一體化“潮汐式”微環(huán)境恒溫蔬菜育苗床　設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

趙穎雷 黃丹楓

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，上海 200240）

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一體化“潮汐式”微環(huán)境恒溫蔬菜育苗床設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

趙穎雷 黃丹楓*

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，上海 200240）

一體化“潮汐式”微環(huán)境恒溫育苗床設(shè)備通過(guò)“潮汐式”底吸補(bǔ)水方式，使根基環(huán)境自然達(dá)到相宜含水量，避免了淋洗式的灌溉與過(guò)度灌溉導(dǎo)致的肥水流失；通過(guò)使用發(fā)熱均勻的電熱膜取代傳統(tǒng)電熱線作為恒溫?zé)嵩?，提高了能耗利用率和出芽整齊度。

趙穎雷，博士研究生，主要從事設(shè)施園藝技術(shù)與裝備研究，E-mail：179549319@qq.com

穴盤育苗作為一種現(xiàn)代化的無(wú)土栽培方式育苗技術(shù)體系，具備一次性成苗、病蟲害發(fā)生率低、種苗品質(zhì)高度可控以及可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，該技術(shù)體系集成了育苗穴盤、玻璃溫室、鋼架育苗床、自動(dòng)播種與特種灌溉設(shè)備等栽培設(shè)施，是目前世界上主流的植物種苗生產(chǎn)方式。然而，多數(shù)生產(chǎn)者為了降低生產(chǎn)成本，在實(shí)際應(yīng)用中往往將育苗穴盤排放在大田中的簡(jiǎn)易土床內(nèi)，使用傳統(tǒng)的人工頂端噴淋法補(bǔ)水，冬季通過(guò)鋪設(shè)電加溫線及搭建小拱棚進(jìn)行加溫保溫。穴盤育苗技術(shù)在此等“減配”條件下運(yùn)用具有諸多弊端：① 在臺(tái)風(fēng)多雨季節(jié)，育苗場(chǎng)地極易受洪澇積水影響；② 土壤具有一定導(dǎo)熱性，冬季育苗時(shí)，熱量易通過(guò)底部土壤流失，使得加溫能耗較高；③ 頂端噴淋式的補(bǔ)水方式灌溉均勻度較差，肥水浪費(fèi)大；④ 由頂端噴淋式灌溉造成的葉片表面濕度較高，極易滋生各種病害，是引發(fā)各種苗期病害的重要原因。

此外，育苗過(guò)程中遇較低氣溫時(shí)，需對(duì)幼苗生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行加溫保溫。有些生產(chǎn)單位在冬季育苗時(shí)采用燃油（煤）加熱器對(duì)整個(gè)溫室加溫，生產(chǎn)成本及廢氣排放量高。部分企業(yè)為節(jié)約成本，將種子放入催芽室加溫催芽后移入苗床，在常溫環(huán)境下自然生長(zhǎng)，這不僅增加了搬運(yùn)工作量，還延長(zhǎng)了成苗時(shí)間。多數(shù)單位則采用鋪設(shè)電熱線并加蓋小拱棚的升溫保溫方式，由于電熱線屬于線狀加熱，而穴盤孔穴之間具有一定間隙，熱量傳導(dǎo)受到阻礙，使穴盤中靠近電熱線的孔穴溫度較高，而遠(yuǎn)離電熱線的孔穴則溫度較低，導(dǎo)致發(fā)芽和出苗不均勻?，F(xiàn)有的鋼架育苗床僅是將目前的床面抬高，使其具備防澇功能和方便操作，但不具有保溫性。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種能源利用率高、病害發(fā)生率低的催芽培育一體化“潮汐式”微環(huán)境恒溫育苗床，通過(guò)搭建育苗床面保溫小拱棚，壓縮育苗棚內(nèi)保溫的三維空間，使維持育苗環(huán)境溫度所消耗的能量最低。

1　“潮汐式”微環(huán)境恒溫育苗床工作原理

“潮汐式”灌溉方式（歐美稱“tidal”或“ebb and flood”）是基于潮水漲落現(xiàn)象設(shè)計(jì)而命名的一種高效節(jié)水灌溉方式。該方式利用了育苗穴盤底部的排水孔，在灌溉時(shí)使水位沒過(guò)排水孔，水分自下而上地被基質(zhì)自然吸入，既保持了葉面干燥，又可防止淋洗式灌溉導(dǎo)致的肥水流失，適用于各類盆器及穴盤栽培植物的種植管理。微環(huán)境恒溫育苗床通過(guò)“潮汐式”底吸補(bǔ)水方式，使根基環(huán)境自然達(dá)到相宜含水量；地暖使用發(fā)熱均勻的電熱膜取代傳統(tǒng)電熱線作為恒溫?zé)嵩?，電熱膜的熱電轉(zhuǎn)換效率要高于電熱線，且為面狀加熱，膜上各點(diǎn)發(fā)熱量均相同，解決了因穴孔間溫度差異導(dǎo)致出芽不齊的問(wèn)題，提高了能耗利用率。

2　微環(huán)境恒溫育苗床的基本結(jié)構(gòu)

2.1活動(dòng)式鋼架苗床 目前，鋼架結(jié)構(gòu)主體的育苗床已在生產(chǎn)研究中得到普及，主要分為固定式和活動(dòng)式。固定式鋼架育苗床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，成本低廉，應(yīng)用較多；活動(dòng)式鋼架育苗床的床面能夠左右平移，使整個(gè)育苗室內(nèi)實(shí)際只占用1～2條操作道空間，可大大增加育苗室空間利用率。本文中所使用的活動(dòng)式鋼架育苗床如圖1所示，由苗床支架（13）、苗床支撐鋼管（16）、苗床移動(dòng)操作盤（2）、操作盤擋片（9）、苗床（8）及薄膜支架（15）構(gòu)成，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。薄膜支架上夏季覆蓋防蟲網(wǎng)，起到防蟲透氣的作用；冬季覆蓋塑料薄膜，形成自動(dòng)恒溫所需的微環(huán)境。

圖1 微環(huán)境恒溫育苗床結(jié)構(gòu)

2.2“潮汐式”灌溉單元 “潮汐式”灌溉單元由苗床、進(jìn)水部及排水部組成。其中，進(jìn)水部由進(jìn)水管道（11）、水泵（14）及水位傳感器（4）組成。灌溉水源通過(guò)水泵與進(jìn)水管道進(jìn)入苗床面。水位傳感器通過(guò)控制水泵啟停以維持液面高度；排水部由常開電磁閥（3）、排水管（10）、手動(dòng)閥門（18）及水位傳感器（4）組成，當(dāng)苗床內(nèi)灌溉水位達(dá)到一定高度后，水位傳感器控制電磁閥自動(dòng)開啟進(jìn)行排水，手動(dòng)閥門可調(diào)節(jié)排水的速度，以便讓穴盤中的基質(zhì)有足夠的時(shí)間吸水；苗床面鋪有泡沫板（6）及塑料薄膜（5），使床面形成中央導(dǎo)水槽（17），使床面排水迅速且無(wú)積水殘留。

2.3電熱膜微環(huán)境恒溫單元 電熱膜微環(huán)境恒溫單元自下而上分別為泡沫板（6）、電熱膜（20）、塑料薄膜（5）及鋁板（19）。其中泡沫板可阻止微環(huán)境中熱量向下滲透，提升保溫效果；泡沫板和塑料薄膜形成了中央導(dǎo)水槽（21），可有效輔助排水，并防止床面形成積水，保持床面干燥；鋪設(shè)于塑料薄膜上的鋁板不僅可以防止穴盤搬動(dòng)過(guò)程中對(duì)塑料薄膜的損傷，還可提升電熱膜的發(fā)熱均勻度。在電熱膜的供電線路上裝有帶防水探頭的溫控開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微環(huán)境的自動(dòng)精確恒溫（圖2）。

圖2 電熱膜微環(huán)境恒溫單元

3　設(shè)備建設(shè)與使用注意事項(xiàng)

3.1苗床的規(guī)格設(shè)置 由于育苗盤的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格多為540 mm×280 mm（長(zhǎng)×寬，下同），苗床的寬度應(yīng)選擇280 mm的整數(shù)倍后再適當(dāng)加寬。

3.2電熱膜規(guī)格的選擇與安裝 根據(jù)育苗盤的尺寸，電熱膜選擇250～550 mm的寬度最佳。目前市場(chǎng)上電熱膜的發(fā)熱功率多為100～220 W·m-2，因此在大面積運(yùn)用時(shí)，需將溫室的配電接入總功率納入考慮范圍，并盡量選擇單位面積功率較低的電熱膜。

3.3溫控開關(guān)功率 不同型號(hào)的溫控開關(guān)的負(fù)載能力不同，所選擇的溫控開關(guān)負(fù)載能力應(yīng)大于其連接的電熱膜總功率。如本文中所使用的溫控開關(guān)型號(hào)為HS-637，帶防水探頭，5 000 W負(fù)載能力，最大可控制7組25 000 mm×250 mm、單位面積功率100 W·m-2的電熱膜，或3組25 000 mm×250 mm、單位面積功率220 W·m-2的電熱膜，即1個(gè)25 m×1.8 m的苗床實(shí)際應(yīng)由1～2個(gè)溫控開關(guān)控制。

3.4水位控制設(shè)備的選擇及安裝 應(yīng)選用帶探頭的220 V“上水型”全自動(dòng)水位控制開關(guān)。如本文中所使用的CX-B28型水位控制器，含上限及下限2個(gè)水位探頭，上限水位探頭一般固定于苗床1/2深度處，而下限水位探頭則擺放于床面，水泵及電磁閥均接入水位控制開關(guān)輸出端。當(dāng)穴盤內(nèi)缺水時(shí)，下限水位探頭檢測(cè)不到信號(hào)，則會(huì)開啟輸出端電力輸出，使水泵啟動(dòng)，排水處電磁閥閉合；當(dāng)苗床水位升至上限探頭時(shí)，則關(guān)閉輸出端電力輸出，水泵停止工作，排水處電磁閥開啟，進(jìn)行排水，通過(guò)調(diào)節(jié)手動(dòng)閥門開度調(diào)節(jié)排水速度，以保證穴盤內(nèi)基質(zhì)能夠有充足的時(shí)間吸足水分。

3.5鋁板規(guī)格與接地 為提高耐磨強(qiáng)度與導(dǎo)熱效率，應(yīng)選擇厚度不小于0.5 mm的鋁板。鋁板必須通過(guò)導(dǎo)線接地，目的是消除電熱膜發(fā)熱時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電，減少對(duì)操作人員人身安全的影響。

4　改建應(yīng)用實(shí)例與效果分析

4.1改建案例 圖3～5為杭州晨禾農(nóng)業(yè)科技有限公司臨安育苗基地，育苗玻璃溫室鋼架苗床。

原有設(shè)備：固定式苗床架結(jié)構(gòu)、玻璃溫室、自來(lái)水接入、固定式25 m×1.8 m苗床面。

添加設(shè)備：移動(dòng)式25 m×1.8 m苗床面（150 元·m-2）、拱棚鋼架（高50 mm，間隔1.5 m一跨，每跨10元）、HS-637型溫控開關(guān)（負(fù)載5 000 W，每套50元）、100 W·m-2的電熱膜（長(zhǎng)25 m，寬25 cm，共6條，40元·m-2）、72孔國(guó)標(biāo)穴盤（540 mm×280 mm，每張1.5元）、CX-B28型水位控制器（每套500元）、220 V常開電磁閥（每套100元）；泡沫板（厚3 cm，2元·m-2）、塑料薄膜（厚0.04 mm，1元·m-2）、鋁板（厚1 mm，2元·m-2）。由此可得出，改建單張25 m×1.8 m的苗床，投入成本為9 595元（213.2元·m-2）。若新建全套設(shè)施，還需投入建苗床支撐鋼架及外部保護(hù)設(shè)施的費(fèi)用，新建單張25 m×1.8 m的苗床，投入成本為11 610元（258元·m-2）。

圖3 改建前的育苗床

圖4 改建中的育苗床

圖5 改建完成的育苗床

設(shè)備組裝：將泡沫板、電熱膜、塑料薄膜、鋁板及裝填好的穴盤依次擺放于苗床；將鋼管焊接于苗床上形成薄膜支架，并覆蓋薄膜，白天揭開苗床兩頭薄膜通風(fēng)，夜間密閉保溫；將電熱膜正負(fù)極接入溫控開關(guān)輸出端，并設(shè)定溫控開關(guān)自動(dòng)開啟溫度為25 ℃，自動(dòng)關(guān)閉溫度為28 ℃；在已有自來(lái)水接入條件的溫室內(nèi)，苗床的進(jìn)水水泵可由一個(gè)220 V常閉電磁閥代替，與排水口處的常開電磁閥共同接入水位控制器輸出端，實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)控制。

4.2應(yīng)用效果與對(duì)比分析 黃瓜育苗效果（圖6）：2014年1月10日機(jī)播黃瓜種子，采用72孔穴盤，單條25 m×1.8 m的移動(dòng)式苗床面擺放4排，共168張穴盤，12 096個(gè)穴孔。恒溫25 ℃，24 h（小時(shí)）后種子出芽，28 d（天）后幼苗盤根完成，達(dá)到移栽標(biāo)準(zhǔn)，相比其他育苗方式縮短7～10 d（天），實(shí)際成苗12 027株，平均成苗率達(dá)99.3%。

能耗情況：據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)記錄，合計(jì)育苗面積25.4 m2，30 d （天）耗電597.85 kW·h，電費(fèi)合計(jì)382.64元，平均加溫費(fèi)用為每株0.03元；使用“潮汐式”補(bǔ)水共4次，約3.2 m3，平均每株耗水約0.26 L。4.3 應(yīng)用實(shí)例 目前，已有多家單位新建或改建應(yīng)用一體化“潮汐式”微環(huán)境恒溫育苗床。例如，四川種都種業(yè)有限公司應(yīng)用50套，苗床規(guī)格17 m×1.65 m，穴盤苗年產(chǎn)能為800萬(wàn)株；浙江省杭州市臨安錦興農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司應(yīng)用32套，苗床規(guī)格20 m×1.7 m，穴盤苗年產(chǎn)能為500萬(wàn)株；浙江省臨安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心應(yīng)用80套，苗床規(guī)格25×1.2 m，穴盤苗年產(chǎn)能為550萬(wàn)株；浙江省麗水市郎奇農(nóng)家樂農(nóng)產(chǎn)品專業(yè)合作社應(yīng)用40套，苗床規(guī)格25 m×18 m，穴盤苗年產(chǎn)能為550萬(wàn)株。

圖6 電熱膜加溫中的黃瓜穴盤苗

*通訊作者：黃丹楓，博士生導(dǎo)師，教授，主要從事園藝植物生理生態(tài)研究，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

收稿日期：2015-11-03；接受日期：2016-02-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61233006），上海市科技興農(nóng)推廣項(xiàng)目：上海綠葉蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)