小型低压蔬菜培养装置研制

唐永康，高 峰∗，杨京松，苏焕焕

（1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100193；2.北京卫星制造厂有限公司机械产品事业部，北京100094）

1 引言

植物是受控生态生保系统（Controlled Ecolog⁃ical Life Support System，CELSS）中的关键生物部件，研究植物在特定人工生态环境（如低压和低光等）中的生理生态特性，对于降低CELSS系统能耗、更好地发挥生物部件的功能有重要意义［1］。

月球表面的大气环境极为恶劣，如高宇宙辐射、高真空（10－10～ 10－12Pa），以及极端的高温（127℃）或低温（－183℃）。因此，将来在月球上建立低压CELSS并在其中培养植物，可以减少系统的质量［2］，降低系统内外压差和结构难度［3］，减少系统的气体泄漏和消耗［4］。一般研究均认为，在月球基地建立的CELSS所采用的大气总压应该在54 kPa～30 kPa范围比较适合［3］。同时，考虑到人生存需要的大气环境条件，在月球基地建立的CELSS应该是低压（54 kPa～30 kPa）、高氧（如 21 kPa～30 kPa氧分压）和高 CO2（如0.8 kPa）环境［5］。 因此，非常有必要研究低压、高氧和高CO2环境条件下植物的生长发育（如气体交换）特性，从而掌握相关的植物培养技术措施，为乘员提供充足的食物、氧气和水等生保物资。

目前，国内外建立了多台低压植物试验装置，如中国研制成低压植物培养装置，开展了50 kPa压力下小麦生长发育研究［6］；美国研制了低压栽培舱，开展了10 kPa压力下生菜生长性能试验［7］；加拿大也利用受控环境研究装置研究了不同压力下生菜叶片的CO2交换特性和蒸腾特性［8］；日本研制成低压栽培装置，开展了水稻在不同压力下的种子萌发特性研究［9］。这些装置主要是用于开展低大气总压（低压）和低氧分压植物培养试验，没有开展过低压高氧试验研究。

鉴于开展低压高氧植物试验的必要性，本文针对低压高氧植物培养装置的特殊要求，主要从装置结构设计，耐压和高透光率有机材料的筛选，低压大气环境中氮气、氧气和CO2分压组成的调节等方面优化设计，研制小型低压蔬菜培养装置（Small⁃scale Low Pressure Vegetable⁃cultivating Fa⁃cility，SLPVF），并开展蔬菜类作物低压高氧试验研究，为将来建立低压 CELSS系统奠定技术基础。

2 主要技术指标

本文拟研制三套小型低压蔬菜栽培装置，每套装置均能进行低（常）压和高氧蔬菜培养试验。基于后续将要开展的研究对本装置容积、培养面积、大气环境条件（总压、氧分压、CO2分压、温湿度）和光照条件等的要求，通过综合分析和考量，该装置的主要技术指标和性能要求设计如表1所示。

表1 小型低压蔬菜培养装置主要技术指标Table 1 Main technical indexes of small⁃scale low pres⁃sure vegetable⁃cultivating facility

3 系统构成及设计

所设计的装置主要包括以下5个系统：结构系统、温湿度与通风控制系统、大气总压与分压控制系统、植物培养系统、测量与控制系统，其基本组成如图1所示。

3.1 结构系统

主要用于提供密闭培养室供蔬菜生长，同时也用于安装、固定其它各系统，布置气路和液路管道。通过综合考虑整个装置的结构和布局方式以及低压装置的技术特点和要求，先后设计和完成了小型低压蔬菜培养装置的主体结构，主要包含培养室、基座、有机玻璃罩和支撑架，如图2所示。培养室用于构建一个封闭的环境，主要包括基座和有机玻璃罩。基座为不锈钢圆桶状，采用304不锈钢焊接制成，桶壁厚5 mm，法兰厚20 mm，桶壁圆周分布各传感器接口、气源接口等。底部设有1个法兰，可固定热交换器（冷凝器）。有机玻璃罩壁厚10 mm，有效球直径690 mm。桶壁、法兰和有机玻璃罩厚度数据均根据系统控制的最低压力（10 kPa）对厚度的要求计算所得。支撑架用于支撑整个装置，由铝型材搭建而成。顶端用于安装光源系统，中部用于放置培养室，下部主要用于安装营养液输送设备和大气总压和分压系统的相关设备。

图2 结构系统设计及实物图Fig.2 Design drawing and physical picture of struc⁃tural system in SLPVF

3.2 温湿度与通风系统

主要用于控制培养室内的温度在15～35℃之间，满足植物生长对温度的需求，包括温度控制、湿度控制和通风组成。温度控制主要是通过冷凝热交换技术实现。轴流风扇将培养室内热量带到位于培养室中部的柱状热交换器上，通过制冷回路将热量带到培养室外制冷机组，最后排到室外，从而将栽培室内的温度控制在15～35℃范围之间。因为培养室温度总是趋于增加，所以该系统只有冷凝降温设计，没有设置加热；系统的除湿主要通过降温过程来实现，而系统加湿主要是通过超声波加湿来实现；系统的通风是通过培养室柱状热交换器顶部的轴流风扇将空气由四周向中间汇集，如此往复来实现空气的循环流动，保证培养室不同部位温湿度和大气成份分布均匀。

3.3 大气总压与分压控制系统

大气总压主要是通过压力传感器测量培养室内的压力，通过程序软件来控制真空电磁阀（电磁阀与真空缓冲罐连接，真空泵一直维持真空缓冲罐的压力），从而达到控制气体总压（10～101 kPa）的目的。氧分压控制（2～50 kPa）主要是通过氧化锆氧传感器测量培养室内的氧分压，当氧分压高于（或低于）设定值时，供氮（或氧）电磁阀打开，向培养室内加氮（或氧）以稀释（或增加）氧气，从而达到降低（或增加）氧分压的目的。CO2分压控制（0.035 ～2 kPa）与氧分压相似，主要是通过传感器测量培养室内CO2分压，当CO2分压低于设定值时直接通过供CO2电磁阀向培养室内加气，系统在光照条件下，CO2分压趋于下降，所以当CO2分压高于设定值时（黑暗）一般不进行控制。乙烯气体去除采用化学去除方法—高锰酸钾氧化法，即采用商品化的乙烯去除剂，以保证将培养室内的乙烯气体浓度控制在50 ppb以下。系统中的总压和不同分压值是根据开展植物需要的大气环境来确定的。

3.4 植物培养系统

植物培养系统主要由营养储箱、蠕动泵、电磁阀、培养盘、营养液滴头、培养基质、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）光源，以及培养蔬菜需要的陶瓷基质和营养液组成。培养基质为多孔陶瓷颗粒，是蔬菜根系生长的介质和支撑物，并能贮藏和通过毛细作用传导一定的水分和养分。培养盘容纳栽培基质，种植植物，其栽培面积约0.25 m2。水分养分供给设备由营养液储液箱、蠕动泵、电磁阀、管路和营养液滴头组成。营养液供应数量通过植物生长需要和蠕动泵控制。LED光源采用15%蓝色LED和85%红色LED（基于叶菜类蔬菜对红光和蓝光的需求确定），在铝基板上均匀分布，以保证蔬菜植株能接受相同的光照。LED灯的开启和关闭是通过测控软件直接控制，以实现不同的光周期满足植物生长的需要。整个LED光源可以上下移动，以满足不同试验研究对光照强度的需要。

3.5 测量与控制系统

主要用于采集并储存栽培装置的各项传感器数据，并根据控制流程进行程序控制。系统由测控软件、测量传感器、控制继电器、数据采集及I／O模块等组成。采用LabView软件编写程序，具有温湿度和通风控制、大气总压和分压控制、营养液输送控制、光周期控制等功能，既可自动运行，也可手动操作。所有测量的参数数据和图表均实时存储并可及时查看。

通过以上设计，研制完成的小型低压蔬菜培养装置如图3所示。

图3 研制完成的小型低压蔬菜培养装置Fig.3 External view of the small⁃scale low pressure vegetable⁃cultivating facility

4 试验验证

4.1 试验目的

测试培养室的承压能力、系统的大气泄漏率、气体成份控制、温湿度控制和植物培养是否满足试验要求，收集数据，积累试验经验，以此来进一步改进和完善小型低压蔬菜培养装置。

4.2 试验方法和步骤

验证试验主要是围绕结构试验、大气总压与分压试验、植物培养试验和温湿度试验来展开。

1）结构试验

将有机玻璃罩固定并密封，将大气压力（绝压）值设定并控制到10 kPa，观察测试大气总压变化，记录有机玻璃罩承压状况。

2）大气总压与分压试验

首先，通过真空泵将装置内的大气压力降至相应压力值，停止抽气，记录总压压力变化，计算大气泄漏率。然后，在真空罐中通入纯氧气（1个大气压力），逐渐降低真空罐中氧气压力，测试氧传感器电压输出与氧分压的关系。结束后，在真空罐中通入定量CO2，加入高纯氮来创造特定总压环境，记录不同条件下CO2真实值和传感器测量值。最后，设定一定的目标总压、氧分压和CO2分压，观察记录装置的自动控制情况。

3）植物培养试验

用光合有效辐射仪测量LED灯光合有效辐射强度（灯正下方20 cm），并计算有机玻璃的透光率。 在三种总压（101 kPa、54 kPa和30 kPa）环境条件下开展植物培养试验，通过植物生长状态判断装置的植物培养能力。

4）温湿度试验

在植物培养试验过程中，同步测试装置的温湿度控制系统性能。试验按白天和夜间两种状态进行。

4.3 试验结果

4.3.1 结构系统试验

结构系统试验主要测试该装置承受负压能力，即通过真空泵抽负压，来试验其耐负压能力。负压试验结果表明培养室（有机玻璃）能承受10 kPa的负压，有机玻璃完好无损，满足设计指标要求，如图4所示。

图4 小型低压蔬菜培养装置负压试验图Fig.4 Pressure resisting ability of SLPVF

4.3.2 大气总压与分压试验

漏率测试结果表明，三套小型低压蔬菜培养装置（整体）在不同压力条件下的大气平均泄漏率为：5 kPa：1.1 × 10－2Pa·m3／s；30 kPa：3.7 ×10－3Pa·m3／s；54 kPa：3.0 × 10－3Pa·m3／s。 满足技术指标要求和试验研究需要。

传感器测试方面，图5（a）中可以看出，氧分压与氧传感器的电压输出的相关性非常高（R2＝0.998），表明氧化锆传感器不受总压的影响。同时，根据试验结果，作图得出了不同低压下（30 kPa和10 kPa）CO2的校正方程，如图5（b）所示。

图6是小型低压蔬菜培养装置大气总压（30 kPa）、氧分压 （21 kPa） 和 CO2分压（0.05 kPa）的控制曲线。总压降低时，氧分压和CO2分压均随之下降。当总压降低到30 kPa时，氧分压和 CO2分压分别约为 6.2 kPa和0.003 kPa。测控系统开始控制氧气气瓶和CO2气瓶，向培养室添加氧气和CO2，直至将氧分压或CO2分压控制到设定值。从图中可以看出，测控系统能将大气总压、氧分压和CO2分压控制在设定范围之内。

4.3.3 植物培养试验

光合有效辐射值测量结果如表2所示。可以看出，在装置1、装置2和装置3的培养室中部（位置3）光照强度较强（灯下20 cm处测量），而四周相对较弱，但每个培养盒上方的平均光强均比较一致，三套装置中LED灯光合有效辐射值平均为364 μmol·m－2·s－1。 当盖上有机玻璃玻璃罩时，其透光率平均为97.2%（三套装置平均值）。

图5 不同压力下氧和CO2的测量曲线Fig.5 O2 and CO2 measurement curves under different total pressure conditions

图6 小型低压蔬菜培养装置总压和分压试验图Fig.6 Curves of total pressure and partial pressure in SLPVF

表2 小型低压蔬菜培养装置LED灯光合有效辐射测量Table 2 The testing of photosynthesis active radiation of LED in SLPVF（μmol·m －2·s－1）

图7为莴苣植株在三种不同总压条件下的生长状况。 处理 101／21（图 7a）、54／21（图 7b）和30／21（图 7c）分别表示 101 kPa、54 kPa 和30 kPa总压，以及21 kPa氧分压。可以看到，不同压力条件下，两种莴苣植株在定植后培养第10天的生长状态均正常。培养结束时（第10天），分析测试装置内的大气乙烯浓度为31 ppb。

图7 小型低压蔬菜装置中莴苣植株生长状态Fig.7 The growth status of lettuce in SLPVF

植物培养系统试验结果表明，所选用的光源能达到设计指标和试验需要，营养液输送和莴苣植株在该系统中生长正常，大气环境参数均控制在合理范围内，乙烯去除剂能将植物累积产生的乙烯浓度控制设计范围内。

4.3.4 温湿度与通风试验

图8为针对白天和晚上两种状态，装置内温湿度控制曲线图。从图中可以看出，该装置能将培养室内（有植物生长）低压条件下的大气温湿度控制在设定范围内：23.5～24.5℃，湿度 55%～65%（白天状态）；14.5 ～15.5℃，湿度 55% ～65%（晚上状态）。常压条件下小型低压蔬菜培养装置同样能将培养室的大气温湿度控制在设定范围内。另外，由于环境因素对装置的温湿度控制有一定的影响，所以需要将房间温度控制在一定的范围内（如22℃）。

图8 装置温湿度控制曲线Fig.8 Temperature and relative humidity control in SLPVF

4.4 讨论

1）装置结构形式

验证试验结果表明，该装置具有较强的耐负压能力。但在结构设计上，为充分利用空间，同时降低装置复杂程度和内部的热负荷，装置采用圆弧状有机玻璃作为受光面，并把LED光源设置在装置的外上方。这虽然减少了装置的复杂程度，降低了装置的重量，但也一定程度上增加了装置内外的热交换量。

2）总压和分压控制

在进行大气总压和分压控制时，应综合考虑传感器反应时间、装置的容积、气体的供气流量，才能精确控制大气总压和分压。传感器反应时间通常为10～20 s左右，如果气瓶供气流量太大，将使大气总压和分压严重超范围；气瓶供气流量太小则使系统的反应时间过长，从而对温湿度等系统产生影响，使电磁阀长时间处于通电状态，增加安全隐患。所以，应根据计算以及实际的试验，来调节气瓶供气阀流量，并在培养室内通风风扇联合作用下，可保证大气总压和分压控制的速度和精确度符合试验要求。

3）植物培养

为最大限度利用植物培养空间，充分吸收利用LED的光能，每一株植株之间的间隙较小，装置内培养的植株没有田间的植株粗壮，但单位时间、空间和能耗条件下，装置内的植株的生物产率更高，达到 6.75 g／m2／kw／d。 此外，本次植物培养试验主要为验证装置在不同低压环境下的植物培养性能（不是为比较不同处理下植物的生长差异），不同装置之间除总压不同外，氧分压和CO2分压等其他参数均完全一致。而低压环境中，影响植物生长的关键参数主要是氧分压和CO2分压，因此三套装置中植物的生长无显著性差异。

5 结 论

本文研制的小型低压蔬菜培养装置运行稳定，各项环境参数控制精确，可以为蔬菜提供在低压环境条件下适宜的生长条件。由于该装置主要用于地面模拟试验研究，对于空间微重力环境条件考虑较少，如果在空间条件下应用，还需对装置进一步工程化改造。总之，该装置已完全满足目前地面模拟试验研究的需求，可以用于后续开展相应的试验研究工作。

［1］ 江丕栋.空间生物学 ［M］.青岛：青岛出版社，2000：101⁃123.Jiang P D.Biology in Space［M］.Qingdao： Qingdao Pub⁃lishing House， 2000：101⁃123.（in Chinese）

［2］ Nangalia V， Habershon J.System benefit of a hypobaric hy⁃poxic spacecraft environment［R］.Society of Automotive En⁃gineering （SAE） International， No.2004⁃01⁃2483， 2004.

［3］ He CJ，Davies Jr F T，Lacey R E.Separating the effects of hypobaria and hypoxia on lettuce：growth and gas exchange［J］.Physiologia Plantarum， 2007， 131： 226⁃240.

［4］ Paul A L，Schuerger A C，Popp M P，et al.Hypobaric biolo⁃gy：Arabidopsis gene expression at low atmospheric pressure［J］.Plant Physiology， 2004， 134（1）： 215⁃223.

［ 5 ］ Rajapakse N C， He C J， Cisneros⁃Zevallos L， et al.Hy⁃pobaira and hypoxia affects growth and phytochemical contents of lettuce ［J］.Scientia Horticulturae， 2009， 122： 171⁃178.

［6］ 唐永康，郭双生，秦利锋，等.深空探测低压植物栽培装置研制 ［J］.航天医学与医学工程，2008，21（5）：392⁃397.

Tang Y K， Guo S S， Qin L F， et al.Development of low pressure plant⁃cultivating facility for deep space Eexploration［J］.Space Medicine＆ Medical Engineering，2008，21（5）：392⁃397.（in Chinese）

［7］ Rygalov V Y， Bucklin R A， Drysdale A E， et al.Low pres⁃sure greenhouse concepts for Mars：atmospheric composition［R］.Society of Automotive Engineering（SAE） Internation⁃al， No.2002⁃01⁃2392， 2002.

［8］ Wilkerson E G，Bucklin R A，Fowler P A.Development of small⁃scale hypobaric plant chamber ［J］ .Applied Engineer⁃ing in Agriculture， 2007， 23（4）： 531⁃537.

［9］ Arai Y，Goto E，Omasa K.Growth and development of Ara⁃bidopsis thaliana under hypobaric conditions［R］.Society of Automotive Engineering （SAE） International， No.2003⁃01⁃2478， 2003.