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        植物工廠的一些常用設施和栽培技術

        發布日期: 泛科科技

          

        植物工廠

         

          經過多年探索和發展,我國封閉型植物工廠無論在材料、裝置和技術都取得了快速進步,生產產量成數倍增長。隨著植物工廠技術不斷完善和提高,甚至有微型化、迷你型植物工廠已應用于人們生活的各種環境,植物工廠已無處不在。

          一、封閉型植物工廠設施分類

          1. 閑置的廠房和地下室

          當前,幾乎每個地方都出現了閑置的房屋、廠房、停車場和地下室, 植物工廠是利用這些閑置資源并創造更高價值的最佳選擇。把這些閑置地資源改造成封閉型植物工廠,進行高產量、高品質、高效益植物生產,既盤活了閑置資源又降低了成本,并且創造出很高的價值,可謂一舉多得。

          2 .廢舊的集裝箱

          我國每年都有大量集裝箱淘汰棄用,把這些廢舊的集裝箱改造成人工光封閉型植物工廠,也是提高資源利用率的新舉措。集裝箱有各種不同規格,長度一般5~12 m,高和寬相差無幾,一般都在2~3 m。利用廢舊集裝箱改建的人工光封閉型植物工廠,具有密封性好、安全度高、景觀性、整體性、結構性好,溫度便于控制、移動方便、使用期長、環境適應性強等特點。單箱可以成為獨立的植物工廠,多個也可以組成大型植物工廠,多個疊加可以形成高樓式植物工廠。

          3 .泡沫板房

          用泡沫夾心板為材料建設的人工光型植物工廠,具有材質輕、成本低、工期短、封閉性好等優點,還能做到大、小、高、低任意自如,便于內部設施的建設規劃,廣泛受到植物工廠建設者青睞。

          4 .充氣膜

          充氣膜是一種在以高分子材料(高強度碳纖維和氣凝膠制成的薄膜制品) 充入空氣后而形成的全封閉性結構空間。在這樣結構空間中建設的高層次立體植物栽培系統,就叫充氣膜封閉型植物工廠。這種充氣膜是膜輕型空間結構的重要分支,具有多種豐富多彩的造型,可建成占地面積20 hm2 以上、高度達40 m以上的巨型充氣膜溫室,具有優異的建筑特性、結構特性和適宜的經濟性。充氣膜結構是一個相對密閉的空間結構,有別于傳統的空間結構,它通過風機向結構內部鼓風送氣,使膜結構內外保持一定的壓力差,以保證膜結構體系的剛度和維持所設計的形狀。

          充氣膜具有豐富多彩的造型,充氣屋是將充氣膜設計成屋的形狀。這種充氣屋的材料是高強度碳纖維、氣凝膠膜和空氣,外面以太陽能為能源,內部是信息智能化和植物工廠系統設施,中間是空氣。這樣的充氣屋封閉型植物工廠,具有成本低、密封性強、整體性好、使用方便等優點。

          5. 太空氣密膜

          多年來,前蘇聯在“禮炮”號和“和平”號空間站,多次進行了植物栽培和糧食作物生產長期實驗,從培植小球藻等藻類實驗到各種花卉、蔬菜和糧食作物,讓這些植物在太空經歷了從播種到收獲的全過程,且已取得了突破性進展;在“和平”號空間站上已經培育了上百種植物,并成功地種植了小麥等糧食作物。

          我國在全封閉的“天宮一號” 中實驗種植植物也獲得成功。我國科學家張懋取得了“太空魔方充氣居住屋”發明專利,這個太空小屋墻面殼體由1層或多層類似于太空服材料的高強度氣密膜組成;氣密膜有不透明或透明兩種,可以使多個小屋彼此被牢固地連接,并保持全封閉氣密狀態,其充滿氮氣,與金屬性太空飛行器相比,具有重量輕、成本低、安全性高、抗溫性好、抗壓性強等特點,是未來開發利用太空資源、建設太空植物工廠、成為生命保障系統的重要器材和設施。

          二、封閉型植物工廠栽培形式的選擇

          封閉型植物工廠可分為平面多層立體栽培、多面體立體栽培、垂掛式立體栽培、幕墻式立體栽培、圓柱形立體栽培等多種形式。

          1. 平面多層立體栽培

          目前,國際上以色列、美國、日本等多個國家包括中國在內的絕大多數封閉型植物工廠普遍采用平面多層立體栽培。這種栽培形式在舊廠房、空置房、地下室等非農業用地場所植物工廠中得到了普遍使用。

          在集裝箱類封閉型植物工廠內,只能設計兩排栽培架,由于受到高度和空間的制約,栽培形式只能是3~4 層,這是因為平面多層立體栽培形式只能采用營養液水培技術,每層都需有營養池、栽培板、LED 補光燈和蔬菜類植物以及栽培架所占的空間,一般每層都在65~70 cm,從而使得能夠擴大的栽培面積空間有限,導致產量和效益只能在一定范圍內提高。

          在其他類封閉型植物工廠中,根據其設施的高度和空間,平面多層可以向空間延伸更多層,到目前為止,我國浙江大學封閉型植物工廠已達到10 層,世界上最大的2300 m2的LED 人工光日本植物工廠已提高到15 層,產量和效益得到更大提高。

          2. 多面體立體栽培

          多面體立體栽培形式是我國自主創新的栽培形式,同樣在空置房、廠房、地下室和集中箱等封閉型植物工廠里生產,與平面多層相比, 其效果具有明顯優勢。

          以集裝箱封閉型植物工廠為例,可以設置兩組栽培床,每組栽培床的兩面都可以栽培植物,兩組栽培床共有4個植物栽培面,這種多面體立體栽培床形式可采用霧培技術代替營養液水培技術,每組栽培床只有1個營養池,LED燈可以配置在集裝箱左右兩壁和中間過道上,從而使光照、水、肥、空間利用率更高,由于實現了水、肥、氣同補,使植物生長更快、成本更低、重量更輕,而產量提高了好多倍,如果在封閉型充氣膜植物工廠中采用多面體栽培形式生產植物,立體空間更大,產量和效益將最大化。

          3.幕墻式立體栽培

          幕墻式立體栽培是利用在封閉型植物工廠的墻壁或人工設計建設的幕墻上栽培植物。以集裝箱型植物工廠為例,在集裝箱四周箱壁上設置栽培床,采用潮溪培技術在栽培床上栽培植物,栽培床下設營養池,集裝箱內頂部安裝LED 補光燈,相比于平面多層立體栽培,這種的光照利用更充分、布局更合理、操作更方便、栽培面更大、產量更高。如果在封閉型充氣膜植物工廠中,設置更多、更高、更寬的植物幕墻栽培植物,產量、效益更高。

          4. 垂掛式立體栽培

          把植物栽培床垂掛在封閉型植物工廠的頂部,然后在垂掛的栽培床上播種、灌溉、施肥、植保從事農耕,這既是一種農業生產,更是一種生存藝術。在任何封閉型植物工廠中,實現垂掛式立體栽培從事農業生產,不僅可擴大面積、提高產量、增加效益,而且還可降低成本、提高資源利用率,既生態環保,又便于可持續生產;不僅操作方便, 而且可增強生活體驗。

          5.圓柱形立體栽培

          把植物定植在圓柱體表面,立體栽培面積更大,采用霧培技術,植物生長更快。不過在封閉型集裝箱型植物工廠中,由于環境空間太小,不宜使用圓柱形立體栽培裝置。但在其他類封閉型尤其是在充氣膜和氣密膜封閉型植物工廠中采用圓柱形立體栽培,其優越性將得到更加超長的發揮。

          三、封閉型植物工廠栽培技術的選擇與比較

          1.栽培形式與栽培技術

          封閉型植物工廠栽培技術可分為基質培、營養液水培、潮溪培和霧培多種,這些栽培技術可以單獨使用,也可以并用,但必須以達到高產量、高品質為目的。栽培技術的選擇是由栽培形式決定的,一般來講, 一旦栽培形式確定之后,栽培技術也就確定了。先進的栽培形式和與之相匹配的栽培技術, 決定了封閉型植物工廠的產量、品質和特點。

          2. 主要栽培形式和栽培技術的比較

          以40HQ型集裝箱封閉型植物工廠為例,國內大多數植物工廠都采用日本平面多層立體栽培形式與之相配套的營養液水培技術。40HQ型集裝箱長12 m、寬2.35 m、高2.39 m,空間面積為67.398 m2。

          采用平面多層立體栽培的,中間過道兩邊栽培區可各設1 排長12 m 栽培架,架上可設3 層寬60 cm 的栽培床,這樣整個40HQ 型集裝箱空間實際可栽面積為43 m2,如果每平米可栽12 株菜,每批可栽518 株,全年10 批共可栽5 180 株。

          采用多面體立體栽培的,中間過道兩邊栽培區可各建1 個栽培床,栽培床每面長12 m、寬2 m,每床單面可栽面積為24 m2,這樣共可建4 個栽培面積,即實際栽培面積為96 m2,全年可栽蔬菜11 520 株。

          這樣,在同一個集裝箱內栽培蔬菜,同一面積栽相同的數量,由于采用的兩種栽培形式不同,相應地也會出現兩種結果,相比平面多層立體栽培,多面體立體栽培的實際栽培面積和栽培數量均擴大了2.2倍。另外由于平面多層立體栽培形式采用營養液水培技術,而多面體立體栽培采用的是霧培技術,多面體立體栽培的優勢還表現在以下幾個方面:

          (1)營養液水培技術對植物只能實現水、肥同補,霧培技術對植物真正實現了水、肥、氣同補,從而使植物生長更快,這是任何一種栽培技術所不能比擬的;

          (2)在水、肥資源利用率方面,霧培技術實現了循環利用,是營養液水培技術用水量的1/10,營養液水培技術中肥的利用率為60%~70%, 而霧培技術中肥的利用率達到95%以上,真正實現了零污染、零排放;

          (3)營養液水培技術在高溫季節里,一旦營養液溫度達到35℃以上時,植物就會停止生長甚至萎蔫死亡,在低溫季節里,一旦溫度低于下限值0℃時,大部分植物都會停止生長甚至遭受凍害,而霧培技術在同樣的條件下,采用溫控措施的成本都要低很多。

          立體栽培形式有很多,所采用的栽培技術也有多種選擇。在實際生產實踐中,要根據不同的植物品種選擇不同的栽培形式和與之相適宜的栽培技術,綜合考量產量、生態、成本、景觀、品質、操作性等多種因素,科學選擇,以求最佳。

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