某科研机构植物生长研究的人工微气候环境设计

某科研机构植物生长研究的人工微气候环境设计
摘要：本文重点阐述了植物生长的几大外部环境因素，通过植物生长研究的人工微气候环境的设计实例，全面探讨了有限空间内植物生长试验研究的环境控制，并提出植物生长研究的人工微气候环境控制的发展方向。

关键词植物生长人工微气候环境人工光源温度湿度CO2
一、植物生长研究的概述
植物的生长发育是一系列内、外因素调节的结果，内部因素即指植物激素（生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯），这些激素通过相互之间的协同、颉顽、反馈和交替作用，控制植物生长。

在这个生长过程中，遗传信息的表达是在环境条件的影响下实现的，包括日照、温度、湿度、水分、矿物质、CO2等，自然环境可以提供这些环境条件，但由于各地气候条件、土壤条件不同，试验研究有很大局限性。

在这些外部因素中，矿物质和水分可以人工调节，因此研究植物生长，只要模拟自然气候条件，就可以将研究对象置于封闭环境中，形成人工控制的微气候环境，通过改变各种环境要素，研究适宜不同植物生长的气候条件。

目前植物生长研究的主要方向包括：
（1）加快优质新品种培育。

（2）进行重要植物的抗拟机理研究，创制抗逆的新品种和新种质
（3）挖掘重要植物的基因资源，开展基因功能鉴定与利用的研究。

在植物生长的研究中，除了直接研究对象植物，还有对模式植物的试验研究，在这些模式植物中，拟南芥扮演着重要的作用，是研究植物的遗传、细胞、分子生物学的典型植物。

拟南芥作为重要模式植物，基因组很小，包含大约1.3亿碱基对和2.5万个基因组，有利于基因定位和测序；植株小，方便在有限空间内培育；生命周期从萌芽到种子成熟大约为六个星期，大大节省时间成本；自交繁殖：自花传粉，也有助于遗传实验。

二、人工微气候环境的要求
下面以上海某植物生长研究所的人工微气候环境中植物生长研究项目为例，阐述人工微气候环境的设计。

在下文中，人工微气候环境所在封闭空间以及调节环境光照强度、温度、湿度、水分、CO2等要素的设备、控制系统在内的集成系统称为人工气候室。

本项目的人工气候室内放置不同的试验作物，每间人工气候室都有独立的光照强度、温度、湿度、水份、CO2的调节系统，人工气候室的类别和数量、环境要求如下表：
在这些参数条件中，可以采用人工光源作为植物生长光源，保证光照强度。

温度和湿度各自有变化范围，在实际使用时需要自由组合，模拟试验作物所需要的各种自然气候条件，同时由于植物的光合作用，需要补充新风保证CO2供应，因此通风空调的设计是本项目的重点。

为维持整个系统的运行，另有若干辅助用房，包括存放种子的冷库、集中管理的中央控制室、提供冷源的冷冻机房、单独存放试验作物的库房等。

上表中所列的室内控制参数，相对湿度的影响最大，并且随着温度地变化而波动。

设计时设定在低湿（相对湿度≤55%）的环境下，室内不种植水培植物，不进行经常浇水作业，仅在对试验作物操作时打开室门，平时通过观察窗巡视，最大程度地减小室内产湿量，以避免波动急剧影响湿度调控。

三、总体布置
本项目建在现有科研中心，在地下室单独隔离400平方米左右的空间，布置人工气候室和辅助用房，原有空间仅仅作为办公用途和仓库。

冷冻机房位于改造区域北侧的一个不规则房间，靠近本层配电房6间水稻及小麦作物试验、3间重要种类保育研究、1间高温间以及5间拟南芥培养室散布在改造区域内，2间冷库位于南面。

控制室位于改造区域的中心，便于集中管理、监控。

按图中所示重新分隔后，每间人工气候间的净面积在10.8平方米左右，冷库面积大约为6平方米，每间人工气候室的室外走道布置空气处理设备（空调机组），以及本地控制系统设备，便于运行管理。

三、土建设计
1、墙板、顶板
人工气候室的墙板和顶板需要减小外界环境对室内空气品质特别是相对湿度的影响，在提高围护结构热阻的同时，加强房间气密性，。

墙板和顶板的板材采用双层夹芯彩钢板，保温板材采用隔热芯岩棉保温板，板体两面为彩钢板，保温层厚度70mm-100mm。

保温板有一定的标准模数，在一定范围可以任意组合，也可以根据现场条件定制。

彩钢板面板一面安装于室内，不仅美观，而且便于清洁。

板与板之间用偏心钩连接，其锁紧装置在工厂里板塑制作时已预埋在相应的位置上。

现场安装仅需专用工具，使所有板壁构成相应拉紧的整体。

安装完成后板与板之间接缝用白色硅胶密封。

2、底板
原有房间地面为PVC地板。

人工气候室工作期间会对实验植物进行浇灌作业，对残留泥土会定期清洗。

所以需要将原PVC地板清除，敷设排水管和地漏，重新进行地坪防水、保温，铺设防水地砖。

3、门
人工气候室的门采用双层夹芯板平开门，保温为岩棉隔热层，厚度70－100mm，两侧面板为彩钢/轧花铝板。

门上设置圆形中空玻璃观察窗，具有防冻化霜功能。

五、人工光源
1、光源设计
由于人工气候室温度可能低至20℃以下，人工光照光源不仅要耐低温，而且必须防潮、防湿、密封良好，同时又要保证高光通输出率及良好的光线均匀度。

为此，人工照明选用防水灯具，防护等级IP65。

除了拟南芥培养室人工光源布置在培养架上，室内光照强度保持在3000~6000Lux，其他人工气候室均为顶置光源，光照强度保持在30000Lux，因此为了达到与太阳光谱线的最大相似，人工照明光源采用金卤灯与氙钠灯混合光源。

顶置人工光源的灯体采用灰色高抗撞击聚碳酸脂塑料；灯罩采用高抗撞击聚碳酸脂塑料灯罩；反光板采用白色钢板；垫圈采用抗老化聚氨脂泡沫材料垫圈；扣合采用不锈钢扣合具；电器采用进口电感/电子镇流器。

2、光源控制：
1）每间人工气候室的光源开启设置成3个回路，每一回路开启都保护房间各个地方能均匀感受到光照，直至全部开启使房间各个地方光照均匀增加到最大值。

光照回路开启为手动就地，也可通过上端计算机控制，根据时间设定定期打开各回路。

2）人工气候室内的光源回路与制冷回路联锁。

当制冷回路停止运行，连锁开关切断相关房间的光照回路，仅保留工作照明灯及应急灯。

当制冷运行恢复，
直至室内设定温度时，自动联锁，打开光源回路电源，手动/自动开启光照回路。

3）照明配电回路与房间内温度传感器及空调供电回路连锁，当房间温度超过35℃，或空调供电断电任何一种情况发生，将连锁关闭所有室内人工照明灯具，防止室内温度上升过高对试验植物产生破坏。

六、空调通风设计
本项目中须采用温、湿度控制的房间共13间，包括水稻及小麦作物试验6间，重要种类保育研究3间，高温间1间，拟南芥培养室5间，以及2间只控制温度的冷库。

13间人工气候室采用夹芯保温板独立分隔，净尺寸3米×3.6米，净空3米，无外窗，密封门。

13间人工气候室分别设置空调机组，单独控制，以满足不同的试验要求。

为保证实验室内的CO2的供应，按照一定比例向室内提供新风，因场地限制，无法设置新风机组对新风预处理，项目中设置独立的新风系统，向空调机组提供室外新风，在空调机组中对新风、回风进行热湿处理。

人工气候室的排风集中设置，为维持风量平衡（人工气候室内微正压）和保证CO2浓度，每间实验室均设排风口，集中经风机排到室外，本排风系统也可以在实验室清洁时作为换气使用。