家用微型植物工厂结构设计与生菜栽培试验

魏轶凡，毛罕平，左志宇，苏光灿，卓敏敏

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

传统农业受制于自然环境变化，自然环境变化无常，不适的温湿度、光照等因素极易降低作物产量和品质，影响农作物连续稳定生产[1-2]。植物工厂是继承温室栽培优势，发展出来的新一代高度专业化、现代化的设施农业，与温室生产不同之处在于，完全摆脱传统生产条件下自然条件和气候的制约，且应用了先进技术设备，创造了精确可控的环境条件、实现了周年均衡供应产品[3-4]。

微型植物工厂是小型化的植物工厂，通过智能控制系统为作物营造一个适合的生长环境[5]。由于人们需要在有限的空间内栽培不同的蔬果，所以对家庭植物工厂的结构分区、营养液系统和温湿度等环境调控提出了更高的要求[6-7]。国内家用的微型植物工厂在近几年才刚刚发展起来，近期已有一些厂商制造出成品，但设备在效率及经济性能方面仍存在很多问题[8]，未形成产品得到推广[9-10]。

本微型植物工厂面对的用户群体是家庭成员，所以设计必须以简单、经济、可靠、高效为原则，以此为要求设计一个适合植物生长的人工环境，让作物健康高效成长。

1 微型植物工厂功能分析与总体方案

1.1 功能分析

植物工厂最根本的任务是栽培作物，保质保量地生产出新鲜的作物，所以需要依据微型植物工厂栽培植物的要求，设计节省空间及能源且适合植物生长的栽培系统。

合理的营养供给功能是植物高效生长的基础。为了提高营养液利用效率，要实现营养液循环功能，需要附带营养液过滤消毒功能。

节能高效的环境控制功能是作物最适生长的关键，设计为有良好绝缘功能的密闭空间利于降低生产能耗，但不利于作物吸收CO2进行光合作用。所以，微型植物工厂需要有空气循环系统让作物能够接触到足量的CO2：一是要有使内部空气运动起来的内部循环功能；二是要有补充新鲜空气的功能。

1.2 整体结构

本课题以研制出经济高效的微型植物生长环境为目标，以栽培系统为核心，整体设计微型植物工厂，且需要适用于家庭环境下使用；定型为一种采用立体式栽培的密闭柜式微型植物工厂，尺寸近似家用对开门冰箱。

该微型植物工厂的整体外形结构如图1所示。其最外层为绝热保温材料，将保温层用金属材料包裹起来形成整体框架外壳，再嵌入保温内胆以增强保温性能和温度变化适应性。设置上部有一个腔体，腔体下面安装压缩机，侧壁铺设管路，安装风扇、泵、阀、加热板及消毒装置等配套部件，组装成整机。

将腔体进行功能性分割，分为一个主腔室和一个副腔室。主腔室为栽培区，使用栽培架栽培作物，用于栽培从定植到收获的植株。将栽培区分成3层形成立体式栽培，每层都带有各自的人工光源LED、风扇及栽培架等栽培装置。

1.栽培区 2.栽培架 3.LED 4.营养液箱 5.育苗盘 6.育苗区 7.喷头 8.育苗灯图1 微型植物工厂的整体外形Fig.1 The overall structure of the micro plant factory

本设计希望能够研究作物整个生命周期在微型植物工厂内生长的状况，又可以让家庭用户享受培育作物整个生长过程的乐趣，所以增加了育苗功能，独树一帜地加入了育苗区，能持续提供菜苗。主腔室下方是副腔室，安置营养液箱和育苗区，育苗区使用育苗盘育苗，由雾化喷头补充营养与水分，带有补光灯提供光照。营养液循环系统及环境控制各种配套设备安装在主腔室两侧与保温壳体的夹层内。

目前已制成的样机(见图2)，有内部容积为450L和650L两种，内部各结构系统相类似，450L设计可栽培45株植株(3层×3行×5列)，650L设计可栽培63株植株(3层×3行×7列)。两种样机除内部空间大小及配套设备功率大小不同以外，基本一样，所以现以450L样机为例，介绍本微型植物工厂机械结构及其配套设备设计。

图2 微型植物工厂样机实物Fig.2 Prototype of mini plant factory

微型植物工厂外形尺寸如图3所示。其中，450L样机外部尺寸为890mm×485mm×1 670mm，内腔尺寸为800mm×399mm×1 300mm，上部腔体作为微型植物工厂主体，包括作物生长区域及其配套设备，底部空间用于放置压缩机及控制装置。

图3 微型植物工厂的整体尺寸Fig.3 The overall size of the micro plant factory

2 关键子系统设计

2.1 栽培系统

本微型植物工厂要符合家用的要求，需适合各层次家庭成员使用，所以应选择简单可靠的栽培方式。水培省去了使用基质内容，且更新也比较方便，所以是微型植物工厂栽培方式的首选项。水培技术根据营养液液层的深浅不同又可以分为深液流水培技术(Deep Flow Technique，DFT)和营养液膜技术(Nutrient Film Technique，NFT)。

在微型植物工厂中，考虑到尽可能节省空间的原则，可以采用营养液膜技术，通过减少栽培架中营养液缩小栽培架体积。但是，NFT技术是需要全天24h不间断循环营养液的，而家用情况下水泵运行会带来噪音影响用户生活，也存在能耗高及使用寿命短的缺点；而使用DFT可以减少配套设备动作，且保持作物根际环境相对稳定，只要合理控制液层高度就可以使作物稳定高效生长，所以采用DFT栽植作物。

根据作物生长需求设计层高，每层的层高设计如图4所示。整个空间由盖板分隔，上部主要是植物茎叶生长区域，下部主要是植物根茎生长区域。上部区域自上而下最上面20mm是安装LED灯管所需高度，包括灯管支架及线路。灯管下面是作物茎叶生长所需的空间，预留植株生长距离200mm，能基本满足大部分叶菜的短缩茎上部的生长高度。为了防止植株叶片过于靠近LED灯管光源产生烧叶，也便于空气流动，需要在灯管与植株最高高度之间留出50mm的距离。再往下就是栽培架水槽盖板厚5mm。

图4 栽培区单层设计Fig.4 The design of the single layer

盖板下部是水槽，模拟了自然界中植物地下的生长空间，包括根须和营养物质营养液。根须会根据营养的来源方向生长，而且可以盘结，所以根茎高度不用着重考虑，留有足够大小的定植杯即可；但需要营养液提供足够的水分和营养，所以要精确控制其高度。为保证根系能充分接触营养液，根据技术标准，作物刚定植时应保持营养液液面浸没根须10～20mm；当根系大量伸出定植杯时，可以将液面高度调低；当植株很大，根系非常发达时，只需确保水槽中保持30～40mm的液层即可。考虑到本设计定植杯内还有海绵支撑，其实是海绵决定了根须与营养液的距离，液面高度可以调节的余量为20mm，定植杯设计高度约55mm，再加上水槽底厚度5mm，所以设计水槽加盖板总高为90mm。最终设计该微型植物工厂每个栽培层高度约为360mm。

主腔室最下面一层设置了育苗区和营养液箱，营养液箱的大小可以改变长宽高任意一个量，而育苗区高度不能过小，否则不足以植物有种子生长至壮苗。所以，需设计育苗区高度，本微型植物工厂设计使用标准育苗盘育苗，预估幼苗的生长高度100mm，还有雾化喷头，管线和育苗补光灯，育苗区层高约220mm。

2.2 营养液循环系统

在传统的DFT中，栽培作物的根系是长时间浸泡在营养液中的，一般几天到1周才会更换一次营养液，会使营养液溶氧量降低，作物根部缺氧。根部呼吸作用受到抑制，导致烂根的发生，所以需要安装气泵通入栽培架水槽的营养液中，通过鼓入空气防止营养液氧气含量过低，避免烂根。而在微型植物工厂中营养液较少，可以通过定时循环营养液来解决，在栽培架两侧安装电磁阀，通过控制器控制阀体的开闭来控制营养液排空时间，使植株根系可以脱离营养液，暴露在空气中一段时间吸收氧气。这样植株既可以吸收营养液中的营养，又可以避免烂根。

图5为营养液循环系统结构图。围绕着3层立体栽培区，营养液循环区位于栽培区下部与栽培架的左右侧区域，两侧为循环管线及控制部件，下部有储液箱、水泵和质量保障设备。将配制好的营养液加入栽培区下部的营养液箱中，当作物需要营养液时，营养液水泵工作，营养液箱中的营养液由经进流管线和电磁阀进入栽培架水槽，达到一定体积后停止；停滞一定时间让作物吸收足够的营养后，打开另一侧电磁阀， 回流的营养液由回流管线先流经过滤器，再流经消毒器，最后回到营养液箱。过滤后的营养液更为清澈，更适合紫外线消毒。营养液从消毒器的一端流进，流经内部的石英管道，石英的紫外线透射率达到90%以上，经受紫外线的照射消毒，再从另一端流出。外部再用金属包裹，保证紫外线不会漏出，完成安全消毒。

1.电磁阀 2.栽培架 3.进流管线 4.营养液箱 5.出流管线 6.无压电磁阀 7.出流口 8.溢流口图5 营养液循环结构Fig.5 Nutrition circulation system

为了避免营养液从外界不同环境温度下进入影响内部温度，选择将营养液箱安装在主腔室内，保持与内部温度同步。

为方便家庭用户操作，营养液更新设计为定期整体更换，步骤为先由水泵抽干储液箱内的营养液，然后项箱内加入足量的水，最后加入按植物所需营养成分配比好的粉末状药品，溶于水搅拌均匀即可。营养液循环系统的循环周期、循环量、使用期限等参数针对各种作物的不停需求分别定制，储存在存储器中随时调用。本微型植物工厂还设计有网络接入功能，可与互联网连接随时下载和更新数据。

2.3 空气循环系统

为防止CO2气体被吸收会局部浓度降低，温湿度控制设备和消毒效果也会降低。在栽培区的侧壁上每层安装循环风机，且开有出风口。风机由控制器控制，定时开启，搅动空气。每层风机安装宜使内部气流平行于植物栽培行的方向，减小植物对通风气流的阻力。风机和出风口在水平方向上，采用偏心放置，有益于形成环流。为了尽量减少风机产生的气流直接作用于植物，防止风压过强致使作物倒伏，风机选择安装在栽培行之间的位置，气流流向如图6所示。垂直方向上的位置位于LED灯管下方，到作物的生长最高处位置。

1. 定植位 2.气流 3.循环风机 4.气流出口图6 单层空气流动Fig.6 Single layer air flow

除了内部空气循环，还需要补充新鲜空气。在栽培区上方安装进气泵，与外界联通，从外界吸取CO2气体，下部装有另一个排气泵，用于排出气体，如图7所示。

1.进气泵 2.紫外线消毒灯 3-5.风扇 6.风向 7.出气泵图7 内部空气循环Fig.7 Internal air circulation

工作时，两只气泵由控制器控制定时同时打开，使整个内部空间与外界形成一个空气循环，达到吸入新鲜空气补充CO2的目的。

这种设计方便快捷，但要考虑到的是，外部空气进入内部环境的同时也有可能带入病菌虫卵等有害作物生长的物质，虽然气泵带有空气过滤功能，但还是不能过滤掉细菌。所以，本设计在进风口位置安装了紫外线消毒灯管，新风进入内部空间前先经过紫外线的照射杀菌消毒。将紫外线灯管放置在此处还有一个用处在于，灯管也靠近循环风机，在内部循环过程中也能起杀菌消毒的作用。

2.4 温湿度控制系统

设微型植物工厂的温度由压缩机和电加热板控制，压缩机制冷降温，电加热板升温。本设计将加热板安装于空气循环系统中的循环风机附近，设定控制器控制加热板与风扇同时打开，当加热板工作加热了周围空气时，循环风机同时在搅动空气，便于将热量通过空气循环系统传递到微型植物工厂各个区域，既有利于整个微型植物工厂内部环境的温度保持均匀，也在一定程度上防止了局部过热损坏设备，提高了设备的安全性。

水培环境下一般栽培作物时湿度不会偏小，必要时可使用育苗区域的喷头喷淋加湿。冬季采用适当加温来降低室内相对湿度，夏季则需要靠通风和压缩机来除湿。压缩机的除湿原理是空气中的水气遇到蒸发器的低温就会附着在上面凝结成露水，再经过集水盘和管道排出室外。

3 栽培试验

3.1 试验材料与方法

本试验使用设计的样机进行生菜栽培试验，测试样机实际使用性能。

试验设备使用课题组自行设计的微型植物工厂，容积450L；每层安装3只山东贵翔光电有限公司生产的WAN- T8120型LED灯管，90～260V交流供电，功率为15W，产品标称输出波长蓝光为460～465nm，红光为660～665nm。生菜品种选用意大利耐抽苔生菜，营养液配方采用霍格兰配方。

将生菜种子用湿纱布包裹后催芽24h，然后播种于标准72孔穴盘中。育苗基质的配比为草炭∶蛭石∶珍珠岩比例为3∶1∶1，长至4叶1心时移植进栽培架。

设定参数营养液循环周期为4h，其中3h为浸泡时间，1h为空置时间，7天整体更换。循环风机每小时工作10min，气泵每2h工作10min。光周期为12h明，12h暗。光照时温度为25℃无光照温度为20℃。

生长过程形态数据：测量生菜叶片长度(叶片基部至叶尖的长度)和叶片宽度(叶片最宽处的长度)，记录叶片数(真叶长度>2 cm )，将每株生菜控水3min后测量鲜重。

生长期生理数据：由Li-6400便携式光合速率仪 (Li-COR Inc.，Lincoln，NE)测得，包括净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率。叶绿素含量采用SPAD-502叶绿素仪进行测定。试验环境如图8所示。

图8 微型植物工厂栽培环境Fig.8 Micro-plant factory cultivation environment

3.2 试验结果与分析

在微型植物工厂定植后，每隔两日测量记录生菜叶片形态数据。从每层栽培架中随机选取3株生菜作为测量对象，测量其最大叶片的叶长叶宽和叶片数并取平均值，以表征生菜在整个生长过程中的形态变化。其数据如图9和图10所示。

图9 生菜叶长叶宽随定植天数的变化Fig.9 Changes of the length and width of leaves with the number of colonization days

图10 生菜叶片数随定植天数的变化Fig.10 Changes of the leaf number with the number of colonization days

同样，每隔两日从总体样本中每层随机选取3株为测量对象，测量植株的鲜质量。将数据汇总取平均值，以表征生菜在整个生长过程中每隔两日产量的变化。其数据如图11所示。

图11 生菜鲜重随定植天数的变化Fig.11 Changes of the fresh weigh with the number of colonization days

为了了解样机试验过程中植物的生理状况，在作物定植后第14、21、28日，在每层栽培架中随机选择3株生菜作为测量对象，测量其光合作用各项指标及叶片叶绿素含量(SPAD)，为减小误差每次重复6次取平均值，测量每棵测量植株最大两片叶片的叶尖部位。测得数据取均值，结果如表1所示。

表1 生长状况数据测量Table 1 Data measurement results about growth

4 结论

试验结果表明：本试验生菜的整个生长过程中，各项形态指标持续增长，叶长叶宽呈现增长速率先增大后减小的变化，最终达到叶长13.81cm，叶宽达到10.82cm，叶片数稳步上涨达到15.03片。

生菜的鲜重在整个生长过程中的变化与叶长叶宽变化类似，前期生长缓慢，中期加速增长，后期增速放缓。最终鲜重79.13g，栽培期28天，已基本达到植物工厂蔬菜生产的优秀水平。

由生长期中光合作用与SPAD的测量，从定植后14-28日，平均净光合作用速率15.67μmol/m2s，气孔导度0.51μmol/m2s，胞间CO2浓度221.54mol/mol，蒸腾速率6.45mol/m2s，SPAD为22.87。各项指标证明生菜光合作用达到适宜水平，说明本设计的微型植物工厂环境下，光照、CO2和养分供应充足，适合生菜生长。