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为什么人工环境农业特别高效? 精选

已有 6255 次阅读 2017-12-8 16:39 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:人工环境农业| 人工环境农业

农业是人类社会最基础的产业,关系着人类自身的生存,是最重要的产业。人类社会发展史,基本上就是农业发展史。每增加一口人,农业就必须提供相应的产量。农业发展的需要,推动了文化,科技,社会的发展。在1万年的时间内,人口从一百万增长到一百亿左右。地球的面貌,因为人类的出现,第一次在短期内因为单一物种的发展,发生了彻底的变化。

人口的高速增长,反过来对农业提出了更高的要求。传统的自然环境农业,虽然经过各阶段的技术革命,单位面积产量提高了很多,但现在又遇到了瓶颈,也出现了很多问题。农业需要新的突破口,需要新的颠覆性技术。人工环境种植,就是其中最重要的一个方向,因为它特别高效。我们从下面几个方面解释:

温度:

植物生长的光合作用需要光照和温度。自然环境下,只要是白天,光照一般不是限制因素,关键是温度。光合作用的效率,或者养分积累,主要受两个因素控制。一是将二氧化碳和水转化成葡萄糖的光合作用,二是消耗葡萄糖的呼吸作用。在一定温度区间内,随着温度上升,两种作用都线性增长,开始光合作用要比呼吸作用增长快,到了某一温度后,两种作用平衡,高于这一温度,呼吸作用开始快于光合作用,植物养分净流失。不同作物的光合作用开始温度,最佳温度,最高温度,都各不相同,如图一所示。

图一,西兰花和玉米不同温度下的生长速度

一般植物的最佳生长温度范围只有5到10摄氏度。温度高了,低了,都生长不好。自然环境下,一年气温的变化范围有50℃左右,再扣除霜期和夜间,在一年的8765个小时内,真正适宜植物生长的时间,只有大约1/10左右,也就是不到900小时。如果能够通过人工环境调控温度到最佳,一年到生长时间能达到5000小时左右(太阳在地平面以下的半个小时到一个小时时间内也可以生长)

光照

植物生长对光照强度的要求很高,但对生长高度较低的作物,一般白天的光照就足够了。光照强度超过一定阈值,光合作用就饱和了,多余的光没有意义,甚至有害。不同植物光照饱和强度不一样,一般在每平方米100瓦左右。

图二、光合作用随光照强度变化的曲线,随光照强度上升,光合作用逐渐饱和


日光直射条件下,光照强度可以达到每平米1000瓦左右,大大超过光合作用的需要,即使阴天,一般也足够。植物参与的光合作用叶绿素有两种,叶绿素A和叶绿素B,它们需要的光谱略有不同,但都需要红光和蓝光,基本不吸收太阳光中强度最高的黄绿光。这也是植物叶子为绿色的原因。

图三、叶绿素的吸收谱,两种叶绿素在红光和蓝光端有吸收峰


如果采用人工照明,考虑到电光效率最高只有40%左右,100瓦的照明需要消耗250瓦电,一公顷等于1万平米,总照明用电功率需要2500千瓦,如果8毛钱一度电,一个小时就是2000元。如果采用光电二极光(LED)照明,考虑到光电二极管光谱比较窄,可以只发叶绿素的吸收峰波长的光,而LED的电光效率(能量转换效率,不是照明效率)又比较高,可以达到40-80%左右,因此,满足同样光照生长条件的LED光源只需要每平米40瓦左右,用电60瓦,只有高压钠灯耗电的四分之一。但即使如此,每公顷耗电仍然有600千瓦,每小时500元电费左右。对于城市高密度种植的立体农场,这些光带来的热还需要用空调排出,大约每小时还有200元的空调用电费。如果一年不间断运行,西红柿,黄瓜,叶菜的产量每平方米能到每年80公斤左右,照明和空调用电的费用是8760*0.07=613元,每公斤产品的照明用电成本接近8元。

自然环境与人工环境比较

自然环境下,温度不可控,随季节气候日夜变化,光照比较有规律,但不均衡。

由于植物不能承受霜冻,一天内只要有很短一段时间内气温低于零度,植物就会死亡。因此自然环境下,霜期不能种植,人工环境没有这一限制。

由于温度对光合作用的影响,自然环境下,植物对光的利用效率很低。以春天为例,如图四所示,自然环境下,虽然天亮就有足够的光照了,但到上午9点左右,温度才上升到足够高,光合作用发生,生产养分。傍晚也很早就停止了。而人工环境下(这里是阳光温室),温度上升快,光合作用提前两个小时开始,且一直维持较高生产效率,直到太阳落山,如果有补光,还可以再持续生长一段时间。

图四、春天自然环境(黑色)和人工环境(红色)植物光合作用生长曲线


而在夏天,由于温度太高也对生长不利,夜间没有光照时由于温度高,也有养分消耗,总的生长条件也不好。生长曲线如图五所示。

图五、夏天植物的生长曲线。自然环境下,夜间有养分消耗;中午时段温度太高,生长不好。


如果看一年内每个月作物的生长量,冬季自然环境下不能生长,而人工环境也能生长,夏季人工环境的生产量高于冬季,是因为日照时间长。在所有的时间内,人工环境下作物的生长都远好于自然环境。

  图六、一年内,自然环境和人工环境下,作物每个月的生长量。自然环境下,
   春天的生长量小是因为作物是一年生,春天植株小,叶面面积小,温度也偏低。


从图六可以看出,总的产量比是就是黑线和红线围到横轴的面积比。图中,人工环境的生长量是自然环境的六倍左右,但考虑到还有自然灾害,水肥条件等,人工环境农业的产量要比自然环境高更多倍数。

所以,仅靠改变作物生长的环境,增产效果比别的方式潜力更大,生产更有保障,品质也更好控制,更环保,大大节省耕地。


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