周博士考察拾零（一百二十八）一種疊層式人工補光葉菜生產(chǎn)栽培架

周長吉（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125）

2021年10月17日，參加了中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會設(shè)施園藝工程專業(yè)委員會在海南省?？谑信e辦的“2021中國設(shè)施園藝學(xué)術(shù)年會”后，利用返京登機前的半天時間筆者參觀了距離美蘭國際機場直線距離不足10 km的?？诠鹆盅髧覠釒мr(nóng)業(yè)公園。該公園由海南農(nóng)墾投資建設(shè)，規(guī)劃占地面積770 hm2，建設(shè)內(nèi)容包括國家級熱帶農(nóng)業(yè)示范區(qū)、熱帶農(nóng)業(yè)休閑旅游體驗區(qū)、農(nóng)墾改革試驗區(qū)和熱帶農(nóng)業(yè)國際合作中心等“三區(qū)一中心”。一期工程農(nóng)業(yè)夢工廠、生態(tài)熱帶新果園、美麗鄉(xiāng)村高山村、共享菜園和共享農(nóng)莊等項目于2018年2月8日正式對外開放。

由于經(jīng)營主體的轉(zhuǎn)移和交接工作尚未完成以及2020年以來新冠疫情的影響，公園當(dāng)前不對外開放，內(nèi)部的種植大多也處于撂荒狀態(tài)。由于我的興趣不在種植什么品種，而在種植的設(shè)施，所以我還是堅持想去看看，一是在疫情下來一趟海南實屬不易；二是該公園內(nèi)的溫室設(shè)施可能代表了當(dāng)今海南設(shè)施的“最高水平”，經(jīng)過北京泓稷農(nóng)牧科技有限公司經(jīng)理李磊先生的多次聯(lián)系，公園經(jīng)理同意了筆者參觀請求，并全程陪同給我們做了介紹。

進入農(nóng)業(yè)夢工廠的游客中心（圖1），穿過大廳，筆者便看到了建設(shè)豪華的現(xiàn)代化玻璃溫室。說“豪華”，不僅表現(xiàn)在溫室的透光圍護材料為玻璃（外觀整潔、美觀），而且更表現(xiàn)在對溫室的環(huán)境控制上。由于?？谂彑釒夂騾^(qū)，常年高溫高濕，溫室建設(shè)除了配套傳統(tǒng)的采光圍護結(jié)構(gòu)外，還必須配套可靠的遮陽降溫設(shè)備。傳統(tǒng)的風(fēng)機濕簾降溫系統(tǒng)由于室外空氣濕度較高，降溫效果有限，因此，本項目溫室采用了空調(diào)制冷的降溫措施。此外，由于當(dāng)?shù)孛磕甓加信_風(fēng)登陸，外遮陽系統(tǒng)由于顯著降低溫室結(jié)構(gòu)的整體抗風(fēng)能力，所以溫室遮陽系統(tǒng)用內(nèi)遮陽替代了傳統(tǒng)的外遮陽（圖2）。

圖1 ?？诠鹆盅髧覠釒мr(nóng)業(yè)公園“農(nóng)業(yè)夢工廠”游客中心大門

圖2 立體種植區(qū)溫室的環(huán)境調(diào)控及栽培架布置

“農(nóng)業(yè)夢工廠”建筑總面積達7.6 hm2，分為育苗區(qū)、盆栽區(qū)、果蔬區(qū)等不同功能區(qū)。我們走進的第一站便是葉菜立體種植生產(chǎn)展示區(qū)（圖2c）。關(guān)于蔬菜生產(chǎn)的各種立體種植模式筆者在山東壽光的菜博會上以及其他場合也多有目睹，但這里的立體種植架似乎完全是植物工廠中的結(jié)構(gòu)形式，采用多層疊式、人工補光、營養(yǎng)液種植模式。下面筆者詳細(xì)介紹一下這種栽培架的結(jié)構(gòu)及其設(shè)備配置。

栽培架結(jié)構(gòu)

栽培架單體寬約1500 mm，高2500 mm，由5層種植層組成，每層高度約600 mm（圖3）。栽培架的橫梁和立柱均采用了多孔組合桿，立柱固定在圓形獨立鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，橫梁通過組合連接件與立柱相連，形成栽培架的整體承力體系。每層種植層用沿栽培架的長度方向布置的圓管支撐。種植層為凹形盤，盤底用塑料薄膜做防水，盤內(nèi)放置營養(yǎng)液和種植盤，營養(yǎng)液從沿栽培架長度方向的一端供給，另一端排出。

圖3 立體種植架結(jié)構(gòu)

栽培架的最上層種植層作物生長采用自然光照，其他4層種植層均采用LED人工光照補光。栽培架上各種植層上種植盤采用發(fā)泡聚苯乙烯穴盤，在其上的作物定植和收獲均采用人工作業(yè)方式。

營養(yǎng)液供排系統(tǒng)

栽培架的營養(yǎng)液供排系統(tǒng)采用栽培架一端供液，另一端排液的設(shè)計方案（圖4）。每個栽培架的供液主管從地下總供液管上引出（圖4a），到達每個種植層后分出支管（圖4b），支管上供液控制采用閥門手動控制，從支管水嘴流出的營養(yǎng)液直接進入栽培托盤內(nèi)。

栽培托盤從營養(yǎng)液進入側(cè)向排出側(cè)不找坡，但在營養(yǎng)液的排出口有坡降（圖4c）。進入栽培托盤的營養(yǎng)液從栽培架的進液端流向回液端，在流動的過程中向種植在定植盤內(nèi)的作物輸送養(yǎng)分。

每個種植層的營養(yǎng)液通過各層的排液管將經(jīng)過作物吸收的營養(yǎng)殘液集中回收到回液主管中（圖4d），再統(tǒng)一回流到營養(yǎng)液處理池，通過消毒后與新的營養(yǎng)液按一定比例混合后作為新的營養(yǎng)液重新回流到作物種植盤內(nèi)，實現(xiàn)營養(yǎng)液的循環(huán)使用。營養(yǎng)液在種植托盤內(nèi)的滯留時間視種植作物的生長階段、種植季節(jié)等因素確定。為節(jié)約運行成本，營養(yǎng)液的循環(huán)可以是斷續(xù)的，即在一定時間段內(nèi)營養(yǎng)液循環(huán)一次。

圖4 營養(yǎng)液供排系統(tǒng)

補光與通風(fēng)系統(tǒng)

栽培架除最上層可以充分利用自然光之外，其他各層由于采用了疊捰的結(jié)構(gòu)基本接受不到從種植層上方照射的自然光，從兩側(cè)側(cè)面照射的自然光不僅光照強度不足而且光照均勻度很差，難以滿足作物生產(chǎn)所需要的光照條件。為此，本設(shè)計采用了植物工廠中使用的LED補光燈，沿栽培托盤的底面整體布置，形成每層作物獨立的補光系統(tǒng)（圖5）。LED的光配方也基本按照植物工廠中作物生長的光照條件進行配置。

溫室生產(chǎn)所在地由于地處熱區(qū)，雖然有統(tǒng)一的中央空調(diào)進行溫室整體降溫，但由于每個栽培層空間受高度所限，再加上補光燈的發(fā)熱，使栽培層內(nèi)的熱量難以排出，由此可能會造成作物冠層內(nèi)的高溫以及CO2供應(yīng)不足。為此，設(shè)計在每個栽培層的兩側(cè)安裝了微型風(fēng)扇（圖5b），兩側(cè)風(fēng)扇對吹，形成栽培層內(nèi)一定的風(fēng)速，從而將層間熱量排出并引進栽培架外的冷涼和新鮮空氣，為作物生長創(chuàng)造良好的生長環(huán)境。

圖5 種植架每層補光與通風(fēng)系統(tǒng)

種植床與種植盤

作物的種植盤采用發(fā)泡聚苯乙烯材料制作，種植盤上按照作物定植的株行距開設(shè)種植孔，種植作物的根系通過種植孔深入到托盤的營養(yǎng)液中。為了避免作物根系受壓，在種植盤的下表面設(shè)計了支撐肋（圖6a），當(dāng)托盤內(nèi)的營養(yǎng)液液位較高時，在浮力的作用下可將種植盤漂浮在營養(yǎng)液液面上，使作物的根系在營養(yǎng)液中處于完全的自由漂浮狀態(tài)，當(dāng)托盤內(nèi)的營養(yǎng)液液位下降后，種植盤底部的支撐肋將直接支撐在托盤底板上，將作物根系緩存在托盤底部相鄰兩支撐肋之間的空間內(nèi)，從而有效避免了作物根系受壓，種植床整體結(jié)構(gòu)見圖6b。

圖6 種植盤與種植床結(jié)構(gòu)

栽培架綜合性能評價

綜合分析立體栽培架的優(yōu)缺點，可以看出其優(yōu)點突出，但缺點也很明顯。

栽培架優(yōu)點

提高溫室地面利用率

本栽培架共有5層栽培床面，栽培床面面積與地面面積的比值可達到3.0左右。傳統(tǒng)的平面栽培固定栽培床的地面利用率約在60%，而采用活動苗床時可以達到75%左右，采用完全自動化移動苗床栽培時，溫室的地面利用率可以達到90%以上。由此可見，采用空間立體栽培架后，與傳統(tǒng)的平面栽培相比，溫室的地面利用率提高了3～5倍。

提高溫室空間的能量利用率

溫室是一個相對封閉的空間，不論在平面方向還是在垂直方向，整個空間內(nèi)的溫濕度環(huán)境都非常適合作物生長。傳統(tǒng)的平面栽培模式，作物生長只利用了溫室靠近地面層的溫光環(huán)境（一些溫室內(nèi)采用吊掛栽培也能利用一部分空間資源），而大量浪費了溫室的空間及其濕熱環(huán)境資源。采用立體栽培架進行作物生產(chǎn)可充分利用溫室在垂直方向的溫濕度環(huán)境，從而有效開發(fā)利用了即有資源，作物單位生產(chǎn)面積的能源消耗將會大大減少。

科技展示效果明顯

立體栽培采用LED補光，不僅向人們展示了現(xiàn)代溫室的種植技術(shù)，而且還展示了植物工廠的科技水平，尤其是采用不同光配方生產(chǎn)不同作物以及采用優(yōu)化光配方生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蔬菜的技術(shù)給人們展示了用人工光替代太陽光的科技潛力，使這種技術(shù)不僅能用于作物生產(chǎn)，更可用于廣大群眾和中小學(xué)生的科普教育，是集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與觀光旅游、科普教育等一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與二三產(chǎn)業(yè)結(jié)合的有效載體。

存在問題

運行補光能耗高

傳統(tǒng)的溫室作物栽培只所以采用單層種植主要原因就是要充分利用自然光照而避免采用人工光照。本項目雖然用能耗很低的LED燈替代了傳統(tǒng)溫室補光所用的高壓鈉燈，使作物單位面積的能耗大大降低，但由于作物光合作用必須要保證足夠的光照強度和光照時間，因此，即使采用低能耗的LED燈補光，作物光照的總能耗仍然很高，與傳統(tǒng)的自然光照溫室內(nèi)生產(chǎn)作物相比，產(chǎn)品的成本將顯著升高。在這種條件下，單純依靠作物生產(chǎn)實現(xiàn)盈利難度很大。

設(shè)備投資高

栽培架及其配套的補光、定植以及營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)是該種植模式中除溫室及其環(huán)境控制系統(tǒng)之外的主要投資設(shè)備。傳統(tǒng)的地面土壤栽培完全沒有栽培架的需求，而單層的栽培架生產(chǎn)方式，栽培架的造價也遠低于立體栽培架。除了栽培架自身的設(shè)備投資外，系統(tǒng)運行尚需要配套供電的動力設(shè)備以及供電外線，這部分隱形的投資在溫室建設(shè)中占有很大比例，是溫室設(shè)備折舊的重要組成部分。由于設(shè)備投資高，相應(yīng)設(shè)備折舊費也就高，攤銷到單位產(chǎn)品的成本中，自然也就抬高了種植產(chǎn)品的銷售價格，如果產(chǎn)品不能實現(xiàn)高價銷售，生產(chǎn)經(jīng)營中的虧損將不可避免。

作業(yè)管理不方便

由于沒有配套作業(yè)機具，所有的作業(yè)都需要人工完成，尤其是搬運種植盤和進行蔬菜定植、收獲等作業(yè)時，一是相鄰兩個栽培架之間的操作走道空間較小，人員作業(yè)和交通不便，二是沿栽培架高度方向作業(yè)時由于沒有升降車，垂直運輸?shù)淖鳂I(yè)勞動強度很大，由此造成作物生產(chǎn)過程中的作業(yè)很不方便。建議在今后的設(shè)計中，一是應(yīng)配置升降作業(yè)車，二是有可能的話配套自動化運輸車，以便盡量減少人工作業(yè)，提高生產(chǎn)管理效率。