小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置研制

唐永康，高 峰?，楊京松，蘇煥煥

（1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100193；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司機械產(chǎn)品事業(yè)部，北京100094）

1 引言

植物是受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecolog?ical Life Support System，CELSS）中的關(guān)鍵生物部件，研究植物在特定人工生態(tài)環(huán)境（如低壓和低光等）中的生理生態(tài)特性，對于降低CELSS系統(tǒng)能耗、更好地發(fā)揮生物部件的功能有重要意義［1］。

月球表面的大氣環(huán)境極為惡劣，如高宇宙輻射、高真空（10－10～ 10－12Pa），以及極端的高溫（127℃）或低溫（－183℃）。因此，將來在月球上建立低壓CELSS并在其中培養(yǎng)植物，可以減少系統(tǒng)的質(zhì)量［2］，降低系統(tǒng)內(nèi)外壓差和結(jié)構(gòu)難度［3］，減少系統(tǒng)的氣體泄漏和消耗［4］。一般研究均認為，在月球基地建立的CELSS所采用的大氣總壓應(yīng)該在54 kPa～30 kPa范圍比較適合［3］。同時，考慮到人生存需要的大氣環(huán)境條件，在月球基地建立的CELSS應(yīng)該是低壓（54 kPa～30 kPa）、高氧（如 21 kPa～30 kPa氧分壓）和高 CO2（如0.8 kPa）環(huán)境［5］。 因此，非常有必要研究低壓、高氧和高CO2環(huán)境條件下植物的生長發(fā)育（如氣體交換）特性，從而掌握相關(guān)的植物培養(yǎng)技術(shù)措施，為乘員提供充足的食物、氧氣和水等生保物資。

目前，國內(nèi)外建立了多臺低壓植物試驗裝置，如中國研制成低壓植物培養(yǎng)裝置，開展了50 kPa壓力下小麥生長發(fā)育研究［6］；美國研制了低壓栽培艙，開展了10 kPa壓力下生菜生長性能試驗［7］；加拿大也利用受控環(huán)境研究裝置研究了不同壓力下生菜葉片的CO2交換特性和蒸騰特性［8］；日本研制成低壓栽培裝置，開展了水稻在不同壓力下的種子萌發(fā)特性研究［9］。這些裝置主要是用于開展低大氣總壓（低壓）和低氧分壓植物培養(yǎng)試驗，沒有開展過低壓高氧試驗研究。

鑒于開展低壓高氧植物試驗的必要性，本文針對低壓高氧植物培養(yǎng)裝置的特殊要求，主要從裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，耐壓和高透光率有機材料的篩選，低壓大氣環(huán)境中氮氣、氧氣和CO2分壓組成的調(diào)節(jié)等方面優(yōu)化設(shè)計，研制小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置（Small?scale Low Pressure Vegetable?cultivating Fa?cility，SLPVF），并開展蔬菜類作物低壓高氧試驗研究，為將來建立低壓 CELSS系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 主要技術(shù)指標

本文擬研制三套小型低壓蔬菜栽培裝置，每套裝置均能進行低（常）壓和高氧蔬菜培養(yǎng)試驗?；诤罄m(xù)將要開展的研究對本裝置容積、培養(yǎng)面積、大氣環(huán)境條件（總壓、氧分壓、CO2分壓、溫濕度）和光照條件等的要求，通過綜合分析和考量，該裝置的主要技術(shù)指標和性能要求設(shè)計如表1所示。

表1 小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indexes of small?scale low pres?sure vegetable?cultivating facility

3 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計

所設(shè)計的裝置主要包括以下5個系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、溫濕度與通風控制系統(tǒng)、大氣總壓與分壓控制系統(tǒng)、植物培養(yǎng)系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)，其基本組成如圖1所示。

3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

主要用于提供密閉培養(yǎng)室供蔬菜生長，同時也用于安裝、固定其它各系統(tǒng)，布置氣路和液路管道。通過綜合考慮整個裝置的結(jié)構(gòu)和布局方式以及低壓裝置的技術(shù)特點和要求，先后設(shè)計和完成了小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置的主體結(jié)構(gòu)，主要包含培養(yǎng)室、基座、有機玻璃罩和支撐架，如圖2所示。培養(yǎng)室用于構(gòu)建一個封閉的環(huán)境，主要包括基座和有機玻璃罩?；鶠椴讳P鋼圓桶狀，采用304不銹鋼焊接制成，桶壁厚5 mm，法蘭厚20 mm，桶壁圓周分布各傳感器接口、氣源接口等。底部設(shè)有1個法蘭，可固定熱交換器（冷凝器）。有機玻璃罩壁厚10 mm，有效球直徑690 mm。桶壁、法蘭和有機玻璃罩厚度數(shù)據(jù)均根據(jù)系統(tǒng)控制的最低壓力（10 kPa）對厚度的要求計算所得。支撐架用于支撐整個裝置，由鋁型材搭建而成。頂端用于安裝光源系統(tǒng)，中部用于放置培養(yǎng)室，下部主要用于安裝營養(yǎng)液輸送設(shè)備和大氣總壓和分壓系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。

圖2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計及實物圖Fig.2 Design drawing and physical picture of struc?tural system in SLPVF

3.2 溫濕度與通風系統(tǒng)

主要用于控制培養(yǎng)室內(nèi)的溫度在15～35℃之間，滿足植物生長對溫度的需求，包括溫度控制、濕度控制和通風組成。溫度控制主要是通過冷凝熱交換技術(shù)實現(xiàn)。軸流風扇將培養(yǎng)室內(nèi)熱量帶到位于培養(yǎng)室中部的柱狀熱交換器上，通過制冷回路將熱量帶到培養(yǎng)室外制冷機組，最后排到室外，從而將栽培室內(nèi)的溫度控制在15～35℃范圍之間。因為培養(yǎng)室溫度總是趨于增加，所以該系統(tǒng)只有冷凝降溫設(shè)計，沒有設(shè)置加熱；系統(tǒng)的除濕主要通過降溫過程來實現(xiàn)，而系統(tǒng)加濕主要是通過超聲波加濕來實現(xiàn)；系統(tǒng)的通風是通過培養(yǎng)室柱狀熱交換器頂部的軸流風扇將空氣由四周向中間匯集，如此往復來實現(xiàn)空氣的循環(huán)流動，保證培養(yǎng)室不同部位溫濕度和大氣成份分布均勻。

3.3 大氣總壓與分壓控制系統(tǒng)

大氣總壓主要是通過壓力傳感器測量培養(yǎng)室內(nèi)的壓力，通過程序軟件來控制真空電磁閥（電磁閥與真空緩沖罐連接，真空泵一直維持真空緩沖罐的壓力），從而達到控制氣體總壓（10～101 kPa）的目的。氧分壓控制（2～50 kPa）主要是通過氧化鋯氧傳感器測量培養(yǎng)室內(nèi)的氧分壓，當氧分壓高于（或低于）設(shè)定值時，供氮（或氧）電磁閥打開，向培養(yǎng)室內(nèi)加氮（或氧）以稀釋（或增加）氧氣，從而達到降低（或增加）氧分壓的目的。CO2分壓控制（0.035 ～2 kPa）與氧分壓相似，主要是通過傳感器測量培養(yǎng)室內(nèi)CO2分壓，當CO2分壓低于設(shè)定值時直接通過供CO2電磁閥向培養(yǎng)室內(nèi)加氣，系統(tǒng)在光照條件下，CO2分壓趨于下降，所以當CO2分壓高于設(shè)定值時（黑暗）一般不進行控制。乙烯氣體去除采用化學去除方法—高錳酸鉀氧化法，即采用商品化的乙烯去除劑，以保證將培養(yǎng)室內(nèi)的乙烯氣體濃度控制在50 ppb以下。系統(tǒng)中的總壓和不同分壓值是根據(jù)開展植物需要的大氣環(huán)境來確定的。

3.4 植物培養(yǎng)系統(tǒng)

植物培養(yǎng)系統(tǒng)主要由營養(yǎng)儲箱、蠕動泵、電磁閥、培養(yǎng)盤、營養(yǎng)液滴頭、培養(yǎng)基質(zhì)、發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）光源，以及培養(yǎng)蔬菜需要的陶瓷基質(zhì)和營養(yǎng)液組成。培養(yǎng)基質(zhì)為多孔陶瓷顆粒，是蔬菜根系生長的介質(zhì)和支撐物，并能貯藏和通過毛細作用傳導一定的水分和養(yǎng)分。培養(yǎng)盤容納栽培基質(zhì)，種植植物，其栽培面積約0.25 m2。水分養(yǎng)分供給設(shè)備由營養(yǎng)液儲液箱、蠕動泵、電磁閥、管路和營養(yǎng)液滴頭組成。營養(yǎng)液供應(yīng)數(shù)量通過植物生長需要和蠕動泵控制。LED光源采用15%藍色LED和85%紅色LED（基于葉菜類蔬菜對紅光和藍光的需求確定），在鋁基板上均勻分布，以保證蔬菜植株能接受相同的光照。LED燈的開啟和關(guān)閉是通過測控軟件直接控制，以實現(xiàn)不同的光周期滿足植物生長的需要。整個LED光源可以上下移動，以滿足不同試驗研究對光照強度的需要。

3.5 測量與控制系統(tǒng)

主要用于采集并儲存栽培裝置的各項傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制流程進行程序控制。系統(tǒng)由測控軟件、測量傳感器、控制繼電器、數(shù)據(jù)采集及I／O模塊等組成。采用LabView軟件編寫程序，具有溫濕度和通風控制、大氣總壓和分壓控制、營養(yǎng)液輸送控制、光周期控制等功能，既可自動運行，也可手動操作。所有測量的參數(shù)數(shù)據(jù)和圖表均實時存儲并可及時查看。

通過以上設(shè)計，研制完成的小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置如圖3所示。

圖3 研制完成的小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置Fig.3 External view of the small?scale low pressure vegetable?cultivating facility

4 試驗驗證

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

測試培養(yǎng)室的承壓能力、系統(tǒng)的大氣泄漏率、氣體成份控制、溫濕度控制和植物培養(yǎng)是否滿足試驗要求，收集數(shù)據(jù)，積累試驗經(jīng)驗，以此來進一步改進和完善小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置。

4.2 試驗方法和步驟

驗證試驗主要是圍繞結(jié)構(gòu)試驗、大氣總壓與分壓試驗、植物培養(yǎng)試驗和溫濕度試驗來展開。

1）結(jié)構(gòu)試驗

將有機玻璃罩固定并密封，將大氣壓力（絕壓）值設(shè)定并控制到10 kPa，觀察測試大氣總壓變化，記錄有機玻璃罩承壓狀況。

2）大氣總壓與分壓試驗

首先，通過真空泵將裝置內(nèi)的大氣壓力降至相應(yīng)壓力值，停止抽氣，記錄總壓壓力變化，計算大氣泄漏率。然后，在真空罐中通入純氧氣（1個大氣壓力），逐漸降低真空罐中氧氣壓力，測試氧傳感器電壓輸出與氧分壓的關(guān)系。結(jié)束后，在真空罐中通入定量CO2，加入高純氮來創(chuàng)造特定總壓環(huán)境，記錄不同條件下CO2真實值和傳感器測量值。最后，設(shè)定一定的目標總壓、氧分壓和CO2分壓，觀察記錄裝置的自動控制情況。

3）植物培養(yǎng)試驗

用光合有效輻射儀測量LED燈光合有效輻射強度（燈正下方20 cm），并計算有機玻璃的透光率。 在三種總壓（101 kPa、54 kPa和30 kPa）環(huán)境條件下開展植物培養(yǎng)試驗，通過植物生長狀態(tài)判斷裝置的植物培養(yǎng)能力。

4）溫濕度試驗

在植物培養(yǎng)試驗過程中，同步測試裝置的溫濕度控制系統(tǒng)性能。試驗按白天和夜間兩種狀態(tài)進行。

4.3 試驗結(jié)果

4.3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)試驗

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)試驗主要測試該裝置承受負壓能力，即通過真空泵抽負壓，來試驗其耐負壓能力。負壓試驗結(jié)果表明培養(yǎng)室（有機玻璃）能承受10 kPa的負壓，有機玻璃完好無損，滿足設(shè)計指標要求，如圖4所示。

圖4 小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置負壓試驗圖Fig.4 Pressure resisting ability of SLPVF

4.3.2 大氣總壓與分壓試驗

漏率測試結(jié)果表明，三套小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置（整體）在不同壓力條件下的大氣平均泄漏率為：5 kPa：1.1 × 10－2Pa·m3／s；30 kPa：3.7 ×10－3Pa·m3／s；54 kPa：3.0 × 10－3Pa·m3／s。 滿足技術(shù)指標要求和試驗研究需要。

傳感器測試方面，圖5（a）中可以看出，氧分壓與氧傳感器的電壓輸出的相關(guān)性非常高（R2＝0.998），表明氧化鋯傳感器不受總壓的影響。同時，根據(jù)試驗結(jié)果，作圖得出了不同低壓下（30 kPa和10 kPa）CO2的校正方程，如圖5（b）所示。

圖6是小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置大氣總壓（30 kPa）、氧分壓 （21 kPa） 和 CO2分壓（0.05 kPa）的控制曲線。總壓降低時，氧分壓和CO2分壓均隨之下降。當總壓降低到30 kPa時，氧分壓和 CO2分壓分別約為 6.2 kPa和0.003 kPa。測控系統(tǒng)開始控制氧氣氣瓶和CO2氣瓶，向培養(yǎng)室添加氧氣和CO2，直至將氧分壓或CO2分壓控制到設(shè)定值。從圖中可以看出，測控系統(tǒng)能將大氣總壓、氧分壓和CO2分壓控制在設(shè)定范圍之內(nèi)。

4.3.3 植物培養(yǎng)試驗

光合有效輻射值測量結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，在裝置1、裝置2和裝置3的培養(yǎng)室中部（位置3）光照強度較強（燈下20 cm處測量），而四周相對較弱，但每個培養(yǎng)盒上方的平均光強均比較一致，三套裝置中LED燈光合有效輻射值平均為364 μmol·m－2·s－1。 當蓋上有機玻璃玻璃罩時，其透光率平均為97.2%（三套裝置平均值）。

圖5 不同壓力下氧和CO2的測量曲線Fig.5 O2 and CO2 measurement curves under different total pressure conditions

圖6 小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置總壓和分壓試驗圖Fig.6 Curves of total pressure and partial pressure in SLPVF

表2 小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置LED燈光合有效輻射測量Table 2 The testing of photosynthesis active radiation of LED in SLPVF（μmol·m －2·s－1）

圖7為萵苣植株在三種不同總壓條件下的生長狀況。 處理 101／21（圖 7a）、54／21（圖 7b）和30／21（圖 7c）分別表示 101 kPa、54 kPa 和30 kPa總壓，以及21 kPa氧分壓?？梢钥吹?，不同壓力條件下，兩種萵苣植株在定植后培養(yǎng)第10天的生長狀態(tài)均正常。培養(yǎng)結(jié)束時（第10天），分析測試裝置內(nèi)的大氣乙烯濃度為31 ppb。

圖7 小型低壓蔬菜裝置中萵苣植株生長狀態(tài)Fig.7 The growth status of lettuce in SLPVF

植物培養(yǎng)系統(tǒng)試驗結(jié)果表明，所選用的光源能達到設(shè)計指標和試驗需要，營養(yǎng)液輸送和萵苣植株在該系統(tǒng)中生長正常，大氣環(huán)境參數(shù)均控制在合理范圍內(nèi)，乙烯去除劑能將植物累積產(chǎn)生的乙烯濃度控制設(shè)計范圍內(nèi)。

4.3.4 溫濕度與通風試驗

圖8為針對白天和晚上兩種狀態(tài)，裝置內(nèi)溫濕度控制曲線圖。從圖中可以看出，該裝置能將培養(yǎng)室內(nèi)（有植物生長）低壓條件下的大氣溫濕度控制在設(shè)定范圍內(nèi)：23.5～24.5℃，濕度 55%～65%（白天狀態(tài)）；14.5 ～15.5℃，濕度 55% ～65%（晚上狀態(tài)）。常壓條件下小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置同樣能將培養(yǎng)室的大氣溫濕度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。另外，由于環(huán)境因素對裝置的溫濕度控制有一定的影響，所以需要將房間溫度控制在一定的范圍內(nèi)（如22℃）。

圖8 裝置溫濕度控制曲線Fig.8 Temperature and relative humidity control in SLPVF

4.4 討論

1）裝置結(jié)構(gòu)形式

驗證試驗結(jié)果表明，該裝置具有較強的耐負壓能力。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，為充分利用空間，同時降低裝置復雜程度和內(nèi)部的熱負荷，裝置采用圓弧狀有機玻璃作為受光面，并把LED光源設(shè)置在裝置的外上方。這雖然減少了裝置的復雜程度，降低了裝置的重量，但也一定程度上增加了裝置內(nèi)外的熱交換量。

2）總壓和分壓控制

在進行大氣總壓和分壓控制時，應(yīng)綜合考慮傳感器反應(yīng)時間、裝置的容積、氣體的供氣流量，才能精確控制大氣總壓和分壓。傳感器反應(yīng)時間通常為10～20 s左右，如果氣瓶供氣流量太大，將使大氣總壓和分壓嚴重超范圍；氣瓶供氣流量太小則使系統(tǒng)的反應(yīng)時間過長，從而對溫濕度等系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使電磁閥長時間處于通電狀態(tài)，增加安全隱患。所以，應(yīng)根據(jù)計算以及實際的試驗，來調(diào)節(jié)氣瓶供氣閥流量，并在培養(yǎng)室內(nèi)通風風扇聯(lián)合作用下，可保證大氣總壓和分壓控制的速度和精確度符合試驗要求。

3）植物培養(yǎng)

為最大限度利用植物培養(yǎng)空間，充分吸收利用LED的光能，每一株植株之間的間隙較小，裝置內(nèi)培養(yǎng)的植株沒有田間的植株粗壯，但單位時間、空間和能耗條件下，裝置內(nèi)的植株的生物產(chǎn)率更高，達到 6.75 g／m2／kw／d。 此外，本次植物培養(yǎng)試驗主要為驗證裝置在不同低壓環(huán)境下的植物培養(yǎng)性能（不是為比較不同處理下植物的生長差異），不同裝置之間除總壓不同外，氧分壓和CO2分壓等其他參數(shù)均完全一致。而低壓環(huán)境中，影響植物生長的關(guān)鍵參數(shù)主要是氧分壓和CO2分壓，因此三套裝置中植物的生長無顯著性差異。

5 結(jié) 論

本文研制的小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置運行穩(wěn)定，各項環(huán)境參數(shù)控制精確，可以為蔬菜提供在低壓環(huán)境條件下適宜的生長條件。由于該裝置主要用于地面模擬試驗研究，對于空間微重力環(huán)境條件考慮較少，如果在空間條件下應(yīng)用，還需對裝置進一步工程化改造?？傊?，該裝置已完全滿足目前地面模擬試驗研究的需求，可以用于后續(xù)開展相應(yīng)的試驗研究工作。

［1］ 江丕棟.空間生物學 ［M］.青島：青島出版社，2000：101?123.Jiang P D.Biology in Space［M］.Qingdao： Qingdao Pub?lishing House， 2000：101?123.（in Chinese）

［2］ Nangalia V， Habershon J.System benefit of a hypobaric hy?poxic spacecraft environment［R］.Society of Automotive En?gineering （SAE） International， No.2004?01?2483， 2004.

［3］ He CJ，Davies Jr F T，Lacey R E.Separating the effects of hypobaria and hypoxia on lettuce：growth and gas exchange［J］.Physiologia Plantarum， 2007， 131： 226?240.

［4］ Paul A L，Schuerger A C，Popp M P，et al.Hypobaric biolo?gy：Arabidopsis gene expression at low atmospheric pressure［J］.Plant Physiology， 2004， 134（1）： 215?223.

［ 5 ］ Rajapakse N C， He C J， Cisneros?Zevallos L， et al.Hy?pobaira and hypoxia affects growth and phytochemical contents of lettuce ［J］.Scientia Horticulturae， 2009， 122： 171?178.

［6］ 唐永康，郭雙生，秦利鋒，等.深空探測低壓植物栽培裝置研制 ［J］.航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，2008，21（5）：392?397.

Tang Y K， Guo S S， Qin L F， et al.Development of low pressure plant?cultivating facility for deep space Eexploration［J］.Space Medicine＆ Medical Engineering，2008，21（5）：392?397.（in Chinese）

［7］ Rygalov V Y， Bucklin R A， Drysdale A E， et al.Low pres?sure greenhouse concepts for Mars：atmospheric composition［R］.Society of Automotive Engineering（SAE） Internation?al， No.2002?01?2392， 2002.

［8］ Wilkerson E G，Bucklin R A，F(xiàn)owler P A.Development of small?scale hypobaric plant chamber ［J］ .Applied Engineer?ing in Agriculture， 2007， 23（4）： 531?537.

［9］ Arai Y，Goto E，Omasa K.Growth and development of Ara?bidopsis thaliana under hypobaric conditions［R］.Society of Automotive Engineering （SAE） International， No.2003?01?2478， 2003.