日光温室内土壤-作物-环境系统水热耦合机理研究

The No. 1 document from the national central government in 2016 emphasizes the importance of tamping down the foundation of agriculture and propelling agricultural modernization. It is said that agricultural technological innovation should resolve the key technology of seeds and genomics, agricultural machinery and equipment, intelligent agriculture, environmental protection etc. Solar green-house is very important in Chinese facility agriculture in cold arid areas because of off-season production. The internal environment is not only influenced by external temperature and humidity, radiation intensity, wind speed and direction, but also depend on transpiration and photosynthesis of inner crops, evaporation of soil moisture. Therefore, acquiring the variation of greenhouse internal environmental factors and their coupling effect have a great significance to improve the structure of greenhouse, the prevention of plant diseases, increase crop production and the income of farmers, etc.. Solar green-house used by farmer in daily production is chose to measure the related thermal properties of soil, crops and environment. The water and thermal coupling mechanism of soil-crop-environment system is analyzed basing on fluid dynamics, heat transfer and seepage mechanics. The numerical model of soil-crop- environment system is built to offer the theoretical support in improving the structure of greenhouse and controlling the internal environment , to obtain the suitable environmental condition.

2016年中央一号文件再次强调了要持续夯实现代农业基础，大力推进农业现代化，指出农业科技创新，需重点突破生物育种、农机装备、智能农业、生态环保等领域的关键技术。日光温室由于能够实现反季节农业生产，在我国北方寒冷干旱地区设施农业中占据重要地位。日光温室内环境除受室外温湿度、太阳辐射强度、风速等影响外，同时受到作物蒸腾与光合作用、土壤蒸发作用的影响。因此掌握温室内土壤、作物和环境的耦合作用，对优化温室结构、病虫害防治、提高作物产量、增加农民收入等具有重要意义。本项目以内蒙古西部地区的日光温室作为研究载体，对温室内土壤、作物和环境参数进行测试，利用传热学、渗流力学与计算流体力学方法建立土壤多孔介质模型、水分移动模型、蒸发模型和作物渗流模型，从而深入探讨温室土壤-作物-环境系统水热耦合机理。为日光温室结构的改善与室内环境因子的控制提供理论依据，获得该地区日光温室生产所需的最佳环境条件。

日光温室由于能够实现反季节农业生产，在我国北方寒冷干旱地区设施农业中占据重要地位。温室内土壤、作物和环境系统发生显著的水热耦合作用，掌握此耦合作用对温室结构、提高作物产量，预防病虫害等有重要意义。本项目以内蒙古农业大学海流图科技园区内的双层膜日光温室为研究对象，针对温室的结构及北方寒冷干旱地区的气候特点，对实际生产中温室土壤水分蒸发、水分在土壤内部的渗流、作物多孔介质参数和植物群体的蒸腾速率的测试分析，同时结合日光温室内作物生长情况，利用传热学、渗流力学与计算流体力学的方法探究日光温室内土壤-作物-环境系统水热耦合机理。建立土壤-作物-环境水热耦合作用的数学模型，利用计算流体力学（CFD）商用软件进行数值模拟，构建基于模拟技术的温室预测系统。为温室结构的改造、室内作物栽培技术方案的优化提供了理论支持。具体如下：.（1）对日光温室土壤温湿度展开长期的试验测试，掌握了土壤水分迁移机理。发现温室南侧土壤对作物生长有不利影响且温室中部深0.25～0.35处的土壤温湿度对作物植根系生长最合适。.（2）对光温室内部南侧土壤温度进行研究发现，发现含有内拱棚的日光温室有效的降低了日光温室的“边际效应”，内拱棚的增加提升5cm深度土壤层温度1.7℃，25cm深度处土壤层1℃，而对于深度55cm深度土壤层温度作用不明显。.（3）明确了在典型天气下（晴天、雪天）日光温室的不同的通风方式下，日光温室内部的温湿度分布和变化规律。.（4）通过数值模拟的方法研究了温室内部作物冠层区域与非作物区域的温湿度在不同时期的分布情况，建立了Elman神经网络预测模型，预测结果符合模型要求。.（5）构建了日光温室土壤-作物-环境CFD模型，模拟发现芹菜冠层的温度和湿度比周围温度低4～14°C，比周围环境高10％～30％。随着冠层的增高，冠层与温室其他部分之间的温度和湿度差异也增加。