草莓集裝箱植物工廠設計與應用.pdf

第 10 卷 第 9 期 農 業(yè) 工 程 Vol 10 No 9 2020 年 9 月 Agricultural Engineering Sep 2020 收稿日期 2020 05 22 修回日期 2020 06 27 作者簡介 周增產 高級工程師 研究方向 設施農業(yè) E mail zengchan sina com 在線投稿 www d1ae com 草莓集裝箱植物工廠設計與應用 周增產 1 2 3 趙 靜 1 3 胡福生 1 3 姚 濤 1 3 李忠明 4 王志冉 1 3 1 北京市農業(yè)機械研究所有限公司 北京 100096 2 北京京鵬環(huán)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(qū)農業(yè)技術推廣站 北京 102200 摘 要 集裝箱植物工廠具有可移動性強 使用地域廣泛 環(huán)境可控 高密度種植和周年生產等優(yōu)點 簡要敘述北京 市農業(yè)機械研究所有限公司設計開發(fā)的一種草莓集裝箱植物工廠 該植物工廠整體設計形式呈現模塊化 重點圍繞栽 培系統(tǒng) 補光系統(tǒng) 環(huán)境調控系統(tǒng) 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行創(chuàng)新設計 并對栽培環(huán)境進行測試 該系統(tǒng)在北 京市通州區(qū)進行運營生產 試驗及運營結果表明 草莓集裝箱植物工廠可以用于草莓栽培 為集裝箱植物工廠種植栽 培拓寬思路 該草莓集裝箱植物工廠的設計方案合理 系統(tǒng)配置科學 光能利用率高 種植系統(tǒng)安裝便捷 可提高資 源利用效率 達到草莓的連年生產需求 為農戶創(chuàng)造更高價值 關鍵詞 集裝箱植物工廠 草莓 系統(tǒng)設計 中圖分類號 S316 文獻標識碼 A 文章編號 2095 1795 2020 09 0052 06 Design and Application of Strawberry Container Plant Factory ZHOU Zengchan 1 2 3 ZHAO Jing 1 3 HU Fusheng 1 3 YAO Tao 1 3 LI Zhongming 4 WANG Zhiran 1 3 1 Beijing Agricultural Machinery esearch Institute Co Ltd Beijing 100094 China 2 Beijing Kingpeng International Hi tech Corporation Beijing 100094 China 3 Beijing Plant Factory Engineering Technology esearch Center Beijing 100094 China 4 Changping District Agricultural Technology Extension Station of Beijing Beijing 102200 China Abstract Container plant factory has advantages of strong mobility wide use area controllable environment high density planting annual production and so on A strawberry container plant factory designed and developed by Beijing Agricultural Ma chinery esearch Institute Co Ltd was described briefly Overall design form of plant factory was modular focusing on inno vative design of cultivation system light supplement system environmental control system nutrient solution circulation system and control system Cultivation environment was tested The system was operating and producing in Tongzhou district Beijing Experiment and operation results showed that strawberry container plant factory could be used for strawberry cultivation and broad en thinking for cultivation of container plant factory Design scheme of strawberry container plant factory was reasonable system configuration was scientific light utilization rate was high planting system installation was convenient resource utilization effi ciency could be improved continuous production demand of strawberries could be achieved and higher price could be created for farmers value Keywords container plant factory strawberry system design 0 引言 集裝箱植物工廠是利用集裝箱 添加生產系統(tǒng)和 環(huán)境控制系統(tǒng)的一種微型智能化植物工廠類型 1 區(qū)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(xù)和穩(wěn)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(yǎng)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(yè)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 周增產 等 草莓集裝箱植物工廠設計與應用 生產的效果 具有模塊組合靈活 移動方便等優(yōu)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(yōu)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(tǒng) 水肥系統(tǒng) 栽培系 統(tǒng) 空調通風系統(tǒng)和自控系統(tǒng)等 如圖 1 所示 補光 系統(tǒng)選用全光譜 LED 補光燈 為草莓生長提供光源 水肥系統(tǒng)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(yǎng)分 栽培系統(tǒng)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(tǒng)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 圖 1 草莓集裝箱植物工廠結構 Fig 1 Structure of strawberry container plant factory 2 關鍵部分設計 2 1 人工光系統(tǒng) 光是植物生產發(fā)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(huán)境中的關鍵影響 因子能通過光受體傳導途徑調節(jié)植物的整個生命周 期 影響植物各生長時期的發(fā)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 圖 2 草莓集裝箱植物工廠光源光譜 Fig 2 Light source spectrum of strawberry container plant factory 2 2 栽培系統(tǒng) 栽培系統(tǒng)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(yǎng)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 圖 3 草莓集裝箱植物工廠栽培架 Fig 3 Cultivation frame of strawberries container plant factory 2 3 水肥一體化系統(tǒng) 水肥系統(tǒng)有紫外線消毒器 以保證供給作物的水 是無菌的 水肥系統(tǒng)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(tǒng)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(yǎng)液工作箱 營養(yǎng)液工作箱是貯存和 供應栽培箱營養(yǎng)液的容器 每個肥料單獨使用一臺肥 料泵 以保證各種營養(yǎng)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(tǒng) 空調通風系統(tǒng)能為植物提供相對可控制甚至最適 35 農業(yè)工程 生物環(huán)境與能源 圖 4 草莓集裝箱植物工廠水肥系統(tǒng) Fig 4 Water and fertilizer system of strawberry container plant factory 宜的溫度 濕度等環(huán)境條件 使其一定程度上擺脫對 自然環(huán)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(tǒng)每一株草莓 圖 5 草莓集裝箱植物工廠空調系統(tǒng) Fig 5 Air conditioning system of strawberry container plant factory 2 5 環(huán)境控制系統(tǒng) 植物工廠內的環(huán)境調控是保證植物生長最為關鍵 的環(huán)節(jié) 它直接關系到植物生長的品質與產量 6 因此 環(huán)境控制系統(tǒng)的設計主要從溫度 濕度 光照 和 CO 2 濃度等方面考慮 環(huán)境控制系統(tǒng)位于配電箱內 包括控制器 傳感 器 包括溫度 濕度和 CO 2 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 CO 2 濃度等環(huán)境條件因子 為草莓的生長提供適宜的環(huán) 境 還可以手動控制集裝箱內的環(huán)境參數 調整箱內 適宜當地環(huán)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(huán)境穩(wěn)定性 對草莓定植后的集裝箱植物工廠進行光環(huán)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(qū)域 每個區(qū)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(qū)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(jiān)控溫濕度變 化情況 圖 6 草莓集裝箱植物工廠測試點 Fig 6 Test points of strawberry container plant factory 3 1 光環(huán)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(qū)和 C 區(qū)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(fā)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(yǎng) 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(huán)境可控 光照強 表 1 光環(huán)境測試數據 Tab 1 Optical environment test data 測量點 A 區(qū) 1 2 3 4 5 C 區(qū) 1 2 3 4 5 光照強度 Lux 24 595 20 25 099 60 25 390 80 24 891 60 24 891 60 21 522 60 22 432 60 25 659 40 24 659 40 24 659 40 PPFD mol m s 1 1 497 24 507 06 512 21 502 99 502 99 428 40 446 31 489 72 489 72 489 72 45 周增產 等 草莓集裝箱植物工廠設計與應用 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 3 2 溫濕度測試 使用精創(chuàng) C 4HA C 溫濕度記錄儀對集裝箱植 物工廠內 A D 區(qū)內每層進行定點測試 草莓集裝箱 植物工廠采用 波峰填谷 方式補光 設定補光時 間為 19 00 到次日 07 00 此為明期 次日 07 00 到 19 00 是非補光時間 為暗期 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 圖 7 草莓集裝箱植物工廠垂直方向溫度變化 Fig 7 Temperature change in height direction of strawberry container plant factory 圖 8 草莓集裝箱植物工廠水平方向溫度變化 Fig 8 Temperature change in horizontal direction of straw berry container plant factory 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 圖 9 草莓集裝箱植物工廠高度方向濕度變化 Fig 9 Humidity change in height direction of strawberry con tainer plant factory 圖 10 草莓集裝箱植物工廠水平方向濕度變化 Fig 10 Humidity change in horizontal direction of strawberry container plant factory 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 m s B 點平均風速 2 5 m s 均 勻性良好 55 農業(yè)工程 生物環(huán)境與能源 圖 11 草莓集裝箱植物工廠風速測試 Fig 11 Wind speed test of strawberry container plant factory 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 1 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 圖 12 草莓集裝箱植物工廠草莓品質檢測結果 Fig 12 Quality test results of strawberry in container plant factory 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(huán)境條件 系統(tǒng)配置科學 光 能利用率高 種植系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)化 參考文獻 1 孫朝華 李開 徐海軍 等 集裝箱植物工廠技術的應用 J 農業(yè)工程技術 2019 39 4 55 59 2 蘇志能 洪燕南 陳大華 微型植物工廠集裝箱模式的評述和 探討 J 中國照明電器 2018 8 12 16 SU Zhineng HONG Yannan CHEN Dahua eview and investi gation on container model of miniature plant factory J China Light Lighting 2018 8 12 16 3 余錫壽 劉躍萍 封閉型植物工廠發(fā)展現狀與展望 J 農業(yè) 展望 2015 11 7 46 49 YU Xishou LIU Yueping Status quo of enclosed plant factory and its prospect J Agricultural Outlook 2015 11 7 46 49 4 李東星 周增產 卜云龍 等 集裝箱植物工廠研制與試驗 J 農業(yè)工程 2016 6 6 78 83 87 LI Dongxing ZHOU Zengchan BU Yunlong et al esearch and experiment of container plant factory J Agricultural Engineering 65 周增產 等 草莓集裝箱植物工廠設計與應用 2016 6 6 78 83 87 5 物管股份 科技創(chuàng)新 農業(yè) 4 0 集裝箱式農業(yè)栽培艙 J 中國物業(yè)管理 2017 6 42 6 王華碩 LED 補光對日光溫室黃瓜 番茄 草莓生長發(fā)育及品 質的影響 D 邯鄲 河北工程大學 2018 WANG Huashuo The effect of LED supplemental light on the growth and quality of cucumber tomato and strawberry in solar greenhouse D Handan Hebei University of Engineering 2018 7 錢舒婷 不同補光燈對設施草莓 番茄光合生長及產量品質的 影響 D 楊陵 西北農林科技大學 2018 QIAN Shuting Effects of different supplemental lights on photosyn thetic growth yield and quality of strawberry and tomato in green house D Yangling Northwest A F University 2018 8 劉澤宇 不同溫室生態(tài)環(huán)境對草莓果實品質影響的研究 D 臨汾 山西師范大學 2018 LIU Zeyu Study on the influence of different greenhouse ecological environment on strawberry fruit quality D Linfen Shanxi Normal University 2018 9 李麗 速凍草莓品質評價體系的建立研究 D 沈陽 沈陽農 業(yè)大學 2016 LI Li Study on establishment of quality evaluation system for quick frozen strawberry D Shenyang Shenyang Agricultural University 2016 10 孟令春 李曼 渠慎春 不同基質對 紅頰 草莓生長及果 實品質的影響 J 中國南方果樹 2015 44 6 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 殗 殗 殗 殗 109 111 行業(yè)動態(tài) 三北工程有效庇護 3 019 4 萬 hm 2 農田 工程區(qū)糧食年均增產 1 060 萬 t 2020 年 8 月 14 日 記者從國家林業(yè)和草原 局獲悉 我國第 1 個重大生態(tài)工程 三北防護 林體系建設工程五期即將完成 40 多年來 三 北工程累計完成造林保存面積 3 014 萬 hm 2 工 程區(qū)森林覆蓋率由 5 05 提高到 13 57 特色 林果業(yè) 生態(tài)旅游業(yè)快速發(fā)展 累計營造農田防 護林 165 6 萬 hm 2 有效庇護農田 3 019 4 萬 hm 2 防護效應使工程區(qū)糧食年均增產 1 060 萬 t 工程建設取得了巨大的經濟 社會和生態(tài)效 益 成為踐行綠水青山就是金山銀山理念的成功 典范 三北工程始終把恢復綠水青山作為首要任 務 大規(guī)模植樹造林種草 持續(xù)修復自然生態(tài) 累計營造防風固沙林 788 2 萬 hm 2 治理沙化土 地 33 6 萬 km 2 保護和恢復嚴重沙化 鹽堿化 的草原 牧場 1 000 多萬 hm 2 全國荒漠化和沙 化監(jiān)測結果顯示 2014 年以來 工程區(qū)沙化土 地 面 積 連 續(xù) 縮 減 實 現 了 從 沙 進 人 退 到 綠進沙退 的歷史性轉變 年均沙塵暴天數從 6 8 d 下降到 2 4 d 其中毛烏素 科爾沁和呼倫 貝爾 3 大沙地得到初步治理 沙化土地面積持續(xù) 凈減少 累計營造水土保持林 1 194 萬 hm 2 治 理水土流失面積 44 7 萬 km 2 年入黃河泥沙量 減少 4 億 t 左右 三北工程堅持統(tǒng)籌推進生態(tài)治理與民生改 善 著力建設生態(tài)經濟型防護林體系 40 多年 來 工程區(qū)營造用材林折合木材儲備量 18 3 億 m 3 經濟價值 9 130 億元 累計營造經濟林 463 萬 hm 2 形成了一批重要的核桃 紅棗 板栗 花椒和蘋果等干鮮果品生產基地 年產干鮮果品 4 800 萬 t 1 500 萬人依靠特色林果業(yè)實現穩(wěn)定 脫貧 工程區(qū)還形成了以森林公園網絡為骨架 濕地公園 沙漠公園等為補充的生態(tài)旅游發(fā)展新 格局 年接待游客 3 8 億人次 旅游收入 480 億 元 毛曉雅 75