人工光植物工廠水培生菜高效生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

陳淑君，趙 鳳，姚慧敏，王絳輝，孫家波*

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院休閑農(nóng)業(yè)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250100；2.齊河縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)中心，山東德州 251100）

植物工廠分為人工光植物工廠、太陽(yáng)光型植物工廠、太陽(yáng)光和人工光源組合型植物工廠三種類型[1]。其中，人工光植物工廠是依托設(shè)施園藝、家電科技、照明科技、生物工程、信息科技等學(xué)科技術(shù)，利用發(fā)光二極管（LED）模擬自然陽(yáng)光照射的生長(zhǎng)原理，同時(shí)采用光、水、溫、氣、肥智能集成技術(shù)，共同創(chuàng)建出封閉型生菜最佳生長(zhǎng)環(huán)境的設(shè)施場(chǎng)地[2-3]。人工光植物工廠是未來(lái)現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的一種表現(xiàn)形式，一方面從食品健康安全和滿足人們對(duì)綠色高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的追求上看，在人工光植物工廠中，可以根據(jù)植物的生長(zhǎng)習(xí)性和喜好來(lái)提供最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，因此可在植物工廠進(jìn)行不同需求的作物高效生產(chǎn)。另一方面從都市農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的情況看，植物工廠立體栽培高效農(nóng)作方式在未來(lái)將大量出現(xiàn)在城市內(nèi)部、地下建筑和樓宇等一些城市空間生產(chǎn)產(chǎn)品，不僅可以給市民保障供應(yīng)新鮮的綠色蔬菜，優(yōu)化“菜籃子”供給，增強(qiáng)城市食品供應(yīng)的彈性，同時(shí)植物工廠還可作為展示現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的窗口，為城市居民提供綠色、科普、體驗(yàn)、參與的平臺(tái)。

生菜也稱為葉用萵苣，屬菊科萵苣屬，口感甘甜微苦，爽脆，顏色翠綠，是日常生活中居民餐桌上常見(jiàn)的葉類蔬菜。生菜因其生長(zhǎng)周期短、品質(zhì)好、品種豐富、病蟲(chóng)害少，是國(guó)內(nèi)外植物工廠水培蔬菜面積較大的一種水培作物之一[4]，是可以在植物工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)全年計(jì)劃性穩(wěn)定生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)蔬菜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以水培生菜為例，人工光植物工廠的生產(chǎn)效能約為傳統(tǒng)露地種植的40～108 倍[5]。目前關(guān)于植物工廠水培技術(shù)的研究大多是溫室葉菜水培設(shè)施技術(shù)、管道設(shè)施水培技術(shù)，而針對(duì)人工光型植物工廠深液流水培生菜技術(shù)研究較少。因此，本文從生菜品種選擇、育苗、定植和一體式環(huán)境水肥智能調(diào)控等方面進(jìn)行總結(jié)，以期為人工光植物工廠高效利用和深液流生菜栽培技術(shù)推廣提供一定參考。

1 人工光植物工廠設(shè)施條件

1.1 種植地點(diǎn)及環(huán)境條件

試驗(yàn)在濟(jì)南市山東農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新大樓農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工光植物工廠水培栽培間進(jìn)行。植物工廠內(nèi)全程智能管控溫度，實(shí)驗(yàn)室設(shè)置白天23 ℃，晚上17 ℃；濕度控制在60%左右。植物工廠內(nèi)通過(guò)空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)交換空氣，維持室內(nèi)CO2濃度與空氣中CO2濃度持平。

1.2 立體無(wú)土栽培系統(tǒng)

植物工廠室內(nèi)設(shè)有鋁型材質(zhì)栽培架5 個(gè)，規(guī)格為1 300 mm×800 mm×2 240 mm，分別為2 組4 層，單層高40 cm；3 組2 層，單層高86 cm。架子每層裝有水盤、定植板，水盤規(guī)格為1 215 mm×800 mm×90 mm；定植板規(guī)格為768 mm×519 mm×30 mm，每層各兩塊，每個(gè)定植板孔數(shù)48 個(gè)，開(kāi)孔規(guī)格23 mm×23 mm×30 mm，壁厚不低于2 mm。

1.3 營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)

營(yíng)養(yǎng)液供應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)主要包括：營(yíng)養(yǎng)液桶、A 液和B液補(bǔ)液桶、水泵、抽樣泵、回液水泵及過(guò)濾網(wǎng)、儲(chǔ)液池、管道及傳感控制系統(tǒng)（高液位水閥控制器、電導(dǎo)率調(diào)控系統(tǒng)、pH 調(diào)控裝置、紫外線殺菌裝置）。

營(yíng)養(yǎng)液配方為改良版Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液如表1（見(jiàn)下頁(yè)），按照水培生菜所需營(yíng)養(yǎng)液的100 倍配制母液A、母液B、調(diào)酸液、調(diào)堿液。

表1 營(yíng)養(yǎng)液及調(diào)配液的配方Table 1 Formula of nutrient solution and blending solution

1.4 智能閉環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)

植物工廠設(shè)有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、CO2補(bǔ)充系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、多通道光傳感器，均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)精準(zhǔn)控制，可以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的閉環(huán)精確控制。對(duì)光、溫、水、氣、肥等環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)最佳閉環(huán)控制，確保各項(xiàng)環(huán)境因素適宜生菜生長(zhǎng)。

1.5 風(fēng)淋消毒和新風(fēng)系統(tǒng)

植物工廠是一個(gè)完全封閉相對(duì)無(wú)菌的環(huán)境，新風(fēng)系統(tǒng)可保持室內(nèi)空氣循環(huán)和潔凈。為減少粉塵、預(yù)防病原體產(chǎn)生病蟲(chóng)害危害植物生長(zhǎng)，進(jìn)入植物工廠需身穿防護(hù)服或?qū)嶒?yàn)服，并帶一次性滅菌橡膠手套和口罩，通過(guò)風(fēng)淋室消毒進(jìn)入。種植間內(nèi)部設(shè)有空氣循環(huán)凈化處理設(shè)施，內(nèi)部潔凈效果須達(dá)到國(guó)家7 級(jí)GB/T 16292—1996 標(biāo)準(zhǔn)（原10 000 級(jí)）[6]。

1.6 光源

植物工廠光源為L(zhǎng)ED 全光譜植物補(bǔ)光燈，補(bǔ)光燈尺寸長(zhǎng)200 mm×寬120 mm×高35 mm，采用冷光源，發(fā)熱少；每層2 盞，單盞功率不高于200 W；紅光光譜峰值660 nm，藍(lán)光光譜峰值450 nm，補(bǔ)光燈高度可調(diào)。光譜光強(qiáng)可通過(guò)中控進(jìn)行調(diào)節(jié)。人工光植物工廠生菜種植過(guò)程用全LED 光源，紅光（R）波長(zhǎng)655 nm，藍(lán)光（B）波長(zhǎng)435 nm，采用紅藍(lán)（R∶B）光比4∶1 的光譜組合的光照條件下種植，紅藍(lán)光強(qiáng)值在200 μmol/(m2·s)。白光光強(qiáng)值在200 μmol/(m2·s)。光照時(shí)間前期設(shè)置為光暗時(shí)間（12 h/8 h），后期采摘前6 d 設(shè)置為光暗時(shí)間（24 h/12 h）。

1.7 栽培品種

2020—2021 年兩年在植物工廠內(nèi)種植京研的‘耶羅’‘綠莎’‘綠團(tuán)’‘紅莎’‘雅丹’，瑞克斯旺的‘章克申’‘Deangleia’，上?；莺偷摹沱悺G蝶’‘綠苣’‘綠花葉’‘紫橡葉’等12 種生菜品種。

2 水培生菜關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)

2.1 催芽

進(jìn)口的‘Deangleia’和‘綠蝶’生菜種子可直接播種，無(wú)需催芽。其它生菜種子用涼水浸泡12～24 h，將水控干，裝入自封袋，放入冰箱4 ℃處理12～24 h[7]。

2.2 育苗

實(shí)驗(yàn)室播種采用25 cm×25 cm 方塊100 孔十字刀口育海綿。將海綿塊完全浸濕后放入育苗盤，在育苗盤里加入純凈水沒(méi)過(guò)盤底。用鑷子將催芽后的生菜種子依次放入海綿十字口凹陷處，每個(gè)海綿凹陷處內(nèi)放一粒種子，注意不要塞入深處。

2.3 育苗管理

播種完后將育苗盤放置在黑暗的環(huán)境中，室溫保持在24 ℃，出芽前每天向育苗盤里加純凈水沒(méi)過(guò)盤底，用噴壺噴濕海綿上層，使海綿保持濕潤(rùn)。3～4 d 后出苗。出苗后開(kāi)始見(jiàn)光，并往育苗盤里加入1/4 的改良版Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液配方使其繼續(xù)生長(zhǎng)。

2.4 定植

生菜苗長(zhǎng)到4 葉1 心時(shí)，將每塊海綿上的生菜苗定植到栽培架上。長(zhǎng)勢(shì)過(guò)高的生菜苗需要用定植海綿重新包裹，然后再放入栽培架。種植密度約為25 株/m2[8]，每層種植面積為1.6m2。打開(kāi)營(yíng)養(yǎng)液灌溉循環(huán)系統(tǒng)，使?fàn)I養(yǎng)液進(jìn)入栽培架充分循環(huán)，待可溶性鹽濃度（EC）穩(wěn)定后再移栽。每層定植完后掀開(kāi)定植板，查看生菜根系是否都垂直接觸液面，防止定植過(guò)程中生菜根系黏連在海綿上，影響生菜發(fā)育。

2.5 定植后水肥管理

植物工廠內(nèi)供液方式為深液流技術(shù)。在系統(tǒng)上設(shè)置營(yíng)養(yǎng)液定植后小苗期可溶性鹽濃度為1.0～1.5 mS/cm，快速生長(zhǎng)期為1.5～1.8 mS/cm，收獲前期1.8～2.0 mS/cm[9-10]。生菜生育期營(yíng)養(yǎng)液pH 5.5～7。定期查看系統(tǒng)，并用手持電導(dǎo)率儀抽樣檢查。

考慮到植物工廠的深液流設(shè)計(jì)，植物工廠的營(yíng)養(yǎng)液處于循環(huán)流動(dòng)的狀態(tài)。流動(dòng)不僅可以增加營(yíng)養(yǎng)液的溶存氧，還可以消除根表有害代謝物（尤其是生理酸堿性）的局部累積[4]，消除根表和根外的養(yǎng)分濃度差，充分滿足生菜的需求。種植期間營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)灌溉開(kāi)3 min 關(guān)9 min，一直循環(huán)，直到采收。系統(tǒng)設(shè)置每天上午10：15—10：30為系統(tǒng)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液時(shí)間，10：30—11：00 為營(yíng)養(yǎng)液校準(zhǔn)時(shí)間。

2.6 病蟲(chóng)害防治

水培屬于無(wú)土栽培，不存在連作障礙，室內(nèi)設(shè)有風(fēng)淋系統(tǒng)，進(jìn)口處嚴(yán)格按照消毒規(guī)定執(zhí)行，能最大程度地保障室內(nèi)潔凈，病原物寄生蟲(chóng)也相對(duì)較少，水培病蟲(chóng)害相比基質(zhì)較少發(fā)生?？紤]到植物工廠嚴(yán)格環(huán)境把控和綠色生產(chǎn)，整個(gè)生菜生育期不使用任何農(nóng)藥和殺蟲(chóng)劑。

2.7 適時(shí)采收與產(chǎn)品保鮮

生菜定植移栽后30～35 d 后采收。采收時(shí)可將生菜整棵取出，摘去老、黃葉片，用無(wú)紡布將生菜根部包裹起來(lái)，整棵采收。也可用剪刀將生菜根系減去放入保鮮袋。生菜可放置在0 ℃、相對(duì)濕度90%的條件下保鮮貯藏，該溫度可以有效地降低生菜的失重率以及營(yíng)養(yǎng)成分的損失，還可抑制多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶活性的下降，提高生菜保鮮效果，延長(zhǎng)貨架期[11-12]。

2.8 清洗與消毒

生菜采收完畢后要及時(shí)把架子和桶里的營(yíng)養(yǎng)液排掉，進(jìn)行清洗和消毒，將300 mL 6%的次氯酸鈉稀釋至100 L 的營(yíng)養(yǎng)液配液桶中，并循環(huán)到架子上進(jìn)行消毒。對(duì)室內(nèi)進(jìn)行紫外線殺菌，同時(shí)用400～600 倍84 消毒液擦洗噴灑定植板，進(jìn)行消毒，準(zhǔn)備下一茬播種。

3 總結(jié)

光是植物能量的主要來(lái)源和信號(hào)，通過(guò)光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期影響植物的生長(zhǎng)過(guò)程。眾多研究和實(shí)驗(yàn)表明在植物工廠采用LED 紅藍(lán)光可完全滿足生菜的生長(zhǎng)需求。有學(xué)者指出采用紅藍(lán)（R∶B）光4∶1 條件下，200 μmol/(m2·s)光強(qiáng)比較適合植物工廠水培生菜生產(chǎn)，該條件下不僅能夠獲得生菜最大產(chǎn)量，還能有效降低室內(nèi)能源消耗和資源浪費(fèi)[13-14]。同時(shí)設(shè)置白光光源光強(qiáng)值為200μmol/(m2·s)。周成波等[15]指出在白光200 μmol/(m2·s)的光照強(qiáng)度下，更利于生菜的生長(zhǎng)，能提高生菜體內(nèi)N、C、P、K、Mg 和Fe 的積累，顯著提高生菜的葉面積。有研究指出在生菜采收前一星期的時(shí)間轉(zhuǎn)變生菜的光暗周期，增加其光照時(shí)間可以顯著提高生菜的葉面積、嫩芽數(shù)，同時(shí)植株內(nèi)的可溶性糖、可溶性蛋白、抗壞血酸含量會(huì)顯著增加[16-18]。

根據(jù)生菜在植物工廠內(nèi)表現(xiàn)的生理性狀及大眾口感比較，挑選出滿足市場(chǎng)需求及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、美觀的生菜品種。發(fā)現(xiàn)上海惠和‘綠蝶’，特色奶油生菜，葉片深綠，抽薹較晚，耐熱性好，早熟性表現(xiàn)較好，適合水培。京研‘耶羅’生菜，株型直立，葉緣略皺縮，葉色翠綠有光澤，內(nèi)葉淡黃色，葉肉厚品質(zhì)脆嫩。京研‘綠團(tuán)’生菜，綿葉型半結(jié)球，葉片黃綠葉片綿軟爽滑，耐抽薹。瑞克斯旺‘Deangelia’奶油生菜，葉綠色橢圓，光澤度好，葉片肉厚柔軟，耐抽薹，抗霜霉病。因此，上海惠和的‘綠蝶’生菜，京研的‘耶羅’生菜、‘綠團(tuán)’生菜、瑞克斯旺的‘Deangelia’奶油生菜在植物工廠的性狀表現(xiàn)十分良好，栽培周期較短，單株產(chǎn)量表現(xiàn)較好，口感符合地區(qū)的口味，推薦在植物工廠內(nèi)周年種植。

4 展望

在植物工廠種植生菜，可以精準(zhǔn)控制環(huán)境，細(xì)致化配制營(yíng)養(yǎng)液，一方面可縮短生菜的生育期，確保植物生長(zhǎng)的一致性，大大提高生產(chǎn)效率，另一方面生菜種植期間不噴施農(nóng)藥，潔凈程度高，無(wú)病蟲(chóng)害，整年可以計(jì)劃性實(shí)現(xiàn)8～9 茬的綠色生菜種植，無(wú)地域限制能夠?qū)崿F(xiàn)生菜的就近供應(yīng)與銷售，避免生菜長(zhǎng)途運(yùn)輸，降低運(yùn)輸過(guò)程的浪費(fèi)和能源消耗。未來(lái)植物工廠在食品安全健康方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的地位。目前植物工廠不僅局限于生菜的種植，用此技術(shù)可同樣種植葉菜類的菠菜、油麥菜、蒲公英等植物。但是植物工廠的缺點(diǎn)也十分明顯，雖然使用LED 節(jié)能光源，但是植物工廠用電量依然是一個(gè)制約其發(fā)展的問(wèn)題。通過(guò)合理利用太陽(yáng)能以降低運(yùn)行成本，利用再生資源降低電力成本[19-20]，相信隨著植物工廠技術(shù)的不斷提高改進(jìn)和系統(tǒng)能耗及運(yùn)行成本的降低，植物工廠將更加注重功能型蔬菜，保健型中藥材的生產(chǎn)，通過(guò)專業(yè)化市場(chǎng)的逐步發(fā)展和商業(yè)化模式的創(chuàng)新，植物工廠將會(huì)迎來(lái)大范圍的普及和推廣。