JPWZ-1型微型植物工廠栽培生菜試驗的研究

李東星，李迎忠，許明，商守海，周增產，卜云龍

（北京京鵬環球科技股份有限公司，100094）

植物工廠的概念最早是日本提出來的，根據日本植物工廠學會的解釋，植物工廠是通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的系統，即利用計算機對植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境條件進行自動控制，使設施內植物生育不受或很少受自然條件制約，從而實現省力型生產[1]。

隨著植物工廠各項技術的不斷發展以及生活水平的提高，人們對蔬菜品質的要求越來越高，一種適合于家用的微型植物工廠也應運而生。微型植物工廠是小型化的植物工廠，它是將植物工廠的技術進一步濃縮，集成在一個密閉的環境里，人們可以通過智能自動控制系統控制植物生長的環境，為作物提供適宜的光照、溫度、濕度環境，為作物提供合理比例的營養液[2]。目前，這種技術在國外設施農業發達的國家，如日本、美國、荷蘭等都有應用。在國內，這種技術還處于研究和摸索階段，針對此種情況，北京京鵬環球科技股份有限公司開發了一種家用的JPWZ-1型微型植物工廠，該微型植物工廠是未來家庭園藝、家庭廚房所必備的一種家用電器，不僅可以實現蔬菜的周年生產、滿足家庭對蔬菜安全、衛生、綠色的需求，而且能吸收人居環境中的CO2，放出的O2為家庭以及辦公樓宇創造舒適的環境，同時其還具有科普功能[3]。

該微型植物工廠的成功研發代表了我國設施農業裝備水平的提高，根據設施裝備與設施園藝相結合的原則，對該微型植物工廠進行了栽培試驗，初步探索了該JPWZ-1型微型植物工廠種植生菜的栽培效果。

1 JPWZ-1型微型植物工廠的結構

該JPWZ-1型微型植物工廠（圖1）整體外型結構及尺寸與雙開門冰箱相當，主要包括栽培區、營養液循環區、電氣控制區、環境控制區等四大部分。

栽培區共分上、中、下3層，上下2層以熒光燈為光源，中間層采用紅藍比LED燈補光。熒光燈為白光，可提供作物需要的各種光波；LED采用適宜植物生長的紅藍波段光源，可促進葉菜及莖類植物生長（上、中、下3層的光源可調換）。栽培區內膽為鏡面不銹鋼，外殼為優質冷軋鋼板，外殼與內膽之間填充硅酸鋁棉保溫層，以保證栽培區的溫濕度環境與外界隔離。營養液循環區位于栽培區下側與右側部分區域，營養液在家庭植物工廠底層的營養液箱內配制，通過自動控制系統定時與栽培區各層栽培床箱內的營養液進行營養液循環，以達到營養均衡供應及營養液管道消毒的目的。電氣控制區位于栽培區的右側，該區域配置有溫度控制設備、濕度控制設備、CO2供氣設備、紫外燈消毒設備，控制器和人機界面。環境控制區位于栽培區的后側，是栽培區環境控制的一個緩沖區，配置有制冷蒸發器、加熱管、內循環風扇、外循環風扇等設備[2]。

圖1 JPWZ-1型微型植物工廠

2 栽培試驗過程

2.1 栽培品種

試驗材料為生菜，品種名為羅生3號、紫羅蘭。

2.2 栽培環境條件

生菜屬低溫型植物，性喜冷涼，種子在4℃時即可發芽，發芽適溫18～22℃，高于25℃時因種皮吸水受阻幾乎不發芽，夏季播種時需低溫處理。植株生長期間，以15～20℃生長最適宜，而晝夜溫差大、夜間溫度低，有利于高產量、優品質；5～25℃環境也可適應，但持續高于25℃，生長較差，葉質粗老，略有苦味，并且高溫影響生菜對鈣的吸收，易發生心腐病[4]。作物是在微型植物工廠內一個相對密閉的環境中生長，本次試驗可對植物工廠內的溫濕度進行自動設定。設定的白天及夜間的溫濕度具體為∶羅生3號溫度白天22℃、夜間18℃，濕度白天65%、夜間75%；紫羅蘭溫度白天23℃、夜間17℃，濕度同羅生3號。

①光源環境 一層為熒光燈（共6支），為微型植物工廠最底層；二層為LED燈帶（共5條），為微型植物工廠中間層；三層為LED燈塊（共3塊），為微型植物工廠最上層（圖2）。

②供液環境 采用營養液栽培，營養液栽培是無土栽培的一種，它可以代替天然土壤向作物提供水分、養分、氧氣，從而使作物能夠正常生長并完成整個生命周期[5]。如圖3所示，JPWZ-1型微型植物工廠的營養液循環方式為多層集中定時供液，各層獨立控制流量。在營養液箱內配好營養液后，可控制營養液系統定時循環，在循環過程中，營養液通過營養液消毒器、供液管路給各層栽培床箱提供新鮮潔凈的營養液，各層栽培床箱內原有的營養液則可通過回液管路回流到營養液箱內進行加營養、增氧氣和消毒處理，以備下一次循環使用。另外，各層栽培床箱內還設置了供液閥門和回液插芯，如此便可有效控制各層營養液的供液速度和液面高度[2]。

圖2 各層補光燈

圖3 JPWZ-1型微型植物工廠營養液循環系統

根據目前水培生菜栽培方式制定其營養液配方，具體為 Ca（NO3）21 122.00 mg/L，KNO3910.00 mg/L，NH4NO340.00 mg/L，K2H2PO4272.00 mg/L，MgSO4247.00 mg/L，EDTA 二鈉鐵 16.80 mg/L，硼砂 0.28 mg/L，MnSO40.86 mg/L，ZnSO41.26 mg/L，CuSO40.20 mg/L，Na2Mo40.10 mg/L。

2.3 播種前的準備

采用種植穴孔數為64孔（8×8）的穴盤栽培板，而后用KMnO4溶液對栽培板進行消毒，消毒后用清水進行清洗，然后將消毒過的海綿塞進栽培板孔中。將生菜種子（羅生3號、紫羅蘭）分別播種于海綿孔中，每孔播種2～3粒。

2.4 催芽

2011年8月26～27日催芽。普通水培生菜需將生菜籽用涼水浸泡12～24 h后將水控凈，裝入密閉塑料袋，放入冰箱的冷藏室（2～4℃）處理 12～24 h，然后取出放在15～20℃的條件下，保持種子濕潤，種子露白后播種[6]。在JPWZ-1型微型植物工廠中，只需將種子直接播入栽培板的海綿孔中，然后在環境控制區調好生菜所需的溫濕度環境即可，溫度設定為18～22℃，濕度控制在65%～75%。此時，不需要開啟燈光。2 d后，待種子露白后開啟燈光，重新設置生菜在生長期所需的溫濕度。

2.5 生長管理期

生菜在生長期的溫度平均控制在25℃，濕度平均控制在66%，pH值平均控制在6.28，溶氧值平均在3.62 mg/L，主要通過營養液的自動循環供液來實現生長期的管理，同時，實時記錄生菜成長過程中的EC值、pH值、溶氧值，以便對生菜進行實時監控。此次栽培試驗共分4個階段，即子葉期、幼苗期、成苗期、采收期。各生長情況及記錄數據具體如下。

①子葉期 2011年8月28～30日，此階段特征是植株長出2片子葉，具體生菜生長情況見圖4。由表1數據可以看出，此階段的平均溫度為26.2℃，平均濕度為 63.67%，平均 EC 值為 1 674.11 μS/cm，平均 pH 值為 6.43，平均溶氧值為 3.52 mg/L。

圖4 子葉期生長情況

表1 子葉期植物工廠內溫濕度，營養液EC值、pH值、溶氧值

②幼苗期 2011年8月31日至9月6日，此階段特征是葉片長到5～6片，各層葉片呈現綠色（圖5）。其中，一層羅生3號的株高為3～4 cm，二層紫羅蘭的株高為2～3 cm，三層紫羅蘭株高為6～8 cm。由表2數據可知，此階段的平均溫度25℃，平均濕度66%，平均 EC 值 1 629.81 μS/cm，平均 pH 值 5.64，平均溶氧值 4.11 mg/L。

③成苗期 2011年9月7～13日，此階段特征是，一層羅生3號葉片長到6～8片，葉片仍為綠色，株高為6～7 cm；二層紫羅蘭葉片長到9片，葉片為綠中帶紫,平均株高為12.5 cm；三層紫羅蘭的葉片長到9～11片，葉子顏色為綠色，平均株高為14 cm（圖6）。由表3數據可知，此階段的平均溫度24.7℃，平均濕度 66.39%，平均 EC 值 1 651.76 μS/cm，平均 pH 值 6.22，平均溶氧值 3.46 mg/L。

圖5 幼苗期生長情況

表2 幼苗期植物工廠內溫濕度，營養液EC值、pH值、溶氧值

圖6 成苗期生長情況

表3 成苗期植物工廠內溫濕度，營養液EC值、pH值、溶氧值

④采收期 2011年9月14～26日，此階段特征是，一層羅生3號葉片多于9片，葉片仍為綠色，株高為9～13.5 cm；二層紫羅蘭葉片多于11片，葉片綠中帶紫，平均株高為21 cm；三層紫羅蘭的葉片長到16片，葉片為綠色，平均株高為26 cm（圖7）。由表4記錄數據可知，此階段的平均溫度24.4℃，平均濕度 68.08%，平均 EC 值 1 758.4 μS/cm；平均 pH值 6.40，平均溶氧值 3.14 mg/L。

綜上所述，生菜在各個生長階段的溫濕度、EC值、pH值及溶氧值等均處于正常水平，充分發揮了JPWZ-1型植物工廠的環境自動控制功能，且在各個階段中，第3層LED補光燈塊紫羅蘭植株長勢最好。

2.6 收獲

2011年9月26～30日，此階段為生菜收獲期。

①總體情況 一層羅生3號共32株，總質量916 g，單株平均質量為28.63 g；二層左側紫羅蘭共14 株，總質量 655 g，單株平均質量為 46.79 g；三層紫羅蘭共31株，總質量1 960 g，單株平均質量為63.23 g（表5）。

選取各層中生長勢處于中間水平的植株，測量其葉片長和葉片寬。從表5可以看出，三層LED補光燈塊紫羅蘭的單株質量最大，但其葉片長與葉片寬均處于中間水平。

②單株收獲情況 選取各層中較大的生菜單株（圖8～9），對其根長、根莖直徑、株高、株寬、葉片長、葉片寬、葉片數及單株質量等進行測定，結果見表6。

從表6中可以看出，3層LED補光燈塊的紫羅蘭的根莖直徑、株寬、葉片數及質量最大。由此可見，3層的紫羅蘭生菜為長勢最好的作物。

圖7 采收期生長情況

表4 采收期植物工廠內溫濕度，營養液EC值、pH值、溶氧值

表5 JPWZ-1型微型植物工廠3層植物質量及葉片長、寬等測量數據

綜上所述，3種作物在JPWZ-1型植物工廠里均生長較好，生長周期為30 d，比普通大田生菜生長時間（60 d）縮短1/2周期，且作物質量好；JPWZ-1型植物工廠內的3層燈光中的第3層的LED燈補光塊對植物生長的促進作用最強，其次為LED燈補光帶，最后為熒光燈。

2.7 檢測情況

將第3層紫羅蘭（600 g）、第1層的羅生3號（320 g）送至北京理化測試中心化學部進行鈣、砷、汞、鉛、鎘、亞硝酸鹽等項目的檢測。鉛測定參照GB/T 5009.92-2003，鎘測定參照 GB/T 5009.15-2003，鈣測定參照 GB/T 5009.92-2003，汞測定參照GB/T 5009.17-2003，砷測定參照 GB/T 5009.11-2003，亞硝酸鹽測定參照GB/T 15401-1994。鉛、鎘、鈣含量采用原子吸收分光光度法測定，汞、砷含量采用原子熒光光譜儀測定，亞硝酸鹽含量采用紫外線可見光度法測定。

圖8 3種生菜生長情況

圖9 3種生菜單株生長情況

表6 JPWZ-1型微型植物工廠3層作物單株情況

表7 JPWZ-1型微型植物工廠2種作物重金屬及硝酸鹽含量檢測數據

由表7數據可知，利用JPWZ-1型微型植物工廠栽培的紫羅蘭生菜和羅生3號生菜的鎘、汞、亞硝酸鹽含量的檢驗結果均小于方法檢出限，代表這2種生菜中不含這些重金屬及農藥；鉛、砷含量的檢驗結果大于方法檢出限，但卻遠遠小于綠色食品（NY/T 743-2003）綠葉類蔬菜的鉛、砷的指標（鉛≤0.1 mg/kg，砷 0.2 mg/kg），且 2 種生菜中營養指標鈣的含量較高。因此，可看出，JPWZ-1型植物工廠生產的生菜營養、衛生、安全、無污染。

3 結論及建議

通過在JPWZ-1型植物工廠試種羅生3號及紫羅蘭生菜，得出了以下結論。

①完全可以利用JPWZ-1型植物工廠種植生菜等葉菜植株，且栽培周期短，比普通大田生菜生長周期縮短1/4以上。

②JPWZ-1型植物工廠可實現作物周年生產，且其在栽培過程中不施農藥，生產的生菜是一種真正的衛生、安全、無污染的健康食品。

③JPWZ-1型植物工廠3種光源中，LED補光燈塊對促進作物生長的效果是最好的，其次為LED補光燈帶，最后為熒光燈。

JPWZ-1型微型植物工廠是設施農業新生的事物，正處于探索和摸索階段，本次試驗為微型植物工廠的試運行提供了很好的栽培經驗，可以為未來的家庭菜園、家庭園藝提供一種行之有效的種植模式。同時，下一步還應該繼續探索老百姓經常吃的菜如苦菊、茼蒿、小油菜等品種的栽培效果，不斷研發與積累新的栽培技術，使研發的設施農業裝備能真正與設施園藝相結合起來，為以后微型植物工廠能快速走入尋常百姓家而奠定基礎。

[1]楊其長，張成波.植物工廠定義與分類[J].溫室園藝，2005（5）∶36-37.

[2]商守海，周增產，卜云龍，等.JPWZ-1型微型植物工廠的研制[J].農業工程，2012（1）∶44-47.

[3]陳晨.“煞有介事”的植物工廠[J].中國科技財富，2011（11）.10-11.

[4]張蕊.水培生菜栽培技術[J].北方園藝，2011（19）∶53-54.

[5]秦琳琳，孫德敏，王永，等.無土栽培營養液循環控制系統[J].農業工程學報，2003，19（4）∶264-266.

[6]李亞萍.淺談生菜栽培技術[J].河南農業，2009（12）∶51.