JPWZ-1型微型植物工廠栽培生菜試驗(yàn)的研究

李東星，李迎忠，許明，商守海，周增產(chǎn)，卜云龍

（北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，100094）

植物工廠的概念最早是日本提出來的，根據(jù)日本植物工廠學(xué)會的解釋，植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，即利用計算機(jī)對植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受或很少受自然條件制約，從而實(shí)現(xiàn)省力型生產(chǎn)[1]。

隨著植物工廠各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及生活水平的提高，人們對蔬菜品質(zhì)的要求越來越高，一種適合于家用的微型植物工廠也應(yīng)運(yùn)而生。微型植物工廠是小型化的植物工廠，它是將植物工廠的技術(shù)進(jìn)一步濃縮，集成在一個密閉的環(huán)境里，人們可以通過智能自動控制系統(tǒng)控制植物生長的環(huán)境，為作物提供適宜的光照、溫度、濕度環(huán)境，為作物提供合理比例的營養(yǎng)液[2]。目前，這種技術(shù)在國外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如日本、美國、荷蘭等都有應(yīng)用。在國內(nèi)，這種技術(shù)還處于研究和摸索階段，針對此種情況，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司開發(fā)了一種家用的JPWZ-1型微型植物工廠，該微型植物工廠是未來家庭園藝、家庭廚房所必備的一種家用電器，不僅可以實(shí)現(xiàn)蔬菜的周年生產(chǎn)、滿足家庭對蔬菜安全、衛(wèi)生、綠色的需求，而且能吸收人居環(huán)境中的CO2，放出的O2為家庭以及辦公樓宇創(chuàng)造舒適的環(huán)境，同時其還具有科普功能[3]。

該微型植物工廠的成功研發(fā)代表了我國設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備水平的提高，根據(jù)設(shè)施裝備與設(shè)施園藝相結(jié)合的原則，對該微型植物工廠進(jìn)行了栽培試驗(yàn)，初步探索了該JPWZ-1型微型植物工廠種植生菜的栽培效果。

1 JPWZ-1型微型植物工廠的結(jié)構(gòu)

該JPWZ-1型微型植物工廠（圖1）整體外型結(jié)構(gòu)及尺寸與雙開門冰箱相當(dāng)，主要包括栽培區(qū)、營養(yǎng)液循環(huán)區(qū)、電氣控制區(qū)、環(huán)境控制區(qū)等四大部分。

栽培區(qū)共分上、中、下3層，上下2層以熒光燈為光源，中間層采用紅藍(lán)比LED燈補(bǔ)光。熒光燈為白光，可提供作物需要的各種光波；LED采用適宜植物生長的紅藍(lán)波段光源，可促進(jìn)葉菜及莖類植物生長（上、中、下3層的光源可調(diào)換）。栽培區(qū)內(nèi)膽為鏡面不銹鋼，外殼為優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，外殼與內(nèi)膽之間填充硅酸鋁棉保溫層，以保證栽培區(qū)的溫濕度環(huán)境與外界隔離。營養(yǎng)液循環(huán)區(qū)位于栽培區(qū)下側(cè)與右側(cè)部分區(qū)域，營養(yǎng)液在家庭植物工廠底層的營養(yǎng)液箱內(nèi)配制，通過自動控制系統(tǒng)定時與栽培區(qū)各層栽培床箱內(nèi)的營養(yǎng)液進(jìn)行營養(yǎng)液循環(huán)，以達(dá)到營養(yǎng)均衡供應(yīng)及營養(yǎng)液管道消毒的目的。電氣控制區(qū)位于栽培區(qū)的右側(cè)，該區(qū)域配置有溫度控制設(shè)備、濕度控制設(shè)備、CO2供氣設(shè)備、紫外燈消毒設(shè)備，控制器和人機(jī)界面。環(huán)境控制區(qū)位于栽培區(qū)的后側(cè)，是栽培區(qū)環(huán)境控制的一個緩沖區(qū)，配置有制冷蒸發(fā)器、加熱管、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇、外循環(huán)風(fēng)扇等設(shè)備[2]。

圖1 JPWZ-1型微型植物工廠

2 栽培試驗(yàn)過程

2.1 栽培品種

試驗(yàn)材料為生菜，品種名為羅生3號、紫羅蘭。

2.2 栽培環(huán)境條件

生菜屬低溫型植物，性喜冷涼，種子在4℃時即可發(fā)芽，發(fā)芽適溫18～22℃，高于25℃時因種皮吸水受阻幾乎不發(fā)芽，夏季播種時需低溫處理。植株生長期間，以15～20℃生長最適宜，而晝夜溫差大、夜間溫度低，有利于高產(chǎn)量、優(yōu)品質(zhì)；5～25℃環(huán)境也可適應(yīng)，但持續(xù)高于25℃，生長較差，葉質(zhì)粗老，略有苦味，并且高溫影響生菜對鈣的吸收，易發(fā)生心腐病[4]。作物是在微型植物工廠內(nèi)一個相對密閉的環(huán)境中生長，本次試驗(yàn)可對植物工廠內(nèi)的溫濕度進(jìn)行自動設(shè)定。設(shè)定的白天及夜間的溫濕度具體為∶羅生3號溫度白天22℃、夜間18℃，濕度白天65%、夜間75%；紫羅蘭溫度白天23℃、夜間17℃，濕度同羅生3號。

①光源環(huán)境 一層為熒光燈（共6支），為微型植物工廠最底層；二層為LED燈帶（共5條），為微型植物工廠中間層；三層為LED燈塊（共3塊），為微型植物工廠最上層（圖2）。

②供液環(huán)境 采用營養(yǎng)液栽培，營養(yǎng)液栽培是無土栽培的一種，它可以代替天然土壤向作物提供水分、養(yǎng)分、氧氣，從而使作物能夠正常生長并完成整個生命周期[5]。如圖3所示，JPWZ-1型微型植物工廠的營養(yǎng)液循環(huán)方式為多層集中定時供液，各層獨(dú)立控制流量。在營養(yǎng)液箱內(nèi)配好營養(yǎng)液后，可控制營養(yǎng)液系統(tǒng)定時循環(huán)，在循環(huán)過程中，營養(yǎng)液通過營養(yǎng)液消毒器、供液管路給各層栽培床箱提供新鮮潔凈的營養(yǎng)液，各層栽培床箱內(nèi)原有的營養(yǎng)液則可通過回液管路回流到營養(yǎng)液箱內(nèi)進(jìn)行加營養(yǎng)、增氧氣和消毒處理，以備下一次循環(huán)使用。另外，各層栽培床箱內(nèi)還設(shè)置了供液閥門和回液插芯，如此便可有效控制各層營養(yǎng)液的供液速度和液面高度[2]。

圖2 各層補(bǔ)光燈

圖3 JPWZ-1型微型植物工廠營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)目前水培生菜栽培方式制定其營養(yǎng)液配方，具體為 Ca（NO3）21 122.00 mg/L，KNO3910.00 mg/L，NH4NO340.00 mg/L，K2H2PO4272.00 mg/L，MgSO4247.00 mg/L，EDTA 二鈉鐵 16.80 mg/L，硼砂 0.28 mg/L，MnSO40.86 mg/L，ZnSO41.26 mg/L，CuSO40.20 mg/L，Na2Mo40.10 mg/L。

2.3 播種前的準(zhǔn)備

采用種植穴孔數(shù)為64孔（8×8）的穴盤栽培板，而后用KMnO4溶液對栽培板進(jìn)行消毒，消毒后用清水進(jìn)行清洗，然后將消毒過的海綿塞進(jìn)栽培板孔中。將生菜種子（羅生3號、紫羅蘭）分別播種于海綿孔中，每孔播種2～3粒。

2.4 催芽

2011年8月26～27日催芽。普通水培生菜需將生菜籽用涼水浸泡12～24 h后將水控凈，裝入密閉塑料袋，放入冰箱的冷藏室（2～4℃）處理 12～24 h，然后取出放在15～20℃的條件下，保持種子濕潤，種子露白后播種[6]。在JPWZ-1型微型植物工廠中，只需將種子直接播入栽培板的海綿孔中，然后在環(huán)境控制區(qū)調(diào)好生菜所需的溫濕度環(huán)境即可，溫度設(shè)定為18～22℃，濕度控制在65%～75%。此時，不需要開啟燈光。2 d后，待種子露白后開啟燈光，重新設(shè)置生菜在生長期所需的溫濕度。

2.5 生長管理期

生菜在生長期的溫度平均控制在25℃，濕度平均控制在66%，pH值平均控制在6.28，溶氧值平均在3.62 mg/L，主要通過營養(yǎng)液的自動循環(huán)供液來實(shí)現(xiàn)生長期的管理，同時，實(shí)時記錄生菜成長過程中的EC值、pH值、溶氧值，以便對生菜進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。此次栽培試驗(yàn)共分4個階段，即子葉期、幼苗期、成苗期、采收期。各生長情況及記錄數(shù)據(jù)具體如下。

①子葉期 2011年8月28～30日，此階段特征是植株長出2片子葉，具體生菜生長情況見圖4。由表1數(shù)據(jù)可以看出，此階段的平均溫度為26.2℃，平均濕度為 63.67%，平均 EC 值為 1 674.11 μS/cm，平均 pH 值為 6.43，平均溶氧值為 3.52 mg/L。

圖4 子葉期生長情況

表1 子葉期植物工廠內(nèi)溫濕度，營養(yǎng)液EC值、pH值、溶氧值

②幼苗期 2011年8月31日至9月6日，此階段特征是葉片長到5～6片，各層葉片呈現(xiàn)綠色（圖5）。其中，一層羅生3號的株高為3～4 cm，二層紫羅蘭的株高為2～3 cm，三層紫羅蘭株高為6～8 cm。由表2數(shù)據(jù)可知，此階段的平均溫度25℃，平均濕度66%，平均 EC 值 1 629.81 μS/cm，平均 pH 值 5.64，平均溶氧值 4.11 mg/L。

③成苗期 2011年9月7～13日，此階段特征是，一層羅生3號葉片長到6～8片，葉片仍為綠色，株高為6～7 cm；二層紫羅蘭葉片長到9片，葉片為綠中帶紫,平均株高為12.5 cm；三層紫羅蘭的葉片長到9～11片，葉子顏色為綠色，平均株高為14 cm（圖6）。由表3數(shù)據(jù)可知，此階段的平均溫度24.7℃，平均濕度 66.39%，平均 EC 值 1 651.76 μS/cm，平均 pH 值 6.22，平均溶氧值 3.46 mg/L。

圖5 幼苗期生長情況

表2 幼苗期植物工廠內(nèi)溫濕度，營養(yǎng)液EC值、pH值、溶氧值

圖6 成苗期生長情況

表3 成苗期植物工廠內(nèi)溫濕度，營養(yǎng)液EC值、pH值、溶氧值

④采收期 2011年9月14～26日，此階段特征是，一層羅生3號葉片多于9片，葉片仍為綠色，株高為9～13.5 cm；二層紫羅蘭葉片多于11片，葉片綠中帶紫，平均株高為21 cm；三層紫羅蘭的葉片長到16片，葉片為綠色，平均株高為26 cm（圖7）。由表4記錄數(shù)據(jù)可知，此階段的平均溫度24.4℃，平均濕度 68.08%，平均 EC 值 1 758.4 μS/cm；平均 pH值 6.40，平均溶氧值 3.14 mg/L。

綜上所述，生菜在各個生長階段的溫濕度、EC值、pH值及溶氧值等均處于正常水平，充分發(fā)揮了JPWZ-1型植物工廠的環(huán)境自動控制功能，且在各個階段中，第3層LED補(bǔ)光燈塊紫羅蘭植株長勢最好。

2.6 收獲

2011年9月26～30日，此階段為生菜收獲期。

①總體情況 一層羅生3號共32株，總質(zhì)量916 g，單株平均質(zhì)量為28.63 g；二層左側(cè)紫羅蘭共14 株，總質(zhì)量 655 g，單株平均質(zhì)量為 46.79 g；三層紫羅蘭共31株，總質(zhì)量1 960 g，單株平均質(zhì)量為63.23 g（表5）。

選取各層中生長勢處于中間水平的植株，測量其葉片長和葉片寬。從表5可以看出，三層LED補(bǔ)光燈塊紫羅蘭的單株質(zhì)量最大，但其葉片長與葉片寬均處于中間水平。

②單株收獲情況 選取各層中較大的生菜單株（圖8～9），對其根長、根莖直徑、株高、株寬、葉片長、葉片寬、葉片數(shù)及單株質(zhì)量等進(jìn)行測定，結(jié)果見表6。

從表6中可以看出，3層LED補(bǔ)光燈塊的紫羅蘭的根莖直徑、株寬、葉片數(shù)及質(zhì)量最大。由此可見，3層的紫羅蘭生菜為長勢最好的作物。

圖7 采收期生長情況

表4 采收期植物工廠內(nèi)溫濕度，營養(yǎng)液EC值、pH值、溶氧值

表5 JPWZ-1型微型植物工廠3層植物質(zhì)量及葉片長、寬等測量數(shù)據(jù)

綜上所述，3種作物在JPWZ-1型植物工廠里均生長較好，生長周期為30 d，比普通大田生菜生長時間（60 d）縮短1/2周期，且作物質(zhì)量好；JPWZ-1型植物工廠內(nèi)的3層燈光中的第3層的LED燈補(bǔ)光塊對植物生長的促進(jìn)作用最強(qiáng)，其次為LED燈補(bǔ)光帶，最后為熒光燈。

2.7 檢測情況

將第3層紫羅蘭（600 g）、第1層的羅生3號（320 g）送至北京理化測試中心化學(xué)部進(jìn)行鈣、砷、汞、鉛、鎘、亞硝酸鹽等項(xiàng)目的檢測。鉛測定參照GB/T 5009.92-2003，鎘測定參照 GB/T 5009.15-2003，鈣測定參照 GB/T 5009.92-2003，汞測定參照GB/T 5009.17-2003，砷測定參照 GB/T 5009.11-2003，亞硝酸鹽測定參照GB/T 15401-1994。鉛、鎘、鈣含量采用原子吸收分光光度法測定，汞、砷含量采用原子熒光光譜儀測定，亞硝酸鹽含量采用紫外線可見光度法測定。

圖8 3種生菜生長情況

圖9 3種生菜單株生長情況

表6 JPWZ-1型微型植物工廠3層作物單株情況

表7 JPWZ-1型微型植物工廠2種作物重金屬及硝酸鹽含量檢測數(shù)據(jù)

由表7數(shù)據(jù)可知，利用JPWZ-1型微型植物工廠栽培的紫羅蘭生菜和羅生3號生菜的鎘、汞、亞硝酸鹽含量的檢驗(yàn)結(jié)果均小于方法檢出限，代表這2種生菜中不含這些重金屬及農(nóng)藥；鉛、砷含量的檢驗(yàn)結(jié)果大于方法檢出限，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于綠色食品（NY/T 743-2003）綠葉類蔬菜的鉛、砷的指標(biāo)（鉛≤0.1 mg/kg，砷 0.2 mg/kg），且 2 種生菜中營養(yǎng)指標(biāo)鈣的含量較高。因此，可看出，JPWZ-1型植物工廠生產(chǎn)的生菜營養(yǎng)、衛(wèi)生、安全、無污染。

3 結(jié)論及建議

通過在JPWZ-1型植物工廠試種羅生3號及紫羅蘭生菜，得出了以下結(jié)論。

①完全可以利用JPWZ-1型植物工廠種植生菜等葉菜植株，且栽培周期短，比普通大田生菜生長周期縮短1/4以上。

②JPWZ-1型植物工廠可實(shí)現(xiàn)作物周年生產(chǎn)，且其在栽培過程中不施農(nóng)藥，生產(chǎn)的生菜是一種真正的衛(wèi)生、安全、無污染的健康食品。

③JPWZ-1型植物工廠3種光源中，LED補(bǔ)光燈塊對促進(jìn)作物生長的效果是最好的，其次為LED補(bǔ)光燈帶，最后為熒光燈。

JPWZ-1型微型植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)新生的事物，正處于探索和摸索階段，本次試驗(yàn)為微型植物工廠的試運(yùn)行提供了很好的栽培經(jīng)驗(yàn)，可以為未來的家庭菜園、家庭園藝提供一種行之有效的種植模式。同時，下一步還應(yīng)該繼續(xù)探索老百姓經(jīng)常吃的菜如苦菊、茼蒿、小油菜等品種的栽培效果，不斷研發(fā)與積累新的栽培技術(shù)，使研發(fā)的設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備能真正與設(shè)施園藝相結(jié)合起來，為以后微型植物工廠能快速走入尋常百姓家而奠定基礎(chǔ)。

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