空間植物栽培裝置方案與驗(yàn)證

唐永康,蔡旭哲,吳 浩,吳志強(qiáng),艾為黨,沈韞賾,毛瑞鑫,胡清華,王隆基

(1.人因工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心),北京 100094; 2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心,北京 100094)

植物是受控生態(tài)生保系統(tǒng)(controlled ecological life support system,CELSS)中非常關(guān)鍵的生物功能部件,通過植物的光合作用和蒸騰作用,可以為航天員提供食物、O2和凈水,同時(shí)去除CO2和一些微量有害氣體,并能緩解航天員的心理壓力[1]。因此,在特定人工環(huán)境(如空間站)中研究植物的生理生態(tài)特性,對(duì)于未來在月球或火星基地建立CELSS有著重要的意義[2]。

1971年,俄羅斯利用禮炮號(hào)空間站開展了“綠洲”1號(hào)植物栽培系統(tǒng)搭載實(shí)驗(yàn),從此開啟了人類在空間進(jìn)行植物培養(yǎng)和研究的大門。美國(guó)、俄羅斯等航天大國(guó)多次在禮炮號(hào)空間站、和平號(hào)空間站、航天飛機(jī)和國(guó)際空間站上,開展植物培養(yǎng)的各類實(shí)驗(yàn)研究。它們先后在太空利用24臺(tái)植物栽培系統(tǒng),栽培了40多種不同種類的植物[3-5]。目前,蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)(veggie)、先進(jìn)植物栽培裝置(APH)和根曝露在軌測(cè)試系統(tǒng)(XROOTS)正在國(guó)際空間站開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,已培養(yǎng)了中國(guó)大白菜、生菜、擬南芥、小麥和蘿卜等植物[6-12]。國(guó)內(nèi)方面,中國(guó)航天員中心和中科院,在天宮二號(hào)和中國(guó)空間站上搭載了植物實(shí)驗(yàn)裝置,開展了生菜、水稻和擬南芥等植物培養(yǎng)[13-14]。此外,相關(guān)研究單位也在地面開展了針對(duì)空間環(huán)境條件下的植物栽培研究工作[15-20]。

總體而言,國(guó)外航天機(jī)構(gòu)開展的研究和實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)較多,空間站植物栽培系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜,開展的研究?jī)?nèi)容和方向越來越多。科學(xué)家們?cè)趶V泛開展空間微重力環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)特性、遺傳特性、生理特性等方面研究的基礎(chǔ)上,還開展了食用安全性評(píng)價(jià)、植物栽培技術(shù)評(píng)價(jià)等方面的研究,并實(shí)現(xiàn)了航天員在軌食用培養(yǎng)的生菜[3,7-8]。而中國(guó)相關(guān)研究起步較晚,與國(guó)外相比,開展空間搭載植物裝置的機(jī)會(huì)較少,主要差距體現(xiàn)在:1)植物水分和養(yǎng)分供應(yīng)方式比較簡(jiǎn)單,不能滿足開展植物長(zhǎng)期培養(yǎng)的需求;2)裝置大氣環(huán)境控制能力較弱;3)裝置可測(cè)環(huán)境參數(shù)和植物生長(zhǎng)參數(shù)數(shù)量較少;4)植物培養(yǎng)面積小,周期較短,植物品種少,實(shí)驗(yàn)規(guī)模小。

本文是基于空間環(huán)境和平臺(tái)資源約束,開展空間植物栽培裝置方案研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,掌握水分/養(yǎng)分供應(yīng)技術(shù)和裝置集成技術(shù),為后續(xù)開展空間植物栽培裝置工程樣機(jī)研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 裝置方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于空間微重力環(huán)境、資源約束和邊界約束,以及滿足植物生長(zhǎng)所需要的水分、養(yǎng)分、氧氣、光照、大氣等環(huán)境條件,對(duì)空間植物栽培裝置進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。該裝置主要包括水分/養(yǎng)分供應(yīng)、大氣環(huán)境控制、光源、測(cè)量與控制、栽培室和根盤等6個(gè)功能模塊(如圖1所示),利用支撐結(jié)構(gòu)將6個(gè)模塊有機(jī)集成一個(gè)整體。裝置包絡(luò)尺寸為502 mm×440 mm×600 mm,質(zhì)量≤40 kg,功耗≤200 W,栽培面積0.12 m2,栽培高度350 mm。

圖1 空間植物栽培裝置基本構(gòu)成Fig.1 Composition diagram of space plant cultivation device

1.2 水分/養(yǎng)分供應(yīng)

水分/養(yǎng)分供應(yīng)模塊主要功能是根據(jù)不同植物生長(zhǎng)需要,實(shí)時(shí)適量為根系提供水分、養(yǎng)分和氧氣供應(yīng)。空間微重力會(huì)造成植物根系周圍形成一個(gè)邊界層,如果植物根部水分運(yùn)動(dòng)控制不好,極容易造成根部水分過多而根系缺氧,或者水分過少造成植物缺水。因此,水分供應(yīng)擬采用多孔管+吸水材料+栽培基質(zhì)[15-16]的主動(dòng)供水方式(如圖2所示),通過毛細(xì)作用為植物基質(zhì)和根系供水。供水量可定量測(cè)量、調(diào)節(jié)和控制,養(yǎng)分供應(yīng)采用專門研制的長(zhǎng)效控釋肥(全營(yíng)養(yǎng)成分)作為植物養(yǎng)分來源,結(jié)合水分供應(yīng),可一次施肥為植物整個(gè)生育期生長(zhǎng)提供充足養(yǎng)分,保證其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。控釋肥配方中N為15%,P2O5為7%,K2O為21%,CaO為3%,MgO為2%,S為1%,TE為0.45%。在植物生長(zhǎng)期間,主要通過傳感器監(jiān)測(cè)栽培基質(zhì)的電導(dǎo)率變化情況來判斷基質(zhì)養(yǎng)分狀況;氧氣供應(yīng)采用氣泵、單向閥和氣管的方式為栽培基質(zhì)供應(yīng)栽培室內(nèi)的大氣(氧氣)。

圖2 水分/養(yǎng)分供應(yīng)模塊組成Fig.2 Composition diagram of water and nutrient control module

1.3 大氣環(huán)境控制

微重力會(huì)導(dǎo)致植物葉面周圍的邊界層顯著加厚,導(dǎo)致植物與環(huán)境之間的物質(zhì)(氧氣、水和二氧化碳等)和熱量傳輸受到極大限制。因此,大氣環(huán)境控制模塊擬通過內(nèi)、外兩種通風(fēng)循環(huán)模式為植物生長(zhǎng)提供通風(fēng)條件,以及調(diào)節(jié)栽培室大氣環(huán)境參數(shù)(壓力、溫度、濕度、二氧化碳和氧氣)。內(nèi)循環(huán)(如圖3(a)所示)為順時(shí)針閉環(huán)持續(xù)通風(fēng),可充分混勻栽培室內(nèi)大氣成分,減少在空間微重力環(huán)境下植物與環(huán)境間的邊界層厚度,促進(jìn)植物與環(huán)境間物質(zhì)和能量的交換。同時(shí)通過乙烯去除劑去除植物產(chǎn)生的乙烯;外循環(huán)(如圖3(b)所示)主要基于大氣環(huán)境參數(shù)控制,通過間斷方式進(jìn)行內(nèi)外氣體交換,調(diào)節(jié)栽培室大氣環(huán)境條件。

圖3 大氣環(huán)境控制模塊內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)組成Fig.3 Composition diagram of atmospheric environment control module inner loop and extrinsic cycle

1.4 光源

光源模塊主要為不同類植物生長(zhǎng)提供合理的光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期。基于前期研究結(jié)果[17-18],采用紅光(660 nm),藍(lán)光(450 nm),綠光(525 nm),白光(400～700 nm),遠(yuǎn)紅外光(735 nm)共5種LED光源,其光能占比中紅光為30～40%,藍(lán)光為10～20%,綠光約5%,白光為30～40%,遠(yuǎn)紅外光約5%。最大光強(qiáng)為638.18 μmol·m-2·s-1。5種LED光源的光強(qiáng)可以在0～100%之間連續(xù)可調(diào),并通過不同顏色LED的組合,從而滿足果蔬類(如生菜)和糧油類(如小麥)對(duì)特定光譜的需求。

1.5 測(cè)量與控制

測(cè)量與控制模塊主要功能是測(cè)量、顯示和控制各類環(huán)境參數(shù)值,并根據(jù)要求將其控制在合理范圍內(nèi)。其依托測(cè)控軟件、電源、攝像頭和各類傳感器(23支)對(duì)滿足植物生長(zhǎng)的大氣環(huán)境類、光環(huán)境類、根環(huán)境類、植物生長(zhǎng)狀態(tài)類共39個(gè)環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有效測(cè)量和控制。同時(shí),通過1553B總線接口傳輸裝置的控制指令、注入數(shù)據(jù)和遙測(cè)參數(shù),通過以太網(wǎng)傳輸裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.6 栽培室和根盤

栽培室及根盤模塊主要功能是為植株和根系提供充足的生長(zhǎng)空間。栽培室(如圖4(a)所示)是一個(gè)密閉空間,可開展植物光合作用、蒸騰作用和呼吸作用測(cè)試,同時(shí)也可維持相對(duì)穩(wěn)定的大氣環(huán)境條件,防止裝置外污染物進(jìn)入栽培室。栽培室提供栽培面積0.12 m2,栽培高度350 mm;根盤模塊(如圖4(b)、4(c)所示)主要包含兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的根盤,分別安裝固定在栽培室底部左、右兩側(cè),可從栽培室前門整體移除和替換。每個(gè)根盤底部連接有升降結(jié)構(gòu),以近光培養(yǎng)充分利用光能,升降范圍為0～300 mm。根盤內(nèi)優(yōu)選配置了適合空間水分/養(yǎng)分供應(yīng)和植物根系生長(zhǎng)的栽培基質(zhì),栽培基質(zhì)粒徑0.5～2.0 mm,容重0.62 g/cm3,總孔隙度71.80%。

圖4 栽培室、升降結(jié)構(gòu)及根盤模塊組成Fig.4 Composition diagram of cultivation room module, lifting structure and root tray module

1.7 集成與調(diào)試

設(shè)計(jì)方案確定后,開展了裝置中6個(gè)功能模塊的工程實(shí)現(xiàn)和集成裝配,重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)裝置的小型化、輕量化和高可靠。隨后完成了相關(guān)性能調(diào)試與改進(jìn),主要包括大氣漏率測(cè)試、水分/養(yǎng)分供應(yīng)、大氣環(huán)境控制(氣體成分控制、散熱能力評(píng)估和通風(fēng)流場(chǎng)測(cè)試等)、光源強(qiáng)度和均勻性測(cè)量及調(diào)節(jié),各類參數(shù)的測(cè)量與控制,以及功耗測(cè)試等內(nèi)容。通過裝置整體集成、性能調(diào)試和性能改進(jìn),完成的空間植物栽培裝置如圖5所示。裝置主要性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況如下:質(zhì)量39.4 kg,包絡(luò)尺寸502 mm×440 mm×600 mm,功耗166.6 W(峰值),栽培面積0.12 m2。

圖5 空間植物栽培裝置Fig.5 Physical drawing of SPCF

2 裝置驗(yàn)證

裝置驗(yàn)證主要包括:1)裝置性能驗(yàn)證(水分/養(yǎng)分供應(yīng)、大氣環(huán)境控制、LED光照、參數(shù)測(cè)量與控制);2)植物功能評(píng)價(jià)驗(yàn)證(生物學(xué)特性、物質(zhì)和能量交換、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和生物安全性);3)植物栽培流程驗(yàn)證(流程合理性、資源需求及保障、與環(huán)境之間的相互影響)。

2.1 驗(yàn)證平臺(tái)

開展裝置驗(yàn)證的組合體試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。該平臺(tái)通過非再生和再生生保系統(tǒng)匹配協(xié)調(diào)共同實(shí)現(xiàn)環(huán)控生保系統(tǒng)功能。其中再生生保系統(tǒng)是平臺(tái)供氧、大氣凈化、水凈化和回收的主要設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境間物質(zhì)交換和回收的重要功能;非再生生保系統(tǒng)提供基礎(chǔ)平臺(tái)功能和應(yīng)急狀態(tài)下生命保障功能。該平臺(tái)的大氣環(huán)境條件包括:1)艙內(nèi)總壓為93～97 kPa;2)氧分壓為20.5～22.0 kPa;3)CO2分壓為0.30～0.50 kPa(平均值約0.35 kPa);4)溫度為23～25 ℃;5)濕度為40%～60%。

圖6 組合體試驗(yàn)平臺(tái)及植物栽培裝置艙內(nèi)安裝位置Fig.6 Combination testing platform and installation position of SPCF

2.2 驗(yàn)證過程

將研制完成的空間植物栽培裝置安裝在平臺(tái)內(nèi)(如圖6(b)所示),設(shè)置裝置的初始技術(shù)狀態(tài)(基質(zhì)裝填、控釋肥施用、根盤安裝、初始水分注入、光源設(shè)置、大氣參數(shù)設(shè)置,等等),播種生菜(大速生)種子,啟動(dòng)裝置開始驗(yàn)證。驗(yàn)證期間需人工進(jìn)行必要的植物生長(zhǎng)管理、植物收獲、樣品采集和分析測(cè)試。

2.3 栽培流程

植物栽培流程驗(yàn)證包括種子播種、水分加注、種子萌發(fā)管理、幼苗間苗、植株定植、生長(zhǎng)管理、生長(zhǎng)測(cè)試、收獲采樣和分析測(cè)試等過程。栽培流程如下:

1)種子播種。每個(gè)根盤播種8穴,每穴10粒種子,播種深度1 cm。

2)水分加注。將根盤安裝在栽培室,連接供水/通氣管路,自動(dòng)供水1 400 mL。

3)種子萌發(fā)管理。種子吸水萌發(fā)(3～5 d)。播種后第4～10 d,開啟50%生菜LED光源。

4)間苗定植。播種第10 d,選取均勻一致的幼苗間苗/定植1株/穴至成熟收獲。

5)生長(zhǎng)管理。主要包括光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)、根盤高度調(diào)節(jié)、水分供應(yīng)、生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、氣體交換測(cè)試、收獲、采樣、分析測(cè)試。

6)操作時(shí)長(zhǎng)。32 d實(shí)驗(yàn)期間,實(shí)驗(yàn)人員平均進(jìn)艙操作時(shí)長(zhǎng)為8.16 min/1人次/d。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,植物栽培流程合理可行。

2.4 裝置性能

1)水分供應(yīng)。生長(zhǎng)期間,水泵供水共32次,累計(jì)添加量為15.92 L(不含初始添加1.4 L/盤)。生菜總耗水為18.72 L,其中蒸騰15.14 L。水分供應(yīng)功能正常。

2)養(yǎng)分供應(yīng)。兩個(gè)根盤共施用生菜控釋肥36.0 g,分兩層施用,上層60%,下層40%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)期間,不同階段生菜生長(zhǎng)良好,無營(yíng)養(yǎng)缺乏癥狀。所測(cè)量的基質(zhì)電導(dǎo)率參數(shù)值范圍為0.38～1.58 mS·cm-1。

3)大氣環(huán)境控制。通過內(nèi)循環(huán)通風(fēng),栽培室內(nèi)通風(fēng)流場(chǎng)整體均值可達(dá)0.62 m/s,不同截面風(fēng)速均大于0.5 m/s,平均極差均小于0.3 m/s,風(fēng)速大小及均勻性均能滿足要求。通過外循環(huán)通風(fēng),很好調(diào)節(jié)了栽培室內(nèi)大氣環(huán)境參數(shù)值。平均10～15 min,開啟一次外循環(huán),持續(xù)2～10 min后大氣平衡。大氣溫度控制在23.0～25.5 ℃范圍內(nèi)。

4)植物光照控制。光源模塊所配置紅、藍(lán)、白、綠、遠(yuǎn)紅外光5種LED的發(fā)光強(qiáng)度均可以在0%～100%之間調(diào)節(jié),且可任意組合。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)期間,生菜不同階段所需的光照配置為:萌發(fā)階段中紅光為15%,藍(lán)光為16%,白光為10%;生長(zhǎng)階段中紅光為30%,藍(lán)光為32%,白光為18%,綠光為31%,遠(yuǎn)紅外光為15%。

5)參數(shù)測(cè)量控制。植物裝置測(cè)量的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和設(shè)備參數(shù)共39個(gè)。采取循環(huán)檢測(cè)的方式,每40 s完成一輪參數(shù)的檢測(cè)和存儲(chǔ)。植物裝置具備在線影像記錄功能,實(shí)時(shí)監(jiān)控植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。植物裝置對(duì)參數(shù)的測(cè)量與控制滿足了裝置的正常運(yùn)行和植物的正常生長(zhǎng)。

2.5 植物生長(zhǎng)驗(yàn)證

2.5.1 生長(zhǎng)特性及生產(chǎn)能力

播種第3 d生菜開始萌發(fā),第10 d定植,第32 d成熟。成熟時(shí)生菜葉色濃綠(如圖7所示),生長(zhǎng)旺盛,均勻一致,營(yíng)養(yǎng)狀況良好。生菜株高22.6 cm,葉片數(shù)9.0片,生長(zhǎng)速率為0.67 cm/d。生菜共累計(jì)總生物量752.09 g(鮮質(zhì)量)(如圖7所示),生長(zhǎng)速率為164.66 g(鮮質(zhì)量)·m2·d-1。

圖7 生菜收獲時(shí)的生長(zhǎng)狀態(tài)及生物量Fig.7 Growth state and biomass of lettuce plants

2.5.2 物質(zhì)和能量交換

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)共耗電53.03 kWh(見表1),功率較大的設(shè)備主要為L(zhǎng)ED光源功率(24.7 W)、測(cè)控模塊(24.8 W)和循環(huán)風(fēng)機(jī)(11.0 W),整個(gè)裝置平均功率為70.0 W(峰值功率為80.8 W)。共裝填干基質(zhì)3 866.27 g,總耗水為18.72 L。驗(yàn)證期間大氣二氧化碳平均濃度為0.4%。收獲時(shí)生菜葉片的平均光合速率達(dá)到8.47 μmol·m-2·s-1(如圖8所示)。通過植物光合作用速率測(cè)量和計(jì)算,生菜整個(gè)生長(zhǎng)期間共吸收二氧化碳60.56 g,釋放氧氣44.04 g。LED光源通過5種顏色LED光累積釋放可見光光子162.08 mol,滿足了生長(zhǎng)對(duì)光照的需求。

表1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要物質(zhì)消耗與產(chǎn)出統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Consumption and output of main materials in closed test

圖8 不同時(shí)間生菜光合速率Fig.8 Photosynthetic rate of lettuce plants at different time

2.5.3 生產(chǎn)效率

單位時(shí)間、單位面積和單位能量(每天)的物質(zhì)生產(chǎn)效率為101.31 g(鮮質(zhì)量)·(kWh)-1·d-1·m-2(見表2)。基于生菜生物量、LED光源在生菜生長(zhǎng)期間發(fā)射的光子數(shù)(162.08 mol光子),計(jì)算生菜對(duì)光能的利用效率為0.31 g(干質(zhì)量)·mol-1光子。基于生菜收獲時(shí)生物量干質(zhì)量(g)和整個(gè)生長(zhǎng)期間實(shí)際消耗的水分(L),計(jì)算評(píng)價(jià)水分利用效率為2.71 g(干質(zhì)量)·L-1。

表2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)生菜生產(chǎn)/利用效率統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Production and efficiency of lettuce plants in closed test

2.5.4 養(yǎng)分吸收

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)投入控釋肥36.00 g(總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.4%,共15.62 g),收獲后控釋肥釋放殘留8.61 g。肥料的當(dāng)季利用率為49.97%。生菜累計(jì)吸收礦質(zhì)養(yǎng)分6.57 g,粗灰分累計(jì)量為8.89 g。基于當(dāng)季肥料利用率,共4.08 g養(yǎng)分(合計(jì)肥料量9.40 g)進(jìn)入基質(zhì)殘留。基質(zhì)中不同養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3,該養(yǎng)分可以為下一茬植物生長(zhǎng)所利用。

表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)生菜植株大/中/微量元素吸收量Tab.3 Absorption of macro/secondary/trace elements in lettuce plants in closed test g

2.5.5 食品安全性

收獲后植株樣品中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低(見表4)。硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為524 mg/kg,屬于正常范圍(497～649 mg/kg),為蔬菜硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分級(jí)平均標(biāo)準(zhǔn)二級(jí),可安全食用。基質(zhì)的微生物總量和細(xì)菌均高于生菜植株葉片中的數(shù)量(見表5)。生菜植株中的真菌、放線菌和糞大腸桿菌均未檢出,而基質(zhì)中均存在真菌和放線菌,但糞大腸桿菌未檢出(見表6)。

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)生菜植株重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.4 Heavy metal contents of lettuce plants in closed test (mg·kg-1)

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)生菜植株微生物數(shù)量Tab.5 Microbial of lettuce plants in closed test g

表6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)栽培基質(zhì)微生物數(shù)量Tab.6 Microbial of substrate in closed test g

3 結(jié) 論

1)空間植物栽培裝置系統(tǒng)構(gòu)成合理,集成度高,功能模塊性能良好,創(chuàng)造了滿足空間植物培養(yǎng)所需的多類環(huán)境條件。

2)利用組合體試驗(yàn)平臺(tái),開展了32 d裝置綜合性能集成驗(yàn)證,裝置實(shí)現(xiàn)了水分和養(yǎng)分精準(zhǔn)供應(yīng)、大氣環(huán)境合理控制、光照的按需調(diào)控和栽培基質(zhì)的優(yōu)選配置。

3)裝置的植物栽培流程清晰、合理,人員操作便捷、時(shí)長(zhǎng)短(8.16 min/1人次/d)。裝置具有較高的植物生產(chǎn)能力,所培養(yǎng)的生菜生長(zhǎng)良好,生產(chǎn)效率達(dá)101.31 g(鮮質(zhì)量)·(kWh)-1·d-1·m-2。

致謝：

感謝人因工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目支持(GJSD18001和6142222210701)。