本发明涉及一种植物种植系统，特别涉及一种适于深地岩土环境的农作物种植生态系统。
背景技术
现有的研究表明，影响植物生长的因素主要有以下几点：(1)光照；(2)温度；(3)水分；(4)二氧化碳；(5)矿质营养。为了促进植物的生长，提高作物的产量，以及在植物无法生长的季节顺利进行植物育苗和栽培，大量人工构建的植物种植系统已广泛应用于植物栽培和生产中。这些植物种植系统大多是通过调控上述五种因素来满足植物生长所需，如目前广泛使用的的温室，就是一种在地面上构建的种植系统，其能够很好克服植物由于南北地域的差异，以及克服作物因季节属性而无法进行栽培和生产的缺陷。但是这套种植系统均采用构建封闭式的区域，通过对封闭式区域内的环境因素进行人工调控，从而实现植物培育的目标。
随着中国航天工程的发展与科技的进步，涉及太空环境的种植系统也不断被开发出来，其是在太空环境中设置一个密闭的栽培舱，通过模拟植物在标准环境下的生长条件来实现在太空上进行植物的种植，并结合太空中特有的幅射环境进行植物突变的培育。这类太空种植系统也均采用封闭式的区域，通过在封闭式区域内搭建人工种植环境完成植物的生长培育。
对于目前的温室构建而言，由于温室内的作物种类较多，农作物需求量大，因此温室的占地面积往往较广。另一方面，由于不同的物种对环境的要求反差较大，如石榴、向日葵等喜阳植物和蕨类、菌类等喜阴植物的培育就需要不同的温度和光控制系统，这就需要构建不同体系的温室场所或者组建更多数量的封闭空间来实现各物种的栽培。温室的构建已经占据了相对大量的土地面积，而目前我国的现状表明，土地面积极其昂贵，特别是对于人口稠密的城市地区，用于办公室、住宅建设或基础设施建设的土地已极其匮乏，因此在温室搭建时所面临的土地面积大量占用的问题成为制约农作物种植开发的一大影响因素。
我国现有国情呈现出的人口快速增长、环境遭受污染、极端气侯变化以及食品结构变化越来越导致现有的土地资源严重不足，植物种植体系不得不向地下发展，已有基于浅地或地窖环境的人工种植系统被开发出来。然而地表附近的浅地范围(一般认为深度小于50米)受地面影响较大，很多土壤已被各种重金属或盐碱等物质污染，地面环境变化容易对浅地带来直接的影响，因而必须要开发深地种植系统，才能更好地避免地面环境变化对植物造成的影响。由于深地环境(一般认为深度在100米以上)有相对独立的小环境循环，其与地面环境不相互影响，利于进行控制，且不易受现有环境的制约，因而具有极大的开发空间。快速构建深地农业种植体系，已成为利于植物栽培的发展目标。
然而开展深地农业有着较大的局限性，深地环境有别于地表环境，在100米以下的深地中基本没有植被可以生长的土壤，大多是以岩石或破碎的岩层为主，植物无法进行栽培；且深地不同于地表中的温室，在地下是一个完全没有光照的环境，深地中的二氧化碳气体和氧气等缺乏，而是含有较多的天然气和甲烷等含碳量高的有机气体，植物在深地无法进行光合作用。另一方面，根据相关报道，深地中对于植物生长极为不利的因素除了气体环境无法进行光合作用之外，更重要的是深入地下的环境温度极高，且地下深度越深内部温度越高。上述深地的不利环境对于植物在深地中种植栽培的存活性问题提出了极大的挑战。据美国南卫理工会大学(smu)地热实验室报道(https://www.smu.edu/dedman/academics/programs/geothermallab)，地下深度100-200m处，温度大约在50～70℃左右，地下深度200-500m处，温度范围将升至120～150℃，当达到地下深度1000m以下，温度范围可升至250℃，然后深入到5000m时，地下温度基本维持在150～250℃范围内。大多数植物生长的适宜环境一般在25～28℃，当温度超35℃就会对植物造成高温侵害，高温胁迫下植物的生长将会受到抑制，存活率及产量都会受到较大影响，在深度达到100米以下，越往深处去温度越高，大大超出了植物生长的适宜温度环境，植物很难保证存活。如何对深地的温度环境和岩土环境进行有效调控，成为植物能否在深地环境下顺利存活的重要影响因素。
然而参考温室的温度调控手段发现，其大多限于封闭式的环境，其是基于地表的温度和土壤环境进行调控设计，温度控制由于将其制备成封闭式空间，因而温度容易维持恒定，而地表由于光照条件基本不受影响，植物也较容易存活，地表土壤资源丰厚，很利于植物的栽培种植。与深地环境相比，封闭式的温室环境其调控方法更简单，技术障碍更小，很难有更多的参考价值，无法将其很好应用到深地环境中。由于深地环境有其独特的空间，不易受外界因素的干扰，需要充分利用深地环境就必需做成半封闭式的空间系统，而如何针对深地农业的生态环境制备出半封闭式的地下空间，通过人工调控手段特别是对地下的岩土环境和温度环境进行有效调控，成为深地农业能否顺利开展所面临的必须解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了解决深地农业开展所面临的上述问题，而提供一种适于深地岩土环境的农作物种植生态系统，通过采用合理的人工调控手段搭建深地农业生态系统，满足一般作物在深地环境下的存活问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种适于深地岩土环境的农作物种植生态系统，所述深地为地下100～5000米任意深度范围的地下空间，所述地下空间由人造空间与原有深地空间组成，所述人造空间内设置作物种植区域，所述原有深地空间与人造空间相互连通形成半封闭式空间结构；所述生态系统中构建有包括温度控制系统、水分控制系统、气体控制系统和光照控制系统；
所述温度控制系统的构建包括：在所述人造空间各个方向的外壁铺设径流量为2.5～5.8m3/h的水网结构，所述水网结构离所述作物种植区域的距离为1～5米；向所述水网结构中引入地表或地下水源，并控制所述水网结构中的水温为5～25℃；在所述人造空间内部设置与所述水网结构相连通的喷淋系统，所述喷淋系统位于所述作物种植区域上方，控制水的喷淋量为3.5～6.7m3/h；环绕所述作物种植区域还设置有风冷系统，所述风冷系统的送风量为300～600m3/h；
所述人造空间内设置用于农作物生长的栽培装置，所述栽培装置内填充固定作物的生长基质，按重量份计，所述生长基质包括：农作物秸秆6～10份，食用菌菌渣4～6份，腐植酸3～5份，蚯蚓粪4～7份，硼砂5～8份；
所述水分控制系统通过引入外部水源对所述人造空间内的作物进行水分供应和调控；所述气体控制系统将地表的自然空气输入所述人造空间内部用于作物生长；所述光照系统由人造光源控制组成，位于所述人造空间内部用于供给作物生长所需的光强度。
具体的，在所述地下空间的深度为100～500米范围内，控制所述水网结构的径流量为2.5～3.0m3/h，控制所述水网结构中的水温为20～25℃，控制所述水网结构离人造空间的内侧距离为1～2米，控制喷淋系统中水的喷淋量为3.5～3.8m3/h，控制风冷系统的送风量为300～350m3/h；所述栽培装置内填充固定作物的生长基质，按重量份计，所述生长基质包括：农作物秸秆6份，食用菌菌渣4份，腐植酸3份，蚯蚓粪4份，硼砂5份。
具体的，在所述地下空间的深度为500～1000米范围内，控制所述水网结构的径流量为3.0～3.8m3/h，控制所述水网结构中的水温为15～20℃，控制所述水网结构离作物种植区域的距离为2～3.2米，控制喷淋系统中水的喷淋量为3.8～4.7m3/h，控制风冷系统的送风量为350～420m3/h；所述栽培装置内填充固定作物的生长基质，按重量份计，所述生长基质包括：农作物秸秆7份，食用菌菌渣5份，腐植酸3份，蚯蚓粪5份，硼砂6份。
具体的，在所述地下空间的深度为1000～5000米范围内，控制所述水网结构的径流量为3.8～5.8m3/h，控制所述水网结构中的水温为5～15℃，控制所述水网结构离作物种植区域的距离为3.2～5米，控制喷淋系统中水的喷淋量为4.7～6.7m3/h，控制风冷系统的送风量为420～600m3/h；所述栽培装置内填充固定作物的生长基质，按重量份计，所述生长基质包括：农作物秸秆10份，食用菌菌渣6份，腐植酸5份，蚯蚓粪7份，硼砂8份。
本发明提供了一种适合于不同深度范围的深地高温环境以及岩土环境下的农作物种植生态系统，通过上述各种人工调控手段，能够很好对深地的高温环境进行合理调控，并对深地缺乏土壤栽培环境进行合理的配置，结合深地不同深处的温度环境以及植物生长所受的不同影响，配置合适组分的营养基质，基本实现了种植作物的存活，给深地农业的开展提供了参考和方向。
本发明着重解决了深地高温环境下以及无土壤营养栽培环境下作物无法存活的问题，通过在人造空间内部进行人工调节措施，实现了对温度和生长基质中不同营养成分的有效调控。其中在人造空间周围覆盖合适的水网结构，通过水网结构中供入较低温度的液态水来实现与人造空间内部的热交换，降温效果较佳；同时，在作物种植区域上方建立喷淋系统，通过喷淋的方式进一步对植物叶表及根部进行降温处理；另一方面，还通过在作物种植区域周围设置风冷系统，通过控制送风量来达到对植物叶表进行风冷降温，满足植物的生存环境。三种冷却方式的有效结合，能够将深地人造空间内部的温度维持在植物能够存活的环境，适合于本发明的半封闭式系统，人造空间内部与原有深地空间之间的连通并不会对植物的存活造成严重的影响，原有深地空间内部极高的温度通过合理的调控手段，能够满足作物在高温下存活。
本发明结合深地不同深处的温度环境对植株造成的生长影响，以及作物生长表现出的对营养物质的不同需求，对于不同的深度环境进行相应的温度和营养调控方式，很好保证了植物在深地下的光合作用，保证了植物在深地下的存活问题。
本发明的温度调控方式，并非像地表温室和太空密封空间一样可将温度调控到作物最适宜的25～28℃，由于其是半封闭式系统，仅仅能够将半封闭的人造空间内部温度调控到40～60℃之间，但是在该温度环境下，虽然作物的存活率和产量受到一定影响，但是大部分作物均实现了存活，这就给深地农业的开展提供了技术参考，后续进一步合理控制温度环境的手段还需进一步研究开发。
本发明中的地下深度范围选择为100～5000米范围，是由于地表浅地(深度50米以内)土壤环境受污染较为严重，而城市由于人口密集，城市发展已大多深入地下50～100米范围，地下铁路网络覆盖，开展浅地农业已受到较大的局限性，因此本发明主要进行深度在100米以下的农业开展；另一方面，基于深地不同的深度范围其温度环境不同，且在1000～5000米范围内温度基本维持恒定，能够方便进行环境的调控。采用本发明的调控手段，在该深地范围内很好满足了作物的存活环境，能够进行深地农业的开展。
进一步的，所述水网结构中的水温通过温度控制器进行调节，所述温度控制器安装在水网结构内部。通过温度控制器可将水网结构中的水控制在所需的温度环境，更好地发挥水网结构对人造空间的降温效果。水温的控制手段可以结合现有的调控方式进行，只需要能够能将水温合理控制即可。
进一步的，所述人造空间是由人工骨架搭建而成，在所述人工骨架内部设置温度控制系统、水分控制系统、气体控制系统和光照控制系统。
进一步的，所述生态系统中还设置蒸汽回收装置，所述蒸汽回收装置位于所述喷淋系统的上方，蒸汽回收装置顶部设置冷凝器，底部设置与水网结构相连通的回流管道，所述冷凝器正对着喷淋系统。由于深地的高温环境，水分容易发生蒸发，这就需要大量的水资源进行温度的冷却，本发明通过设置蒸汽回收装置，经过高温蒸发而出的水蒸气经过蒸汽回收装置中的冷凝器进行冷却成液态水，然后经过蒸汽回收装置底部的回流管道进入水网结构中，实现了部分水原的循环利用，节约了成本。
进一步的，所述冷凝器通过风机将热量输送到原有深地空间外部。通过风机及时将冷凝器产生的热量输送到原有深地空间外部，不会影响人造空间内的温度环境，利于进行降温，保证了作物的生长存活。
本发明的有益效果在于：创新型的提供了一种适于开展深地农业的农作物种植生态系统，通过建立一套合理的人工调控手段，能够将深地高达250℃的高温环境降低到50～60℃左右，并对深地无土壤栽培环境进行合理的人工调控，提供合适的植物生长基质来满足作物的营养，实现了作物在深地高温环境及岩土环境下的存活，为地面作物转向深地种植提供了技术参考。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种深地农业种植生态系统，该生态系统是位于地下深度100～200米内的空间范围，(其地址为经度e104°04′35"，纬度：n30°37′43"，该原有地下空间的物质构成为：无土壤，由岩石和碎石构成，地下测试温度达70℃，无光照，气体稀薄，以甲烷气体为主)，其由人造空间和原有深地空间组成，人造空间由人工骨架搭建而成，该人造空间与原有深地空间相互连通形成半封闭式空间结构。在人造空间内部设置有作物种植区域，并设置有用于农作物生长的栽培装置，栽培装置内填充有生长基质，用于固定植物并提供植物生长所需的营养，按重量份计，所述生长基质包括：农作物秸秆6份，食用菌菌渣4份，腐植酸3份，蚯蚓粪4份，硼砂5份。在人工骨架内部构建有相应的温度控制系统、水分控制系统、气体控制系统、光照控制系统以及蒸汽回收装置。所述水分控制系统通过引入外部水源对所述人造空间内的作物进行水分供应和调控；所述气体控制系统将地表的自然空气输入所述人造空间内部用于作物生长；所述光照系统由人造光源控制组成，位于所述人造空间内部用于供给作物生长所需的光强度。
上述温度控制系统包括：在人造空间各个方向的外侧设置径流量为2.5m3/h的水网结构，该水网结构离人造空间的内侧距离为1.5米；向该水网结构中引入地表或地下水源，通过在水网结构内部安装温度控制器，将水网结构中的水温控制为22～25℃；进一步在人造空间内部设置与水网结构相连通的喷淋系统，其是位于作物种植区域的上方，控制喷淋系统中水的喷淋量为3.5m3/h；围绕作物种植区域进一步设置风冷系统，风冷系统的送风量为300m3/h，从而对作物表面进一步实现降温；蒸汽回收装置位于喷淋系统上方，蒸汽回收装置顶部设置冷凝器，底部设置与水网结构相连通的回流管道，冷凝器正对着喷淋系统，冷凝器通过风机将热量输送到原有深地空间外部。
在该生态系统中分别种植大豆、芹菜和甜菜幼苗，三种作物分别种植100株，仅对作物提供常规的营养养护管理，移栽30天统计其存活率，豆苗、芹菜和甜菜的存活率分别为31％、35％和36％，表明在该生态系统中可以实现深地农作物的栽培。
实施例2
一种深地农业种植生态系统，该生态系统是位于地下深度500～800米内的空间范围，(其地址为经度：e101°38′4"，纬度：n28°11′27"，该原有地下空间的物质构成为：无土壤，由岩石和碎石构成，地下测试温度达140℃，无光照，气体稀薄，以甲烷气体为主)，其由人造空间和原有深地空间组成，人造空间由人工骨架搭建而成，该人造空间与原有深地空间相互连通形成半封闭式空间结构。在人造空间内部设置有作物种植区域，并设置有用于农作物生长的栽培装置，栽培装置内填充有土壤或生长基质，用于固定植物并提供植物生长所需的营养，按重量份计，所述生长基质包括：农作物秸秆7份，食用菌菌渣5份，腐植酸3份，蚯蚓粪5份，硼砂6份。在人工骨架内部构建有相应的温度控制系统、水分控制系统、气体控制系统、光照控制系统以及蒸汽回收装置。所述水分控制系统通过引入外部水源对所述人造空间内的作物进行水分供应和调控；所述气体控制系统将地表的自然空气输入所述人造空间内部用于作物生长；所述光照系统由人造光源控制组成，位于所述人造空间内部用于供给作物生长所需的光强度。
上述温度控制系统包括：在人造空间各个方向的外侧设置径流量为3.2m3/h的水网结构，该水网结构离人造空间的内侧距离为2.6米；向该水网结构中引入地表或地下水源，通过在水网结构内部安装温度控制器，将水网结构中的水温控制为17～20℃；进一步在人造空间内部设置与水网结构相连通的喷淋系统，其是位于作物种植区域的上方，控制喷淋系统中水的喷淋量为4.1m3/h；围绕作物种植区域进一步设置风冷系统，控制风冷系统的送风量为480m3/h；蒸汽回收装置位于喷淋系统上方，蒸汽回收装置顶部设置冷凝器，底部设置与水网结构相连通的回流管道，冷凝器正对着喷淋系统，冷凝器通过风机将热量输送到原有深地空间外部。
在该生态系统中分别种植葱、萝卜和香菜幼苗，三种作物分别种植200株，仅对作物提供常规的营养养护管理，移栽30天统计其存活率，葱、萝卜和香菜的存活率分别为29％、34％和37％，表明在该生态系统中可以实现深地农作物的栽培。
实施例3
一种深地农业种植生态系统，该生态系统是位于地下深度1500～3000米内的空间范围，(其地址为经度：e101°38′4"，纬度：n28°11′27"，该原有地下空间的物质构成为：无土壤，由岩石和碎石构成，地下测试温度达160℃，无光照，气体稀薄，以甲烷气体为主)，其由人造空间和原有深地空间组成，人造空间由人工骨架搭建而成，该人造空间与原有深地空间相互连通形成半封闭式空间结构。在人造空间内部设置有作物种植区域，并设置有用于农作物生长的栽培装置，栽培装置内填充有土壤或生长基质，用于固定植物并提供植物生长所需的营养，按重量份计，所述生长基质包括：农作物秸秆10份，食用菌菌渣6份，腐植酸5份，蚯蚓粪7份，硼砂8份。在人工骨架内部构建有相应的温度控制系统、水分控制系统、气体控制系统、光照控制系统以及蒸汽回收装置。所述水分控制系统通过引入外部水源对所述人造空间内的作物进行水分供应和调控；所述气体控制系统将地表的自然空气输入所述人造空间内部用于作物生长；所述光照系统由人造光源控制组成，位于所述人造空间内部用于供给作物生长所需的光强度。
上述温度控制系统包括：在人造空间各个方向的外侧设置径流量为5.4m3/h的水网结构，该水网结构离人造空间的内侧距离为4.6米；向该水网结构中引入地表或地下水源，通过在水网结构内部安装温度控制器，将水网结构中的水温控制为8～10℃；进一步在人造空间内部设置与水网结构相连通的喷淋系统，其是位于作物种植区域的上方，控制喷淋系统中水的喷淋量为6.2m3/h；围绕作物种植区域进一步设置风冷系统，控制风冷系统的送风量为500m3/h；蒸汽回收装置位于喷淋系统上方，蒸汽回收装置顶部设置冷凝器，底部设置与水网结构相连通的回流管道，冷凝器正对着喷淋系统，冷凝器通过风机将热量输送到原有深地空间外部。
在该生态系统中分别种植黄豆、萝卜和芹菜幼苗，三种作物分别种植500株，仅对作物提供常规的营养养护管理，移栽40天统计其存活率，黄豆、萝卜和芹菜的存活率分别为30％、35％和35％，表明在该生态系统中可以实现深地农作物的栽培。
实施例4
一种深地农业种植生态系统，该生态系统是位于地下深度3000～5000米内的空间范围，(其地址为经度e104°04′35"，纬度：n30°37′43"，(这个应该是模拟仓实验，看是否要注明，然后经纬度写的是四川大学的深地实验室地址，目前我们应该做不到这么深)，该原有地下空间的物质构成为：无土壤，由岩石和碎石构成，地下测试温度达200℃以上，无光照，气体稀薄，以甲烷气体为主)，在模拟仓内模拟出该地下环境，并在其中构建生态系统如下：该生态系统由人造空间和原有深地空间(模拟仓环境)组成，人造空间由人工骨架搭建而成，该人造空间与原有深地空间相互连通形成半封闭式空间结构。在人造空间内部设置有作物种植区域，并设置有用于农作物生长的栽培装置，栽培装置内填充有土壤或生长基质，用于固定植物并提供植物生长所需的营养，按重量份计，所述生长基质包括：农作物秸秆10份，食用菌菌渣6份，腐植酸5份，蚯蚓粪7份，硼砂8份。在人工骨架内部构建有相应的温度控制系统、水分控制系统、气体控制系统、光照控制系统以及蒸汽回收装置。所述水分控制系统通过引入外部水源对所述人造空间内的作物进行水分供应和调控；所述气体控制系统将地表的自然空气输入所述人造空间内部用于作物生长；所述光照系统由人造光源控制组成，位于所述人造空间内部用于供给作物生长所需的光强度。
上述温度控制系统包括：在人造空间各个方向的外侧设置径流量为5.8m3/h的水网结构，该水网结构离人造空间的内侧距离为5米；向该水网结构中引入地表或地下水源，通过在水网结构内部安装温度控制器，将水网结构中的水温控制为5～8℃；进一步在人造空间内部设置与水网结构相连通的喷淋系统，其是位于作物种植区域的上方，控制喷淋系统中水的喷淋量为6.7m3/h；围绕作物种植区域进一步设置风冷系统，控制风冷系统的送风量为600m3/h；蒸汽回收装置位于喷淋系统上方，蒸汽回收装置顶部设置冷凝器，底部设置与水网结构相连通的回流管道，冷凝器正对着喷淋系统，冷凝器通过风机将热量输送到原有深地空间外部。
在该生态系统中分别种植茄子、豆角和西红柿幼苗，三种作物分别种植800株，仅对作物提供常规的营养养护管理，移栽50天统计其存活率，茄子、豆角和西红柿的存活率分别为36％、34％和32％，表明在该生态系统中可以实现深地农作物的栽培。
对比例1
按照实施例1的方式构建深地农业生态系统，其中仅采用人工水网结构和喷淋系统，不采用本发明的风冷系统进行温度调控，发现豆苗、芹菜和甜菜三种作物在该生态系统中无一株能够存活。
对比例2
按照实施例2的方式构建深地农业生态系统，其中不使用本发明的生长基质，只在栽培装置中添加地表土壤，并只对深地温度构建喷淋系统和风冷系统进行调控，发现葱、萝卜和香菜三种作物在该生态系统中无一株能够存活。
对比例3
按照实施例3的方式构建深地农业生态系统，其中将水网结构中的径流量设置为2.1m3/h，水网结构离人造空间的内侧距离为6.5米，并将生长基质中的蚯蚓粪和食用菌菌渣去除，发现黄豆、萝卜和芹菜无一株能够存活。