人工光植物工厂水培生菜高效生产关键技术.pdf

栽培生理 Cultivation Physiology 中国果菜 China Fruit 2 Rural Economic Development Service Center ofQihe County Bureau ofAgriculture and Rural Affairs Dezhou 251100 China Abstract Artificial light plant factory is a newform of advanced agriculture plant factory can replace the unstable agricultural environment manually three dimensional cultivation mode can make full use oflimited space improve crop planting efficiency and crop quality In this paper the efficient cultivation techniques of hydroponic lettuce were summarized from seedling management transplanting and transplanting allocation and circulation of nutrient solution intelligent management and control of plant factory etc This system through the one piece environment 收稿日期 2022 07 19 基金项目 山东省农业科学院科技创新工程 名优特色花卉提质增效关键技术创新和示范 CXGC2022A12 第一作者简介 陈淑君 1992 女 硕士 主要从事植物工厂水培叶菜和药用植物研究工作 通信作者简介 孙家波 1987 男 副研究员 博士 主要从事农业信息化和都市农业相关工作 植物工厂分为人工光植物工厂 太阳光型植物工 厂 太阳光和人工光源组合型植物工厂三种类型 1 其 中 人工光植物工厂是依托设施园艺 家电科技 照明科 技 生物工程 信息科技等学科技术 利用发光二极管 LED 模拟自然阳光照射的生长原理 同时采用光 水 温 气 肥智能集成技术 共同创建出封闭型生菜最佳生 长环境的设施场地 2 3 人工光植物工厂是未来现代高效 农业的一种表现形式 一方面从食品健康安全和满足人 们对绿色高品质农产品的追求上看 在人工光植物工厂 中 可以根据植物的生长习性和喜好来提供最佳的生长 环境 因此可在植物工厂进行不同需求的作物高效生 产 另一方面从都市农业快速发展的情况看 植物工厂 立体栽培高效农作方式在未来将大量出现在城市内部 地下建筑和楼宇等一些城市空间生产产品 不仅可以给 市民保障供应新鲜的绿色蔬菜 优化 菜篮子 供给 增 强城市食品供应的弹性 同时植物工厂还可作为展示现 代化农业的窗口 为城市居民提供绿色 科普 体验 参 与的平台 生菜也称为叶用莴苣 属菊科莴苣属 口感甘甜微 苦 爽脆 颜色翠绿 是日常生活中居民餐桌上常见的叶 类蔬菜 生菜因其生长周期短 品质好 品种丰富 病虫 害少 是国内外植物工厂水培蔬菜面积较大的一种水培 作物之一 4 是可以在植物工厂内实现全年计划性稳定 生产的优质蔬菜 据统计 以水培生菜为例 人工光植物 工厂的生产效能约为传统露地种植的40 108倍 5 目前 关于植物工厂水培技术的研究大多是温室叶菜水培设 施技术 管道设施水培技术 而针对人工光型植物工厂 深液流水培生菜技术研究较少 因此 本文从生菜品种 选择 育苗 定植和一体式环境水肥智能调控等方面进 行总结 以期为人工光植物工厂高效利用和深液流生菜 栽培技术推广提供一定参考 1 人工光植物工厂设施条件 1 1 种植地点及环境条件 试验在济南市山东农业科学院创新大楼农业农村 部华东都市农业重点实验室人工光植物工厂水培栽培 间进行 植物工厂内全程智能管控温度 实验室设置白 天23 晚上17 湿度控制在60 左右 植物工厂内 通过空调和新风系统交换空气 维持室内CO 2 浓度与空 气中CO 2 浓度持平 1 2 立体无土栽培系统 植物工厂室内设有铝型材质栽培架5个 规格为 1 300 mm 800 mm 2 240 mm 分别为2组4层 单层 高40 cm 3组2层 单层高86 cm 架子每层装有水盘 定植板 水盘规格为1 215 mm 800 mm 90 mm 定植板 规格为768 mm 519 mm 30 mm 每层各两块 每个定 植板孔数48个 开孔规格23 mm 23 mm 30 mm 壁厚 不低于2 mm 1 3 营养液循环与控制系统 营养液供应循环系统主要包括 营养液桶 A液和B 液补液桶 水泵 抽样泵 回液水泵及过滤网 储液池 管 道及传感控制系统 高液位水阀控制器 电导率调控系 统 pH调控装置 紫外线杀菌装置 营养液配方为改良版Hoagland营养液如表1 见下 页 按照水培生菜所需营养液的100倍配制母液A 母 液B 调酸液 调碱液 intelligent control technology vegetable plant water environmental factors and nutrient solution for real time monitoring and dynamic precision control technology selected appropriate artificial light factory plants grow four varieties of lettuce and supporting technology to achieve the high quality of hydroponic lettuce plants plant production hydroponic lettuce flow efficient cultivation in the middle of the night for the plant factory provide reference and reference Keywords Artificial light plant factory lettuce integrated intelligent control technology of environmental water and fertilizer environmental factors of vegetable factory real time monitoring and dynamic precise regulation technologyofnutrient solution 栽培生理 陈淑君 等 人工光植物工厂水培生菜高效生产关键技术 81 配液种类 化学物名称 分子式 质量浓度 g L 母液A 硝酸钙 Ca NO3 2 94 5 硝酸钾 KNO3 60 6 磷酸二氢铵 NH4H2PO4 10 七水合硫酸镁 MgSO4 7H2O 49 3 母液B 乙二胺四乙酸二钠铁 EDTA Fe 2 5 硼酸 H3BO3 0 2 硫酸锰 MnSO4 0 113 硫酸铜 Cu SO4 0 005 钼酸铵 NH4MoO4 0 001 调酸液 磷酸 H3PO4 9 8 调减液 氢氧化钠 NaOH 4 表 1 营养液及调配液的配方 Table 1 Formula of nutrient solution and blending solution 1 4 智能闭环环境控制系统 植物工厂设有物联网系统 新风系统 CO 2 补充系 统 除湿系统 空调系统 多通道光传感器 均由计算机系 统精准控制 可以实现温度 湿度的闭环精确控制 对光 温 水 气 肥等环境条件进行实时最佳闭环控制 确保各 项环境因素适宜生菜生长 1 5 风淋消毒和新风系统 植物工厂是一个完全封闭相对无菌的环境 新风系 统可保持室内空气循环和洁净 为减少粉尘 预防病原 体产生病虫害危害植物生长 进入植物工厂需身穿防护 服或实验服 并带一次性灭菌橡胶手套和口罩 通过风淋 室消毒进入 种植间内部设有空气循环净化处理设施 内部洁净效果须达到国家7级GB T 16292 1996标准 原10 000级 6 1 6 光源 植物工厂光源为LED全光谱植物补光灯 补光灯尺 寸长200 mm 宽120 mm 高35 mm 采用冷光源 发热 少 每层2盏 单盏功率不高于200 W 红光光谱峰值 660 nm 蓝光光谱峰值450 nm 补光灯高度可调 光谱光 强可通过中控进行调节 人工光植物工厂生菜种植过程 用全 LED光源 红光 R 波长 655 nm 蓝光 B 波长 435 nm 采用红蓝 R B 光比4 1的光谱组合的光照 条件下种植 红蓝光强值在200 mol m 2 s 白光光强值 在 200 mol m 2 s 光照时间前期设置为光暗时间 12 h 8 h 后期采摘前6 d设置为光暗时间 24 h 12 h 1 7 栽培品种 2020 2021年两年在植物工厂内种植京研的 耶 罗 绿莎 绿团 红莎 雅丹 瑞克斯旺的 章克申 Deangleia 上海惠和的 秀丽 绿蝶 绿苣 绿花叶 紫橡叶 等12种生菜品种 2 水培生菜关键生产技术 2 1 催芽 进口的 Deangleia 和 绿蝶 生菜种子可直接播种 无需催芽 其它生菜种子用凉水浸泡12 24 h 将水控 干 装入自封袋 放入冰箱4 处理12 24 h 7 2 2 育苗 实验室播种采用25 cm 25 cm方块100孔十字刀 口育海绵 将海绵块完全浸湿后放入育苗盘 在育苗盘 里加入纯净水没过盘底 用镊子将催芽后的生菜种子依 次放入海绵十字口凹陷处 每个海绵凹陷处内放一粒种 子 注意不要塞入深处 2 3 育苗管理 播种完后将育苗盘放置在黑暗的环境中 室温保持 在24 出芽前每天向育苗盘里加纯净水没过盘底 用 喷壶喷湿海绵上层 使海绵保持湿润 3 4 d后出苗 出 苗后开始见光 并往育苗盘里加入 1 4 的改良版 Hoagland营养液配方使其继续生长 2 4 定植 生菜苗长到4叶1心时 将每块海绵上的生菜苗定植 到栽培架上 长势过高的生菜苗需要用定植海绵重新包裹 然后再放入栽培架 种植密度约为25株 m 2 8 每层种植面 积为1 6m 2 打开营养液灌溉循环系统 使营养液进入栽培 架充分循环 待可溶性盐浓度 EC 稳定后再移栽 每层定植 完后掀开定植板 查看生菜根系是否都垂直接触液面 防止 定植过程中生菜根系黏连在海绵上 影响生菜发育 2 5 定植后水肥管理 植物工厂内供液方式为深液流技术 在系统上设置 营养液定植后小苗期可溶性盐浓度为1 0 1 5 mS cm 快速生长期为1 5 1 8mS cm 收获前期1 8 2 0mS cm 9 10 生菜生育期营养液pH 5 5 7 定期查看系统 并用手持 电导率仪抽样检查 考虑到植物工厂的深液流设计 植物工厂的营养液 处于循环流动的状态 流动不仅可以增加营养液的溶存 氧 还可以消除根表有害代谢物 尤其是生理酸碱性 的 栽培生理 中国果菜82 局部累积 4 消除根表和根外的养分浓度差 充分满足生 菜的需求 种植期间营养液循环灌溉开3 min关9 min 一直循环 直到采收 系统设置每天上午10 15 10 30 为系统补充营养液时间 10 30 11 00为营养液校准时间 2 6 病虫害防治 水培属于无土栽培 不存在连作障碍 室内设有风 淋系统 进口处严格按照消毒规定执行 能最大程度地 保障室内洁净 病原物寄生虫也相对较少 水培病虫害 相比基质较少发生 考虑到植物工厂严格环境把控和绿 色生产 整个生菜生育期不使用任何农药和杀虫剂 2 7 适时采收与产品保鲜 生菜定植移栽后30 35 d后采收 采收时可将生菜 整棵取出 摘去老 黄叶片 用无纺布将生菜根部包裹起 来 整棵采收 也可用剪刀将生菜根系减去放入保鲜袋 生菜可放置在0 相对湿度90 的条件下保鲜贮藏 该温度可以有效地降低生菜的失重率以及营养成分的 损失 还可抑制多酚氧化酶和过氧化物酶活性的下降 提高生菜保鲜效果 延长货架期 11 12 2 8 清洗与消毒 生菜采收完毕后要及时把架子和桶里的营养液排 掉 进行清洗和消毒 将300 mL6 的次氯酸钠稀释至 100 L的营养液配液桶中 并循环到架子上进行消毒 对 室内进行紫外线杀菌 同时用400 600倍84消毒液擦 洗喷洒定植板 进行消毒 准备下一茬播种 3 总结 光是植物能量的主要来源和信号 通过光质 光强 光周期影响植物的生长过程 众多研究和实验表明在植 物工厂采用LED红蓝光可完全满足生菜的生长需求 有 学者指出采用红蓝 R B 光4 1条件下 200 mol m 2 s 光强比较适合植物工厂水培生菜生产 该条件下不仅能 够获得生菜最大产量 还能有效降低室内能源消耗和资 源浪费 13 14 同时设置白光光源光强值为200 mol m 2 s 周 成波等 15 指出在白光200 mol m 2 s 的光照强度下 更利 于生菜的生长 能提高生菜体内N C P K Mg和Fe的 积累 显著提高生菜的叶面积 有研究指出在生菜采收 前一星期的时间转变生菜的光暗周期 增加其光照时间 可以显著提高生菜的叶面积 嫩芽数 同时植株内的可 溶性糖 可溶性蛋白 抗坏血酸含量会显著增加 16 18 根据生菜在植物工厂内表现的生理性状及大众口感 比较 挑选出满足市场需求及高产 优质 美观的生菜品 种 发现上海惠和 绿蝶 特色奶油生菜 叶片深绿 抽薹 较晚 耐热性好 早熟性表现较好 适合水培 京研 耶罗 生菜 株型直立 叶缘略皱缩 叶色翠绿有光泽 内叶淡黄 色 叶肉厚品质脆嫩 京研 绿团 生菜 绵叶型半结球 叶 片黄绿叶片绵软爽滑 耐抽薹 瑞克斯旺 Deangelia 奶油 生菜 叶绿色椭圆 光泽度好 叶片肉厚柔软 耐抽薹 抗 霜霉病 因此 上海惠和的 绿蝶 生菜 京研的 耶罗 生 菜 绿团 生菜 瑞克斯旺的 Deangelia 奶油生菜在植物 工厂的性状表现十分良好 栽培周期较短 单株产量表现 较好 口感符合地区的口味 推荐在植物工厂内周年种植 4 展望 在植物工厂种植生菜 可以精准控制环境 细致化配 制营养液 一方面可缩短生菜的生育期 确保植物生长的 一致性 大大提高生产效率 另一方面生菜种植期间不喷 施农药 洁净程度高 无病虫害 整年可以计划性实现 8 9茬的绿色生菜种植 无地域限制能够实现生菜的就 近供应与销售 避免生菜长途运输 降低运输过程的浪费 和能源消耗 未来植物工厂在食品安全健康方面发挥着 越来越重要的地位 目前植物工厂不仅局限于生菜的种 植 用此技术可同样种植叶菜类的菠菜 油麦菜 蒲公英 等植物 但是植物工厂的缺点也十分明显 虽然使用 LED节能光源 但是植物工厂用电量依然是一个制约其 发展的问题 通过合理利用太阳能以降低运行成本 利用 再生资源降低电力成本 19 20 相信随着植物工厂技术的不 断提高改进和系统能耗及运行成本的降低 植物工厂将 更加注重功能型蔬菜 保健型中药材的生产 通过专业化 市场的逐步发展和商业化模式的创新 植物工厂将会迎 来大范围的普及和推广 参考文献 1 魏蔚 王东霞 日本植物工厂的现状 存在问题及未来发展 J 现代化农业 2022 12 22 23 2 李阳 你能见到的植物工厂类型 J 生命世界 2019 10 38 3 张天柱 现代无土栽培模式图集 M 北京 中国轻工业出版 社 2019 80 4 康欣娜 设施生菜深液流水培技术规程 J 河北农业科学 2020 24 3 46 47 50 栽培生理 陈淑君 等 人工光植物工厂水培生菜高效生产关键技术 83 上接第74页 3 马锋旺 加快西北黄土高原苹果产业发展的思考 J 科学 种养 2006 4 4 6 4 赵佐平 高义民 刘芬 等 化肥有机肥配施对苹果叶片养分 品质及产量的影响 J 园艺学报 2013 40 11 2229 2236 5 莫淑勋 土壤中有机酸的产生 转化及对土壤肥力的影响 J 土壤学进展 1986 14 4 1 10 6 王磊 施用生物有机肥对苹果产量和果园土壤生物性状的 影响 D 南京 南京农业大学 2017 35 7 李生秀 李世清 高亚军 等 施用氮肥对提高旱地作物利用土 壤水分的作用机理和效果 J 干旱地区农业研究 10 1 38 46 8 高义民 同延安 路永莉 等 长期施用氮磷钾肥对黄土高 原地区苹果产量及土壤养分累积与分布的影响 J 果树学 报 2012 29 3 322 327 9 陈永杰 几种水果有效酸度的测定 J 潍坊高等职业教育 2010 6 2 58 59 67 10 曹建康 姜微波 赵玉梅 果蔬采后生理生化实验指导 M 北京 中国轻工业出版社 2007 230 11 DB11 T599 2016 背景主要鲜果等级 S 北京 中国标准 出版社 2016 12 孙志敏 中国养殖水产品质量安全管理问题研究 D 青岛 中国海洋大学 2008 32 33 13 周靖越 非洲紫罗兰的翻盆换土与花期调控 J 园林 2016 10 68 71 14 邓振镛 干旱地区农业气象研究 M 北京 气象出版社 1999 76 80 15 郑发娇 黑巴拉多葡萄优质栽培技术 J 农村实用技术 2020 9 68 70 16 孙秀山 封海胜 万书波 等 连作花生田主要微生物类群与土 壤酶活性变化及其交互作用 J 作物学报 2001 5 617 621 17 姚小英 李瞳 马杰 等 陇东南 花牛 苹果产量质量与气 象因子相关性研究 J 中国农学通报 2018 34 4 108 112 18 天水市果树研究所 天水苹果核桃大樱桃葡萄栽培技术 M 兰州 甘肃科学技术出版社 2014 44 53 19 夏燕飞 张文会 王荣 等 土壤有机营养对 红富士 苹果果实产 量和品质的影响 J 植物营养与料学报 2013 19 4 868 877 20 孙弘宇 不同肥料类型和施用量对桃枝叶生长及果实品质 的影响 D 扬州 扬州大学 2019 2 4 5 刘文科 杨其长 现代设施园艺的最高形式 植物工厂 J 科技导报 2013 31 33 56 70 6 杨其长 魏灵玲 刘文科 等 人工光型密闭式植物工厂的 设计与环境控制 J 农业工程学报 2007 3 151 157 7 CHEN X L YANG Q C Effects of intermittent light exposure with red and blue light emitting diodes on growth and carbohydrate accumulation of lettuce J Scientia Horticulturae 2018 234 220 226 8 王虹 周强 丁小涛 植物工厂叶菜类蔬菜高效栽培技术研 究 J 上海蔬菜 2021 6 18 20 9 李蔚 李新旭 雷喜红 等 不同季节水培生菜适宜定植密 度的研究 J 蔬菜 2020 10 57 61 10 程瑞锋 营养液创新栽培系统与方法 M 北京 中国农业科 学技术出版社 2018 92 96 11 廖晨 彭晓云 谢亮 等 植物工厂营养液膜技术管道水培生菜 高效栽培及采后处理技术 J 肥料与健康 2021 48 6 27 31 12 张桂君 周茜 王清 等 生菜采后保鲜技术研究现状 J 保 鲜与加工 2021 21 1 6 13 周成波 刘文科 查凌雁 等 LED红蓝光强对水培生菜生 长以及有机碳和自毒物质分泌的影响 J 植物生理学报 2019 55 4 9 14 严宗山 张想平 王蕾 等 不同光强和光质对管道水培生 菜生长发育的影响 J 北方园艺 2020 21 6 15 周成波 刘文科 邵明杰 等 不同光强的LED白光与红蓝 光对生菜生长及营养元素含量的影响 J 中国农业科技导 报 2021 23 12 8 16 ARENA C TSONEV T DONEVA D et al The effect of light quality on growth photosynthesis leaf anatomy and volatile isoprenoids of a monoterpene emitting herbaceous species Solanum lycopersicum L and an isoprene emitting tree Platanus orientalis L J Environmental and Experimental Botany 2016 130 122 132 17 SHAO M LIU W ZHA L et al Altering light dark cycle at pre harvest stage regulated growth nutritional quality and photosynthetic pigment content of hydroponic lettuce J Acta Physiologiae Plantarum 2021 43 1 2 9 18 TIAN W LV Y CAO J et al Retention of iceberg lettuce quality by low temperature storage and postharvest application of 1 methylcyclopropene or gibberellin acid J Journal of Food Science Technology 2014 51 5 943 19 魏蔚 王东霞 日本植物工厂的现状 存在问题及未来发展 J 现代化农业 2019 12 3 20 崔佳维 陈智杰 郑胤建 等 人工光利用型植物工厂核心 技术研究进展 J 温室园艺 2017 10 46 53 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 栽培生理中国果菜84