徐文棟 張開禮* 劉 生

（1.武威職業(yè)學院，武威 733000；2.天祝高原凈土農業(yè)發(fā)展有限公司，武威 733200）

大黃是國內外應用較為廣泛的天然中藥材之一，為多年生高大草本植物，根粗壯、呈棕黃色，莖粗、光滑無毛；主要生長于海拔2 300～4 500 m 的高原地區(qū)，喜冷涼氣候、耐寒、忌高溫[1]；具有健胃、瀉下、抗腫瘤、降血脂、強心、利膽、保肝、延緩衰老、降低血壓、調節(jié)免疫力等作用[2-5]。作為中藏藥產品、功能性保健品及特色食品的重要原料，大黃的實際需求量逐漸增大，但天然野生大黃的數(shù)量已明顯減少[6]。

植物工廠是在高精度環(huán)境控制的室內，由計算機自動控制作物生長過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產的高效農業(yè)系統(tǒng)，是糧食、蔬菜、果品、花卉、食用菌、中藥材等農產品供應的重要保障，在提高農業(yè)資源利用效率和保護環(huán)境方面具有重要意義。為提高大黃的產量和質量，節(jié)約水資源，降低碳排放量和能耗，減少土地占用和污染，利用密閉式植物工廠，通過無土栽培、工廠化育苗等技術進行大黃的人工栽培，為大黃產業(yè)發(fā)展提供新路徑[7-9]。

近年來，利用植物工廠進行大黃的人工栽培已取得一定成效，提高了生產效率，減少了污染，降低了能耗等，解決了大黃產業(yè)原材料不足的問題，但仍然面臨一系列的挑戰(zhàn)。首先，植物工廠需要投入大量資金來建設和維護，還要支付高昂的能源和人工費用。其次，在大黃的生產過程中，需要控制環(huán)境溫度、濕度、光照、CO2濃度等，這需要依賴先進的技術。最后，由于利用植物工廠栽培大黃的生產方式比傳統(tǒng)生產方式更加復雜，缺少完整、統(tǒng)一的標準規(guī)范體系，限制了其發(fā)展。

針對存在的技術痛點，根據現(xiàn)代農業(yè)技術，設計了一種植物工廠內可移動裝配式大黃育苗裝置。該裝置可以隨時拆卸和重組，方便搬運和調整，便于回收和再利用，適應性強，具有集約化和標準化的特點，是大黃工廠化育苗的一種省力型生產裝置。

1 植物工廠的研究現(xiàn)狀

日本東海大學髙遷正基教授在《植物工廠》中首次提出了植物工廠的概念，即在工廠般的全封閉建筑設施內，利用人工光源，實現(xiàn)環(huán)境的自動化控制，進行高效、省力、穩(wěn)定的作物種植，讓植物像工業(yè)品一樣在工廠里生產[10]。近年來，我國對植物工廠的研究取得了巨大進展，智能裝備和系統(tǒng)在播種、移栽、采收、運輸、包裝等多個環(huán)節(jié)中得到了應用[11]。沈海霞等對杏鮑菇工廠化栽培條件進行了探索和優(yōu)化，采用現(xiàn)代化生產設備模擬杏鮑菇的生長環(huán)境，標準化控制栽培過程的每一個環(huán)節(jié)，大大提高了杏鮑菇的產量和品質[12]。葉世青在由播種車間、育秧大棚及附屬房組成的育秧工廠內，采用育秧盤、機械精量播種機及其他先進設施進行水稻育秧，促進小型農戶和現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的有機銜接，既不影響農民務工，又能解決水稻種植問題[13]。施顯恩總結了當前植物工廠圣女果育苗技術，提高了圣女果等茄果類作物育苗環(huán)節(jié)的集約化、自動化水平，提升了生產效率，降低了人工成本，培育出了優(yōu)質壯苗[14]。

中藥材及其他農作物的工廠化栽培在我國已初具規(guī)模，經過多年的發(fā)展，從種子催芽、育苗、移栽到采收后的保鮮貯藏，已經形成一套完整的理論基礎及操作方案。然而，在傳統(tǒng)溫室作物栽培過程中，人工育苗、播種、施肥、灌溉、農作物收獲和搬運等環(huán)節(jié)需要人工直接參與，并在溫室內有些惡劣的環(huán)境中需要進行重復且繁重的勞動。為了減少對工作人員的傷害，亟待提高溫室的自動化生產水平。目前，植物工廠產品主要為葉菜類蔬菜，少部分為茄果類，種類較為單一，植物工廠內中藥材的栽培研究較少。本研究開展植物工廠內中藥材栽培的相關研究，有助于給大黃及其他中藥材的植物工廠化生產帶來新的突破及發(fā)展。

2 可移動裝配式大黃育苗裝置設計

植物工廠內可移動裝配式大黃育苗裝置主要由發(fā)光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）補光系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等組成。補光系統(tǒng)選用大黃生長吸收最優(yōu)的紅藍光配比的LED補光燈。LED 使用直流電，具有光電轉換效率高、耗能低、壽命長、體積小、波長固定與低發(fā)熱等優(yōu)點。與目前普遍使用的熒光燈相比，LED 補光燈不僅光密度、光質可調，而且是低發(fā)熱量的冷光源，照射距離短，大大提高了大黃的栽培層數(shù)和空間利用率，為大黃的生長提供了最佳光源。水肥系統(tǒng)由供水箱、回水箱、紫外線消毒器、肥料桶、肥料泵、管道和管件組成，為作物生長提供水分和養(yǎng)分。栽培系統(tǒng)由栽培架、栽培槽和LED 補光燈組成。控制系統(tǒng)為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）遠程控制系統(tǒng)，能夠實時調節(jié)環(huán)境的溫度、濕度等，保證作物正常生長。

2.1 栽培系統(tǒng)設計

作物栽培系統(tǒng)的栽培框架由可拆卸的立柱組成。栽培架內為栽培槽，槽內填基質，槽體底部設有邊緣孔。栽培架上端通過管道與水肥系統(tǒng)連接，水肥系統(tǒng)與控制系統(tǒng)采用電性連接。作物定植在基質槽中，通過吸收基質和營養(yǎng)液的養(yǎng)分生長?？梢苿友b配式栽培架結構合理、緊湊，便于安裝和拆卸，能滿足不同用戶的需求。

2.2 水肥一體化系統(tǒng)設計

水肥一體化系統(tǒng)即水分和營養(yǎng)液供應循環(huán)系統(tǒng)，主要由自動施肥裝置、供水箱、加肥器、肥料桶、供液泵、營養(yǎng)液輸送管、輸水管、回水管、營養(yǎng)液回收管、滴管等組成。營養(yǎng)液和水分在供液泵的作用下，通過輸水管被運送到有機生態(tài)型無土栽培架上端，然后通過滴灌系統(tǒng)到達作物根部，其中未利用部分通過回水管循環(huán)回到營養(yǎng)液桶。

2.3 光照系統(tǒng)設計

光是植物生長必需的環(huán)境因子，尤其是波長在640～660 nm 的紅光和波長在430～450 nm 的藍紫光。它們是植物進行光合作用和光形態(tài)建成的主要光譜范圍，直接影響植物的生長、光合作用、產量和品質。光照系統(tǒng)設計在基質栽培槽上部，利用不同紅藍光配比的LED 補光燈為植物提供光源。實際應用中，可根據植物的生長階段來調整光照周期和強度，以促進作物生長，提高光利用率和生產效率。光照系統(tǒng)電源的電壓為220 V。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由控制器、溫度傳感器、濕度傳感器和光強度傳感器等組成。各類傳感器安裝在栽培槽內壁，并與環(huán)控處理器進行電性連接。傳感器將采集到的數(shù)據傳輸至環(huán)控處理器。通過PLC、物聯(lián)網、云計算等技術手段，實現(xiàn)大黃生長過程的遠程監(jiān)控、數(shù)據分析和預測，提高植物栽培的智能化管理水平。

3 可移動裝配式大黃育苗裝置的特點和優(yōu)勢

植物工廠內可移動裝配式大黃育苗裝置是一種先進的室內大黃育苗裝置，具有如下特點。第一，可以隨時拆卸和重組，便于回收和再利用，適應性強。第二，具有集約化和標準化的特點，便于管理和監(jiān)測大黃的生長情況，及時調整種植環(huán)境和施水、施肥量，提高生產效益。第三，可以隨時調整位置和方向，以適應不同的燈光、溫度和濕度等環(huán)境條件。第四，采用層疊式種植方式，能夠最大化地利用空間，提高單位面積的產量[15]。第五，通過LED 補光燈、恒溫控制技術，能夠有效節(jié)省能源和水資源，減少二氧化碳排放。第六，采用無土栽培技術和自動化管理技術，縮短了大黃的生產周期，提高了生產效率。

與植物工廠內傳統(tǒng)的大黃栽培方式相比，應用該設備具有如下優(yōu)勢。第一，大幅提高空間利用率。該裝置可實現(xiàn)立體種植，能在有限的空間內種植更多植物[16]。第二，方便管理。栽培架可以隨時移動，便于植物的管理、養(yǎng)護和采摘等。第三，靈活性強。該裝置采用模塊化設計，可以根據植物種類和生長階段，靈活組合成不同的栽培架結構。第四，降低人工成本。該設備可以實現(xiàn)自動化種植，減少人力投入。第五，提高生產效率。通過智能控制系統(tǒng)，該設備可以監(jiān)測植物的生長環(huán)境，精準調整光照、溫度、濕度等，促進植物生長。

4 結語

中國農業(yè)在過去幾十年中取得了長足的發(fā)展，但仍然面臨一些問題：由于土地資源有限和勞動力成本上升等，造成農業(yè)生產效率依然較低；過度使用化肥農藥，導致部分農產品存在嚴重的質量安全問題，對消費者健康構成了一定威脅；土地沙化、水資源污染、草地退化等一系列問題，給中國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了威脅。為提高農產品的產量和質量，節(jié)約水資源，降低碳排放量和能耗，減少土地占用和污染，一些新型的種植方式逐漸被人們接受。植物工廠和無土栽培技術的推廣與應用，給現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展提供了有力的技術支持。

植物工廠內可移動裝配式大黃育苗裝置采用可移動裝配式設計和機械化設計，實現(xiàn)了大黃育苗過程的自動化管理，降低了人工干預程度和勞動強度，提高了工作效率。該裝置能夠根據大黃幼苗的生長需求，精確調控水分、養(yǎng)分和光照等，提高了空間利用率，可為大黃幼苗提供最適宜的生長環(huán)境，保證了幼苗的質量，提高了植物工廠的生產效率。雖然應用該裝置能夠提高大黃育苗效率和幼苗質量，為大黃育苗提供了新的解決方案，但是植物工廠的工作效率和自動化程度較低。要想發(fā)展智慧農業(yè)，必須盡快突破植物工廠自動化處于低水平的瓶頸，使其不斷向自動化、智能化和多樣化的方向發(fā)展。