一种植物工厂内可移动装配式大黄育苗装置设计

徐文栋 张开礼* 刘 生

（1.武威职业学院，武威 733000；2.天祝高原净土农业发展有限公司，武威 733200）

大黄是国内外应用较为广泛的天然中药材之一，为多年生高大草本植物，根粗壮、呈棕黄色，茎粗、光滑无毛；主要生长于海拔2 300～4 500 m 的高原地区，喜冷凉气候、耐寒、忌高温[1]；具有健胃、泻下、抗肿瘤、降血脂、强心、利胆、保肝、延缓衰老、降低血压、调节免疫力等作用[2-5]。作为中藏药产品、功能性保健品及特色食品的重要原料，大黄的实际需求量逐渐增大，但天然野生大黄的数量已明显减少[6]。

植物工厂是在高精度环境控制的室内，由计算机自动控制作物生长过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境要素，实现作物周年连续生产的高效农业系统，是粮食、蔬菜、果品、花卉、食用菌、中药材等农产品供应的重要保障，在提高农业资源利用效率和保护环境方面具有重要意义。为提高大黄的产量和质量，节约水资源，降低碳排放量和能耗，减少土地占用和污染，利用密闭式植物工厂，通过无土栽培、工厂化育苗等技术进行大黄的人工栽培，为大黄产业发展提供新路径[7-9]。

近年来，利用植物工厂进行大黄的人工栽培已取得一定成效，提高了生产效率，减少了污染，降低了能耗等，解决了大黄产业原材料不足的问题，但仍然面临一系列的挑战。首先，植物工厂需要投入大量资金来建设和维护，还要支付高昂的能源和人工费用。其次，在大黄的生产过程中，需要控制环境温度、湿度、光照、CO2浓度等，这需要依赖先进的技术。最后，由于利用植物工厂栽培大黄的生产方式比传统生产方式更加复杂，缺少完整、统一的标准规范体系，限制了其发展。

针对存在的技术痛点，根据现代农业技术，设计了一种植物工厂内可移动装配式大黄育苗装置。该装置可以随时拆卸和重组，方便搬运和调整，便于回收和再利用，适应性强，具有集约化和标准化的特点，是大黄工厂化育苗的一种省力型生产装置。

1 植物工厂的研究现状

日本东海大学髙迁正基教授在《植物工厂》中首次提出了植物工厂的概念，即在工厂般的全封闭建筑设施内，利用人工光源，实现环境的自动化控制，进行高效、省力、稳定的作物种植，让植物像工业品一样在工厂里生产[10]。近年来，我国对植物工厂的研究取得了巨大进展，智能装备和系统在播种、移栽、采收、运输、包装等多个环节中得到了应用[11]。沈海霞等对杏鲍菇工厂化栽培条件进行了探索和优化，采用现代化生产设备模拟杏鲍菇的生长环境，标准化控制栽培过程的每一个环节，大大提高了杏鲍菇的产量和品质[12]。叶世青在由播种车间、育秧大棚及附属房组成的育秧工厂内，采用育秧盘、机械精量播种机及其他先进设施进行水稻育秧，促进小型农户和现代农业发展的有机衔接，既不影响农民务工，又能解决水稻种植问题[13]。施显恩总结了当前植物工厂圣女果育苗技术，提高了圣女果等茄果类作物育苗环节的集约化、自动化水平，提升了生产效率，降低了人工成本，培育出了优质壮苗[14]。

中药材及其他农作物的工厂化栽培在我国已初具规模，经过多年的发展，从种子催芽、育苗、移栽到采收后的保鲜贮藏，已经形成一套完整的理论基础及操作方案。然而，在传统温室作物栽培过程中，人工育苗、播种、施肥、灌溉、农作物收获和搬运等环节需要人工直接参与，并在温室内有些恶劣的环境中需要进行重复且繁重的劳动。为了减少对工作人员的伤害，亟待提高温室的自动化生产水平。目前，植物工厂产品主要为叶菜类蔬菜，少部分为茄果类，种类较为单一，植物工厂内中药材的栽培研究较少。本研究开展植物工厂内中药材栽培的相关研究，有助于给大黄及其他中药材的植物工厂化生产带来新的突破及发展。

2 可移动装配式大黄育苗装置设计

植物工厂内可移动装配式大黄育苗装置主要由发光二极管（Lighting Emitting Diode，LED）补光系统、水肥一体化系统、栽培系统和自动控制系统等组成。补光系统选用大黄生长吸收最优的红蓝光配比的LED补光灯。LED 使用直流电，具有光电转换效率高、耗能低、寿命长、体积小、波长固定与低发热等优点。与目前普遍使用的荧光灯相比，LED 补光灯不仅光密度、光质可调，而且是低发热量的冷光源，照射距离短，大大提高了大黄的栽培层数和空间利用率，为大黄的生长提供了最佳光源。水肥系统由供水箱、回水箱、紫外线消毒器、肥料桶、肥料泵、管道和管件组成，为作物生长提供水分和养分。栽培系统由栽培架、栽培槽和LED 补光灯组成。控制系统为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）远程控制系统，能够实时调节环境的温度、湿度等，保证作物正常生长。

2.1 栽培系统设计

作物栽培系统的栽培框架由可拆卸的立柱组成。栽培架内为栽培槽，槽内填基质，槽体底部设有边缘孔。栽培架上端通过管道与水肥系统连接，水肥系统与控制系统采用电性连接。作物定植在基质槽中，通过吸收基质和营养液的养分生长。可移动装配式栽培架结构合理、紧凑，便于安装和拆卸，能满足不同用户的需求。

2.2 水肥一体化系统设计

水肥一体化系统即水分和营养液供应循环系统，主要由自动施肥装置、供水箱、加肥器、肥料桶、供液泵、营养液输送管、输水管、回水管、营养液回收管、滴管等组成。营养液和水分在供液泵的作用下，通过输水管被运送到有机生态型无土栽培架上端，然后通过滴灌系统到达作物根部，其中未利用部分通过回水管循环回到营养液桶。

2.3 光照系统设计

光是植物生长必需的环境因子，尤其是波长在640～660 nm 的红光和波长在430～450 nm 的蓝紫光。它们是植物进行光合作用和光形态建成的主要光谱范围，直接影响植物的生长、光合作用、产量和品质。光照系统设计在基质栽培槽上部，利用不同红蓝光配比的LED 补光灯为植物提供光源。实际应用中，可根据植物的生长阶段来调整光照周期和强度，以促进作物生长，提高光利用率和生产效率。光照系统电源的电压为220 V。

2.4 控制系统

控制系统主要由控制器、温度传感器、湿度传感器和光强度传感器等组成。各类传感器安装在栽培槽内壁，并与环控处理器进行电性连接。传感器将采集到的数据传输至环控处理器。通过PLC、物联网、云计算等技术手段，实现大黄生长过程的远程监控、数据分析和预测，提高植物栽培的智能化管理水平。

3 可移动装配式大黄育苗装置的特点和优势

植物工厂内可移动装配式大黄育苗装置是一种先进的室内大黄育苗装置，具有如下特点。第一，可以随时拆卸和重组，便于回收和再利用，适应性强。第二，具有集约化和标准化的特点，便于管理和监测大黄的生长情况，及时调整种植环境和施水、施肥量，提高生产效益。第三，可以随时调整位置和方向，以适应不同的灯光、温度和湿度等环境条件。第四，采用层叠式种植方式，能够最大化地利用空间，提高单位面积的产量[15]。第五，通过LED 补光灯、恒温控制技术，能够有效节省能源和水资源，减少二氧化碳排放。第六，采用无土栽培技术和自动化管理技术，缩短了大黄的生产周期，提高了生产效率。

与植物工厂内传统的大黄栽培方式相比，应用该设备具有如下优势。第一，大幅提高空间利用率。该装置可实现立体种植，能在有限的空间内种植更多植物[16]。第二，方便管理。栽培架可以随时移动，便于植物的管理、养护和采摘等。第三，灵活性强。该装置采用模块化设计，可以根据植物种类和生长阶段，灵活组合成不同的栽培架结构。第四，降低人工成本。该设备可以实现自动化种植，减少人力投入。第五，提高生产效率。通过智能控制系统，该设备可以监测植物的生长环境，精准调整光照、温度、湿度等，促进植物生长。

4 结语

中国农业在过去几十年中取得了长足的发展，但仍然面临一些问题：由于土地资源有限和劳动力成本上升等，造成农业生产效率依然较低；过度使用化肥农药，导致部分农产品存在严重的质量安全问题，对消费者健康构成了一定威胁；土地沙化、水资源污染、草地退化等一系列问题，给中国农业的可持续发展带来了威胁。为提高农产品的产量和质量，节约水资源，降低碳排放量和能耗，减少土地占用和污染，一些新型的种植方式逐渐被人们接受。植物工厂和无土栽培技术的推广与应用，给现代农业发展提供了有力的技术支持。

植物工厂内可移动装配式大黄育苗装置采用可移动装配式设计和机械化设计，实现了大黄育苗过程的自动化管理，降低了人工干预程度和劳动强度，提高了工作效率。该装置能够根据大黄幼苗的生长需求，精确调控水分、养分和光照等，提高了空间利用率，可为大黄幼苗提供最适宜的生长环境，保证了幼苗的质量，提高了植物工厂的生产效率。虽然应用该装置能够提高大黄育苗效率和幼苗质量，为大黄育苗提供了新的解决方案，但是植物工厂的工作效率和自动化程度较低。要想发展智慧农业，必须尽快突破植物工厂自动化处于低水平的瓶颈，使其不断向自动化、智能化和多样化的方向发展。