移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱研發(fā)與應(yīng)用

董 微，周增產(chǎn)，封喜雷，姚 濤，曲維民，張浩文

(1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)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(shù)研究中心，北京 100094： 4.北京京鵬潤(rùn)和農(nóng)業(yè)科技有限公司，北京 100094)

0 引言

中國(guó)有著悠久的蔬菜種植歷史，蔬菜育苗是蔬菜生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，也是獲得蔬菜早熟、高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的有效調(diào)控手段。目前，市場(chǎng)上的育苗箱大都是塑料制成的簡(jiǎn)單箱體，內(nèi)部設(shè)置有育苗槽，箱體壁上設(shè)置有通風(fēng)口，價(jià)格低廉，防寒保溫和遮陽降溫效果差，影響幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，培育出的種苗質(zhì)量不高[1-2]。溫室育苗仍存在很多問題，導(dǎo)致在傳統(tǒng)的溫濕環(huán)境下生產(chǎn)的種苗品質(zhì)差，存活率低。多層式立體栽培方式受自然條件影響小，作物生產(chǎn)計(jì)劃性強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快、周期短，自動(dòng)化程度高、無污染，同時(shí)可以節(jié)省3～5倍的土地，已經(jīng)成為近年來研究的重點(diǎn)[3-4]。

北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的新型移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱自動(dòng)化程度高，采用人工光光源，可根據(jù)種苗不同生育時(shí)期的條件需要進(jìn)行自動(dòng)化管理，為育苗提供最適宜的溫度、濕度等環(huán)境條件，提高了育苗效率，對(duì)提高農(nóng)民收入和推進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-10]。

1 結(jié)構(gòu)組成

移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱采用自動(dòng)化控制手段，使幼苗在最佳環(huán)境下生長(zhǎng)，適合于各種植物種苗的集約化與工廠化生產(chǎn)，能培育出較高商品率的種苗，是工廠化育苗的高級(jí)階段。它擺脫了自然條件的束縛和地域性的限制，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一個(gè)標(biāo)志。

移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱由40尺集裝箱改造而成，底部鋪設(shè)鋁材地板，四周和頂部安裝凈化板。移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱由栽培系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、CO2供氣系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 栽培系統(tǒng)

栽培系統(tǒng)由栽培架、栽培槽和人工光源組成，如圖2所示。栽培槽采用EPP材質(zhì)，放置在栽培架上，由前端槽、中間段、后端槽和育苗盤組成，兩端槽與中間段兩側(cè)截面分別設(shè)有凹、凸連接槽，采用熱熔膠進(jìn)行粘結(jié)。前端槽有進(jìn)液口，后端槽有回液口。回液口上面安裝排水管，控制排水管高度達(dá)到控制槽內(nèi)液面高度，最大高度40 mm，可根據(jù)育苗需求調(diào)節(jié)。栽培架采用黑色鋁型材，主要由立柱、橫梁、頂部縱梁和縱梁組成。人工光源采用植物生長(zhǎng)專用的LED燈，通過不同光質(zhì)組合和光強(qiáng)、光周期調(diào)控，代替陽光，滿足育苗箱里幼苗全生育期光合作用需要。

圖2 移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱栽培系統(tǒng)Fig.2 Cultivation system of mobile artificial light stereo high efficiency seedling box

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)由空調(diào)和新風(fēng)裝置組成。空調(diào)室內(nèi)機(jī)及通風(fēng)管道位于育苗箱頂部，出風(fēng)口采用百葉窗形式，百葉窗調(diào)節(jié)閥能自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，達(dá)到控制進(jìn)風(fēng)量，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。新風(fēng)裝置位于育苗箱頂部，配置了新風(fēng)進(jìn)口和出口，新風(fēng)進(jìn)口固定在育苗箱側(cè)壁上與外界相通，新風(fēng)出口與育苗箱內(nèi)部相通，通過出口百葉窗開度調(diào)節(jié)新風(fēng)風(fēng)量大小，滿足室內(nèi)外換氣的需求。

2.3 CO2供氣系統(tǒng)

CO2供氣系統(tǒng)由CO2儲(chǔ)氣瓶、電磁閥和輸送管道組成。育苗箱內(nèi)CO2濃度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)CO2濃度變化，當(dāng)濃度低于設(shè)置值時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)打開電磁閥進(jìn)行補(bǔ)氣；達(dá)到濃度設(shè)定值時(shí)停止供氣，保證幼苗進(jìn)行正常的光合作用。CO2供氣系統(tǒng)采用氣瓶型，可產(chǎn)生純凈的高濃度氣體肥料，明顯提高作物光合作用，使植株生長(zhǎng)加快，根系發(fā)達(dá)，增產(chǎn)增收。

2.4 加濕系統(tǒng)

加濕系統(tǒng)由加濕機(jī)、過濾器和加濕管道組成。自來水經(jīng)過濾器進(jìn)入加濕機(jī)，加濕機(jī)的開關(guān)由育苗箱內(nèi)干濕度傳感器自動(dòng)控制，以保證育苗箱內(nèi)的濕度適合幼苗生長(zhǎng)。

2.5 水處理系統(tǒng)

自來水凈化系統(tǒng)由水處理裝置、進(jìn)水管和出水管組成。水處理裝置位于營(yíng)養(yǎng)箱下方，進(jìn)水管與自來水進(jìn)水口相連，出水管與營(yíng)養(yǎng)液箱進(jìn)水管相連。自來水經(jīng)過水處理裝置去除水中雜質(zhì)，從而消除雜質(zhì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液EC值和pH值的影響。

2.6 營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)由營(yíng)養(yǎng)液箱、供液管路、回液管路、電磁閥、營(yíng)養(yǎng)液回收箱和紫外線消毒器(圖3)等組成。營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)可為栽培系統(tǒng)提供營(yíng)養(yǎng)液，使?fàn)I養(yǎng)液在栽培槽和營(yíng)養(yǎng)液貯箱之間循環(huán)流動(dòng)。其中，營(yíng)養(yǎng)液箱用于盛放營(yíng)養(yǎng)液，給作物提供營(yíng)養(yǎng)和水分；供液管路將營(yíng)養(yǎng)液箱中的營(yíng)養(yǎng)液供給到栽培槽中供作物需求；回液管路將栽培槽內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)液回流至營(yíng)養(yǎng)液回收箱中；紫外線消毒器可對(duì)原水中的微生物進(jìn)行殺滅。

圖3 紫外線消毒器Fig.3 Ultraviolet sterilizer

2.7 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要用于育苗箱內(nèi)環(huán)境(溫度、濕度、CO2濃度與光照)的調(diào)控，以及自動(dòng)配肥、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)灌溉控制。控制系統(tǒng)主要由控制器、溫度傳感器、濕度傳感器、液位傳感器和觸摸屏等組成。控制系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)界面Fig.4 Interface of control system

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2021年1月15日進(jìn)行了移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱室內(nèi)外溫度、濕度測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間范圍為9∶00—17∶00，溫濕度每隔30 min記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試期間未打開人工光源。

3.2 測(cè)試儀器

試驗(yàn)采用RC-4HC型溫濕度測(cè)量?jī)x，數(shù)量16個(gè)。

3.3 試驗(yàn)方法

將移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱內(nèi)一側(cè)栽培架分為A、B、C共3個(gè)測(cè)試區(qū)，每個(gè)區(qū)域垂直方向設(shè)置5個(gè)溫濕度測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離燈管20 cm。測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。室外溫濕度測(cè)試點(diǎn)應(yīng)選取背光處，避免太陽光直射對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

圖5 測(cè)點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of measuring points

4 結(jié)果與分析

4.1 溫度測(cè)試

各測(cè)點(diǎn)溫度分布如圖6所示。測(cè)試期間同一水平方向A1、B1和C1的溫差范圍0.1～1.8 ℃，A2、B2和C2的溫差范圍0.2～1.8 ℃，A3、B3和C3的溫差范圍0.3～1.9 ℃，A4、B4和C4的溫差范圍0.1～1.6 ℃，A5、B5和C5的溫差范圍0.4～1.8 ℃。A區(qū)垂直方向溫差范圍0.7～3.0 ℃，B區(qū)垂直方向溫差范圍0.8～3.3 ℃，C區(qū)垂直方向溫差范圍0.9～2.0 ℃，室外測(cè)試點(diǎn)溫度范圍-9.9～4.1 ℃。13∶00時(shí)，室外溫度達(dá)到全天最高值4.1 ℃，此時(shí)移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱內(nèi)栽培架上A、B和C的3個(gè)區(qū)域同一水平方向上的3點(diǎn)溫差范圍0.1～1.0 ℃；A區(qū)垂直方向溫差1.7 ℃；B區(qū)垂直方向溫差1.9 ℃；C區(qū)垂直方向溫差1.6 ℃。

圖6 各測(cè)點(diǎn)溫度分布Fig.6 Temperature distribution of each measuring point

4.2 濕度測(cè)試

各測(cè)點(diǎn)濕度分布如圖7所示。測(cè)試期間同一水平方向A1、B1和C1的濕度差范圍7.7%～9.8%，A2、B2和C2的濕度差范圍8.7%～9.9%，A3、B3和C3的濕度差范圍8.4%～9.9%，A4、B4和C4的濕度差范圍8.6%～10%，A5、B5和C5的濕度差范圍4.3%～10%。A區(qū)垂直方向濕度差范圍4.2%～19.5%，B區(qū)垂直方向濕度差范圍3.4%～19.2%，C區(qū)垂直方向濕度差范圍9.8%～19.6%，室外測(cè)試點(diǎn)濕度范圍9.3%～39.2%。13∶30時(shí)，室外濕度達(dá)到全天最低值9.3%，此時(shí)移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱內(nèi)栽培架上A、B和C的3個(gè)區(qū)域同一水平方向上的3點(diǎn)濕度差范圍5.6%～9.8%；A區(qū)垂直方向濕度差12.9%；B區(qū)垂直方向濕度差13.8%；C區(qū)垂直方向濕度差14%。

圖7 各測(cè)點(diǎn)濕度分布Fig.7 Humidity distribution of each measuring point

5 結(jié)論

測(cè)試期間同一水平方向A、B和C的溫度差范圍0.1～1.9 ℃，濕度差范圍4.3%～10%；A區(qū)垂直方向溫差范圍0.7～3.0 ℃，濕度差范圍4.2%～19.5%；B區(qū)垂直方向溫差范圍0.8～3.3 ℃，濕度差范圍3.4%～19.2%；C區(qū)垂直方向溫差范圍0.9～2.0 ℃，濕度差范圍9.8%～19.6%。通過移動(dòng)式人工光立體高效育苗箱運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試，其結(jié)果表明，育苗箱可提供最適宜的育苗溫度、濕度等環(huán)境條件，可根據(jù)菜苗不同生育時(shí)期的條件需要進(jìn)行自動(dòng)化管理，生產(chǎn)壯苗，對(duì)于實(shí)現(xiàn)大型工廠化育苗的推廣普及具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。