JPWZ-1型微型植物工厂栽培生菜试验的研究

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，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，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约，从而实现省力型生产[1]。

随着植物工厂各项技术的不断发展以及生活水平的提高，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也应运而生。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，集成在一个密闭的环境里，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，为作物提供合理比例的营养液[2]。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，不仅可以实现蔬菜的周年生产、满足家庭对蔬菜安全、卫生、绿色的需求，而且能吸收人居环境中的CO2，放出的O2为家庭以及办公楼宇创造舒适的环境，同时其还具有科普功能[3]。

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了栽培试验，初步探索了该JPWZ-1型微型植物工厂种植生菜的栽培效果。

1 JPWZ-1型微型植物工厂的结构

该JPWZ-1型微型植物工厂（图1）整体外型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。

栽培区共分上、中、下3层，上下2层以荧光灯为光源，中间层采用红蓝比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，可促进叶菜及茎类植物生长（上、中、下3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箱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，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，控制器和人机界面。环境控制区位于栽培区的后侧，是栽培区环境控制的一个缓冲区，配置有制冷蒸发器、加热管、内循环风扇、外循环风扇等设备[2]。

图1 JPWZ-1型微型植物工厂

2 栽培试验过程

2.1 栽培品种

试验材料为生菜，品种名为罗生3号、紫罗兰。

2.2 栽培环境条件

生菜属低温型植物，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℃生长最适宜，而昼夜温差大、夜间温度低，有利于高产量、优品质；5～25℃环境也可适应，但持续高于25℃，生长较差，叶质粗老，略有苦味，并且高温影响生菜对钙的吸收，易发生心腐病[4]。作物是在微型植物工厂内一个相对密闭的环境中生长，本次试验可对植物工厂内的温湿度进行自动设定。设定的白天及夜间的温湿度具体为∶罗生3号温度白天22℃、夜间18℃，湿度白天65%、夜间75%；紫罗兰温度白天23℃、夜间17℃，湿度同罗生3号。

①光源环境 一层为荧光灯（共6支），为微型植物工厂最底层；二层为LED灯带（共5条），为微型植物工厂中间层；三层为LED灯块（共3块），为微型植物工厂最上层（图2）。

②供液环境 采用营养液栽培，营养液栽培是无土栽培的一种，它可以代替天然土壤向作物提供水分、养分、氧气，从而使作物能够正常生长并完成整个生命周期[5]。如图3所示，JPWZ-1型微型植物工厂的营养液循环方式为多层集中定时供液，各层独立控制流量。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箱提供新鲜洁净的营养液，各层栽培床箱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加营养、增氧气和消毒处理，以备下一次循环使用。另外，各层栽培床箱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[2]。

图2 各层补光灯

图3 JPWZ-1型微型植物工厂营养液循环系统

根据目前水培生菜栽培方式制定其营养液配方，具体为 Ca（NO3）21 122.00 mg/L，KNO3910.00 mg/L，NH4NO340.00 mg/L，K2H2PO4272.00 mg/L，MgSO4247.00 mg/L，EDTA 二钠铁 16.80 mg/L，硼砂 0.28 mg/L，MnSO40.86 mg/L，ZnSO41.26 mg/L，CuSO40.20 mg/L，Na2Mo40.10 mg/L。

2.3 播种前的准备

采用种植穴孔数为64孔（8×8）的穴盘栽培板，而后用KMnO4溶液对栽培板进行消毒，消毒后用清水进行清洗，然后将消毒过的海绵塞进栽培板孔中。将生菜种子（罗生3号、紫罗兰）分别播种于海绵孔中，每孔播种2～3粒。

2.4 催芽

2011年8月26～27日催芽。普通水培生菜需将生菜籽用凉水浸泡12～24 h后将水控净，装入密闭塑料袋，放入冰箱的冷藏室（2～4℃）处理 12～24 h，然后取出放在15～20℃的条件下，保持种子湿润，种子露白后播种[6]。在JPWZ-1型微型植物工厂中，只需将种子直接播入栽培板的海绵孔中，然后在环境控制区调好生菜所需的温湿度环境即可，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，重新设置生菜在生长期所需的温湿度。

2.5 生长管理期

生菜在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，主要通过营养液的自动循环供液来实现生长期的管理，同时，实时记录生菜成长过程中的EC值、pH值、溶氧值，以便对生菜进行实时监控。此次栽培试验共分4个阶段，即子叶期、幼苗期、成苗期、采收期。各生长情况及记录数据具体如下。

①子叶期 2011年8月28～30日，此阶段特征是植株长出2片子叶，具体生菜生长情况见图4。由表1数据可以看出，此阶段的平均温度为26.2℃，平均湿度为 63.67%，平均 EC 值为 1 674.11 μS/cm，平均 pH 值为 6.43，平均溶氧值为 3.52 mg/L。

图4 子叶期生长情况

表1 子叶期植物工厂内温湿度，营养液EC值、pH值、溶氧值

②幼苗期 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（图5）。其中，一层罗生3号的株高为3～4 cm，二层紫罗兰的株高为2～3 cm，三层紫罗兰株高为6～8 cm。由表2数据可知，此阶段的平均温度25℃，平均湿度66%，平均 EC 值 1 629.81 μS/cm，平均 pH 值 5.64，平均溶氧值 4.11 mg/L。

③成苗期 2011年9月7～13日，此阶段特征是，一层罗生3号叶片长到6～8片，叶片仍为绿色，株高为6～7 cm；二层紫罗兰叶片长到9片，叶片为绿中带紫,平均株高为12.5 cm；三层紫罗兰的叶片长到9～11片，叶子颜色为绿色，平均株高为14 cm（图6）。由表3数据可知，此阶段的平均温度24.7℃，平均湿度 66.39%，平均 EC 值 1 651.76 μS/cm，平均 pH 值 6.22，平均溶氧值 3.46 mg/L。

图5 幼苗期生长情况

表2 幼苗期植物工厂内温湿度，营养液EC值、pH值、溶氧值

图6 成苗期生长情况

表3 成苗期植物工厂内温湿度，营养液EC值、pH值、溶氧值

④采收期 2011年9月14～26日，此阶段特征是，一层罗生3号叶片多于9片，叶片仍为绿色，株高为9～13.5 cm；二层紫罗兰叶片多于11片，叶片绿中带紫，平均株高为21 cm；三层紫罗兰的叶片长到16片，叶片为绿色，平均株高为26 cm（图7）。由表4记录数据可知，此阶段的平均温度24.4℃，平均湿度 68.08%，平均 EC 值 1 758.4 μS/cm；平均 pH值 6.40，平均溶氧值 3.14 mg/L。

综上所述，生菜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型植物工厂的环境自动控制功能，且在各个阶段中，第3层LED补光灯块紫罗兰植株长势最好。

2.6 收获

2011年9月26～30日，此阶段为生菜收获期。

①总体情况 一层罗生3号共32株，总质量916 g，单株平均质量为28.63 g；二层左侧紫罗兰共14 株，总质量 655 g，单株平均质量为 46.79 g；三层紫罗兰共31株，总质量1 960 g，单株平均质量为63.23 g（表5）。

选取各层中生长势处于中间水平的植株，测量其叶片长和叶片宽。从表5可以看出，三层LED补光灯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。

②单株收获情况 选取各层中较大的生菜单株（图8～9），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6。

从表6中可以看出，3层LED补光灯块的紫罗兰的根茎直径、株宽、叶片数及质量最大。由此可见，3层的紫罗兰生菜为长势最好的作物。

图7 采收期生长情况

表4 采收期植物工厂内温湿度，营养液EC值、pH值、溶氧值

表5 JPWZ-1型微型植物工厂3层植物质量及叶片长、宽等测量数据

综上所述，3种作物在JPWZ-1型植物工厂里均生长较好，生长周期为30 d，比普通大田生菜生长时间（60 d）缩短1/2周期，且作物质量好；JPWZ-1型植物工厂内的3层灯光中的第3层的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。

2.7 检测情况

将第3层紫罗兰（600 g）、第1层的罗生3号（320 g）送至北京理化测试中心化学部进行钙、砷、汞、铅、镉、亚硝酸盐等项目的检测。铅测定参照GB/T 5009.92-2003，镉测定参照 GB/T 5009.15-2003，钙测定参照 GB/T 5009.92-2003，汞测定参照GB/T 5009.17-2003，砷测定参照 GB/T 5009.11-2003，亚硝酸盐测定参照GB/T 15401-1994。铅、镉、钙含量采用原子吸收分光光度法测定，汞、砷含量采用原子荧光光谱仪测定，亚硝酸盐含量采用紫外线可见光度法测定。

图8 3种生菜生长情况

图9 3种生菜单株生长情况

表6 JPWZ-1型微型植物工厂3层作物单株情况

表7 JPWZ-1型微型植物工厂2种作物重金属及硝酸盐含量检测数据

由表7数据可知，利用JPWZ-1型微型植物工厂栽培的紫罗兰生菜和罗生3号生菜的镉、汞、亚硝酸盐含量的检验结果均小于方法检出限，代表这2种生菜中不含这些重金属及农药；铅、砷含量的检验结果大于方法检出限，但却远远小于绿色食品（NY/T 743-2003）绿叶类蔬菜的铅、砷的指标（铅≤0.1 mg/kg，砷 0.2 mg/kg），且 2 种生菜中营养指标钙的含量较高。因此，可看出，JPWZ-1型植物工厂生产的生菜营养、卫生、安全、无污染。

3 结论及建议

通过在JPWZ-1型植物工厂试种罗生3号及紫罗兰生菜，得出了以下结论。

①完全可以利用JPWZ-1型植物工厂种植生菜等叶菜植株，且栽培周期短，比普通大田生菜生长周期缩短1/4以上。

②JPWZ-1型植物工厂可实现作物周年生产，且其在栽培过程中不施农药，生产的生菜是一种真正的卫生、安全、无污染的健康食品。

③JPWZ-1型植物工厂3种光源中，LED补光灯块对促进作物生长的效果是最好的，其次为LED补光灯带，最后为荧光灯。

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，本次试验为微型植物工厂的试运行提供了很好的栽培经验，可以为未来的家庭菜园、家庭园艺提供一种行之有效的种植模式。同时，下一步还应该继续探索老百姓经常吃的菜如苦菊、茼蒿、小油菜等品种的栽培效果，不断研发与积累新的栽培技术，使研发的设施农业装备能真正与设施园艺相结合起来，为以后微型植物工厂能快速走入寻常百姓家而奠定基础。

[1]杨其长，张成波.植物工厂定义与分类[J].温室园艺，2005（5）∶36-37.

[2]商守海，周增产，卜云龙，等.JPWZ-1型微型植物工厂的研制[J].农业工程，2012（1）∶44-47.

[3]陈晨.“煞有介事”的植物工厂[J].中国科技财富，2011（11）.10-11.

[4]张蕊.水培生菜栽培技术[J].北方园艺，2011（19）∶53-54.

[5]秦琳琳，孙德敏，王永，等.无土栽培营养液循环控制系统[J].农业工程学报，2003，19（4）∶264-266.

[6]李亚萍.浅谈生菜栽培技术[J].河南农业，2009（12）∶51.