家用微型植物工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計與生菜栽培試驗

魏軼凡，毛罕平，左志宇，蘇光燦，卓敏敏

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受制于自然環(huán)境變化，自然環(huán)境變化無常，不適的溫濕度、光照等因素極易降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)，影響農(nóng)作物連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)[1-2]。植物工廠是繼承溫室栽培優(yōu)勢，發(fā)展出來的新一代高度專業(yè)化、現(xiàn)代化的設(shè)施農(nóng)業(yè)，與溫室生產(chǎn)不同之處在于，完全擺脫傳統(tǒng)生產(chǎn)條件下自然條件和氣候的制約，且應(yīng)用了先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，創(chuàng)造了精確可控的環(huán)境條件、實現(xiàn)了周年均衡供應(yīng)產(chǎn)品[3-4]。

微型植物工廠是小型化的植物工廠，通過智能控制系統(tǒng)為作物營造一個適合的生長環(huán)境[5]。由于人們需要在有限的空間內(nèi)栽培不同的蔬果，所以對家庭植物工廠的結(jié)構(gòu)分區(qū)、營養(yǎng)液系統(tǒng)和溫濕度等環(huán)境調(diào)控提出了更高的要求[6-7]。國內(nèi)家用的微型植物工廠在近幾年才剛剛發(fā)展起來，近期已有一些廠商制造出成品，但設(shè)備在效率及經(jīng)濟(jì)性能方面仍存在很多問題[8]，未形成產(chǎn)品得到推廣[9-10]。

本微型植物工廠面對的用戶群體是家庭成員，所以設(shè)計必須以簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠、高效為原則，以此為要求設(shè)計一個適合植物生長的人工環(huán)境，讓作物健康高效成長。

1 微型植物工廠功能分析與總體方案

1.1 功能分析

植物工廠最根本的任務(wù)是栽培作物，保質(zhì)保量地生產(chǎn)出新鮮的作物，所以需要依據(jù)微型植物工廠栽培植物的要求，設(shè)計節(jié)省空間及能源且適合植物生長的栽培系統(tǒng)。

合理的營養(yǎng)供給功能是植物高效生長的基礎(chǔ)。為了提高營養(yǎng)液利用效率，要實現(xiàn)營養(yǎng)液循環(huán)功能，需要附帶營養(yǎng)液過濾消毒功能。

節(jié)能高效的環(huán)境控制功能是作物最適生長的關(guān)鍵，設(shè)計為有良好絕緣功能的密閉空間利于降低生產(chǎn)能耗，但不利于作物吸收CO2進(jìn)行光合作用。所以，微型植物工廠需要有空氣循環(huán)系統(tǒng)讓作物能夠接觸到足量的CO2：一是要有使內(nèi)部空氣運(yùn)動起來的內(nèi)部循環(huán)功能；二是要有補(bǔ)充新鮮空氣的功能。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

本課題以研制出經(jīng)濟(jì)高效的微型植物生長環(huán)境為目標(biāo)，以栽培系統(tǒng)為核心，整體設(shè)計微型植物工廠，且需要適用于家庭環(huán)境下使用；定型為一種采用立體式栽培的密閉柜式微型植物工廠，尺寸近似家用對開門冰箱。

該微型植物工廠的整體外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。其最外層為絕熱保溫材料，將保溫層用金屬材料包裹起來形成整體框架外殼，再嵌入保溫內(nèi)膽以增強(qiáng)保溫性能和溫度變化適應(yīng)性。設(shè)置上部有一個腔體，腔體下面安裝壓縮機(jī)，側(cè)壁鋪設(shè)管路，安裝風(fēng)扇、泵、閥、加熱板及消毒裝置等配套部件，組裝成整機(jī)。

將腔體進(jìn)行功能性分割，分為一個主腔室和一個副腔室。主腔室為栽培區(qū)，使用栽培架栽培作物，用于栽培從定植到收獲的植株。將栽培區(qū)分成3層形成立體式栽培，每層都帶有各自的人工光源LED、風(fēng)扇及栽培架等栽培裝置。

1.栽培區(qū) 2.栽培架 3.LED 4.營養(yǎng)液箱 5.育苗盤 6.育苗區(qū) 7.噴頭 8.育苗燈圖1 微型植物工廠的整體外形Fig.1 The overall structure of the micro plant factory

本設(shè)計希望能夠研究作物整個生命周期在微型植物工廠內(nèi)生長的狀況，又可以讓家庭用戶享受培育作物整個生長過程的樂趣，所以增加了育苗功能，獨(dú)樹一幟地加入了育苗區(qū)，能持續(xù)提供菜苗。主腔室下方是副腔室，安置營養(yǎng)液箱和育苗區(qū)，育苗區(qū)使用育苗盤育苗，由霧化噴頭補(bǔ)充營養(yǎng)與水分，帶有補(bǔ)光燈提供光照。營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)及環(huán)境控制各種配套設(shè)備安裝在主腔室兩側(cè)與保溫殼體的夾層內(nèi)。

目前已制成的樣機(jī)(見圖2)，有內(nèi)部容積為450L和650L兩種，內(nèi)部各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相類似，450L設(shè)計可栽培45株植株(3層×3行×5列)，650L設(shè)計可栽培63株植株(3層×3行×7列)。兩種樣機(jī)除內(nèi)部空間大小及配套設(shè)備功率大小不同以外，基本一樣，所以現(xiàn)以450L樣機(jī)為例，介紹本微型植物工廠機(jī)械結(jié)構(gòu)及其配套設(shè)備設(shè)計。

圖2 微型植物工廠樣機(jī)實物Fig.2 Prototype of mini plant factory

微型植物工廠外形尺寸如圖3所示。其中，450L樣機(jī)外部尺寸為890mm×485mm×1 670mm，內(nèi)腔尺寸為800mm×399mm×1 300mm，上部腔體作為微型植物工廠主體，包括作物生長區(qū)域及其配套設(shè)備，底部空間用于放置壓縮機(jī)及控制裝置。

圖3 微型植物工廠的整體尺寸Fig.3 The overall size of the micro plant factory

2 關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 栽培系統(tǒng)

本微型植物工廠要符合家用的要求，需適合各層次家庭成員使用，所以應(yīng)選擇簡單可靠的栽培方式。水培省去了使用基質(zhì)內(nèi)容，且更新也比較方便，所以是微型植物工廠栽培方式的首選項。水培技術(shù)根據(jù)營養(yǎng)液液層的深淺不同又可以分為深液流水培技術(shù)(Deep Flow Technique，DFT)和營養(yǎng)液膜技術(shù)(Nutrient Film Technique，NFT)。

在微型植物工廠中，考慮到盡可能節(jié)省空間的原則，可以采用營養(yǎng)液膜技術(shù)，通過減少栽培架中營養(yǎng)液縮小栽培架體積。但是，NFT技術(shù)是需要全天24h不間斷循環(huán)營養(yǎng)液的，而家用情況下水泵運(yùn)行會帶來噪音影響用戶生活，也存在能耗高及使用壽命短的缺點(diǎn)；而使用DFT可以減少配套設(shè)備動作，且保持作物根際環(huán)境相對穩(wěn)定，只要合理控制液層高度就可以使作物穩(wěn)定高效生長，所以采用DFT栽植作物。

根據(jù)作物生長需求設(shè)計層高，每層的層高設(shè)計如圖4所示。整個空間由蓋板分隔，上部主要是植物莖葉生長區(qū)域，下部主要是植物根莖生長區(qū)域。上部區(qū)域自上而下最上面20mm是安裝LED燈管所需高度，包括燈管支架及線路。燈管下面是作物莖葉生長所需的空間，預(yù)留植株生長距離200mm，能基本滿足大部分葉菜的短縮莖上部的生長高度。為了防止植株葉片過于靠近LED燈管光源產(chǎn)生燒葉，也便于空氣流動，需要在燈管與植株最高高度之間留出50mm的距離。再往下就是栽培架水槽蓋板厚5mm。

圖4 栽培區(qū)單層設(shè)計Fig.4 The design of the single layer

蓋板下部是水槽，模擬了自然界中植物地下的生長空間，包括根須和營養(yǎng)物質(zhì)營養(yǎng)液。根須會根據(jù)營養(yǎng)的來源方向生長，而且可以盤結(jié)，所以根莖高度不用著重考慮，留有足夠大小的定植杯即可；但需要營養(yǎng)液提供足夠的水分和營養(yǎng)，所以要精確控制其高度。為保證根系能充分接觸營養(yǎng)液，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，作物剛定植時應(yīng)保持營養(yǎng)液液面浸沒根須10～20mm；當(dāng)根系大量伸出定植杯時，可以將液面高度調(diào)低；當(dāng)植株很大，根系非常發(fā)達(dá)時，只需確保水槽中保持30～40mm的液層即可?？紤]到本設(shè)計定植杯內(nèi)還有海綿支撐，其實是海綿決定了根須與營養(yǎng)液的距離，液面高度可以調(diào)節(jié)的余量為20mm，定植杯設(shè)計高度約55mm，再加上水槽底厚度5mm，所以設(shè)計水槽加蓋板總高為90mm。最終設(shè)計該微型植物工廠每個栽培層高度約為360mm。

主腔室最下面一層設(shè)置了育苗區(qū)和營養(yǎng)液箱，營養(yǎng)液箱的大小可以改變長寬高任意一個量，而育苗區(qū)高度不能過小，否則不足以植物有種子生長至壯苗。所以，需設(shè)計育苗區(qū)高度，本微型植物工廠設(shè)計使用標(biāo)準(zhǔn)育苗盤育苗，預(yù)估幼苗的生長高度100mm，還有霧化噴頭，管線和育苗補(bǔ)光燈，育苗區(qū)層高約220mm。

2.2 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的DFT中，栽培作物的根系是長時間浸泡在營養(yǎng)液中的，一般幾天到1周才會更換一次營養(yǎng)液，會使?fàn)I養(yǎng)液溶氧量降低，作物根部缺氧。根部呼吸作用受到抑制，導(dǎo)致爛根的發(fā)生，所以需要安裝氣泵通入栽培架水槽的營養(yǎng)液中，通過鼓入空氣防止?fàn)I養(yǎng)液氧氣含量過低，避免爛根。而在微型植物工廠中營養(yǎng)液較少，可以通過定時循環(huán)營養(yǎng)液來解決，在栽培架兩側(cè)安裝電磁閥，通過控制器控制閥體的開閉來控制營養(yǎng)液排空時間，使植株根系可以脫離營養(yǎng)液，暴露在空氣中一段時間吸收氧氣。這樣植株既可以吸收營養(yǎng)液中的營養(yǎng)，又可以避免爛根。

圖5為營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圍繞著3層立體栽培區(qū)，營養(yǎng)液循環(huán)區(qū)位于栽培區(qū)下部與栽培架的左右側(cè)區(qū)域，兩側(cè)為循環(huán)管線及控制部件，下部有儲液箱、水泵和質(zhì)量保障設(shè)備。將配制好的營養(yǎng)液加入栽培區(qū)下部的營養(yǎng)液箱中，當(dāng)作物需要營養(yǎng)液時，營養(yǎng)液水泵工作，營養(yǎng)液箱中的營養(yǎng)液由經(jīng)進(jìn)流管線和電磁閥進(jìn)入栽培架水槽，達(dá)到一定體積后停止；停滯一定時間讓作物吸收足夠的營養(yǎng)后，打開另一側(cè)電磁閥， 回流的營養(yǎng)液由回流管線先流經(jīng)過濾器，再流經(jīng)消毒器，最后回到營養(yǎng)液箱。過濾后的營養(yǎng)液更為清澈，更適合紫外線消毒。營養(yǎng)液從消毒器的一端流進(jìn)，流經(jīng)內(nèi)部的石英管道，石英的紫外線透射率達(dá)到90%以上，經(jīng)受紫外線的照射消毒，再從另一端流出。外部再用金屬包裹，保證紫外線不會漏出，完成安全消毒。

1.電磁閥 2.栽培架 3.進(jìn)流管線 4.營養(yǎng)液箱 5.出流管線 6.無壓電磁閥 7.出流口 8.溢流口圖5 營養(yǎng)液循環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.5 Nutrition circulation system

為了避免營養(yǎng)液從外界不同環(huán)境溫度下進(jìn)入影響內(nèi)部溫度，選擇將營養(yǎng)液箱安裝在主腔室內(nèi)，保持與內(nèi)部溫度同步。

為方便家庭用戶操作，營養(yǎng)液更新設(shè)計為定期整體更換，步驟為先由水泵抽干儲液箱內(nèi)的營養(yǎng)液，然后項箱內(nèi)加入足量的水，最后加入按植物所需營養(yǎng)成分配比好的粉末狀藥品，溶于水?dāng)嚢杈鶆蚣纯?。營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)周期、循環(huán)量、使用期限等參數(shù)針對各種作物的不停需求分別定制，儲存在存儲器中隨時調(diào)用。本微型植物工廠還設(shè)計有網(wǎng)絡(luò)接入功能，可與互聯(lián)網(wǎng)連接隨時下載和更新數(shù)據(jù)。

2.3 空氣循環(huán)系統(tǒng)

為防止CO2氣體被吸收會局部濃度降低，溫濕度控制設(shè)備和消毒效果也會降低。在栽培區(qū)的側(cè)壁上每層安裝循環(huán)風(fēng)機(jī)，且開有出風(fēng)口。風(fēng)機(jī)由控制器控制，定時開啟，攪動空氣。每層風(fēng)機(jī)安裝宜使內(nèi)部氣流平行于植物栽培行的方向，減小植物對通風(fēng)氣流的阻力。風(fēng)機(jī)和出風(fēng)口在水平方向上，采用偏心放置，有益于形成環(huán)流。為了盡量減少風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流直接作用于植物，防止風(fēng)壓過強(qiáng)致使作物倒伏，風(fēng)機(jī)選擇安裝在栽培行之間的位置，氣流流向如圖6所示。垂直方向上的位置位于LED燈管下方，到作物的生長最高處位置。

1. 定植位 2.氣流 3.循環(huán)風(fēng)機(jī) 4.氣流出口圖6 單層空氣流動Fig.6 Single layer air flow

除了內(nèi)部空氣循環(huán)，還需要補(bǔ)充新鮮空氣。在栽培區(qū)上方安裝進(jìn)氣泵，與外界聯(lián)通，從外界吸取CO2氣體，下部裝有另一個排氣泵，用于排出氣體，如圖7所示。

1.進(jìn)氣泵 2.紫外線消毒燈 3-5.風(fēng)扇 6.風(fēng)向 7.出氣泵圖7 內(nèi)部空氣循環(huán)Fig.7 Internal air circulation

工作時，兩只氣泵由控制器控制定時同時打開，使整個內(nèi)部空間與外界形成一個空氣循環(huán)，達(dá)到吸入新鮮空氣補(bǔ)充CO2的目的。

這種設(shè)計方便快捷，但要考慮到的是，外部空氣進(jìn)入內(nèi)部環(huán)境的同時也有可能帶入病菌蟲卵等有害作物生長的物質(zhì)，雖然氣泵帶有空氣過濾功能，但還是不能過濾掉細(xì)菌。所以，本設(shè)計在進(jìn)風(fēng)口位置安裝了紫外線消毒燈管，新風(fēng)進(jìn)入內(nèi)部空間前先經(jīng)過紫外線的照射殺菌消毒。將紫外線燈管放置在此處還有一個用處在于，燈管也靠近循環(huán)風(fēng)機(jī)，在內(nèi)部循環(huán)過程中也能起殺菌消毒的作用。

2.4 溫濕度控制系統(tǒng)

設(shè)微型植物工廠的溫度由壓縮機(jī)和電加熱板控制，壓縮機(jī)制冷降溫，電加熱板升溫。本設(shè)計將加熱板安裝于空氣循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)風(fēng)機(jī)附近，設(shè)定控制器控制加熱板與風(fēng)扇同時打開，當(dāng)加熱板工作加熱了周圍空氣時，循環(huán)風(fēng)機(jī)同時在攪動空氣，便于將熱量通過空氣循環(huán)系統(tǒng)傳遞到微型植物工廠各個區(qū)域，既有利于整個微型植物工廠內(nèi)部環(huán)境的溫度保持均勻，也在一定程度上防止了局部過熱損壞設(shè)備，提高了設(shè)備的安全性。

水培環(huán)境下一般栽培作物時濕度不會偏小，必要時可使用育苗區(qū)域的噴頭噴淋加濕。冬季采用適當(dāng)加溫來降低室內(nèi)相對濕度，夏季則需要靠通風(fēng)和壓縮機(jī)來除濕。壓縮機(jī)的除濕原理是空氣中的水氣遇到蒸發(fā)器的低溫就會附著在上面凝結(jié)成露水，再經(jīng)過集水盤和管道排出室外。

3 栽培試驗

3.1 試驗材料與方法

本試驗使用設(shè)計的樣機(jī)進(jìn)行生菜栽培試驗，測試樣機(jī)實際使用性能。

試驗設(shè)備使用課題組自行設(shè)計的微型植物工廠，容積450L；每層安裝3只山東貴翔光電有限公司生產(chǎn)的WAN- T8120型LED燈管，90～260V交流供電，功率為15W，產(chǎn)品標(biāo)稱輸出波長藍(lán)光為460～465nm，紅光為660～665nm。生菜品種選用意大利耐抽苔生菜，營養(yǎng)液配方采用霍格蘭配方。

將生菜種子用濕紗布包裹后催芽24h，然后播種于標(biāo)準(zhǔn)72孔穴盤中。育苗基質(zhì)的配比為草炭∶蛭石∶珍珠巖比例為3∶1∶1，長至4葉1心時移植進(jìn)栽培架。

設(shè)定參數(shù)營養(yǎng)液循環(huán)周期為4h，其中3h為浸泡時間，1h為空置時間，7天整體更換。循環(huán)風(fēng)機(jī)每小時工作10min，氣泵每2h工作10min。光周期為12h明，12h暗。光照時溫度為25℃無光照溫度為20℃。

生長過程形態(tài)數(shù)據(jù)：測量生菜葉片長度(葉片基部至葉尖的長度)和葉片寬度(葉片最寬處的長度)，記錄葉片數(shù)(真葉長度>2 cm )，將每株生菜控水3min后測量鮮重。

生長期生理數(shù)據(jù)：由Li-6400便攜式光合速率儀 (Li-COR Inc.，Lincoln，NE)測得，包括凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及蒸騰速率。葉綠素含量采用SPAD-502葉綠素儀進(jìn)行測定。試驗環(huán)境如圖8所示。

圖8 微型植物工廠栽培環(huán)境Fig.8 Micro-plant factory cultivation environment

3.2 試驗結(jié)果與分析

在微型植物工廠定植后，每隔兩日測量記錄生菜葉片形態(tài)數(shù)據(jù)。從每層栽培架中隨機(jī)選取3株生菜作為測量對象，測量其最大葉片的葉長葉寬和葉片數(shù)并取平均值，以表征生菜在整個生長過程中的形態(tài)變化。其數(shù)據(jù)如圖9和圖10所示。

圖9 生菜葉長葉寬隨定植天數(shù)的變化Fig.9 Changes of the length and width of leaves with the number of colonization days

圖10 生菜葉片數(shù)隨定植天數(shù)的變化Fig.10 Changes of the leaf number with the number of colonization days

同樣，每隔兩日從總體樣本中每層隨機(jī)選取3株為測量對象，測量植株的鮮質(zhì)量。將數(shù)據(jù)匯總?cè)∑骄?，以表征生菜在整個生長過程中每隔兩日產(chǎn)量的變化。其數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 生菜鮮重隨定植天數(shù)的變化Fig.11 Changes of the fresh weigh with the number of colonization days

為了了解樣機(jī)試驗過程中植物的生理狀況，在作物定植后第14、21、28日，在每層栽培架中隨機(jī)選擇3株生菜作為測量對象，測量其光合作用各項指標(biāo)及葉片葉綠素含量(SPAD)，為減小誤差每次重復(fù)6次取平均值，測量每棵測量植株最大兩片葉片的葉尖部位。測得數(shù)據(jù)取均值，結(jié)果如表1所示。

表1 生長狀況數(shù)據(jù)測量Table 1 Data measurement results about growth

4 結(jié)論

試驗結(jié)果表明：本試驗生菜的整個生長過程中，各項形態(tài)指標(biāo)持續(xù)增長，葉長葉寬呈現(xiàn)增長速率先增大后減小的變化，最終達(dá)到葉長13.81cm，葉寬達(dá)到10.82cm，葉片數(shù)穩(wěn)步上漲達(dá)到15.03片。

生菜的鮮重在整個生長過程中的變化與葉長葉寬變化類似，前期生長緩慢，中期加速增長，后期增速放緩。最終鮮重79.13g，栽培期28天，已基本達(dá)到植物工廠蔬菜生產(chǎn)的優(yōu)秀水平。

由生長期中光合作用與SPAD的測量，從定植后14-28日，平均凈光合作用速率15.67μmol/m2s，氣孔導(dǎo)度0.51μmol/m2s，胞間CO2濃度221.54mol/mol，蒸騰速率6.45mol/m2s，SPAD為22.87。各項指標(biāo)證明生菜光合作用達(dá)到適宜水平，說明本設(shè)計的微型植物工廠環(huán)境下，光照、CO2和養(yǎng)分供應(yīng)充足，適合生菜生長。