JPWZ-1型微型植物工厂栽培试验的研究

李东星李迎忠许明商守海周增产卜云龙

（北京京鹏环球科技股份有限公司，北京 100094）

植物工厂的概念最早是日本提出来的，根据日本植物工厂学会的解释，植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的系统，即利用计算机对植物生长发育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产（杨其长和张成波，2005）。

随着植物工厂各项技术的不断发展以及人们对蔬菜品质的要求越来越高，一种适合于家用的微型植物工厂应运而生。微型植物工厂是小型化的植物工厂，它是将植物工厂的技术进一步浓缩，集成在一个封闭的环境里，人们可以通过智能自动控制系统控制植物生长的环境，为作物提供适宜的光照、温度、湿度环境，同时提供合理比例的营养液（商守海 等，2012）。目前，这种技术在国外设施农业发达的国家，如日本、美国、荷兰等都有应用。在国内，这种技术还尚处于研究和摸索阶段，针对此种情况，北京京鹏环球科技股份有限公司开发了一种家用的JPWZ-1型微型植物工厂，该微型植物工厂是未来家庭园艺、家庭厨房所必备的一种家用电器，可以实现蔬菜的周年生产，满足家庭对蔬菜安全优质、洁净卫生与绿色环保的需求，同时吸收居住环境中的CO2，放出O2，为家庭以及楼宇办公创造舒适的环境，另外，还具有科普功能（陈晨，2011）。该微型植物工厂的成功研发代表了我国设施农业装备水平的提高，根据设施装备与设施园艺相结合的原则，对该微型植物工厂进行栽培试验，初步探索了 JPWZ-1型微型植物工厂种植叶用莴苣的栽培效果。

1 JPWZ-1型微型植物工厂的结构

JPWZ-1型微型植物工厂（图 1、2）整体外形结构及尺寸与双开门冰箱相当。主要包括栽培区、营养液循环区、电气控制区、环境控制区等四大部分（商守海 等，2012）。

栽培区共分上、中、下三层，每层高度均为400 mm，上下两层均采用荧光灯光源，中间层采用红蓝比（8∶1）LED灯补光。荧光灯为白光，可提供作物需要的各种光波；LED采用适宜植物生长的红蓝波段光源，可促进叶菜类植物及茎类植物生长（上、中、下三层的光源可调换）。栽培区内胆为镜面不锈钢，外壳为优质冷轧钢板，外壳与内胆之间填充硅酸铝棉保温层，以保证栽培区的温湿度环境与外界隔离。营养液循环区位于栽培区下侧与右侧部分区域，营养液在家庭植物工厂底层的营养液箱内配制，通过自动控制系统定时与栽培区各层栽培床内的营养液进行营养液循环，以达到营养均衡供应及营养液管道消毒的目的。电气控制区位于栽培区的右侧大部分，该区域配置有温度控制设备、湿度控制设备、CO2供气设备、紫外灯消毒设备，以及控制器和人机界面；环境控制区位于栽培区的后侧，环境控制区是栽培区环境控制的一个缓冲区，该区域配置有制冷蒸发器、加热管、内循环风扇、外循环风扇等设备。

图1 JPWZ-1型微型植物工厂结构图

图2 JPWZ-1型微型 植物工厂实景图

2 栽培试验过程

2.1 栽培品种

试验品种为2个叶用莴苣品种：罗生3号、紫罗兰。

2.2 栽培环境条件

叶用莴苣性喜冷凉，种子在 4 ℃时即可发芽，发芽适温 18～22 ℃，高于25 ℃时因种皮吸水受阻几乎不发芽，夏季播种时需低温处理。植株生长期间，以15～20 ℃最适宜，而昼夜温差大有利于高产、优质；5～25 ℃也可适应，持续高于25 ℃则生长较差，叶质粗老，略有苦味，并且高温影响叶用莴苣对钙的吸收，易发生心腐病（张蕊，2011）。考虑到微型植物工厂内作物是在一个相对密闭的环境中生长，其温湿度及 CO2浓度可自动调节，因此，本试验对植物工厂内的温湿度进行自动设定。具体设定的白天及夜间的温湿度情况见表1。

2.2.1 光源环境 本试验光源设置情况为：下层为荧光灯（共6支，图3）；中层为LED灯补光带（共5条，图4）；上层为LED灯补光块（共3块，图5），各层根据植物生长情况进行光强调节，每天光照时间为6：00～18：00，共12 h。

2.2.2 供液环境 本试验营养液供液循环系统如图6所示，JPWZ-1型微型植物工厂的营养液循环系统采用多层集中定时供液，各层独立控制流量的营养液循环方式。在营养液箱内配好营养液后，可控制营养液系统定时循环，在循环过程中，营养液通过营养液消毒器、供液管路给各层栽培床提供新鲜洁净的营养液，各层栽培床内原有的营养液则可通过回液管路回流到营养液箱内进行补充营养、增氧和消毒处理，以备下一次循环使用。另外，各层栽培床内还设置了供液阀门和回液插芯，如此便可有效控制各层营养液的供液速度和液面高度（商守海 等，2012）。

表1 JPWZ-1型微型植物工厂栽培试验温湿度设定情况

图3 下层荧光灯

图4 中层LED灯补光带

图5 上层LED灯补光块

根据目前水培叶用莴苣栽培方式制定叶用莴苣栽培营养液配方，具体如表2。

图6 JPWZ-1型微型植物工厂营养液循环系统示意图

表2 叶用莴苣栽培营养液配方

2.3 播种

采用64孔的穴盘栽培板，用高锰酸钾对栽培板进行消毒，消毒后用清水进行清洗，然后将消毒过的育苗海绵块塞进栽培板孔中。2011年8月26～27日，将种子直接放入JPWZ-1型微型植物工厂栽培板的海绵孔中，然后在环境控制区调好叶用莴苣种子发芽所需的温湿度即可，温度设定为 18～22 ℃，湿度控制在65%～75%。此时，不需要开启灯光。2 d后，待种子露白后开启灯光，重新设置叶用莴苣在生长期所需的温湿度。

2.4 生长期管理

叶用莴苣生长期的温度平均控制在25 ℃；湿度平均控制在66%；pH值平均控制在6.28；溶氧值平均在3.62 mg·L-1。主要通过营养液的自动循环供液实现生长期的管理，同时，实时记录叶用莴苣生长过程中的EC值、pH值、溶氧值，以便对叶用莴苣进行实时监控。此次栽培试验共分4个阶段：子叶期、幼苗期、成苗期、采收期。

2.4.1 子叶期 子叶期为2011年8月28～30日，此阶段特征是长出2片子叶，具体叶用莴苣生长情况见图7～9。由表3可以看出，此阶段的平均温度为26.2 ℃，平均湿度为63.7%，平均EC值为0.9 mS·cm-1，平均pH值为6.4，平均溶氧值为3.5 mg·L-1。

2.4.2 幼苗期 幼苗期为2011年8月31日至9月6日，此阶段特征是叶片长到5～6片，各层叶片呈现绿色。其中，下层罗生3号的平均株高为3～4 cm，中层紫罗兰的平均株高为2～3 cm，上层紫罗兰的平均株高为6～8 cm（图10～12）。由表4可知，此阶段的平均温度为25 ℃，平均湿度为66%，平均EC值为1.6 mS·cm-1，平均pH值为5.6，平均溶氧值为4.1 mg·L-1。

图7 子叶期下层罗生3号生长情况

图8 子叶期中层紫罗兰生长情况

图9 子叶期上层紫罗兰生长情况

表3 子叶期植物温湿度及EC、pH、溶氧值

图10 幼苗期下层罗生3号生长情况

图11 幼苗期中层紫罗兰生长情况

图12 幼苗期上层紫罗兰生长情况

表4 幼苗期植物温湿度及EC、pH、溶氧值

2.4.3 成苗期 成苗期为2011年 9月 7～13日，此阶段特征是，下层罗生3号叶片长到6～8片，叶片仍为绿色，株高为 6～7 cm；中层紫罗兰叶片长到 9片，叶片绿中带紫，平均株高为12.5 cm；上层紫罗兰的叶片长到9～11片，叶片颜色为绿色，平均株高为14 cm（图13～15）。由表5可知，此阶段的平均温度为24.7 ℃，平均湿度为66.4%，平均EC值为1.7 mS·cm-1，平均pH值为6.2，平均溶氧值为3.5 mg·L-1。

图13 成苗期下层罗生3号生长情况

图14 成苗期中层紫罗兰生长情况

图15 成苗期上层紫罗兰生长情况

表5 成苗期植物温湿度及EC、pH、溶氧值

2.4.4 采收期 采收期为2011年9月14～26日，此阶段特征是，下层罗生3号叶片多于9片，叶片仍为绿色，株高为9.0～13.5 cm；中层紫罗兰叶片多于11片，叶片绿中带紫，平均株高为21 cm；上层紫罗兰的叶片长到16片，叶片绿色，平均株高为26 cm（图16～18）。由表6可知，此阶段的平均温度为24.4 ℃，平均湿度为68.1%，平均EC值为1.8 mS·cm-1，平均pH值为6.4，平均溶氧值为3.1 mg·L-1。

图18 采收期上层紫罗兰生长情况

表6 采收期植物温湿度及EC、pH、溶氧值

综上所述，叶用莴苣在各个生长阶段的温湿度、EC值、pH值及溶氧值等均处于正常水平，充分发挥了JPWZ-1型微型植物工厂的环境自动控制功能，且在作物生长的各个阶段中，均发现上层 LED灯补光块紫罗兰植株长势最好。

2.5 收获

收获时间为2011年9月26～30日。

2.5.1 总体情况（图19） 下层罗生 3号共32株，总质量 916 g，单株平均质量为 28.63 g·株-1；中层紫罗兰共14株，总质量655 g，单株平均质量为 46.79 g·株-1；上层紫罗兰共31株，总质量1 960 g，单株平均质量为63.23 g·株-1（表 7）。

从表7中可以看出，上层LED灯补光块紫罗兰的单株质量最大，但其叶片长与叶片宽均处于中间水平。

图19 总体长势情况

表7 JPWZ-1型微型植物工厂3层植株生长状况

2.5.2 单株收获情况 选取3层中较大的单株（图20）对其根长、根茎直径、株高、株宽、叶片长、叶片宽、叶片数及单株质量等进行测定，结果见表8。

从表8可以看出，上层LED灯补光块的紫罗兰的根茎直径、开展度、叶片数及单株质量均为3层中数值最大的，由此可见，上层的紫罗兰为3层中长势最好的作物。

综上所述，叶用莴苣在 JPWZ-1型微型植物工厂里均得到了较好的生长，生长周期为30 d，比普通温室设施内叶用莴苣生长周期（45 d）缩短1/3，生长周期短，品质好；JPWZ-1型微型植物工厂内的 3层灯光中的上层 LED灯补光块对植物生长的促进作用最强，其次为LED灯补光带，最后为荧光灯。

图20 选取的3层叶用莴苣单株

3 结论与讨论

通过在JPWZ-1型微型植物工厂试种罗生3号及紫罗兰等叶用莴苣品种，得出了以下结论。

（1）利用JPWZ-1型微型植物工厂种植叶用莴苣等叶菜类植物是完全可行的，且栽培周期短，比普通温室设施内叶用莴苣生长周期缩短1/3左右。

（2）JPWZ-1型微型植物工厂可实现作物周年生产，且在栽培过程中不施用农药，生产的叶用莴苣是一种真正的卫生、安全、无污染的健康食品。

（3）JPWZ-1型微型植物工厂3种光源中，其中LED灯补光块对促进作物生长的效果是最好的，其次为LED灯补光带、荧光灯。

JPWZ-1型微型植物工厂是设施农业新生的事物，正处于探索和摸索阶段，本试验为家庭设施园艺提供了一种行之有效的种植模式，也是微型植物工厂设施园艺与装备结合的初步试验，下一步还应该继续探索老百姓经常吃的苦苣、茼蒿、普通白菜（小白菜）等品种的栽培效果，以及LED灯不同光质配比下设备的利用率、蔬菜的产量及实际应用过程中电耗与运营成本核算的可行性，不断研发与积累新的栽培技术和装备技术，使研发的设施农业装备能真正地与设施园艺相结合，为以后微型植物工厂能快速走入寻常百姓家奠定基础。

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