《Smart Agricultural Technology》：CFD-guided ventilation design to suppress pathogen spread in a cucumber greenhouse
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本研究针对黄瓜温室中棒孢叶斑病菌（Corynespora cassiicola）气传扩散难题，通过CFD数值模拟与现场监测相结合，系统分析了三种通风模式（全开/仅顶开/仅底开）和作物高度（1.0 m/1.8 m）对温室微气候和孢子传播的影响。研究发现全开通风模式在3 m/s风速下可实现最大13.2°C降温效果，而1.8 m高作物会降低冷却效率；孢子传播路径受通风模式显著调控，全开/底开模式促进垂直逃逸，顶开模式限制纵向扩散。研究提出交替使用全开和底开通风的混合策略，为温室病害防控提供了CFD指导的工程优化方案。
在现代化设施农业中，太阳能温室作为重要的蔬菜生产系统，其内部微气候环境直接影响作物生长和病害发生。黄瓜作为全球重要的经济作物，常受到棒孢叶斑病（Corynespora cassiicola）的严重威胁，这种真菌病害在热带和亚热带地区分布广泛，严重时田间发病率可达100%，导致黄瓜减产20%-70%。病原菌孢子可通过气流、种子、土壤、雨水飞溅和农事操作等多种途径传播，其中风力是植物真菌病害传播的关键因素。
目前，太阳能温室在夏季高温地区仍面临通风降温的挑战。虽然计算流体力学（CFD）技术在温室环境模拟中已有多年应用，但大多数研究仍集中于单一环境因子（如温度或气流）的建模，缺乏对多因素耦合作用下病原孢子传播机制的系统性模拟。特别是在依赖自然通风的中国太阳能温室中，通风模式、作物冠层结构和孢子轨迹之间的动态耦合关系尚未得到量化研究。
针对这一研究空白，中国农业科学院蔬菜花卉研究所的研究团队在《Smart Agricultural Technology》上发表了创新性研究。该研究通过将三维非稳态CFD模型与拉格朗日粒子追踪相结合，实现了太阳能温室中微气候和孢子扩散的协同模拟，填补了预测生物气溶胶传播途径的工程科学空白。
研究人员采用多项关键技术方法开展研究。他们基于北京海淀区（116°41′33″ E，39°91′09″ N）的实际太阳能温室构建了1:1数值模型，温室长55米、跨度12米、脊高3.5米。采用ANSYS Fluent 19.2软件进行CFD模拟，使用可实现k-ε湍流模型描述自然通风气流，采用离散坐标（DO）模型模拟太阳辐射入射。孢子传输通过离散相模型（DPM）结合拉格朗日粒子追踪实现，将C. cassiicola孢子建模为100 μm球形颗粒。实验验证采用现场监测数据，在温室东西方向中点（距两侧墙各27.5米）设置测量平面，使用温湿度传感器在不同高度（1、2、3米）监测室内环境参数。
模型验证与网格独立性
研究团队通过网格依赖性测试验证了计算模型的可靠性。六种网格尺寸的测试结果表明，网格数量从2.0×105到1.72×106变化时，三个测量点的温度变化较小，最大差异仅为0.22°C。最终确定0.69百万网格数的计算方案，对应的最小网格尺寸为0.005L（L为温室长度）。统计验证显示，模拟值与实测值之间的确定系数（R2）大于0.884，平均绝对误差（MAE）最大为0.761°C，均方根误差（RMSE）最大为1.471°C，证实了CFD模型的有效性。
温度与湿度的动态演化机制
研究发现通风模式显著影响温室微气候。在3 m/s风速和1.0 m作物高度下，全开通风模式实现最佳冷却效果，内部温度降至36.29°C，而完全封闭条件下温度高达53.61°C。底部通风模式特异性冷却作物区域，冠层温度降至39.17°C，但上部空间温度升高至44.87°C。顶部通风模式冷却性能最差，在北墙和冠层之间保持41.44°C的稳定性。当作物高度增至1.8 m时，全开通风仍保持最佳冷却效能，但效率降低7.3%。
湿度分布同样受通风模式调控。全开通风实现最优均匀性（相对湿度变异<1%），有效抑制了病原菌适宜的微环境。底部通风诱导垂直分层（ΔRH >6.54%），而顶部通风产生截面差异（最大ΔRH 5.55%）并形成持续的低湿度核心（低于环境>6% RH），这恰好有利于C. cassiicola孢子释放。
不同截面的流场动态分析
风速分布揭示了三种植被高度下通风模式的空气动力学特性。在顶部通风模式下，风速沿温室薄膜增加，屋顶附近达到峰值1.58 m/s。底部通风最大风速为1.28 m/s，流入气流接触北墙后上升。全开通风峰值速度达1.56 m/s，气流从底部通风口进入后随穿透距离减速，主要沿北墙上升后从顶部通风口排出。研究表明，外部风速增加不改变孢子轨迹，但显著扩大其径向传播范围，加速温室内疾病进展。
作物高度从1.0 m增加至1.8 m时，冠层结构对气流产生更大阻力，整体气流分析显示底部通风下孢子传播受限，而顶部和全开模式气流速度降低。较高的作物冠层抑制病原体扩散，减缓太阳能温室中的疾病进展。
C. cassiicola孢子的传播轨迹
孢子轨迹模拟揭示了通风依赖的扩散机制。在完全封闭条件下，孢子在两个作物高度均横向传播（1.0 m：10 m范围内0.44 m/s；1.8 m：8 m范围内0.42 m/s），无向内扩散。全开通风时，孢子向北迁移并逐渐减速（1.0 m：2.36→1.42 m/s；1.8 m：2.30→1.38 m/s），接触北墙后上升并从顶部通风口排出。底部通风时，孢子以0.4 m/s向北推进后上升，但1.8 m冠层诱导沿北墙的增强横向转向和作物介导的复杂扩散。顶部通风时，1.0 m孢子横向扩散而无内部渗透，而1.8 m标本渗透温室内部，沿薄膜加速（0.52→2.59 m/s）后从顶部通风口排出。
孢子空间分布
空间孢子分布实现了轨迹推断。底部通风驱动孢子向北朝向墙壁，尽管疾病源附近值较低，但沉积密度向北增加。顶部通风时，沿温室跨度的主要横向扩散伴随轻微的向北扩散。全开通风产生横向和向北组合扩散，周孢子分布均匀。研究表明，现实中感染可能发生在温室不同位置，虽然多个释放源会影响局部浓度场和扩散孢子的绝对数量，但主导扩散模式主要由温室几何形状和通风配置创建的大规模气流结构控制。
研究结论强调，通过引入耦合多种通风模式和作物高度的CFD模型，揭示了太阳能温室中孢子扩散机制不仅受通风方式影响，更受冠层结构与流场相互作用的支配。与传统仅关注通风优化的研究相比，该模型提供了能够预测孢子逃逸途径的工程工具，为温室结构设计和通风策略提供了定量基础。
该研究的重要意义在于首次将孢子释放与湿度动力学耦合，克服了以往CFD生物气溶胶模拟中常用的简化假设。通过多场景模拟和现场测量验证，量化了三种通风模式（仅顶开、仅底开、全开）、作物高度（1.0 m vs. 1.8 m）和风速（1-3 m/s）之间的相互作用。拉格朗日粒子追踪与孢子密度测量的新颖耦合建立了预测病原体扩散的框架，解决了模型与观测之间先前的不一致性问题。
这项研究不仅为太阳能温室中孢子扩散提供了机制解释，还提出了可操作的混合通风策略，为温室设计提供了工程优化基础。通常情况下，全开模式因其优越的冷却能力和均匀内部湿度的能力而被采用，有效缓解热应激并抑制孢子适宜的微环境。相比之下，当优先考虑病原体遏制时，采用底部通风模式，因为它限制了气传孢子的垂直逃逸和跨设施扩散，同时在冠层内仍提供适度冷却。
该研究为未来智能温室气候和疾病管理系统奠定了基础。经过验证的CFD-孢子扩散模型为此类系统提供了核心逻辑。研究团队提出的混合通风策略——交替使用全开和底部开口——实现了双重效益：通过阻断空中途径实现有效冷却和病原体遏制。这些发现为优化温室气候和真菌孢子转移建立了操作框架，并将蔬菜病害控制从实践经验推向预测科学。
