现代农业照明现状与发展展望

随着以设施农业为主体的现代农业的快速发展，农业照明在设施园艺和设施养殖业中的作用日益突出，光环境调控已成为现代农业优质高产的必用手段。LED光源以其特有的光电性能优势和可控性在农业照明显现出广阔的应用前景。本文系统总结了现代农业中农业照明的必要性、应用领域、研究应用现状、发展前景和存在的问题，强调了农业照明在未来5～10年内发展前景广阔，其产业规模将在千亿元以上。

LED光源在现代农业的应用原理与技术进展

随着LED技术的发展和制造成本的下降,LED光源在现代农业中的应用越来越受到世界各国的广泛关注。LED不仅具有体积小、寿命长、能耗低、发光效率高、发热低等光电特性优点,而且还能根据农业生物的需要进行光谱的精确配置,促进农业生物的生长发育和光形态建成,从而提高其产量和品质。本文介绍了LED在农业照明领域的应用现状,分析了LED在农业领域的应用潜力,指出了限制农用LED推广应用的关键因素,并提出促进LED在现代农业中应用的发展思路、方向和重点以及对策。

根区温度对设施作物生理生态影响的研究进展

设施作物对根区温度变化的反应较空气温度更加敏感,根区温度的变化能够引起作物生理生态的剧烈变化。本文系统总结了根区温度对设施园艺作物根系和冠层的生理生态影响及作用机制,阐述了设施园艺作物根区温度调控方法与技术研究进展,以及研究中存在的问题,并对未来的研究方向进行了展望。

断氮处理提高2种氮水平水培生菜品质的效应研究

为研究氮水平对断氮处理提高水培生菜营养品质效果的影响,以揭示氮营养条件影响断氮处理效果的机理,在玻璃温室中,以2种氮水平10,15 mmol/L水培紫叶生菜,并在生菜生长后期以KCl溶液进行5 d断氮处理。断氮处理前后,生菜生物量没有显著变化。生菜抗坏血酸、可溶性糖含量在断氮处理后都显著提高了,叶片和叶柄硝酸盐含量则显著降低。断氮处理前后,生菜地上部酚类物质相对含量受氮水平影响都不显著。断氮处理对生菜生物量影响不显著,但显著提高了生菜营养品质。氮水平显著影响了生菜抗坏血酸含量变化速率,氮水平降低,抗坏血酸增加速率显著提高。

设施园艺半导体照明技术研发与产业化发展政策分析

本文系统总结了设施园艺半导体照明定义、研发必要性、应用领域及其复杂性，分析了设施园艺半导体照明技术研发与产业化现状，重点提出了设施园艺半导体照明技术研发与产业化可持续发展的政策需求。

农业半导体照明研发与产业提速发展的策略分析

构建完善的研发与产业体系和产供销链条是保障农业半导体照明可持续发展的基础。目前,农业半导体照明研发与产业体系初步形成,但仍很不完善。在此情况下,如何加速农业半导体照明研发与产业发展成为必须思考的业界问题。本文从多角度出发,系统分析阐明了农业半导体照明研发与产业加速发展的策略。

日光温室主动蓄放热系统应用效果研究

针对日光温室冬季夜晚温度低、作物易发生冷害等问题,设计了以水为蓄热介质的主动蓄放热系统。系统由集/放热装置、储热装置和控制装置等组成。白天进行太阳辐射热的吸收与储存,夜晚释放热量用于温室增温。试验结果表明,晴天条件下,主动蓄放热系统的集热功率为0.3kW/㎡,蓄热量为6.9MJ/m2;夜间放热功率为0.2kW/㎡,放热量为5.7MJ/m2,热利用效率为0.83,试验温室与对照温室的平均气温相差6.3℃;阴天及多云天气条件下,试验温室与对照温室的夜间平均气温相差4.6℃,表明主动蓄放热系统能有效改善日光温室夜间低温状况,进而保障蔬菜安全越冬生产。

基于CFD模型的大跨度温室自然通风热环境模拟

大跨度温室作为一种新型南北走向的钢骨架覆膜温室,解决了传统日光温室土地利用率低、空间狭小的问题。为了研究在自然通风条件下大跨度温室的温度和气流场的分布规律,以及不同室外风速条件下通风口开度对大跨度温室温度和气流场的影响,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件构建三维稳态大跨度温室模型,模拟自然通风条件下大跨度温室内的温度场和气流场,并采集典型晴天下通风口开启50%时大跨度温室内13个测点的温度,将各测点的测量值与模拟值进行比较,最后利用已验证模型模拟分析通风口开度(25%、50%、75%、100%)在不同室外风速(1、2、3、4 m·s^(-1))条件下的大跨度温室温度和气流场。验证结果表明:模型模拟值与实测值的绝对误差在0.2~2.8℃,均方根误差为1.6℃,最大相对误差为9.9%,平均相对误差为4.1%,表明模拟值与实测值吻合良好。模拟结果显示,温室顶部温度高,底部温度低;室外冷空气从西侧通风口进入,温室内西侧温度低于东侧;温室内平均风速从南到北逐渐减小;温室中部风速明显小于东西两侧。大跨度温室上通风口及侧通风口全开时,温室内温度分布较均匀。温室通风口开度一定时,温室内通风率与室外风速呈显著线性正相关。考虑温室内温度及风速对作物的影响,以降温为主要目的时,建议通风口开度取75%~100%,若室外风速大于3m·s-1且室内温度能满足作物生长,则建议通风口开度<75%。

畜禽产品碳足迹研究进展与分析

畜禽养殖业是重要的温室气体排放源,科学评估畜禽产品的碳足迹,对减排技术的选择和低碳农业的发展具有重要意义。笔者在总结国内外畜禽产品碳足迹评估方法的基础上,汇总了中国及欧美等发达国家评估鸡蛋、猪肉、牛肉和牛奶等畜禽产品碳足迹的研究结果,并对现有研究结果进行综合分析。从畜禽产品产生的碳足迹分析,选择的功能单位不同对畜禽产品的碳足迹有明显影响,每生产1 kg牛肉的碳足迹最大,达到(20.51±8.39)kg CO2-eq;其次为每生产1 kg猪肉和1 kg鸡蛋,分别为(4.24±1.07)kg CO2-eq和(2.24±0.83)kg CO2-eq;每生产1 kg牛奶的碳足迹最小,为(1.19±0.40)kg CO2-eq;畜禽产品每提供1 kg蛋白质的碳足迹从大到小依次为牛肉、牛奶、猪肉和鸡蛋,分别为(103.05±42.14)、(39.72±13.20)、(32.09±8.14)和(19.37±7.15)kg CO2-eq;畜禽产品每提供1 kg脂肪的碳足迹从大到小依次为牛肉、牛奶、鸡蛋和猪肉,分别为(488.25±199.65)、(37.23±12.37)、(29.28±10.80)和(11.45±2.91)kg CO2-eq;畜禽产品每提供1 000 kcal能量的碳足迹从大到小依次为牛肉、牛奶、鸡蛋和猪肉,分别为(16.41±6.71)、(2.21±0.73)、(1.56±0.57)和(1.07±0.27)kg CO2-eq。从畜禽产品的生产环节对系统排放量的贡献率分析,饲料作物种植和生产加工环节是鸡蛋和猪肉生产时温室气体排放最高的环节,该环节分别占鸡蛋和猪肉生产系统排放量的(74.0±16.5)%和(61.3±7.6)%;肠道发酵甲烷排放对牛肉和牛奶生产过程中碳足迹贡献比例最大,分别占牛肉和牛奶生产系统排放量的(53.7±8.2)%和(52.7±6.1)%。从畜禽产品生产产生的温室气体对系统排放量的贡献率分析,CO2是鸡蛋生产碳足迹中贡献率最高的温室气体,其排放量占整个系统的(55.42±2.7)%,N2O是猪肉生产碳足迹中贡献率最高的温室气体,占整个系统其排放量的(56.8±10.4)%,CH4是牛肉和牛奶生产碳足迹中贡献率最高的温室气体,分别占牛肉和牛奶碳足迹的(50.2±8.3)%和(58.6±8.3)%。目前国外尤其是欧美等发达国家关于畜禽产品碳足迹研究相对较多,但采用的评估方法和计算模型不同,需要建立统一的畜禽产品碳足迹评估方法。中国在畜禽产品碳足迹评估领域仍处于起步阶段,建议在国内外现有研究的基础上,建立符合中国生产实际的评价方法,系统评估中国畜禽产品的碳足迹,同时针对不同畜禽产品碳足迹贡献率高的环节开展减排技术研究,为科学评估中国畜禽产品的碳足迹,筛选减排技术,降低碳排放强度提供支持。

大跨度保温型温室的热环境模拟

大跨度保温型温室为拱型钢骨架结构,南北走向,相邻温室间距仅2m,相比于传统日光温室土地利用率提高到91%,且仍具有日光温室节能的特点。为分析和评价该温室的蓄热保温性能,基于温室热传导、对流换热、太阳辐射、天空辐射、作物蒸腾、自然通风等热物理过程,构建了温室内热环境变化模型,并利用Matlab软件对其进行求解,模拟在冬季连续4个典型工作日无加温条件下,每10min的室内空气温度和作物根区温度,并将模拟值与实测值进行对比分析。结果表明,模型对大跨度温室内空气温度模拟的平均绝对误差在±1.3℃之内,模拟值与实测值间直线方程的决定系数(R^2)为0.99(n=576),回归估计标准误差(RMSE)和相对误差(RE)分别为1.6℃和16.4%;作物根区温度实测值与模拟值的绝对误差在±0.6℃之内,直线方程的R^2为0.91(n=576),RMSE和RE分别为0.76℃和6.7%。模型模拟值与实测值较为一致,可为温室环境精准调控和结构优化设计提供理论依据。

基于CFD技术的日光温室自然通风热环境模拟

首先利用计算流体力学(CFD)软件,构建自然通风条件下日光温室内温度和气流场的模拟模型;其次,通过测量典型晴天前覆盖下通风口开启时日光温室内各测点的温度,将16个测点的实测值与模型模拟结果进行对比,对模型进行验证;然后,利用通过验证的模型模拟分析3种通风模式下(前覆盖上通风口单独开启、前覆盖下通风口单独开启以及上下通风口同时开启)日光温室内温度和气流场的分布。模拟结果表明:当温室前覆盖上通风口单独开启时,室外冷空气从通风口下端进入并迅速下行,然后通过通风口上端流出,温室内气流主要受热压的影响,空气流速小。当温室前覆盖下通风口单独开启时,温室内0.5m高度以下气流速度较大,室外冷空气从通风口下端进入,与地面、后墙、后坡和覆盖层进行热交换后,从通风口上端流出,温室内温度分布与气流走向一致。当温室前覆盖上、下通风口同时开启时,冷空气从下通风口进入,从上通风口流出,在通风口处气流速度较大。模拟条件下,温室单开上通风口或下通风口时室内平均温度为300.0K,但单开上通风口温室内温度分布更均匀;上、下通风口同时开启时,温室内温度为299.0K,通风降温效果明显优于单开一个通风口。

死猪堆肥处理通风率的优化试验

利用箱式堆肥法对死猪堆肥处理通风率参数进行优化，试验设置通风速率为100、80、60 L·min-1·m-33组处理，每组处理3个重复。堆肥箱的长宽高尺寸均为1 m，每个箱体处理死猪质量为57.7～58.5 kg，发酵原料为猪粪和秸秆。结果表明：各处理日平均温度超过55℃的时间均达35 d 以上，满足粪便无害化的相关要求；经46 d 的堆肥发酵后，死猪仅剩余部分骨骼，3组处理的死猪降解率（湿重）分别为（95.6±1.1）豫、（94.6±2.2）豫和（96.2±1.5）豫，不同处理无显著性差异；堆肥过程不同处理的物料同一特性变化规律一致，堆肥结束时物料中粪大肠菌群数为3 MPN·g-1、pH 值为8.3～8.4、有机质含量（干基）为45.5豫～51.1豫，均满足 NY 525-2012《有机肥料》行业标准中相关技术指标的要求。死猪堆肥处理的实际应用中，选择60 L·min-1·m-3的通风率为宜。

畜禽废弃物无害化处理与资源化利用技术研究进展

畜禽废弃物中含有大量的有机物,也含有病原菌和抗生素残留物等有害物质,具有极大的环境污染风险,必需采取适当措施对其处理与利用。综述了国内外畜禽废弃物处理与利用技术,并对未来研究重点和技术趋势进行了展望,以期为解决我国当前畜禽废弃物环境污染问题提供借鉴和参考。

利用室外冷源空气的植物工厂降温节能效果分析

通过利用室外冷源空气协同空调进行植物工厂降温,以仅使用空调降温的植物工厂为对照,同时结合零浓度差CO2施肥方法使植物工厂内外CO2浓度保持一致,调查引进室外冷源空气对植物工厂内空气温度、饱和水汽压差、CO2浓度、降温设备的节能率、性能系数（COP,coefficient of performance）及奶油生菜产量和光合色素含量的影响。结果表明：（1）引进室外冷源空气的降温方法可以将试验植物工厂内温度控制在目标范围：明期23~27℃、暗期18~22℃,外界温度越低,温度变化幅度越大;同时段试验植物工厂内的空气饱和水汽压差（明期1.3~2.7k Pa,暗期1.2~1.9k Pa）高于对照（明期0.3~1.3k Pa,暗期0.3~0.5k Pa）;配合零浓度差CO2施肥法基本能将明期大部分时段的CO2浓度控制在与外界浓度相同范围内（400~500μmol·mol-1）。（2）试验期间,与仅使用空调的降温方法相比,引进室外冷源空气的方法能使植物工厂总耗电量节省10.8%,其中试验植物工厂降温系统比对照节省了66.2%的耗电量。（3）在外界温度-4~5℃以及显热比0.4~0.9的条件下,引进室外冷源空气的风机性能系数为19.3~28.9,高于空调降温的COP值（试验植物工厂为5.3~14.7,对照植物工厂为5.8~14.9）。（4）引进室外冷源空气的降温方法未对生菜产量和光合色素含量造成显著影响。因此,采用引进室外冷源空气的控制方法不仅可以节省植物工厂的降温耗电量,还能提高降温设备的性能系数,取得显著的节能效果。

大气环境对育肥猪舍内颗粒物浓度的影响

2014年10月-2015年8月,以北京昌平某猪场3栋育肥猪舍为例,在猪舍内外设置监测点,对猪舍内外空气动力学直径≤2.5μm的颗粒物(PM_(2.5))、≤10μm的颗粒物(PM_(10))和≤100μm的颗粒物(TSP)浓度进行周年监测,并将舍外监测数据与昌平国家环境监测数据进行比较分析,以研究探讨大气环境颗粒物浓度对育肥猪舍内环境的影响。试验结果表明,试验期间舍内外PM_(2.5)浓度的变化范围分别为23~245μg?m^(-3)和11~372μg?m^(-3),PM_(10)浓度变化范围分别为113~1182μg?m^(-3)和25~444μg?m^(-3),TSP浓度变化范围分别为334~4396μg?m^(-3)和31~742μg?m^(-3)。育肥猪舍内PM_(10)和TSP浓度远高于猪舍外,说明育肥猪舍内PM_(2.5)浓度受大气环境的影响,而育肥猪舍内粒径大于2.5μm的颗粒物主要源于养殖生产活动。

三种叶色生菜光谱吸收特性及营养品质差异研究

在温室条件下,采用水培盆栽的方法研究了红色、紫色和绿色3种叶色的生菜光合色素的光吸收特性以及生长和营养品质差异。结果表明,3种叶色生菜光合色素对光的选择性吸收规律基本相同,均在330~380 nm的紫外光区、380~500 nm的蓝光区和640~690 nm的红光区有较大吸光度,且对紫外光的吸收最为强烈;绿叶生菜在光吸收峰值波长处的吸光度显著低于红叶生菜和紫叶生菜;红叶生菜光合色素在波长为380 nm可见光处出现一光吸收峰值。红叶生菜和紫叶生菜各光合色素含量均显著高于绿叶生菜,但各光合色素所占总光合色素比例不存在显著差异,且地上部鲜质量和根鲜质量没有显著性差异;3种叶色生菜总酚、类黄酮、可溶性糖、抗坏血酸含量均无显著性差异;花青素含量存在显著差异,为红叶生菜】紫叶生菜】绿叶生菜。

植物工厂LED光源与光环境智能控制策略

简述了植物工厂的定义、优势、本质技术特征和产生的技术基础,提出了LED光源在植物工厂中应用的优势及能耗削减的必要性,强调指出:基于植物光环境需求特性,建立光照配方(Lighting recipe,LR)和制定光环境控制策略(Light environment control strategy,LECS),是保证优质高产前提下实现光能最大利用效率,削减能耗的有效方法。

日光温室土垄蓄热保温性能提升的构建参数研究

针对我国北方地区日光温室存在的冬春季低温危害问题,为了提高栽培垄的蓄热保温能力,本试验研究了垄宽、垄坡度、覆膜及土壤含水量对土垄蓄热保温性能的影响,以优化栽培垄的构建参数。结果表明,土垄构建参数的优化可有效提高土垄根区中心温度。在覆膜条件下,与对照土垄相比,土垄上下截面宽度分别是17、37 cm,坡度为63°,土壤含水量为6%或15%时,土垄的蓄热保温能力较高,可增加根区温度,有利于植物抵御环境的低温胁迫。

设施园艺半导体照明及其研发中的科技问题

为推进设施园艺照明研发及产业化发展,需解决的科学问题包括:(1)光质生物学。弄清单一光质及复合光质对植物和食用菌生长发育和产量品质影响的生理代谢、分子生物学及蛋白组学机理;生物种类及品种间光质适应性和利用差异性机理;光质与环境其它因子互作的生物学机制;设施生物光质数量属性有效阈值和基准值(如补偿点、饱和点与光胁迫阈值)等;(2)逆境光质生物学。明确单色及复合弱光、强光及连续光照下光合机构、代谢系统运转效率的响应机理及其农学意义等。需解决的技术问题包括:(1)建立设施园艺各生产领域特定生物生长发育、优质高产所需的光照配方;(2)制定农业生物光环境控制策略;(3)研发LED光源装置、灯具及计算机智能控制系统。

浸没式膜生物反应器处理猪场污水运行参数优化

污水处理是目前猪场废弃物污染防治的难题,结合猪场污水原水可生化性较好的特点,作者开展了浸没式膜生物反应器（MBR）处理猪场污水运行参数优化试验研究。试验选择3种溶解氧质量浓度（DO：〈1.5、1.5∽3.0和〉3.0 mg/L）、3种水力停留时间（HRT：0.75、1.5和3.0 d）和3种回流比（200%、300%和400%）,根据正交试验设计形成9个处理组,分3批在河南省某人工干清粪猪场进行试验,每批试验运行50 d（20 d驯化期＋30 d试验期）。MBR有效容积30 L,自动进水和出水,污泥停留时间控制在25∽30 d,反应器内水温控制在（20±5）℃,调节p H值为7∽8。结果表明,当膜生物反应器进水化学需氧量（COD）、氨氮（NH4＋-N）、总氮（TN）和总磷（TP）质量浓度分别为（3 277±1 192）、（203.8±51.2）、（361.0±133.3）和（65.0±23.1）mg/L时,出水的COD、NH4＋-N、TN和TP质量浓度分别为（202±201）,（56.6±54.0）、（91.6±69.1）和（19.2±10.0）mg/L,对应的去除率分别为94.3%±5.8%、70.0%±27.2%、70.7%±20.7%和68.3%±17.4%。MBR在去除污染物的同时,对污水中粪大肠菌群具有较好的去除作用,去除率达到99.9%±0.08%,试验中86.4%的MBR出水粪大肠菌群数能达到国家标准的卫生学指标要求。通过正交试验的极差分析发现运行参数对COD和NH4＋-N去除效果的影响顺序为DO〉HRT〉回流比,对TP去除效果影响的顺序为HRT〉DO〉回流比,并优化出MBR最佳运行参数为DO 1.5∽3.0 mg/L、HRT 3.0 d和回流比300%,对应试验中的处理4,其出水的COD、NH4＋-N和TP质量浓度分别为（69.3±48.7）、（10.0±8.2）和（14.0±9.9）mg/L,相应的去除率分别为97.8%±1.5%、93.8%±5.0%和81.5%±14.2%。MBR出水可采用紫外线杀菌,杀菌后出水可望回用于圈舍冲洗以减少猪场生产的水资源消耗。