人工光植物工廠水培生菜高效生產關鍵技術.pdf

栽培生理 Cultivation Physiology 中國果菜 China Fruit 2 Rural Economic Development Service Center ofQihe County Bureau ofAgriculture and Rural Affairs Dezhou 251100 China Abstract Artificial light plant factory is a newform of advanced agriculture plant factory can replace the unstable agricultural environment manually three dimensional cultivation mode can make full use oflimited space improve crop planting efficiency and crop quality In this paper the efficient cultivation techniques of hydroponic lettuce were summarized from seedling management transplanting and transplanting allocation and circulation of nutrient solution intelligent management and control of plant factory etc This system through the one piece environment 收稿日期 2022 07 19 基金項目 山東省農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程 名優(yōu)特色花卉提質增效關鍵技術創(chuàng)新和示范 CXGC2022A12 第一作者簡介 陳淑君 1992 女 碩士 主要從事植物工廠水培葉菜和藥用植物研究工作 通信作者簡介 孫家波 1987 男 副研究員 博士 主要從事農業(yè)信息化和都市農業(yè)相關工作 植物工廠分為人工光植物工廠 太陽光型植物工 廠 太陽光和人工光源組合型植物工廠三種類型 1 其 中 人工光植物工廠是依托設施園藝 家電科技 照明科 技 生物工程 信息科技等學科技術 利用發(fā)光二極管 LED 模擬自然陽光照射的生長原理 同時采用光 水 溫 氣 肥智能集成技術 共同創(chuàng)建出封閉型生菜最佳生 長環(huán)境的設施場地 2 3 人工光植物工廠是未來現代高效 農業(yè)的一種表現形式 一方面從食品健康安全和滿足人 們對綠色高品質農產品的追求上看 在人工光植物工廠 中 可以根據植物的生長習性和喜好來提供最佳的生長 環(huán)境 因此可在植物工廠進行不同需求的作物高效生 產 另一方面從都市農業(yè)快速發(fā)展的情況看 植物工廠 立體栽培高效農作方式在未來將大量出現在城市內部 地下建筑和樓宇等一些城市空間生產產品 不僅可以給 市民保障供應新鮮的綠色蔬菜 優(yōu)化 菜籃子 供給 增 強城市食品供應的彈性 同時植物工廠還可作為展示現 代化農業(yè)的窗口 為城市居民提供綠色 科普 體驗 參 與的平臺 生菜也稱為葉用萵苣 屬菊科萵苣屬 口感甘甜微 苦 爽脆 顏色翠綠 是日常生活中居民餐桌上常見的葉 類蔬菜 生菜因其生長周期短 品質好 品種豐富 病蟲 害少 是國內外植物工廠水培蔬菜面積較大的一種水培 作物之一 4 是可以在植物工廠內實現全年計劃性穩(wěn)定 生產的優(yōu)質蔬菜 據統(tǒng)計 以水培生菜為例 人工光植物 工廠的生產效能約為傳統(tǒng)露地種植的40 108倍 5 目前 關于植物工廠水培技術的研究大多是溫室葉菜水培設 施技術 管道設施水培技術 而針對人工光型植物工廠 深液流水培生菜技術研究較少 因此 本文從生菜品種 選擇 育苗 定植和一體式環(huán)境水肥智能調控等方面進 行總結 以期為人工光植物工廠高效利用和深液流生菜 栽培技術推廣提供一定參考 1 人工光植物工廠設施條件 1 1 種植地點及環(huán)境條件 試驗在濟南市山東農業(yè)科學院創(chuàng)新大樓農業(yè)農村 部華東都市農業(yè)重點實驗室人工光植物工廠水培栽培 間進行 植物工廠內全程智能管控溫度 實驗室設置白 天23 晚上17 濕度控制在60 左右 植物工廠內 通過空調和新風系統(tǒng)交換空氣 維持室內CO 2 濃度與空 氣中CO 2 濃度持平 1 2 立體無土栽培系統(tǒng) 植物工廠室內設有鋁型材質栽培架5個 規(guī)格為 1 300 mm 800 mm 2 240 mm 分別為2組4層 單層 高40 cm 3組2層 單層高86 cm 架子每層裝有水盤 定植板 水盤規(guī)格為1 215 mm 800 mm 90 mm 定植板 規(guī)格為768 mm 519 mm 30 mm 每層各兩塊 每個定 植板孔數48個 開孔規(guī)格23 mm 23 mm 30 mm 壁厚 不低于2 mm 1 3 營養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng) 營養(yǎng)液供應循環(huán)系統(tǒng)主要包括 營養(yǎng)液桶 A液和B 液補液桶 水泵 抽樣泵 回液水泵及過濾網 儲液池 管 道及傳感控制系統(tǒng) 高液位水閥控制器 電導率調控系 統(tǒng) pH調控裝置 紫外線殺菌裝置 營養(yǎng)液配方為改良版Hoagland營養(yǎng)液如表1 見下 頁 按照水培生菜所需營養(yǎng)液的100倍配制母液A 母 液B 調酸液 調堿液 intelligent control technology vegetable plant water environmental factors and nutrient solution for real time monitoring and dynamic precision control technology selected appropriate artificial light factory plants grow four varieties of lettuce and supporting technology to achieve the high quality of hydroponic lettuce plants plant production hydroponic lettuce flow efficient cultivation in the middle of the night for the plant factory provide reference and reference Keywords Artificial light plant factory lettuce integrated intelligent control technology of environmental water and fertilizer environmental factors of vegetable factory real time monitoring and dynamic precise regulation technologyofnutrient solution 栽培生理 陳淑君 等 人工光植物工廠水培生菜高效生產關鍵技術 81 配液種類 化學物名稱 分子式 質量濃度 g L 母液A 硝酸鈣 Ca NO3 2 94 5 硝酸鉀 KNO3 60 6 磷酸二氫銨 NH4H2PO4 10 七水合硫酸鎂 MgSO4 7H2O 49 3 母液B 乙二胺四乙酸二鈉鐵 EDTA Fe 2 5 硼酸 H3BO3 0 2 硫酸錳 MnSO4 0 113 硫酸銅 Cu SO4 0 005 鉬酸銨 NH4MoO4 0 001 調酸液 磷酸 H3PO4 9 8 調減液 氫氧化鈉 NaOH 4 表 1 營養(yǎng)液及調配液的配方 Table 1 Formula of nutrient solution and blending solution 1 4 智能閉環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng) 植物工廠設有物聯網系統(tǒng) 新風系統(tǒng) CO 2 補充系 統(tǒng) 除濕系統(tǒng) 空調系統(tǒng) 多通道光傳感器 均由計算機系 統(tǒng)精準控制 可以實現溫度 濕度的閉環(huán)精確控制 對光 溫 水 氣 肥等環(huán)境條件進行實時最佳閉環(huán)控制 確保各 項環(huán)境因素適宜生菜生長 1 5 風淋消毒和新風系統(tǒng) 植物工廠是一個完全封閉相對無菌的環(huán)境 新風系 統(tǒng)可保持室內空氣循環(huán)和潔凈 為減少粉塵 預防病原 體產生病蟲害危害植物生長 進入植物工廠需身穿防護 服或實驗服 并帶一次性滅菌橡膠手套和口罩 通過風淋 室消毒進入 種植間內部設有空氣循環(huán)凈化處理設施 內部潔凈效果須達到國家7級GB T 16292 1996標準 原10 000級 6 1 6 光源 植物工廠光源為LED全光譜植物補光燈 補光燈尺 寸長200 mm 寬120 mm 高35 mm 采用冷光源 發(fā)熱 少 每層2盞 單盞功率不高于200 W 紅光光譜峰值 660 nm 藍光光譜峰值450 nm 補光燈高度可調 光譜光 強可通過中控進行調節(jié) 人工光植物工廠生菜種植過程 用全 LED光源 紅光 R 波長 655 nm 藍光 B 波長 435 nm 采用紅藍 R B 光比4 1的光譜組合的光照 條件下種植 紅藍光強值在200 mol m 2 s 白光光強值 在 200 mol m 2 s 光照時間前期設置為光暗時間 12 h 8 h 后期采摘前6 d設置為光暗時間 24 h 12 h 1 7 栽培品種 2020 2021年兩年在植物工廠內種植京研的 耶 羅 綠莎 綠團 紅莎 雅丹 瑞克斯旺的 章克申 Deangleia 上?；莺偷?秀麗 綠蝶 綠苣 綠花葉 紫橡葉 等12種生菜品種 2 水培生菜關鍵生產技術 2 1 催芽 進口的 Deangleia 和 綠蝶 生菜種子可直接播種 無需催芽 其它生菜種子用涼水浸泡12 24 h 將水控 干 裝入自封袋 放入冰箱4 處理12 24 h 7 2 2 育苗 實驗室播種采用25 cm 25 cm方塊100孔十字刀 口育海綿 將海綿塊完全浸濕后放入育苗盤 在育苗盤 里加入純凈水沒過盤底 用鑷子將催芽后的生菜種子依 次放入海綿十字口凹陷處 每個海綿凹陷處內放一粒種 子 注意不要塞入深處 2 3 育苗管理 播種完后將育苗盤放置在黑暗的環(huán)境中 室溫保持 在24 出芽前每天向育苗盤里加純凈水沒過盤底 用 噴壺噴濕海綿上層 使海綿保持濕潤 3 4 d后出苗 出 苗后開始見光 并往育苗盤里加入 1 4 的改良版 Hoagland營養(yǎng)液配方使其繼續(xù)生長 2 4 定植 生菜苗長到4葉1心時 將每塊海綿上的生菜苗定植 到栽培架上 長勢過高的生菜苗需要用定植海綿重新包裹 然后再放入栽培架 種植密度約為25株 m 2 8 每層種植面 積為1 6m 2 打開營養(yǎng)液灌溉循環(huán)系統(tǒng) 使營養(yǎng)液進入栽培 架充分循環(huán) 待可溶性鹽濃度 EC 穩(wěn)定后再移栽 每層定植 完后掀開定植板 查看生菜根系是否都垂直接觸液面 防止 定植過程中生菜根系黏連在海綿上 影響生菜發(fā)育 2 5 定植后水肥管理 植物工廠內供液方式為深液流技術 在系統(tǒng)上設置 營養(yǎng)液定植后小苗期可溶性鹽濃度為1 0 1 5 mS cm 快速生長期為1 5 1 8mS cm 收獲前期1 8 2 0mS cm 9 10 生菜生育期營養(yǎng)液pH 5 5 7 定期查看系統(tǒng) 并用手持 電導率儀抽樣檢查 考慮到植物工廠的深液流設計 植物工廠的營養(yǎng)液 處于循環(huán)流動的狀態(tài) 流動不僅可以增加營養(yǎng)液的溶存 氧 還可以消除根表有害代謝物 尤其是生理酸堿性 的 栽培生理 中國果菜82 局部累積 4 消除根表和根外的養(yǎng)分濃度差 充分滿足生 菜的需求 種植期間營養(yǎng)液循環(huán)灌溉開3 min關9 min 一直循環(huán) 直到采收 系統(tǒng)設置每天上午10 15 10 30 為系統(tǒng)補充營養(yǎng)液時間 10 30 11 00為營養(yǎng)液校準時間 2 6 病蟲害防治 水培屬于無土栽培 不存在連作障礙 室內設有風 淋系統(tǒng) 進口處嚴格按照消毒規(guī)定執(zhí)行 能最大程度地 保障室內潔凈 病原物寄生蟲也相對較少 水培病蟲害 相比基質較少發(fā)生 考慮到植物工廠嚴格環(huán)境把控和綠 色生產 整個生菜生育期不使用任何農藥和殺蟲劑 2 7 適時采收與產品保鮮 生菜定植移栽后30 35 d后采收 采收時可將生菜 整棵取出 摘去老 黃葉片 用無紡布將生菜根部包裹起 來 整棵采收 也可用剪刀將生菜根系減去放入保鮮袋 生菜可放置在0 相對濕度90 的條件下保鮮貯藏 該溫度可以有效地降低生菜的失重率以及營養(yǎng)成分的 損失 還可抑制多酚氧化酶和過氧化物酶活性的下降 提高生菜保鮮效果 延長貨架期 11 12 2 8 清洗與消毒 生菜采收完畢后要及時把架子和桶里的營養(yǎng)液排 掉 進行清洗和消毒 將300 mL6 的次氯酸鈉稀釋至 100 L的營養(yǎng)液配液桶中 并循環(huán)到架子上進行消毒 對 室內進行紫外線殺菌 同時用400 600倍84消毒液擦 洗噴灑定植板 進行消毒 準備下一茬播種 3 總結 光是植物能量的主要來源和信號 通過光質 光強 光周期影響植物的生長過程 眾多研究和實驗表明在植 物工廠采用LED紅藍光可完全滿足生菜的生長需求 有 學者指出采用紅藍 R B 光4 1條件下 200 mol m 2 s 光強比較適合植物工廠水培生菜生產 該條件下不僅能 夠獲得生菜最大產量 還能有效降低室內能源消耗和資 源浪費 13 14 同時設置白光光源光強值為200 mol m 2 s 周 成波等 15 指出在白光200 mol m 2 s 的光照強度下 更利 于生菜的生長 能提高生菜體內N C P K Mg和Fe的 積累 顯著提高生菜的葉面積 有研究指出在生菜采收 前一星期的時間轉變生菜的光暗周期 增加其光照時間 可以顯著提高生菜的葉面積 嫩芽數 同時植株內的可 溶性糖 可溶性蛋白 抗壞血酸含量會顯著增加 16 18 根據生菜在植物工廠內表現的生理性狀及大眾口感 比較 挑選出滿足市場需求及高產 優(yōu)質 美觀的生菜品 種 發(fā)現上?；莺?綠蝶 特色奶油生菜 葉片深綠 抽薹 較晚 耐熱性好 早熟性表現較好 適合水培 京研 耶羅 生菜 株型直立 葉緣略皺縮 葉色翠綠有光澤 內葉淡黃 色 葉肉厚品質脆嫩 京研 綠團 生菜 綿葉型半結球 葉 片黃綠葉片綿軟爽滑 耐抽薹 瑞克斯旺 Deangelia 奶油 生菜 葉綠色橢圓 光澤度好 葉片肉厚柔軟 耐抽薹 抗 霜霉病 因此 上?；莺偷?綠蝶 生菜 京研的 耶羅 生 菜 綠團 生菜 瑞克斯旺的 Deangelia 奶油生菜在植物 工廠的性狀表現十分良好 栽培周期較短 單株產量表現 較好 口感符合地區(qū)的口味 推薦在植物工廠內周年種植 4 展望 在植物工廠種植生菜 可以精準控制環(huán)境 細致化配 制營養(yǎng)液 一方面可縮短生菜的生育期 確保植物生長的 一致性 大大提高生產效率 另一方面生菜種植期間不噴 施農藥 潔凈程度高 無病蟲害 整年可以計劃性實現 8 9茬的綠色生菜種植 無地域限制能夠實現生菜的就 近供應與銷售 避免生菜長途運輸 降低運輸過程的浪費 和能源消耗 未來植物工廠在食品安全健康方面發(fā)揮著 越來越重要的地位 目前植物工廠不僅局限于生菜的種 植 用此技術可同樣種植葉菜類的菠菜 油麥菜 蒲公英 等植物 但是植物工廠的缺點也十分明顯 雖然使用 LED節(jié)能光源 但是植物工廠用電量依然是一個制約其 發(fā)展的問題 通過合理利用太陽能以降低運行成本 利用 再生資源降低電力成本 19 20 相信隨著植物工廠技術的不 斷提高改進和系統(tǒng)能耗及運行成本的降低 植物工廠將 更加注重功能型蔬菜 保健型中藥材的生產 通過專業(yè)化 市場的逐步發(fā)展和商業(yè)化模式的創(chuàng)新 植物工廠將會迎 來大范圍的普及和推廣 參考文獻 1 魏蔚 王東霞 日本植物工廠的現狀 存在問題及未來發(fā)展 J 現代化農業(yè) 2022 12 22 23 2 李陽 你能見到的植物工廠類型 J 生命世界 2019 10 38 3 張?zhí)熘?現代無土栽培模式圖集 M 北京 中國輕工業(yè)出版 社 2019 80 4 康欣娜 設施生菜深液流水培技術規(guī)程 J 河北農業(yè)科學 2020 24 3 46 47 50 栽培生理 陳淑君 等 人工光植物工廠水培生菜高效生產關鍵技術 83 上接第74頁 3 馬鋒旺 加快西北黃土高原蘋果產業(yè)發(fā)展的思考 J 科學 種養(yǎng) 2006 4 4 6 4 趙佐平 高義民 劉芬 等 化肥有機肥配施對蘋果葉片養(yǎng)分 品質及產量的影響 J 園藝學報 2013 40 11 2229 2236 5 莫淑勛 土壤中有機酸的產生 轉化及對土壤肥力的影響 J 土壤學進展 1986 14 4 1 10 6 王磊 施用生物有機肥對蘋果產量和果園土壤生物性狀的 影響 D 南京 南京農業(yè)大學 2017 35 7 李生秀 李世清 高亞軍 等 施用氮肥對提高旱地作物利用土 壤水分的作用機理和效果 J 干旱地區(qū)農業(yè)研究 10 1 38 46 8 高義民 同延安 路永莉 等 長期施用氮磷鉀肥對黃土高 原地區(qū)蘋果產量及土壤養(yǎng)分累積與分布的影響 J 果樹學 報 2012 29 3 322 327 9 陳永杰 幾種水果有效酸度的測定 J 濰坊高等職業(yè)教育 2010 6 2 58 59 67 10 曹建康 姜微波 趙玉梅 果蔬采后生理生化實驗指導 M 北京 中國輕工業(yè)出版社 2007 230 11 DB11 T599 2016 背景主要鮮果等級 S 北京 中國標準 出版社 2016 12 孫志敏 中國養(yǎng)殖水產品質量安全管理問題研究 D 青島 中國海洋大學 2008 32 33 13 周靖越 非洲紫羅蘭的翻盆換土與花期調控 J 園林 2016 10 68 71 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周茜 王清 等 生菜采后保鮮技術研究現狀 J 保 鮮與加工 2021 21 1 6 13 周成波 劉文科 查凌雁 等 LED紅藍光強對水培生菜生 長以及有機碳和自毒物質分泌的影響 J 植物生理學報 2019 55 4 9 14 嚴宗山 張想平 王蕾 等 不同光強和光質對管道水培生 菜生長發(fā)育的影響 J 北方園藝 2020 21 6 15 周成波 劉文科 邵明杰 等 不同光強的LED白光與紅藍 光對生菜生長及營養(yǎng)元素含量的影響 J 中國農業(yè)科技導 報 2021 23 12 8 16 ARENA C TSONEV T DONEVA D et al The effect of light quality on growth photosynthesis leaf anatomy and volatile isoprenoids of a monoterpene emitting herbaceous species Solanum lycopersicum L and an isoprene emitting tree Platanus orientalis L J Environmental and Experimental Botany 2016 130 122 132 17 SHAO M LIU W ZHA L et al Altering light dark cycle at pre harvest stage regulated growth nutritional quality and photosynthetic pigment content of hydroponic lettuce J Acta Physiologiae Plantarum 2021 43 1 2 9 18 TIAN W LV Y CAO J et al Retention of iceberg lettuce quality by low temperature storage and postharvest application of 1 methylcyclopropene or gibberellin acid J Journal of Food Science Technology 2014 51 5 943 19 魏蔚 王東霞 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