家用微型植物工廠結構設計與生菜栽培試驗

魏軼凡，毛罕平，左志宇，蘇光燦，卓敏敏

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

傳統農業受制于自然環境變化，自然環境變化無常，不適的溫濕度、光照等因素極易降低作物產量和品質，影響農作物連續穩定生產[1-2]。植物工廠是繼承溫室栽培優勢，發展出來的新一代高度專業化、現代化的設施農業，與溫室生產不同之處在于，完全擺脫傳統生產條件下自然條件和氣候的制約，且應用了先進技術設備，創造了精確可控的環境條件、實現了周年均衡供應產品[3-4]。

微型植物工廠是小型化的植物工廠，通過智能控制系統為作物營造一個適合的生長環境[5]。由于人們需要在有限的空間內栽培不同的蔬果，所以對家庭植物工廠的結構分區、營養液系統和溫濕度等環境調控提出了更高的要求[6-7]。國內家用的微型植物工廠在近幾年才剛剛發展起來，近期已有一些廠商制造出成品，但設備在效率及經濟性能方面仍存在很多問題[8]，未形成產品得到推廣[9-10]。

本微型植物工廠面對的用戶群體是家庭成員，所以設計必須以簡單、經濟、可靠、高效為原則，以此為要求設計一個適合植物生長的人工環境，讓作物健康高效成長。

1 微型植物工廠功能分析與總體方案

1.1 功能分析

植物工廠最根本的任務是栽培作物，保質保量地生產出新鮮的作物，所以需要依據微型植物工廠栽培植物的要求，設計節省空間及能源且適合植物生長的栽培系統。

合理的營養供給功能是植物高效生長的基礎。為了提高營養液利用效率，要實現營養液循環功能，需要附帶營養液過濾消毒功能。

節能高效的環境控制功能是作物最適生長的關鍵，設計為有良好絕緣功能的密閉空間利于降低生產能耗，但不利于作物吸收CO2進行光合作用。所以，微型植物工廠需要有空氣循環系統讓作物能夠接觸到足量的CO2：一是要有使內部空氣運動起來的內部循環功能；二是要有補充新鮮空氣的功能。

1.2 整體結構

本課題以研制出經濟高效的微型植物生長環境為目標，以栽培系統為核心，整體設計微型植物工廠，且需要適用于家庭環境下使用；定型為一種采用立體式栽培的密閉柜式微型植物工廠，尺寸近似家用對開門冰箱。

該微型植物工廠的整體外形結構如圖1所示。其最外層為絕熱保溫材料，將保溫層用金屬材料包裹起來形成整體框架外殼，再嵌入保溫內膽以增強保溫性能和溫度變化適應性。設置上部有一個腔體，腔體下面安裝壓縮機，側壁鋪設管路，安裝風扇、泵、閥、加熱板及消毒裝置等配套部件，組裝成整機。

將腔體進行功能性分割，分為一個主腔室和一個副腔室。主腔室為栽培區，使用栽培架栽培作物，用于栽培從定植到收獲的植株。將栽培區分成3層形成立體式栽培，每層都帶有各自的人工光源LED、風扇及栽培架等栽培裝置。

1.栽培區 2.栽培架 3.LED 4.營養液箱 5.育苗盤 6.育苗區 7.噴頭 8.育苗燈圖1 微型植物工廠的整體外形Fig.1 The overall structure of the micro plant factory

本設計希望能夠研究作物整個生命周期在微型植物工廠內生長的狀況，又可以讓家庭用戶享受培育作物整個生長過程的樂趣，所以增加了育苗功能，獨樹一幟地加入了育苗區，能持續提供菜苗。主腔室下方是副腔室，安置營養液箱和育苗區，育苗區使用育苗盤育苗，由霧化噴頭補充營養與水分，帶有補光燈提供光照。營養液循環系統及環境控制各種配套設備安裝在主腔室兩側與保溫殼體的夾層內。

目前已制成的樣機(見圖2)，有內部容積為450L和650L兩種，內部各結構系統相類似，450L設計可栽培45株植株(3層×3行×5列)，650L設計可栽培63株植株(3層×3行×7列)。兩種樣機除內部空間大小及配套設備功率大小不同以外，基本一樣，所以現以450L樣機為例，介紹本微型植物工廠機械結構及其配套設備設計。

圖2 微型植物工廠樣機實物Fig.2 Prototype of mini plant factory

微型植物工廠外形尺寸如圖3所示。其中，450L樣機外部尺寸為890mm×485mm×1 670mm，內腔尺寸為800mm×399mm×1 300mm，上部腔體作為微型植物工廠主體，包括作物生長區域及其配套設備，底部空間用于放置壓縮機及控制裝置。

圖3 微型植物工廠的整體尺寸Fig.3 The overall size of the micro plant factory

2 關鍵子系統設計

2.1 栽培系統

本微型植物工廠要符合家用的要求，需適合各層次家庭成員使用，所以應選擇簡單可靠的栽培方式。水培省去了使用基質內容，且更新也比較方便，所以是微型植物工廠栽培方式的首選項。水培技術根據營養液液層的深淺不同又可以分為深液流水培技術(Deep Flow Technique，DFT)和營養液膜技術(Nutrient Film Technique，NFT)。

在微型植物工廠中，考慮到盡可能節省空間的原則，可以采用營養液膜技術，通過減少栽培架中營養液縮小栽培架體積。但是，NFT技術是需要全天24h不間斷循環營養液的，而家用情況下水泵運行會帶來噪音影響用戶生活，也存在能耗高及使用壽命短的缺點；而使用DFT可以減少配套設備動作，且保持作物根際環境相對穩定，只要合理控制液層高度就可以使作物穩定高效生長，所以采用DFT栽植作物。

根據作物生長需求設計層高，每層的層高設計如圖4所示。整個空間由蓋板分隔，上部主要是植物莖葉生長區域，下部主要是植物根莖生長區域。上部區域自上而下最上面20mm是安裝LED燈管所需高度，包括燈管支架及線路。燈管下面是作物莖葉生長所需的空間，預留植株生長距離200mm，能基本滿足大部分葉菜的短縮莖上部的生長高度。為了防止植株葉片過于靠近LED燈管光源產生燒葉，也便于空氣流動，需要在燈管與植株最高高度之間留出50mm的距離。再往下就是栽培架水槽蓋板厚5mm。

圖4 栽培區單層設計Fig.4 The design of the single layer

蓋板下部是水槽，模擬了自然界中植物地下的生長空間，包括根須和營養物質營養液。根須會根據營養的來源方向生長，而且可以盤結，所以根莖高度不用著重考慮，留有足夠大小的定植杯即可；但需要營養液提供足夠的水分和營養，所以要精確控制其高度。為保證根系能充分接觸營養液，根據技術標準，作物剛定植時應保持營養液液面浸沒根須10～20mm；當根系大量伸出定植杯時，可以將液面高度調低；當植株很大，根系非常發達時，只需確保水槽中保持30～40mm的液層即可?？紤]到本設計定植杯內還有海綿支撐，其實是海綿決定了根須與營養液的距離，液面高度可以調節的余量為20mm，定植杯設計高度約55mm，再加上水槽底厚度5mm，所以設計水槽加蓋板總高為90mm。最終設計該微型植物工廠每個栽培層高度約為360mm。

主腔室最下面一層設置了育苗區和營養液箱，營養液箱的大小可以改變長寬高任意一個量，而育苗區高度不能過小，否則不足以植物有種子生長至壯苗。所以，需設計育苗區高度，本微型植物工廠設計使用標準育苗盤育苗，預估幼苗的生長高度100mm，還有霧化噴頭，管線和育苗補光燈，育苗區層高約220mm。

2.2 營養液循環系統

在傳統的DFT中，栽培作物的根系是長時間浸泡在營養液中的，一般幾天到1周才會更換一次營養液，會使營養液溶氧量降低，作物根部缺氧。根部呼吸作用受到抑制，導致爛根的發生，所以需要安裝氣泵通入栽培架水槽的營養液中，通過鼓入空氣防止營養液氧氣含量過低，避免爛根。而在微型植物工廠中營養液較少，可以通過定時循環營養液來解決，在栽培架兩側安裝電磁閥，通過控制器控制閥體的開閉來控制營養液排空時間，使植株根系可以脫離營養液，暴露在空氣中一段時間吸收氧氣。這樣植株既可以吸收營養液中的營養，又可以避免爛根。

圖5為營養液循環系統結構圖。圍繞著3層立體栽培區，營養液循環區位于栽培區下部與栽培架的左右側區域，兩側為循環管線及控制部件，下部有儲液箱、水泵和質量保障設備。將配制好的營養液加入栽培區下部的營養液箱中，當作物需要營養液時，營養液水泵工作，營養液箱中的營養液由經進流管線和電磁閥進入栽培架水槽，達到一定體積后停止；停滯一定時間讓作物吸收足夠的營養后，打開另一側電磁閥， 回流的營養液由回流管線先流經過濾器，再流經消毒器，最后回到營養液箱。過濾后的營養液更為清澈，更適合紫外線消毒。營養液從消毒器的一端流進，流經內部的石英管道，石英的紫外線透射率達到90%以上，經受紫外線的照射消毒，再從另一端流出。外部再用金屬包裹，保證紫外線不會漏出，完成安全消毒。

1.電磁閥 2.栽培架 3.進流管線 4.營養液箱 5.出流管線 6.無壓電磁閥 7.出流口 8.溢流口圖5 營養液循環結構Fig.5 Nutrition circulation system

為了避免營養液從外界不同環境溫度下進入影響內部溫度，選擇將營養液箱安裝在主腔室內，保持與內部溫度同步。

為方便家庭用戶操作，營養液更新設計為定期整體更換，步驟為先由水泵抽干儲液箱內的營養液，然后項箱內加入足量的水，最后加入按植物所需營養成分配比好的粉末狀藥品，溶于水攪拌均勻即可。營養液循環系統的循環周期、循環量、使用期限等參數針對各種作物的不停需求分別定制，儲存在存儲器中隨時調用。本微型植物工廠還設計有網絡接入功能，可與互聯網連接隨時下載和更新數據。

2.3 空氣循環系統

為防止CO2氣體被吸收會局部濃度降低，溫濕度控制設備和消毒效果也會降低。在栽培區的側壁上每層安裝循環風機，且開有出風口。風機由控制器控制，定時開啟，攪動空氣。每層風機安裝宜使內部氣流平行于植物栽培行的方向，減小植物對通風氣流的阻力。風機和出風口在水平方向上，采用偏心放置，有益于形成環流。為了盡量減少風機產生的氣流直接作用于植物，防止風壓過強致使作物倒伏，風機選擇安裝在栽培行之間的位置，氣流流向如圖6所示。垂直方向上的位置位于LED燈管下方，到作物的生長最高處位置。

1. 定植位 2.氣流 3.循環風機 4.氣流出口圖6 單層空氣流動Fig.6 Single layer air flow

除了內部空氣循環，還需要補充新鮮空氣。在栽培區上方安裝進氣泵，與外界聯通，從外界吸取CO2氣體，下部裝有另一個排氣泵，用于排出氣體，如圖7所示。

1.進氣泵 2.紫外線消毒燈 3-5.風扇 6.風向 7.出氣泵圖7 內部空氣循環Fig.7 Internal air circulation

工作時，兩只氣泵由控制器控制定時同時打開，使整個內部空間與外界形成一個空氣循環，達到吸入新鮮空氣補充CO2的目的。

這種設計方便快捷，但要考慮到的是，外部空氣進入內部環境的同時也有可能帶入病菌蟲卵等有害作物生長的物質，雖然氣泵帶有空氣過濾功能，但還是不能過濾掉細菌。所以，本設計在進風口位置安裝了紫外線消毒燈管，新風進入內部空間前先經過紫外線的照射殺菌消毒。將紫外線燈管放置在此處還有一個用處在于，燈管也靠近循環風機，在內部循環過程中也能起殺菌消毒的作用。

2.4 溫濕度控制系統

設微型植物工廠的溫度由壓縮機和電加熱板控制，壓縮機制冷降溫，電加熱板升溫。本設計將加熱板安裝于空氣循環系統中的循環風機附近，設定控制器控制加熱板與風扇同時打開，當加熱板工作加熱了周圍空氣時，循環風機同時在攪動空氣，便于將熱量通過空氣循環系統傳遞到微型植物工廠各個區域，既有利于整個微型植物工廠內部環境的溫度保持均勻，也在一定程度上防止了局部過熱損壞設備，提高了設備的安全性。

水培環境下一般栽培作物時濕度不會偏小，必要時可使用育苗區域的噴頭噴淋加濕。冬季采用適當加溫來降低室內相對濕度，夏季則需要靠通風和壓縮機來除濕。壓縮機的除濕原理是空氣中的水氣遇到蒸發器的低溫就會附著在上面凝結成露水，再經過集水盤和管道排出室外。

3 栽培試驗

3.1 試驗材料與方法

本試驗使用設計的樣機進行生菜栽培試驗，測試樣機實際使用性能。

試驗設備使用課題組自行設計的微型植物工廠，容積450L；每層安裝3只山東貴翔光電有限公司生產的WAN- T8120型LED燈管，90～260V交流供電，功率為15W，產品標稱輸出波長藍光為460～465nm，紅光為660～665nm。生菜品種選用意大利耐抽苔生菜，營養液配方采用霍格蘭配方。

將生菜種子用濕紗布包裹后催芽24h，然后播種于標準72孔穴盤中。育苗基質的配比為草炭∶蛭石∶珍珠巖比例為3∶1∶1，長至4葉1心時移植進栽培架。

設定參數營養液循環周期為4h，其中3h為浸泡時間，1h為空置時間，7天整體更換。循環風機每小時工作10min，氣泵每2h工作10min。光周期為12h明，12h暗。光照時溫度為25℃無光照溫度為20℃。

生長過程形態數據：測量生菜葉片長度(葉片基部至葉尖的長度)和葉片寬度(葉片最寬處的長度)，記錄葉片數(真葉長度>2 cm )，將每株生菜控水3min后測量鮮重。

生長期生理數據：由Li-6400便攜式光合速率儀 (Li-COR Inc.，Lincoln，NE)測得，包括凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率。葉綠素含量采用SPAD-502葉綠素儀進行測定。試驗環境如圖8所示。

圖8 微型植物工廠栽培環境Fig.8 Micro-plant factory cultivation environment

3.2 試驗結果與分析

在微型植物工廠定植后，每隔兩日測量記錄生菜葉片形態數據。從每層栽培架中隨機選取3株生菜作為測量對象，測量其最大葉片的葉長葉寬和葉片數并取平均值，以表征生菜在整個生長過程中的形態變化。其數據如圖9和圖10所示。

圖9 生菜葉長葉寬隨定植天數的變化Fig.9 Changes of the length and width of leaves with the number of colonization days

圖10 生菜葉片數隨定植天數的變化Fig.10 Changes of the leaf number with the number of colonization days

同樣，每隔兩日從總體樣本中每層隨機選取3株為測量對象，測量植株的鮮質量。將數據匯總取平均值，以表征生菜在整個生長過程中每隔兩日產量的變化。其數據如圖11所示。

圖11 生菜鮮重隨定植天數的變化Fig.11 Changes of the fresh weigh with the number of colonization days

為了了解樣機試驗過程中植物的生理狀況，在作物定植后第14、21、28日，在每層栽培架中隨機選擇3株生菜作為測量對象，測量其光合作用各項指標及葉片葉綠素含量(SPAD)，為減小誤差每次重復6次取平均值，測量每棵測量植株最大兩片葉片的葉尖部位。測得數據取均值，結果如表1所示。

表1 生長狀況數據測量Table 1 Data measurement results about growth

4 結論

試驗結果表明：本試驗生菜的整個生長過程中，各項形態指標持續增長，葉長葉寬呈現增長速率先增大后減小的變化，最終達到葉長13.81cm，葉寬達到10.82cm，葉片數穩步上漲達到15.03片。

生菜的鮮重在整個生長過程中的變化與葉長葉寬變化類似，前期生長緩慢，中期加速增長，后期增速放緩。最終鮮重79.13g，栽培期28天，已基本達到植物工廠蔬菜生產的優秀水平。

由生長期中光合作用與SPAD的測量，從定植后14-28日，平均凈光合作用速率15.67μmol/m2s，氣孔導度0.51μmol/m2s，胞間CO2濃度221.54mol/mol，蒸騰速率6.45mol/m2s，SPAD為22.87。各項指標證明生菜光合作用達到適宜水平，說明本設計的微型植物工廠環境下，光照、CO2和養分供應充足，適合生菜生長。