全自动牧草植物工厂设计与应用.pdf

大麦与谷类科学 2024年 第41卷 第2期 收稿日期 2023 12 04 修回日期 2024 03 22 基金项目 全自动牧草植物工厂研发与应用 SNSPKJ 2023 06 作者简介 王志冉 1991 女 硕士 农艺师 经济师 主要从事设施农 业工程及设备研发与试验等研究 Email 919702947 大麦与谷类科学 2024 41 2 57 63 68 Barleyand Cereal Sciences 微信公众号 damkx1984 全自动牧草植物工厂设计与应用 王志冉 1 3 周增产 1 2 3 马 铁 1 3 张 栋 1 3 姚 涛 1 3 胡福生 1 3 江 鹏 1 3 张浩文 1 3 高一品 1 3 1 北京市农业机械研究所有限公司 北京100096 2 北京京鹏环球科技股份有限公司 北京100094 3 北京市植物工厂工程技术研究中心 北京100094 摘要 全自动牧草植物工厂是北京农业机械研究所有限公司结合牧草的栽培工艺特性与生长环境要求 以植物工厂技术为基 础 集全自动立体栽培架 全自动播种机 收割和清洗设备以及消毒设备于一体 实现了牧草从浸种 催芽 播种 培育到收获的 全程自动化生产工艺流程 通过智能控制系统对环境因子精准控制 实现牧草生产的全自动化 牧草植物工厂还可通过更换定 植板用于叶菜类育苗 多种芽苗菜种植生产等 实现一个 车间 多种用途 具有广阔的市场前景 关键词 大麦 植物工厂 全自动立体栽培架 智能装备 生产工艺 中图分类号 S431 14 文献标志码 A 文章编号 1673 6486 20230278 王志冉 周增产 马 铁 等 全自动牧草植物工厂设计与应用 J OL 大麦与谷类科学 2024 41 2 57 63 68 https doi org 10 14069 ki 32 1769 s 2024 02 011 在振兴乳制品行业等政策的推动下 全国对饲 料的需求与日俱增 年度优质饲草需求量1 2亿t 缺口5 000万t 1 农业农村部印发的 十四五 全国 饲草产业发展规划 中明确 到2025年 全国优质 饲草产量达到9 800万t 优先发展苜蓿等市场急需 的优质饲草 2 目前 我国优质饲草苜蓿的自给率只 有64 每年优质饲草的缺口超过300万t 3 除天然 草原外 获得饲草的主要方法是田间种植 但费时费 力 产量低 在当前草原退化和农田保护的形势下 水培饲草 如大麦 燕麦和其他草 种植形式正在慢 慢出现 水培饲料具有单位面积产量高 质量好 生产 周期短 四季都能生产的优点 它不受自然条件的 限制 可以实现全年供应 4 大麦牧草的生产成本 低 蛋白质含量高 小分子的氨基酸等成分更容易 被动物吸收 5 6 因为采用水循环式生产 用水量极 省且零排放 所产出的牧草清洁无污染 洁白的根 系及留存的种子与鲜嫩翠绿的芽苗都可以进食使用 无任何的浪费 人工光照牧草植物工厂非常适合牧草 集约化生产 也非常适合干旱半干旱及高寒地区应 用 应尽早开展牧草生产设施 环控技术 无土栽培技 术等的研发配套 针对牧草种类确立基于产量和品质 评价指标的合理收获时间 获得最佳生产效益 7 国内牧草植物工厂的种植模式落后 装备不齐 全 牧草立体栽培方式多为简易栽培架 层数少 环 境调控能力弱 自动化水平低 费时费力 效率低 由北京市农业机械研究所研发团队开发设计的全 自动饲草植物工厂 以植物工厂技术为基础 集全 自动立体栽培架 全自动播种机 收获机 清洗和消 毒设备于一体 结合高层植物工厂环境智慧调控技 术和人工智能决策系统 实现牧草生产的全自动 化 牧草植物工厂生长环境封闭可控 洁净无污染 温度控制在22 25 湿度保持70 环境均匀性 较高 可全年生产 水培饲料具有单位面积产量高 质量好 生产周期短的优点 经过品质检测的牧草 纤维素和矿质元素含量丰富 它不受自然条件的限 制 可以实现全年供应 1 牧草营养成分特点 牧草按植物学分类可以分为禾本科牧草 豆科 牧草和其他类牧草 其中 禾本科牧草属单子叶植 物 如黑麦草 大麦草 玉米等 豆科植物属双子叶 植物 如紫花苜蓿 三叶草等 其他类牧草包括菊 科 藜科 苋科等 如菊苣 苦荬菜等 8 苜蓿等作物的生长周期长 一般采用多次收割 和多年生栽培技术 常用于露天栽培或者设施温室 栽培 9 对于玉米 小麦 大麦来说 发芽技术简单容 易 生产周期短 对环境调控的精度要求不高 增施 肥料的效果也不显著 重点是生长过程中对水分的 57 大麦与谷类科学 2024年 第41卷 第2期 精准控制适宜利用植物工厂栽培种植 研究表明 大麦的水培从播种到收获8 10 d即可 干质量和 鲜质量高于苜蓿 玉米等其他作物 用水效率高 是 水培牧草的最佳选择 10 试验研究水培小麦牧草在萌 发后8 10 12 d进行蛋白质检测和能量价值评估 发 现在小麦发芽后的第10d 检测效果明显优于其他牧 草2d 并且有利于其在反刍动物营养中的利用 11 12 LED白光促进大麦植株上部分茎的伸长 株高增大 而鲜质量和干质量及下部的根系生长受抑制 13 水培牧草的营养成分具有以下特点 1 利用水培方式生产的牧草实质上是种子经 过萌发从胚芽转变成植物幼芽 其特点是纤维素含 量少 蛋白质含量多 且蛋白质处于新形成阶段 大 部分是游离氨基酸 更容易被动物消化吸收 2 利用水培方式生产的牧草更容易被动物消 化吸收的另一个重要原因是种子在萌发过程中产 生了大量鲜活的消化酶 丰富的维生素 矿物质和 生长因子以及促使消化的各种生物酶 加快了动物 新陈代谢的过程 3 利用水培方式生产的牧草是纯天然的产品 与饲料相比不含任何人工激素 都是种子自身储存 的能量和营养 且外观翠绿 颜色 味道等与自然界 的嫩芽一样 对动物具有一定的吸引力 4 利用水培方式生产的牧草含水量丰富 不用 单独为牲畜补充水分 2 全自动牧草植物工厂 针对我国牧草植物工厂成套化装备缺乏 关键 作业装备依赖进口 国内没有全自动化牧草立体植 物工厂的产业现状 项目研发团队在牧草工厂化生 产工艺和关键装备技术研发方面取得突破 研发出 全自动牧草植物工厂 实现牧草全自动立体化高效 生产 为现代化牧场提供了绿色牧草种植装备系统 全自动牧草植物工厂的功能是实现从种子到 牧草全程自动化种植 进行种植试验 验证主要作 业样机的性能参数和可靠性 形成牧草工厂化生产 的栽培工艺和规范 积累数据和经验 展示全自动 化牧草生产过程 全自动牧草植物工厂主要装备包 括牧草播种机 收获机 苗盘清洗消毒机 立体栽培 系统 闭环输送线等 从种子处理 播种 立体搬运 到收获 苗盘清洗 苗盘消毒等主要作业环节自动 化 实现牧草全程自化种植 图1为全自动牧草植 物工厂设备装备图 自动播种机将催芽好的种子平 铺到栽培盘上 通过立体栽培系统的提升机构将栽 培盘运至立体栽培架的各个指定位置 进行栽培 通过环控系统控制补光灯的时间以及灌溉喷淋的频 率和时间 为大麦生长创造适宜的条件 通过7 d的 栽培管理 栽培系统的升降结构将栽培盘运至底层 的输送线上 通过牧草收获清洗机对牧草进行采收 同时对栽培盘进行消毒 至此 完成一轮栽培生产 1 牧草自动化立体栽培装置 2 输送线 3 牧草收获清洗机 4 栽培盘消毒机 5 牧草播种机 6 牧草收获传输线 7 牧草浸种上料装置 图 1 全自动牧草生产智能装备 1 2 34 62 2 5 7 58 大麦与谷类科学 2024年 第41卷 第2期 2 2 浸种 催芽播种一体机 针对无人化植物工厂多机多线程协调不同步 等难题 研发主要作业环节自动化装备 结合种子 气流场 排种系统耦合特性进行仿真分析 开发了 牧草种子处理 播种一体机 实现了种子的自动消 毒 浸种催芽和播种自动化 图3为牧草浸种 催芽 播种一体机三维图 牧草播种机包括浸种上料的种 子料筒 料筒下方为种子输送带 种子输送带下方 的栽培盘输送带用于输送播种好的栽培盘 2 3 牧草收获清洗一体机 研究作物 机器系统的机艺融合机制 研发分 布式多维空间精准定位技术 研究了高压喷雾清洗 技术 开发牧草收获清洗一体机 基于高效灭菌技 术开发了床箱自动消毒机 闭环搬运流水线 图4 为牧草收获清洗一体机的三维图纸和实际安装场 景 牧草清洗包括辊子输送线 输送线的一侧装有 2 1 牧草自动立体栽培系统 图2为牧草自动立体栽培系统三维模型图 该 系统是以铝型材为主材搭建框架 采用倍速链输送 形式定向输送栽培床箱 升降系统动力源为伺服电 机 走位精准 全部动作均可通过自动控制系统定 时 定量实现 运行过程中只需配有一人专门负责 检查运行状况即可 省事省力 通用式栽培床箱可 满足除牧草之外的多种芽苗菜种植 通过增加定植 板也可实现叶菜的种植 表1为牧草立体自动栽培 系统主要性能参数 图 2 牧草自动立体栽培系统三维模型 指标性能 参数 含单位 或形式 床箱尺寸 800 mm 800 mm 60 mm 床箱壁厚 5 mm 单盘最大播种质量 7 5 kg 单盘产量 45 kg 最大升降速度 1 12 m s 最大推送速度 20 cm s 控制形式 全自动 灌溉形式 喷灌 输送形式 倍速链 升降传动形式 齿轮齿条传动 表 1 牧草立体自动栽培系统主要性能参数 59 大麦与谷类科学 2024年 第41卷 第2期 2 4 无人化植物工厂数字管控技术 创建5层架构植物工厂物联网管控平台 针对 超高层植物工厂多维空间热湿环境时空分布不均 调控精准程度低 能耗高等突出问题 构建作物 环境反馈模型 创建高容积率植物工厂生产全流程 多机协同的人工智能决策系统 图5为植物工厂物 联网管控平台界面 界面实时显示植物工厂内的温 度 湿度 光强 CO 2 浓度 气象站数据等环境 同时还 能调控补光时间 灌溉频率和灌溉时间 控制播种 自动上盘 运输和收获等多个牧草生产工艺环节 3 牧草种植试验 3 1 生长环境 3 1 1 营养液和环境管理 大麦苗营养液的pH值 为 5 8 7 2 电导率为 1 5 2 5 mS cm 溶氧量为 4 5mg L 营养液温度为15 20 3 1 2 环境条件 萌发期温度设为28 无光照 培养期温度白天18 26 夜间 10 16 相对 湿度50 70 光照强度5 000 25 000 lux 光照 周期为12 h CO 2 浓度为0 03 0 05 每2 h通 过智能控制系统喷淋水20 s 翻转机构 清洗机框架和喷杆 用于收获牧草和清 洗栽培盘 栽培盘消毒机内侧安装紫外线消毒灯用 于第2茬生长的消毒 图 3 浸种 催芽播种一体机三维图 图 4 牧草收获清洗一体机 A 收获清洗一体机三维图 B 输送线实物图 C 端部输送线实物图 60 大麦与谷类科学 2024年 第41卷 第2期 3 3 牧草品质检测结果 在大麦牧草生长至第7天时 取鲜样送实验室 对牧草的营养物质 矿质元素和纤维素的成分进行 检测 检测结果如表2所示 营养物质中蛋白质的 含量较丰富 为33 3 g kg 含有种类丰富的矿物质元 素 包括钙 镁 磷 钠等大量元素和锌 锰 铜等多 种微量元素 纤维素含量为18 82 半纤维素含量 为28 9 与其他牧草相比 含量较高 3 1 3 大麦苗收获 大麦苗适宜采收的大小为高 18 25 cm 茎粗1 5 2 2 mm 叶片数3 5片 单株 总质量为1 0 1 5 g 图6为立体栽培系统栽培盘 内大麦苗生长第7天的生长状态即将采收 3 2 生长记录 工厂化水培牧草的生长周期为7 d 图7 生产 工艺流程 清洗 消毒 浸种 上盘 出芽 生长 下盘 采收 7d就能长至15 20cm的高度 图 5 物联网管控平台界面 图 6 大麦牧草生长状态 图 7 牧草生长过程 2 d 5 d 3 d 6 d 4 d 7 d 61 大麦与谷类科学 2024年 第41卷 第2期 图 8 种子厚度对大麦牧草转化率的影响 生长天数 d 1 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4 3 2 1 0 转 化 率 1 5 cm 1 8 cm 2 0 cm 3 4 种子厚度对大麦牧草转化率的影响 试验测试选择的大麦种子容重为675 g L 种子 经浸种后的吸水率为54 32 在牧草栽培盘内分别 铺设厚度为1 5 1 8 2 0 cm的大麦种子 在种子发 芽后的第1至第7天内 每天同一时间称取每盘牧 草的质量 计算转化率 转化率 单盘牧草平均鲜质 量 单盘种子质量 计算种子厚度1 5 1 8 2 0 cm 3个梯度的大麦种子转化率 试验测试结果如图8 所示 种子厚度为1 5 cm的转化率最低 种子厚度 1 8 cm的转化率最高 1 8 cm为栽培盘中大麦种子 适宜铺设的厚度 3 5 光照时间对大麦牧草产量的影响 在大麦牧草栽培架的一层 设置补光灯补光时 长为12 h 在栽培架的二层设置补光时长为10 h 在种子发芽后的第1至第7天内 每天同一时间称 取每盘牧草的质量 试验测试结果如图9 光照时间 对牧草产量有一定的影响 一层光照时间为12 h 二 层光照时间为 10 h 延长 2 h 的光照能增产 10 13 适当延长光照可以增产 测试项目 测试结果 单位 测试方法 仪器 蛋白质 33 3 g kg GB5009 5 2016 食品安全国家标准食品中蛋白质的测定 脂肪 9 g kg GB5009 6 2016 食品安全国家标准食品中脂肪的测定 碳水化合物 90 g kg GB28050 2011 食品安全国家标准预包装食品营养标签通则标准 能量 2 420 kJ kg GB T28050 2011 食品安全国家标准预包装食品营养标签通则标准 钠 70 1 mg kg GB5009 91 2017 食品安全国家标准食品中钾 钠的测定 钙 0 327 GB T6436 2018 饲料中钙的测定 磷 0 054 GB T6437 2018 饲料中总磷的测定分光光度法 镁 279 mg kg GB T13885 2017 饲料中钙 铜 铁 镁 锰 钾 钠和锌含量的测定原子吸收光谱法 钾 691 mg kg GB T13885 2017 饲料中钙 铜 铁 镁 锰 钾 钠和锌含量的测定原子吸收光谱法 硫 0 07 GB T17776 2016 饲料中硫的测定硝酸镁 锌 6 71 mg kg GB T13885 2017 饲料中钙 铜 铁 镁 锰 钾 钠和锌含量的测定原子吸收光谱法 锰 6 29 mg kg GB T13885 2017 饲料中钙 铜 铁 镁 锰 钾 钠和锌含量的测定原子吸收光谱法 铜 1 33 mg kg GB T13885 2017 饲料中钙 铜 铁 镁 锰 钾 钠和锌含量的测定原子吸收光谱法 铁 16 7 mg kg GB T13885 2017 饲料中钙 铜 铁 镁 锰 钾 钠和锌含量的测定原子吸收光谱法 纤维素 18 82 实验室方法 半纤维素 28 9 实验室方法 木质素 8 32 实验室方法 可溶性糖 21 g kg NY T1278 2007 蔬菜及其制品中可溶性糖的测定铜还原碘量法 表 2 牧草品质检测结果 62 大麦与谷类科学 2024年 第41卷 第2期 图 9 光照时间对大麦牧草产量的影响 图中1 1 1 2代表一层补充时间为12 h的2盘牧草编号 2 1 2 2代表二层补充时间为10 h的2盘牧草编号 生长天数 d 1 2 3 4 5 6 7 16 14 12 10 8 6 4 2 0 产 量 k g 盘 1 1 1 2 2 1 2 2 4 结论 研制牧草生产全程智能装备 可实现快速播 种 立体种植 快速收获 无人化操作 提高工作效 率和单位面积产出率 采用仓储式理念搭建牧草植 物生产车间的工厂化高密度生产模式 大幅度提高 了牧草植物工厂的容积率 牧草植物工厂栽培 栽 培工艺流程规范 实现规模化生产和高品质生产 经牧草植物工厂生产的牧草营养价值高 消化率 高 可有效促进动物的健康成长 栽培盘铺设1 8 cm 厚度的牧草 其种子转化率相对较高 在牧草生长 过程中补光10 h 增加2 h补光时间 产量能够提升 10 13 5 展望 全自动牧草植物工厂不仅缓解了天然草原的 压力 也解决了畜禽饲料不足的问题 牧草工厂还 可以通过更换种植板进行叶菜育苗 各种发芽蔬菜 的种植和生产 在一个 车间 内实现多种用途 具 有广阔的市场前景 参考文献 1 邹 航 中国牧草产品进口量影响因素研究 D 南昌 江西 财经大学 2021 2 农业农村部 农业农村部关于印发 十四五 全国饲草产 业发展规划 的通知 EB OL 2022 02 16 2023 12 04 03 01 content 5676205 htm 3 王瑞港 徐伟平 我国苜蓿产业发展特征与趋势分析 J 中 国农业科技导报 2021 23 12 7 12 4 庹 勇 郭同军 古再丽努尔 艾麦提 等 水培小麦苗在畜 牧生产中应用的研究进展 J 动物营养学报 2023 35 7 4216 4223 5 赵加涛 杨向红 付正波 等 不同大麦品种饲草产量及品质 研究 J 中国农学通报 2021 37 27 27 31 6 任 澎 邓蒙蒙 王迪铭 奶牛新型饲料水培大麦苗在不同 水培天数下营养价值探究 J 饲料研究 2023 46 18 102 107 7 刘文科 候瑞锋 设施牧草产业发展需求与植物工厂技术 研发对策 J 农业工程技术 2022 42 1 30 35 8 马 琦 利用方式 种植模式和施氮对黄土高原多年生牧 草产量和土壤性质的影响 D 兰州 兰州大学 2023 9 王旗旗 解继红 于林清 等 我国苜蓿育种研究进展及展 望 J 草学 2023 4 1 7 10 杨金钰 孙九胜 乔小燕 等 不同光质配比对水培牧草大 麦生长的影响 J 新疆农业科学 2022 59 8 1871 1876 11 HERRERA TORRES E CERRILLO SOTO M A JUAREZ REYES A S et al Effect of harvest time on the protein and energy value of wheat hydroponic green fodder J Interciencia 2010 35 4 284 289 12 董佳强 蒋 微 黄宇翔 等 水培大麦苗的营养价值及在 畜禽养殖中的应用 J 现代畜牧科技 2023 9 53 56 13 杨金钰 孙九胜 乔小燕 等 不同光质配比对水培牧草大 麦生长的影响 J 新疆农业科学 2022 59 8 1871 1876 大麦与谷类科学 下转第68页 63 大麦与谷类科学 2024年 第41卷 第2期 Practice and Exploration of Comprehensive Utilization of Crop Straw off Field in Yancheng WANG Yajie 1 JIANG Quan 1 XU Peng 1 TAN Guangmei 2 LONG Naiyun 2 GU Shiwen 3 1 Yancheng Agricultural Environment Monitoring Station of Jiangsu Province Yancheng 224002 China 2 Yancheng Agricultural and Rural Bureau Yancheng 224002 China 3 Comprehensive Agricultural Technology Service Center of Tinghu District Yancheng City Yancheng 224002 China Abstract Agricultural green development is the most basic and close part of the construction of the low carbon circular development economic system Promoting straw burning ban and promoting comprehensive utilization of straw are important measures to help carbon peaks and carbon neutrality In the context of the double carbon this paper described the status of the comprehensive utilization of the crop straw in Yancheng introduced the work measures to promote the comprehensive utilization of crop straw off fields analyzed the bottleneck in the work of crop straw off fields and put forward countermeasures and suggestions for improving the comprehensive utilization level of crop straw so as to explore the establishment of sustainable and extendable industrial development models and efficient utilization mechanisms to lead the comprehensive utilization of crop straw to increase quality and efficiency Key Words Crop straw Leaving field Comprehensive utilization Countermeasure Suggestion Design and Application of Fully Automatic Grass Plant Factory WANG Zhiran 1 3 ZHOU Zengchan 1 2 3 MA Tie 1 3 ZHANG Dong 1 3 YAO Tao 1 3 HU Fusheng 1 3 JIANG Peng 1 3 ZHANG Haowen 1 3 GAO Yipin 1 3 1 Beijing Agricultural Machinery Research Institute Co Ltd Beijing 100096 China 2 Beijing Kingpeng International Hi tech Corporation Beijing 100094 China 3 Beijing Plant Factory Engineering Technology Research Center Beijing 100094 China Abstract The fully automatic grass plant factory is a combination of the cultivation process characteristics and growth environment requirements of grass by Beijing Agricultural Machinery Institute Based on plant factory technology it integrates fully automatic three dimensional cultivation racks fully automatic seeders harvesting and cleaning equipment and disinfection equipment It realizes the entire automated production process of grass from soaking germination sowing cultivation to harvesting and precisely controls environmental factors through an intelligent control system which realizes full automation of forage production The grass plant factory can also replace planting boards for leafy vegetable seedling cultivation various sprout vegetable planting and production achieving a workshop with multiple uses and broad market prospects Key Words Barley Plant factory Fully automatic three dimensional cultivation rack Intelligent equipment Production process 上接第63页 68