空間植物栽培裝置方案與驗證

唐永康,蔡旭哲,吳 浩,吳志強,艾為黨,沈韞賾,毛瑞鑫,胡清華,王隆基

(1.人因工程全國重點實驗室(中國航天員科研訓練中心),北京 100094; 2.中國航天員科研訓練中心,北京 100094)

植物是受控生態生保系統(controlled ecological life support system,CELSS)中非常關鍵的生物功能部件,通過植物的光合作用和蒸騰作用,可以為航天員提供食物、O2和凈水,同時去除CO2和一些微量有害氣體,并能緩解航天員的心理壓力[1]。因此,在特定人工環境(如空間站)中研究植物的生理生態特性,對于未來在月球或火星基地建立CELSS有著重要的意義[2]。

1971年,俄羅斯利用禮炮號空間站開展了“綠洲”1號植物栽培系統搭載實驗,從此開啟了人類在空間進行植物培養和研究的大門。美國、俄羅斯等航天大國多次在禮炮號空間站、和平號空間站、航天飛機和國際空間站上,開展植物培養的各類實驗研究。它們先后在太空利用24臺植物栽培系統,栽培了40多種不同種類的植物[3-5]。目前,蔬菜生產系統(veggie)、先進植物栽培裝置(APH)和根曝露在軌測試系統(XROOTS)正在國際空間站開展相關實驗研究,已培養了中國大白菜、生菜、擬南芥、小麥和蘿卜等植物[6-12]。國內方面,中國航天員中心和中科院,在天宮二號和中國空間站上搭載了植物實驗裝置,開展了生菜、水稻和擬南芥等植物培養[13-14]。此外,相關研究單位也在地面開展了針對空間環境條件下的植物栽培研究工作[15-20]。

總體而言,國外航天機構開展的研究和實際飛行實驗較多,空間站植物栽培系統的設計也越來越復雜,開展的研究內容和方向越來越多。科學家們在廣泛開展空間微重力環境對植物生長特性、遺傳特性、生理特性等方面研究的基礎上,還開展了食用安全性評價、植物栽培技術評價等方面的研究,并實現了航天員在軌食用培養的生菜[3,7-8]。而中國相關研究起步較晚,與國外相比,開展空間搭載植物裝置的機會較少,主要差距體現在:1)植物水分和養分供應方式比較簡單,不能滿足開展植物長期培養的需求;2)裝置大氣環境控制能力較弱;3)裝置可測環境參數和植物生長參數數量較少;4)植物培養面積小,周期較短,植物品種少,實驗規模小。

本文是基于空間環境和平臺資源約束,開展空間植物栽培裝置方案研究和實驗驗證,掌握水分/養分供應技術和裝置集成技術,為后續開展空間植物栽培裝置工程樣機研制奠定技術基礎。

1 裝置方案設計

1.1 系統構成

基于空間微重力環境、資源約束和邊界約束,以及滿足植物生長所需要的水分、養分、氧氣、光照、大氣等環境條件,對空間植物栽培裝置進行了模塊化設計。該裝置主要包括水分/養分供應、大氣環境控制、光源、測量與控制、栽培室和根盤等6個功能模塊(如圖1所示),利用支撐結構將6個模塊有機集成一個整體。裝置包絡尺寸為502 mm×440 mm×600 mm,質量≤40 kg,功耗≤200 W,栽培面積0.12 m2,栽培高度350 mm。

圖1 空間植物栽培裝置基本構成Fig.1 Composition diagram of space plant cultivation device

1.2 水分/養分供應

水分/養分供應模塊主要功能是根據不同植物生長需要,實時適量為根系提供水分、養分和氧氣供應。空間微重力會造成植物根系周圍形成一個邊界層,如果植物根部水分運動控制不好,極容易造成根部水分過多而根系缺氧,或者水分過少造成植物缺水。因此,水分供應擬采用多孔管+吸水材料+栽培基質[15-16]的主動供水方式(如圖2所示),通過毛細作用為植物基質和根系供水。供水量可定量測量、調節和控制,養分供應采用專門研制的長效控釋肥(全營養成分)作為植物養分來源,結合水分供應,可一次施肥為植物整個生育期生長提供充足養分,保證其營養品質。控釋肥配方中N為15%,P2O5為7%,K2O為21%,CaO為3%,MgO為2%,S為1%,TE為0.45%。在植物生長期間,主要通過傳感器監測栽培基質的電導率變化情況來判斷基質養分狀況;氧氣供應采用氣泵、單向閥和氣管的方式為栽培基質供應栽培室內的大氣(氧氣)。

圖2 水分/養分供應模塊組成Fig.2 Composition diagram of water and nutrient control module

1.3 大氣環境控制

微重力會導致植物葉面周圍的邊界層顯著加厚,導致植物與環境之間的物質(氧氣、水和二氧化碳等)和熱量傳輸受到極大限制。因此,大氣環境控制模塊擬通過內、外兩種通風循環模式為植物生長提供通風條件,以及調節栽培室大氣環境參數(壓力、溫度、濕度、二氧化碳和氧氣)。內循環(如圖3(a)所示)為順時針閉環持續通風,可充分混勻栽培室內大氣成分,減少在空間微重力環境下植物與環境間的邊界層厚度,促進植物與環境間物質和能量的交換。同時通過乙烯去除劑去除植物產生的乙烯;外循環(如圖3(b)所示)主要基于大氣環境參數控制,通過間斷方式進行內外氣體交換,調節栽培室大氣環境條件。

圖3 大氣環境控制模塊內循環及外循環組成Fig.3 Composition diagram of atmospheric environment control module inner loop and extrinsic cycle

1.4 光源

光源模塊主要為不同類植物生長提供合理的光質、光強和光周期。基于前期研究結果[17-18],采用紅光(660 nm),藍光(450 nm),綠光(525 nm),白光(400～700 nm),遠紅外光(735 nm)共5種LED光源,其光能占比中紅光為30～40%,藍光為10～20%,綠光約5%,白光為30～40%,遠紅外光約5%。最大光強為638.18 μmol·m-2·s-1。5種LED光源的光強可以在0～100%之間連續可調,并通過不同顏色LED的組合,從而滿足果蔬類(如生菜)和糧油類(如小麥)對特定光譜的需求。

1.5 測量與控制

測量與控制模塊主要功能是測量、顯示和控制各類環境參數值,并根據要求將其控制在合理范圍內。其依托測控軟件、電源、攝像頭和各類傳感器(23支)對滿足植物生長的大氣環境類、光環境類、根環境類、植物生長狀態類共39個環境參數和設備運行參數進行有效測量和控制。同時,通過1553B總線接口傳輸裝置的控制指令、注入數據和遙測參數,通過以太網傳輸裝置的實驗數據。

1.6 栽培室和根盤

栽培室及根盤模塊主要功能是為植株和根系提供充足的生長空間。栽培室(如圖4(a)所示)是一個密閉空間,可開展植物光合作用、蒸騰作用和呼吸作用測試,同時也可維持相對穩定的大氣環境條件,防止裝置外污染物進入栽培室。栽培室提供栽培面積0.12 m2,栽培高度350 mm;根盤模塊(如圖4(b)、4(c)所示)主要包含兩個相對獨立的根盤,分別安裝固定在栽培室底部左、右兩側,可從栽培室前門整體移除和替換。每個根盤底部連接有升降結構,以近光培養充分利用光能,升降范圍為0～300 mm。根盤內優選配置了適合空間水分/養分供應和植物根系生長的栽培基質,栽培基質粒徑0.5～2.0 mm,容重0.62 g/cm3,總孔隙度71.80%。

圖4 栽培室、升降結構及根盤模塊組成Fig.4 Composition diagram of cultivation room module, lifting structure and root tray module

1.7 集成與調試

設計方案確定后,開展了裝置中6個功能模塊的工程實現和集成裝配,重點實現裝置的小型化、輕量化和高可靠。隨后完成了相關性能調試與改進,主要包括大氣漏率測試、水分/養分供應、大氣環境控制(氣體成分控制、散熱能力評估和通風流場測試等)、光源強度和均勻性測量及調節,各類參數的測量與控制,以及功耗測試等內容。通過裝置整體集成、性能調試和性能改進,完成的空間植物栽培裝置如圖5所示。裝置主要性能指標實現情況如下:質量39.4 kg,包絡尺寸502 mm×440 mm×600 mm,功耗166.6 W(峰值),栽培面積0.12 m2。

圖5 空間植物栽培裝置Fig.5 Physical drawing of SPCF

2 裝置驗證

裝置驗證主要包括:1)裝置性能驗證(水分/養分供應、大氣環境控制、LED光照、參數測量與控制);2)植物功能評價驗證(生物學特性、物質和能量交換、營養品質和生物安全性);3)植物栽培流程驗證(流程合理性、資源需求及保障、與環境之間的相互影響)。

2.1 驗證平臺

開展裝置驗證的組合體試驗平臺如圖6所示。該平臺通過非再生和再生生保系統匹配協調共同實現環控生保系統功能。其中再生生保系統是平臺供氧、大氣凈化、水凈化和回收的主要設備, 實現人與環境間物質交換和回收的重要功能;非再生生保系統提供基礎平臺功能和應急狀態下生命保障功能。該平臺的大氣環境條件包括:1)艙內總壓為93～97 kPa;2)氧分壓為20.5～22.0 kPa;3)CO2分壓為0.30～0.50 kPa(平均值約0.35 kPa);4)溫度為23～25 ℃;5)濕度為40%～60%。

圖6 組合體試驗平臺及植物栽培裝置艙內安裝位置Fig.6 Combination testing platform and installation position of SPCF

2.2 驗證過程

將研制完成的空間植物栽培裝置安裝在平臺內(如圖6(b)所示),設置裝置的初始技術狀態(基質裝填、控釋肥施用、根盤安裝、初始水分注入、光源設置、大氣參數設置,等等),播種生菜(大速生)種子,啟動裝置開始驗證。驗證期間需人工進行必要的植物生長管理、植物收獲、樣品采集和分析測試。

2.3 栽培流程

植物栽培流程驗證包括種子播種、水分加注、種子萌發管理、幼苗間苗、植株定植、生長管理、生長測試、收獲采樣和分析測試等過程。栽培流程如下:

1)種子播種。每個根盤播種8穴,每穴10粒種子,播種深度1 cm。

2)水分加注。將根盤安裝在栽培室,連接供水/通氣管路,自動供水1 400 mL。

3)種子萌發管理。種子吸水萌發(3～5 d)。播種后第4～10 d,開啟50%生菜LED光源。

4)間苗定植。播種第10 d,選取均勻一致的幼苗間苗/定植1株/穴至成熟收獲。

5)生長管理。主要包括光照強度調節、根盤高度調節、水分供應、生長監測、氣體交換測試、收獲、采樣、分析測試。

6)操作時長。32 d實驗期間,實驗人員平均進艙操作時長為8.16 min/1人次/d。

驗證實驗結果表明,植物栽培流程合理可行。

2.4 裝置性能

1)水分供應。生長期間,水泵供水共32次,累計添加量為15.92 L(不含初始添加1.4 L/盤)。生菜總耗水為18.72 L,其中蒸騰15.14 L。水分供應功能正常。

2)養分供應。兩個根盤共施用生菜控釋肥36.0 g,分兩層施用,上層60%,下層40%。驗證實驗期間,不同階段生菜生長良好,無營養缺乏癥狀。所測量的基質電導率參數值范圍為0.38～1.58 mS·cm-1。

3)大氣環境控制。通過內循環通風,栽培室內通風流場整體均值可達0.62 m/s,不同截面風速均大于0.5 m/s,平均極差均小于0.3 m/s,風速大小及均勻性均能滿足要求。通過外循環通風,很好調節了栽培室內大氣環境參數值。平均10～15 min,開啟一次外循環,持續2～10 min后大氣平衡。大氣溫度控制在23.0～25.5 ℃范圍內。

4)植物光照控制。光源模塊所配置紅、藍、白、綠、遠紅外光5種LED的發光強度均可以在0%～100%之間調節,且可任意組合。驗證實驗期間,生菜不同階段所需的光照配置為:萌發階段中紅光為15%,藍光為16%,白光為10%;生長階段中紅光為30%,藍光為32%,白光為18%,綠光為31%,遠紅外光為15%。

5)參數測量控制。植物裝置測量的實驗參數和設備參數共39個。采取循環檢測的方式,每40 s完成一輪參數的檢測和存儲。植物裝置具備在線影像記錄功能,實時監控植物的生長狀態。植物裝置對參數的測量與控制滿足了裝置的正常運行和植物的正常生長。

2.5 植物生長驗證

2.5.1 生長特性及生產能力

播種第3 d生菜開始萌發,第10 d定植,第32 d成熟。成熟時生菜葉色濃綠(如圖7所示),生長旺盛,均勻一致,營養狀況良好。生菜株高22.6 cm,葉片數9.0片,生長速率為0.67 cm/d。生菜共累計總生物量752.09 g(鮮質量)(如圖7所示),生長速率為164.66 g(鮮質量)·m2·d-1。

圖7 生菜收獲時的生長狀態及生物量Fig.7 Growth state and biomass of lettuce plants

2.5.2 物質和能量交換

驗證實驗共耗電53.03 kWh(見表1),功率較大的設備主要為LED光源功率(24.7 W)、測控模塊(24.8 W)和循環風機(11.0 W),整個裝置平均功率為70.0 W(峰值功率為80.8 W)。共裝填干基質3 866.27 g,總耗水為18.72 L。驗證期間大氣二氧化碳平均濃度為0.4%。收獲時生菜葉片的平均光合速率達到8.47 μmol·m-2·s-1(如圖8所示)。通過植物光合作用速率測量和計算,生菜整個生長期間共吸收二氧化碳60.56 g,釋放氧氣44.04 g。LED光源通過5種顏色LED光累積釋放可見光光子162.08 mol,滿足了生長對光照的需求。

表1 驗證實驗主要物質消耗與產出統計表Tab.1 Consumption and output of main materials in closed test

圖8 不同時間生菜光合速率Fig.8 Photosynthetic rate of lettuce plants at different time

2.5.3 生產效率

單位時間、單位面積和單位能量(每天)的物質生產效率為101.31 g(鮮質量)·(kWh)-1·d-1·m-2(見表2)。基于生菜生物量、LED光源在生菜生長期間發射的光子數(162.08 mol光子),計算生菜對光能的利用效率為0.31 g(干質量)·mol-1光子。基于生菜收獲時生物量干質量(g)和整個生長期間實際消耗的水分(L),計算評價水分利用效率為2.71 g(干質量)·L-1。

表2 驗證實驗生菜生產/利用效率統計表Tab.2 Production and efficiency of lettuce plants in closed test

2.5.4 養分吸收

驗證實驗投入控釋肥36.00 g(總養分質量分數為43.4%,共15.62 g),收獲后控釋肥釋放殘留8.61 g。肥料的當季利用率為49.97%。生菜累計吸收礦質養分6.57 g,粗灰分累計量為8.89 g。基于當季肥料利用率,共4.08 g養分(合計肥料量9.40 g)進入基質殘留。基質中不同養分的質量分數見表3,該養分可以為下一茬植物生長所利用。

表3 驗證實驗生菜植株大/中/微量元素吸收量Tab.3 Absorption of macro/secondary/trace elements in lettuce plants in closed test g

2.5.5 食品安全性

收獲后植株樣品中重金屬質量分數均較低(見表4)。硝酸鹽質量分數為524 mg/kg,屬于正常范圍(497～649 mg/kg),為蔬菜硝酸鹽質量分數分級平均標準二級,可安全食用。基質的微生物總量和細菌均高于生菜植株葉片中的數量(見表5)。生菜植株中的真菌、放線菌和糞大腸桿菌均未檢出,而基質中均存在真菌和放線菌,但糞大腸桿菌未檢出(見表6)。

表4 驗證實驗生菜植株重金屬質量分數Tab.4 Heavy metal contents of lettuce plants in closed test (mg·kg-1)

表5 驗證實驗生菜植株微生物數量Tab.5 Microbial of lettuce plants in closed test g

表6 驗證實驗栽培基質微生物數量Tab.6 Microbial of substrate in closed test g

3 結 論

1)空間植物栽培裝置系統構成合理,集成度高,功能模塊性能良好,創造了滿足空間植物培養所需的多類環境條件。

2)利用組合體試驗平臺,開展了32 d裝置綜合性能集成驗證,裝置實現了水分和養分精準供應、大氣環境合理控制、光照的按需調控和栽培基質的優選配置。

3)裝置的植物栽培流程清晰、合理,人員操作便捷、時長短(8.16 min/1人次/d)。裝置具有較高的植物生產能力,所培養的生菜生長良好,生產效率達101.31 g(鮮質量)·(kWh)-1·d-1·m-2。

致謝：

感謝人因工程全國重點實驗室基金項目支持(GJSD18001和6142222210701)。