閉鎖型工廠化育苗系統的研制與試驗

李東星，許明，周增產，卜云龍，商守海，王會學

（北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，100094）

工廠化育苗具有技術密集性高、產業(yè)帶動性強、綜合效益好等現代農業(yè)特征，在美國、荷蘭、日本、以色列等國家已具有相當規(guī)模，并有專業(yè)化的大型資材供貨商、種子公司為大型種苗生產企業(yè)提供相應的商業(yè)化服務，從而支撐了種苗行業(yè)的標準化、規(guī)模化、產業(yè)化發(fā)展。在我國，隨著設施園藝的快速發(fā)展應運而生的工廠化育苗技術雖然得到了長足的發(fā)展，但還存在關鍵設備和主要資材缺乏、環(huán)境調控粗放、人工光照和補光技術落后、育苗生產效率和效益低下等問題。針對此問題，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司開發(fā)了一種閉鎖型工廠化育苗系統，該系統可通過運用機械化、自動化手段，人工控制等技術，使種苗在最佳環(huán)境下生長[1]，它擺脫了自然條件的束縛和地域性的限制，可以控制種苗生長周期，促進種苗快速發(fā)育，且采用完全封閉的栽培環(huán)境，為種苗的繁育創(chuàng)造了良好的生長環(huán)境[2]。為了驗證及優(yōu)化該系統的功能，根據設施裝備與設施園藝相結合的原則，在閉鎖型工廠化育苗系統中進行了黃瓜育苗試驗，初步探索了該閉鎖型工廠化育苗系統的育苗效果。

1 閉鎖型工廠化育苗系統的研制

閉鎖型工廠化育苗系統（圖1）是一種采用聚苯乙烯泡沫夾心彩鋼板的絕熱壁板圍成的空間，此空間可將系統內外的物質和熱能的交換控制在最小限度范圍內，室溫采用空調機維持設定，光照采用人工光形式提供植物成長所需，對于苗或株高較小的植物，系統內可采用多層栽培架。其他主要組成部分有空氣攪拌風機，促進光合成的CO2施用裝置，灌溉設備以及環(huán)境調控設備[3]。

1.1 結構組成及材料

圖1 閉鎖型工廠化育苗系統內景

閉鎖型育苗系統的面積為23.4 m2，用聚苯乙烯泡沫夾心彩鋼板作為圍護結構，這種材料是一種強度高、保溫性能好的絕熱材料，它能夠大大減少壁板的傳熱，并能防止因室外氣溫比室內氣溫低而造成的壁內側結露。采用4層式育苗架4臺（安裝32 W植物生長熒光燈168支及半架LED發(fā)光管），補光功率共計約6 456 W（半架LED發(fā)光管補光功率按1 080 W計）。頂部風道負壓區(qū)設置了通風口，通風口靠近溫室天窗，定期打開使系統內通風換氣。系統各項組成及參數見表1。

表1 閉鎖型工廠化育苗系統組成

1.2 多層式苗床設計

閉鎖式育苗主要是采用多層立體培養(yǎng)方式，其優(yōu)勢在于能夠提高單位面積產量以及單位面積利用率。育苗培養(yǎng)架主體骨架為不銹鋼焊合體，分別安裝苗床、熒光燈組、LED燈板、反光鋁板、風扇、背板、側板等零部件。

如圖2所示，閉鎖式育苗床共有4層，床架總高度為190 cm，長為268.1 cm，寬為70 cm。由于幼苗生長的高度為10～20 cm，光源與植物頂端的距離為5～20 cm，所以苗床每層高度設定為38 cm，每層育苗床安裝10個風扇，用于模仿自然通風，有利于通風降濕。

1.3 人工光源的選擇與調控

在光源的可見光光譜中，植物吸收的光能占生理輻射光能的60%～65%，其中主要是波長為610～720 nm的紅、橙光輻射，紅、橙光能被葉綠素強烈吸收，光合作用最強，可顯著加速植物的發(fā)育，其中660 nm為吸收波峰。其次是波長400～510 nm的藍、紫光輻射，藍、紫光被植物葉綠素吸收最多，表現為強的光合作用和形態(tài)建成作用，其中450 nm為吸收波峰。因此，在人工光源調控系統中，選擇660 nm紅光和450 nm藍光進行搭配[4]。本育苗系統采用藍光與紅光比等于5∶1的熒光燈進行搭配，其輻照強度為 40 μW/m2。

1.4 營養(yǎng)液循環(huán)系統

圖2 育苗栽培架

營養(yǎng)液循環(huán)系統主要由栽培床、營養(yǎng)液池、供液管道系統、回流管道系統、自動灌溉施肥機組成。栽培床用于盛放營養(yǎng)液，給種苗提供營養(yǎng)和水分。營養(yǎng)液池是貯存和供應栽培床營養(yǎng)液的容器，母液罐、酸罐、堿罐和清水罐中的溶液在電磁閥門的控制下流入營養(yǎng)液池。供液管道系統將貯液池中的營養(yǎng)液運輸到栽培床中供作物需求，它主要包括供液管道、調節(jié)流量的閥門等組成部分；而回流管道系統是將栽培床內的營養(yǎng)液回流至貯液池中，它主要包括回流管道和栽培床中的回流裝置兩部分。自動灌溉施肥機與供液管道系統相連，用于營養(yǎng)液的自動配比混合并傳輸給供液管道系統，它主要包括一套文丘里型肥料泵，肥料泵裝置上同時也包括電動控制肥料閥門、肥料流量調節(jié)器、聚乙烯裝配件；一個專用電動水泵，用于通過旁通管維持文丘里肥料泵運行所必須的水壓差[5]。

1.5 育苗環(huán)境自動調控系統

利用PLC控制理論及空調機組對設施內的各種環(huán)境因子，包括溫度、相對濕度、光照、CO2濃度等進行自動控制和調節(jié)是閉鎖型育苗系統進行育苗生產的關鍵。根據不同作物的生長習性，調控出適宜作物生長的最佳環(huán)境是系統控制的核心。環(huán)境控制項目包括溫度、相對濕度、CO2濃度、光照和通風系統，如圖3所示。

2 閉鎖型工廠化育苗系統對黃瓜幼苗生長影響的試驗

2.1 試驗材料

本次試驗材料為黃瓜（寒光65），共選取了6個樣本進行試驗，于2013年1月25日分別采用數顯電子稱 PWC124（max=120 g，d=0.000 1 g）稱量樣本3 236粒，最后在種子處理浸種環(huán)節(jié)，又漂洗出227粒秕種子，共3 236-227=3 009粒種子進入催芽環(huán)節(jié)。具體稱重情況見表2。

2.2 試驗方法

本次試驗在北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司通州植物工廠閉鎖型工廠化育苗系統中進行，于2013年1月28日開始浸種，進行育苗試驗，分別對操作流程、不同光源對黃瓜幼苗下胚軸伸長、第一片真葉葉面積的影響進行比較，在此基礎上，明確了黃瓜苗在LED光源下達到壯苗的數量指標，為以后的相關工作提供依據和參考。黃瓜育苗具體操作流程見圖4。

①出苗率統計 從開始浸種 （2013年 1月 28日 23：00）算起，至第7天（2013年2月4日15：00左右）統計出苗率。共播種50孔穴盤57盤，實際調查53盤。該系統中出苗的衡量標準為：a.幼苗拱土露出肉眼可見的子葉或胚軸；b.穴孔中有雙粒的按照1粒計算。具體統計結果見表3。

圖3 控制系統

表2 寒光65黃瓜種子粒數及質量情況

圖4 育苗操作流程

②不同光源對黃瓜幼苗下胚軸、莖粗及第一真葉葉面積大小的影響 2013年2月11日上午，真葉已經長出，下胚軸不再伸長生長時，進行了普通熒光燈及LED燈不同光源下的黃瓜幼苗下胚軸莖粗的測定，各15株，位于閉鎖室育苗架第2層（從上往下），其他管理均相同，僅光源存在差別，其對比具有代表性和可比性。

下胚軸長：指與基質表面相平的莖基部至緊貼子葉下方的距離。用2 m長卷尺測量，單位為cm。

表3 黃瓜出苗率統計

莖粗：指緊貼子葉下方下胚軸的粗度，用數顯電子游標卡尺測定，單位為mm。

第一片真葉葉面積：用葉形紙稱重法進行測定，單位為cm2。2013年2月14日，黃瓜幼苗1葉1心期，用葉形紙稱重法進行了黃瓜幼苗第一片真葉葉面積的測量。

2.3 結果與分析

①出苗率統計 由表3可以看出，供試黃瓜種子在閉鎖型工廠化育苗系統中的出苗率相對很高，平均出苗率達到91.89%。

②不同光源對黃瓜幼苗下胚軸長度的影響 由表4可以看出，在其他環(huán)境條件同樣的情況下，采用LED光源和普通熒光燈光源對黃瓜幼苗的下胚軸伸長均有較為明顯的促進作用，但LED光源照射下黃瓜幼苗下胚軸平均長度為3.31 cm，是普通熒光燈照射的1.7倍左右，LED光源對于促進黃瓜幼苗下胚軸伸長的作用極顯著優(yōu)于普通熒光燈光源。

③不同光源對黃瓜幼苗莖粗的影響 由表5可以看出，在其他環(huán)境條件同樣的情況下，在閉鎖型工廠化育苗系統內采用LED光源和普通熒光燈光源對黃瓜幼苗的莖粗均有一定的影響，但二者差異不顯著。

④不同光源對黃瓜幼苗第一片真葉葉面積的影響 由表6可以看出，在其他環(huán)境條件同樣的情況下，在閉鎖型工廠化育苗系統內采用LED光源和普通熒光燈光源對黃瓜幼苗第一真葉葉面積均有較為明顯的促進作用，但LED光源下黃瓜幼苗平均第一真葉葉面積為46.16 cm2，是普通熒光燈下的1.57倍，即LED光源對于促進黃瓜幼苗第一片真葉葉面積的作用顯著優(yōu)于普通熒光燈光源。

表4 不同光源下黃瓜幼苗下胚軸長度

表5 不同光源下黃瓜幼苗莖粗（緊貼子葉下方）

⑤不同調查期不同光源對黃瓜幼苗生長的影響分別于2月4日（出苗期）、2月7日（露心期）、2月11日（1葉1心期）調查LED光源和普通熒光燈光源照射下黃瓜幼苗的生長情況，結果表明，2月4日出苗期，2種光源下生長的黃瓜幼苗幾乎沒有差別；2月7日露心期，LED光源下生長的黃瓜幼苗真葉略大于普通熒光燈下的；2月14日1葉1心期，2種光源下的黃瓜幼苗差別明顯，其中LED光源下生長的較優(yōu)。

表6 不同光源下黃瓜幼苗第一真葉葉面積

2.4 結論

通過在該閉鎖型工廠化育苗系統中對黃瓜育苗進行試驗后，可得出以下結論。

該閉鎖型工廠化育苗系統的研制，為黃瓜育苗提供了良好的育苗環(huán)境，實現了溫度、相對濕度、CO2濃度、光照、營養(yǎng)液等因子的綜合調控，有利于黃瓜等蔬菜幼苗的生長。

在該閉鎖型工廠化育苗系統中，通過對閉鎖型工廠化育苗系統中的不同光源進行對比，結果表明，LED光源所育出的黃瓜幼苗下胚軸平均長度為3.31 cm，處于《蔬菜栽培學》黃瓜栽培篇[6]所提出的“壯苗下胚軸長 3～4 cm”，第一片真葉葉面積46.16 cm2，也比較接近所提出的“基部 1～2 片真葉面積均在50 cm2左右”的指標，說明在其他條件相同的情況下，LED 光源（紅∶藍=100∶12）下更容易育出黃瓜壯苗。

綜上所述，閉鎖型工廠化育苗系統作為目前最為先進的高效育苗生產系統，可為蔬菜作物提供良好的生長環(huán)境，具有很好的推廣前景。

[1]辜松.蔬菜工廠化嫁接育苗系統的發(fā)展現狀[J].農機化研究，2005，6（11）：52-54.

[2]侯艷鋒，曲英華.閉鎖型育苗系統的開發(fā)與利用[J].安徽農業(yè)科學，2007，35（23）：7 071-7 072.

[3]古在豊樹.閉鎖型苗生產的研究[J].日本植物工廠學會，1998：44-49.

[4]崔瑾，徐志剛，邸秀茹.LED在植物設施栽培中的應用和前景[J].農業(yè)工程學報，2008，24（8）：249-253.

[5]劉向輝，宋衛(wèi)堂，周立剛，等.循環(huán)營養(yǎng)液的物理消毒[J].中國農學通報，2004,20（5）：273-279.

[6]山東農業(yè)大學主編.蔬菜栽培學各論.3版[M].北京：中國農業(yè)出版社，1999：214.