DOI:1016289/j cnki1002-0837201806015南極植物生產(chǎn)系統(tǒng)概述與分析唐永康，吳志強(qiáng)*，董文平(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)摘要:植物是受控生態(tài)生保系統(tǒng)中的關(guān)鍵生物部件，可以為乘員提供食物、氧氣和凈水，同時(shí)可以起到一定的心理支持作用。世界各國(guó)/組織在南極開展了多年的植物生產(chǎn)系統(tǒng)研究和實(shí)施工作，研制了不同類型的植物生產(chǎn)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不僅為南極考察人員提供了一定的食物供給，也為推動(dòng)受控生態(tài)生保系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支持和試驗(yàn)驗(yàn)證。本文總結(jié)和分析了南極曾經(jīng)建設(shè)或現(xiàn)有的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)比分析了這些植物生產(chǎn)系統(tǒng)的建設(shè)目的、規(guī)模、類型和自動(dòng)化程度等具體信息，并展望了南極植物生產(chǎn)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:南極;植物;受控生態(tài)生保系統(tǒng)中圖分類號(hào):V419+9;R85282 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1002-0837(2018)06-0669-07Review and Analysis of Antarctic Plant Production Facilities Tang Yongkang，Wu Zhiqiang，Dong Wen-ping Space Medicine Medical Engineering，2018，31(6):669-676Abstract:As a biological component in the controlled ecological life support system ( CELSS)，the higherplant can not only provide food，oxygen and purified water for the crew，but also can provide certain psycho-logical support Many plant production facilities have been developed and operated in the Antarctic since asearly as 1902 These facilities not only produced foods such as vegetables and fruits for Antarctic crews，butalso promoted the developments of CELSS In this paper，the past plant production facilities and the presentoperational facilities in the Antarctic were summed up and analyzed including their purposes，scales，automa-tion levels and so on In the end，the development trend of the facilities in the future was prospectedKey words: Antarctic; plant; controlled ecological life support systemAddress correspondence and reprint requests to: Wu Zhiqiang National Key Laboratory of Human FactorsEngineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China人類想要在太空開展長(zhǎng)期探索任務(wù)或星球定居，必須首先解決生保物資的自給自足問(wèn)題1。短期空間飛行或空間站上的生保物資主要靠地球補(bǔ)給，而對(duì)于長(zhǎng)期載人深空探測(cè)任務(wù)(如建立月球/火星基地)，則必須在星球基地建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)( Controlled Ecological Life Support Sys-tem，CELSS)，就地利用當(dāng)?shù)刭Y源進(jìn)行食物生產(chǎn)，這是解決生保物資供給難題的根本出路2-3。目前，國(guó)內(nèi)外已開展近60 年的 CELSS 試驗(yàn)研究，包括在南北極、沙漠、孤島等地面極端環(huán)境中的試驗(yàn)研究，如美國(guó)的生物圈2 號(hào)試驗(yàn)4-5。其中，南極成為開展受控生態(tài)生保系統(tǒng)試驗(yàn)的重要場(chǎng)地，已有46 個(gè)不同的植物生產(chǎn)系統(tǒng)在此建設(shè)運(yùn)行。這些植物生產(chǎn)系統(tǒng)不僅可以就地利用資源生產(chǎn)食物，還可以推進(jìn)空間軌道或月球和火星表面的空間受控生態(tài)生保系統(tǒng)的發(fā)展6。本文總結(jié)和分析了南極曾經(jīng)建設(shè)或現(xiàn)有的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)比分析了這些植物生產(chǎn)系統(tǒng)的目的、規(guī)模、類型和自動(dòng)化程度等具體信息，展望了南極植物生產(chǎn)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以期為空間受控生態(tài)生保系統(tǒng)研究提供一定的參考和借鑒。1 植物生產(chǎn)系統(tǒng)各國(guó)/組織去南極考察初期，考察隊(duì)員就把植物帶到了南極進(jìn)行種植。最初，考察隊(duì)員更多是從心理需求層面出發(fā)，來(lái)進(jìn)行小規(guī)模的植物種植。而現(xiàn)在則主要是從新鮮食物的實(shí)際需要和心理支持出發(fā)，來(lái)進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)植物6，并且大部分收稿日期:2017-10-28 修回日期:2018-05-15基金項(xiàng)目:中國(guó)航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目( SYFD150051801，2012SY54A0304)作者簡(jiǎn)介:唐永康，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)檩d人航天環(huán)控生保技術(shù)。E-mail: yktang126 com*通訊作者:吳志強(qiáng)，男，博士，研究員，研究方向?yàn)檩d人航天環(huán)控生保技術(shù)。E-mail:wzqacc126 com第31 卷 第6 期 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程 Vol31 No62018 年 12 月 Space Medicine Medical Engineering Dec2018由國(guó)家/組織來(lái)統(tǒng)一實(shí)施和管理，以確保嚴(yán)格遵守相關(guān)南極條約或協(xié)議。目前，南極仍然有9 個(gè)水培植物生產(chǎn)系統(tǒng)在運(yùn)行。在南極建立站點(diǎn)的大多數(shù)國(guó)家都曾經(jīng)有一個(gè)或多個(gè)植物生產(chǎn)設(shè)施在一個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行。南極已有或正在運(yùn)行的植物生產(chǎn)系統(tǒng)至少有46種，主要由13 個(gè)不同的國(guó)家和某非政府組織管理和運(yùn)行。為方便物流運(yùn)輸，這些南極植物生產(chǎn)系統(tǒng)主要建立在南極沿海地區(qū)，集中在喬治王島、南極半島、席爾馬赫綠洲和羅斯島附近。大約有一半的植物生產(chǎn)系統(tǒng)在相應(yīng)的南極主站設(shè)施內(nèi)建立，其余的則為獨(dú)立/外部設(shè)施。以下將針對(duì)不同國(guó)家/組織的植物生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行闡述。11 美國(guó)美國(guó)自1957 年就開始在南極極點(diǎn)(阿蒙森斯科特站)建造植物生產(chǎn)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要由1 個(gè)覆蓋著透明塑料蓋的大型烤盤組成，在盤內(nèi)有3 個(gè)食品托盤，用來(lái)培養(yǎng)紅薯、喜林芋、水芹、蘿卜和三葉草。除了這些非正式的植物種植實(shí)驗(yàn)外，1960/1961 年，在南極極點(diǎn)(以及麥克默多站)進(jìn)行了第一次詳細(xì)的植物生產(chǎn)研究，其中涉及到許多植物、昆蟲和小動(dòng)物，以評(píng)估地球旋轉(zhuǎn)對(duì)其生物鐘的影響。美國(guó)在南極第一個(gè)長(zhǎng)期使用的溫室是在1990 年建造的，植物種植區(qū)大約3 m2，包括加熱器、鋁箔墻壁、電照明、單獨(dú)營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存器，以及1 個(gè)2 層的水培植物種植架等結(jié)構(gòu)。在1991 1992 年夏季期間又對(duì)托盤、照明(高壓鈉燈)、熱交換器和隔熱進(jìn)行了大量改進(jìn)。改進(jìn)后，進(jìn)行了番茄、胡椒、甜椒、黃瓜、菠菜和萵苣等植物種植。該種植系統(tǒng)1994 年進(jìn)行了搬遷，并一直運(yùn)行至2005 年后關(guān)閉7。圖1 美國(guó)南極麥克默多站溫室(a)和阿蒙森站食物種植室(b)Fig1 The South Pole McMurdo greenhouse ( a) andfood growth chamber (b) of USA麥克默多站溫室于1989 年建成開放。它由2 個(gè)軍用集裝箱建造，水培設(shè)施約 50 m2。1994年對(duì)溫室進(jìn)行了擴(kuò)大:新建造了一座玻璃房，面積約為16 m2，采用聚苯乙烯泡沫塑料保溫。在黑暗的南極冬季，整個(gè)設(shè)施可在電照明下繼續(xù)種植。麥克默多溫室使用營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)( NFT)水培法，在溫室內(nèi)共有11 個(gè)獨(dú)立的水培系統(tǒng)。雖然麥克默多站后續(xù)計(jì)劃建造新的水培設(shè)施，但該溫室卻在2010 2011 年度末被關(guān)閉了8。2004 年，美國(guó)又在阿蒙森 斯科特站建成了南極食物種植室( The South Pole Food GrowthChamber，SPFGC)，一直運(yùn)行至今天( 圖 1)。SPFGC建在立方體絕緣冰箱上，有1 個(gè)5 60 m ×391 m ×250 m(高)的植物生產(chǎn)室和1 個(gè)2 35m ×391 m ×250 m(高)的環(huán)境室。兩室中間由1 個(gè)玻璃墻分隔。植物生產(chǎn)室照明為高壓鈉燈，采用NFT無(wú)土水培和深液流營(yíng)養(yǎng)技術(shù)。種植的植物包括萵苣、黃瓜、番茄、草本植物、哈密瓜和胡椒，每周可以生產(chǎn)新鮮蔬菜27 kg。白天(16 h)電力消耗約為16 kW，晚上(8 h)為3 kW。該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)人員維護(hù)，但也可以通過(guò)衛(wèi)星連接進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操控9。12 俄羅斯俄羅斯在其南極站點(diǎn)進(jìn)行的植物種植報(bào)道較少。最早的報(bào)道是在和平站利用自然光生產(chǎn)洋蔥，在沃斯托克站內(nèi)溫室中生產(chǎn)鮮花、番茄和蘿卜。20 世紀(jì)70 年代中期，在拉扎列夫站運(yùn)行過(guò)相對(duì)較大的溫室，期間種植過(guò)番茄、西紅柿、黃瓜、洋蔥、韭菜和幾種花卉。20 世紀(jì)80 年代中期，在列寧格勒站也進(jìn)行了植物水培生產(chǎn)。20 世紀(jì)80年代后期關(guān)閉了在和平站、列寧格勒站和青年站運(yùn)作的植物生產(chǎn)溫室。目前，俄羅斯在南極站沒(méi)有運(yùn)行專門的植物生產(chǎn)設(shè)施，也沒(méi)有計(jì)劃重新啟動(dòng)任何上述設(shè)施6。13 英國(guó)英國(guó)在其多個(gè)南極站點(diǎn)均建造過(guò)不同規(guī)模的植物生產(chǎn)系統(tǒng)。1946 年，英國(guó)在其斯托寧頓島站(基地E) 車間的一側(cè)建立了單坡型溫室。該溫室與基地 E 站通過(guò)內(nèi)部的一扇門相連。溫室占地面積6 英尺×4 英尺，屋頂最高處為6 英尺，采用自然光照明，自然光可透過(guò)2 5 英寸的雙層玻璃窗?；剀囬g的爐子產(chǎn)生的熱量通過(guò)管道輸送到溫室。溫室大部分為木結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鋪有用于反光的鋁箔，以使光線最大化反射。在夏天，需要對(duì)076 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程 第31 卷溫室進(jìn)行遮擋。該溫室采用水培進(jìn)行種植植物，包括萵苣、蘿卜、胡蘿卜、卷心菜、大蔥、水芹和三色紫羅蘭等6。在威廉群島的沃迪屋，從 1947 年前后至1953 年，英國(guó)一直使用木材和玻璃組成的單坡型溫室進(jìn)行植物種植。該溫室占地面積71 英尺×41 英尺，主要用于種植沙拉蔬菜。1968 年在基地F主屋一側(cè)的平臺(tái)上建造了溫室，面積為10 6英尺×78 英尺，高7 5 英尺。采用木結(jié)構(gòu)雙層玻璃，自然光和電氣照明。照明燈安裝在滑輪上，可以針對(duì)不同作物調(diào)整高度。采用多層次種植安排，底層植物可以在人造光下全年種植，而上層擱板上的植物可以在夏季自然光照下種植。并用鋁箔最大限度增加光照反射。采用水培和土壤兩種方式種植植物，包括萵苣、西紅柿、黃瓜、蘿卜、芥末和水芹，每隔1 2 周可為站點(diǎn)每個(gè)成員提供1次沙拉餐。該溫室一直使用到1976 年6。英國(guó)在位于喬治王島的金鐘灣站(基地 G)建造過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)易溫室，該溫室是由木材和玻璃搭建而成的單坡型建筑，面積為4 9 英尺 × 4 4 英尺，主要在夏天種植蔬菜和鮮花，冬天則不種植。在西格尼島上的西格尼島站，英國(guó)也曾建造了一個(gè)單坡型溫室(面積約為6 3 英尺 × 4 1 英尺)。1952 年被強(qiáng)風(fēng)摧毀，1956 年又重新建造了1 個(gè)同樣大小的溫室。主要種植了芥末、水芹、蘿卜、洋蔥、萵苣、水仙。該溫室使用至 1967 年。此外，1962 年，在英國(guó)哈雷一站，越冬隊(duì)員自發(fā)建造了水培種植系統(tǒng)，種植了番茄、萵苣、蘿卜、芥末、水芹和豌豆。用熒光燈進(jìn)行照明，用礫石和蛭石混合作為基質(zhì)。之后又建立了一個(gè)小型戶外溫室，采用自然光照明，用64 的礫石和蛭石作為基質(zhì)，澆灌營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)6。14 澳大利亞自1960 以來(lái)，澳大利亞就在其站點(diǎn)開展了各種植物種植活動(dòng)，直到1989 年考慮到南極條約，才暫停了所有的植物生產(chǎn)活動(dòng)，但1991 年又開始在其南極站點(diǎn)實(shí)施有條理的植物培養(yǎng)計(jì)劃。澳大利亞在1980 年開始使用位于凱西站較大的植物培養(yǎng)設(shè)施。該設(shè)施有一個(gè)面積為3 0 m×22 m的種植房間，在許多種植模塊內(nèi)襯塑料，填滿了用于無(wú)機(jī)種植基質(zhì)的礦渣，并加入循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液。采用熒光燈進(jìn)行照明。后來(lái)系統(tǒng)因?yàn)楣庹蘸凸┧蛔愕仍蚨P(guān)閉。2000 2001 年夏季，澳大利亞在凱西站重新引入水培植物生產(chǎn)系統(tǒng)。該設(shè)施建造在兩個(gè)相鄰并連接的20 英尺的運(yùn)輸集裝箱中(圖2a)。凱西站水培設(shè)施獨(dú)立特點(diǎn)限制了疾病或感染的蔓延，而且隔熱容器的內(nèi)部襯有不銹鋼方便清潔。該設(shè)施種植了包括番茄、萵苣、草本植物(羅勒、歐芹、香蔥、蒔蘿和百里香)、黃瓜、洋蔥、雪豌豆和銀甜菜等植物10。1969 年，戴維斯站在一處閑置的峽谷內(nèi)建造了1 個(gè)室內(nèi)花園和1 個(gè)溫室。該植物水培系統(tǒng)由砂、礫石和蛭石的混合物組成種植基質(zhì)，由10 個(gè)熒光燈提供照明，外部溫室包括一個(gè)由雙層玻璃板組成的傾斜屋頂。采用手工澆水，可以全年種植水芹、蘿卜、萵苣、洋蔥、卷心菜和西紅柿。1984年，戴維斯站建造了大型植物種植室。該設(shè)施是安裝在集裝箱(60 m ×24 m ×2 3 m)內(nèi)的水培系統(tǒng)，用礦物棉做基底，澆灌營(yíng)養(yǎng)液，熒光燈管照明，可全年進(jìn)行植物種植。2000 年初，戴維斯建立了第二個(gè)水培設(shè)施(圖2b)，該系統(tǒng)安裝在兩個(gè)由螺栓連接在一起的20 英尺的集裝箱中(類似凱西站)，種植了萵苣、辣椒、黃瓜、西紅柿、銀貝、芹菜和各種草本植物。2012 年12 月1 日至2013年10 月16 日期間，該設(shè)施生產(chǎn)的可食用蔬菜和水果總產(chǎn)量為237 kg?？上У氖?，2014 年冬季，該水培設(shè)施遭遇了嚴(yán)重的病蟲害，不得不關(guān)閉，以防止害蟲擴(kuò)散。后來(lái)澳大利亞建造了一個(gè)大型水培設(shè)施取代2014 年關(guān)閉的設(shè)施。植物種植面積約9 m2，采用熒光燈和高壓鈉照明，并利用 NFT灌溉系統(tǒng)進(jìn)行種植6。澳大利亞第一個(gè)南極站莫森站早在1984 年就開始進(jìn)行植物生產(chǎn)活動(dòng)。植物培養(yǎng)設(shè)施安裝在外部完全隔熱的膠合板建筑物中。建筑物大小為8 m ×3 m，并在一頭有個(gè)冷門廊。該設(shè)施的內(nèi)部裝有反光箔，包括10 個(gè)內(nèi)部帶百葉窗的雙層小玻璃窗。設(shè)施用水每周需用卡車運(yùn)輸。營(yíng)養(yǎng)液就地采用兩部分的營(yíng)養(yǎng)鹽溶解混合而成，并盡可能在設(shè)施內(nèi)再循環(huán)。該設(shè)施使用粘土球、珍珠巖和蛭石作為種植基底，采用 NFT 技術(shù)培養(yǎng)植物。20012002 年夏季，空置油漆儲(chǔ)存裝置經(jīng)過(guò)翻新，成為當(dāng)前莫森水培種植系統(tǒng)(圖2c)。該建筑物包括1 個(gè)2 室L型建筑，大小分別為6 m ×3 m和4m ×25 m的2 個(gè)房間和1 個(gè)冷門廊，是有聚氨酯176第6 期 唐永康，等. 南極植物生產(chǎn)系統(tǒng)概述與分析隔熱和金屬包層(鋅合金) 的木柱結(jié)構(gòu)。配備了與目前凱西和戴維斯站系統(tǒng)相似的植物種植系統(tǒng)和照明設(shè)備，計(jì)劃長(zhǎng)期使用11。15 新西蘭1986 年，斯科特站將兩個(gè)大型隔熱的外部水箱由連在一起(圖3a)并配備基本的水培植物種植設(shè)備，采用熒光燈為植物培養(yǎng)光源。該系統(tǒng)種植了番茄和萵苣，以及其他綠葉蔬菜和各種草本植物，一直運(yùn)行至1999 年12。2005 年，斯科特站建造了集裝箱式水培裝置(圖3b)，由2 個(gè)20 英尺的集裝箱組成，總面積約為27 7 m2。該裝置可以利用發(fā)電廠的廢熱，并采用新的照明系統(tǒng)(舊照明燈也同時(shí)使用)，因此同時(shí)使用熒光、金屬鹵化物和高壓鈉照明。采用 NFT 技術(shù)培養(yǎng)植物，使用珍珠巖和蛭石為培養(yǎng)基質(zhì)，先后種植了萵苣、番茄、雪豌豆、黃瓜、西葫蘆、辣椒、草莓、南瓜、菠菜、瑞士甜菜和一系列花卉作物。后來(lái)因?yàn)榘l(fā)生兩次嚴(yán)重蟲害，系統(tǒng)停止運(yùn)行再未啟動(dòng)13。2012 年，新西蘭在起草了植物培養(yǎng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析和標(biāo)準(zhǔn)操作程序文件之后，在斯科特站又運(yùn)作新的小型植物水培裝置。該系統(tǒng)只能在冬季運(yùn)行，并最多種植 10 種植物，約 0 8 m2的種植面積，有2 個(gè)吊燈用作照明(圖3c)。該系統(tǒng)主要是基于現(xiàn)有的商業(yè) NFT 水培裝置改造而成。冬季運(yùn)行后，該系統(tǒng)要經(jīng)過(guò)拆卸，并用偏亞硫酸氫鈉徹底清洗，在夏季貯存，第二年冬季再使用14。16 意大利1997 年，意大利在馬里奧·祖切利站利用20英尺集裝箱建立了植物溫室。該溫室采用彎曲的18 mm 厚的聚甲基丙烯酸甲酯板采集自然光，命名為南極生命保障單元( Plant-based Unit for LifeSupport in Antarctica，PULSA)。1999 年進(jìn)行擴(kuò)建，增加了1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的20 英尺集裝箱溫室，并通過(guò)橋梁(150 m × 2 46 m × 2 59 m)連接。PUL-SA裝置原來(lái)有封閉的 NFT 系統(tǒng)，有6 個(gè)培養(yǎng)槽(160 m ×020 m ×0 12 m)，配置有測(cè)量和控制pH和EC 的混合罐。擴(kuò)增的 PULSA 裝置有5 個(gè)培養(yǎng)槽( 4 0 m × 0 19 m × 007 m)，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH和EC。PULSA裝置最初采用空氣加熱器/冷卻系統(tǒng)，擴(kuò)增的裝置則增加了除濕器。裝置最大功率為5 0 kW，溫度保持在 15 30 ，濕度在40% 70%。PULSA主要培養(yǎng)葉菜類類蔬菜(葉用萵苣、莖用萵苣和結(jié)球萵苣)，也培養(yǎng)種植一些高產(chǎn)作物，如番茄、草莓和黃瓜。雖然 PULSA 是在自然光照下種植植物，但也可以用電燈來(lái)照明，從而保證全年運(yùn)作。此外，該裝置還開展了相關(guān)研究工作，如受控環(huán)境下萵苣種植的多層水培、LED照明、生物量生產(chǎn)模式，以及廢棄營(yíng)養(yǎng)液凈化和回收利用等方面15。圖2 澳大利亞南極植物生長(zhǎng)艙Fig2 The South Pole plant growth chamber of Australia圖3 新西蘭在斯科特站植物培養(yǎng)設(shè)施Fig3 The Scott Base hydroponics unit of New Zealand276 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程 第31 卷17 中國(guó)2014 年，中國(guó)在長(zhǎng)城站開始建造一座溫室(圖4)。該溫室同時(shí)采用自然光照明和由 LED和高壓鈉燈組成的電照明。對(duì)稱雙斜屋頂和墻壁均由安裝在鋼結(jié)構(gòu)框架內(nèi)的聚甲基丙烯酸甲酯透明材料組成。建筑面積36 m2，每月可以生產(chǎn)約60 kg 蔬菜。主要生產(chǎn)萵苣、黃瓜、櫻桃番茄和胡椒等作物。溫室最大電力負(fù)荷達(dá)8 5 kW。水培種植系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢水均輸送到長(zhǎng)城站進(jìn)行循環(huán)降解處理，不可食的生物均被烘干后燒爐。該溫室還可以回收利用冷凝水16。圖4 中國(guó)長(zhǎng)城站水培食物生產(chǎn)系統(tǒng)Fig4 Plant production system in Great Wall Station ofChina18 韓國(guó)2010 年，韓國(guó)在世宗王站建成當(dāng)時(shí)南極最先進(jìn)的植物生產(chǎn)系統(tǒng)(植物工廠)(圖5a)。該系統(tǒng)同樣利用20 英尺集裝箱改造而成，內(nèi)壁上安裝了15 20 cm厚的聚氨酯隔熱板。室內(nèi)水培栽培系統(tǒng)有3 層，可以安裝72 個(gè)60 cm × 30 cm 的培養(yǎng)盤，每天可以生產(chǎn)至少1 kg 的新鮮蔬菜。同時(shí)采用LED和熒光燈照明，用于針對(duì)特定作物進(jìn)行光質(zhì)調(diào)節(jié)，種植室內(nèi)還安裝了反光材料以使光照最大化。先后種植了萵苣、胡椒和白菜等作物，而系統(tǒng)產(chǎn)生的廢物全部送到智利南極站進(jìn)行處理17。2014 年，韓國(guó)在長(zhǎng)博戈站建立并運(yùn)行了另外一個(gè)植物種植設(shè)施。該設(shè)施面積達(dá)35m2，植物生產(chǎn)圖5 韓國(guó)世宗王站(a)和長(zhǎng)博戈站(b)植物工廠Fig5 Plant factories in the KING Sejong Station ( a)and the Jang Bogo Station ( b) of Republic ofKorea部件分為2 個(gè)單獨(dú)的房間(圖5b)。第一個(gè)包括4 個(gè)單層種植架，采用滴灌方式。另一個(gè)包括 4個(gè)3 層底部澆灌系統(tǒng)。19 日本1960 年中期，日本就研發(fā)了“植物箱”并送到昭和站使用。同時(shí)，日本在南極再補(bǔ)給“富士”船上也裝有植物種植設(shè)備，整個(gè)輪船種植系統(tǒng)大小為13 m ×13 m ×10 m(高)，提供了27 m2的栽培面積，由16 個(gè)熒光燈提供3500 勒克斯的光照。昭和站后來(lái)安裝了6 個(gè)植物箱，每個(gè)植物箱有約02 m2的栽培面積，尺寸為070 m ×040 m×055 m(高)。每個(gè)植物箱有4 個(gè)熒光燈提供3500 勒克斯的光照。培養(yǎng)基是珍珠巖和頁(yè)巖6 4的比例混合而成。2008 年，日本在昭和站安裝了新的水培植物種植系統(tǒng)，占地面為2 0 m ×1 5 m×21 m(高)。種植系統(tǒng)高 5 層，栽培面積約 3m2。系統(tǒng)最初使用熒光燈，后來(lái)改用LED燈。二氧化碳濃度保持在1500 ppm 左右。主要用于提供多葉蔬菜，如萵苣，也提供一部分豆芽，當(dāng)然也為乘員提供了心理支持18。110 其他國(guó)家和組織智利于2005 年2 月，在南極奧希金斯站建立了溫室進(jìn)行植物水培試驗(yàn)。該設(shè)施安置在貝納爾多·奧希金斯站大樓主入口附近，97 m ×252 m×280 m(高)，栽培面積約19 02 m2。溫室采用自然光照明，冬季則通過(guò)16 盞250 W 高壓鈉燈照明。植物培養(yǎng)則采用NFT 技術(shù)，可同時(shí)培養(yǎng)多種植物6。德國(guó)曾在1976 年左右，在喬治福斯特站也建造過(guò)溫室，主要用于調(diào)節(jié)隊(duì)員們的心理。該溫室利用從南極外部帶來(lái)的土壤，主要種植萵苣、黃瓜、西紅柿、草莓、草本植物、花卉以及許多其他物種。采用自然光和電照明19。波蘭則在1977 年建立了南極著名的植物生產(chǎn)設(shè)施(亨里克·阿爾茨托夫斯基站)。該大型溫室設(shè)施面積約為38 m2，同時(shí)使用自然光和高壓鈉燈人工照明6。印度曾在其兩個(gè)南極站點(diǎn)(南根戈德里站和梅特里站)均建造過(guò)植物溫室。主要利用當(dāng)?shù)赝寥篮蛷挠《冗\(yùn)輸?shù)耐寥?，采用人工照明和自然光照進(jìn)行植物種植，但種植的植物數(shù)量有限19。此外，一些國(guó)際組織也在開展這項(xiàng)研究工作。國(guó)際環(huán)保組織1989 年夏季，在羅斯島世界公園基地建立了水培植物種植系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用管道式376第6 期 唐永康，等. 南極植物生產(chǎn)系統(tǒng)概述與分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)和植物培養(yǎng)。植物培養(yǎng)過(guò)程和生產(chǎn)的各類蔬菜為隊(duì)員提供了良好的心理支持6。當(dāng)然，還有一些國(guó)家/組織已經(jīng)計(jì)劃但并未實(shí)施的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，在此不再列舉分析。2 比較分析21 植物生產(chǎn)目的各國(guó)/組織在南極開展植物生產(chǎn)系統(tǒng)研究，其主要目的在于:為考察隊(duì)員提供必要的心理支持。許多文獻(xiàn)資料表明，在空間密閉環(huán)境、極地或沙漠等孤獨(dú)條件下，植物能起到很好的“陪伴”作用，可以緩解人的孤獨(dú)感。比如韓國(guó)世宗王站83%的站點(diǎn)人員表示，生產(chǎn)的蔬菜對(duì)他們的心理健康“有幫助”3，20-21。為考察隊(duì)員提供必需的新鮮蔬菜或水果供應(yīng)?，F(xiàn)在大多數(shù)南極航班只能飛行5 個(gè)月左右的時(shí)間，到南極冬天的時(shí)候，外界無(wú)法給南極站點(diǎn)提供必要的新鮮農(nóng)產(chǎn)品，尤其是一些較小的南極站點(diǎn)。因此，只能依靠隊(duì)員自己動(dòng)手種植植物，生產(chǎn)他們需要的新鮮食物;開展受控生態(tài)生保技術(shù)方面的科學(xué)研究。利用南極特殊的環(huán)境條件，開展受控生態(tài)生保技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，如受控環(huán)境下植物的多層水培技術(shù)、節(jié)能高效的LED照明、生物量生產(chǎn)模式，以及廢物循環(huán)利用等方面22。22 培養(yǎng)技術(shù)和規(guī)模221 培養(yǎng)方式在南極，早期的植物培養(yǎng)大多采用從外部帶去的土壤進(jìn)行植物種植，而且大部分是小規(guī)模的人工種植。培養(yǎng)的容器較小，而且非常不規(guī)則，需要人工進(jìn)行施肥和澆水。隨著技術(shù)發(fā)展、規(guī)模擴(kuò)大和南極條約的限制，后來(lái)南極植物培養(yǎng)大多采用固體基質(zhì)(如礦渣) +營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)或營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)( NFT)的方式，并且大多采用多層立體培養(yǎng)。該培養(yǎng)方式既符合南極條約限制和要求，同時(shí)也便于進(jìn)行自動(dòng)化培養(yǎng)操作。這些培養(yǎng)方式的變化有利于解放勞動(dòng)力，擴(kuò)大植物生產(chǎn)的規(guī)模，大大提高植物生產(chǎn)的速度和效率。222 培養(yǎng)光源主要是采用自然光+人工光源相結(jié)合的光照模式。而人工光源最初主要是采用熒光燈和高壓鈉燈等光源來(lái)培養(yǎng)植物，植物對(duì)這些光的有效利用率較低，能耗消耗較大，利用率較低;現(xiàn)在則利用LED進(jìn)行植物光照(補(bǔ)光)，既提高植物的光能利用效率，也能促進(jìn)植物生長(zhǎng)。使用時(shí)大多是白天利用自然光照培養(yǎng)植物，陰天或無(wú)太陽(yáng)光時(shí)則利用LED進(jìn)行照明或補(bǔ)光。其中，LED 光源也是開展空間植物生產(chǎn)和研究所必需的光源類型。223 植物種類從已知文獻(xiàn)來(lái)看6，南極至少種植了42 種不同類植物，包括蔬菜類作物，如萵苣、菠菜、番茄、蘿卜和黃瓜等，還有花卉類如蘭花，草本類如三葉草，糧食類如甘薯，等等。從已種植的植物類別來(lái)分析，絕大部分是蔬菜類作物，尤其是葉菜類居多，還有觀賞用的花卉和草本類，而糧食類作物非常少。其中的蔬菜類作物大部分符合空間候選植物品種范圍23?？赡芸紤]到培養(yǎng)周期、規(guī)模和條件限制，南極各個(gè)植物生產(chǎn)系統(tǒng)糧食類作物種植非常少，尤其是在受控生態(tài)生保系統(tǒng)中研究最多的糧食作物小麥也沒(méi)有在南極種植過(guò)。224 廢物循環(huán)在南極條約和馬德里協(xié)議24實(shí)施前，各個(gè)南極站點(diǎn)植物生產(chǎn)活動(dòng)相對(duì)隨意，培養(yǎng)植物產(chǎn)生的不可食生物和種植用的其他廢棄物大部分沒(méi)有進(jìn)行處理。而在南極條約和馬德里協(xié)議實(shí)施之后，現(xiàn)有的植物生產(chǎn)系統(tǒng)均需要對(duì)不可食的植物秸稈、根系和種植廢棄營(yíng)養(yǎng)液和固體物質(zhì)進(jìn)行處理之后才能排放。但廢物循環(huán)處理的規(guī)模、能力和程度均有待提高。225 培養(yǎng)規(guī)模從最初的小規(guī)模盆栽式土壤培養(yǎng)，到現(xiàn)在的大規(guī)模植物工廠化水培，南極植物生產(chǎn)的規(guī)模(單個(gè)系統(tǒng))逐漸擴(kuò)大。中國(guó)長(zhǎng)城站、澳大利亞戴維斯站、韓國(guó)長(zhǎng)博戈站、波蘭亨里克·阿爾茨托夫斯基站的植物生產(chǎn)系統(tǒng)植物培養(yǎng)面積都超過(guò)了35 m2，而美國(guó)阿蒙森斯科特站和麥克默多站的植物生產(chǎn)系統(tǒng)培養(yǎng)面積分別達(dá)到50 m2和66 m26。大規(guī)模的植物培養(yǎng)滿足了考察隊(duì)員對(duì)新鮮蔬菜和心理支持的需求，但也會(huì)產(chǎn)生大量的廢物，一定程度上限制著植物的培養(yǎng)規(guī)模。23 自動(dòng)化程度植物生產(chǎn)由比較原始的人工種植到現(xiàn)在自動(dòng)化生產(chǎn)邁進(jìn)。一個(gè)大型的植物溫室，只需要幾名隊(duì)員即可進(jìn)行維護(hù)和管理，大大減少考察隊(duì)員的管理時(shí)間。南極植物生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高主要476 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程 第31 卷體現(xiàn)在:大氣環(huán)境監(jiān)控自動(dòng)化。自動(dòng)控制大氣的溫度、濕度和植物生長(zhǎng)需要的二氧化碳濃度;光照自動(dòng)化?？梢愿鶕?jù)植物的種類配置相應(yīng)的關(guān)照條件(光譜、光強(qiáng)和光周期);營(yíng)養(yǎng)調(diào)控自動(dòng)化。采用水培方式，適時(shí)檢測(cè)營(yíng)養(yǎng)液中各種參數(shù)( pH、電導(dǎo)和溶解氧)，掌握營(yíng)養(yǎng)成分的濃度和變化并據(jù)此自動(dòng)添加相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)成分，保證植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng);廢物循環(huán)自動(dòng)化。主要是采用烘干焚燒植物不可食部分進(jìn)行植物生產(chǎn)過(guò)程中廢物的循環(huán)處理。隨著植物種植技術(shù)自動(dòng)化程度不斷提高，植物生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成也非常復(fù)雜。而不斷完善的南極環(huán)境法規(guī)對(duì)于規(guī)范南極植物生產(chǎn)系統(tǒng)的建設(shè)也發(fā)揮了重要的作用，尤其是南極條約和馬德里協(xié)議35對(duì)南極植物種植需要遵守嚴(yán)格的要求禁止引進(jìn)非本地物種，限制廢物產(chǎn)出。3 展望南極植物生產(chǎn)活動(dòng)是人類勇于適應(yīng)極端環(huán)境條件，滿足自身生理和心理需求的重要體現(xiàn)。南極條約和馬德里協(xié)議的實(shí)施則進(jìn)一步推動(dòng)和規(guī)范了南極植物生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)于規(guī)范南極植物生產(chǎn)活動(dòng)起到了很好的制約作用，不符合相關(guān)要求的植物種植活動(dòng)均會(huì)被取消，因此，將來(lái)南極的植物生產(chǎn)將是規(guī)模化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、可監(jiān)測(cè)并符合相關(guān)要求的現(xiàn)代化植物工廠。該植物工廠不僅僅是大量蔬菜種植的試驗(yàn)室、生產(chǎn)和加工車間，更是人類為開展月球或火星基地等深空探測(cè)活動(dòng)，在地球極端環(huán)境條件下進(jìn)行受控生態(tài)生保系統(tǒng)探索性研究的重要試驗(yàn)基地。參考文獻(xiàn)1 果琳麗，王平，朱思涌 等 載人月球基地工程M 北京: 中國(guó)宇航出版社，2013:312-314Guo LL，Wang P，Zhu SY，et al Engineering of Manned Lu-nar BaseM Beijing: Chinese Aerospace Press，2013:312-3142 王普秀，鄭傳先 航天環(huán)境控制與生命保障工程基礎(chǔ)M 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，2003: 13-18Wang PX Zheng CX Space Environmental Control and LifeSupport EngineeringM Beijing: National Defense Indus-try Press，2003，13-183 Wheeler RM，Stutte GW，Yorio NC，et al Plant Growth andhuman Life Support for Space TravelM 2nd Ed In: Pes-sarakli M ( ed) Handbook of Plant and Crop Physiology，NewYork: Marcel 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