一体化“潮汐式”微环境恒温蔬菜育苗床 设计研究与应用

赵颖雷 黄丹枫

（上海交通大学农业与生物技术学院，上海 200240）



一体化“潮汐式”微环境恒温蔬菜育苗床设计研究与应用

赵颖雷 黄丹枫*

（上海交通大学农业与生物技术学院，上海 200240）

一体化“潮汐式”微环境恒温育苗床设备通过“潮汐式”底吸补水方式，使根基环境自然达到相宜含水量，避免了淋洗式的灌溉与过度灌溉导致的肥水流失；通过使用发热均匀的电热膜取代传统电热线作为恒温热源，提高了能耗利用率和出芽整齐度。

赵颖雷，博士研究生，主要从事设施园艺技术与装备研究，E-mail：179549319@qq.com

穴盘育苗作为一种现代化的无土栽培方式育苗技术体系，具备一次性成苗、病虫害发生率低、种苗品质高度可控以及可大规模工业化生产等优势特点，该技术体系集成了育苗穴盘、玻璃温室、钢架育苗床、自动播种与特种灌溉设备等栽培设施，是目前世界上主流的植物种苗生产方式。然而，多数生产者为了降低生产成本，在实际应用中往往将育苗穴盘排放在大田中的简易土床内，使用传统的人工顶端喷淋法补水，冬季通过铺设电加温线及搭建小拱棚进行加温保温。穴盘育苗技术在此等“减配”条件下运用具有诸多弊端：① 在台风多雨季节，育苗场地极易受洪涝积水影响；② 土壤具有一定导热性，冬季育苗时，热量易通过底部土壤流失，使得加温能耗较高；③ 顶端喷淋式的补水方式灌溉均匀度较差，肥水浪费大；④ 由顶端喷淋式灌溉造成的叶片表面湿度较高，极易滋生各种病害，是引发各种苗期病害的重要原因。

此外，育苗过程中遇较低气温时，需对幼苗生长环境进行加温保温。有些生产单位在冬季育苗时采用燃油（煤）加热器对整个温室加温，生产成本及废气排放量高。部分企业为节约成本，将种子放入催芽室加温催芽后移入苗床，在常温环境下自然生长，这不仅增加了搬运工作量，还延长了成苗时间。多数单位则采用铺设电热线并加盖小拱棚的升温保温方式，由于电热线属于线状加热，而穴盘孔穴之间具有一定间隙，热量传导受到阻碍，使穴盘中靠近电热线的孔穴温度较高，而远离电热线的孔穴则温度较低，导致发芽和出苗不均匀。现有的钢架育苗床仅是将目前的床面抬高，使其具备防涝功能和方便操作，但不具有保温性。为解决上述问题，本文设计了一种能源利用率高、病害发生率低的催芽培育一体化“潮汐式”微环境恒温育苗床，通过搭建育苗床面保温小拱棚，压缩育苗棚内保温的三维空间，使维持育苗环境温度所消耗的能量最低。

1　“潮汐式”微环境恒温育苗床工作原理

“潮汐式”灌溉方式（欧美称“tidal”或“ebb and flood”）是基于潮水涨落现象设计而命名的一种高效节水灌溉方式。该方式利用了育苗穴盘底部的排水孔，在灌溉时使水位没过排水孔，水分自下而上地被基质自然吸入，既保持了叶面干燥，又可防止淋洗式灌溉导致的肥水流失，适用于各类盆器及穴盘栽培植物的种植管理。微环境恒温育苗床通过“潮汐式”底吸补水方式，使根基环境自然达到相宜含水量；地暖使用发热均匀的电热膜取代传统电热线作为恒温热源，电热膜的热电转换效率要高于电热线，且为面状加热，膜上各点发热量均相同，解决了因穴孔间温度差异导致出芽不齐的问题，提高了能耗利用率。

2　微环境恒温育苗床的基本结构

2.1活动式钢架苗床 目前，钢架结构主体的育苗床已在生产研究中得到普及，主要分为固定式和活动式。固定式钢架育苗床设计简单，结构坚固，成本低廉，应用较多；活动式钢架育苗床的床面能够左右平移，使整个育苗室内实际只占用1～2条操作道空间，可大大增加育苗室空间利用率。本文中所使用的活动式钢架育苗床如图1所示，由苗床支架（13）、苗床支撑钢管（16）、苗床移动操作盘（2）、操作盘挡片（9）、苗床（8）及薄膜支架（15）构成，设计简单而结构坚固。薄膜支架上夏季覆盖防虫网，起到防虫透气的作用；冬季覆盖塑料薄膜，形成自动恒温所需的微环境。

图1 微环境恒温育苗床结构

2.2“潮汐式”灌溉单元 “潮汐式”灌溉单元由苗床、进水部及排水部组成。其中，进水部由进水管道（11）、水泵（14）及水位传感器（4）组成。灌溉水源通过水泵与进水管道进入苗床面。水位传感器通过控制水泵启停以维持液面高度；排水部由常开电磁阀（3）、排水管（10）、手动阀门（18）及水位传感器（4）组成，当苗床内灌溉水位达到一定高度后，水位传感器控制电磁阀自动开启进行排水，手动阀门可调节排水的速度，以便让穴盘中的基质有足够的时间吸水；苗床面铺有泡沫板（6）及塑料薄膜（5），使床面形成中央导水槽（17），使床面排水迅速且无积水残留。

2.3电热膜微环境恒温单元 电热膜微环境恒温单元自下而上分别为泡沫板（6）、电热膜（20）、塑料薄膜（5）及铝板（19）。其中泡沫板可阻止微环境中热量向下渗透，提升保温效果；泡沫板和塑料薄膜形成了中央导水槽（21），可有效辅助排水，并防止床面形成积水，保持床面干燥；铺设于塑料薄膜上的铝板不仅可以防止穴盘搬动过程中对塑料薄膜的损伤，还可提升电热膜的发热均匀度。在电热膜的供电线路上装有带防水探头的温控开关，从而实现对微环境的自动精确恒温（图2）。

图2 电热膜微环境恒温单元

3　设备建设与使用注意事项

3.1苗床的规格设置 由于育苗盘的国际通用标准规格多为540 mm×280 mm（长×宽，下同），苗床的宽度应选择280 mm的整数倍后再适当加宽。

3.2电热膜规格的选择与安装 根据育苗盘的尺寸，电热膜选择250～550 mm的宽度最佳。目前市场上电热膜的发热功率多为100～220 W·m-2，因此在大面积运用时，需将温室的配电接入总功率纳入考虑范围，并尽量选择单位面积功率较低的电热膜。

3.3温控开关功率 不同型号的温控开关的负载能力不同，所选择的温控开关负载能力应大于其连接的电热膜总功率。如本文中所使用的温控开关型号为HS-637，带防水探头，5 000 W负载能力，最大可控制7组25 000 mm×250 mm、单位面积功率100 W·m-2的电热膜，或3组25 000 mm×250 mm、单位面积功率220 W·m-2的电热膜，即1个25 m×1.8 m的苗床实际应由1～2个温控开关控制。

3.4水位控制设备的选择及安装 应选用带探头的220 V“上水型”全自动水位控制开关。如本文中所使用的CX-B28型水位控制器，含上限及下限2个水位探头，上限水位探头一般固定于苗床1/2深度处，而下限水位探头则摆放于床面，水泵及电磁阀均接入水位控制开关输出端。当穴盘内缺水时，下限水位探头检测不到信号，则会开启输出端电力输出，使水泵启动，排水处电磁阀闭合；当苗床水位升至上限探头时，则关闭输出端电力输出，水泵停止工作，排水处电磁阀开启，进行排水，通过调节手动阀门开度调节排水速度，以保证穴盘内基质能够有充足的时间吸足水分。

3.5铝板规格与接地 为提高耐磨强度与导热效率，应选择厚度不小于0.5 mm的铝板。铝板必须通过导线接地，目的是消除电热膜发热时产生的感应电，减少对操作人员人身安全的影响。

4　改建应用实例与效果分析

4.1改建案例 图3～5为杭州晨禾农业科技有限公司临安育苗基地，育苗玻璃温室钢架苗床。

原有设备：固定式苗床架结构、玻璃温室、自来水接入、固定式25 m×1.8 m苗床面。

添加设备：移动式25 m×1.8 m苗床面（150 元·m-2）、拱棚钢架（高50 mm，间隔1.5 m一跨，每跨10元）、HS-637型温控开关（负载5 000 W，每套50元）、100 W·m-2的电热膜（长25 m，宽25 cm，共6条，40元·m-2）、72孔国标穴盘（540 mm×280 mm，每张1.5元）、CX-B28型水位控制器（每套500元）、220 V常开电磁阀（每套100元）；泡沫板（厚3 cm，2元·m-2）、塑料薄膜（厚0.04 mm，1元·m-2）、铝板（厚1 mm，2元·m-2）。由此可得出，改建单张25 m×1.8 m的苗床，投入成本为9 595元（213.2元·m-2）。若新建全套设施，还需投入建苗床支撑钢架及外部保护设施的费用，新建单张25 m×1.8 m的苗床，投入成本为11 610元（258元·m-2）。

图3 改建前的育苗床

图4 改建中的育苗床

图5 改建完成的育苗床

设备组装：将泡沫板、电热膜、塑料薄膜、铝板及装填好的穴盘依次摆放于苗床；将钢管焊接于苗床上形成薄膜支架，并覆盖薄膜，白天揭开苗床两头薄膜通风，夜间密闭保温；将电热膜正负极接入温控开关输出端，并设定温控开关自动开启温度为25 ℃，自动关闭温度为28 ℃；在已有自来水接入条件的温室内，苗床的进水水泵可由一个220 V常闭电磁阀代替，与排水口处的常开电磁阀共同接入水位控制器输出端，实现水位自动控制。

4.2应用效果与对比分析 黄瓜育苗效果（图6）：2014年1月10日机播黄瓜种子，采用72孔穴盘，单条25 m×1.8 m的移动式苗床面摆放4排，共168张穴盘，12 096个穴孔。恒温25 ℃，24 h（小时）后种子出芽，28 d（天）后幼苗盘根完成，达到移栽标准，相比其他育苗方式缩短7～10 d（天），实际成苗12 027株，平均成苗率达99.3%。

能耗情况：据试验场记录，合计育苗面积25.4 m2，30 d （天）耗电597.85 kW·h，电费合计382.64元，平均加温费用为每株0.03元；使用“潮汐式”补水共4次，约3.2 m³，平均每株耗水约0.26 L。4.3 应用实例 目前，已有多家单位新建或改建应用一体化“潮汐式”微环境恒温育苗床。例如，四川种都种业有限公司应用50套，苗床规格17 m×1.65 m，穴盘苗年产能为800万株；浙江省杭州市临安锦兴农业开发有限公司应用32套，苗床规格20 m×1.7 m，穴盘苗年产能为500万株；浙江省临安市农业技术推广中心应用80套，苗床规格25×1.2 m，穴盘苗年产能为550万株；浙江省丽水市郎奇农家乐农产品专业合作社应用40套，苗床规格25 m×18 m，穴盘苗年产能为550万株。

图6 电热膜加温中的黄瓜穴盘苗

*通讯作者：黄丹枫，博士生导师，教授，主要从事园艺植物生理生态研究，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

收稿日期：2015-11-03；接受日期：2016-02-15

基金项目：国家自然科学基金（61233006），上海市科技兴农推广项目：上海绿叶蔬菜产业技术体系建设