一种叶菜智能生产系统的研制

49DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.07.008叶菜类蔬菜膳食纤维和维生素含量高，深受国人喜爱。叶菜类蔬菜因其生长周期短，连作程度高，且单茬产量低，目前以露地生产为主，但叶菜类蔬菜容易受病虫害及天气变化的影响，并且大多数叶菜类蔬菜不耐贮运，多以就地生产、就地供应为主；由于品质、产量不稳，价格变化幅度较大1-4。为保证稳定的生产、稳定的品质和稳定的价格，发达国家尝试利用植物工厂种植叶菜类蔬菜，但设备建设费用高、生产成本高、经济效益低等原因成为其主要障碍5。山西农业大学设施农业工程研究所把日光温室的结构特征和水培系统结合起来，利用现代化技术和低成本材料设计出叶菜智能生产系统，利用自然光照生产，有望解决上述问题。研究设计的叶菜智能生产系统包括设施本体、营养液缓热系统、环境智能控制系统以及配套设施（育苗室和产品处理室）。设施本体结构设施本体由钢结构组成，包括采光和贮液池两部分，如图1所示。采光部分太阳能作为该设施系统内主要能量来源，有利于植物进行光合生产。骨架由圆钢焊接组装而成，为对称拱圆形状，东西侧高0.4 m，中间高1 m，宽5.4 m，南北长6 m，为东西走向，南北延长，保证有较大的进光面积，能够充分利用太阳能来提供动力。采光部分的2/3采用透明覆盖材料阳光板，剩余1/3覆盖农膜并设置通风口，用卷膜器控制风口的大小。倘若温室整体处于密闭不通风状态，在炎热夏季生产系统内部温度过高，会导致叶菜蒸腾作用增强而失水死亡，因此有必要在顶部开设一定面积的通风口，通风口的开启面积可视天气情况而定。贮液池贮液池由角钢焊接成长方体，高0.4 m，角钢内嵌入加密聚苯板作为隔热保温材料，减少内外能量传递6-7。在贮液池底部铺设聚苯板，其上铺设黑色防渗膜，之后就可以注入营养液，如图2所示。通过试验表明，贮液池底层铺设隔热聚苯板在春季可使营养液平均温度增加1.6，减少热量往土壤传递；贮液池如果下凹入土10 cm，在夏季可使营养液平均温度降低0.6，2种方式有利于贮液池内部的环境温度稳定。一种叶菜智能生产系统的研制*马宇婧，温祥珍*，杜莉雯，李亚灵（山西农业大学园艺学院，山西太谷 030801）【摘要】一种叶菜智能生产系统包括设施本体、营养液缓热系统、环境智能控制系统以及配套设施（育苗室和产品处理室）。该系统充分利用了日光温室的低成本优势，水的热特性和隔热材料的热稳定性，通过现代化育苗技术，缩短了生长周期，实现了叶菜高效、优质生产。图1 叶菜生产系统剖面图覆盖材料贮液池电热线隔热材料设施本体喷雾装置补光设备外保温材料CO2释放装置50营养液缓热系统营养液缓热系统是该生产体系最重要的部分，即利用水（营养液）的热稳定性，通过蓄积大量营养液来稳定环境温度，是项目的核心部分。系统由泵、管道、贮液池和控制部分组成。贮液池容积在100500 m3（具体根据生产系统的规模设定），用来蓄积营养液，营养液用水泵通过管道注入贮液池，形成流体，供氧并带动定植板移动。贮液池中营养液的深度维持在2530 cm。系统可通过外覆盖材料、内部营养液置换、电热线辅助加温来控制系统内部环境。贮液池营养液量大可以使温度稳定，使叶菜类蔬菜根部始终生长在舒适的温度环境中；以2017年11月对营养液各层温度测定结果为例，营养液表面在一天内的温度日较差平均值为4.4，液面以下5、10、15 cm处的温度日较差平均值分别为2.2、1.2、0.8，可知深层液温比浅层变化稳定，证实营养液在维持设施环境稳定上能发挥作用。贮液池大量水体还可调节叶菜生长系统内部气温，适宜叶菜冠层生长。测定结果表明，夏季液温稳定在1822，昼夜温差维持在24，平均气温20.2，昼夜温差为24.4，能够保障叶菜生长的正常进行；秋冬季节液温在加温情况下达到1315，平均气温15.4，昼夜温差为28.1。叶菜生产系统作为一种新型设施结构通过蓄存水体，将水作为蓄放热的载体来调节系统内环境。由于水具有较大的比热容，在营养液深度20 cm条件下，白天液温升高1可蓄积热200 kcal/m2。根据大海调温原理8，将营养液作为一种新的缓热介质，代替传统的土墙、砖墙及土壤储热，既可为叶菜提供生长营养，又可调节温度，具有一定的热稳定性。环境智能控制系统环境智能控制系统由传感器、摄像设备、控制箱和集成线路板组成，包括补光设备、喷雾装置、CO2释放装置、温控装置、通风设备以及保温被的卷放装置，能够有效调控室内环境的周年稳定。补光设备安置在营养液池周边和水平方管拉杆上。不同于植物工厂的全程补光，叶菜生产系统能够充分利用自然光，只有在必要情况下才利用补光设备进行补光。喷雾设备安装在设施骨架上，利用贮液池中营养液喷雾进行叶面施肥、维持空气湿度，同时可以通过蒸发消耗多余热量，进行设施内的降温。喷雾设备通过温度、湿度传感器按时间和状态进行智能双向控制。CO2释放装置同补光设备安装位置相同，通过CO2传感器、电磁阀、管道及CO2气罐进行智能控制，如图3所示。图2 贮液池实际效果图图3 CO2与温湿度一体式控制器51营养液冬季加温通过电热线和传感器智能控制，夏季降温通过加大蓄液池和贮液池营养液的交换来稳定温度。自然通风设置在顶部东侧，高达33%，通过卷膜电机与智能控制设备相连。通风状态下，夏季平均气温维持在16.8，日最高气温达31.8，比不通风降低4.2，叶菜生长正常。外保温被安装在透明覆盖材料外侧。配套设施配套设施（育苗室及产品处理室）占地面积约4060 m2。该生产系统实行循环栽培，每天栽培的植株与采收的植株是一致的（工业化生产过程），需要每天播种、定植、采收，建立自身的育苗系统和产品处理室非常必要。特色及优点智能叶菜生产系统设计完善，经济实用性强，可生产多种叶菜，图4、图5为生菜、油菜实际种植效果图。该生产系统充分利用了日光温室的低成本优势、水的热特性和隔热材料的热稳定性，创造性地实践了现代化的水培技术，具有稳定的温度调控机制、稳定的营养液供给，同时采用现代化育苗缩短生长周期，作物生长环境与外界隔离，充分利用太阳光，为稳定的作物生长、稳定的产品质量和稳定的产量提供保障，实现叶菜高效、优质生产。参考文献1 温祥珍.图说绿叶蔬菜的工厂化生产新技术M.北京:科学出版社,1998.2 黄丹枫.叶菜类蔬菜生产机械化发展对策研究J.长江蔬菜,2012(2):1-6.3 张青峰.叶菜类无公害生产技术J.农家之友(理论版),2009(16):58-58.4 张文斌,张龙全,黄裕飞.叶菜类蔬菜主要生产环节机械化发展现状与对策分析J.江苏农机化,2015(1):53-56.5 张宇,肖玉兰.人工光植物工厂生产成本构成和经济效益分析J.长江蔬菜,2017(4):34-40.6 李成芳,李亚灵,温祥珍.日光温室保温板外置复合墙体的温度特性J.山西农业大学学报,2009,29(5):453-457.7 贾春霞,赵立华,董重成.严寒地区外贴聚苯板复合墙体传湿研究J.新型建筑材料,2001(8):1-4.8 张宇雷,吴凡,管崇武,等.环渤海地区热能资源分布及海水养殖水体调温模式研究J.江苏农业科学,2014,42(6):229-231.*项目支持：国家自然科学基金重点项目“温室环境作物生长模型与环境优化调控”（61233006）；山西省煤基重点科技攻关项目“设施蔬菜高效固碳技术研究与示范”（FT201402-05）。作者简介：马宇婧（1995-），女，山西孝义人，硕士，研究方向：设施园艺。*通信作者：温祥珍（1960-），男，山西原平人，教授，博士生导师，研究方向：设施园艺。引用信息马宇婧,温祥珍,杜莉雯, 等 .一种叶菜智能生产系统的研制J.农业工程技术 ,2018,38(07):49-51.图4 生菜种植效果图图5 油菜种植效果图