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2005年1月12日 作者:ctnyzn [返回]
温室微气候量测技术

序言 

今年十一月初,在荷兰参观一家栽培石斛兰的温室。主人以熟练的动作打开管理室内的电脑,温室内外微气候数据一目了然的出现于萤幕。各种环控设备是否动作也是清楚表明。在数日、数周前的气候资料也都可以追溯呈现,而去年与今年气候之比较结果,更是直接以图形表示。此温室主人即以此两年气候趋势的不同以调整其管理作业。在荷兰此种微气候量测系统几乎为每个温室业者普遍使用,成为温室栽培管理的基本工具。 

在国内兰花产业中,温室已成为必备的生产设备。为了执行温室内部温度控制,温度计是最普遍的微气候感测器。除了少数温室采用光量量测以进行遮荫网收放控制,大多数温室的遮荫网仍是维持时间控制方式。除了温度、阳光光量的量测之外,并未见到其他感测器。由于温度、光量的量测只是为了执行控制作业,量测数据并未记录与保存,因此更谈不上微气候数据的处理与应用。在国内有关花卉栽培的研究中,作物所处微气候向来未曾有详细准确的记录。栽培环境对于作物生长或开花习性影响的相关资料也是如此,因此研究结果以定性分析为主,尚未建立以量化数据进行栽培管理的概念。 

在2003年6、7两期“Flower Tech.”的刊物,分别报导温室内外微气候的量测技术。此两篇文章内容简述如下,再提出对国内产业的建议。 

荷兰温室微气候量测 

温室内部微气候主要受到外界气候所影响,温室使用者需要使用各种环控设备以改变内部环境。例如在冬天,需要加温与补光。在夏天需要通风与遮荫。要使微气候控制良好并能节省能源,在执行环境控制之前必须准确的量测温室外界的环境。 

欧洲温室的环境影响因子主要有温度、日照量、风速、风向、雨量与相对湿度。相对湿度在欧洲温室环控系统中很少加以考虑。雨量的量测是为了在下雨时段能够关闭天窗以避免雨水落入温室之内。太阳光能量的量测是为了控制遮荫网与计算作物灌溉的需水量。风速量测用以控制天窗,以避免强风进入温室损害作物与内遮荫网。风向的量测用以决定天窗开启的方向。 

为使温室外界微气候的量测准确,感测器的放置位置十分重要。感测器不可放置在温室的侧面而必须放置于屋顶上方至少50公分,而至多1公尺的位置。温、湿度计需要放置在有遮光作用且通风良好的容器内。感测器的附近不可有物体干扰量测。例如烟窗、树木等都可能造成量测误差。最适用的温度计为白金电阻式温度计,准确性通常为0.2℃。 

光量对温室内部作物的成长十分重要。光能量除了提供作物成长的能源也是温室内部主要的热源。阳光的量测单位为W/M而不是通用的照度Lux。另一种光量单位为光合作用有效能量(PAR)。在阳光下,光合作用有效能量通常为日照量的一半,因此量测日照量也可代表光合作用有效能量。日照计的放置位置要维持适当的水平,以避免误差。 

雨量计由两组相邻的铜片所构成。在无雨干燥时,铜片之间的电阻为无限大。下雨时雨水累积形成电流导路,电阻降至极小。由电阻变化以判断是否下雨。感测器必须定时加热,以避免累积的雨水或结露影响量测值。温室管理者可由雨量值以设定天窗作用的时间。雨量计通常与水平面维持30度以排出积水。雨量计感测面通常为迎风面,以藉由风力清洁表面。 

外界的光量、温度与风力间接影响内部微气候。由於温室结构与内在空气的影响,外界环境对内部微气候并非直接反应。只有内部光量随著外界阳光变化而马上变化。内部温度对外界变动气候的反应时间通常为10-20分钟。荷兰温室即是利用此种延迟作用进行环境调节。在环控电脑内建立环境模式控制软件,用以执行“预先控制”,使得内部温度的变化不致于过于激烈。除了现地即时的量测,长期气候预测对于温室管理作业愈来愈加重要。气候预测包括温度、日照量、云量等。自2002年开始,荷兰已有气候预测公司以网路连结农户,用以提供地区性的气候预测资讯。 

对于温室管理作业而言,内部微气候的资料十分重要。除了作为环境控制的依据,也可以利用这些资料和其他业者、研究中心等交换生产资讯。产品出售时,也可提供生产时期的气候资料。因此温室内部微气候量测系统必须可靠且精确。 

温室环控作业是藉由连续性的量测数据对于所有的生产过程加以调节温室内部微气候。然而温室微气候各种量测设备其准确性却有显著的差异。错误的量测讯号可能导致错误的环控作业。温度量测的误差为1℃,能源使用量将有10%的差异。不正确的气候资料,也导致生產过程中调节工作的不正确。 

为了确保量测值的正确性,荷兰温室产业近年来建立一项研究计划:“商业用温室环控作业用量测系统其量测准确性的标准化。”目的在于建立标准化的量测系统与控制程序。此计划的第一个步骤在于温室内部温、湿度量测作业的标准化。荷兰温室内部的温度与相对湿度是在一量测箱内进行干球与湿球温度的量测,再以此两个温度量测值计算相对湿度。在标准化的作业要求下,温度量测准确性要求为  0.2℃以内,通常作业范围为5-25℃,最大作业范围为0-40℃。对相对湿度而言,在70-90%范围内其准确性要求为  3%RH,而最大作业范围为40%-100%RH。 

量测箱内的温度计需要定时校正。目前的方法是使用一只5cm×5cm×8 cm的标准校正盒。校正盒上有三个凹洞。一个凹洞放入标准校正温度计,另外两个凹洞用以容纳干球、湿球温度计。由于校正盒为铝材料,传热快,可确保三个凹洞均处于同一个温度。因此以校正温度计的读值为标准值,用以比较其他两个温度计的准确性。对于相对湿度而言,要维持湿球温度计量测的准确性。湿球温度上的棉纱,给水量,通过的风速都要合乎作业标准。上述的检查作业每年至少一次,而在每期作物生产之前,最好校正一次。 

干球与湿球温度计放置于量测箱内并悬挂于作物的上方,量测箱不可涂成黑色,也不可以以金属为制作材料。白色塑胶是最佳材料。量测箱需要维持良好通风。对於果菜作物而言,量测箱位于作物中间高度。对盆栽作物则放置于离地面1.5公尺位置。 

尽管量测用温度计与量测箱都已合乎需求,量测值也只有代表量测点的温湿度,而无法代表整个温室的内部状况。因此为了得到有用的资讯,温室内部水平面的温度变化要愈少愈佳。对於具有加温与通风设备的温室而言,水平面温度差异不可大於1℃。通风不良的温室其水平面温度差异性可高达7℃。温室内温度分布的差异性造成作物成长速率、分化速率、发育速率等的不同。而不同的温度分布使环控作业更难执行。温室内某一区域温度如果过低,则引起相对湿度过高,因而增加病虫害的发生机率。为了提高在低温地区的温度,反而导致原高温区的温度更高。 

利用风扇循环可促使内部温度均匀。此外内遮荫网或内节能布的安置都要维持水平。有高低差的内披覆材料容易引起温度分布的不均。 

对作物而言,温室内微气候并不等于作物生长微气候。例如气温并不一定等于叶温。荷兰温室工业不断地进行研究针对作物本身的感测系统,并结合蒸散作用,干物质累积等生理知识,可以使作物生长条件处于最佳化,使用能源更节省,因此生产效率更高。 

  感语 

荷兰温室微气候量测技术自1980年代逐渐完备。网络的发达更加强了微气候的收集与应用功能。近年来主要的加强重点为感测器的性能校正与标准化作业。除了微气候环境,更加强以作物本体为量测对象的作物生理感测技术。 

由于作物生长现象是连续性,作物栽培过程中其生长微气候资料对于以后的栽培管理十分重要。以国内蝴蝶兰催花作业为例,一些具有冷房设备的兰友自其他兰园购买大苗送入冷房之后,往往发现催花之速率无法固定,因此影响市场销售计划。相同的现象在抗开花作业时也可以发现。自其他兰园购买的大苗,送入暖房预定进行抗开花作业。而这些兰苗在原来栽培温室的生长温度如果已低于催花温度,即代表已具有累积低温效应,此种兰苗在高温抗开花处理之下,仍然能够抽出花梗,因而导致抗开花作业的失败。 

荷兰温室生产十分重视微气候的量测与作物生长时期环境资料的建立。以这些精确的数据建立其生产技术,在电脑与电子感测技术的协助配合之下,微气候量测愈来愈准确。由于网络的发达,量测资讯的应用更广。国内花卉生产技术与相关学术研究仍然停留在经验观察阶段。对于作物生长所处环境未进行量测,更谈不上资料累积。兰花温室虽然已进行环境控制,感测资料则是局限于温度,而且只用为控制之用并未加以记录整理。少数公司曾建立环境记录系统,但是感测器的量测值是否准确?却未曾加以校正比对。国内每年有许多人到荷兰参观,看得到是其大规模生产的硬件设备,看不到的是荷兰温室产业对于微气候资料的量测技术与使用,还有如何利用环境资料进行生产管理等内在面。我国农业的国际竞争力与欧洲荷兰等国家将是愈离愈远。 

针对目前国内所用的温室或设施栽培技术其中关于微气候的量测与资料应用,智能化研究中心曾经规划以下发展阶段: 

1.      感测工具箱阶段:每一温室设施生产者具有一套感测工具箱,包括气温计、相对湿度计、日照计、风速计、介质温度计、EC计与pH计。使用者以这些感测器量测温室内外微气候与介质环境并自行记录以建立温室环境资讯。每年定期校正这些感测器的性能。 

2.      微气候连续监测系统:在温室内外建立微气候量测站,连续传输记录资料至电脑,除了进行资讯处理与显示之外,并且提供为环控设备的作业依据。 

3.      建立遥测无线传输系统,连结各温室之微气候资料于中央办公室以进行管理。 

4.      结合气候资料与作物生理资料,以决定最佳作业条件。 

5.      配合气象局长期预测资料以进行长时间的管理决策。 

国内研究界有关微气候感测器的研制开发已逐次完成,各项感测器的标准校正作业程序也已建立。藉由国内电子技术的优势,感测讯号的收集与整理也不是难事。然而国内研究人员与温室生产者缺乏此种精确量化数据的理念。仍是以经验法则作为温室作物栽培管理的依据。因此感测技术的推广其主要问题不再是硬件设备的开发,而是研究界与栽培人员内心观念的转变。 

今年11月初荷兰行,在荷兰花卉产业中看到其温室微气候的量测技术与应用。而在更深层的意义,看到了荷兰兰花产业突飞猛进的真正原因。 

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