適用于LED植物工廠育苗的多層潮汐式苗床系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

北方園藝（）：設(shè)施園藝 第一作者簡介 ：善盈盈 （），女 ，浙江衢州人 ，碩士 ，講師 ，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造工藝與裝備 。：基金項(xiàng)目 ：浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究資助項(xiàng)目（）。收稿日期 ：適用于植物工廠育苗的多層潮汐式苗床系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用善 盈 盈，善 新 民，祝 勇 仁（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，浙江 杭州；中恒農(nóng)業(yè)科技有限公司 ，浙江 衢州）摘要 ：為填補(bǔ)國內(nèi)在植物工廠育苗應(yīng)用中立體化栽培架的市場空白 ，推進(jìn)植物工廠育苗的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 ，課題組研發(fā)了一款多層潮汐式苗床系統(tǒng) 。該苗床系統(tǒng)使用潮汐式的灌溉方式 ，突破了普通穴盤育苗苗床的層高限制 ，并通過在苗床底部安裝平衡螺栓和改變傳統(tǒng)進(jìn)回水孔分離的方式 ，解決了潮汐式苗床常見的爛根和供水管路堵塞等問題 。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明 ，采用多層潮汐式苗床系統(tǒng)的植物工廠育苗效率明顯優(yōu)于普通苗床育苗 ，具有良好的應(yīng)用前景 。關(guān)鍵詞 ：植物工廠 ；穴盤育苗 ；多層潮汐式苗床 ；產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中圖分類號 ： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ： 文章編號 ：（）秧苗質(zhì)量是決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵 。傳統(tǒng)育苗的勞動力成本高 、受環(huán)境影響大 ，且品質(zhì)難以控制 ，正在面臨越來越多的挑戰(zhàn)。植物工廠育苗是一種資源集約型的育苗方式 ，它以燈代替太陽光作為植物生長光源 ，通過計算機(jī)對秧苗發(fā)育過程的光照 、溫度 、濕度 、濃度以及水肥等環(huán)境條件進(jìn)行自動控制 ，不受地理 、氣候等自然條件影響 ，可按計劃進(jìn)行生產(chǎn) ，秧苗生長周期短 、速度快 、污染少 ，品質(zhì)顯著提高。植物工廠育苗已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向 。植物工廠育苗的關(guān)鍵技術(shù)之一就是研發(fā)裝有植物生長燈的育苗栽培架 （或稱苗床 ）。適用于植物工廠的栽培架必須是立體多層式的 ，只有充分提高空間利用率和單位面積產(chǎn)量 ，才能降低植物工廠栽培的成本 ，提高市場競爭力 。但國內(nèi)的多層栽培架主要用于花卉或蔬菜栽培 ，育苗用苗床較少 ，且多為單層結(jié)構(gòu) 。這主要是因?yàn)槟壳皯?yīng)用中的立體化栽培架只適用于水耕栽培 ，即以營養(yǎng)液代替土壤 ，將植物根部直接浸在溶液中 ，在施肥的同時吸收水分 。而育苗采用的是基質(zhì)土穴盤育苗方式 ，秧苗的根部生長在基質(zhì)土里 ，需要使用人工澆灌或機(jī)械噴淋的方式進(jìn)行灌溉 。而這種灌溉方式均受灌溉高度影響較大 ，不適用于立體化栽培 。所以研發(fā)多層育苗床及配套的灌溉系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)燈植物工廠育苗市場化的關(guān)鍵技術(shù) ?！俺毕?”灌溉是針對盆栽植物和容器育苗所設(shè)計的一種底部給水方式。灌溉時水由進(jìn)水口漫出 ，并在栽培架中積累至合適高度 （稱為 “漲潮 ”），而植物則可利用虹吸原理從底部吸收水分 ；灌溉完成后 ，水又從回水口退下去 （稱為 “落潮 ”）。故若使用 “潮汐 ”的方式對穴盤苗株進(jìn)行灌溉 ，整個過程中灌溉水就能從穴盤底部均勻地作用到每株苗 ，并擺脫對栽培架高度的限制 ；同時 ，潮汐式灌溉還可實(shí)現(xiàn)對澆灌用水的量化控制及循環(huán)再利用 ，提高水資源的利用效率 ，是一種適用于植物工廠育苗立體化栽培理念的高效 、節(jié)能的灌溉方式。實(shí)現(xiàn)潮汐式灌溉技術(shù)與多層育苗床的結(jié)合需要解決個主要問題 ，一是因床面不平整而出現(xiàn)的灌溉不均勻 ，二是爛根 。任建華指出 ，潮汐式灌溉對植床的工作面要求極為嚴(yán)格 ，只有植床表面非常水平才能保證在 “漲潮 ”時水能自由地在灌溉區(qū)域流動 ；“退潮 ”時 ，多余的水能全部回流到蓄水池。但實(shí)際生產(chǎn)中 ，受到材料和加工技術(shù)等因素的限制 ，苗床表面很難做到水平 ，這就會導(dǎo)致秧苗底部長期浸泡在積水中出現(xiàn)爛根 。同時 ，一般的潮汐式苗床會在床身上布置進(jìn)水和回水套供水管路，但隨著設(shè)施園藝 北方園藝（）：苗床層數(shù)的增加 ，管道數(shù)量增多 、布置更為復(fù)雜 ，一旦基質(zhì)殘渣 、灰塵等積累在管道內(nèi) ，就會造成水管堵塞 ，出現(xiàn)進(jìn)排水不暢的情況 。針對目前國內(nèi)多層潮汐式苗床尚無定型產(chǎn)品的情況 ，該課題組與衢州中恒農(nóng)業(yè)科技有限公司合作 ，研發(fā)一款適用于植物工廠育苗的新型多層潮汐式苗床 ，包括苗床的材料選擇和工藝設(shè)計 、苗床結(jié)構(gòu)設(shè)計 、管路設(shè)計以及潮汐灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計 。并通過解決苗床應(yīng)用中容易出現(xiàn)的 “爛根 ”和管路堵塞等問題 ，以期為多層潮汐式苗床的市場化推廣提供硬件支持 。 多層潮汐式苗床的設(shè)計該試驗(yàn)所設(shè)計的多層潮汐式苗床如圖、所示 ，主要由外框 、燈 、穴盤組 、平衡螺栓 、不銹鋼網(wǎng)墊和苗床托盤組成 。圖 多層潮汐式苗床示意圖 苗床材料和加工工藝選擇多層潮汐式苗床的材料主要從經(jīng)濟(jì)實(shí)用 、高強(qiáng)度 、耐腐蝕和使用年限長等方面進(jìn)行考慮 。外部框架以冷軋鋼板作為原料 ，通過焊接的方法進(jìn)行制作 ；托盤選用鍍鋅鋼板 ，通過鉚焊方法制作 ；網(wǎng)墊因?yàn)橹苯咏谒?，所以適宜選用耐腐蝕強(qiáng)的不銹鋼材料焊接成型 。 苗床結(jié)構(gòu)設(shè)計苗床高層 ，外部為框架結(jié)構(gòu) ，下部用于支撐托盤 ，頂部用于安裝植物生長燈 。框架底部四角以平衡螺栓進(jìn)行支撐 。安裝時 ，通過調(diào)整螺栓的高低 ，并配合使用水平測試儀 ，即可實(shí)現(xiàn)苗床托盤的水平調(diào)整 ，防止出現(xiàn)灌溉不均勻和積水等問題 。托盤上部依次放置不銹鋼網(wǎng)墊和穴盤組 ，不銹注 ：植物燈 ；秧苗 ；穴盤組 ；進(jìn)回水管 ；平衡螺栓 ；不銹鋼網(wǎng)墊 ；苗床托盤 。： ； ； ； ；圖 多層潮汐式苗床平面圖 鋼網(wǎng)墊可以避免穴盤組直接接觸托盤底部 ，方便秧苗根部通風(fēng) ，從而減少病菌滋生 ，有效避免了秧苗“爛根 ”現(xiàn)象 。 多層潮汐式苗床的自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計如圖所示 ，多層潮汐式苗床的自動灌溉系統(tǒng)由苗床托盤 、穴盤組 、進(jìn)回水管路系統(tǒng)和自動進(jìn)回水控制儀組成 。注 ：苗床托盤 ；穴盤組 ；進(jìn)回水管路 ；自動進(jìn)回水控制儀 。：； ； ； 圖 多層潮汐式苗床的控制系統(tǒng) 北方園藝（）：設(shè)施園藝 管路設(shè)計傳統(tǒng)潮汐灌溉系統(tǒng)一般有進(jìn) 、回水套管路系統(tǒng) 。但在多層潮汐式苗床中 ，考慮到苗床層數(shù)多 ，為簡化管路布置 ，可僅在托盤上開一個孔 ，同時作為進(jìn)水和回水孔 。該孔通過三通分別連接進(jìn)水和回水管道 ，如圖所示 。這種設(shè)計不僅簡化了管路布置 ，而且最大的優(yōu)點(diǎn)是可以通過控制進(jìn)回水閥交互開閉的方式 ，對托盤進(jìn)行進(jìn)排水 ，并利用水流上下沖擊 ，解決管道口容易堵塞的問題 。注 ：托盤 ；連接水管 ；三通 ；、電磁閥 ；回水管 ；進(jìn)水管 。：； ；， ； ； 圖 潮汐式苗床管路 自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計自動進(jìn)回水控制儀每隔，自動檢測穴盤中基質(zhì)土的含水量 。當(dāng)含水量低于設(shè)定值 （設(shè)定為）時 ，控制儀開啟水泵和進(jìn)水閥 ，水經(jīng)由進(jìn)水管緩緩流入托盤 。在距托盤底部處安裝有一限位開關(guān) ，當(dāng)液面達(dá)到限位高度時 ，系統(tǒng)自動關(guān)閉進(jìn)水閥 ，水位維持在當(dāng)前高度使秧苗充分吸收水分 。進(jìn)水停止后 ，控制儀將以的頻率檢測基質(zhì)土中的含水量 ，當(dāng)含水量達(dá)到設(shè)定值后 ，控制儀開啟回水閥 ，多余的水經(jīng)由回水管反流回蓄水池 。另外 ，該控制儀還設(shè)置了水位超高報警裝置 ，當(dāng)水位高出托盤時 ，系統(tǒng)會發(fā)出警告 ，并啟動自動排水功能 ，防止灌溉水溢出苗床 。圖為多層潮汐式苗床自動灌溉系統(tǒng)的工作流程圖 。圖 多層潮汐式苗床自動灌溉系統(tǒng)流程 育苗試驗(yàn)效果分析為驗(yàn)證該研究所設(shè)計的多層潮汐式苗床系統(tǒng)的可行性 ，將其與普通苗床育苗進(jìn)行對比試驗(yàn) 。試驗(yàn)場地選擇在衢州中恒農(nóng)業(yè)科技有限公司的植物育苗工廠中 ，選用秧苗為黃瓜苗 ，育苗時間為個育苗周期 （從浸種 、催芽至成苗為個育苗周期 ，一般為），每個育苗周期選用秧苗株 。試驗(yàn)將從秧苗的成活率 、耗電量 、耗水量 、農(nóng)藥消耗 、勞動力耗費(fèi)量 、育苗時間 、成本等方面進(jìn)行對比 。表育苗試驗(yàn)對比 名目第一個育苗周期 第二個育苗周期 第三個育苗周期 植物工廠育苗 普通苗床育苗 植物工廠育苗 普通苗床育苗 植物工廠育苗 普通苗床育苗秧苗爛根率 耗水量 耗電量 農(nóng)藥使用量 每日勞動力 人 育苗時間 單株成本 元 設(shè)施園藝 北方園藝（）：由表可知 ，潮汐式苗床的使用有效杜絕了黃瓜苗爛根的情況 ；個試驗(yàn)周期里 ，潮汐式苗床的耗水率分別為普通苗床的、和，可見采用循環(huán)灌溉的方式 ，能有效的節(jié)約水資源 ；植物工廠育苗每個試驗(yàn)周期均有左右的耗電量 ，而普通育苗耗電量為；由于植物工廠采用的是全封閉式的育苗方式 ，故而無需使用農(nóng)藥 ，安全 、環(huán)保 ；采用了潮汐式苗床的植物工廠育苗自動化程度高 ，對勞動力的消耗遠(yuǎn)低于普通苗床育苗 ；個試驗(yàn)周期中 ，植物工廠培育黃瓜苗的時間均為，較之普通育苗方式時間短且穩(wěn)定 。綜上可見 ，雖然植物工廠育苗較大棚育苗費(fèi)電 ，但由于它可以循環(huán)利用水資源 ，且育苗周期短 、苗株質(zhì)量好 ，并且不需要大量的勞動力 ，因而結(jié)合到單顆苗株的成本上 ，與大棚育苗的差別并不大 。因而較之傳統(tǒng)的大棚育苗 ，采用多層潮汐式苗床系統(tǒng)的植物工廠育苗具有明顯的市場應(yīng)用優(yōu)勢 。 結(jié)論該試驗(yàn)設(shè)計了一款適用于植物工廠育苗的多層潮汐式苗床 ，填補(bǔ)了此類產(chǎn)品在國內(nèi)市場上的空白 。這款苗床的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為 ，首先 ，它通過在苗床底部四角安裝平衡螺栓的方式 ，方便 、簡單地實(shí)現(xiàn)了對托盤 （即床面 ）的水平調(diào)整 ，解決了普通潮汐苗床灌溉不均勻和殘留水的問題 ；其次 ，它以一個進(jìn)回水孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)潮汐式苗床進(jìn)回水孔分離的結(jié)構(gòu) ，通過控制進(jìn)回水閥交互開閉的方式 ，實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)回水 ，并利用水流上下沖擊 ，解決了傳統(tǒng)潮汐苗床管道口容易堵塞的問題并實(shí)現(xiàn)了穴盤的自動灌溉 。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明新型苗床的秧苗爛根率為，單個育苗周期的耗水量小于、耗電量小于，結(jié)算至單株苗株的成本約為 元 。與傳統(tǒng)的大棚育苗相比 ，使用多層潮汐式苗床的植物工廠育苗 ，不僅育苗周期短 、苗株質(zhì)量高 、人工成本低 ；同時因?yàn)椴捎昧顺毕降墓喔确绞?，實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用 ，因而具有良好的市場推廣價值 。目前該試驗(yàn)對潮汐式苗床的研究僅集中在苗床結(jié)構(gòu)設(shè)計方面 ，而對灌溉指標(biāo)如灌溉時間 、灌溉高度 、灌溉頻率等決定秧苗生長情況的重要參數(shù)僅是按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定 。后續(xù)的研究中將加強(qiáng)對這項(xiàng)內(nèi)容的研究 ，以期進(jìn)一步提高潮汐式苗床的應(yīng)用效果 。參考文獻(xiàn)楊其長 ，魏靈玲 ，劉文科 ，等 植物工廠系統(tǒng)與實(shí)踐 北京 ：化學(xué)工業(yè)出版社 ，古在豐樹 人工光型植物工廠 北京 ：中國農(nóng)業(yè)出版社 ， 楊其長 ，張成波 植物工廠系列談 （一 ）：植物工廠研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) （溫室園藝 ），（）： ， ， ， ，：楊其長 ，徐志剛 ，陳弘達(dá) ，等光源在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的應(yīng)用原理與技術(shù)進(jìn)展 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報 ，（）：劉宏久 ，高艷明 ，李建設(shè)潮汐灌溉技術(shù)的研究進(jìn)展 北方園藝 ，（）：朱隆靜 ，劉良彬 ，徐堅托盤式潮汐灌溉育苗技術(shù) 溫州農(nóng)業(yè)科技 ，（）：張曉文 ，田真 ，劉文禧 ，等潮汐式灌溉系統(tǒng)的研發(fā)與推廣 農(nóng)業(yè)工程 ，（）：任建華水和營養(yǎng)液的潮汐式灌溉 節(jié)水灌溉 ，（）： 王成 ，喬曉軍 ，侯瑞峰自動監(jiān)控技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用系列 （六 ）：潮汐式灌溉系統(tǒng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用 溫室園藝 ，（）：淺談潮汐式灌溉系統(tǒng)的工作原理 ：周長吉 ，張學(xué)軍 ，楊振聲 ，等溫室灌溉原理與應(yīng)用 北京 ：中國農(nóng)業(yè)出版社 ， 溫室及設(shè)備管理 版北京 ：化學(xué)工業(yè)出版社 ， 楊鐵顏談地面潮汐灌溉 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) （溫室園藝 ），（）：李光林 ，李曉東 ，曾慶欣基于太陽能的柑桔園自動灌溉與土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)研制 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ，（）：馬福生 ，劉洪祿 ，楊勝利 ，等無土盆栽紅掌潮汐灌溉技術(shù) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ，（）：劉宏久蔬菜穴盤育苗潮汐灌溉技術(shù)研究 銀川 ：寧夏大學(xué) ，趙穎雷 ，黃丹楓一體化 “潮汐式 ”微環(huán)境恒溫蔬菜育苗床設(shè)計研究與應(yīng)用 中國蔬菜 ，（）：馬薇 ，王秀梅 ，王洪凱 ，等智能育苗溫床控制系統(tǒng) 長春工程學(xué)院學(xué)報 （自然科學(xué)版 ），（）： ， ， （ ， ； ， ）