设施园艺是现代农业的一种重要生产形式，具有土地利用率高、生产周期短、技术含量高等优点。近年来，随着人们对蔬菜消费需求的日益增长，政府也逐渐加大了对设施园艺的重视和扶持，设施园艺得到了较快发展，截止到2014年，我国设施园艺总面积达386.2万公顷，占世界总种植面积85%以上。

　　日光温室是设施园艺的一个重要组成部分，它适合我国北方寒冷地区的蔬菜反季生产，建设面积也在逐年增加。2014年，我国日光温室面积达97.42万公顷，约占设施园艺总面积25.2%。当前日光温室多采用土壤栽培模式，土传病害、连作障碍、环境污染、资源利用率低下等问题已经严重制约了日光温室可持续性发展。针对这些问题，借鉴国外先进的温室栽培管理技术，结合我国实际情况，项目开展了日光温室的封闭式栽培研究。

　　项目提出了一种日光温室封闭式栽培系统的构建方法，设计了融合基质栽培子系统、环境监控子系统和水肥一体化营养液调控及灌溉子系统于一体的日光温室封闭式栽培系统，实现了根区与外界环境的有效隔离和营养液的循环利用。采用封闭式栽培模式比传统土壤栽培在农用土地资源的科学利用、节约用水、提高产量及水肥利用效率方面均存在一定的优势，达到了节地、节水、节肥、保护环境的目的。此外，还研发了温室设施环境管理和水肥一体化营养液调控及灌溉技术装备，该装备除了可以对环境进行调控外，还可以对营养液实行自动化调控及灌溉。营养液的调控主要包括水肥配比和灌溉控制两个方面，营养液的调控结合日光温室的环境条件和作物生长情况，以环境感知系统的监测信息为基础，以最大程度上满足作物生长需求为出发点确定调控目标，实现营养液的自动化配比，并且能够根据多种控制模式进行自动灌溉。

　　系统架构

　　日光温室封闭式栽培系统主要由基质栽培子系统、环境监控子系统和水肥一体化营养液调控及灌溉子系统构成，图1所示为日光温室封闭式栽培系统架构图。

　　日光温室内采用基质代替土壤，为作物根系提供支撑，存蓄水分和营养物质，为作物的生长创造一个适宜的根区环境。基质使用基质袋或塑料薄膜完全包裹，保证了其与外界的隔离，同时也有利于营养液回收系统的设计，通过过滤装置和回流管道可以将基质渗出的多余的营养液进行回收，基质、包裹材料、过滤器和回流管道构成了基质栽培子系统。

　　环境监控子系统包括环境监测和环境调控两种功能。其中环境监测通过环境监测网络（WSN）实现，环境监控网络的核心是环境信息感知节点，它连接环境监测需要的各类型传感器，如空气温湿度传感器、基质温度传感器、CO₂浓度传感器、光照传感器等。温室环境小气候还受到外界气象条件的影响，同时为了实现日光温室的基本操作及自动化，比如卷帘、通风等，也需要对外界环境进行监测，所以环境监测网络还包括了一个室外气象站，可以测量温室外部的温度、湿度、风速和风向等。感知节点和气象站节点内嵌433MHz无线传输模块，所有的环境信息感知节点、气象站和汇聚模块构成了环境监控网络。此外，环境监控网络还包括了一个环境控制器，它可以根据环境参数对温室小气候实现简单的调节，可以通过继电器控制卷帘机、热风机等基本的环境调节设施。

　　营养液供给装置、调控及灌溉控制器和回收系统构成了水肥一体化营养液供给系统。营养液供给装置包括多个肥料供给罐，肥料罐中分别盛放了作物生长所需的各种营养母液，肥料罐的数量可以根据实际情况进行调整，但必须以满足作物生长需要为原则。调控灌溉控制器不但可以根据程序自动调节营养液的配比，还能够控制所有温室的营养液供给开关，方便、灵活地实现多种营养液供给方案。回收系统可以实现营养液的循环利用，灌溉时间及灌溉量可以根据温室内环境信息进行自适应调整。

　　基质栽培子系统构建

　　日光温室传统栽培方式是地面起垄，垄上种植作物。为了创建一个封闭式的根系环境并充分利用日光温室的地面土壤蓄热功能，封闭式栽培系统改变了传统的栽培模式，在地面上开挖种植沟，种植沟底部铺设PE塑料膜，袋装基质或者用PE塑料膜完全包裹的基质放置在种植沟内的塑料膜上，作物种植在栽培基质中。

　　基质栽培系统的构建方案为：日光温室地面上南北向开挖地沟，根据温室的南北跨度确定地沟的长度，沟宽30～35厘米，深20～25厘米，且南北向存在5～10厘米的落差，沟间距1.15米，图2示为基质栽培子系统结构图。

　　环境监控子系统构建

　　环境监控网络的任务主要包括监测和控制两个功能，其中监测功能主要由环境监测模块实现，控制功能由调控模块实现，这两个模块构成了环境监控网络的核心和主干。监测模块和调控模块之间通过传输模块进行数据流传输。为了实现远程管理，传输模块还会将本地数据通过3G网络上传到后台服务器。所以，一个完整的环境监控网络包括监测、传输、调控、后台服务4个功能模块，图3所示为监控网络结构图。

　　水肥一体化灌溉循环系统构建

　　水肥一体化营养液灌溉系统由灌溉控制器、母液供给部分、混肥部分、灌溉及回收管路组成，其中灌溉控制器已经集成到了环境及水肥调控装备中，可以按照设定的程序进行肥料的配比和灌溉控制；母液供给部分由母液桶和电磁阀构成，不同种类的肥料投放到对应的母液桶A、B等中，酸桶中盛放硝酸，肥料及酸液的抽取通过灌溉控制器控制电磁阀的开合来实现，抽取到的母液通过文丘里管进行混合，并流入到混肥桶中；混肥桶内置EC值和pH值传感器营，可以实时检测营养液的制备情况，然后根据程序设定的不同参数进行不同类型营养液的配制；配制完毕的营养液在灌溉泵的控制下向温室内进行供给，每个温室的灌溉量及灌溉时间及频率通过灌溉控制器操作电磁阀的开合进行控制，多余的营养液回流到回收桶中，并通过水泵抽取到混肥桶中，实现营养液的循环利用，图4所示为水肥一体化营养液灌溉系统结构图，图5所示为软件界面。

　　系统应用

　　从2013年至今，日光温室封闭式栽培系统已经在辽宁省的朝阳市、凌源市、喀左县、葫芦岛市，河北省的廊坊市进行了示范性推广，目前示范推广面积已经超过了1.7万平方米，其中朝阳市8000平方米，凌源市1000平方米，喀左县3600平方米，葫芦岛市2400平方米，廊坊市2200平方米，图6所示为示范点现场。

　　作者单位：中国农业大学