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2019年2月14日 作者:xwz2367609 [返回]
人工光型层架式气雾培工厂建设及应用研究(上)

徐伟忠

(浙江省丽水市农业科学研究院, 丽水 323000

摘要  植物工厂为当前室内农业研究之重点,在生产与科研示范上目前日益走进人们的视眼,发展极为迅速;但大多数以水培方式结合层架补光栽培为主,本文介绍一种以气雾栽培模式为主导,结合简易的环境调控与补光,构建起投资成本低、耗能又少的实用型植物工厂,为该技术的都市化发展提供技术支撑,也为技术的普及化、市民化提供借鉴;通过实用化的创新让植物工厂成为类似农耕时代自家菜园的体验平台,成为家庭小孩科普及老人嗜好的活道具;让植物工厂成为家庭药草、香料作物、叶菜安全生产的重要手段,并为都市型室内农业的构建作出积极贡献。

关键词 层架式;气雾培;人工光;营养液配方,药草

Construction and Application of Artificial Illuminated Shelf Aeroponics Plant

Xuweizhong

(Lishui Academy of Agricultural Sciences, Lishui 323000, China)

Abstract: Plant factory is the focus of current Indoor agriculture research. It is increasingly in the eyes of people in production and scientific research. It is developing very rapidly. However, most of them are based on Hydroponics, combined with shelf light-filling cultivation. This paper introduces a kind of aeroponics. The model is the dominant, combined with simple environmental control and fill light, to build a practical Plant factory with low investment cost and low energy consumption, providing technical support for the urbanization development of the technology, and also providing technology popularization and citizenization. Through practical application, the Plant Factory has become an experience platform similar to the self-cultivation garden of the farming era, and has become a live prop for the family and children to popularize the elderly; making the Plant factory an important means for the safe production of household herbs, spice crops and leaf vegetables, and Make a positive contribution to the construction of urban Indoor agriculture.

Key words: Shelf type ;Aeroponics; Artificial lighting; nutrient solution; Herb

植物工厂源于上世纪1957年的丹麦,建造了世界上首座植物工厂,其实它的前身还更早,就是人工气候室;到80年代日本发展极为迅速,其数量目前为止也应数全球最多的国家;而我国近几年发展如雨后春笋,植物工厂的数量已位居全球第二;严格意义的植物工厂为室内的补光栽培,再结合其它环境因子的精准化、自动化控制,达到作物管理的精准化、生长发育快速化、产品质量安全化、空间利用立体化的效果;目前各科研院所及企业应用的植物工厂大多为闭锁式,有集装箱改造的、有废弃工厂利用的,也有重新采用建筑材料建设的;包括工厂的外围设施、栽培设施、环境调控设施、计算机自动化控制系统等,达到了作物生长环境的最优化、数字化、精准化模拟;但也存在建设成本高,运行耗电大的实际问题,无法在生产生活及商业上普及应用;大多限于高新农业园区示范或者科研科普展示平台的建设,其生产性与商业营利性较弱;另外,当前国内国际所建设的植物工厂大多以水培为主,栽培的品种也大多限于叶菜,而叶菜中又以生菜居多;如何实现设施投资的节省化、及栽培品种的多样化、技术构建的实用化、应用范围市民化;需要对植物工厂的构建及技术进行精减,让它成为未来都市人的自家菜园式的体验平台;以下就改良简化版的植物工厂作详细介绍,让更多的市民了解及掌握与应用。

1.     经典植物工厂的构建及简化版植物工厂的改良

所谓经典型植物工厂,就是工厂完全闭锁,温、光、气、热、肥、水等进行精准化人工模拟,为作物创造最佳的生长发育环境;如隔热性良好整齐整洁的厂房、商业化标准化的栽培架与栽培床、按照不同作物进人工光的的精准化的设计与调控、专用配方在层架式水培上的应用、温湿度及通风管理的科学自动调控、甚至物理杀菌及人工补施二氧化碳技术的结合等[1]。闭锁型经典植物工厂因为各方面都按照作物生长理想化模式进行环境创造及模拟,所以其可控性非常高,包括生产周期与出产日期的精准可测性、产品品质与个性需求的可设计性,都实现了标准化、流程化、精准化、可控化的效果;但同时也使植物工厂的建造成本大大提高,每平方米造价达数千元,影响该技术的实用化与普及化推广;在实际生产中不能以最优化与最理想化作为构建植物工厂的思考出发点,还必须重点考虑商业化的成本与市场的接受普及程度;植物工厂的蔬果产品最终必须商业化走向市场,对市场来说较具弹性,产品的出产日期无需如经典植物工厂所述可预测到天数甚至小时数,对产品的安全性来说,也没必要做到无菌免洗;从现实思考出发,对蔬果产品来说安全性是首位,其次是口感及外观,没有必要进行每环境因子每构建元素的精准化与标准化建设;当前实用化与低成本化,是植物工厂建设重要的出发点,只有这样才能让该技术普及至都市市民与被商业生产者运用。

采用简易化半开放式植物工厂,可以大大节省投资,减少能耗;以及构建工厂更为便捷,无需专业人士与专业管理即可建造与生产管理,这是植物工厂普及化走进家庭让市民接受的关键;系统复杂度越高其投资成本也越高,管理的专业要求及维护成本也就越高,如何找到成本、盈利、实用的交汇点,是技术改良与简化所思考之关键点。简化版的植物工厂,不管是厂房的要求、栽培模式、设施材料、调控设备等都需考虑成本及易购性与替代性;从实用低成本出发,如栽培架采用超市万能角钢组装,栽培床采用市购的工程塑料板替代自制,补光灯可以是普通日光灯也可以选择专业的LED补光灯,栽培模式以营养液管理较为粗放的气雾培为主要模式,栽培规模上以小型家庭式为主,适当结合营利性的特色作物(如人参、金线莲等药草);植物工厂的定位与用途也是影响成本的重要因素,如科研性的需求与家庭应用的不同,自家菜园与商业化产业化的要求不同,用电时间与性质也影响能耗成本,如农用电、商用电、工业园区用电、高峰电、低谷电其电费成本也有较大差异,栽培场所的开窗通风情况,栽培架布设的密度等也与建造的硬件设施及运行成本相关;栽培的品种选择也与成本相关,一般选择足月生产型的叶菜为主,长周期的瓜果相对成本较高,因为无商品性枝蔓叶片的构建浪费了大量无效的生物量。通过模式改良、材料替代、建设的自制性,大大降低植物工厂的投资成本,为家庭菜园式及迷你式植物工厂的建设应用开辟全新的发展路径。

2.     人工光层架式气雾培工厂的建造工艺

室内植物工厂栽培目前大多采用层架式,笔者曾对多种模式进行偿试构建,如纵向双面受光的“垂直高效的模块化补光型植物工厂”(图1)、 单层补光的“围合型雾培植物工厂”(2)、冰箱式迷你型植物工厂(3)、单层补光的塔架式雾培工厂等(图4),这些模式都具较高的光效,但建造工艺相对复杂,以下就以层架式雾培植物工厂为例作详细介绍。

2.1栽培架及雾培床的建设

通过栽培架建设实现植物工厂的的多层次立体化利用,通过雾培床建设为作物的根系创造避光的生长空间;实用化的方案一般选择市购的超市万能角钢进行组装,万能角钢具灵活性大,角钢上有很多穿螺丝的孔,安装时可以因需要调整层高,另外价格便宜获取方便;培育床的建造的板材可以选择工程塑料板,或者铝箔挤塑板,可以按照尺寸进行灵活的切割装配;培育应酬的连接缝处采用焊接或打泡沫胶与玻璃胶方式自制处理,做到床体无渗漏即可;并在培育床的一端开设回流口(图5),实现养液的回流循环。

栽培架层高一般设计为60100cm,层高60cm的用于生菜、青菜等小株型叶菜栽培,高层架的用于茄果等高秆作物栽培,层高可以因栽培品种的不同进行灵活设计;培育床深为20-30cm,宽为60-120cm,每层作物的地上部份生长空间则为30cm-80cm不等(图6);栽培架的底层一般用于营养液池建设,方便回流循环。

2.2营养液循环系统的构建

气雾栽培是以朝根系喷雾的方式给作物供应肥水,悬空的根系可以获取充足的肥、水、气需求,而且营养液实现喷雾回流再喷雾再回流的循环供液模式,是一种零排放的栽培方式;营养液的循环由营养液池、水泵、隔膜气压罐、过滤器、主管、侧管、PVC球阀、支管、喷头、回流口、回液管组成(图7,8)。

气雾培水泵一般选择磁力泵,具噪音小无振动优点,适合室内应用;隔膜气压罐的作用主要是起到稳定水压的作用;过滤器为垫式过滤器,主要是滤除养液中杂质以防喷头堵塞;喷头为十字弥雾雾头,由四小喷头组成,并且每组喷头配有止滴阀与稳压阀,以达到弥雾系统关闭即止无滴漏,喷头远近同压力的效果,喷头的安装间距一般为4560cm;管道系统选择PVC管构建,回液管采用伸缩管,并且采用层层回流回液的方式,即从培育床上层逐层回流至底层的养液池。

2.3人工光系统的改进与安装

最早的植物工厂采用钠灯作为光源,后来替代以荧光灯为主,直至21世纪大多数植物工厂则被LED灯所取代;LED灯具有比其它光源更为节能,寿命更长,光效可控性更好的优点;LED补光灯的光谱一般按照红蓝比3-5:1比配,其光照强度种植叶菜类一般达3000-5000LX即可,栽培瓜果类则需达到5000LX以上的光强[2];光照时间的调节因栽培不同的作物而定,一些对于光周期敏感的作物栽培时必须充分考虑其特性,通常叶菜类补光时间可达16-20h,瓜果类则以1216h为宜,也可以按照该品种的自然生长所需的光周期进行模拟补光(图9)。

为了让LED补光灯光效更好寿命更长,以及减少对环境的放热,由丽水市农科院研发的水致冷型补光灯可以有效解决了该问题;虽然LED为冷光源,其光效大大优于荧光灯,但如果自身的散热处理不好,不仅会影响使用寿命,而且会加速光衰而影响光效;水致冷型LED补光灯,就是在封装灯管的铝基板背面引入水流,通过水流带走热量,携带热量的水排放室外,以减少灯体发热所致的环境温度飚升问题(10);对于室温较低的冬季则可以利用排放潜热作为工厂环境加温的热源;当前一些植物工厂则依赖于空调系统实现室温的精准稳定控制,就会出现能耗上的恶性循环,如LED不断放热,空调得不断致冷,虽然可以精确控制温度,但其能耗大大提加了生产成本,是当前植物工厂栽培蔬菜成本高的主要原因之一。

2.4控制系统改进与安装

当前用于植物工厂专业化建设基本都采用计算机控制系统,实现各参数的精准化控制,包括传感器、变送电路、智能决策模块、执行强电[3];与植物工厂环境相关的参数及营养液循环调控,都可以采用计算机系统得以实现精准化控制,但控制参数越多成本也就越高,在实际应用中,可以省略很多参数,部份以人为的经验管理取代,实现建设成本的降低。如在都市环境的室内,环境温度可以通过空调系统实现,补光时间及水泵的启闭可以通地时间继电器完成,对气雾栽培来说上述三方面的调控基本可以满足生长的要求;对于都市环境的室内耕作,构建家庭菜园而非专业性生产与科研用途时,可以省略计算机控制系统的投资。

也可以安装微控制系统,该系统是计算机控制系统的简化版;同样具传感器、智能决策、强电执行功能,但相对调控参数减少,控制成本降低,适合于适度规模的都市耕作(图11);以智能叶片与光照传感为主导的微控制系统,其中智能叶片为集成传感器,包括空气温度、空气湿度、叶片水膜、根系温度[4];光照传感器为外置传感器,放于室外,主要对自然光照时间与强度进行检测,实现室内的补光时间与外界同步,达到适季适栽的效果;也可以补光时间与外界光照传感器采集的光信号时间进行倒置补光,以实现反季栽培与低谷用电栽培;或者光照传感器采集的时间与强度在室内实现同步控制,达到对外界环境的同步模拟效果,通常用于科研;最简单的控制模式就是时间设定法,按照作物栽培需要进行黑期与光期的人工设定。智能叶片所采集的数据作为根系弥雾方式的决策信号输入,如根雾的间隔时间及弥雾强度(喷雾时间),让根系环境及地上部份的生长环境有较大的变幅,无需象经典植物工厂进行各参数的窄幅精准控制,以达到节省能源减少设备投入的低成本效果;如室温的控制让其变幅范围在15-30℃之间,这样就很少启动空调达到节能效果,湿度的控制范围在55-85%之间,只需结合适当的门窗通风即可实现,又减少了加温与除湿方面设备的投入;通过控制简化,控幅放大以及配套设备的减略,大大降低植物工厂投资的成本,有望成为都市居民都可以接受采纳的投资范围及运行成本,这将是该技术普及应用的关键。

2.5定植板的开孔

用于植物工厂的定植板,当前应用最广就是泡沫板、挤塑板,也有采用塑料板、铝箔挤塑板;实用与低成本的材料还是以挤塑板居多,市购的挤塑板要求密度43Kg/m3,厚度2-2.5cm为宜,宽度定制或切割成与培育床相同尺寸即可;定植孔按照间距10*15cm开设,种植大株型的作物可以隔孔定植或者早密后稀二次移栽定植;现在市场上还可以采购到的铝箔挤塑板,也是很好的定植板制作材料,这种板成本也不高,其性能又优于普通挤塑板,因在挤塑板的板材上进行铝箔包贴,这种材料更方便清洗同时又具反光效果,可以改善植物工厂漫射与反射光的光效(12)

3.     育苗与定植管理

植物工厂的室内耕作模式相比较于露天土壤耕作与设施温室栽培,其环境更为清洁,相关参数可控性更强,基本没有病虫危害,让植物工厂的管理变得极为简单;对叶菜类只需播种、育苗、移栽、与收获即可,对瓜果类较之于叶菜类只需增加整枝修剪、保花保果措施即可;是适合都市白领、家中老人小孩皆可参予的体验休闲型耕作,也是科普科研的重要平台。

植物工厂的育苗一般采用海绵块育苗,海绵块为带孔穴的小方块,可以进行人工播种,面积大的植物工厂可以结合自动播种播种育苗(13);把播种后的海绵块平置于培育床内,进行喷雾及流水管理即可;利用植物工厂的根雾设施及水循环系统,平置于床内的海绵块有充足的水份、营养及光照的保障,叶菜类一般一周即可移栽(14);瓜果类在设施温室大棚通常3-5张真叶移栽,在植物工厂内可以作多次移栽,长出子叶即可移栽至叶菜栽培的定植板上进行气雾培育,待植株长至15-20cm时再进行二次的稀疏定植。

草花类的植物工厂栽培与叶菜育苗定植类似,先进行海绵块播种育苗尔后定植管理;对于木本的花卉或者果树及药材,如果是快繁的无性自根小苗则可以清洗基质后直接移栽;如果是市购的大苗,在移栽前必须对种苗进行去根与催根处理,也就是对苗木进行根系的重修剪,再把植株根基部埋于珍珠岩或沙为基质的苗床中,通过浇水或喷雾管理,一般7-10天后即催生出白嫩的新根,此时即可进行移栽定植于植物工厂系统中;如果直接把陆生培育的苗木移至植物工厂的雾培系统,会出现气生根发育不良或者后期原陆生根与气生根之间的维管连通不畅之问题;对于人参(15)、三七、金线莲、铁皮石斛等药草则可以直接进行小苗移栽或者组培苗清洗培养基后移栽;采用气雾栽培式的植物工厂构建,与传统的水培型植物工厂相比,该模式几乎适合所有植物的室内工厂式栽培,大大拓宽了植物工厂的生产应用范围,对该产业来说具变革性的意义与产业价值;特别是药用植物的室内栽培,其经济效益与投资回报比可以达到商业可应用的推广价值,将大大加快植物工厂的都市化与商业化进程。

4.     营养液配方及调控管理

植物工厂的硬件设施完成建设后,栽培过程中关键技术就是营养液配方的拟定换算及调配管理;配方分为通用配方与专用配方,一般植物工厂的栽培为了达到最佳的生长发育效果,大多选择专用配方;以下就选择较具代表性常用于植物工厂栽培的几种经济作物,如生菜、草莓、黄瓜、甜瓜、番茄、人参、青菜,给大家作简要的介绍,以供生产科研者参考应用;植物工厂栽培与温室设施栽培不同,植物工厂所用的原水一般为城市自来水,大多符合饮用水标准,其水质中所含的钙镁离子较低,在配方换算时,只需知道理论配方,再换算成生产配方直接应用即可,自来水中原含的元素可以忽略不计;但如果是地下水,就必须先进行水质检测,换算时必须扣减原水中所含元素的量,才可以达到生产标准配方的要求[5]

4.1生菜、草莓、黄瓜、番茄、人参、青菜配方的元素组配(表1

1   7种常见品种专用配方的各元素理论组配

单位:ppm

硝态氮N-

NO3-

铵态氮N-

NH4+

 

P

 

K

 

Mg

 

Ca

 

S

 

Fe

 

Zn

 

B

 

Mn

 

Cu

 

Mo

生菜

158

22

50

210

45

190

113

4

0.1

0.5

0.5

0.1

0.05

草莓

128

0

58

211

40

104

54

5

0.25

0.7

2

0.07

0.05

黄瓜

140

0

50

350

50

200

150

3

0.1

0.3

0.8

0.07

0.03

甜瓜

215

0

86

343

85

175

113

6.8

0.25

0.7

1.97

0.07

0.05

番茄

140

0

50

352

50

180

168

5

0.1

0.3

0.8

0.07

0.03

人参

168

14

31

313

24

80

32

0.6

0.05

0.5

0.5

0.02

0.05

青菜

200

0

80

213

74

261

33

4.9

0.25

0.7

1.97

0.07

0.05

4.2    生产配方的计算

1的配方为各元素的理论组配,在生产上无法进行元素的称量,必须换算成化合物的组配才可以用于生产上的配制;如果所用的水为反渗透处理的纯水或者饮用水,可以按照表1的比配换算成化合物组配就可以直接应用于生产;如果原水为地下水,必须先对地下水进行水质检测分析,扣减原水中所含的元素量,再进行换算化合物组成,方可配制出准确的适合该水质的生产上可应用的配方,以下就以植物工厂栽培最为广泛的品种生菜为例,进行生产配方的组配计算,供生产与科研参考。

4.2.1 原水为纯水或饮用水的配方换算

按照表1的生菜配方进行化合物组配的计算,其结果如下(表2:

2  采用饮用水或者反渗透纯水为原水的化合物组配

序号

种类

用量(g/t

1

四水硝酸钙

1119.6

2

硝酸钾

182

3

硫酸钾

311.2

3

磷酸二氢铵

184.8

4

七水硫酸镁

456.4

5

螯合铁

30.769

6

一水硫酸锰

1.538

7

硼酸

2.86

8

五水硫酸铜

0.393

9

二水钼酸钠

0.126

10

二水硫酸锌

0.302

按照上述比配配制的营养液理论浓度为1.8ms/cm 

2化合物组配的实际元素含量与表1生菜的理论元素比配的计算误差如下(表3):

续--------

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