一種植物工廠內(nèi)可移動裝配式大黃育苗裝置設(shè)計

徐文棟 張開禮* 劉 生

（1.武威職業(yè)學(xué)院，武威 733000；2.天祝高原凈土農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，武威 733200）

大黃是國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的天然中藥材之一，為多年生高大草本植物，根粗壯、呈棕黃色，莖粗、光滑無毛；主要生長于海拔2 300～4 500 m 的高原地區(qū)，喜冷涼氣候、耐寒、忌高溫[1]；具有健胃、瀉下、抗腫瘤、降血脂、強心、利膽、保肝、延緩衰老、降低血壓、調(diào)節(jié)免疫力等作用[2-5]。作為中藏藥產(chǎn)品、功能性保健品及特色食品的重要原料，大黃的實際需求量逐漸增大，但天然野生大黃的數(shù)量已明顯減少[6]。

植物工廠是在高精度環(huán)境控制的室內(nèi)，由計算機自動控制作物生長過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是糧食、蔬菜、果品、花卉、食用菌、中藥材等農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)的重要保障，在提高農(nóng)業(yè)資源利用效率和保護環(huán)境方面具有重要意義。為提高大黃的產(chǎn)量和質(zhì)量，節(jié)約水資源，降低碳排放量和能耗，減少土地占用和污染，利用密閉式植物工廠，通過無土栽培、工廠化育苗等技術(shù)進行大黃的人工栽培，為大黃產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新路徑[7-9]。

近年來，利用植物工廠進行大黃的人工栽培已取得一定成效，提高了生產(chǎn)效率，減少了污染，降低了能耗等，解決了大黃產(chǎn)業(yè)原材料不足的問題，但仍然面臨一系列的挑戰(zhàn)。首先，植物工廠需要投入大量資金來建設(shè)和維護，還要支付高昂的能源和人工費用。其次，在大黃的生產(chǎn)過程中，需要控制環(huán)境溫度、濕度、光照、CO2濃度等，這需要依賴先進的技術(shù)。最后，由于利用植物工廠栽培大黃的生產(chǎn)方式比傳統(tǒng)生產(chǎn)方式更加復(fù)雜，缺少完整、統(tǒng)一的標準規(guī)范體系，限制了其發(fā)展。

針對存在的技術(shù)痛點，根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，設(shè)計了一種植物工廠內(nèi)可移動裝配式大黃育苗裝置。該裝置可以隨時拆卸和重組，方便搬運和調(diào)整，便于回收和再利用，適應(yīng)性強，具有集約化和標準化的特點，是大黃工廠化育苗的一種省力型生產(chǎn)裝置。

1 植物工廠的研究現(xiàn)狀

日本東海大學(xué)髙遷正基教授在《植物工廠》中首次提出了植物工廠的概念，即在工廠般的全封閉建筑設(shè)施內(nèi)，利用人工光源，實現(xiàn)環(huán)境的自動化控制，進行高效、省力、穩(wěn)定的作物種植，讓植物像工業(yè)品一樣在工廠里生產(chǎn)[10]。近年來，我國對植物工廠的研究取得了巨大進展，智能裝備和系統(tǒng)在播種、移栽、采收、運輸、包裝等多個環(huán)節(jié)中得到了應(yīng)用[11]。沈海霞等對杏鮑菇工廠化栽培條件進行了探索和優(yōu)化，采用現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備模擬杏鮑菇的生長環(huán)境，標準化控制栽培過程的每一個環(huán)節(jié)，大大提高了杏鮑菇的產(chǎn)量和品質(zhì)[12]。葉世青在由播種車間、育秧大棚及附屬房組成的育秧工廠內(nèi)，采用育秧盤、機械精量播種機及其他先進設(shè)施進行水稻育秧，促進小型農(nóng)戶和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的有機銜接，既不影響農(nóng)民務(wù)工，又能解決水稻種植問題[13]。施顯恩總結(jié)了當(dāng)前植物工廠圣女果育苗技術(shù)，提高了圣女果等茄果類作物育苗環(huán)節(jié)的集約化、自動化水平，提升了生產(chǎn)效率，降低了人工成本，培育出了優(yōu)質(zhì)壯苗[14]。

中藥材及其他農(nóng)作物的工廠化栽培在我國已初具規(guī)模，經(jīng)過多年的發(fā)展，從種子催芽、育苗、移栽到采收后的保鮮貯藏，已經(jīng)形成一套完整的理論基礎(chǔ)及操作方案。然而，在傳統(tǒng)溫室作物栽培過程中，人工育苗、播種、施肥、灌溉、農(nóng)作物收獲和搬運等環(huán)節(jié)需要人工直接參與，并在溫室內(nèi)有些惡劣的環(huán)境中需要進行重復(fù)且繁重的勞動。為了減少對工作人員的傷害，亟待提高溫室的自動化生產(chǎn)水平。目前，植物工廠產(chǎn)品主要為葉菜類蔬菜，少部分為茄果類，種類較為單一，植物工廠內(nèi)中藥材的栽培研究較少。本研究開展植物工廠內(nèi)中藥材栽培的相關(guān)研究，有助于給大黃及其他中藥材的植物工廠化生產(chǎn)帶來新的突破及發(fā)展。

2 可移動裝配式大黃育苗裝置設(shè)計

植物工廠內(nèi)可移動裝配式大黃育苗裝置主要由發(fā)光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）補光系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等組成。補光系統(tǒng)選用大黃生長吸收最優(yōu)的紅藍光配比的LED補光燈。LED 使用直流電，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、耗能低、壽命長、體積小、波長固定與低發(fā)熱等優(yōu)點。與目前普遍使用的熒光燈相比，LED 補光燈不僅光密度、光質(zhì)可調(diào)，而且是低發(fā)熱量的冷光源，照射距離短，大大提高了大黃的栽培層數(shù)和空間利用率，為大黃的生長提供了最佳光源。水肥系統(tǒng)由供水箱、回水箱、紫外線消毒器、肥料桶、肥料泵、管道和管件組成，為作物生長提供水分和養(yǎng)分。栽培系統(tǒng)由栽培架、栽培槽和LED 補光燈組成。控制系統(tǒng)為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）遠程控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)環(huán)境的溫度、濕度等，保證作物正常生長。

2.1 栽培系統(tǒng)設(shè)計

作物栽培系統(tǒng)的栽培框架由可拆卸的立柱組成。栽培架內(nèi)為栽培槽，槽內(nèi)填基質(zhì)，槽體底部設(shè)有邊緣孔。栽培架上端通過管道與水肥系統(tǒng)連接，水肥系統(tǒng)與控制系統(tǒng)采用電性連接。作物定植在基質(zhì)槽中，通過吸收基質(zhì)和營養(yǎng)液的養(yǎng)分生長。可移動裝配式栽培架結(jié)構(gòu)合理、緊湊，便于安裝和拆卸，能滿足不同用戶的需求。

2.2 水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計

水肥一體化系統(tǒng)即水分和營養(yǎng)液供應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)，主要由自動施肥裝置、供水箱、加肥器、肥料桶、供液泵、營養(yǎng)液輸送管、輸水管、回水管、營養(yǎng)液回收管、滴管等組成。營養(yǎng)液和水分在供液泵的作用下，通過輸水管被運送到有機生態(tài)型無土栽培架上端，然后通過滴灌系統(tǒng)到達作物根部，其中未利用部分通過回水管循環(huán)回到營養(yǎng)液桶。

2.3 光照系統(tǒng)設(shè)計

光是植物生長必需的環(huán)境因子，尤其是波長在640～660 nm 的紅光和波長在430～450 nm 的藍紫光。它們是植物進行光合作用和光形態(tài)建成的主要光譜范圍，直接影響植物的生長、光合作用、產(chǎn)量和品質(zhì)。光照系統(tǒng)設(shè)計在基質(zhì)栽培槽上部，利用不同紅藍光配比的LED 補光燈為植物提供光源。實際應(yīng)用中，可根據(jù)植物的生長階段來調(diào)整光照周期和強度，以促進作物生長，提高光利用率和生產(chǎn)效率。光照系統(tǒng)電源的電壓為220 V。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由控制器、溫度傳感器、濕度傳感器和光強度傳感器等組成。各類傳感器安裝在栽培槽內(nèi)壁，并與環(huán)控處理器進行電性連接。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)控處理器。通過PLC、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)手段，實現(xiàn)大黃生長過程的遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測，提高植物栽培的智能化管理水平。

3 可移動裝配式大黃育苗裝置的特點和優(yōu)勢

植物工廠內(nèi)可移動裝配式大黃育苗裝置是一種先進的室內(nèi)大黃育苗裝置，具有如下特點。第一，可以隨時拆卸和重組，便于回收和再利用，適應(yīng)性強。第二，具有集約化和標準化的特點，便于管理和監(jiān)測大黃的生長情況，及時調(diào)整種植環(huán)境和施水、施肥量，提高生產(chǎn)效益。第三，可以隨時調(diào)整位置和方向，以適應(yīng)不同的燈光、溫度和濕度等環(huán)境條件。第四，采用層疊式種植方式，能夠最大化地利用空間，提高單位面積的產(chǎn)量[15]。第五，通過LED 補光燈、恒溫控制技術(shù)，能夠有效節(jié)省能源和水資源，減少二氧化碳排放。第六，采用無土栽培技術(shù)和自動化管理技術(shù)，縮短了大黃的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

與植物工廠內(nèi)傳統(tǒng)的大黃栽培方式相比，應(yīng)用該設(shè)備具有如下優(yōu)勢。第一，大幅提高空間利用率。該裝置可實現(xiàn)立體種植，能在有限的空間內(nèi)種植更多植物[16]。第二，方便管理。栽培架可以隨時移動，便于植物的管理、養(yǎng)護和采摘等。第三，靈活性強。該裝置采用模塊化設(shè)計，可以根據(jù)植物種類和生長階段，靈活組合成不同的栽培架結(jié)構(gòu)。第四，降低人工成本。該設(shè)備可以實現(xiàn)自動化種植，減少人力投入。第五，提高生產(chǎn)效率。通過智能控制系統(tǒng)，該設(shè)備可以監(jiān)測植物的生長環(huán)境，精準調(diào)整光照、溫度、濕度等，促進植物生長。

4 結(jié)語

中國農(nóng)業(yè)在過去幾十年中取得了長足的發(fā)展，但仍然面臨一些問題：由于土地資源有限和勞動力成本上升等，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率依然較低；過度使用化肥農(nóng)藥，導(dǎo)致部分農(nóng)產(chǎn)品存在嚴重的質(zhì)量安全問題，對消費者健康構(gòu)成了一定威脅；土地沙化、水資源污染、草地退化等一系列問題，給中國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了威脅。為提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，節(jié)約水資源，降低碳排放量和能耗，減少土地占用和污染，一些新型的種植方式逐漸被人們接受。植物工廠和無土栽培技術(shù)的推廣與應(yīng)用，給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

植物工廠內(nèi)可移動裝配式大黃育苗裝置采用可移動裝配式設(shè)計和機械化設(shè)計，實現(xiàn)了大黃育苗過程的自動化管理，降低了人工干預(yù)程度和勞動強度，提高了工作效率。該裝置能夠根據(jù)大黃幼苗的生長需求，精確調(diào)控水分、養(yǎng)分和光照等，提高了空間利用率，可為大黃幼苗提供最適宜的生長環(huán)境，保證了幼苗的質(zhì)量，提高了植物工廠的生產(chǎn)效率。雖然應(yīng)用該裝置能夠提高大黃育苗效率和幼苗質(zhì)量，為大黃育苗提供了新的解決方案，但是植物工廠的工作效率和自動化程度較低。要想發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，必須盡快突破植物工廠自動化處于低水平的瓶頸，使其不斷向自動化、智能化和多樣化的方向發(fā)展。