草莓集裝箱植物工廠設計與應用

周增產，趙 靜，胡福生，姚 濤，李忠明，王志冉

(1.北京市農業機械研究所有限公司，北京100096； 2.北京京鵬環球科技股份有限公司，北京100094； 3.北京市植物工廠工程技術研究中心，北京100094； 4.北京市昌平區農業技術推廣站，北京102200)

0 引言

集裝箱植物工廠是利用集裝箱，添加生產系統和環境控制系統的一種微型智能化植物工廠類型[1]。區別于普通植物工廠，集裝箱植物工廠具有移動性強、使用地域廣泛，以及可在遠洋貨輪、邊防哨所、高山海島、海軍艦艇周年持續和穩定供給蔬果，實現小人群的鮮活蔬果自給需求[2]。草莓是營養豐富的保健水果，果實中含有的鞣花酸具有抗癌效果，其經濟效益遠高于蔬果作物，是提高農民經濟收入的一種重要園藝作物[3]。然而其設施生產中的果實品質一般較低，且無法進行周年生長，如何提高果實品質達到周年生產以滿足消費者日益增長的品質需求已成為生產中亟待解決的問題之一。為此，北京市農業機械研究所有限公司專門為草莓種植設計一套模塊化組合栽培設施，可供從事草莓種植的單位和個人根據自身需求對集裝箱植物工廠進行定制。該集裝箱植物工廠將草莓種植與集裝箱植物工廠相結合，達到草莓周年生產的效果，具有模塊組合靈活、移動方便等優勢。同時，為了驗證該集裝箱植物工廠與草莓栽培的適應性，進行草莓栽培試驗，以期為優化改進草莓集裝箱植物工廠提供理論基礎。

1 總體設計方案

草莓集裝箱植物工廠，通過標準的40尺集裝箱高柜改造而成，配置補光系統、水肥系統、栽培系統、空調通風系統和自控系統等，如圖1所示。補光系統選用全光譜LED補光燈，為草莓生長提供光源。水肥系統由供水箱、回水箱、紫外線消毒器、肥料桶、肥料泵和一系列管道及管件組成，為作物提供水分和養分。栽培系統由栽培架、栽培槽和LED燈組成，為作物提供生長的載體。空調系統由1臺5匹柜式空調、2個頂部通風風機、6個側通風窗，以及靜壓箱、離心式風機和送風道組成。

2 關鍵部分設計

2.1人工光系統

光是植物生產發育的重要能量源和信息源，不同光受體吸收不同波長的光，不同波長的光對植物生長的作用也不相同，光質配比作為光環境中的關鍵影響因子能通過光受體傳導途徑調節植物的整個生命周期，影響植物各生長時期的發育狀況[4]。本文介紹的草莓集裝箱植物工廠選擇全光譜LED補光燈，增加了對植物光合作用起決定作用的450 nm和660 nm部分，如圖2所示，可提高光合作用效率。同時相比之前粉紅色的光源，又增加了綠光黃光部分，現在色溫為3 000 K，不會影響人眼的舒適度。

2.2栽培系統

栽培系統的栽培框架為定制焊接立柱，在栽培框架內，為梯形PVC槽體，覆蓋基質種植草莓，槽體底部具有邊緣孔，栽培槽下方有回水槽，對草莓供給的營養液流經回水槽隨管道流入回液箱體。栽培架為4層結構，每層布置20個栽培槽和20盞LED補光燈，如圖3所示。

2.3水肥一體化系統

水肥系統有紫外線消毒器，以保證供給作物的水是無菌的。水肥系統有供液箱和回液箱，放置于栽培架底部，如圖4所示。水肥系統包括共3個母液罐，分為A、B、C共3個小罐，每個母液罐直徑400 mm，體積50 L，立體擺放，在電子水表和電磁閥門的控制下流入營養液工作箱，營養液工作箱是貯存和供應栽培箱營養液的容器，每個肥料單獨使用一臺肥料泵，以保證各種營養元素的均衡。模塊化電控裝置，功能齊全，定時標準，與水處理筒體采用一體化設計，具有安裝方便、操作簡單、安全可靠和便于維護的特點。

2.4空調系統

空調通風系統能為植物提供相對可控制甚至最適宜的溫度、濕度等環境條件，使其一定程度上擺脫對自然環境的依賴[5]。該草莓集裝箱植物工廠采用立體送風空調裝置，如圖5所示，可有效防止因空調送風裝置布置問題影響作物生長，提高控溫效率，滿足草莓生長要求。空調借助于風道送風，將空調風送至栽培系統每一株草莓。

2.5環境控制系統

植物工廠內的環境調控是保證植物生長最為關鍵的環節，它直接關系到植物生長的品質與產量[6]。因此，環境控制系統的設計主要從溫度、濕度、光照和CO2濃度等方面考慮。

環境控制系統位于配電箱內，包括控制器、傳感器(包括溫度、濕度和CO2濃度)和觸摸屏，能夠精確地自動控制該生產裝置內的溫度、濕度和CO2濃度等環境條件因子，為草莓的生長提供適宜的環境。還可以手動控制集裝箱內的環境參數，調整箱內適宜當地環境生產的參數。

3 試驗測試

為確定草莓集裝箱植物工廠的栽培環境穩定性，對草莓定植后的集裝箱植物工廠進行光環境、溫濕度及送風均勻性的試驗測試。測試點如圖6所示，將集裝箱內分為4個區域，每個區域內設施4個測試點，分別從頂層到底層，記錄儀位于每個區域層內中心位置，共計4×4=16。集裝箱內共有6個出風口，每個出風口設置2個測試點，距離30 cm，高點為A，低點為B，集裝箱內總計28個測試點監控溫濕度變化情況。

3.1光環境測試

使用遠方光電手持式植物光照分析儀PLA-20對集裝箱植物工廠內A區和C區進行光照強度測試，距離LED燈具的表面20 cm處分別設置測試點，測試結果如表1所示。

光照是影響草莓生長發育的關鍵因素，它不僅影響草莓的開花坐果等生物學特性，而且對草莓的營養物質代謝、理化性質等都具有十分重要的調控作用，因此，適宜的光照是影響草莓產量、品質的關鍵因 素[7]。經過測試草莓集裝箱光照環境可控，光照強度可達20 000 LUX，光合有效輻射400 mol(m·s-1)以上，可達到草莓生長需求，配合紫外光源，利于蜜蜂授粉[7]。

表1 光環境測試數據

3.2溫濕度測試

由圖7～8可知，明期內垂直方向最大溫差2.7 ℃，最小溫差0.9 ℃，平均溫差1.8 ℃，平均溫度24.1 ℃；暗期內高度方向最大溫差2.2 ℃，最小溫差1.1 ℃，平均溫差1.5 ℃，平均溫度17.0 ℃。明期內水平方向最大溫差1.5 ℃，最小溫差0.5 ℃，平均溫差0.6 ℃，平均溫度24.5 ℃；暗期內水平方向平均最大溫差1.2 ℃，最小溫差0 ℃，平均溫差0.1 ℃，平均溫度17.4 ℃。綜合數據分析，明期平均溫度(25±1)℃，暗期平均溫度(17±1)℃，符合溫度17～25 ℃設定值。

由圖9～10可知，明期內高度方向最大濕度82.9%，最小濕度61.7%，平均濕度70.9%，平均濕度差1.9%；暗期內高度方向最大濕度80.8%，最小濕度60.7%，平均濕度74.5%，平均濕度差3.4%；高度方向總平均濕度72.7%。明期內水平方向最大濕度83.9%，最小濕度62.9%，平均濕度71.7%，平均濕度差0.6%；暗期內水平方向最大濕度81.6%，最小濕度67.4%，平均濕度77.8%，平均濕度差0.1%，水平方向總平均濕度74.7%。綜合數據分析，明期平均濕度70%±5%，暗期平均濕度75%±5%，符合濕度70%～85%設定值。

3.3風速測試

使用衡欣風速測量儀AZ8901對集裝箱植物工廠內的出風口進行定點測試，如圖11所示。根據測試結果，A點平均風速3.1 ms，B點平均風速2.5 ms，均勻性良好。

3.4草莓品質檢測

草莓為薔薇科、草莓屬(Fragaria)小果樹，自然界中的草莓目前已知的有20多個種，目前市場上常見草莓品種有日本品種，歐美品種及中國品種，日本草莓保持著世界最高水準，在糖度和口感方面接近最高水平[8-9]。其中甜味取決于可溶性固形物(SSC)的含量，主要是蔗糖、葡萄糖和果糖，香味主要取決于醇、酯、醛、酮及呋喃酮，這些物質在草莓果實中的含量共同決定草莓的感官品質，草莓集裝箱種植的是日本品種章姬[10]。

草莓采收開始后，分批次取樣，采用隨機取樣法，共取樣1KG鮮果，進行草莓品質檢測，送至北京中科光析化工技術研究院進行測定，檢測內容包括總糖、總糖酸比、無機砷、總汞、氯氰菊酯、多菌靈和可溶性固形物，測試結果取3次平均值，結果如圖12所示。

草莓集裝箱植物工廠種植的草莓，總糖5.32%，總糖酸比1.77，未檢出無機砷、汞、氯氰菊酯和多菌靈。可溶性固形物含量12%，所生產草莓綠色安全，具有高品質。

4 結論

(1)草莓集裝箱植物工廠的設計方案合理。

(2)內部的溫度、濕度、光照和風速等參數都能夠滿足草莓生長所需的環境條件，系統配置科學，光能利用率高，種植系統安裝便捷，可提高資源利用效率，達到草莓的連年生產需求。

(3)經過檢測所生產草莓綠色安全，具有高品質。

(4)下一步計劃對目前的草莓集裝植物工廠進行智能升級，主要進行空調換氣系統的再升級，打造全智能移動式高附加值草莓集裝箱植物工廠，加強市場推廣力度，全面實現產業化。