草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

任杰 高承才 楊平 孫修東 謝錦平*

（1 上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201699；2 上海華維可控農(nóng)業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司，上海 201505）*為通信作者

立體栽培是通過栽培架或栽培管道、懸掛等形式按垂直梯度進(jìn)行的分層栽培，該技術(shù)可充分利用溫室的空間和太陽能，適用于低矮作物種植[1]。近年來，立體栽培作為一種新興的栽培形式，在草莓生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用（目前，草莓立體栽培模式較多，可分為吊柱式、高低架式、A 字形或X 形架式、日光溫室后墻式、懸掛式架空栽培等[2-3]），且取得了較好的栽培效果（研究表明，草莓立體栽培與常規(guī)地面栽培相比，其栽培密度可提高 25%以上，土地利用率提高3～5倍，單位面積產(chǎn)量提高2～3倍，且草莓立體栽培在病蟲害防治、環(huán)境精準(zhǔn)控制、田間作業(yè)便捷性、栽培效果觀賞性等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢[4-5]）。

目前，關(guān)于草莓立體栽培模式的研究已有較多報道，研究內(nèi)容主要圍繞立體栽培設(shè)施的設(shè)計與應(yīng)用、立體栽培下的環(huán)境因子分析以及配套栽培技術(shù)總結(jié)等。例如，胡福生等[6]設(shè)計了一種移動式草莓人工光立體種植裝置，進(jìn)一步提升了普通雙層H 形架立體栽培槽的空間利用率和光照條件；陳一飛等[7]設(shè)計了一種電動式草莓立體栽培機(jī)構(gòu)和配套智能控制系統(tǒng)，可綜合考慮采光、通風(fēng)、溫度、濕度等，實現(xiàn)了對普通三層栽培架的智能控制；王春玲等[8]將固定式A 字型栽培架在添加轉(zhuǎn)動和控制部件后，使其以“追日”的方式進(jìn)行運(yùn)動，實現(xiàn)了栽培架行向與太陽光照射方向平行，最大限度地利用了直射光，有效改善了A 字形栽培架的光溫環(huán)境，相比于固定式栽培架，草莓每667 m2產(chǎn)量提高了214.8 kg。

總結(jié)以往的研究，關(guān)于草莓立體栽培的生產(chǎn)應(yīng)用和相關(guān)研究主要集中在固定式的栽培架或栽培槽模式，特別是A 字形和H 形栽培架，而對于懸掛式栽培的研究相對較少。相比于其他立體栽培形式，草莓懸掛式立體栽培對垂直空間的利用率更高[9]，且栽培槽高度錯落排布，形成了“天瀑”造型，這不僅提高了整體栽培效果，而且解放了溫室下層空間，便于農(nóng)事操作。在此背景下，為了進(jìn)一步提高懸掛式立體栽培系統(tǒng)的光照利用率，改善草莓立體栽培系統(tǒng)的光照環(huán)境，從而提高草莓產(chǎn)量和品質(zhì)，筆者特在可升降懸掛式栽培系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)，并進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，最終取得了較好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)筆者擬對草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)的具體構(gòu)成及試點(diǎn)應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)介紹，以供相關(guān)種植戶參考借鑒。

1 可升降立體栽培系統(tǒng)

本文以布置于上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院五厙基地半封閉植物工廠內(nèi)的可升降立體栽培系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

五厙基地半封閉植物工廠的溫室跨度為8 m，肩高為5 m，在不影響補(bǔ)光燈、環(huán)流風(fēng)機(jī)等環(huán)控設(shè)備運(yùn)行，保證升降運(yùn)動安全運(yùn)行的情況下，栽培槽的升降行程為3.5 m，升降速度為1.65 m/min。栽培槽系統(tǒng)主要由栽培槽、軸承及固定座、吊掛旋轉(zhuǎn)提升電機(jī)、懸吊鋼絲繩、花籃螺絲、分體式吊架、繞線器、安全配件、控制系統(tǒng)等組成，其中，鋼絲繩通過花籃螺絲固定栽培組件，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)的輸出軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，帶動鋼管轉(zhuǎn)動，而鋼絲繩固定于鋼管上，鋼絲繩的縮短或延長帶動栽培槽的升降運(yùn)動。栽培槽的截面為梯形，底寬為150 mm、頂寬為270 mm、高度為150 mm，栽培槽的間距為80 cm。植物工廠在可見平面范圍內(nèi)全部栽種草莓，每667 m2定植草莓植株達(dá)8 000株以上，與傳統(tǒng)栽培相比，單位面積種植株數(shù)增加39%，栽培密度顯著提升。

2 追光模式設(shè)計

在傳統(tǒng)的溫室栽培模式下，作物光照受太陽高度角和方位角變化的影響，其自然光照的強(qiáng)度和均勻度是被動的，且往往接受的是室內(nèi)下層光照。因此，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度在垂直方向上存在明顯的差異，且與太陽角度變化和構(gòu)件遮擋等因素相關(guān)。同時，對于某一特定地點(diǎn)，一天內(nèi)太陽方位角的變化是有一定規(guī)律的。如表1所示，在不同典型節(jié)氣，太陽方位角自西向東變化明顯?；诖耍P者在懸掛式立體栽培條件下，理論上可通過調(diào)整每條栽培槽在垂直方向上的位置，使整個栽培面始終“面向”太陽輻射方向，以此提高栽培區(qū)域的光照強(qiáng)度，從而充分利用室內(nèi)光照，即“追光”模式。

表1 上海地區(qū)草莓生長周期典型節(jié)氣主要采光時段太陽方位角變化

根據(jù)太陽方位角的變化規(guī)律，可將一天劃分為若干時間段，在不同時間段調(diào)整不同的栽培槽高度，進(jìn)而使整個“天瀑”形成不同的采光面，使采光最大化。以上海地區(qū)11 月為例，根據(jù)一天中的有效采光時段，將調(diào)控的目標(biāo)時間設(shè)定為每日的8 時—16 時，每日“天瀑”形態(tài)變化6次，形成6種工況?！疤炱佟本唧w變化形態(tài)見圖1。值得注意的是，由于同一地區(qū)每日的日出日落時間及太陽方位角始終處于變化之中，故追光方案的時間段劃分并不是固定不變的。由表1 可知，冬至（12 月22 日）太陽方位角的變化最小，立冬至立春太陽方位角呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。因此，“天瀑”變化形態(tài)需隨著時間的變化靈活調(diào)整。

圖1 追光方案下六種“天瀑”變化形態(tài)

3 追光系統(tǒng)控制

栽培槽的升降運(yùn)動主要通過物聯(lián)網(wǎng)智能環(huán)控系統(tǒng)（追光系統(tǒng)）進(jìn)行操控。追光系統(tǒng)分為控制端和執(zhí)行端，控制端包括手機(jī)APP、網(wǎng)頁等云平臺，執(zhí)行端由智能控制模塊和栽培槽、電機(jī)等升降系統(tǒng)組成。當(dāng)執(zhí)行端收到由用戶通過云平臺下達(dá)的具體控制指令時，首先智能控制中間件將控制指令下發(fā)至目標(biāo)智能控制模塊，然后由控制模塊驅(qū)動目標(biāo)設(shè)備做出相應(yīng)動作，完成栽培槽的升降運(yùn)動。在此過程中，每條栽培槽可實現(xiàn)單獨(dú)控制、編組控制、執(zhí)行方案控制以及在追光思路指導(dǎo)下的全自動運(yùn)行。

3.1 手動控制模式和執(zhí)行方案控制模式

手動控制模式即用戶通過平臺人為控制栽培槽的升降運(yùn)動。每條栽培槽有“上升”“下降”“停止”3種狀態(tài)，用戶可通過點(diǎn)擊相應(yīng)選項實現(xiàn)栽培槽的對應(yīng)動作。其中，單條控制相對靈活，適用于針對少量栽培區(qū)域的農(nóng)事操作，然而若要實現(xiàn)較為復(fù)雜的追光控制，可通過高級控制+執(zhí)行方案的形式，依次對每個栽培槽設(shè)定“開”和“?！钡膭幼鳎ㄖ虚g間隔一定時間，且由于栽培槽升降過程屬于勻速運(yùn)動，可通過控制時間長短來確定其上升或下降高度，進(jìn)而明確每一個栽培槽所處的位置），在制定好某個時刻多個栽培槽的控制流程后，可直接在對應(yīng)時刻手動打開該流程，或設(shè)定一個執(zhí)行方案，系統(tǒng)在每日的該時刻即可自動執(zhí)行該方案，控制栽培槽升降。例如，對于圖1 的6 種“天瀑”形態(tài)追光模式，可在每個階段的開始時刻，分別制定6個執(zhí)行方案，從而較為便捷地在一天之中不斷變化各栽培槽的位置，實現(xiàn)追光運(yùn)動。

3.2 全自動控制模式

為了進(jìn)一步提高控制方式的針對性，簡化控制流程，筆者設(shè)計了專用于追光的全自動控制模塊。該模塊儲存了不同地區(qū)一年當(dāng)中每日的日出和日落時間數(shù)據(jù)，用戶在選擇地理位置后，系統(tǒng)會自動調(diào)取該地的日出和日落時間，并按照前述的追光思路，從日出時間開始，每隔1 h 自動調(diào)整各栽培槽的位置，使由各栽培槽組成的平面始終面向太陽輻射方向，地理位置的選擇也提高了系統(tǒng)的普適性。在開啟自動追光控制后，用戶無需其他操作，系統(tǒng)將每日自動執(zhí)行追光控制。與手動控制模式等相比，全自動控制模式在符合圖1的6種“天瀑”形態(tài)追光模式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化了每個時間段內(nèi)部的形態(tài)變化，使“天瀑”平面與太陽方位角的對應(yīng)性更強(qiáng)。

4 草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)的試點(diǎn)運(yùn)行

4.1 測試點(diǎn)布置

為驗證草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)的具體應(yīng)用效果，筆者在上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院五厙基地的半封閉植物工廠內(nèi)進(jìn)行了該系統(tǒng)的試點(diǎn)應(yīng)用。筆者選擇溫室中部三跨進(jìn)行追光試驗，試驗期間，利用高級控制+執(zhí)行方案的形式，實現(xiàn)栽培槽的追光布置，并測定室內(nèi)光環(huán)境特征。其中，試驗組1位于整個溫室自東向西第3 跨，此跨自東向西第1、3、5、7、9、10條栽培槽上各布置1個太陽輻射傳感器，均位于栽培槽中部，分別編號為1-1、1-3、1-5、1-7、1-9和1-10，具體見圖2；試驗組2 位于整個溫室自東向西第4跨，此跨10條栽培槽上各布置1個太陽輻射傳感器，均位于栽培槽中部，分別編號為2-1 至2-10；對照組位于整個溫室自東向西第5跨，此跨自東向西第1、5、9 條栽培槽上各布置1 個太陽輻射傳感器，均位于栽培槽中部，分別編號為C-1、C-5、C-9。光照強(qiáng)度測定使用NTT-JYZ01 太陽總輻射傳感器，其光譜范圍為300～3 000 nm，信號范圍為0～2 000 W/m2，靈敏度為7 ～14 μV/（W/m2），非線性≤5% ；太陽輻射傳感器數(shù)據(jù)自動記錄并上傳至云平臺，每隔5 min 采集并記錄1 次數(shù)據(jù)，通過云平臺可直接下載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 太陽輻射傳感器布設(shè)編號示意

4.2 結(jié)果與分析

分別取2022 年11 月8 日和11 月11 日為典型晴天和典型陰天，這兩天均不執(zhí)行追光方案，將所有栽培槽升至最高處（高3.3 m），取兩個代表性栽培槽1-3、2-4 進(jìn)行分析。由圖3 可知，陰天光照強(qiáng)度最高不超過200 W/m2，平均值約為60 W/m2，遠(yuǎn)低于晴天光照，而晴天的光照強(qiáng)度平均值超過200 W/m2。說明在陰雨天氣，為了盡可能提高光合效率，可對草莓進(jìn)行人工補(bǔ)光。此外，晴天光照波動大于陰天，這是由于晴天存在大量直射光，由于陰影和遮擋的存在，使不同時刻的光照強(qiáng)度存在較大差異。

圖3 1-3 和2-4 栽培槽在典型晴天和典型陰天的室內(nèi)光照強(qiáng)度比較

為探究溫室內(nèi)光環(huán)境的垂直分布特征，選擇3個日期相近的晴朗天氣（2022 年10 月30 日、11 月2日和11 月8 日），比較栽培槽1-3 和2-4 在不同高度處（0.6、2.1、3.3 m）的光照強(qiáng)度。由圖4 和圖5可知，越接近于溫室頂部，光照條件越好，而位置較低處的光照強(qiáng)度遠(yuǎn)低于上部。同時，當(dāng)栽培槽位于高處時，其一天中的光照強(qiáng)度波動更為明顯。分析其原因是，溫室中上層光照的直射光比例較高，光照受構(gòu)件、設(shè)備遮擋等因素的影響較大，因而光照強(qiáng)度會出現(xiàn)較大波動。

圖4 1-3 栽培槽在不同高度處的光照強(qiáng)度比較

圖5 2-4 栽培槽在不同高度處的光照強(qiáng)度比較

為探明草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)的光照強(qiáng)度提升情況，將兩試驗組各取的3條栽培槽，與對照組的C-0 進(jìn)行比較。由圖6 和圖7 可知，在大部分時間段內(nèi)，兩個試驗組的光照強(qiáng)度均高于對照，特別是在草莓光合效率較高的上午，試驗組遠(yuǎn)高于對照。此外，兩個試驗組在執(zhí)行追光方案時，由于各栽培槽的高度不同，會對彼此產(chǎn)生遮擋影響，例如，上午2-1 栽培槽會受到東邊試驗組已升起栽培槽的影響，導(dǎo)致2-1栽培槽的光照強(qiáng)度較同組其他栽培槽偏低，而在下午，由于“天瀑”形狀相反，則2-1 栽培槽的光照強(qiáng)度又會偏高，但即便如此，2-1 栽培槽的光照強(qiáng)度仍高于對照，也高于草莓光飽和點(diǎn)。由表2 可知，試驗組栽培槽的日平均光照強(qiáng)度要高出對照33.0%～53.0%，表明草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)可有效改善光環(huán)境。

圖6 追光模式下試驗組1 栽培槽與對照組的光照強(qiáng)度比較

圖7 追光模式下試驗組2 栽培槽與對照組的光照強(qiáng)度比較

表2 草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)不同栽培槽的日平均光照強(qiáng)度

5 結(jié)束語

光照是影響植物生長發(fā)育、植株形態(tài)形成、光合產(chǎn)物積累的重要環(huán)境因子，尤其是對設(shè)施栽培草莓的葉片光合速率和果實產(chǎn)量與品質(zhì)有著重要影響。相關(guān)研究表明，光照強(qiáng)度對結(jié)果期草莓的葉片光合速率具有顯著影響，光合速率在光照強(qiáng)度為260～320 W/m2之間達(dá)到峰值，且葉片水勢越高，光照強(qiáng)度對光合速率的影響越明顯[10]。林曉等[11]對立體栽培草莓的光溫效應(yīng)和生長發(fā)育的研究發(fā)現(xiàn)，雙H 架下層草莓早期產(chǎn)量僅為上層草莓的43%，差異達(dá)極顯著水平；A字架遮陽效果不明顯，但上下層草莓產(chǎn)量仍存在差異，表明草莓早期產(chǎn)量與光照強(qiáng)度顯著相關(guān)。鐘霈霖等[12]研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光可有效促進(jìn)草莓果實中維生素C 和總糖的合成，中強(qiáng)光可促進(jìn)糖分積累。以上研究均表明，高效利用自然光照是溫室或半封閉植物工廠草莓栽培需要考慮的重要因素。

草莓屬于喜光作物，又具有較強(qiáng)的耐蔭性，其光補(bǔ)償點(diǎn)通常為20～40 W/m2，光飽和點(diǎn)通常為90～150 W/m2，但二者并不是固定值，往往受溫度、濕度、CO2濃度等外界環(huán)境因素的影響，通常上午葉片光合效率更高，中午存在“午休”現(xiàn)象，故從光能利用的角度考慮，應(yīng)盡可能保證上午及下午的光照強(qiáng)度[13-14]。長三角地區(qū)進(jìn)入冬季以后，日照時間逐漸變短，光照強(qiáng)度逐漸變?nèi)酰壮霈F(xiàn)設(shè)施內(nèi)光照不足和光環(huán)境不穩(wěn)定等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致草莓花芽分化數(shù)量減少、果實品質(zhì)變劣和產(chǎn)量下降等問題。在本研究的草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)的試點(diǎn)應(yīng)用過程中，在陰天，試點(diǎn)溫室內(nèi)光照強(qiáng)度低于光飽和點(diǎn)，可通過人工補(bǔ)光進(jìn)行補(bǔ)充；在晴天，試點(diǎn)溫室內(nèi)未進(jìn)行追光的普通栽培區(qū)域，其全天光照值也均未達(dá)到光飽和點(diǎn)，說明試點(diǎn)溫室對光照的利用并不充分，應(yīng)通過追光式栽培槽布置，調(diào)節(jié)各栽培槽的高度，來形成一定規(guī)律的栽培面形狀，從而使溫室內(nèi)絕大部分時間段（特別是上午）的光照強(qiáng)度處于光飽和點(diǎn)以上，進(jìn)而延長高效光照時間，將自然光輻射的利用達(dá)到最大化。因此，從光環(huán)境的角度出發(fā)，筆者研發(fā)的草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)對促進(jìn)草莓冬季生長發(fā)育、提高草莓產(chǎn)量和品質(zhì)有積極作用。

值得注意的是，由于不同環(huán)境因子之間的作用是相互的，草莓的產(chǎn)量和品質(zhì)同樣受到多種因素的共同作用。因此，在應(yīng)用草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)的前提下，探討溫度、空氣濕度等環(huán)境因子的變化規(guī)律，進(jìn)一步優(yōu)化栽培槽布局，使之更符合草莓生長發(fā)育的實際需求，是草莓懸掛追光式立體栽培系統(tǒng)的進(jìn)一步研究方向。