设计一款能应对气候变化并提高土壤导热率和生产率的温室

利用建筑材料改变温室土壤环境作物创造最佳生长气候条件

土壤电导率对温室的影响

自大约40亿年前,第一个生物有机体出现在地球上以来,自然地质过程一直在影响岩石和土壤的形成。生物体和土壤有着重要的共生关系,因为它们都是许多生态系统的关键组成部分。6600 万年前人类的出现,导致地球上生物和非生物之间的平衡关系被打破。我们通过分析土壤可以观察到,一些最具破坏性的人类学影响。而没有健康肥沃的土壤,目前全球73亿人口将无法生存。

气候变化和人口增长都在以指数级速度增长。目前的工业实践需要改进,并且需要开发新技术以对抗这些破坏性的环境影响。实现这一目标的方法之一是利用土壤的热势并使用特定材料覆盖物而建造的温室,以实现水果和蔬菜的最佳生长。

 

农业与气候变化

据预测,全球平均气温每十年上升0.1℃。这种微小的温度上升,将对地球的生态系统产生无法估量的影响,这可能会完全摧毁部分生态系统。在过去几十年里,气候变化早于政府重大决策,同时,很多控制温室效应的协议和法规很少被得到落实。在设计新技术以及修改现有技术时,我们需要开始关注技术对环境的影响。据估计,到2050年,全球人口将增至90亿,这将要求全球粮食产量增加70%,然后,目前的农业种植技术将无法满足这种不断增长的粮食需要。

自1860至2000年以来,以 5 年为区间的全球平均温度 (°C) 递增趋势
图一:自1860至2000年以来,以 5 年为区间的全球平均温度 (°C) 递增趋势

目前的农业用地估计为 12 至 15 亿公顷,这还不包括牲畜放牧业在内的35亿公顷土地。科学家们一直在试图研究和发现新的种植设计、肥料和土壤混合物,以提高种植区的肥力和生产力,而温室环境就是一种易于控制的环境,可创造有利的小气候,并提高生产率。

我们应开发新技术提高温室的生产力,以便将其作为应对气候变化的有效农业战略实施。

研究员们(K.Mesmoudi、KH.Meguallati、PE.Bournet)进行的一项研究分析了在温室环境中,向土壤表层添加覆盖物混合物对土壤和农作物的影响。这项研究是在温带气候(夜间温度范围为5-10°C)的深秋/初冬季节进行的,其研究目的是比较透明覆盖物(含塑料)、黑色覆盖物和普通覆盖物对土壤导热系数和作物产量水平的影响。

土壤中普通覆盖混合物
图二:普通覆盖混合物

温室生态系统替代生长条件

温室生态系统受到土壤、空气、植被和覆盖通量之间的多个反馈回路影响。本研究分析的生态系统成分是土壤,而覆盖物是一种起到防止土壤水汽和热量蒸发的屏障作用。蒸发是唯一能降低材料内部温度的传热介质,所以,温室里蒸发的减少自然会导致土壤温度升高。

在实验中,研究员们在通风和不通风的温室中观察每种覆盖物对土壤环境和农作物产量的影响。三种覆盖物品种,在每种温室条件下表现出极为不同的结果。黑色覆盖物土壤的反照率要低得多(反射的光线较少),并增加了土壤的导热性,有助于控制杂草,因此它非常适合位于气候较冷的温室。然而,黑色覆盖物提供的光合有效辐射(PAR)较少,可能会影响作物生长。研究员发现,在黑色覆盖条件下,低矮幼龄果蔬作物通常表现出较高的产量水平。

在覆盖混合物中添加塑料颗粒可提高土壤在高温环境中的热容量;然而,当气温开始下降时,透明覆盖物不会保留热量。研究员们还注意到,开放式通风口可以导致更高的对流水平,从而更快地从透明覆盖物中去除热量。这在高温环境中对作物可能是有利的,因为作物有过热的风险。

当湿度增加时,透明覆盖物和普通覆盖物的导热系数都显著增加。该研究得出结论是,在通风的温室中添加黑色覆盖物可以创造一个理想的土壤导热性的环境,从而提高作物产量。

替代建筑材料

建造温室经常使用各种各样的材料,其中最常见的材料就是玻璃。然而,玻璃却是最不保温的温室面板材料。PVC 织物(聚氯乙烯)因其高耐热性和隔热性能、并可承受大雪,可在漫长的寒冷冬季中增加隔热性,从而成为了提高保温性能的最佳材料(如下图)。

由 PVC 织物建造的温室
图三:由 PVC 织物建造的温室

砾石、泥土和混凝土都是用来建造温室的材料。砾石和泥土热阻较低,隔热性能较差,不能像混凝土那样保持热量;而多孔混凝土中的孔隙便于排水,也更容易保温,成为了构筑温室地基的理想材料。在黑色地膜中种植作物,并在周围种植色彩鲜艳的物体,可以增加作物接收的热能,进而提高整体生产水平。

结论

气候变化正在以惊人的速度持续发生,传统农作业方式将变得不可持续。鼓励使用温室来取代传统农业种植方法,是一个不会对地球资源造成更大压力,并可持续生产的其中一个案例。如果对温室气体增长进行一些额外的调整,比如建筑材料和生长介质的调整,那么基础设施可以变得更加节能环保。我们每一个微小的进步,都有助于建立一个健康的地球,使人类在未来的数百万年中赖以生存。

参考资料

Figure 2f from: Irimia R, Gottschling M (2016) Taxonomic revision of Rochefortia Sw. (Ehretiaceae, Boraginales). Biodiversity Data Journal 4: E7720. https://doi.org/10.3897/BDJ.4.e7720.

Insteading Community Authors. (2017, July 14). How To Choose A Greenhouse Material • Insteading. Retrieved from https://insteading.com/blog/greenhouse-materials/

Masthead. (1961). The Journal of Organic Chemistry,26(5). doi:10.1021/jo01064a700

Mesmoudi, K., Meguallati, K., & Bournet, P. (2017). Effect of the greenhouse design on the thermal behavior and microclimate distribution in greenhouses installed under semi-arid climate. Heat Transfer-Asian Research,46(8), 1294-1311. doi:10.1002/htj.21274

Author: Kallista Wilson, Junior Technical Writer at Thermtest