閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)的研制與試驗(yàn)

李東星，許明，周增產(chǎn)，卜云龍，商守海，王會(huì)學(xué)

（北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，100094）

工廠化育苗具有技術(shù)密集性高、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)性強(qiáng)、綜合效益好等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特征，在美國、荷蘭、日本、以色列等國家已具有相當(dāng)規(guī)模，并有專業(yè)化的大型資材供貨商、種子公司為大型種苗生產(chǎn)企業(yè)提供相應(yīng)的商業(yè)化服務(wù)，從而支撐了種苗行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在我國，隨著設(shè)施園藝的快速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的工廠化育苗技術(shù)雖然得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但還存在關(guān)鍵設(shè)備和主要資材缺乏、環(huán)境調(diào)控粗放、人工光照和補(bǔ)光技術(shù)落后、育苗生產(chǎn)效率和效益低下等問題。針對(duì)此問題，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司開發(fā)了一種閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過運(yùn)用機(jī)械化、自動(dòng)化手段，人工控制等技術(shù)，使種苗在最佳環(huán)境下生長(zhǎng)[1]，它擺脫了自然條件的束縛和地域性的限制，可以控制種苗生長(zhǎng)周期，促進(jìn)種苗快速發(fā)育，且采用完全封閉的栽培環(huán)境，為種苗的繁育創(chuàng)造了良好的生長(zhǎng)環(huán)境[2]。為了驗(yàn)證及優(yōu)化該系統(tǒng)的功能，根據(jù)設(shè)施裝備與設(shè)施園藝相結(jié)合的原則，在閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)中進(jìn)行了黃瓜育苗試驗(yàn)，初步探索了該閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)的育苗效果。

1 閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)的研制

閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)（圖1）是一種采用聚苯乙烯泡沫夾心彩鋼板的絕熱壁板圍成的空間，此空間可將系統(tǒng)內(nèi)外的物質(zhì)和熱能的交換控制在最小限度范圍內(nèi)，室溫采用空調(diào)機(jī)維持設(shè)定，光照采用人工光形式提供植物成長(zhǎng)所需，對(duì)于苗或株高較小的植物，系統(tǒng)內(nèi)可采用多層栽培架。其他主要組成部分有空氣攪拌風(fēng)機(jī)，促進(jìn)光合成的CO2施用裝置，灌溉設(shè)備以及環(huán)境調(diào)控設(shè)備[3]。

1.1 結(jié)構(gòu)組成及材料

圖1 閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)內(nèi)景

閉鎖型育苗系統(tǒng)的面積為23.4 m2，用聚苯乙烯泡沫夾心彩鋼板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這種材料是一種強(qiáng)度高、保溫性能好的絕熱材料，它能夠大大減少壁板的傳熱，并能防止因室外氣溫比室內(nèi)氣溫低而造成的壁內(nèi)側(cè)結(jié)露。采用4層式育苗架4臺(tái)（安裝32 W植物生長(zhǎng)熒光燈168支及半架LED發(fā)光管），補(bǔ)光功率共計(jì)約6 456 W（半架LED發(fā)光管補(bǔ)光功率按1 080 W計(jì)）。頂部風(fēng)道負(fù)壓區(qū)設(shè)置了通風(fēng)口，通風(fēng)口靠近溫室天窗，定期打開使系統(tǒng)內(nèi)通風(fēng)換氣。系統(tǒng)各項(xiàng)組成及參數(shù)見表1。

表1 閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)組成

1.2 多層式苗床設(shè)計(jì)

閉鎖式育苗主要是采用多層立體培養(yǎng)方式，其優(yōu)勢(shì)在于能夠提高單位面積產(chǎn)量以及單位面積利用率。育苗培養(yǎng)架主體骨架為不銹鋼焊合體，分別安裝苗床、熒光燈組、LED燈板、反光鋁板、風(fēng)扇、背板、側(cè)板等零部件。

如圖2所示，閉鎖式育苗床共有4層，床架總高度為190 cm，長(zhǎng)為268.1 cm，寬為70 cm。由于幼苗生長(zhǎng)的高度為10～20 cm，光源與植物頂端的距離為5～20 cm，所以苗床每層高度設(shè)定為38 cm，每層育苗床安裝10個(gè)風(fēng)扇，用于模仿自然通風(fēng)，有利于通風(fēng)降濕。

1.3 人工光源的選擇與調(diào)控

在光源的可見光光譜中，植物吸收的光能占生理輻射光能的60%～65%，其中主要是波長(zhǎng)為610～720 nm的紅、橙光輻射，紅、橙光能被葉綠素強(qiáng)烈吸收，光合作用最強(qiáng)，可顯著加速植物的發(fā)育，其中660 nm為吸收波峰。其次是波長(zhǎng)400～510 nm的藍(lán)、紫光輻射，藍(lán)、紫光被植物葉綠素吸收最多，表現(xiàn)為強(qiáng)的光合作用和形態(tài)建成作用，其中450 nm為吸收波峰。因此，在人工光源調(diào)控系統(tǒng)中，選擇660 nm紅光和450 nm藍(lán)光進(jìn)行搭配[4]。本育苗系統(tǒng)采用藍(lán)光與紅光比等于5∶1的熒光燈進(jìn)行搭配，其輻照強(qiáng)度為 40 μW/m2。

1.4 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

圖2 育苗栽培架

營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要由栽培床、營養(yǎng)液池、供液管道系統(tǒng)、回流管道系統(tǒng)、自動(dòng)灌溉施肥機(jī)組成。栽培床用于盛放營養(yǎng)液，給種苗提供營養(yǎng)和水分。營養(yǎng)液池是貯存和供應(yīng)栽培床營養(yǎng)液的容器，母液罐、酸罐、堿罐和清水罐中的溶液在電磁閥門的控制下流入營養(yǎng)液池。供液管道系統(tǒng)將貯液池中的營養(yǎng)液運(yùn)輸?shù)皆耘啻仓泄┳魑镄枨?，它主要包括供液管道、調(diào)節(jié)流量的閥門等組成部分；而回流管道系統(tǒng)是將栽培床內(nèi)的營養(yǎng)液回流至貯液池中，它主要包括回流管道和栽培床中的回流裝置兩部分。自動(dòng)灌溉施肥機(jī)與供液管道系統(tǒng)相連，用于營養(yǎng)液的自動(dòng)配比混合并傳輸給供液管道系統(tǒng)，它主要包括一套文丘里型肥料泵，肥料泵裝置上同時(shí)也包括電動(dòng)控制肥料閥門、肥料流量調(diào)節(jié)器、聚乙烯裝配件；一個(gè)專用電動(dòng)水泵，用于通過旁通管維持文丘里肥料泵運(yùn)行所必須的水壓差[5]。

1.5 育苗環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)

利用PLC控制理論及空調(diào)機(jī)組對(duì)設(shè)施內(nèi)的各種環(huán)境因子，包括溫度、相對(duì)濕度、光照、CO2濃度等進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)是閉鎖型育苗系統(tǒng)進(jìn)行育苗生產(chǎn)的關(guān)鍵。根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)習(xí)性，調(diào)控出適宜作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境是系統(tǒng)控制的核心。環(huán)境控制項(xiàng)目包括溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度、光照和通風(fēng)系統(tǒng)，如圖3所示。

2 閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)影響的試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料為黃瓜（寒光65），共選取了6個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，于2013年1月25日分別采用數(shù)顯電子稱 PWC124（max=120 g，d=0.000 1 g）稱量樣本3 236粒，最后在種子處理浸種環(huán)節(jié)，又漂洗出227粒秕種子，共3 236-227=3 009粒種子進(jìn)入催芽環(huán)節(jié)。具體稱重情況見表2。

2.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)在北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司通州植物工廠閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)中進(jìn)行，于2013年1月28日開始浸種，進(jìn)行育苗試驗(yàn)，分別對(duì)操作流程、不同光源對(duì)黃瓜幼苗下胚軸伸長(zhǎng)、第一片真葉葉面積的影響進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上，明確了黃瓜苗在LED光源下達(dá)到壯苗的數(shù)量指標(biāo)，為以后的相關(guān)工作提供依據(jù)和參考。黃瓜育苗具體操作流程見圖4。

①出苗率統(tǒng)計(jì) 從開始浸種 （2013年 1月 28日 23：00）算起，至第7天（2013年2月4日15：00左右）統(tǒng)計(jì)出苗率。共播種50孔穴盤57盤，實(shí)際調(diào)查53盤。該系統(tǒng)中出苗的衡量標(biāo)準(zhǔn)為：a.幼苗拱土露出肉眼可見的子葉或胚軸；b.穴孔中有雙粒的按照1粒計(jì)算。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

圖3 控制系統(tǒng)

表2 寒光65黃瓜種子粒數(shù)及質(zhì)量情況

圖4 育苗操作流程

②不同光源對(duì)黃瓜幼苗下胚軸、莖粗及第一真葉葉面積大小的影響 2013年2月11日上午，真葉已經(jīng)長(zhǎng)出，下胚軸不再伸長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)行了普通熒光燈及LED燈不同光源下的黃瓜幼苗下胚軸莖粗的測(cè)定，各15株，位于閉鎖室育苗架第2層（從上往下），其他管理均相同，僅光源存在差別，其對(duì)比具有代表性和可比性。

下胚軸長(zhǎng)：指與基質(zhì)表面相平的莖基部至緊貼子葉下方的距離。用2 m長(zhǎng)卷尺測(cè)量，單位為cm。

表3 黃瓜出苗率統(tǒng)計(jì)

莖粗：指緊貼子葉下方下胚軸的粗度，用數(shù)顯電子游標(biāo)卡尺測(cè)定，單位為mm。

第一片真葉葉面積：用葉形紙稱重法進(jìn)行測(cè)定，單位為cm2。2013年2月14日，黃瓜幼苗1葉1心期，用葉形紙稱重法進(jìn)行了黃瓜幼苗第一片真葉葉面積的測(cè)量。

2.3 結(jié)果與分析

①出苗率統(tǒng)計(jì) 由表3可以看出，供試黃瓜種子在閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)中的出苗率相對(duì)很高，平均出苗率達(dá)到91.89%。

②不同光源對(duì)黃瓜幼苗下胚軸長(zhǎng)度的影響 由表4可以看出，在其他環(huán)境條件同樣的情況下，采用LED光源和普通熒光燈光源對(duì)黃瓜幼苗的下胚軸伸長(zhǎng)均有較為明顯的促進(jìn)作用，但LED光源照射下黃瓜幼苗下胚軸平均長(zhǎng)度為3.31 cm，是普通熒光燈照射的1.7倍左右，LED光源對(duì)于促進(jìn)黃瓜幼苗下胚軸伸長(zhǎng)的作用極顯著優(yōu)于普通熒光燈光源。

③不同光源對(duì)黃瓜幼苗莖粗的影響 由表5可以看出，在其他環(huán)境條件同樣的情況下，在閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)內(nèi)采用LED光源和普通熒光燈光源對(duì)黃瓜幼苗的莖粗均有一定的影響，但二者差異不顯著。

④不同光源對(duì)黃瓜幼苗第一片真葉葉面積的影響 由表6可以看出，在其他環(huán)境條件同樣的情況下，在閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)內(nèi)采用LED光源和普通熒光燈光源對(duì)黃瓜幼苗第一真葉葉面積均有較為明顯的促進(jìn)作用，但LED光源下黃瓜幼苗平均第一真葉葉面積為46.16 cm2，是普通熒光燈下的1.57倍，即LED光源對(duì)于促進(jìn)黃瓜幼苗第一片真葉葉面積的作用顯著優(yōu)于普通熒光燈光源。

表4 不同光源下黃瓜幼苗下胚軸長(zhǎng)度

表5 不同光源下黃瓜幼苗莖粗（緊貼子葉下方）

⑤不同調(diào)查期不同光源對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響分別于2月4日（出苗期）、2月7日（露心期）、2月11日（1葉1心期）調(diào)查L(zhǎng)ED光源和普通熒光燈光源照射下黃瓜幼苗的生長(zhǎng)情況，結(jié)果表明，2月4日出苗期，2種光源下生長(zhǎng)的黃瓜幼苗幾乎沒有差別；2月7日露心期，LED光源下生長(zhǎng)的黃瓜幼苗真葉略大于普通熒光燈下的；2月14日1葉1心期，2種光源下的黃瓜幼苗差別明顯，其中LED光源下生長(zhǎng)的較優(yōu)。

表6 不同光源下黃瓜幼苗第一真葉葉面積

2.4 結(jié)論

通過在該閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)中對(duì)黃瓜育苗進(jìn)行試驗(yàn)后，可得出以下結(jié)論。

該閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)的研制，為黃瓜育苗提供了良好的育苗環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度、光照、營養(yǎng)液等因子的綜合調(diào)控，有利于黃瓜等蔬菜幼苗的生長(zhǎng)。

在該閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)中，通過對(duì)閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)中的不同光源進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，LED光源所育出的黃瓜幼苗下胚軸平均長(zhǎng)度為3.31 cm，處于《蔬菜栽培學(xué)》黃瓜栽培篇[6]所提出的“壯苗下胚軸長(zhǎng) 3～4 cm”，第一片真葉葉面積46.16 cm2，也比較接近所提出的“基部 1～2 片真葉面積均在50 cm2左右”的指標(biāo)，說明在其他條件相同的情況下，LED 光源（紅∶藍(lán)=100∶12）下更容易育出黃瓜壯苗。

綜上所述，閉鎖型工廠化育苗系統(tǒng)作為目前最為先進(jìn)的高效育苗生產(chǎn)系統(tǒng)，可為蔬菜作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，具有很好的推廣前景。

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[4]崔瑾，徐志剛，邸秀茹.LED在植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用和前景[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（8）：249-253.

[5]劉向輝，宋衛(wèi)堂，周立剛，等.循環(huán)營養(yǎng)液的物理消毒[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2004,20（5）：273-279.

[6]山東農(nóng)業(yè)大學(xué)主編.蔬菜栽培學(xué)各論.3版[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999：214.