草莓集装箱植物工厂设计与应用.pdf

第 10 卷 第 9 期 农 业 工 程 Vol 10 No 9 2020 年 9 月 Agricultural Engineering Sep 2020 收稿日期 2020 05 22 修回日期 2020 06 27 作者简介 周增产 高级工程师 研究方向 设施农业 E mail zengchan sina com 在线投稿 www d1ae com 草莓集装箱植物工厂设计与应用 周增产 1 2 3 赵 静 1 3 胡福生 1 3 姚 涛 1 3 李忠明 4 王志冉 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 4 北京市昌平区农业技术推广站 北京 102200 摘 要 集装箱植物工厂具有可移动性强 使用地域广泛 环境可控 高密度种植和周年生产等优点 简要叙述北京 市农业机械研究所有限公司设计开发的一种草莓集装箱植物工厂 该植物工厂整体设计形式呈现模块化 重点围绕栽 培系统 补光系统 环境调控系统 营养液循环系统及控制系统进行创新设计 并对栽培环境进行测试 该系统在北 京市通州区进行运营生产 试验及运营结果表明 草莓集装箱植物工厂可以用于草莓栽培 为集装箱植物工厂种植栽 培拓宽思路 该草莓集装箱植物工厂的设计方案合理 系统配置科学 光能利用率高 种植系统安装便捷 可提高资 源利用效率 达到草莓的连年生产需求 为农户创造更高价值 关键词 集装箱植物工厂 草莓 系统设计 中图分类号 S316 文献标识码 A 文章编号 2095 1795 2020 09 0052 06 Design and Application of Strawberry Container Plant Factory ZHOU Zengchan 1 2 3 ZHAO Jing 1 3 HU Fusheng 1 3 YAO Tao 1 3 LI Zhongming 4 WANG Zhiran 1 3 1 Beijing Agricultural Machinery esearch Institute Co Ltd Beijing 100094 China 2 Beijing Kingpeng International Hi tech Corporation Beijing 100094 China 3 Beijing Plant Factory Engineering Technology esearch Center Beijing 100094 China 4 Changping District Agricultural Technology Extension Station of Beijing Beijing 102200 China Abstract Container plant factory has advantages of strong mobility wide use area controllable environment high density planting annual production and so on A strawberry container plant factory designed and developed by Beijing Agricultural Ma chinery esearch Institute Co Ltd was described briefly Overall design form of plant factory was modular focusing on inno vative design of cultivation system light supplement system environmental control system nutrient solution circulation system and control system Cultivation environment was tested The system was operating and producing in Tongzhou district Beijing Experiment and operation results showed that strawberry container plant factory could be used for strawberry cultivation and broad en thinking for cultivation of container plant factory Design scheme of strawberry container plant factory was reasonable system configuration was scientific light utilization rate was high planting system installation was convenient resource utilization effi ciency could be improved continuous production demand of strawberries could be achieved and higher price could be created for farmers value Keywords container plant factory strawberry system design 0 引言 集装箱植物工厂是利用集装箱 添加生产系统和 环境控制系统的一种微型智能化植物工厂类型 1 区别于普通植物工厂 集装箱植物工厂具有移动性 强 使用地域广泛 以及可在远洋货轮 边防哨所 高山海岛 海军舰艇周年持续和稳定供给蔬果 实现 小人群的鲜活蔬果自给需求 2 草莓是营养丰富的 保健水果 果实中含有的鞣花酸具有抗癌效果 其经 济效益远高于蔬果作物 是提高农民经济收入的一种 重要园艺作物 3 然而其设施生产中的果实品质一 般较低 且无法进行周年生长 如何提高果实品质达 到周年生产以满足消费者日益增长的品质需求已成为 生产中亟待解决的问题之一 为此 北京市农业机械 研究所有限公司专门为草莓种植设计一套模块化组合 栽培设施 可供从事草莓种植的单位和个人根据自身 需求对集装箱植物工厂进行定制 该集装箱植物工厂 将草莓种植与集装箱植物工厂相结合 达到草莓周年 周增产 等 草莓集装箱植物工厂设计与应用 生产的效果 具有模块组合灵活 移动方便等优势 同时 为了验证该集装箱植物工厂与草莓栽培的适应 性 进行草莓栽培试验 以期为优化改进草莓集装箱 植物工厂提供理论基础 1 总体设计方案 草莓集装箱植物工厂 通过标准的 40 尺集装箱 高柜改造而成 配置补光系统 水肥系统 栽培系 统 空调通风系统和自控系统等 如图 1 所示 补光 系统选用全光谱 LED 补光灯 为草莓生长提供光源 水肥系统由供水箱 回水箱 紫外线消毒器 肥料 桶 肥料泵和一系列管道及管件组成 为作物提供水 分和养分 栽培系统由栽培架 栽培槽和 LED 灯组 成 为作物提供生长的载体 空调系统由 1 台 5 匹柜 式空调 2 个顶部通风风机 6 个侧通风窗 以及静 压箱 离心式风机和送风道组成 图 1 草莓集装箱植物工厂结构 Fig 1 Structure of strawberry container plant factory 2 关键部分设计 2 1 人工光系统 光是植物生产发育的重要能量源和信息源 不同 光受体吸收不同波长的光 不同波长的光对植物生长 的作用也不相同 光质配比作为光环境中的关键影响 因子能通过光受体传导途径调节植物的整个生命周 期 影响植物各生长时期的发育状况 4 本文介绍 的草莓集装箱植物工厂选择全光谱 LED 补光灯 增 加了对植物光合作用起决定作用的 450 nm 和 660 nm 部分 如图 2 所示 可提高光合作用效率 同时相比 之前粉红色的光源 又增加了绿光黄光部分 现在色 温为 3 000 K 不会影响人眼的舒适度 图 2 草莓集装箱植物工厂光源光谱 Fig 2 Light source spectrum of strawberry container plant factory 2 2 栽培系统 栽培系统的栽培框架为定制焊接立柱 在栽培框 架内 为梯形 PVC 槽体 覆盖基质种植草莓 槽体 底部具有边缘孔 栽培槽下方有回水槽 对草莓供给 的营养液流经回水槽随管道流入回液箱体 栽培架为 4 层结构 每层布置 20 个栽培槽和 20 盏 LED 补光 灯 如图 3 所示 图 3 草莓集装箱植物工厂栽培架 Fig 3 Cultivation frame of strawberries container plant factory 2 3 水肥一体化系统 水肥系统有紫外线消毒器 以保证供给作物的水 是无菌的 水肥系统有供液箱和回液箱 放置于栽培 架底部 如图 4 所示 水肥系统包括共 3 个母液罐 分为 A B C 共 3 个小罐 每个母液罐直径 400 mm 体积 50 L 立体摆放 在电子水表和电磁阀门 的控制下流入营养液工作箱 营养液工作箱是贮存和 供应栽培箱营养液的容器 每个肥料单独使用一台肥 料泵 以保证各种营养元素的均衡 模块化电控装 置 功能齐全 定时标准 与水处理筒体采用一体化 设计 具有安装方便 操作简单 安全可靠和便于维 护的特点 2 4 空调系统 空调通风系统能为植物提供相对可控制甚至最适 35 农业工程 生物环境与能源 图 4 草莓集装箱植物工厂水肥系统 Fig 4 Water and fertilizer system of strawberry container plant factory 宜的温度 湿度等环境条件 使其一定程度上摆脱对 自然环境的依赖 5 该草莓集装箱植物工厂采用立 体送风空调装置 如图 5 所示 可有效防止因空调送 风装置布置问题影响作物生长 提高控温效率 满足 草莓生长要求 空调借助于风道送风 将空调风送至 栽培系统每一株草莓 图 5 草莓集装箱植物工厂空调系统 Fig 5 Air conditioning system of strawberry container plant factory 2 5 环境控制系统 植物工厂内的环境调控是保证植物生长最为关键 的环节 它直接关系到植物生长的品质与产量 6 因此 环境控制系统的设计主要从温度 湿度 光照 和 CO 2 浓度等方面考虑 环境控制系统位于配电箱内 包括控制器 传感 器 包括温度 湿度和 CO 2 浓度 和触摸屏 能够 精确地自动控制该生产装置内的温度 湿度和 CO 2 浓度等环境条件因子 为草莓的生长提供适宜的环 境 还可以手动控制集装箱内的环境参数 调整箱内 适宜当地环境生产的参数 3 试验测试 为确定草莓集装箱植物工厂的栽培环境稳定性 对草莓定植后的集装箱植物工厂进行光环境 温湿度 及送风均匀性的试验测试 测试点如图 6 所示 将集 装箱内分为 4 个区域 每个区域内设施 4 个测试点 分别从顶层到底层 记录仪位于每个区域层内中心位 置 共计 4 4 16 集装箱内共有 6 个出风口 每 个出风口设置 2 个测试点 距离 30 cm 高点为 A 低点为 B 集装箱内总计 28 个测试点监控温湿度变 化情况 图 6 草莓集装箱植物工厂测试点 Fig 6 Test points of strawberry container plant factory 3 1 光环境测试 使用远方光电手持式植物光照分析仪 PLA 20 对 集装箱植物工厂内 A 区和 C 区进行光照强度测试 距离 LED 灯具的表面 20 cm 处分别设置测试点 测 试结果如表 1 所示 光照是影响草莓生长发育的关键因素 它不仅影 响草莓的开花坐果等生物学特性 而且对草莓的营养 物质代谢 理化性质等都具有十分重要的调控作用 因此 适宜的光照是影响草莓产量 品质的关键因 素 7 经过测试草莓集装箱光照环境可控 光照强 表 1 光环境测试数据 Tab 1 Optical environment test data 测量点 A 区 1 2 3 4 5 C 区 1 2 3 4 5 光照强度 Lux 24 595 20 25 099 60 25 390 80 24 891 60 24 891 60 21 522 60 22 432 60 25 659 40 24 659 40 24 659 40 PPFD mol m s 1 1 497 24 507 06 512 21 502 99 502 99 428 40 446 31 489 72 489 72 489 72 45 周增产 等 草莓集装箱植物工厂设计与应用 度可达 20 000 LUX 光合有效辐射 400 mol m s 1 以上 可达到草莓生长需求 配合紫外光源 利于蜜蜂授粉 7 3 2 温湿度测试 使用精创 C 4HA C 温湿度记录仪对集装箱植 物工厂内 A D 区内每层进行定点测试 草莓集装箱 植物工厂采用 波峰填谷 方式补光 设定补光时 间为 19 00 到次日 07 00 此为明期 次日 07 00 到 19 00 是非补光时间 为暗期 由图 7 8 可知 明期内垂直方向最大温差 2 7 最小温差 0 9 平均温差 1 8 平均温度 24 1 暗期内高度方向最大温差 2 2 最小温 差 1 1 平均温差 1 5 平均温度 17 0 明 期内水平方向最大温差 1 5 最小温差 0 5 平 均温差 0 6 平均温度 24 5 暗期内水平方向 图 7 草莓集装箱植物工厂垂直方向温度变化 Fig 7 Temperature change in height direction of strawberry container plant factory 图 8 草莓集装箱植物工厂水平方向温度变化 Fig 8 Temperature change in horizontal direction of straw berry container plant factory 平均最大温差 1 2 最小温差 0 平均温差 0 1 平均温度 17 4 综合数据分析 明期平均温 度 25 1 暗期平均温度 17 1 符合温 度 17 25 设定值 由图 9 10 可知 明期内高度方向最大湿度 82 9 最小湿度 61 7 平均湿度 70 9 平均 湿度差 1 9 暗期内高度方向最大湿度 80 8 最 小湿 度 60 7 平 均 湿 度 74 5 平 均 湿 度 差 3 4 高度方向总平均湿度 72 7 明期内水平方 向最大湿度 83 9 最小湿度 62 9 平均湿度 71 7 平均湿度差 0 6 暗期内水平方向最大湿 度 81 6 最小湿度 67 4 平均湿度 77 8 平 均湿度差 0 1 水平方向总平均湿度 74 7 综合 数据分析 明期平均湿度 70 5 暗期平均湿度 75 5 符合湿度 70 85 设定值 图 9 草莓集装箱植物工厂高度方向湿度变化 Fig 9 Humidity change in height direction of strawberry con tainer plant factory 图 10 草莓集装箱植物工厂水平方向湿度变化 Fig 10 Humidity change in horizontal direction of strawberry container plant factory 3 3 风速测试 使用衡欣风速测量仪 AZ8901 对集装箱植物工厂内 的出风口进行定点测试 如图 11 所示 根据测试结 果 A 点平均风速 3 1 m s B 点平均风速 2 5 m s 均 匀性良好 55 农业工程 生物环境与能源 图 11 草莓集装箱植物工厂风速测试 Fig 11 Wind speed test of strawberry container plant factory 3 4 草莓品质检测 草莓为蔷薇科 草莓属 Fragaria 小果树 自 然界中的草莓目前已知的有 20 多个种 目前市场上 常见草莓品种有日本品种 欧美品种及中国品种 日 本草莓保持着世界最高水准 在糖度和口感方面接近 最高水平 8 9 其中甜味取决于可溶性固形物 SSC 的含量 主要是蔗糖 葡萄糖和果糖 香味主要取决 于醇 酯 醛 酮及呋喃酮 这些物质在草莓果实中 的含量共同决定草莓的感官品质 草莓集装箱种植的 是日本品种章姬 10 草莓采收开始后 分批次取样 采用随机取样 法 共取样 1 鲜果 进行草莓品质检测 送至北京 中科光析化工技术研究院进行测定 检测内容包括总 糖 总糖酸比 无机砷 总汞 氯氰菊酯 多菌灵和 可溶性固形物 测试结果取 3 次平均值 结果如图 12 所示 图 12 草莓集装箱植物工厂草莓品质检测结果 Fig 12 Quality test results of strawberry in container plant factory 草莓集装箱植物工厂种植的草莓 总糖 5 32 总糖酸比 1 77 未检出无机砷 汞 氯氰菊酯和多 菌灵 可溶性固形物含量 12 所生产草莓绿色安 全 具有高品质 4 结论 1 草莓集装箱植物工厂的设计方案合理 2 内部的温度 湿度 光照和风速等参数都能 够满足草莓生长所需的环境条件 系统配置科学 光 能利用率高 种植系统安装便捷 可提高资源利用效 率 达到草莓的连年生产需求 3 经过检测所生产草莓绿色安全 具有高品质 4 下一步计划对目前的草莓集装植物工厂进行 智能升级 主要进行空调换气系统的再升级 打造全 智能移动式高附加值草莓集装箱植物工厂 加强市场 推广力度 全面实现产业化 参考文献 1 孙朝华 李开 徐海军 等 集装箱植物工厂技术的应用 J 农业工程技术 2019 39 4 55 59 2 苏志能 洪燕南 陈大华 微型植物工厂集装箱模式的评述和 探讨 J 中国照明电器 2018 8 12 16 SU Zhineng HONG Yannan CHEN Dahua eview and investi gation on container model of miniature plant factory J China Light Lighting 2018 8 12 16 3 余锡寿 刘跃萍 封闭型植物工厂发展现状与展望 J 农业 展望 2015 11 7 46 49 YU Xishou LIU Yueping Status quo of enclosed plant factory and its prospect J Agricultural Outlook 2015 11 7 46 49 4 李东星 周增产 卜云龙 等 集装箱植物工厂研制与试验 J 农业工程 2016 6 6 78 83 87 LI Dongxing ZHOU Zengchan BU Yunlong et al esearch and experiment of container plant factory J Agricultural Engineering 65 周增产 等 草莓集装箱植物工厂设计与应用 2016 6 6 78 83 87 5 物管股份 科技创新 农业 4 0 集装箱式农业栽培舱 J 中国物业管理 2017 6 42 6 王华硕 LED 补光对日光温室黄瓜 番茄 草莓生长发育及品 质的影响 D 邯郸 河北工程大学 2018 WANG Huashuo The effect of LED supplemental light on the growth and quality of cucumber tomato and strawberry in solar greenhouse D Handan Hebei University of Engineering 2018 7 钱舒婷 不同补光灯对设施草莓 番茄光合生长及产量品质的 影响 D 杨陵 西北农林科技大学 2018 QIAN Shuting Effects of different supplemental lights on photosyn thetic growth yield and quality of strawberry and tomato in green house D Yangling Northwest A F University 2018 8 刘泽宇 不同温室生态环境对草莓果实品质影响的研究 D 临汾 山西师范大学 2018 LIU Zeyu Study on the influence of different greenhouse ecological environment on strawberry fruit quality D Linfen Shanxi Normal University 2018 9 李丽 速冻草莓品质评价体系的建立研究 D 沈阳 沈阳农 业大学 2016 LI Li Study on establishment of quality evaluation system for quick frozen strawberry D Shenyang Shenyang Agricultural University 2016 10 孟令春 李曼 渠慎春 不同基质对 红颊 草莓生长及果 实品质的影响 J 中国南方果树 2015 44 6 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 檱 殗 殗 殗 殗 109 111 行业动态 三北工程有效庇护 3 019 4 万 hm 2 农田 工程区粮食年均增产 1 060 万 t 2020 年 8 月 14 日 记者从国家林业和草原 局获悉 我国第 1 个重大生态工程 三北防护 林体系建设工程五期即将完成 40 多年来 三 北工程累计完成造林保存面积 3 014 万 hm 2 工 程区森林覆盖率由 5 05 提高到 13 57 特色 林果业 生态旅游业快速发展 累计营造农田防 护林 165 6 万 hm 2 有效庇护农田 3 019 4 万 hm 2 防护效应使工程区粮食年均增产 1 060 万 t 工程建设取得了巨大的经济 社会和生态效 益 成为践行绿水青山就是金山银山理念的成功 典范 三北工程始终把恢复绿水青山作为首要任 务 大规模植树造林种草 持续修复自然生态 累计营造防风固沙林 788 2 万 hm 2 治理沙化土 地 33 6 万 km 2 保护和恢复严重沙化 盐碱化 的草原 牧场 1 000 多万 hm 2 全国荒漠化和沙 化监测结果显示 2014 年以来 工程区沙化土 地 面 积 连 续 缩 减 实 现 了 从 沙 进 人 退 到 绿进沙退 的历史性转变 年均沙尘暴天数从 6 8 d 下降到 2 4 d 其中毛乌素 科尔沁和呼伦 贝尔 3 大沙地得到初步治理 沙化土地面积持续 净减少 累计营造水土保持林 1 194 万 hm 2 治 理水土流失面积 44 7 万 km 2 年入黄河泥沙量 减少 4 亿 t 左右 三北工程坚持统筹推进生态治理与民生改 善 着力建设生态经济型防护林体系 40 多年 来 工程区营造用材林折合木材储备量 18 3 亿 m 3 经济价值 9 130 亿元 累计营造经济林 463 万 hm 2 形成了一批重要的核桃 红枣 板栗 花椒和苹果等干鲜果品生产基地 年产干鲜果品 4 800 万 t 1 500 万人依靠特色林果业实现稳定 脱贫 工程区还形成了以森林公园网络为骨架 湿地公园 沙漠公园等为补充的生态旅游发展新 格局 年接待游客 3 8 亿人次 旅游收入 480 亿 元 毛晓雅 75