架材料断面较小，不足以承受风、雪荷载，或拱架的跨度较大，拥体结构强度不够时，则需要在棚内设置立柱，直接支撑拱架和纵梁，以提高塑料大棚整体的承载能力；山墙立柱即棚头立柱，常见的为直立型，在多风强风地区则适于采用圆拱型和斜撑型；塑料大棚的骨架之间连接，如拱架与山墙立柱之间、拱架与拱架之间、纵梁与棚头拱架之间的连接固定，除竹木结构塑料大棚采用线绳和铁丝捆绑之外，装配式镀锌钢管结构塑料大棚和钢筋-玻璃纤维增强水泥结构塑料大棚均由专门预制的卡具连接；塑料大棚的门，既是管理与运输的出入口，又可兼作通风换气口，单栋大棚的门一般设在棚头中央，为了保温，棚门可开在南端棚头，气温升高后，为加强通风，可在北端再开一扇门，棚门的形式有合页门、吊轨推拉门等。作为无土栽培的塑料大棚，应结构牢固，抗风雪能力强，有一定生长空间和较大的面积，同时易于通风换气，进行环境调控，一般以钢结构的无支柱或少支柱大棚为宜，跨度在8～12m，长度40～60m，脊高在2.4～3.0 m之间。目前以装配式镀锌薄壁钢管大棚为多。

塑料大棚在20世纪80年代就有定型产品，主要有中国农业工程设计院研制的GP系列、中国科学院石家庄农业现代化研究所研制的PGP等系列产品，主要产品规格如表4－9所示。

2塑料大棚的性能　塑料大棚以覆盖塑料薄膜为特点，具有采光好，光照分布均匀，短波辐射易于进入，而长波辐射较难透过，密闭性好的特点。

（1）光照　大棚内的垂直光照强度由高到低逐渐递减，以近地面处为最低。大棚内的水平光照强度，南北延长的大棚比较均匀，东西延长的大棚南侧高于中部及北侧。单株钢材及硬塑结构的大棚受光较好，单栋竹木结构棚及连栋棚受光条件较差。另外，大棚的跨度越大，棚架越高，棚内光照越弱。

（2）温度　在晴好天气，白天温度上升迅速，夜间又有一定的保温作用。尽管如此，由于缺乏夜间加温措施，存在着明显的温度日变化和季节变化，并且缺乏必要的环境调控设备，多数只是通过通风窗来调节温度、湿度变化，室内环境要素变幅较大。晴日白天太阳出来1～2h就会进入快速升温期，8～10h进入直线升温期，每小时升温5～8℃，11～13时升温速度渐缓。并达到最高温度，可高出露地20℃以上，随后开始下降，15～17时后进入快速降温阶段，平均降温幅度在每小时5～6℃，随着内外温差的缩小，夜间降温幅度会迅速变小，大约为1℃/h，到凌时，室温仅比露地高3～5℃。有时室内温度还会低于外界温度，称之为“逆温现象”，逆温现象多发生在早春或晚秋、晴天微风的清晨。

（3）湿度　由于薄膜的密闭性较好，棚内湿度与露地相比明显较大，日平均提高35～40％（表4－10）。在四季明显的北方地区，由于冬季低温期长，利用时间有限（仅比露地提早或延后1个月左右），塑料大棚发展相对较慢，而南方温暖地区或气候温和地区使用较多。无土栽培时，基质培以生长期较长的果菜类蔬菜为主，水培多生产生长速度快、周期短的叶菜类蔬菜。

表4－9　GP、PGP系列塑料大骨架规格表

表4－10　大棚内外的空气湿度日变化

（三）现代化温室

现代化温室能够对各种环境要素实现综合控制，达到适宜作物生长发育的要求。塑料大棚和日光温室可以说是“利用自然”的保护设施形式，现代化温室则是“创造自然”的保护设施形式，除主体结构规模较大外，内部有各种环境调控设备，包括加温系统。保温系统、降温系统、加湿或降湿系统、CO2施用系统、强制通风系统和自然通风系统、补光或遮阳系统、供肥供水系统、排水集雨系统、防护系统（防虫网、除雪设备）、气象站、动力系统、控制系统等。由于系统的构成不同、设备选型不同，造价有较大的差异，扩大温室规模是降低单位面积设备成本的主要途径，将单栋温室连栋化是扩大温室规模的有效途径，大型化是温室的趋向。

现代化温室使用年限多在20～50年，多用热镀锌钢材或铝型材作结构材料，混凝土做基础材料，采用桁架结构。一般南北向东西延长，见光面积大，冬季进光量较多；而东西向南北延长，室内温、光均匀。由于不同国家、不同地区气候特征不同，尤其是风、雪、雹等灾害性天气状况不同，在温室设计方面差异较大，不同国家和一些国内厂家生产的温室结构如表4－11。

现代化温室一般建筑面积较大，环境调控能力较强，但室内通风、夏季降温能力较低。研究表明，当温室总跨度超过40m时，中部就会出现高温“郁闭”区，影响CO2的输送和植物生长，为此，需要增加强制换气设备或微喷系统、降温系统（遮阳或喷雾）。另外，大型连栋温室难以实施外保温，夜间降温迅速，冬季加温耗能多，为了节能常采用内保温系统。花卉及一些果菜栽培中为调节花期，需进行光照调节，因此，温室应增加补光设备。为控制病害发生，地面需要薄膜覆盖以降低空气湿度，在无土栽培时常将地面硬化，这样导致CO2缺乏来源，必须通过CO2发生器供给，以满足光合成的需要。为防止虫害侵入，在温室通风口及出入口应该设置防虫网（30目左右的尼龙网）。为保持长期稳定的环境，还需设置功率匹配的通风、调湿、加温系统。环境综合调控是一项复杂的系统工程，人工的手动控制和机械控制难以达到经济生产的要求，计算机控制系统是现代化温室采用的主要形式。

表4－11　国内外一些厂家生产的温室结构规格

现代化温室的设备较为完善，温室环境要素能够根据作物生长发育要求来控制，做到周年生产，使温室作物生产保持稳产高产优质。但是温室的建设费用较高，与无土栽培技术结合能够更好地发挥温室设施的生产效能，是无土栽培发展的主要场所。

三、无土栽培用日光温室建造总体要求

1.在温室建筑的选择地址时，除注意综合条件外，应考虑到灌排水的方便，特别应注意到消毒药液的流向和处理，避免引起公害。

2.在温室建筑时，除注意采光、保温性能外，还应有良好的通风条件，最好附有降温设施。

3.在决定温室的高度、跨度及方向时，应根据营养液栽培的方式来确定。营养液育苗温室可以采用东西延长，透光面朝南的温室，为便于多层架式育苗，温室高度可适当增加或采用半地下式（低于地平面60～80cm）。塑料大棚营养液栽培还是以南北延长为好，跨度大小应根据栽培床的设计要求及建筑材料等因素综合考虑。

4.设施的设计必须注意强化温室效应，注意优化棚型结构，使之尽可能多吸收、蓄积、利用太阳辐射能。在北纬35°～40°地区，日光温室应面向正南，采光角度不应小于25°。为减少光量反射损失率，前屋面最好建成矢高与跨度比值大于或等于0.4663的球面体，三面墙体最好用隔热材料或厚泥土层以利保温。塑料大棚应南北延长，矢高与跨度比值应在0.3左右，并应用保温棚膜和加盖保温纸被、草苫、棉被等物。 此外，营养液栽培的设施一般都是固定的，所以温室或大棚也应是固定的。因为营养液栽培中一般不会出现如有土栽培那样的连作障碍，如土壤盐分积累和土壤传染性病害增加等，这对固定设施的利用是有利的。