草莓集装箱植物工厂设计与应用

周增产，赵 静，胡福生，姚 涛，李忠明，王志冉

(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)

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。

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。

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。

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。

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CO2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CO2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CO2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。

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]。

表1 光环境测试数据

3.2温湿度测试

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。

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 ms，B点平均风速2.5 ms，均匀性良好。

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1KG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。

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。