一种高效二氧化碳施肥装置及施肥方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高效二氧化碳施肥装置及施肥方法，属于设施农业工程技术领 域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着设施工程技术和栽培育种技术的不断进步，设施农业植物产量也得 到了极大的提高。但是，由于不适生长环境因子（如CO2浓度、光照强度、温度等）及病虫 害等的影响，设施农业植物实际的产量只发挥了其生产潜力的24%左右，其中不适生长环 境已成为植物产量最重要的限制因素。与设施农业环境控制技术发达的荷兰和日本相比， 中国设施农业植物的平均产量分别为其平均产量的1/6和1/3左右。其主要原因为，中国 的农业设施主要以大棚和日光温室为主，室内环境调控能力较差。而〇) 2是植物进行光合 作用的原料之一，其浓度是影响植物生长的一个很重要的环境因子。如图9所示，光合速率 与光强和〇) 2浓度关系示意图。在设施农业生产中，植物进行光合作用会消耗大量的CO 2， 若室内CO2得不到及时补充，CO 2浓度会迅速下降。过低的CO 2浓度已成为设施植物光合的 主要限制因素，制约了植物生长发育，降低了植物产量和品质。
[0003] 目前已经对如何提高温室内CO2浓度展开相关研究，如高浓度CO2施肥法，可一定 程度上提高光能利用效率，但〇) 2利用率低。因为CO2施肥利用效率与设施（比如温室）密 闭性有关，对于密闭性较好的温室（换气次数为〇. 5h 1以下），CO2逸散速率小，即使室内CO2 施肥到较高浓度（如1000 μ mol · mol ^，0)2利用效率也可维持在较高水平（0· 6左右）； 但在通风状态下，温室换气次数一般在IOh 1以上，若室内CO2浓度高于室外CO2浓度水平， 则增施的C0 290%以上会逸散到室外，经济效益较低；而CN103314694A所述的零浓度差CO2 施肥法，采用的是0N/0FF控制方法，容易出现0)2过充现象，造成CO2浪费；并且由于在作物 CO2饱和点以下，光合作用随着CO2浓度的升高几乎成直线增强，较低的CO2浓度（室外水平 或更低）限制了作物的光合速率，尤其是在较强的太阳辐射下（如图9)。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供一种高效二氧化碳施肥装置及施肥方法，其可进 一步提高植物的光合速率、提升光能以及增施CO2的利用效率，减少CO2逸散率，降低运行成 本。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种二氧化碳施肥装置，包括CO2施肥自动控制系统；其中，所述CO2施肥自动控制 系统包括控制器、以及分别与其连接的太阳辐射传感器、CO2传感器、温湿度传感器、CO 2存 储及输送单元、天窗控制开关、降温设备；
[0007] 其中，所述控制器（即电脑及其控制软件），用于处理各传感器提供的数据，并控 制〇)2存储及输送单元、天窗控制开关、降温设备的开启与关闭，以及控制CO2的施加速度； 其控制单元采用比例积分微分PID模块；
[0008] 其中，所述太阳辐射传感器，用于监测温室外太阳光辐射强度数据，并将数据传至 控制器；
[0009] 其中，所述CO2传感器，用于监测温室内外CO 2浓度数据，并将数据传至控制器；
[0010] 其中，所述温湿度传感器，用于监测温室内外温湿度数据，并将数据传至控制器；
[0011] 其中，所述CO2存储及输送单元包括：CO 2钢瓶、连接CO 2钢瓶的CO 2施肥管、及设置 于CO2施肥管上的CO 2流量计；所述CO 2钢瓶用于CO 2的存储，由控制器控制其开启、关闭及 〇)2输送流量大小；所述CO 2流量计用于控制CO 2流量大小和检测CO 2流量数据，并将数据传 至控制器；所述CO2施肥管布设位置可依据温室植物具体情况而定，以满足植物光合作用， 确保室内CO 2浓度均衡为宜。本发明中所述CO2施肥管的布设高度以1. 4-1. 6米为宜，且均 匀分布于温室两侧，以增加施肥均匀度。
[0012] 所述天窗控制开关用于控制天窗的开启与关闭；
[0013] 所述降温设备（如空调、蒸发降温设备等）的设置可减少温室通风时间或者延长 温室密闭时间，从而延长高光照下〇) 2浓度增施到较高水平的时间。
[0014] 本发明还可在所述施肥装置中增设循环风扇，利用其功能使增施的0)2在室内均 匀分布；但如使用空调等自带风扇的降温设备时，则可不需要循环风扇。
[0015] 本发明还提供了含有上述施肥装置的密闭性较好的温室。利用本发明所述的温室 可进一步提高植物的光合速率、提升光能以及增施CO 2的利用效率，减少CO2逸散率，降低运 行成本，适合大力推广。
[0016] 本发明还提供一种0)2施肥方法，利用上述施肥装置，在温室处于密闭状态下，采 用光_〇) 2耦合施肥法增施CO 2;在温室处于通风状态下，采用零浓度差CO 2施肥法增施CO 2。
[0017] 本发明所述施肥方法中，利用温湿度传感器检测室内外温湿度数据，当所述温室 内温度高于植物生长最高温度时，温室处于通风状态；当温室内温度低于植物生长最高温 度时，温室处于密闭状态。
[0018] 本发明所述施肥方法中，所述光-〇)2耦合施肥法具体为：控制器依据太阳辐射传 感器监测的温室外太阳光辐射强度数据判断是否施加 CO2;当太阳光辐射强度高于植物光 补偿点（已知），控制器开启CO2存储及输送单元中的CO 2钢瓶，通过CO 2施肥管向温室内施 加 CO2，待CO2传感器监测到CO2浓度达到目标浓度时，停止施加；当太阳光辐射强度小于植 物光补偿点，不施加 CO2。
[0019] 其中，所述目标浓度随太阳光辐射强度增强而增大，其具体数值的设定以有效提 高植物光合速率、光能利用效率，以及〇) 2利用效率为宜；本发明中所述0)2目标浓度计算公 式如下：
[0020] 〇)2目标浓度=[(温室外太阳光辐射强度-植物光补偿点）X (植物CO 2饱和 点-植物CO2补偿点）八植物光饱和点-植物光补偿点）]+植物〇) 2补偿点。
[0021] 其中，所述施加 CO2施加速度视温室面积大小和CO2目标浓度而定，以保证在较短 的时间内增施到目标浓度为宜。
[0022] 当温湿度传感器监测到室内温度超过植物生长最适温度时，控制器开启降温设备 进行室内降温，以延长温室密闭时间，使〇) 2浓度随着光强增加而继续升高，在高光照下增 施到较高水平。而当温湿度传感器监测到温室内温度低于植物生长最高温度时，天窗控制 开关关闭天窗，此时温室处于密闭状态，同时开启降温设备将室内温度降至植物生长最适 温度，从而减少温室的通风时间。
[0023] 本发明所述施肥方法中，当温室密闭性较差或处于通风状态条件时，采用零浓度 差CO2施肥法。所述零浓度差CO2施肥法通过比例积分微分（PID)方法控制，具体步骤为： 通过CO2传感器将温室内外CO2浓度数据传至控制器，采用比例积分微分（PID)控制方法始 终使室内〇) 2浓度接近但不高于室外CO2浓度。所述零浓度差CO2施肥法避免了 CO2过冲现 象，室内外CO2浓度保持一致，避免了 CO 2的逸散，提高了经济效益。
[0024] 作为本发明优选的实施方式，所述二氧化碳的施肥方法步骤如下（以一天为例）：
[0025] 1)早晨，温湿度传感器将温室内温度数据传至控制器，经控制器分析，室内温度低 于植物生长最适温度，温室为密闭状态；
[0026] 同时，太阳辐射传感器将温室外太阳光辐射强度数据传至控制器，经控制器分析， 若太阳光辐射强度高于植物光补偿点，则控制器开启CO 2存储及输送单元中的CO 2钢瓶，并 通过CO2施肥管向温室内施加 CO 2，待CO2传感器监测到室内浓度达到目标浓度时，停止施 加；