一種利用太陽能的農田微氣候干預系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用太陽能的農田微氣候干預系統，該系統中所涉及的設施包括蓄熱保溫系統和供熱循環系統組成，通過對蓄水池上加裝太陽能吸儲材料和隔熱保溫材料以增加蓄水池的蓄熱保溫能力，白天利用鋪設于作物行間的吸放熱支管中流動的水，帶走作物冠層過多的熱量，以降低作物周邊微環境的氣溫，同時加熱蓄水池中的水進行蓄熱；在夜間和需要田間供暖時將蓄水池中的熱水泵入吸放熱支管進行田間放熱，以提高作物冠層及冠下的氣溫。從而減少白天高溫對作物的熱脅迫，同時減少夜間低溫對作物生長的影響，從而達到改善農田微氣候，提高作物產量和品質的目的。
【專利說明】—種利用太陽能的農田微氣候干預系統
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種利用太陽能的農田微氣候干預系統，屬于農田氣象【技術領域】。
【背景技術】:
[0002]溫度條件是影響作物生長最重要的因子之一。溫度直接影響到植物生理代謝活動，進而影響到植物生長的各個方面，比如影響植物的光合、呼吸、養分吸收、生長、抗逆等。溫度還影響到土壤肥力的方方面面，比如土壤微生物的活性、土壤酶活性、礦質營養的轉化等。因此調控農田環境溫度，對于提高作物產量、品質和逆境防御能力均有重要意義。氣溫也是限制積溫偏低地區作物產量潛力的關鍵技術難題。然而生產中缺乏農田溫度調控的技術手段，主要原因在于常規手段提高農田環境溫度的技術需要建立設施大棚，或使用化石能源進行加熱，建造和運行成本高、施工麻煩、難以大面積推廣應用。
[0003]新疆屬于典型內陸氣候，雖然太陽輻射能和日照時數均較高，但是日夜溫差較大，影響作物的生長和品質，比如白天中午的高溫導致作物午間高溫休眠，光合速率下降，而夜間低溫導致棉纖維內糖分轉化為纖維素的過程受阻，降低了棉纖維品質。因此，提高傍晚和夜間作物冠層溫度、同時適當降低夏季午后冠層高溫對于提高作物產量和品質具有重大意義。
【發明內容】
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[0004]本發明的目的在于，克服上述已有技術的不足，提供一種利用太陽能的農田微氣候干預系統，該系統主要利用水的良好蓄熱能力，通過太陽輻射能加熱水來進行蓄熱，通過對蓄水池上加裝太陽能吸儲材料和隔熱保溫材料以增加蓄水池的蓄熱保溫能力，白天利用鋪設于作物行間的吸放熱支管中流動的水，帶走作物冠層過多的熱量，以降低作物周邊微環境的氣溫，同時加熱蓄水池中的水進行蓄熱；在夜間和需要供暖時將蓄水池中的熱水泵入吸放熱支管進行田間放熱，以提高作物冠層及冠下的氣溫，從而達到促進作物生長，提高水肥利用效率，增加產量改善品質的目的。
[0005]本發明所述的一種利用太陽能的農田微氣候干預系統，該系統中所涉及設施包括蓄熱保溫系統和供熱循環系統，蓄熱保溫系統是由蓄熱保溫系統蓄水池水泥基面(I )、隔熱保溫材料(2)、隔熱膜(3)、蓄水池內水體(4)、吸熱薄膜(5)、塑料棚膜(6)組成，供熱循環系統由循環泵(8)，第一供水干管(9)、第一回水干管(10)和第一吸放熱支管(11)組成，通過對蓄水池(7)上加裝太陽能吸儲材料和隔熱保溫材料以增加蓄水池的蓄熱保溫能力，具體操作按下列步驟進行:
[0006]a、在現有滴灌系統配套的蓄水池(7)水泥基面(I)上鋪設一層隔熱保溫材料硬質泡沫塑料板(2)；
[0007]b、在隔熱保溫材料硬質泡沫塑料板(2)上粘附一層隔熱膜PE塑料膜(3)，該塑料膜(3)向水一側為反光涂層；
[0008]C、在蓄水池(7)內水體(4)表面覆蓋一層黑色吸熱PE塑料膜(5)；[0009]d、在蓄水池(7)上，距離水面50-150厘米處，覆蓋透明PE塑料膜(6)；
[0010]e、在蓄水池(7)上通過水循環泵(8)和第一閥門(12)與農田的第一供水干管(9)，第一回水干管(10)連接；在蓄水池(7)上通過第二閥門(16)與空地的第二供水干管(13)，第二回水干管(14)連接；
[0011 ] f、在農田內沿作物(17 )種植行的作物行間地膜(19 )上，正對滴灌帶(18 )上方的位置，布設第一吸放熱支管(11 )，在空地上布設第二吸放熱支管(15);
[0012]g、在作物出苗期，白天當第一吸放熱支管(11)中的水溫上升到溫度25_35°C，打開第一閥門(12)和循環泵(8)，蓄水池(7)中的冷水緩慢泵入農田中的第一吸放熱支管
(11)中，水溫上升，形成熱水，再將熱水回流進入蓄水池(7)中；
[0013]h、在夜晚或需要田間加溫時，將蓄水池(7)中的熱水通過循環泵(8)和第一閥門
(12)泵入農田第一吸放熱支管(11)中，提升作物冠層的環境溫度，同時冷水流回蓄水池
(7)中。[0014]步驟g和步驟h中在作物封行時通過在農田外的空地布設的第二供水干管(13)、第二回水干管(14)、第二吸放熱支管(15)和第二閥門(16)，利用農田外的太陽輻射能增加蓄水池內的水溫。
[0015]本發明所述的一種利用太陽能的農田微氣候干預系統與已有技術相比具有突出的實質性特點和顯著進步在于:
[0016]1.利用水的高蓄熱能力，吸收太陽能進行農田微氣候干預，從而有效提高日落后農田冠層微環境的溫度；
[0017]2.建造和運行維護成本較低，適用于大田生產的農田微氣候干預系統。新疆截至2013年底，滴灌面積達到3500萬畝，均已配套有蓄水池、泵房和配電柜，對現有蓄水池進行蓄熱系統改造簡單方便，僅需對原蓄水池加裝苯板，塑料膜等材料進行蓄熱保溫改造，一次改造可以多年使用，分攤成本低；
[0018]3.供熱循環系統采用的管路和閥門等均為當地大田生產中的滴灌系統通用件，價格低，采購容易，可以多年重復使用，因此和現有滴灌系統配合度好，鋪設及維護容易；
[0019]4.同時利用田間布設的吸放熱管道吸熱和放熱，即能降低白天午后的作物冠層及冠下的高溫，同時又能提高夜間作物冠層及冠下的氣溫；蓄水池中的熱水可直接用于灌溉，減少灌溉水的低溫對作物生長的影響；
[0020]5.對倒春寒，早霜等災害天氣具有一定的抵御作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的蓄熱保溫系統結構示意圖；
[0022]圖2為本發明的循環系統結構示意圖；
[0023]圖3為本發明加裝了農田外增溫系統后的循環系統結構示意圖；
[0024]圖4為本發明作物行間吸放熱支管布置空間位置圖；
[0025]圖5為本發明農田微氣象干預措施運行模式一對冠層氣溫的影響圖，其中?偽
對照處理(CK)，即未采取微氣象干預措施的處理；"O—.為采取農田微象干預措施的處理(ATK)；
[0026]圖6為本發明農田微氣象干預措施運行模式二對冠層氣溫的影響圖，其中+為對照處理(CK)，即未采取微氣象干預措施的處理，為采取農田微氣象干預措施的處理(ATK)0
【具體實施方式】
[0027]實施例
[0028]2012年，在新疆石河子莫索灣試驗站(N44° 55.95" E86° Ili 6.24")的試驗田內進行了利用太陽能的農田微氣候干預的試驗，位于古爾班通古特沙漠南緣，屬于典型干旱大陸性氣候，晝夜溫差較大，試驗地面積5畝，種植作物為棉花，品種為新陸早26號，采用一膜六行超寬膜種植模式，株行距配置為窄行10厘米，寬行66厘米株距10厘米(圖4)，4月20日播種，5月I日出苗，5月20日試驗設施布設完畢，具體操作按下列步驟進行:
[0029]選擇現有試驗田滴灌系統配套的寬15米，長30米，深2米蓄水池水泥基面I上鋪設一層15厘米厚硬質泡沫塑料板2，學名絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板；
[0030]在硬質泡沫塑料板2上粘附一層16S厚PE塑料膜3，該塑料膜3向水一側為反光涂層; [0031]在蓄水池7內水體4表面覆蓋一層12S厚黑色PE塑料膜5 ；
[0032]蓄水水池7上，距離水面120cm處，整體覆蓋14S厚透明PE塑料膜6 ；
[0033]在蓄水池7上通過水循環泵8和第一閥門12與農田的第一供水干管9，第一回水干管10連接；在蓄水池7上通過第二閥門16與空地的第二供水干管13，第二回水干管14連接，第一供水干管9、第二供水干管13，第一回水干管10和第二回水干管14均為直徑75毫米的PE管，水循環泵8為雙魚牌潛水泵；
[0034]在農田內，沿作物棉花17種植行的作物行間地膜19上，正對滴灌帶18上方的位置，布設第一吸放熱支管11，為直徑250毫米的黑色PE塑料管(即農用小白龍低壓塑料管)；
[0035]在作物出苗期，白天當第一吸放熱支管11中的水溫因吸收太陽輻射能后開始升溫，當水溫上升到25-35°C時(根據天氣情況，如多云天氣，太陽輻射偏低，水溫上升較慢，則調低溫度閾值，如天氣晴朗，太陽輻射強則調高溫度閾值，時間約為12:00-15:00)即打開循環泵8和第一閥門12，將蓄水池中的冷水通過第一供水干管9緩慢泵入農田中的第一吸放熱支管11中，冷水在第一吸放熱支管11流動過程中吸收太陽輻射能而逐漸升溫，升溫后的熱水通過第一吸放熱支管11和第一回水干管10送入蓄水池7中，時間19:00關閉循環栗;
[0036]在凌晨4點打開循環泵8，將蓄水池7中的熱水通過循環泵8泵入農田第一吸放熱支管11，熱水在田間釋放熱量后溫度逐漸降低，同時作物冠層氣溫開始升高，降溫后的冷水流回蓄水池7，時間7:00點鐘停止循環泵；
[0037]作物冠層較大已經開始顯著遮擋第一吸放熱支管11時，每日中午14:00打開循環泵8和第一閥門12，將蓄水池中的冷水通過第一供水干管9緩慢泵入農田中的第一吸放熱支管11中，冷水在第一吸放熱支管11流動過程中吸收太陽輻射能和環境熱能后而逐漸升溫，升溫后的熱水通過第一吸放熱支管11和第一回水干管10送入蓄水池7中；同時開啟在農田外的空地布設的第二供水干管13、第二回水干管14、第二吸放熱支管15和第二閥門16(圖3)，利用農田外的太陽輻射能增加蓄水池內的水溫；白天每日14:00點即打開循環泵8和第二閥門16，將蓄水池中的冷水泵入農田外空地的第二吸放熱支管15，冷水在第二吸放熱支管15流動過程中吸收太陽輻射能而逐漸升溫，升溫后的熱水通過第二吸放熱支管15送入蓄水池7中，時間19:00時關閉循環泵；凌晨4:00調整第一閥門12和第二閥門16，打開循環泵8，將蓄水池7中的熱水泵入第一供水干管9和第一吸放熱支管11，熱水在田間釋放熱量后溫度逐漸降低，同時作物冠層氣溫明顯升高，降溫后的冷水通過第一回水干管10流回蓄水池7中；
[0038]在農田微氣候調控試驗田塊和相鄰未設置農田微氣候調控的田塊的作物冠層高度布設溫度自動記錄儀，以每小時測定一次的頻度記錄了冠層溫度的變化情況，通過對比相鄰兩個田塊中的氣溫數據，研究了本發明設計的農田微氣候調控的效果。
[0039]試驗結果如下:
[0040]農田微氣候調控試驗的整體安裝調試于5月20日完成，此時棉花處于蕾期，作物葉面積指數較小，布設于作物行間的第一吸放熱支管11受到冠層的遮擋較少，因此，系統運行于模式一(圖2)，僅通過作物行間的第一吸放熱支管11進行吸放熱，而布設于農田外空地的第二吸放熱支管15系統未打開，圖5為5月28日、29日和30日連續3天的作物冠層氣溫監測結果，結果表明，白天時每日中午14:00前后，第一吸放熱支管11中的水溫超過35度，打開循環泵8，時間15:00監測的氣溫數據即顯著發生變化，與常規對照農田比，冠層氣溫平均下降3.3°C，而且在時間15:00-19:00點之間，氣溫下降的幅度呈減少趨勢，夜間凌晨4:00點打開循環泵8，熱水開始泵入作物行間的第一吸放熱支管11，冠層氣溫監測結果顯示，冠層氣溫明顯開始上升，時間5:00點的監測結果顯示，三日氣溫平均最高上升 5.1°C，但是升溫幅度隨時間推移，呈下降趨勢；
[0041]8月份，棉花進入花鈴期已經封行，即冠層已經完全覆蓋地面，此時布設于田間的第一吸放熱支管11因為作物冠層的遮擋已經無法正常發揮吸收太陽輻射能的作用，因此農田微氣候干預系統運行于模式二(圖3)，即在模式一的基礎上，白天打開布設于農田外空地的第二吸放熱支管15進行太陽輻射熱量的吸收，以提高蓄水池中的水溫，圖6為8月8日、9日和10日連續3天的作物冠層氣溫監測結果，結果表明，與模式一結果類似，白天時每日中午14:00點左右吸放熱支管15中的水溫達到35°C，打開循環泵8，時間15:00點監測的氣溫數據即顯著發生變化，與常規對照農田比，冠層氣溫平均下降3.4°C，降溫效果在時間15:00-19:00點之間呈下降趨勢，夜間凌晨4:00點打開循環泵8，熱水開始泵入作物行間的第一吸放熱支管11，此時的冠層氣溫監測結果顯示，冠層氣溫明顯開始上升，時間5:00點的監測結果顯示，三日氣溫平均最高上升3.9°C。
[0042]以上結果表明本發明的農田微氣候干預系統能夠發揮作用，新疆晝夜溫差極大的前提下，適當降低午間冠層高溫和提高夜間的冠層氣溫，無疑對作物增產和品質改善能夠發揮巨大作用。該系統氣溫調控的作用大小取決于吸放熱支管的鋪設規模與實施氣候干預的農田面積的比例。在一定范圍內該比例增大，氣溫調控的幅度會增加。
【權利要求】
1.一種利用太陽能的農田微氣候干預系統，其特征在于該系統中所涉及的設施包括蓄熱保溫系統和供熱循環系統，蓄熱保溫系統是由蓄水池水泥基面(1)、隔熱保溫材料(2)、隔熱膜(3)、蓄水池內水體(4)、吸熱薄膜(5)、塑料棚膜(6)組成，供熱循環系統由循環泵(8)，第一供水干管(9)、第一回水干管(10)和第一吸放熱支管(11)組成，通過對蓄水池(7)上加裝太陽能吸儲材料和隔熱保溫材料以增加蓄水池的蓄熱保溫能力，具體操作按下列步驟進行: a、在現有滴灌系統配套的蓄水池(7)水泥基面(1)上鋪設一層隔熱保溫材料硬質泡沫塑料板(2)； b、在隔熱保溫材料硬質泡沫塑料板(2)上粘附一層隔熱膜PE塑料膜(3)，該塑料膜(3)向水一側為反光涂層； C、在蓄水池(7)內水體(4)表面覆蓋一層黑色吸熱PE塑料膜(5)； d、在蓄水池(7)上，距離水面50-150厘米處，覆蓋透明PE塑料膜(6)； e、在蓄水池(7)上通過水循環泵(8)和第一閥門(12)與農田的第一供水干管(9)，第一回水干管(10)連接；在蓄水池(7)上通過第二閥門(16)與空地的第二供水干管(13)，第二回水干管(14)連接； f、在農田內沿作物(17)種植行的作物行間地膜(19)上，正對滴灌帶(18)上方的位置，布設第一吸放熱支管(11 )，在空地上布設第二吸放熱支管(15); g、在作物出苗期，白天第一吸放熱支管(11)中的水溫上升到溫度25-35°C，打開第一閥門(12)和循環泵(8)，蓄水池(7)中的冷水緩慢泵入農田中的第一吸放熱支管(11)中，水溫上升，形成熱水，再將熱水回流進入蓄水池(7)中； h、在夜晚或需要田間加溫時，將蓄水池(7)中的熱水通過循環泵(8)和第一閥門(12)泵入農田第一吸放熱支管(11)中，提升作物冠層的環境溫度，同時冷水流回蓄水池(7)中。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于步驟g和步驟h中在作物封行時通過在農田外的空地布設的第二供水干管(13)、第二回水干管(14)、第二吸放熱支管(15)和第二閥門(16)，利用農田外的太陽輻射能增加蓄水池內的水溫。
【文檔編號】A01G9/24GK103918508SQ201410156497
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月17日 優先權日:2014年4月17日
【發明者】王平, 田長彥 申請人:中國科學院新疆生態與地理研究所