草莓集裝箱植物工廠設(shè)計與應(yīng)用

周增產(chǎn)，趙 靜，胡福生，姚 濤，李忠明，王志冉

(1.北京市農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司，北京100096； 2.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京100094； 3.北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京100094； 4.北京市昌平區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京102200)

0 引言

集裝箱植物工廠是利用集裝箱，添加生產(chǎn)系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)的一種微型智能化植物工廠類型[1]。區(qū)別于普通植物工廠，集裝箱植物工廠具有移動性強、使用地域廣泛，以及可在遠洋貨輪、邊防哨所、高山海島、海軍艦艇周年持續(xù)和穩(wěn)定供給蔬果，實現(xiàn)小人群的鮮活蔬果自給需求[2]。草莓是營養(yǎng)豐富的保健水果，果實中含有的鞣花酸具有抗癌效果，其經(jīng)濟效益遠高于蔬果作物，是提高農(nóng)民經(jīng)濟收入的一種重要園藝作物[3]。然而其設(shè)施生產(chǎn)中的果實品質(zhì)一般較低，且無法進行周年生長，如何提高果實品質(zhì)達到周年生產(chǎn)以滿足消費者日益增長的品質(zhì)需求已成為生產(chǎn)中亟待解決的問題之一。為此，北京市農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司專門為草莓種植設(shè)計一套模塊化組合栽培設(shè)施，可供從事草莓種植的單位和個人根據(jù)自身需求對集裝箱植物工廠進行定制。該集裝箱植物工廠將草莓種植與集裝箱植物工廠相結(jié)合，達到草莓周年生產(chǎn)的效果，具有模塊組合靈活、移動方便等優(yōu)勢。同時，為了驗證該集裝箱植物工廠與草莓栽培的適應(yīng)性，進行草莓栽培試驗，以期為優(yōu)化改進草莓集裝箱植物工廠提供理論基礎(chǔ)。

1 總體設(shè)計方案

草莓集裝箱植物工廠，通過標(biāo)準(zhǔn)的40尺集裝箱高柜改造而成，配置補光系統(tǒng)、水肥系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)和自控系統(tǒng)等，如圖1所示。補光系統(tǒng)選用全光譜LED補光燈，為草莓生長提供光源。水肥系統(tǒng)由供水箱、回水箱、紫外線消毒器、肥料桶、肥料泵和一系列管道及管件組成，為作物提供水分和養(yǎng)分。栽培系統(tǒng)由栽培架、栽培槽和LED燈組成，為作物提供生長的載體?？照{(diào)系統(tǒng)由1臺5匹柜式空調(diào)、2個頂部通風(fēng)風(fēng)機、6個側(cè)通風(fēng)窗，以及靜壓箱、離心式風(fēng)機和送風(fēng)道組成。

2 關(guān)鍵部分設(shè)計

2.1人工光系統(tǒng)

光是植物生產(chǎn)發(fā)育的重要能量源和信息源，不同光受體吸收不同波長的光，不同波長的光對植物生長的作用也不相同，光質(zhì)配比作為光環(huán)境中的關(guān)鍵影響因子能通過光受體傳導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)植物的整個生命周期，影響植物各生長時期的發(fā)育狀況[4]。本文介紹的草莓集裝箱植物工廠選擇全光譜LED補光燈，增加了對植物光合作用起決定作用的450 nm和660 nm部分，如圖2所示，可提高光合作用效率。同時相比之前粉紅色的光源，又增加了綠光黃光部分，現(xiàn)在色溫為3 000 K，不會影響人眼的舒適度。

2.2栽培系統(tǒng)

栽培系統(tǒng)的栽培框架為定制焊接立柱，在栽培框架內(nèi)，為梯形PVC槽體，覆蓋基質(zhì)種植草莓，槽體底部具有邊緣孔，栽培槽下方有回水槽，對草莓供給的營養(yǎng)液流經(jīng)回水槽隨管道流入回液箱體。栽培架為4層結(jié)構(gòu)，每層布置20個栽培槽和20盞LED補光燈，如圖3所示。

2.3水肥一體化系統(tǒng)

水肥系統(tǒng)有紫外線消毒器，以保證供給作物的水是無菌的。水肥系統(tǒng)有供液箱和回液箱，放置于栽培架底部，如圖4所示。水肥系統(tǒng)包括共3個母液罐，分為A、B、C共3個小罐，每個母液罐直徑400 mm，體積50 L，立體擺放，在電子水表和電磁閥門的控制下流入營養(yǎng)液工作箱，營養(yǎng)液工作箱是貯存和供應(yīng)栽培箱營養(yǎng)液的容器，每個肥料單獨使用一臺肥料泵，以保證各種營養(yǎng)元素的均衡。模塊化電控裝置，功能齊全，定時標(biāo)準(zhǔn)，與水處理筒體采用一體化設(shè)計，具有安裝方便、操作簡單、安全可靠和便于維護的特點。

2.4空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能為植物提供相對可控制甚至最適宜的溫度、濕度等環(huán)境條件，使其一定程度上擺脫對自然環(huán)境的依賴[5]。該草莓集裝箱植物工廠采用立體送風(fēng)空調(diào)裝置，如圖5所示，可有效防止因空調(diào)送風(fēng)裝置布置問題影響作物生長，提高控溫效率，滿足草莓生長要求?？照{(diào)借助于風(fēng)道送風(fēng)，將空調(diào)風(fēng)送至栽培系統(tǒng)每一株草莓。

2.5環(huán)境控制系統(tǒng)

植物工廠內(nèi)的環(huán)境調(diào)控是保證植物生長最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到植物生長的品質(zhì)與產(chǎn)量[6]。因此，環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計主要從溫度、濕度、光照和CO2濃度等方面考慮。

環(huán)境控制系統(tǒng)位于配電箱內(nèi)，包括控制器、傳感器(包括溫度、濕度和CO2濃度)和觸摸屏，能夠精確地自動控制該生產(chǎn)裝置內(nèi)的溫度、濕度和CO2濃度等環(huán)境條件因子，為草莓的生長提供適宜的環(huán)境。還可以手動控制集裝箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，調(diào)整箱內(nèi)適宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境生產(chǎn)的參數(shù)。

3 試驗測試

為確定草莓集裝箱植物工廠的栽培環(huán)境穩(wěn)定性，對草莓定植后的集裝箱植物工廠進行光環(huán)境、溫濕度及送風(fēng)均勻性的試驗測試。測試點如圖6所示，將集裝箱內(nèi)分為4個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)設(shè)施4個測試點，分別從頂層到底層，記錄儀位于每個區(qū)域?qū)觾?nèi)中心位置，共計4×4=16。集裝箱內(nèi)共有6個出風(fēng)口，每個出風(fēng)口設(shè)置2個測試點，距離30 cm，高點為A，低點為B，集裝箱內(nèi)總計28個測試點監(jiān)控溫濕度變化情況。

3.1光環(huán)境測試

使用遠方光電手持式植物光照分析儀PLA-20對集裝箱植物工廠內(nèi)A區(qū)和C區(qū)進行光照強度測試，距離LED燈具的表面20 cm處分別設(shè)置測試點，測試結(jié)果如表1所示。

光照是影響草莓生長發(fā)育的關(guān)鍵因素，它不僅影響草莓的開花坐果等生物學(xué)特性，而且對草莓的營養(yǎng)物質(zhì)代謝、理化性質(zhì)等都具有十分重要的調(diào)控作用，因此，適宜的光照是影響草莓產(chǎn)量、品質(zhì)的關(guān)鍵因 素[7]。經(jīng)過測試草莓集裝箱光照環(huán)境可控，光照強度可達20 000 LUX，光合有效輻射400 mol(m·s-1)以上，可達到草莓生長需求，配合紫外光源，利于蜜蜂授粉[7]。

表1 光環(huán)境測試數(shù)據(jù)

3.2溫濕度測試

由圖7～8可知，明期內(nèi)垂直方向最大溫差2.7 ℃，最小溫差0.9 ℃，平均溫差1.8 ℃，平均溫度24.1 ℃；暗期內(nèi)高度方向最大溫差2.2 ℃，最小溫差1.1 ℃，平均溫差1.5 ℃，平均溫度17.0 ℃。明期內(nèi)水平方向最大溫差1.5 ℃，最小溫差0.5 ℃，平均溫差0.6 ℃，平均溫度24.5 ℃；暗期內(nèi)水平方向平均最大溫差1.2 ℃，最小溫差0 ℃，平均溫差0.1 ℃，平均溫度17.4 ℃。綜合數(shù)據(jù)分析，明期平均溫度(25±1)℃，暗期平均溫度(17±1)℃，符合溫度17～25 ℃設(shè)定值。

由圖9～10可知，明期內(nèi)高度方向最大濕度82.9%，最小濕度61.7%，平均濕度70.9%，平均濕度差1.9%；暗期內(nèi)高度方向最大濕度80.8%，最小濕度60.7%，平均濕度74.5%，平均濕度差3.4%；高度方向總平均濕度72.7%。明期內(nèi)水平方向最大濕度83.9%，最小濕度62.9%，平均濕度71.7%，平均濕度差0.6%；暗期內(nèi)水平方向最大濕度81.6%，最小濕度67.4%，平均濕度77.8%，平均濕度差0.1%，水平方向總平均濕度74.7%。綜合數(shù)據(jù)分析，明期平均濕度70%±5%，暗期平均濕度75%±5%，符合濕度70%～85%設(shè)定值。

3.3風(fēng)速測試

使用衡欣風(fēng)速測量儀AZ8901對集裝箱植物工廠內(nèi)的出風(fēng)口進行定點測試，如圖11所示。根據(jù)測試結(jié)果，A點平均風(fēng)速3.1 ms，B點平均風(fēng)速2.5 ms，均勻性良好。

3.4草莓品質(zhì)檢測

草莓為薔薇科、草莓屬(Fragaria)小果樹，自然界中的草莓目前已知的有20多個種，目前市場上常見草莓品種有日本品種，歐美品種及中國品種，日本草莓保持著世界最高水準(zhǔn)，在糖度和口感方面接近最高水平[8-9]。其中甜味取決于可溶性固形物(SSC)的含量，主要是蔗糖、葡萄糖和果糖，香味主要取決于醇、酯、醛、酮及呋喃酮，這些物質(zhì)在草莓果實中的含量共同決定草莓的感官品質(zhì)，草莓集裝箱種植的是日本品種章姬[10]。

草莓采收開始后，分批次取樣，采用隨機取樣法，共取樣1KG鮮果，進行草莓品質(zhì)檢測，送至北京中科光析化工技術(shù)研究院進行測定，檢測內(nèi)容包括總糖、總糖酸比、無機砷、總汞、氯氰菊酯、多菌靈和可溶性固形物，測試結(jié)果取3次平均值，結(jié)果如圖12所示。

草莓集裝箱植物工廠種植的草莓，總糖5.32%，總糖酸比1.77，未檢出無機砷、汞、氯氰菊酯和多菌靈。可溶性固形物含量12%，所生產(chǎn)草莓綠色安全，具有高品質(zhì)。

4 結(jié)論

(1)草莓集裝箱植物工廠的設(shè)計方案合理。

(2)內(nèi)部的溫度、濕度、光照和風(fēng)速等參數(shù)都能夠滿足草莓生長所需的環(huán)境條件，系統(tǒng)配置科學(xué)，光能利用率高，種植系統(tǒng)安裝便捷，可提高資源利用效率，達到草莓的連年生產(chǎn)需求。

(3)經(jīng)過檢測所生產(chǎn)草莓綠色安全，具有高品質(zhì)。

(4)下一步計劃對目前的草莓集裝植物工廠進行智能升級，主要進行空調(diào)換氣系統(tǒng)的再升級，打造全智能移動式高附加值草莓集裝箱植物工廠，加強市場推廣力度，全面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。