徐文棟 ， 李春蘭

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

大黃亦稱“南大黃”“馬蹄大黃”等，為我國傳統(tǒng)常用中藥材，是國內(nèi)外藥材市場上的重要商品，被廣泛應(yīng)用于中西醫(yī)臨床和藥物開發(fā)，具涼血解毒、瀉熱通腸之功效[1]。大黃除應(yīng)用于中醫(yī)藥外，還廣泛應(yīng)用于保健、獸藥、化工、酒類、飼料、飲料和外貿(mào)出口等多個領(lǐng)域[2]。由于對野生大黃的過度采挖和對其生長環(huán)境的破壞，野生大黃種質(zhì)資源已達瀕危狀態(tài)，目前市場上的大黃以人工栽培為主。利用密閉式植物工廠栽培和育苗技術(shù)保護藥用野生大黃資源，加強對大黃資源的保護、研究開發(fā)和合理利用，是提高大黃中藥材產(chǎn)量和品質(zhì)的必要途徑。

密閉式植物工廠是指通過工業(yè)的生產(chǎn)方式和流程來生產(chǎn)植物的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和省力型生產(chǎn)方式，其以不透光的絕熱材料做成密閉空間，盡可能減少與外界環(huán)境中的空氣、水、熱能等的交換，由計算機控制系統(tǒng)全自動控制作物生長過程的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境要素，創(chuàng)建植物生長最優(yōu)良環(huán)境，創(chuàng)造植物生產(chǎn)新模式，從而達到提高植物產(chǎn)量、品質(zhì)和效益的目的[3-4]。隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的實施，減少化肥、農(nóng)藥、除草劑的大量使用造成的污染，植物工廠是國家節(jié)能減排、保障糧食安全的重要措施，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和保護環(huán)境方面具有重要意義。因此，植物工廠被認為是解決人口、資源、環(huán)境問題的重要途徑之一，也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實現(xiàn)食物自給的重要手段[5]。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和市場需求的增加，大黃的栽培面積也逐年擴大，但當(dāng)前對大黃育苗技術(shù)的相關(guān)研究較少，直接影響了大黃中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文主要研究了大黃在密閉式植物工廠條件下的育苗技術(shù)，目的是實現(xiàn)大黃育苗環(huán)節(jié)的人工智能控制，為幼苗生長創(chuàng)造良好的環(huán)境，減少人工成本，提高種苗存活率和效率，以期為大黃工廠化育苗提供參考。

1 總體設(shè)計

密閉式植物工廠通過改造普通實驗實訓(xùn)室而成，主要由多個獨立的立體三角鐵栽培架（規(guī)格為150 cm×120 cm×280 cm）拼接而成，每個栽培架上安裝LED 光系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。植物光照系統(tǒng)采用不同紅藍光配比的LED 補光燈提供光源。水肥系統(tǒng)由水肥一體化供應(yīng)裝置、廢水回收裝置、泵和一系列管道及管件組成，為作物提供水分和養(yǎng)分。栽培系統(tǒng)由栽培架、栽培槽和無土栽培基質(zhì)組成，為作物提供生長的載體。計算機控制系統(tǒng)由單片機實時調(diào)節(jié)大黃生長的環(huán)境條件，保證其正常生長。

2 關(guān)鍵部分設(shè)計

2.1 栽培系統(tǒng)

大黃栽培系統(tǒng)的栽培框架為可拆卸三角鐵立柱，每個單元栽培架規(guī)格為150 cm×120 cm×280 cm。在栽培架內(nèi)，安置栽培槽，內(nèi)填基質(zhì)種植大黃，槽體底部具有排水孔。栽培架上端通過管道與水肥系統(tǒng)連接，水肥系統(tǒng)為大黃提供生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，大黃幼苗定植在基質(zhì)槽中，通過光合作用生長。

2.2 水肥系統(tǒng)

水肥系統(tǒng)主要由水肥一體化供應(yīng)裝置、廢水回收裝置、供液泵、營養(yǎng)液輸送管、輸水管、回水管、營養(yǎng)液回收裝置和滴灌裝置等組成。營養(yǎng)液和水分在單片機和供液泵的作用下，定時定量通過輸水管運送到有機生態(tài)型無土栽培架上端，通過滴灌系統(tǒng)達到大黃根部，以利于大黃幼苗吸收，未利用部分通過回收裝置回到營養(yǎng)液桶。

2.3 光照系統(tǒng)

光照是植物生長所必需的環(huán)境因子，波長在640 nm～660 nm的紅光與波長在430 nm～450 nm的藍光是植物進行光合作用和光形態(tài)建成的主要光譜[6]，顯著影響植物的生長發(fā)育、光合作用和產(chǎn)量品質(zhì)。LED燈與普通熒光燈相比，能夠提高成苗率、增強幼苗的品質(zhì)、縮短育苗周期并降低成本。LED 燈的使用壽命是普通熒光燈的10 倍，節(jié)約電能69.7%，同時能提高空間利用率，LED 照明燈在地面和空間植物栽培上的電能轉(zhuǎn)換效率是金鹵燈的520 倍左右[7]。因此，采用最優(yōu)化的LED 植物照明系統(tǒng)是最有效的植物光源，是降低植物工廠能耗、提高作物產(chǎn)量、實現(xiàn)植物工廠經(jīng)濟效益最大化的最有效途徑。該密閉式植物工廠光照系統(tǒng)在基質(zhì)栽培槽的上部，利用不同紅藍光配比LED 光源，按照大黃不同生長時期的光能需要系統(tǒng)通過LED 將電能轉(zhuǎn)化為植物光合作用所需的紅光和藍光，最大程度地促進大黃幼苗的生長。

2.4 控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)主要由單片機、各類溫濕度傳感器和光強度傳感器等組成，通過安裝在栽培槽的傳感器，將實時采集到的數(shù)據(jù)傳輸至單片機。通過采集大黃生長的環(huán)境因子和生長參數(shù)指標數(shù)據(jù)，單片機會自動實時調(diào)節(jié)各個系統(tǒng)對大黃生長環(huán)境進行控制[8]。

2.5 空氣循環(huán)系統(tǒng)

植物工廠是一個密閉的空間，其內(nèi)部空氣需進行循環(huán)流通才能保證作物正常生長，該系統(tǒng)主要由空氣過濾器、空調(diào)機組和循環(huán)風(fēng)機等設(shè)備組成。室內(nèi)空氣經(jīng)室內(nèi)的空調(diào)和回流風(fēng)機回旋流動后，由回風(fēng)機抽出。

3 大黃育苗栽培管理

3.1 浸種

精選飽滿的大黃種子，在20 ℃～30 ℃的除菌蒸餾水中浸泡5 h～8 h 后，放置在育苗缽中，用無紡布將催芽的種子覆蓋起來，每天定時翻動，待30%的種子萌發(fā)時，揭去無紡布晾干水分后，即可將其播到穴盤中。當(dāng)大黃發(fā)芽率不高時，可對種子催芽，大黃種子催芽方法主要有兩種：1）快速催芽。將穴盤運送至專用催芽室，在高溫高濕環(huán)境下催芽，當(dāng)碼放在催芽架上60%左右的種子拱出時，將其及時運送至育苗設(shè)施的苗床上。2）苗床催芽。將穴盤直接放置在育苗設(shè)施的苗床上，覆蓋無紡布等材料并保持一定濕度，當(dāng)60%左右的種子發(fā)芽拱出時，及時揭去覆蓋物。

3.2 播種

在種子浸種催芽5 d 后，將其播于大黃專用穴盤內(nèi)，由于大黃幼苗葉面開展度相對較小，通常優(yōu)先選用105 孔、128 孔PS 塑料穴盤，孔穴深度≥5 cm?；|(zhì)裝入穴盤時應(yīng)最大限度地保證孔穴內(nèi)基質(zhì)填裝量和緊實度一致，穴盤網(wǎng)格清晰可見，若基質(zhì)裝填過量，易造成噴灌時水分漫流和后期幼苗串根，不利于移苗。播種前，基質(zhì)達到“手握成團，松開即散”的狀態(tài)，調(diào)整相對濕度至40%左右為宜。播種后壓緊覆土，使種子與基質(zhì)密切接觸，基質(zhì)采用大黃栽培專用育苗基質(zhì)（草炭∶蛭石∶珍珠巖＝6∶1∶3）。

3.3 移栽

待大黃幼苗長至二葉一心時，將其移栽至植物工廠的栽培槽內(nèi)，進行全自動控制大黃育苗。

3.4 壯苗標準

當(dāng)大黃幼苗株高15 cm～20 cm，莖粗＞0.5 cm，子葉完整，葉色正常，5～7 片真葉時，即可將其移出植物工廠，煉苗后將其移栽至大田。

4 環(huán)境控制管理

4.1 溫度管理

大黃生長喜冷涼、光照足的環(huán)境，而在濕熱環(huán)境中不利于生長，因此日光溫室內(nèi)溫度不超過30 ℃，在出苗至子葉平展時，白天溫度保持在20 ℃～23 ℃，夜晚溫度保持在12 ℃～15 ℃；在子葉平展至第一片真葉展開時，白天溫度保持在22 ℃～25 ℃，夜晚溫度保持在14 ℃～17 ℃；在第一片真葉展開至成苗要求真葉數(shù)時，白天溫度保持在23 ℃～27 ℃，夜晚溫度保持在15 ℃～19 ℃。通過單片機溫度控制的原理，當(dāng)設(shè)置的傳感器溫度大于上限溫度或者小于下限溫度時，植物工廠內(nèi)的空調(diào)開關(guān)將打開；當(dāng)傳感器溫度在設(shè)定的閾值內(nèi)，空調(diào)關(guān)閉。

4.2 光環(huán)境管理

由于處在密閉的環(huán)境當(dāng)中，大黃幼苗的生長完全依靠LED 光源。大黃是長日照植物，按照其喜強光的生長習(xí)性，應(yīng)通過LED 光照系統(tǒng)增加光照強度和光照時間，使植物工廠內(nèi)光照時間保持在10 h～14 h，隨幼苗不斷發(fā)育逐步提高光照強度，在大黃出苗至子葉平展階段，應(yīng)適當(dāng)降低光照強度，防止強光灼傷幼苗，大黃煉苗階段應(yīng)接近自然光照強度。通過設(shè)置光照時間、光照強度、光密度等，探索大黃最佳的光生長環(huán)境，促進大黃高效優(yōu)質(zhì)生長。

4.3 濕度調(diào)控管理

由于大黃不喜濕熱環(huán)境，在大黃育苗時，植物工廠內(nèi)的空氣相對濕度應(yīng)保持在40%～50%，在煉苗階段降低至30%左右，與外界環(huán)境濕度持平。當(dāng)濕度傳感器濕度小于下限濕度時，對應(yīng)的加濕器開關(guān)將打開；當(dāng)傳感器濕度大于設(shè)定的濕度上限或者時間超出設(shè)置的范圍時，加濕器開關(guān)將關(guān)閉。

5 討論

根據(jù)市場調(diào)查，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，2021 年年末設(shè)施面積已達到8 000 萬hm2以上，人工光栽培面積也有6 000 萬hm2左右，設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。但目前我國大部分農(nóng)業(yè)種苗育苗公司的生產(chǎn)模式仍然處于人工管理初級階段，無法精準控制種苗的灌溉、補光、加溫等措施，嚴重依賴管理操作人員的個人經(jīng)驗。在傳統(tǒng)的育苗管理條件下，浪費了大量的人力資源，缺乏嚴謹科學(xué)的理論依據(jù)。北京市農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司設(shè)計開發(fā)了一種草莓集裝箱植物工廠，該植物工廠通過模塊化整體設(shè)計，創(chuàng)造性地設(shè)計了草莓的栽培系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，并對草莓栽培環(huán)境進行測試[9]。周增產(chǎn)等設(shè)計建造的智能LED植物工廠，融合了光配方技術(shù)、水肥一體化技術(shù)、營養(yǎng)液循環(huán)技術(shù)、環(huán)境自動化調(diào)控技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和專家作物診斷技術(shù)等多項技術(shù)，實現(xiàn)植物工廠的智慧化管控和技術(shù)創(chuàng)新[7]。北京京東公司引進日本三菱公司的育苗箱育苗技術(shù)進行農(nóng)作物育苗，在育苗箱內(nèi)可以調(diào)控光照、CO2濃度以及溫度、濕度等，8 d～10 d 就可以出一批苗，育苗周期比傳統(tǒng)的縮短一半以上。在育苗完成后，將這些苗移栽在栽培床上，經(jīng)過20 d～30 d 生長，就能夠采收一茬。以綠葉生菜為例，1 年能采收12～14 茬，而露地栽培大概1 年只收獲3～4 茬。雖然前人進行了很多有關(guān)植物工廠育苗的研究和創(chuàng)新，但到目前為止，針對育苗精密環(huán)境所設(shè)計的密閉式育苗植物工廠的研究較少。密閉式植物工廠環(huán)境穩(wěn)定性強，可以實現(xiàn)光、溫、水、氣、肥等環(huán)境要素的精確調(diào)節(jié)控制，不占用一般農(nóng)用耕地，產(chǎn)品安全無污染，單位面積產(chǎn)量比普通露地栽培高出幾十倍甚至上百倍，能有效解決在人類發(fā)展過程中耕地面積少、植物產(chǎn)量低的問題，是國家糧食安全的重要保障[10-11]。此外，植物工廠能避免外界天氣變化造成的影響，可控的生長環(huán)境讓農(nóng)作物具備高產(chǎn)量、高質(zhì)量的優(yōu)勢，可以根據(jù)零售商甚至終端客戶的需求來“訂制產(chǎn)品”，不管什么時候都可以下單，而且可以保證按時送達，真正實現(xiàn)訂單式農(nóng)業(yè)。

當(dāng)然，植物工廠也存在劣勢。首先，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，植物工廠的前期投入與運營經(jīng)費是后者的幾倍，建造成本高昂，建造費用約是同等面積的玻璃溫室的3 倍左右，且LED 光系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)同樣成本高昂。其次，“植物工廠”對農(nóng)民的素質(zhì)要求也較高，農(nóng)民不僅要懂得植物栽培知識，還要有豐富廣泛的植物學(xué)與環(huán)境科學(xué)知識。此外，由于生產(chǎn)成本較高，植物工廠種植的果蔬價格也比市面上同類產(chǎn)品價格高幾倍[12-13]。

6 結(jié)論

大黃為多基原藥材，不同栽培方式影響大黃藥材質(zhì)量，不同品種之間大黃的生活習(xí)性具有一定差異，且大黃產(chǎn)地較為分散，人工栽培技術(shù)還比較粗放，阻礙了大黃的規(guī)范化生產(chǎn)。利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)開展大黃栽培標準化技術(shù)研究，有利于大黃規(guī)范化生產(chǎn)，提高大黃的產(chǎn)量和品質(zhì)。隨著技術(shù)的成熟，更多適合我國國情發(fā)展的農(nóng)業(yè)方式會被推廣應(yīng)用，高科技農(nóng)業(yè)將會成為新的經(jīng)濟增長點。在相關(guān)政策的扶持下，農(nóng)業(yè)科技水平也會越來越高，密閉式植物工廠育苗技術(shù)發(fā)展前景廣闊，未來可期。有關(guān)在密閉式植物工廠內(nèi)進行大黃育苗的研究，雖然取得了一定的成果，但植物工廠的功能研究還不夠細致，目前研究重點是系統(tǒng)對大黃幼苗環(huán)境溫度、光照強度和環(huán)境濕度的控制，接下來要繼續(xù)加強對環(huán)境控制、適合植物工廠栽培的品種選育等的研究，真正實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。