沈韞賾，郭雙生，趙丕盛，王隆基，李 健，王曉霞

（中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

1 引言

受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support Systen，CELSS）是載人航天長期駐留任務(wù)的必然途徑。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氧氣、水和食物的自給自足。高等植物能夠利用光能將二氧化碳和水合成為有機物，并產(chǎn)生氧氣，同時通過蒸騰作用實現(xiàn)水的凈化，可以保障人在太空中對環(huán)境和食品的需求，是受控生態(tài)生保系統(tǒng)中的關(guān)鍵生物部件［1-3］。

空間植物栽培技術(shù)研究已有40余年的發(fā)展歷程，已進行多種植物的空間栽培試驗，重點研究微重力對植物生長發(fā)育的影響。1975年前蘇聯(lián)就開始了空間植物栽培的探索，他們嘗試在飛船中栽種小麥、洋蔥等植物［4］。20世紀(jì)90年代，俄羅斯和保加利亞聯(lián)合研制了SVET空間溫室，在和平號空間站進行了長期搭載，并在其中完成了小麥“從種子到種子”的三代完整生長周期培養(yǎng)［5］。2002年，俄羅斯針對國際空間站研制了一款名為LADA的空間溫室，至今已進行了二十多次空間植物栽培實驗，成功培育了小麥、生菜等植物。近期俄羅斯研制了新一代LADA空間溫室，擬用于多種植物的空間栽培［6-7］。2014年，NASA將Veggie空間蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)運送到空間站，并進行了 Veg-01試驗［8］。2015年，經(jīng)過 33天的培養(yǎng)，三名航天員在空間站收獲并品嘗了第二批種植的蔬菜——紅色長葉萵苣。2015年 11月，NASA在軌道實驗室進行了百日菊培養(yǎng)試驗，并進行了天地對比［9］。在太空中，百日菊完成了開花過程，并于2016年2月進行了收獲［10-11］。

空間微重力下水分傳導(dǎo)特性與地面有很大不同。在微重力條件下，流體行為發(fā)生根本變化，植物周圍形成邊界層，導(dǎo)致植物與周圍物質(zhì)交換變得困難。同時，在微重力條件下實現(xiàn)栽培基質(zhì)水分養(yǎng)分的充分供應(yīng)，同時保證栽培基質(zhì)的通氣也具有挑戰(zhàn)性。在空間微重力下進行植物光合、蒸騰和呼吸作用效率的測定與評價也具有較大難度。因此，微重力下的水分養(yǎng)分控制技術(shù)是空間植物栽培的關(guān)鍵。太空艙內(nèi)環(huán)境與地球環(huán)境有很大不同，如微重力、低壓、低氧、高二氧化碳等，同時，航天任務(wù)中植物栽培面臨功耗、體積、重量等嚴(yán)格限制。CELSS空間植物栽培需要滿足兩個要求：一是空間利用率高，在有限空間中產(chǎn)生盡可能多的氧氣和食物；二是高效節(jié)能，盡可能地提高能源利用率。因此作物種類的選擇具有關(guān)鍵意義。生菜是前期CELSS研究的重點作物，具有產(chǎn)氧能力強，可食生物量比例高等優(yōu)點。光照是植物的能量來源，也是能耗的主要構(gòu)成，因此空間植物栽培的能耗限制，主要是對光照系統(tǒng)的限制。

本文在空間實驗室任務(wù)中搭載一臺植物栽培裝置，為空間實驗室植物栽培關(guān)鍵技術(shù)驗證試驗任務(wù)的前期地面驗證試驗，旨在對空間微重力下植物栽培的關(guān)鍵技術(shù)進行模擬和驗證。試驗采用的紅藍LED光照技術(shù)為前期試驗中較為成熟的光照技術(shù)，經(jīng)過長時間驗證，具有能效高、適合植物生長等優(yōu)點［12-13］。

2 材料與方法

2.1 供試植物

供試植物為大速生生菜（Lactuca sativa L cv.Dasusheng），該生菜品種具有生長速度快、生長周期短、抗逆性強等特點，適合用作空間植物栽培。

種子丸?；幚砬闆r：通過特殊材料對種子進行包被，使種子成為5 mm直徑的規(guī)則顆粒，方便播種。包被材料透氣透水，有利于種子發(fā)芽。

2.2 裝置、材料和方法

試驗平臺為受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗平臺，該平臺的功能是對空間植物栽培的實際環(huán)境進行模擬，為地面驗證試驗提供接近空間的試驗條件［13］。

試驗材料為空間植物栽培裝置，結(jié)構(gòu)包括栽培盒、生長區(qū)、LED燈板，栽培盒基質(zhì)水分測量儀和大氣CO2濃度測量儀等結(jié)構(gòu)單元，采用模塊化設(shè)計，可方便在軌拼裝或拆卸。其結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。

圖1 空間植物栽培裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of space plant growth facility

空間植物栽培裝置的主要性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)如下：

外形尺寸：L268 mm×W268 mm×H306 mm；

重量：TGM 990空間植物栽培裝置3.4±0.2 kg，TGM 992空間植物栽培裝置Ⅱ≯2.7 kg；

功耗：≯17 W；

栽培面積：0.0441 m2（L210 mm ×W210 mm）；

植株栽培數(shù)量：共9株；

栽培盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)：內(nèi)部包括9個方格，方格之間連通，可實現(xiàn)栽培基質(zhì)之間的水分和養(yǎng)分傳導(dǎo)；栽培基質(zhì)為蛭石，用棉質(zhì)紗布進行分裝（共9塊，為大小相同并緊密接觸的長方體形狀，以便于基質(zhì)采樣）；栽培盒底部具有供水管路系統(tǒng)，通過軟管與飲水袋或注射器可緊密連接，以進行水分加注供應(yīng)；

養(yǎng)分來源及供應(yīng)方式：養(yǎng)分為一定量的特制緩釋肥顆粒，在栽培基質(zhì)方塊中下部均勻鋪層分布；

種子發(fā)芽凸臺：位于栽培基質(zhì)方塊上部（每個方塊上面1個），并與之緊密相連，確保其能夠從下面的栽培基質(zhì)獲得足量水分。在每個凸臺上設(shè)計了三種種子發(fā)芽結(jié)構(gòu)（以驗證發(fā)芽結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性）；

生長區(qū)：高度20 cm；四周圍可開放也可封閉；背板中上部安裝一臺微型風(fēng)扇，在其正上方具有密封安裝孔，用于插裝紅外CO2分析儀探頭；

植物光源：紅、藍、綠LED光源，位于生長區(qū)頂部隔板的正上方；光質(zhì)：≈80%紅＋≈10%藍＋≈10%綠，光強92 μmol·m－2·s－1（距燈板20 cm正下方處平均值），光周期0～24 h人工開關(guān)電源控制；

測量儀器：包括位于栽培盒兩側(cè)、用于測量基質(zhì)含水量和電導(dǎo)率的兩臺手持式土壤水分測量儀；一臺用于測量生長區(qū)大氣CO2濃度的手持式紅外CO2分析儀；

環(huán)境控制能力：依靠實驗艙環(huán)控系統(tǒng)對其進行大氣環(huán)境條件調(diào)控。

由于受到太空艙內(nèi)功耗、體積、重量等限制，植物栽培裝置難以在栽培條件上達到植物需求的最佳狀態(tài)，如光強偏弱等。地面驗證試驗為了對在軌試驗做出最大程度的驗證，在條件設(shè)計上也遵循了這一系列限制。

2.3 試驗方法與流程

2.3.1 環(huán)境參數(shù)控制

試驗環(huán)境條件控制如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)Table 1 Environmental parameters

2.3.2 試驗設(shè)計

試驗共進行8批次，各自處理的具體培養(yǎng)條件如表2所示。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Design of experiment

2.3.3 試驗流程

1）裝置及工具消毒

裝置組裝前需進行消毒。其中，裝置外殼及上蓋板用75%酒精擦拭消毒；吸水材料采用紫外照射消毒；蛭石采用120℃、150 kPa高溫高壓消毒20 min并烘干；鑷子、飲水袋和注射器用吸水紙包裹放入高溫高壓滅菌鍋中，在120℃、150 kPa下消毒20 min。

2）播種

首先在吸水材料的縫隙中放入消毒種子，每個吸水材料塊播5粒，播撒均勻，避免種子擠在一起；然后在海綿塞與吸水材料之間縫隙中放入消毒種子，每個吸水材料塊播5粒；然后將丸?；N子塞入預(yù)留的孔洞中，播種完畢蓋好上蓋板。

3）注水

試驗開始時及試驗過程中定期注水。注水方法為：用注射器將純凈水加入飲水袋內(nèi)，將飲水袋的軟管插入注水孔，擠壓注水。第一次注水量均為蛭石體積的1／2加吸水材料重量的6倍。

4）發(fā)芽

第一次注水完畢后，拔出飲水袋軟管，在上蓋板上方蓋一層保鮮膜，等待發(fā)芽。預(yù)計4～5天后可發(fā)芽。等待發(fā)芽期間，每天固定時間讀取并記錄一次含水率及電導(dǎo)率。

5）光照

發(fā)芽后，開始對植株進行14 h光周期的光照（8：00—22：00）。

6）間苗

發(fā)芽后，將保鮮膜取下。播種后第7天用剪刀進行第一次間苗，每個種子孔保留2株苗，間苗原則為保留長勢最好的，且2株苗間隔至少1 cm。植株長出第三片葉時，第二次間苗，只留1株，保留長勢最好的，2株苗長勢相當(dāng)?shù)那闆r下，保留靠近吸水材料塊中央的。

7）水分與養(yǎng)分監(jiān)控和管理

每天固定時間通過土壤多參數(shù)分析儀讀取栽培基質(zhì)的含水率和電導(dǎo)率并記錄，同時每天稱量裝置總重，確定失水量。根據(jù)含水率變化和裝置總重確定補水時間和補水量，當(dāng)含水率達到控制下限時，進行補水至含水率重新回到上限。若含水率讀數(shù)和裝置稱重結(jié)果不吻合，則在地基試驗中按稱重結(jié)果控制加水，以形成補水預(yù)案，以防在天基試驗中儀器讀數(shù)無效。

苗期日常管理的主要內(nèi)容主要包括栽培基質(zhì)的水分、養(yǎng)分監(jiān)控、對植株生長狀況的觀察記錄和對病蟲害的觀察記錄等。

8）植株生長發(fā)育狀況觀察

每天固定時間觀察記錄植株生長發(fā)育狀況，包括株高、葉片數(shù)等，同時記錄植株發(fā)育過程中的重要事件，如出苗、植株進入三葉期及其它可能的狀況（葉片枯黃、葉尖枯萎、葉脈變黃、植株萎蔫、植株傾斜等）。如果出現(xiàn)了植株生長異?；虿∠x害等現(xiàn)象，首先根據(jù)出現(xiàn)的癥狀進行分析判斷，找出原因并加以補救，如果難以判斷，則取樣保存，并請專家現(xiàn)場診斷病因。

試驗期間，每天從固定位置對裝置和植株進行拍照，作為后期分析和天地對比的依據(jù)。

9）光合作用測試

第18、21、24和27天時，進行光合作用產(chǎn)O2和CO2凈化能力測試，維持試驗環(huán)境CO2濃度為0.3%左右，將前、左、右3塊擋板安裝到位，啟動循環(huán)風(fēng)扇工作，啟動便攜式CO2測試儀讀取初始濃度并記錄數(shù)值，計時1 h后再讀取生長區(qū)內(nèi)CO2濃度并記錄數(shù)值，取下前、左、右3塊擋板，關(guān)閉循環(huán)風(fēng)扇，繼續(xù)后續(xù)試驗，每天測量一次，根據(jù)數(shù)值推算光和作用效能。

10）植株及栽培基質(zhì)采樣分析

第29天時，對植株及栽培基質(zhì)進行采樣分析。采樣工作需佩戴乳膠手套進行。

徒手將植株在發(fā)芽結(jié)構(gòu)以上的莖葉部分折斷，9株植物分別稱取莖葉鮮重，裝密封袋保存，并進行營養(yǎng)成分分析。

栽培基質(zhì)取樣時，將上蓋板取下，用塑料標(biāo)尺將9個模塊之間連接的根系切斷，徒手取出栽培基質(zhì)裝密封袋，用于植株根系生長發(fā)育狀況和基質(zhì)水分養(yǎng)分狀況的分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 各批次發(fā)芽情況

各批次發(fā)芽率具體如表3所示。對比各批次發(fā)芽率發(fā)現(xiàn)，切縫播種發(fā)芽率始終較穩(wěn)定，各批次均高于70%。第2批海綿播種發(fā)芽率較低，其原因與海綿類型有關(guān)，分析認為，致密的海綿影響了其透氣性，不利于發(fā)芽，因此在之后批次中換回了疏松海綿。

表3 各批次發(fā)芽率對比Table 3 Comparison of germination rate

丸?；N子共生產(chǎn)3個批次，其中第1、2、6、7、8批蛭石培養(yǎng)試驗采用第2批丸粒化種子，4、5、6批蛭石培養(yǎng)試驗采用第3批丸粒化種子。在丸?；N子發(fā)芽率測試中，發(fā)現(xiàn)第2批丸?；N子發(fā)芽率明顯高于第3批，但在實際應(yīng)用中，8個批次間丸粒化種子發(fā)芽率呈現(xiàn)較大的隨機性。

3.2 水分養(yǎng)分控制情況

各批次基質(zhì)含水率及電導(dǎo)率結(jié)果如圖2所示。

圖2 各批次基質(zhì)含水率和電導(dǎo)率曲線Fig.2 The curve of water volumetric ratio and conductivity

從含水率來看，各批次含水率變化趨勢基本一致，從變化趨勢可以看出：第18天補水400 mL（第1批為第20天）可使得基質(zhì)含水率回升至28%以上，滿足植株進入快速生長期后對水分需求的增加；在吸水材料上補水對基質(zhì)含水率無明顯提升，可見補水100 mL對吸水材料來說僅能保證其潮濕和柔軟，基質(zhì)從吸水材料獲取的水分較少。第1批初始加水量和補水量均高于后4批，但在含水率曲線中并未發(fā)現(xiàn)明顯差異，其原因可能與蛭石的壓實程度有關(guān)，第1批蛭石裝填過程中未用力壓實。根據(jù)之前對蛭石特性的研究，蛭石壓得越緊實，在同樣加水量情況下其含水率數(shù)值越高。

從電導(dǎo)率來看，變化趨勢差異主要在于第1、2、3、4 批和第 5、6、7、8 批之間；后 4 批初始電導(dǎo)率明顯高于前4批，第6天后二者逐漸趨于一致；后4批在補水后電導(dǎo)率上升幅度也明顯高于前4批；分析其原因，環(huán)試可能是主要因素。后4批經(jīng)過環(huán)試，緩釋肥包衣受到一定程度的磨損，加速了其養(yǎng)分釋放過程。

第8批增加了補充營養(yǎng)液的操作。營養(yǎng)液電導(dǎo)率為230 ms／cm，理論上將營養(yǎng)液加入裝置會使得基質(zhì)電導(dǎo)率增加。從曲線看，第6、第9天在吸水材料上補充100 mL營養(yǎng)液并未明顯增加基質(zhì)電導(dǎo)率，第18天補充200 mL水和200 mL營養(yǎng)液后，電導(dǎo)率增幅大于補充400 mL水的電導(dǎo)率增幅。說明在吸水材料上補充100 mL營養(yǎng)液，營養(yǎng)液大部分保留在吸水材料中，未進入基質(zhì)。

另外，在栽培過程中，發(fā)現(xiàn)吸水材料表面干的現(xiàn)象，各批次之間吸水材料狀態(tài)差異較大，從濕到干的天數(shù)也有所差異，總體來看，吸水材料從濕潤狀態(tài)至變干，大約需3～5天。第8批通過每3天在吸水材料上補100 mL水（或營養(yǎng)液），可明顯緩解這一現(xiàn)象。

3.3 植株生長狀況

生長期內(nèi)各批次平均株高和葉片數(shù)變化如圖3所示。具體株高葉片數(shù)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖3 各批次株高和葉片數(shù)變化曲線Fig.3 The curve of plant height and leaf number

表4 各批次收獲時株高葉片數(shù)統(tǒng)計Table 4 Plant height and leaf number at the time of harvest

從圖3中可以看出，各批次平均株高和葉片數(shù)變化趨勢基本一致，但第3批平均株高和葉片數(shù)顯著低于其余幾批。從表4中可以看出，第3批總加水量為各批次最少，因此初步判斷其長勢弱于其他批次的原因分別為水分供應(yīng)不足和光照不足。其中，第3批與第4批除水分控制條件不同外，其余條件均相當(dāng)，因此單獨比較這兩批。其主要差異為：

1）初次加水，第3批1400 g水中有200 g是直接加在吸水材料表面，而第4批全部加入蛭石。

2）第4批在第10天時向吸水材料表面補水100 g，第3批無此操作。

3）初次加水時，往吸水材料表面加200 g水主要是為了使吸水材料迅速濕潤變軟，縮短摘取吸水材料蓋所需等待的時間。而第4批雖然未在吸水材料表面加水，但通過蛭石與吸水材料間的導(dǎo)水作用，其吸水材料最終的含水狀態(tài)與第3批無明顯差異，因此對植株生長狀況不會產(chǎn)生顯著影響。

4）第10天時，吸水材料表面已經(jīng)處于完全干燥的狀態(tài)，吸水材料變硬，此時正是植株加速生長的關(guān)鍵期，吸水材料變硬抑制了莖的變粗，影響根部與葉片間的水分養(yǎng)分傳導(dǎo)。第4批通過在吸水材料表面補水100 g，使得吸水材料表面濕潤變軟，一定程度上緩解了這一不利條件。

因此，分析認為，造成第3批株高和葉片數(shù)低于其余幾批的原因可能與缺水導(dǎo)致的吸水材料變干有關(guān)，而在表面補水可有效緩解這一現(xiàn)象。

3.4 植株營養(yǎng)成分

第2批莖葉部分采收后，營養(yǎng)成分測試結(jié)果如表5所示。

表5 植株營養(yǎng)品質(zhì)測試結(jié)果Table 5 Nutrition quality of plant

3.5 光合作用測試結(jié)果

各批次光合作用測試結(jié)果如表6所示。從表中可以看出，各批次光合作用強度均隨著生長天數(shù)而遞增；光合作用強度與株高、葉片數(shù)呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。第4批長勢較弱，光合作用強度也明顯低于其余批次；光合作用強度與燈板光強呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。

表6 光合作用測試CO2濃度下降值Table 6 Decreased value of CO2concentration during the photosynthesis measurement ／ppm

3.6 根系生長情況

各批次收獲后均對根系生長分布狀況進行了解剖觀察分析，發(fā)現(xiàn)根系生長呈如下特點：各批次根系生長發(fā)育均偏弱，側(cè)根較少，根系分布空間不到基質(zhì)總空間的1／3；根系呈乳白色，顏色正常，無爛根現(xiàn)象；第8批相比于第1～5批根系分布較少。植株根系生長狀況直接關(guān)系到營養(yǎng)和水分的獲取，對于植株生長發(fā)育至關(guān)重要。影響根系生長發(fā)育的因素有溫度、基質(zhì)水分養(yǎng)分分布、基質(zhì)質(zhì)地、氧氣含量等。當(dāng)前的培養(yǎng)條件下，溫度對于根系生長是適宜的；從根系顏色看，水分養(yǎng)分含量對于根系生長也是適宜狀態(tài)。

分別對第2～5批和第8批的根系總長度進行了測量統(tǒng)計，結(jié)果如表7所示（第3、4批均有1株死亡，只統(tǒng)計8株數(shù)據(jù)）。

初步分析根系生長發(fā)育不良與蛭石壓實程度有關(guān)。每個模塊裝入的蛭石越多，則蛭石質(zhì)地越緊密，氧含量越少，不利于根系生長。

表7 根系總長度Table 7 Total length of root system ／cm

4 結(jié)論

1）發(fā)芽結(jié)構(gòu)同時采用切縫、海綿和丸?；?種結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗證，3種發(fā)芽結(jié)構(gòu)均能有效發(fā)芽，發(fā)芽率從高到低順序依次為切縫播種、海綿播種和丸?；N子，三種結(jié)構(gòu)發(fā)芽率分別可達到70%、60%和50%。以上這三種方式發(fā)芽可靠性均較高，同時使用可最大限度保證發(fā)芽，避免天地差異可能帶來的影響；

2）驗證了水分養(yǎng)分控制方案，緩釋肥比例6 g／L，每株植物由2 g緩釋肥供應(yīng)養(yǎng)分，含水率控制范圍為18%～28%。經(jīng)驗證，在這一水分養(yǎng)分控制方案下，裝置水分可滿足植物生長需求，不會出現(xiàn)缺水或泡水現(xiàn)象，緩釋肥總量可滿足植株對養(yǎng)分的需求，且該緩釋肥比例不會造成電導(dǎo)率過高燒苗現(xiàn)象；

3）按照第18天以后植株的生長發(fā)育狀況，其光合二氧化碳凈化能力能夠被有效測量，且隨著天數(shù)增加，植株越來越高，葉面積越來越大，其凈化能力也明顯增強；

4）在確定的栽培方案下，植株平均株高可到達7 cm，平均葉片數(shù)可達到6片／株，平均鮮重可達到5.5 g／株；

5）在目前較弱的光照強度水平下，植株長勢與光照強度呈明顯的正相關(guān)，而光照強度主要由裝置輸入功率決定，因此保證裝置功率至關(guān)重要；

6）在當(dāng)前栽培方案下，根系生長較弱，根系分布空間不足蛭石總空間的1／3。植株根系受蛭石裝填緊實度影響，裝填過于緊實，影響根系獲取氧氣，導(dǎo)致根系發(fā)育不良，側(cè)根較少。