張娟娟，徐曉曉，何 勇

（1.濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省汶上縣蜀山源家庭農(nóng)場(chǎng)，山東 汶上 272000；3.江蘇格蘭特科技新材料股份有限公司，江蘇 淮安 223001）

眾所周知，溫度是影響植物生理活動(dòng)和生化反應(yīng)的重要因素，植物的生長(zhǎng)發(fā)育離不開(kāi)光合作用，溫度變化會(huì)直接影響植物的光合作用。而作為植物的生態(tài)因子而言，溫度變化會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和分布產(chǎn)生非常重要的作用。當(dāng)植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中遇到溫度突然變化的情況，會(huì)打亂植物原本的生理節(jié)奏，對(duì)植物造成傷害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物死亡。而溫室大棚的出現(xiàn)就很好的解決了北方冬季氣溫低無(wú)法種植作物的問(wèn)題。溫室大棚種植模式主要是利用密閉的大棚營(yíng)造一個(gè)適合作物生長(zhǎng)的小氣候環(huán)境，是我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)最普及的生產(chǎn)方式，不僅大大提高土地產(chǎn)出率，而且解決了反季節(jié)生產(chǎn)的問(wèn)題。但是目前現(xiàn)在卻有一個(gè)很大的困擾，就是冬季夜間、連續(xù)陰雨、雪天氣下棚內(nèi)溫度低，作物生長(zhǎng)緩慢，如果遇到強(qiáng)烈寒潮天氣，大棚內(nèi)作物還有可能被凍死，從而出現(xiàn)大面積減產(chǎn)，甚至絕產(chǎn)。無(wú)法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)土地要求提高利用率，提高產(chǎn)量，更加智能、高效、自動(dòng)化的要求。之前大多溫室大棚熱源采用熱風(fēng)爐、采暖爐或電熱線等，不僅能耗高、污染大，而且穩(wěn)定性差、成本高，效果也不佳。目前在國(guó)家大力治理霧霾的大環(huán)境下，非清潔能源的取暖增溫措施正逐漸被淘汰。石墨烯電加熱作為一種全新采暖方式，不但應(yīng)用于家居生活，在農(nóng)畜牧業(yè)也具有廣泛的應(yīng)用，涵蓋蔬菜大棚、花卉栽培、農(nóng)林育苗、土壤保溫、雛雞孵化、特種水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在有了生物質(zhì)石墨烯電加熱系統(tǒng)的暖棚，大棚冬季取暖問(wèn)題就迎刃而解了。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，溫室大棚、花卉蔬菜、工廠化食用菌、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖、特種水產(chǎn)反季節(jié)養(yǎng)殖等，都迫切需要加快研發(fā)與示范推廣清潔的石墨烯電加熱采暖方式。

生物質(zhì)石墨烯是石墨烯大家族中的一員。它是以特有的玉米芯多孔活性纖維素為原料，采用基因配位組裝(GCA)法，在熱催化條件下經(jīng)過(guò)配位組裝、高溫碳化、逐步遷移、有序附著、薄層分離等高效而精密的加工工藝而得到。生物質(zhì)石墨烯生產(chǎn)工藝沒(méi)有強(qiáng)氧化劑氧化和化學(xué)還原過(guò)程，不僅避免了環(huán)境污染與環(huán)境治理，達(dá)到了綠色生態(tài)制造，而且產(chǎn)品中也不存在化學(xué)物質(zhì)殘留，極大地提高了產(chǎn)品使用的生物安全性。生物質(zhì)石墨烯不僅具有一般石墨烯的特性如良好的熱傳導(dǎo)性，導(dǎo)電性等性能，它還具有自己特有的性能，例如低溫遠(yuǎn)紅外功能和超強(qiáng)的抗菌抑菌性能。生物質(zhì)石墨烯電熱膜是以生物質(zhì)石墨烯材料作為主要發(fā)熱材料的低溫遠(yuǎn)紅外輻射電熱膜。生物質(zhì)石墨烯暖棚是以生物質(zhì)石墨烯電熱膜為主要加熱元件，輔以科學(xué)合理的安裝而形成的遠(yuǎn)紅外加熱系統(tǒng)大棚。本文研究了以生物質(zhì)石墨烯電熱膜作為主要加熱部件，給溫室大棚加熱的實(shí)施方法和效果。

1 材料與方法

1.1 溫室概況

試驗(yàn)在山東省汶上縣蜀山源家庭農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，蜀山源家庭農(nóng)場(chǎng)是一家集科研、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、技術(shù)服務(wù)于一體的規(guī)?；瘜I(yè)型農(nóng)業(yè)科技農(nóng)場(chǎng)。溫室概況如表1。

表1 溫室概況

1.2 生物質(zhì)石墨烯電熱膜概況

生物質(zhì)石墨烯電熱膜是以生物質(zhì)石墨烯材料作為主要發(fā)熱材料的低溫遠(yuǎn)紅外輻射電熱膜。其特點(diǎn)是：

快速升溫：通電即熱，1分鐘內(nèi)即可達(dá)到工作溫度；面狀發(fā)熱，制熱效果好，整個(gè)發(fā)熱面內(nèi)溫差不大于7℃。節(jié)能：電熱轉(zhuǎn)換效率>99%；安全可靠，使用壽命長(zhǎng)；電熱轉(zhuǎn)換率高、絕緣強(qiáng)度高、阻燃、防水、防潮、耐腐蝕、免維修，可與建筑物同壽。

本實(shí)驗(yàn)所用到的生物質(zhì)石墨烯電熱膜產(chǎn)品由山東圣泉新材料有限公司提供。產(chǎn)品外觀，如圖1。

圖1 生物質(zhì)石墨烯電熱膜外觀

1.3 實(shí)施過(guò)程

實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2021年11月至2022年2月。實(shí)驗(yàn)的大棚內(nèi)分實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)。實(shí)驗(yàn)區(qū)：大棚棚口到大棚50米區(qū)，安裝生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)。對(duì)照區(qū)：棚50米到100米，未安裝生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)。試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)設(shè)置隔離帶，隔離帶主要組成為保溫毛氈簾。溫室大棚內(nèi)的布局如圖2所示。

圖2 大棚內(nèi)布局

1.4 生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)的安裝

安裝：大棚內(nèi)有多條栽培畦，生物質(zhì)石墨烯電熱膜安裝在栽培相鄰的栽培畦之間。間隔5米安裝一條。所有生物質(zhì)石墨烯電熱膜并聯(lián)，并連接集中溫控裝置。溫控裝置由溫控探頭、液晶顯示屏、溫控系統(tǒng)構(gòu)成。種植戶可以通過(guò)溫控裝置將大棚內(nèi)溫度恒定在某一溫度。大棚石墨烯加熱系統(tǒng)總功率12千瓦。初始投資約為4000元。生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)的具體安裝由江蘇格蘭特新材料科技有限公司實(shí)施。加熱系統(tǒng)安裝完畢后外觀如圖3所示。通電測(cè)試：接通電源，用紅外熱成像儀檢查紅外發(fā)熱情況，紅外熱成像圖如圖4。

圖3 石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)安裝畢后外觀

圖4 石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)通電后紅外成像

1.5 數(shù)據(jù)記錄

1.5.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)溫度設(shè)定根據(jù)作物生長(zhǎng)需求，將實(shí)驗(yàn)區(qū)溫控器的溫度設(shè)定為20℃。實(shí)驗(yàn)區(qū)溫度高于20℃時(shí)，生物質(zhì)石墨烯電熱膜停止加熱；低于20℃時(shí)，生物質(zhì)石墨烯電熱膜開(kāi)始加熱，直至到達(dá)20℃。如果陽(yáng)光較好，大棚內(nèi)溫度較高時(shí)，將采取通風(fēng)降溫措施。整個(gè)過(guò)程由種植戶持續(xù)觀察記錄。

1.5.2 大棚內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)比區(qū)的溫度采集 實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)比區(qū)各設(shè)置一個(gè)溫度計(jì)，定時(shí)讀取溫度計(jì)上溫度。

1.5.3 一個(gè)種植季的用電消耗情況 讀取相連接的電表上的用電度數(shù)。

1.5.4 大棚內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)比區(qū)的作物長(zhǎng)勢(shì) 由種植戶持續(xù)觀察記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化情況

大棚內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)、對(duì)照區(qū)、外界環(huán)境的溫度變化情況見(jiàn)表2。

表2 大棚內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)、對(duì)照區(qū)、外界環(huán)境的溫度變化

通過(guò)表2可以看出，11月天氣開(kāi)始轉(zhuǎn)冷，12月、次年1月是全年最冷的兩個(gè)月，次年2月氣溫開(kāi)始回升。對(duì)照區(qū)的溫度變化和外界環(huán)境溫度變化是一致的。溫室大棚在白天有光照的時(shí)候，溫度較高，夜間是一個(gè)降溫過(guò)程，大棚有一定的保溫作用，白天墻體和空間儲(chǔ)蓄的熱量在夜間釋放，環(huán)境溫度越低，釋放速度越快，故在環(huán)境溫度較低的時(shí)候，夜間溫度下降很快，在次年1月份溫度甚至可以降到零下。而有生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)區(qū)，可以一直保持在≥20℃的狀態(tài)。

2.2 大棚內(nèi)作物長(zhǎng)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)的圣女果苗為11月10日無(wú)差別栽種。11月份：果苗剛栽種后的第一個(gè)月，實(shí)驗(yàn)區(qū)的果苗明顯比對(duì)照區(qū)長(zhǎng)的要快一些，從高度上肉眼可以直接觀察出來(lái)。實(shí)驗(yàn)區(qū)的果苗比對(duì)照區(qū)提前5天出現(xiàn)花穗。12月份：果苗進(jìn)入花果期。兩區(qū)果苗高差距漸漸不明顯。花果差異明顯：實(shí)驗(yàn)區(qū)的花果比對(duì)照區(qū)的花果更多一些，生長(zhǎng)更快。1月份：花果生長(zhǎng)期。在1月份出現(xiàn)的極端低溫天氣中，實(shí)驗(yàn)區(qū)的果苗并未受影響，保持著快速生長(zhǎng)的勢(shì)頭。而對(duì)照區(qū)，生長(zhǎng)相對(duì)緩慢。實(shí)驗(yàn)區(qū)的花果更多一些。至月底最先長(zhǎng)出的第一穗果已經(jīng)成熟變紅。對(duì)照區(qū)的還沒(méi)有見(jiàn)到紅果。2月份：果實(shí)全面成熟期。實(shí)驗(yàn)區(qū)的果實(shí)比對(duì)照區(qū)提早成熟20天。具體對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)作物長(zhǎng)勢(shì)

2.3 耗電情況

11月至次年2月，實(shí)驗(yàn)區(qū)共用電2891度。

每月耗電量的趨勢(shì)如圖5。各月的具體環(huán)境氣溫不同，導(dǎo)致生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間也不同，具體分析見(jiàn)表4。

圖5 11月至次年2月各月耗電量趨勢(shì)

表4 11月至次年2月各月耗電量具體分析

2.4 增收情況

經(jīng)種植戶反映實(shí)驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)相比增收約為15000元。差距主要來(lái)自于兩方面：（1）實(shí)驗(yàn)區(qū)的果實(shí)早成熟約20天，當(dāng)時(shí)上市量不多，價(jià)格比較有優(yōu)勢(shì)，比20天后的價(jià)格平均多4元/公斤。（2）推出的采摘活動(dòng)。成熟較早而且果實(shí)成熟均勻，色澤好，相比其他往年有更多的顧客源。采摘情況如圖6。

圖6 果實(shí)成熟后采摘

3 討論與結(jié)論

3.1 生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)對(duì)大棚的加熱效果

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)的溫度，可以看出生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)可以有效的提升大棚溫度。尤其是在冬季連續(xù)陰天、雨、雪、寒潮天氣下，大棚內(nèi)依然可以保持作物所需的最佳生長(zhǎng)溫度和環(huán)境，從而使作物快速生長(zhǎng)。而對(duì)照區(qū)就是典型的“看天生長(zhǎng)”，在極端天氣下，棚內(nèi)溫度會(huì)持續(xù)下降，甚至連續(xù)出現(xiàn)零下溫度的情況。

3.2 生物質(zhì)石墨烯加熱系統(tǒng)對(duì)植株生長(zhǎng)和果實(shí)成熟的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)作物長(zhǎng)勢(shì)的對(duì)比，可以看出生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)可以顯著加快作物的生長(zhǎng)，提早果實(shí)成熟時(shí)間，相比較對(duì)照區(qū)的，作物在溫度較高時(shí)生作物長(zhǎng)較好。而在寒潮天氣下的低溫天氣中，幾乎停止生長(zhǎng)，甚至被凍壞造成減產(chǎn)式樣的“看天生長(zhǎng)”，實(shí)驗(yàn)區(qū)的作物始終保持快速健康生長(zhǎng)。

生物質(zhì)石墨烯電熱膜電加熱系統(tǒng)對(duì)植株的生長(zhǎng)促進(jìn)作用，體現(xiàn)在兩點(diǎn)：

（1）溫度的提高。環(huán)境溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育、地域分布以及作物產(chǎn)量和品質(zhì)的最關(guān)鍵因素之一。植物需要在一定的溫度度數(shù)以上才能開(kāi)始生長(zhǎng)。并且，只有足夠的溫度總量，植物才可以完成生長(zhǎng)周期，一般情況下，將植物整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期或某一發(fā)育階段內(nèi)，高于一定溫度度數(shù)以上的晝夜溫度總和稱為某植物或某發(fā)育階段的積溫。不同植物種在整個(gè)發(fā)育期內(nèi)，要求有不同的積溫總量。因此環(huán)境溫度的提高，可以在一定程度上縮減植物的整個(gè)發(fā)育期，即使植物更早的成熟。本文中大棚內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)白天溫度相仿，但是在夜間，生物質(zhì)石墨烯電熱膜電加熱系統(tǒng)有效的提高了實(shí)驗(yàn)區(qū)的溫度，使其保持≥20℃，而對(duì)照區(qū)的夜間溫度會(huì)快速下降，與實(shí)驗(yàn)區(qū)有一定的差距，寒潮時(shí)期，對(duì)照區(qū)的溫度能到達(dá)零下。因此實(shí)驗(yàn)區(qū)中的作物到達(dá)需要的積溫?cái)?shù)據(jù)時(shí)間更短，也就是實(shí)驗(yàn)區(qū)的作物出現(xiàn)了更早的開(kāi)花和成熟。

（2）增加了遠(yuǎn)紅外線的照射。光周期是通過(guò)影響植物內(nèi)源生長(zhǎng)素的積累和植物幼苗的生長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)植物發(fā)育，因此調(diào)節(jié)植物光周期可提高光合效率、促進(jìn)光合產(chǎn)物的形成，最終促進(jìn)植物生長(zhǎng)。生物質(zhì)石墨烯電熱膜在通電后可以發(fā)射紅外線，而試驗(yàn)證明，各種有機(jī)物和高分子物質(zhì)以及含有水分的其他物質(zhì)，對(duì)紅外線都具有較好的吸收性能。紅外線能夠產(chǎn)生熱效應(yīng)，能夠保證植物果實(shí)的成熟趨于一致，因而實(shí)驗(yàn)區(qū)的果實(shí)比對(duì)照區(qū)的成熟要更早一些，果實(shí)成熟更加均勻。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)具有升溫速度快，熱量以紅外輻射的形式直達(dá)作物表面，熱量利用效率高，不需要將環(huán)境溫度升的太高，作物便可以接收利用，故整體耗能相比傳統(tǒng)加熱方式要低。而且為智能化控制，將溫度設(shè)定好無(wú)需專人看守，省去人工成本。一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)共耗電：2891度，按照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.5469元/度核算，共花費(fèi)2891×0.5469=1581元。而最終增收15000元，遠(yuǎn)大于電費(fèi)消耗?？鄢羯镔|(zhì)石墨烯電加熱系統(tǒng)的初始成本4000元，共計(jì)帶來(lái)15000-4000-1281=9719元的凈增收。

綜上所述，生物質(zhì)石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)可以有效提高大棚內(nèi)的溫度，尤其是在冬季連續(xù)陰天、雨、雪、寒潮天氣下，大棚內(nèi)的依然可以保持作物所需的最佳生長(zhǎng)溫度，從而使作物快速生長(zhǎng)。而且升溫速度快，熱量以紅外輻射的形式直達(dá)植株表面，熱量利用效率高，不需要將環(huán)境溫度升的太高，作物便可以接收利用。故整體耗能相比傳統(tǒng)加熱方式要低。智能化控制，將溫度設(shè)定好無(wú)需專人看守，省去人工成本。建議在北方區(qū)域進(jìn)行推廣。