一種葉菜智能生產(chǎn)系統(tǒng)的研制
<p>49DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.07.008葉菜類蔬菜膳食纖維和維生素含量高，深受國人喜愛。葉菜類蔬菜因其生長周期短，連作程度高，且單茬產(chǎn)量低，目前以露地生產(chǎn)為主，但葉菜類蔬菜容易受病蟲害及天氣變化的影響，并且大多數(shù)葉菜類蔬菜不耐貯運，多以就地生產(chǎn)、就地供應為主；由于品質、產(chǎn)量不穩(wěn)，價格變化幅度較大1-4。為保證穩(wěn)定的生產(chǎn)、穩(wěn)定的品質和穩(wěn)定的價格，發(fā)達國家嘗試利用植物工廠種植葉菜類蔬菜，但設備建設費用高、生產(chǎn)成本高、經(jīng)濟效益低等原因成為其主要障礙5。山西農(nóng)業(yè)大學設施農(nóng)業(yè)工程研究所把日光溫室的結構特征和水培系統(tǒng)結合起來，利用現(xiàn)代化技術和低成本材料設計出葉菜智能生產(chǎn)系統(tǒng)，利用自然光照生產(chǎn)，有望解決上述問題。研究設計的葉菜智能生產(chǎn)系統(tǒng)包括設施本體、營養(yǎng)液緩熱系統(tǒng)、環(huán)境智能控制系統(tǒng)以及配套設施（育苗室和產(chǎn)品處理室）。設施本體結構設施本體由鋼結構組成，包括采光和貯液池兩部分，如圖1所示。采光部分太陽能作為該設施系統(tǒng)內(nèi)主要能量來源，有利于植物進行光合生產(chǎn)。骨架由圓鋼焊接組裝而成，為對稱拱圓形狀，東西側高0.4 m，中間高1 m，寬5.4 m，南北長6 m，為東西走向，南北延長，保證有較大的進光面積，能夠充分利用太陽能來提供動力。采光部分的2/3采用透明覆蓋材料陽光板，剩余1/3覆蓋農(nóng)膜并設置通風口，用卷膜器控制風口的大小。倘若溫室整體處于密閉不通風狀態(tài)，在炎熱夏季生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部溫度過高，會導致葉菜蒸騰作用增強而失水死亡，因此有必要在頂部開設一定面積的通風口，通風口的開啟面積可視天氣情況而定。貯液池貯液池由角鋼焊接成長方體，高0.4 m，角鋼內(nèi)嵌入加密聚苯板作為隔熱保溫材料，減少內(nèi)外能量傳遞6-7。在貯液池底部鋪設聚苯板，其上鋪設黑色防滲膜，之后就可以注入營養(yǎng)液，如圖2所示。通過試驗表明，貯液池底層鋪設隔熱聚苯板在春季可使營養(yǎng)液平均溫度增加1.6，減少熱量往土壤傳遞；貯液池如果下凹入土10 cm，在夏季可使營養(yǎng)液平均溫度降低0.6，2種方式有利于貯液池內(nèi)部的環(huán)境溫度穩(wěn)定。一種葉菜智能生產(chǎn)系統(tǒng)的研制*馬宇婧，溫祥珍*，杜莉雯，李亞靈（山西農(nóng)業(yè)大學園藝學院，山西太谷 030801）【摘要】一種葉菜智能生產(chǎn)系統(tǒng)包括設施本體、營養(yǎng)液緩熱系統(tǒng)、環(huán)境智能控制系統(tǒng)以及配套設施（育苗室和產(chǎn)品處理室）。該系統(tǒng)充分利用了日光溫室的低成本優(yōu)勢，水的熱特性和隔熱材料的熱穩(wěn)定性，通過現(xiàn)代化育苗技術，縮短了生長周期，實現(xiàn)了葉菜高效、優(yōu)質生產(chǎn)。圖1 葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)剖面圖覆蓋材料貯液池 電熱線 隔熱材料設施本體噴霧裝置補光設備外保溫材料CO2釋放裝置50營養(yǎng)液緩熱系統(tǒng)營養(yǎng)液緩熱系統(tǒng)是該生產(chǎn)體系最重要的部分，即利用水（營養(yǎng)液）的熱穩(wěn)定性，通過蓄積大量營養(yǎng)液來穩(wěn)定環(huán)境溫度，是項目的核心部分。系統(tǒng)由泵、管道、貯液池和控制部分組成。貯液池容積在100500 m3（具體根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模設定），用來蓄積營養(yǎng)液，營養(yǎng)液用水泵通過管道注入貯液池，形成流體，供氧并帶動定植板移動。貯液池中營養(yǎng)液的深度維持在2530 cm。系統(tǒng)可通過外覆蓋材料、內(nèi)部營養(yǎng)液置換、電熱線輔助加溫來控制系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境。貯液池營養(yǎng)液量大可以使溫度穩(wěn)定，使葉菜類蔬菜根部始終生長在舒適的溫度環(huán)境中；以2017年11月對營養(yǎng)液各層溫度測定結果為例，營養(yǎng)液表面在一天內(nèi)的溫度日較差平均值為4.4，液面以下5、10、15 cm處的溫度日較差平均值分別為2.2、1.2、0.8，可知深層液溫比淺層變化穩(wěn)定，證實營養(yǎng)液在維持設施環(huán)境穩(wěn)定上能發(fā)揮作用。貯液池大量水體還可調(diào)節(jié)葉菜生長系統(tǒng)內(nèi)部氣溫，適宜葉菜冠層生長。測定結果表明，夏季液溫穩(wěn)定在1822，晝夜溫差維持在24，平均氣溫20.2，晝夜溫差為24.4，能夠保障葉菜生長的正常進行；秋冬季節(jié)液溫在加溫情況下達到1315，平均氣溫15.4，晝夜溫差為28.1。葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)作為一種新型設施結構通過蓄存水體，將水作為蓄放熱的載體來調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境。由于水具有較大的比熱容，在營養(yǎng)液深度20 cm條件下，白天液溫升高1可蓄積熱200 kcal/m2。根據(jù)大海調(diào)溫原理8，將營養(yǎng)液作為一種新的緩熱介質，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土墻、磚墻及土壤儲熱，既可為葉菜提供生長營養(yǎng)，又可調(diào)節(jié)溫度，具有一定的熱穩(wěn)定性。環(huán)境智能控制系統(tǒng)環(huán)境智能控制系統(tǒng)由傳感器、攝像設備、控制箱和集成線路板組成，包括補光設備、噴霧裝置、CO2釋放裝置、溫控裝置、通風設備以及保溫被的卷放裝置，能夠有效調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的周年穩(wěn)定。補光設備安置在營養(yǎng)液池周邊和水平方管拉桿上。不同于植物工廠的全程補光，葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)能夠充分利用自然光，只有在必要情況下才利用補光設備進行補光。噴霧設備安裝在設施骨架上，利用貯液池中營養(yǎng)液噴霧進行葉面施肥、維持空氣濕度，同時可以通過蒸發(fā)消耗多余熱量，進行設施內(nèi)的降溫。噴霧設備通過溫度、濕度傳感器按時間和狀態(tài)進行智能雙向控制。CO2釋放裝置同補光設備安裝位置相同，通過CO2傳感器、電磁閥、管道及CO2氣罐進行智能控制，如圖3所示。圖2 貯液池實際效果圖 圖3 CO2與 溫濕度一體式控制器51營養(yǎng)液冬季加溫通過電熱線和傳感器智能控制，夏季降溫通過加大蓄液池和貯液池營養(yǎng)液的交換來穩(wěn)定溫度。自然通風設置在頂部東側，高達33%，通過卷膜電機與智能控制設備相連。通風狀態(tài)下，夏季平均氣溫維持在16.8，日最高氣溫達31.8，比不通風降低4.2，葉菜生長正常。外保溫被安裝在透明覆蓋材料外側。配套設施配套設施（育苗室及產(chǎn)品處理室）占地面積約4060 m2。該生產(chǎn)系統(tǒng)實行循環(huán)栽培，每天栽培的植株與采收的植株是一致的（工業(yè)化生產(chǎn)過程），需要每天播種、定植、采收，建立自身的育苗系統(tǒng)和產(chǎn)品處理室非常必要。特色及優(yōu)點智能葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)設計完善，經(jīng)濟實用性強，可生產(chǎn)多種葉菜，圖4、圖5為生菜、油菜實際種植效果圖。該生產(chǎn)系統(tǒng)充分利用了日光溫室的低成本優(yōu)勢、水的熱特性和隔熱材料的熱穩(wěn)定性，創(chuàng)造性地實踐了現(xiàn)代化的水培技術，具有穩(wěn)定的溫度調(diào)控機制、穩(wěn)定的營養(yǎng)液供給，同時采用現(xiàn)代化育苗縮短生長周期，作物生長環(huán)境與外界隔離，充分利用太陽光，為穩(wěn)定的作物生長、穩(wěn)定的產(chǎn)品質量和穩(wěn)定的產(chǎn)量提供保障，實現(xiàn)葉菜高效、優(yōu)質生產(chǎn)。 參考文獻1 溫祥珍.圖說綠葉蔬菜的工廠化生產(chǎn)新技術M.北京:科學出版社,1998.2 黃丹楓.葉菜類蔬菜生產(chǎn)機械化發(fā)展對策研究J.長江蔬菜,2012(2):1-6.3 張青峰.葉菜類無公害生產(chǎn)技術J.農(nóng)家之友(理論版),2009(16):58-58.4 張文斌,張龍全,黃裕飛.葉菜類蔬菜主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械化發(fā)展現(xiàn)狀與對策分析J.江蘇農(nóng)機化,2015(1):53-56.5 張宇,肖玉蘭.人工光植物工廠生產(chǎn)成本構成和經(jīng)濟效益分析J.長江蔬菜,2017(4):34-40.6 李成芳,李亞靈,溫祥珍.日光溫室保溫板外置復合墻體的溫度特性J.山西農(nóng)業(yè)大學學報,2009,29(5):453-457.7 賈春霞,趙立華,董重成.嚴寒地區(qū)外貼聚苯板復合墻體傳濕研究J.新型建筑材料,2001(8):1-4.8 張宇雷,吳凡,管崇武,等.環(huán)渤海地區(qū)熱能資源分布及海水養(yǎng)殖水體調(diào)溫模式研究J.江蘇農(nóng)業(yè)科學,2014,42(6):229-231.*項目支持： 國家自然科學基金重點項目“溫室環(huán)境作物生長模型與環(huán)境優(yōu)化調(diào)控”（61233006）；山西省煤基重點科技攻關項目“設施蔬菜高效固碳技術研究與示范”（FT201402-05）。作者簡介： 馬宇婧（1995-），女，山西孝義人，碩士，研究方向：設施園藝。*通信作者： 溫祥珍（1960-），男，山西原平人，教授，博士生導師，研究方向：設施園藝。引用信息馬宇婧,溫祥珍,杜莉雯, 等 .一種葉菜智能生產(chǎn)系統(tǒng)的研制J.農(nóng)業(yè)工程技術 ,2018,38(07):49-51.圖4 生菜種植效果圖圖5 油菜種植效果圖</p>
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