單華佳，汪裕龍，馬金寶（武威市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究院，武威733000）

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高寒地區(qū)牧草工廠化生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計與試驗

單華佳，汪裕龍※，馬金寶
（武威市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究院，武威733000）

摘要：為解決高寒地區(qū)飼草料短缺和無法種植常規(guī)飼草的矛盾，該文設(shè)計試制了一套簡易植物工廠。在10 m2的彩鋼房內(nèi)設(shè)計安裝了8組不銹鋼牧草生產(chǎn)架，通過半自動化控制集裝箱式牧草生產(chǎn)車間內(nèi)植物生產(chǎn)所需的溫度、濕度、光照、營養(yǎng)液循環(huán)等環(huán)境條件，實現(xiàn)了在高寒地區(qū)連續(xù)、快速、高效、節(jié)水環(huán)保地生產(chǎn)牧草的目的。生產(chǎn)試驗結(jié)果表明，設(shè)施設(shè)備能夠滿足高寒地區(qū)牧草工廠化生產(chǎn)的需要，玉米生產(chǎn)的最佳播種量為450 g/盤，經(jīng)過9 d生產(chǎn)周期后可收獲1 891.5 g新鮮玉米飼草，按此產(chǎn)能每年收獲36茬牧草計算，在此集裝箱式車間內(nèi)每年可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新鮮牧草16.33 t。

關(guān)鍵詞：環(huán)境調(diào)控；溫度；加熱；牧草；植物工廠；玉米；高寒地區(qū)

單華佳，汪裕龍，馬金寶.高寒地區(qū)牧草工廠化生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（01）：62-67.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.008 http://www.tcsae.org

Shan Huajia, Wang Yulong, Ma Jinbao.Design and experiment of forage grass factory producing installation in alpine region[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 62－67.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.008 http://www.tcsae.org

0　引言

高寒地區(qū)由于有豐富的天然草地資源，是各類優(yōu)質(zhì)畜產(chǎn)品的主要產(chǎn)地，素有“高原肉庫”之稱[1-2]。近年來由于超載過牧、亂采濫挖等原因造成天然草地退化嚴(yán)重，天然草原產(chǎn)草量急劇下降[3-4]。但草食家畜的飼草料需求是一種剛性需求，每個標(biāo)準(zhǔn)羊單位每年消耗657 kg干草，彈性很小[5]。高寒地區(qū)積溫不足，無霜期短，不適宜種植玉米、紫花苜蓿等常規(guī)飼草。在天然草原退化和圍欄禁牧的雙重壓力下，飼草料短缺已經(jīng)成為制約高寒地區(qū)草食畜牧業(yè)發(fā)展和草原生態(tài)建設(shè)的限制性因素[6]。另一方面，草食家畜畜產(chǎn)品質(zhì)量與飼草品質(zhì)有密切的關(guān)系，飼喂新鮮牧草能夠顯著提高反芻家畜肉、奶等畜產(chǎn)品中的共軛亞油酸（CLA，conjugated linoleic acid）等功能性脂肪酸含量[7-11]。近年來國內(nèi)發(fā)生的“三聚氰胺”、“毒奶粉”、“瘦肉精”等畜產(chǎn)品安全問題不僅對中國奶業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊，更造成了極其惡劣的社會影響[12]。2010年，溫家寶總理指出：“要徹底解決牛奶質(zhì)量安全問題，必須從發(fā)展優(yōu)質(zhì)飼草產(chǎn)業(yè)抓起”，2012年中央1號文件決定每年安排5.25億元用于建設(shè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)飼草示范基地[13-14]。

植物工廠是依托于設(shè)施園藝、建筑工程、環(huán)境控制、材料科學(xué)、生物技術(shù)、信息技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)，知識與技術(shù)密集型的集約型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，能夠通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[15-16]。丹麥約克里斯頓農(nóng)場于1957年建造了用于生產(chǎn)水芹太陽光利用型植物工廠，是世界上第一個的植物工廠[17]。中國的相關(guān)研究起步較晚，在借鑒了世界主要發(fā)達國家經(jīng)驗和技術(shù)的基礎(chǔ)上得到了快速發(fā)展[18]。2006年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院建造了國內(nèi)第一個植物工廠，在隨后的幾年間，北京、吉林、山東等地相繼建成了20多座不同類型的植物工廠[19-20]。

牧草的生產(chǎn)性能是其遺傳基因在不同環(huán)境條件下的兌現(xiàn)程度，這種生產(chǎn)潛能的實現(xiàn)與溫度、水分、空氣、光照、養(yǎng)分等環(huán)境因素密切相關(guān)[21]。牧草工廠化生產(chǎn)是采用植物工廠的設(shè)計理念，通過對半封閉系統(tǒng)物質(zhì)交換和環(huán)境調(diào)節(jié)創(chuàng)造適合牧草無土栽培的生長環(huán)境，實現(xiàn)牧草速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和經(jīng)濟效益最大化的目的[22-23]。盡管近年來國內(nèi)外各類植物工廠的研究已取得了豐碩的成果，但主要用于蔬菜和水果生產(chǎn)，且普遍存在建設(shè)費用與運行成本高的問題[24]。國內(nèi)專門針對牧草工廠化生產(chǎn)的研究還未見報道。本文通過對牧草生長所需的溫度、濕度、光照以及營養(yǎng)液等條件因素進行半自動化控制，使立體水培設(shè)施內(nèi)牧草生育不受或很少受自然條件制約的高效型生產(chǎn)，以解決制約高寒牧區(qū)草食畜牧業(yè)發(fā)展的飼草季節(jié)性、地域性短缺難題。

1　總體方案

在10 m2的彩鋼房內(nèi)設(shè)計建造一套集裝箱式植物工廠用于牧草工廠化生產(chǎn)，設(shè)備結(jié)合霧培與淺水膜培技術(shù)，利用立體栽培提高單位面積產(chǎn)能，使用人工補光燈、自動水循環(huán)、自動加熱等設(shè)施設(shè)備對牧草生產(chǎn)所需的溫度、濕度、光照、營養(yǎng)液等環(huán)境因素進行半自動化控制，以達到10 m2的車間內(nèi)（有效生產(chǎn)面積6.6 m2）年產(chǎn)（36茬）鮮草10 t以上的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)水環(huán)保、快速便捷的牧草工廠化水培連續(xù)生產(chǎn)模式。

2　關(guān)鍵部件

2.1不銹鋼架與不銹鋼水盤

為了達到降低設(shè)備成本、便于安裝和使用目的，采用了簡易不銹鋼架與不銹鋼水盤設(shè)計，兩者的設(shè)計尺寸分別如圖1、圖2所示。不銹鋼架底部留50 cm的高度，用于擺放高壓水泵、營養(yǎng)液處理池等設(shè)施設(shè)備。生產(chǎn)操作臺共6層，每層中間焊接了一根拉桿，不銹鋼水盤放在拉桿上可以避免因承重而發(fā)軟。此外，補光燈管和高壓霧化噴頭都安裝在拉桿上，起到固定的作用。使用的不銹鋼方管及不銹鋼板材等材料規(guī)格見表1。

圖1　不銹鋼架設(shè)計圖Fig.1　 Design chart of stainless steel frame

圖2　不銹鋼水盤設(shè)計圖Fig.2 Design chart of stainless steel water pond

表1　不銹鋼架與不銹鋼水盤主要參數(shù)Table 1 Main parameters of stainless steel frame and water pond

2.2水循環(huán)系統(tǒng)

水（營養(yǎng)液）循環(huán)系統(tǒng)是牧草工廠化生產(chǎn)設(shè)備中的關(guān)鍵組成，包括供水系統(tǒng)和回水系統(tǒng)（圖3）。供水系統(tǒng)由連接濕度感應(yīng)探頭的濕度控制開關(guān)自動控制，分別設(shè)定濕度下限和上限，當(dāng)環(huán)境濕度低于下限時，開關(guān)自動啟動高壓水泵，將處理池中的水（營養(yǎng)液）抽送到霧化噴頭，噴淋到育苗盤中，同時起到加濕的作用。當(dāng)濕度達到上限時，開關(guān)自動關(guān)閉。噴淋的多余水分和營養(yǎng)液匯集在不銹鋼水盤中，通過排水孔和回水管返回處理池，在處理池中進行加氧、有害物質(zhì)去除和營養(yǎng)物質(zhì)濃度調(diào)節(jié)。水循環(huán)系統(tǒng)主要的設(shè)備和材料參數(shù)如表2所示。

圖3　水（營養(yǎng)液）循環(huán)系統(tǒng)Fig.3 Water（nutrient solution）cycle system

表2　水（營養(yǎng)液）循環(huán)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of water（nutrient solution）cycle system

2.3補光系統(tǒng)

光照是影響植物生長最重要的因素之一。為了保證牧草的快速生長，必須提供充足的光照。設(shè)計采用了色溫為6 500 K的T8 LED一體化燈管，每層安裝一根燈管，并聯(lián)后用自動定時開關(guān)控制，每天定時補光。補光系統(tǒng)設(shè)計與燈管規(guī)格見圖4、表3。

表3　補光系統(tǒng)主要參數(shù)Table 3 Main parameters of fill system

圖4　補光系統(tǒng)Fig.4 Fill system

2.4加熱系統(tǒng)

高寒地區(qū)氣候寒冷，為了確保牧草快速生長，必須進行加熱。牧草工廠化生產(chǎn)環(huán)境潮濕，因此選用了遠紅外陶瓷加熱板（圖5）。用溫度控制器進行控制，設(shè)定牧草生長最適的溫度上下限，當(dāng)溫度低于下限后自動加熱，當(dāng)達到上限后自動關(guān)閉。加熱系統(tǒng)設(shè)備與材料的主要參數(shù)見表4。

圖5　加熱系統(tǒng)Fig.5 Heating system

表4　加熱系統(tǒng)主要參數(shù)Table 4 Main parameters of heating system

圖6為本研究設(shè)計、試制的牧草工廠化設(shè)備最終的組裝效果。在系統(tǒng)建設(shè)過程中，將溫度、濕度、定時開關(guān)集成在自動控制箱中。

圖6　設(shè)備組裝效果圖Fig.6 Installation effect diagram of equipment

3　生產(chǎn)試驗

3.1試驗條件

本研究設(shè)計的牧草工廠化生產(chǎn)設(shè)備于2015年1月初在甘肅省武威市天?？h榮牧牛羊養(yǎng)殖專業(yè)合作社完成組裝調(diào)試。在10 m2的集裝箱式植物工廠內(nèi)共組裝了8組不銹鋼生產(chǎn)架及配套設(shè)施，有效生產(chǎn)面積6.6 m2。2015年1月5日起進行了4批次的牧草工廠化生產(chǎn)試驗。經(jīng)測定，集裝箱式植物工廠內(nèi)的最低溫度為-21℃，最高溫度為-4℃。

3.2試驗材料

通過工廠化生產(chǎn)的前期牧草品種篩選試驗，結(jié)果顯示玉米是牧草工廠化生產(chǎn)的最佳材料。本次試驗玉米種子材料為普通商品玉米（金凱3號），購自武威市金綠源農(nóng)牧科技有限公司，收獲后進行自然晾曬，水分含量≤13%后脫粒備用。玉米試驗材料籽粒飽滿，篩除雜質(zhì)及破碎籽粒后千粒重為330 g，平均發(fā)芽率高于85%。

3.3試驗方法

試驗所用育苗盤為54 cm×27 cm×6 cm的長方形芽菜盤，分別設(shè)置了300、350、400、450、500 g等5個播種量梯度處理。系統(tǒng)設(shè)置的溫度上限為30℃，溫度下限為26℃；相對濕度上限為85%，下限為65%；補光時間為7點至18點。

通過測定在相同條件下不同播種密度玉米生長高度、生長量、根冠比等指標(biāo)的影響，從而判斷最佳播種量，并在此基礎(chǔ)上測算牧草工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)能與生產(chǎn)成本[25-27]。平均生長高度隨機測定10株玉米苗自然高度，生長量為當(dāng)日稱重質(zhì)量，根冠比為收獲后將葉片與根分別承重計算而來[28-29]。每個處理設(shè)5個重復(fù)。

3.4試驗結(jié)果與分析

通過4批次玉米飼草工廠化生產(chǎn)試驗，檢驗了牧草工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)的可操作性和穩(wěn)定性，水循環(huán)、補光、加熱等裝置互不干涉，能正常進行牧草的工廠化生產(chǎn)。圖7為牧草工廠化生產(chǎn)設(shè)施的試驗情況。第一批試驗由于玉米籽粒浸種、催芽處理過程過短，導(dǎo)致試驗結(jié)果不理想，生長周期延長了2 d。第2、3、4批次試驗結(jié)果基本一致，本文選擇了第2次試驗數(shù)據(jù)進行分析。

圖7　牧草工廠化生產(chǎn)設(shè)施試驗情況Fig.7 Phototype experiment condition

圖8為第2次牧草工廠化生產(chǎn)試驗中不同播種量處理玉米生物量在9 d生產(chǎn)周期內(nèi)增長分析結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，每盤播種量為450 g時可獲得最大玉米生物量1 891.5 g，播種量為300 g時產(chǎn)量最低，僅為1 555 g。當(dāng)播種量為500 g時，產(chǎn)量比450 g播種量處理反而下降了133 g，表明牧草生物量與播種量之間不呈線性關(guān)系。以每盤每茬產(chǎn)草量為1 891.5 g計算，本次設(shè)計的工廠化生產(chǎn)設(shè)施每年可產(chǎn)牧草16.33 t。

圖8　不同播種量牧草生物量測定結(jié)果Fig.8 Phytomass measures of forage grass growth with different seed quantity

表5是不同播種量處理玉米平均株高隨生長的變化趨勢。經(jīng)過9 d的生長，玉米平均株高都達到了25 cm左右。試驗結(jié)果表明玉米平均株高與牧草產(chǎn)量之間沒有顯著的相關(guān)性，對產(chǎn)量影響比較大的主要因素是密度。

表6是不同處理平均日增重、增高、根冠比、生產(chǎn)成本等主要指標(biāo)計算結(jié)果。玉米的根冠比與牧草產(chǎn)量存在明顯的負相關(guān)關(guān)系，當(dāng)玉米根冠比為3.61，即玉米根系占牧草總質(zhì)量的78.35%時，牧草的產(chǎn)量最大。

表5　不同播種量牧草平均株高測定結(jié)果Table 5 Daily measures of forage grass height with different seed quantity（cm）

表6　牧草工廠化生產(chǎn)試驗分析結(jié)果Table 6 Main results of forage grass factory producing experiment

4　結(jié)論與討論

植物工廠是一種新型農(nóng)業(yè)模式，能夠通過高精度環(huán)境控制實現(xiàn)設(shè)施內(nèi)作物高效生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。近年來中國植物工廠的研究與實踐取得了一定成果，但將其應(yīng)用到牧草生產(chǎn)的研究未見報道。本文設(shè)計試制了一套適用于高寒地區(qū)牧草工廠化生產(chǎn)的設(shè)施設(shè)備。在10 m2的彩鋼房內(nèi)設(shè)計了簡易植物工廠，通過半自動化控制牧草生長所需的溫度、濕度、光照等條件，實現(xiàn)連續(xù)、快速、節(jié)水、環(huán)保的牧草生產(chǎn)的目的。通過4批次牧草生產(chǎn)試驗證明設(shè)施設(shè)備運行正常，能夠滿足牧草生產(chǎn)需要。最佳播種量為每個育苗盤450 g，經(jīng)過9 d的生產(chǎn)周期后能收獲生物量為1 891.5 g最大產(chǎn)量。按此產(chǎn)量計算，8組架子每年生產(chǎn)36茬一共可生產(chǎn)牧草16.33 t，實現(xiàn)了年產(chǎn)10 t鮮草的預(yù)期目標(biāo)。此設(shè)備與技術(shù)的推廣應(yīng)用能夠解決牛羊產(chǎn)業(yè)大縣飼草短缺的現(xiàn)實難題，也可為不適宜種植常規(guī)飼草的高寒牧區(qū)提供充足飼草飼料保障。

但另一方面，作為一種探索性研究，本文設(shè)計開發(fā)的牧草工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)和技術(shù)還存在一些不足。主要包括以下幾個方面：

第一，高能耗問題。這是包括本設(shè)計在內(nèi)所有植物工廠推廣應(yīng)用難的關(guān)鍵制約因素之一。為了降低牧草工廠化生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備的建設(shè)投入成本，本文設(shè)計試制的簡易生產(chǎn)設(shè)備以彩鋼房為生產(chǎn)車間，密閉保暖性能差，加之使用遠紅外陶瓷加熱器調(diào)控車間內(nèi)的溫度，熱轉(zhuǎn)化效率低。在天?？h-21℃環(huán)境條件下生產(chǎn)牧草，電能消耗會導(dǎo)致牧草生產(chǎn)成本提高至2.4元/kg。對于養(yǎng)殖企業(yè)和農(nóng)戶來說，成本上升導(dǎo)致效益下滑，進而打擊新設(shè)備、新技術(shù)示范推廣積極性。經(jīng)過反復(fù)論證，今后可以通過以下3種途徑來解決高能耗問題對牧草工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)的制約：一是擴大規(guī)模，通過規(guī)模效應(yīng)使成本分?jǐn)?；二是將生產(chǎn)車間設(shè)置在保暖性較好的環(huán)境中，例如日光溫室內(nèi)等，降低能耗；三是采用低成本的加熱裝置，例如地暖、暖風(fēng)機等。

第二，玉米種子發(fā)芽率低的問題。為了最大限度降低牧草工廠化生產(chǎn)成本，在試驗過程中使用價格最低的普通商品玉米，即養(yǎng)殖場中用于飼喂家畜的玉米籽粒。養(yǎng)殖場在玉米成熟季節(jié)從農(nóng)戶手中收購后立即裝入倉庫，并沒有安裝種子處理要求進行晾曬等處理，而且部分種子收購時水分較大、保存過程中受凍失活，造成玉米籽粒發(fā)芽率較低，導(dǎo)致在牧草工廠化生產(chǎn)過程中種子用量較大。在生產(chǎn)實踐當(dāng)中，可以通過提前收購、晾曬降低水分、防凍等措施來提高玉米籽粒的發(fā)芽率，進而減少種子用量，降低成本。

第三，牧草工廠化生產(chǎn)指標(biāo)體系未確定。本次設(shè)計與試驗主要是為了試制一套用于牧草生產(chǎn)的植物工廠設(shè)備，并檢驗設(shè)備的實用性和穩(wěn)定性。在不同地區(qū)自然環(huán)境條件下，進行牧草工廠化生產(chǎn)的溫度、濕度、補光等指標(biāo)體系必然不盡相同，因此并未建立統(tǒng)一的指標(biāo)體系。在今后的研究過程中，應(yīng)根據(jù)具體試驗示范地區(qū)的氣候特征明確指標(biāo)體系，制定詳盡的生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程。

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Design and experiment of forage grass factory producing installation in alpine region

Shan Huajia, Wang Yulong※, Ma Jinbao
（Wuwei Institute of Animal Husbandry and Veterinary, Wuwei 733000, China）

Abstract:Forage grass is an important material basis and security guarantee for the development of livestock industry.Forage grass with high quality not only provides adequate nutrition for livestock, but also has important impact on the quality of livestock products.Alpine areas are not suitable for planting corn, alfalfa, and other conventional forage grass because of the insufficient accumulated temperature and transient frost-free season.However, the forage grass requirement of herbivorous livestock is large, for example, one sheep requires 657 kg hay per year, and it is very inelastic.In this case, shortage of forage grass has become a key limiting factor of herbivorous animal husbandry development and grassland ecological construction due to the dual pressures of the natural grassland degradation and the grazing blocked by fencing in alpine region.Plant factory is a new agricultural model which can achieve the purpose of efficient crop production by highprecision environmental control in facility.Though research and practice of plant factory in China have achieved the gratifying results in recent years, applying this technology to the forage grass production is still blank.For the energy-saving production of fresh forage grass in poor environment such as the alpine region, a container-type plant factory was designed and tested.To maximize space usage of the production departments, a six-level hydroponic cultivation system（1.5 m×0.55 m× 2.3 m）（length×width×height）was installed.Semi-automatic control of artificial lighting lamps, automatic water circulation, and automatic heating facilities were used to optimize temperature, humidity, light, nutrient solution, and other environmental factors on forage grass production.In a plant factory, the optimal control for obtaining higher yield and better quality of plants was essential.Optimal regulators with temperature sensing probe and humidity sensing probe were used to control the water status and growth temperature of forage grass, and the nutrient solution was supplied by bottom watering.Light emitting diode（LED）fluorescent lamp was controlled by an automatic timing switch.All installation and debugging of facilities and equipments had been completed in a farming cooperatives of Tianzhu County, Gansu Province.Four batches of forage grass production experiments were carried out in January 2015 in order to test the operation and production capacity of equipment.The ordinary merchandise maize（Jinkai 3）bought from Jin Lvyuan Farming Technology Company was used as the experimental material.Maize after harvest was dried to a moisture content that was below 13% and then threshed for later use.The thousand kernel weight of experimental maize after the screening of impurities and broken grains was 330 g while the germination rate was higher than 85%.Temperature of the forage grass factory under natural conditions was between -21 and -4℃.According to the dimension of seedling tray used in this experiment（54 cm×27 cm×6 cm）, we set up 5 treatments with different seed quantity of 300, 350, 400, 450 and 500 g）and each had 5 replicates.The upper and lower limit of the forage grass factory temperature were set to 30 and 26℃, respectively, and those of relative humidity were set to 85% and 65%, respectively.Supplementary illumination time was from 7:00 to 18:00.The effects of different planting densities on height, growth, root-shoot ratio and other indicators of forage grass were detected under the same conditions.And then the optimum seeding rate and productivity of the system were determined.The first batch of test material was sowed on January 5, 2015.Nine days after planting, the hydroponic forage grass with the seed quantity of 450 g showed the best production performance.The average height and yield were reached 24.96 cm and 1 891.5 g respectively, while the cost reduced to 0.4 yuan producing 1 kg fresh grass.On this calculation, this container-type plant factory could produce 16.33 ton fresh forage grass.Test results show that this factory production installation can meet the needs of pasture plant production in alpine region.

Keywords:environmental regulations; temperature; heating; forage grass; plant factory; corn; alpine region

通信作者：※汪裕龍，男，甘肅蘭州人，高級獸醫(yī)師，武威市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究院院長，主要從事畜牧產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等相關(guān)研究。武威武威市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究院，733000。

作者簡介：單華佳，男，甘肅蘭州人，博士，高級畜牧師，武威市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究院飼草飼料研究所負責(zé)人，主要從事牧草生產(chǎn)與加工利用研究。武威武威市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究院，733000。Email：shanhj@cau.edu.cn

基金項目：甘肅省2014年秸稈飼料化利用項目（2130106）

收稿日期：2015-08-04

修訂日期：2015-11-22

中圖分類號：S24

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0062-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.008