JPWZ-1型微型植物工廠栽培試驗(yàn)的研究

李東星李迎忠許明商守海周增產(chǎn)卜云龍

（北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094）

植物工廠的概念最早是日本提出來(lái)的，根據(jù)日本植物工廠學(xué)會(huì)的解釋，植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，即利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物生長(zhǎng)發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)（楊其長(zhǎng)和張成波，2005）。

隨著植物工廠各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)蔬菜品質(zhì)的要求越來(lái)越高，一種適合于家用的微型植物工廠應(yīng)運(yùn)而生。微型植物工廠是小型化的植物工廠，它是將植物工廠的技術(shù)進(jìn)一步濃縮，集成在一個(gè)封閉的環(huán)境里，人們可以通過智能自動(dòng)控制系統(tǒng)控制植物生長(zhǎng)的環(huán)境，為作物提供適宜的光照、溫度、濕度環(huán)境，同時(shí)提供合理比例的營(yíng)養(yǎng)液（商守海 等，2012）。目前，這種技術(shù)在國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，如日本、美國(guó)、荷蘭等都有應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，這種技術(shù)還尚處于研究和摸索階段，針對(duì)此種情況，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司開發(fā)了一種家用的JPWZ-1型微型植物工廠，該微型植物工廠是未來(lái)家庭園藝、家庭廚房所必備的一種家用電器，可以實(shí)現(xiàn)蔬菜的周年生產(chǎn)，滿足家庭對(duì)蔬菜安全優(yōu)質(zhì)、潔凈衛(wèi)生與綠色環(huán)保的需求，同時(shí)吸收居住環(huán)境中的CO2，放出O2，為家庭以及樓宇辦公創(chuàng)造舒適的環(huán)境，另外，還具有科普功能（陳晨，2011）。該微型植物工廠的成功研發(fā)代表了我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備水平的提高，根據(jù)設(shè)施裝備與設(shè)施園藝相結(jié)合的原則，對(duì)該微型植物工廠進(jìn)行栽培試驗(yàn)，初步探索了 JPWZ-1型微型植物工廠種植葉用萵苣的栽培效果。

1 JPWZ-1型微型植物工廠的結(jié)構(gòu)

JPWZ-1型微型植物工廠（圖 1、2）整體外形結(jié)構(gòu)及尺寸與雙開門冰箱相當(dāng)。主要包括栽培區(qū)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)區(qū)、電氣控制區(qū)、環(huán)境控制區(qū)等四大部分（商守海 等，2012）。

栽培區(qū)共分上、中、下三層，每層高度均為400 mm，上下兩層均采用熒光燈光源，中間層采用紅藍(lán)比（8∶1）LED燈補(bǔ)光。熒光燈為白光，可提供作物需要的各種光波；LED采用適宜植物生長(zhǎng)的紅藍(lán)波段光源，可促進(jìn)葉菜類植物及莖類植物生長(zhǎng)（上、中、下三層的光源可調(diào)換）。栽培區(qū)內(nèi)膽為鏡面不銹鋼，外殼為優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，外殼與內(nèi)膽之間填充硅酸鋁棉保溫層，以保證栽培區(qū)的溫濕度環(huán)境與外界隔離。營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)區(qū)位于栽培區(qū)下側(cè)與右側(cè)部分區(qū)域，營(yíng)養(yǎng)液在家庭植物工廠底層的營(yíng)養(yǎng)液箱內(nèi)配制，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)定時(shí)與栽培區(qū)各層栽培床內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)，以達(dá)到營(yíng)養(yǎng)均衡供應(yīng)及營(yíng)養(yǎng)液管道消毒的目的。電氣控制區(qū)位于栽培區(qū)的右側(cè)大部分，該區(qū)域配置有溫度控制設(shè)備、濕度控制設(shè)備、CO2供氣設(shè)備、紫外燈消毒設(shè)備，以及控制器和人機(jī)界面；環(huán)境控制區(qū)位于栽培區(qū)的后側(cè)，環(huán)境控制區(qū)是栽培區(qū)環(huán)境控制的一個(gè)緩沖區(qū)，該區(qū)域配置有制冷蒸發(fā)器、加熱管、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇、外循環(huán)風(fēng)扇等設(shè)備。

圖1 JPWZ-1型微型植物工廠結(jié)構(gòu)圖

圖2 JPWZ-1型微型 植物工廠實(shí)景圖

2 栽培試驗(yàn)過程

2.1 栽培品種

試驗(yàn)品種為2個(gè)葉用萵苣品種：羅生3號(hào)、紫羅蘭。

2.2 栽培環(huán)境條件

葉用萵苣性喜冷涼，種子在 4 ℃時(shí)即可發(fā)芽，發(fā)芽適溫 18～22 ℃，高于25 ℃時(shí)因種皮吸水受阻幾乎不發(fā)芽，夏季播種時(shí)需低溫處理。植株生長(zhǎng)期間，以15～20 ℃最適宜，而晝夜溫差大有利于高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)；5～25 ℃也可適應(yīng)，持續(xù)高于25 ℃則生長(zhǎng)較差，葉質(zhì)粗老，略有苦味，并且高溫影響葉用萵苣對(duì)鈣的吸收，易發(fā)生心腐病（張蕊，2011）?？紤]到微型植物工廠內(nèi)作物是在一個(gè)相對(duì)密閉的環(huán)境中生長(zhǎng)，其溫濕度及 CO2濃度可自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此，本試驗(yàn)對(duì)植物工廠內(nèi)的溫濕度進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。具體設(shè)定的白天及夜間的溫濕度情況見表1。

2.2.1 光源環(huán)境 本試驗(yàn)光源設(shè)置情況為：下層為熒光燈（共6支，圖3）；中層為L(zhǎng)ED燈補(bǔ)光帶（共5條，圖4）；上層為L(zhǎng)ED燈補(bǔ)光塊（共3塊，圖5），各層根據(jù)植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)節(jié)，每天光照時(shí)間為6：00～18：00，共12 h。

2.2.2 供液環(huán)境 本試驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)液供液循環(huán)系統(tǒng)如圖6所示，JPWZ-1型微型植物工廠的營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)采用多層集中定時(shí)供液，各層獨(dú)立控制流量的營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)方式。在營(yíng)養(yǎng)液箱內(nèi)配好營(yíng)養(yǎng)液后，可控制營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)定時(shí)循環(huán)，在循環(huán)過程中，營(yíng)養(yǎng)液通過營(yíng)養(yǎng)液消毒器、供液管路給各層栽培床提供新鮮潔凈的營(yíng)養(yǎng)液，各層栽培床內(nèi)原有的營(yíng)養(yǎng)液則可通過回液管路回流到營(yíng)養(yǎng)液箱內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)、增氧和消毒處理，以備下一次循環(huán)使用。另外，各層栽培床內(nèi)還設(shè)置了供液閥門和回液插芯，如此便可有效控制各層營(yíng)養(yǎng)液的供液速度和液面高度（商守海 等，2012）。

表1 JPWZ-1型微型植物工廠栽培試驗(yàn)溫濕度設(shè)定情況

圖3 下層熒光燈

圖4 中層LED燈補(bǔ)光帶

圖5 上層LED燈補(bǔ)光塊

根據(jù)目前水培葉用萵苣栽培方式制定葉用萵苣栽培營(yíng)養(yǎng)液配方，具體如表2。

圖6 JPWZ-1型微型植物工廠營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)示意圖

表2 葉用萵苣栽培營(yíng)養(yǎng)液配方

2.3 播種

采用64孔的穴盤栽培板，用高錳酸鉀對(duì)栽培板進(jìn)行消毒，消毒后用清水進(jìn)行清洗，然后將消毒過的育苗海綿塊塞進(jìn)栽培板孔中。2011年8月26～27日，將種子直接放入JPWZ-1型微型植物工廠栽培板的海綿孔中，然后在環(huán)境控制區(qū)調(diào)好葉用萵苣種子發(fā)芽所需的溫濕度即可，溫度設(shè)定為 18～22 ℃，濕度控制在65%～75%。此時(shí)，不需要開啟燈光。2 d后，待種子露白后開啟燈光，重新設(shè)置葉用萵苣在生長(zhǎng)期所需的溫濕度。

2.4 生長(zhǎng)期管理

葉用萵苣生長(zhǎng)期的溫度平均控制在25 ℃；濕度平均控制在66%；pH值平均控制在6.28；溶氧值平均在3.62 mg·L-1。主要通過營(yíng)養(yǎng)液的自動(dòng)循環(huán)供液實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)期的管理，同時(shí)，實(shí)時(shí)記錄葉用萵苣生長(zhǎng)過程中的EC值、pH值、溶氧值，以便對(duì)葉用萵苣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。此次栽培試驗(yàn)共分4個(gè)階段：子葉期、幼苗期、成苗期、采收期。

2.4.1 子葉期 子葉期為2011年8月28～30日，此階段特征是長(zhǎng)出2片子葉，具體葉用萵苣生長(zhǎng)情況見圖7～9。由表3可以看出，此階段的平均溫度為26.2 ℃，平均濕度為63.7%，平均EC值為0.9 mS·cm-1，平均pH值為6.4，平均溶氧值為3.5 mg·L-1。

2.4.2 幼苗期 幼苗期為2011年8月31日至9月6日，此階段特征是葉片長(zhǎng)到5～6片，各層葉片呈現(xiàn)綠色。其中，下層羅生3號(hào)的平均株高為3～4 cm，中層紫羅蘭的平均株高為2～3 cm，上層紫羅蘭的平均株高為6～8 cm（圖10～12）。由表4可知，此階段的平均溫度為25 ℃，平均濕度為66%，平均EC值為1.6 mS·cm-1，平均pH值為5.6，平均溶氧值為4.1 mg·L-1。

圖7 子葉期下層羅生3號(hào)生長(zhǎng)情況

圖8 子葉期中層紫羅蘭生長(zhǎng)情況

圖9 子葉期上層紫羅蘭生長(zhǎng)情況

表3 子葉期植物溫濕度及EC、pH、溶氧值

圖10 幼苗期下層羅生3號(hào)生長(zhǎng)情況

圖11 幼苗期中層紫羅蘭生長(zhǎng)情況

圖12 幼苗期上層紫羅蘭生長(zhǎng)情況

表4 幼苗期植物溫濕度及EC、pH、溶氧值

2.4.3 成苗期 成苗期為2011年 9月 7～13日，此階段特征是，下層羅生3號(hào)葉片長(zhǎng)到6～8片，葉片仍為綠色，株高為 6～7 cm；中層紫羅蘭葉片長(zhǎng)到 9片，葉片綠中帶紫，平均株高為12.5 cm；上層紫羅蘭的葉片長(zhǎng)到9～11片，葉片顏色為綠色，平均株高為14 cm（圖13～15）。由表5可知，此階段的平均溫度為24.7 ℃，平均濕度為66.4%，平均EC值為1.7 mS·cm-1，平均pH值為6.2，平均溶氧值為3.5 mg·L-1。

圖13 成苗期下層羅生3號(hào)生長(zhǎng)情況

圖14 成苗期中層紫羅蘭生長(zhǎng)情況

圖15 成苗期上層紫羅蘭生長(zhǎng)情況

表5 成苗期植物溫濕度及EC、pH、溶氧值

2.4.4 采收期 采收期為2011年9月14～26日，此階段特征是，下層羅生3號(hào)葉片多于9片，葉片仍為綠色，株高為9.0～13.5 cm；中層紫羅蘭葉片多于11片，葉片綠中帶紫，平均株高為21 cm；上層紫羅蘭的葉片長(zhǎng)到16片，葉片綠色，平均株高為26 cm（圖16～18）。由表6可知，此階段的平均溫度為24.4 ℃，平均濕度為68.1%，平均EC值為1.8 mS·cm-1，平均pH值為6.4，平均溶氧值為3.1 mg·L-1。

圖18 采收期上層紫羅蘭生長(zhǎng)情況

表6 采收期植物溫濕度及EC、pH、溶氧值

綜上所述，葉用萵苣在各個(gè)生長(zhǎng)階段的溫濕度、EC值、pH值及溶氧值等均處于正常水平，充分發(fā)揮了JPWZ-1型微型植物工廠的環(huán)境自動(dòng)控制功能，且在作物生長(zhǎng)的各個(gè)階段中，均發(fā)現(xiàn)上層 LED燈補(bǔ)光塊紫羅蘭植株長(zhǎng)勢(shì)最好。

2.5 收獲

收獲時(shí)間為2011年9月26～30日。

2.5.1 總體情況（圖19） 下層羅生 3號(hào)共32株，總質(zhì)量 916 g，單株平均質(zhì)量為 28.63 g·株-1；中層紫羅蘭共14株，總質(zhì)量655 g，單株平均質(zhì)量為 46.79 g·株-1；上層紫羅蘭共31株，總質(zhì)量1 960 g，單株平均質(zhì)量為63.23 g·株-1（表 7）。

從表7中可以看出，上層LED燈補(bǔ)光塊紫羅蘭的單株質(zhì)量最大，但其葉片長(zhǎng)與葉片寬均處于中間水平。

圖19 總體長(zhǎng)勢(shì)情況

表7 JPWZ-1型微型植物工廠3層植株生長(zhǎng)狀況

2.5.2 單株收獲情況 選取3層中較大的單株（圖20）對(duì)其根長(zhǎng)、根莖直徑、株高、株寬、葉片長(zhǎng)、葉片寬、葉片數(shù)及單株質(zhì)量等進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表8。

從表8可以看出，上層LED燈補(bǔ)光塊的紫羅蘭的根莖直徑、開展度、葉片數(shù)及單株質(zhì)量均為3層中數(shù)值最大的，由此可見，上層的紫羅蘭為3層中長(zhǎng)勢(shì)最好的作物。

綜上所述，葉用萵苣在 JPWZ-1型微型植物工廠里均得到了較好的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)周期為30 d，比普通溫室設(shè)施內(nèi)葉用萵苣生長(zhǎng)周期（45 d）縮短1/3，生長(zhǎng)周期短，品質(zhì)好；JPWZ-1型微型植物工廠內(nèi)的 3層燈光中的上層 LED燈補(bǔ)光塊對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最強(qiáng)，其次為L(zhǎng)ED燈補(bǔ)光帶，最后為熒光燈。

圖20 選取的3層葉用萵苣單株

3 結(jié)論與討論

通過在JPWZ-1型微型植物工廠試種羅生3號(hào)及紫羅蘭等葉用萵苣品種，得出了以下結(jié)論。

（1）利用JPWZ-1型微型植物工廠種植葉用萵苣等葉菜類植物是完全可行的，且栽培周期短，比普通溫室設(shè)施內(nèi)葉用萵苣生長(zhǎng)周期縮短1/3左右。

（2）JPWZ-1型微型植物工廠可實(shí)現(xiàn)作物周年生產(chǎn)，且在栽培過程中不施用農(nóng)藥，生產(chǎn)的葉用萵苣是一種真正的衛(wèi)生、安全、無(wú)污染的健康食品。

（3）JPWZ-1型微型植物工廠3種光源中，其中LED燈補(bǔ)光塊對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)的效果是最好的，其次為L(zhǎng)ED燈補(bǔ)光帶、熒光燈。

JPWZ-1型微型植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)新生的事物，正處于探索和摸索階段，本試驗(yàn)為家庭設(shè)施園藝提供了一種行之有效的種植模式，也是微型植物工廠設(shè)施園藝與裝備結(jié)合的初步試驗(yàn)，下一步還應(yīng)該繼續(xù)探索老百姓經(jīng)常吃的苦苣、茼蒿、普通白菜（小白菜）等品種的栽培效果，以及LED燈不同光質(zhì)配比下設(shè)備的利用率、蔬菜的產(chǎn)量及實(shí)際應(yīng)用過程中電耗與運(yùn)營(yíng)成本核算的可行性，不斷研發(fā)與積累新的栽培技術(shù)和裝備技術(shù)，使研發(fā)的設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備能真正地與設(shè)施園藝相結(jié)合，為以后微型植物工廠能快速走入尋常百姓家奠定基礎(chǔ)。

陳晨．2011．“煞有介事”的植物工廠．中國(guó)科技財(cái)富，（11）：44-45．

商守海，周增產(chǎn)，卜云龍，呂科，張曉慧，李東星．2012．JPWZ-1型微型植物工廠的研制．農(nóng)業(yè)工程，（1）：44-47．

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