徐文棟 ， 李春蘭

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

大黃亦稱(chēng)“南大黃”“馬蹄大黃”等，為我國(guó)傳統(tǒng)常用中藥材，是國(guó)內(nèi)外藥材市場(chǎng)上的重要商品，被廣泛應(yīng)用于中西醫(yī)臨床和藥物開(kāi)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(lèi)、飼料、飲料和外貿(mào)出口等多個(gè)領(lǐng)域[2]。由于對(duì)野生大黃的過(guò)度采挖和對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境的破壞，野生大黃種質(zhì)資源已達(dá)瀕危狀態(tài)，目前市場(chǎng)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(hù)藥用野生大黃資源，加強(qiáng)對(duì)大黃資源的保護(hù)、研究開(kāi)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(guò)工業(yè)的生產(chǎn)方式和流程來(lái)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)全自動(dòng)控制作物生長(zhǎng)過(guò)程的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境要素，創(chuàng)建植物生長(zhǎng)最優(yōu)良環(huán)境，創(chuàng)造植物生產(chǎn)新模式，從而達(dá)到提高植物產(chǎn)量、品質(zhì)和效益的目的[3-4]。隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)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(guó)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(hù)環(huán)境方面具有重要意義。因此，植物工廠被認(rèn)為是解決人口、資源、環(huán)境問(wèn)題的重要途徑之一，也是未來(lái)航天工程、月球和其他星球探索過(guò)程中實(shí)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(chǎng)需求的增加，大黃的栽培面積也逐年擴(kuò)大，但當(dāng)前對(duì)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(shí)現(xiàn)大黃育苗環(huán)節(jié)的人工智能控制，為幼苗生長(zhǎng)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(jì)

密閉式植物工廠通過(guò)改造普通實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室而成，主要由多個(gè)獨(dú)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(gè)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(dòng)控制系統(tǒng)。植物光照系統(tǒng)采用不同紅藍(lán)光配比的LED 補(bǔ)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(wú)土栽培基質(zhì)組成，為作物提供生長(zhǎng)的載體。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由單片機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)大黃生長(zhǎng)的環(huán)境條件，保證其正常生長(zhǎng)。

2 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

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(gè)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(guò)管道與水肥系統(tǒng)連接，水肥系統(tǒng)為大黃提供生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，大黃幼苗定植在基質(zhì)槽中，通過(guò)光合作用生長(zhǎng)。

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(yíng)養(yǎng)液輸送管、輸水管、回水管、營(yíng)養(yǎng)液回收裝置和滴灌裝置等組成。營(yíng)養(yǎng)液和水分在單片機(jī)和供液泵的作用下，定時(shí)定量通過(guò)輸水管運(yùn)送到有機(jī)生態(tài)型無(wú)土栽培架上端，通過(guò)滴灌系統(tǒng)達(dá)到大黃根部，以利于大黃幼苗吸收，未利用部分通過(guò)回收裝置回到營(yíng)養(yǎng)液桶。

2.3 光照系統(tǒng)

光照是植物生長(zhǎng)所必需的環(huán)境因子，波長(zhǎng)在640 nm～660 nm的紅光與波長(zhǎng)在430 nm～450 nm的藍(lán)光是植物進(jìn)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(zhǎng)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(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)植物工廠經(jīng)濟(jì)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(lán)光配比LED 光源，按照大黃不同生長(zhǎng)時(shí)期的光能需要系統(tǒng)通過(guò)LED 將電能轉(zhuǎn)化為植物光合作用所需的紅光和藍(lán)光，最大程度地促進(jìn)大黃幼苗的生長(zhǎng)。

2.4 控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、各類(lèi)溫濕度傳感器和光強(qiáng)度傳感器等組成，通過(guò)安裝在栽培槽的傳感器，將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)。通過(guò)采集大黃生長(zhǎng)的環(huán)境因子和生長(zhǎng)參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)系統(tǒng)對(duì)大黃生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行控制[8]。

2.5 空氣循環(huán)系統(tǒng)

植物工廠是一個(gè)密閉的空間，其內(nèi)部空氣需進(jìn)行循環(huán)流通才能保證作物正常生長(zhǎng)，該系統(tǒng)主要由空氣過(guò)濾器、空調(diào)機(jī)組和循環(huán)風(fēng)機(jī)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(jī)回旋流動(dòng)后，由回風(fēng)機(jī)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(wú)紡布將催芽的種子覆蓋起來(lái)，每天定時(shí)翻動(dòng)，待30%的種子萌發(fā)時(shí)，揭去無(wú)紡布晾干水分后，即可將其播到穴盤(pán)中。當(dāng)大黃發(fā)芽率不高時(shí)，可對(duì)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(pán)運(yùn)送至專(zhuān)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(shí)，將其及時(shí)運(yùn)送至育苗設(shè)施的苗床上。2）苗床催芽。將穴盤(pán)直接放置在育苗設(shè)施的苗床上，覆蓋無(wú)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(shí)，及時(shí)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(zhuān)用穴盤(pán)內(nèi)，由于大黃幼苗葉面開(kāi)展度相對(duì)較小，通常優(yōu)先選用105 孔、128 孔PS 塑料穴盤(pán)，孔穴深度≥5 cm?；|(zhì)裝入穴盤(pán)時(shí)應(yīng)最大限度地保證孔穴內(nèi)基質(zhì)填裝量和緊實(shí)度一致，穴盤(pán)網(wǎng)格清晰可見(jiàn)，若基質(zhì)裝填過(guò)量，易造成噴灌時(shí)水分漫流和后期幼苗串根，不利于移苗。播種前，基質(zhì)達(dá)到“手握成團(tuán)，松開(kāi)即散”的狀態(tài)，調(diào)整相對(duì)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(zhuān)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(zhǎng)至二葉一心時(shí)，將其移栽至植物工廠的栽培槽內(nèi)，進(jìn)行全自動(dòng)控制大黃育苗。

3.4 壯苗標(biāo)準(zhǔn)

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(shí)，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(zhǎng)喜冷涼、光照足的環(huán)境，而在濕熱環(huán)境中不利于生長(zhǎng)，因此日光溫室內(nèi)溫度不超過(guò)30 ℃，在出苗至子葉平展時(shí)，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(kāi)時(shí)，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(kāi)至成苗要求真葉數(shù)時(shí)，白天溫度保持在23 ℃～27 ℃，夜晚溫度保持在15 ℃～19 ℃。通過(guò)單片機(jī)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(shí)，植物工廠內(nèi)的空調(diào)開(kāi)關(guān)將打開(kāi)；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(zhǎng)完全依靠LED 光源。大黃是長(zhǎng)日照植物，按照其喜強(qiáng)光的生長(zhǎng)習(xí)性，應(yīng)通過(guò)LED 光照系統(tǒng)增加光照強(qiáng)度和光照時(shí)間，使植物工廠內(nèi)光照時(shí)間保持在10 h～14 h，隨幼苗不斷發(fā)育逐步提高光照強(qiáng)度，在大黃出苗至子葉平展階段，應(yīng)適當(dāng)降低光照強(qiáng)度，防止強(qiáng)光灼傷幼苗，大黃煉苗階段應(yīng)接近自然光照強(qiáng)度。通過(guò)設(shè)置光照時(shí)間、光照強(qiáng)度、光密度等，探索大黃最佳的光生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)大黃高效優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)。

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(shí)，植物工廠內(nèi)的空氣相對(duì)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(shí)，對(duì)應(yīng)的加濕器開(kāi)關(guān)將打開(kāi)；當(dāng)傳感器濕度大于設(shè)定的濕度上限或者時(shí)間超出設(shè)置的范圍時(shí)，加濕器開(kāi)關(guān)將關(guān)閉。

5 討論

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，2021 年年末設(shè)施面積已達(dá)到8 000 萬(wàn)hm2以上，人工光栽培面積也有6 000 萬(wàn)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(guó)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(jí)階段，無(wú)法精準(zhǔn)控制種苗的灌溉、補(bǔ)光、加溫等措施，嚴(yán)重依賴(lài)管理操作人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。在傳統(tǒng)的育苗管理?xiàng)l件下，浪費(fèi)了大量的人力資源，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的理論依據(jù)。北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種草莓集裝箱植物工廠，該植物工廠通過(guò)模塊化整體設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了草莓的栽培系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，并對(duì)草莓栽培環(huán)境進(jìn)行測(cè)試[9]。周增產(chǎn)等設(shè)計(jì)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(yíng)養(yǎng)液循環(huán)技術(shù)、環(huán)境自動(dòng)化調(diào)控技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和專(zhuān)家作物診斷技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，實(shí)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(jìn)日本三菱公司的育苗箱育苗技術(shù)進(jìn)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(guò)20 d～30 d 生長(zhǎng)，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(jìn)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(duì)育苗精密環(huán)境所設(shè)計(jì)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(qiáng)，可以實(shí)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(wú)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(lèi)發(fā)展過(guò)程中耕地面積少、植物產(chǎn)量低的問(wèn)題，是國(guó)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(zhǎng)環(huán)境讓農(nóng)作物具備高產(chǎn)量、高質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)零售商甚至終端客戶的需求來(lái)“訂制產(chǎn)品”，不管什么時(shí)候都可以下單，而且可以保證按時(shí)送達(dá)，真正實(shí)現(xiàn)訂單式農(nóng)業(yè)。

當(dāng)然，植物工廠也存在劣勢(shì)。首先，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，植物工廠的前期投入與運(yùn)營(yíng)經(jīng)費(fèi)是后者的幾倍，建造成本高昂，建造費(fèi)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(dòng)控制系統(tǒng)同樣成本高昂。其次，“植物工廠”對(duì)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(shí)，還要有豐富廣泛的植物學(xué)與環(huán)境科學(xué)知識(shí)。此外，由于生產(chǎn)成本較高，植物工廠種植的果蔬價(jià)格也比市面上同類(lèi)產(chǎn)品價(jià)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(kāi)展大黃栽培標(biāo)準(zhǔn)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(guó)國(guó)情發(fā)展的農(nóng)業(yè)方式會(huì)被推廣應(yīng)用，高科技農(nóng)業(yè)將會(huì)成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。在相關(guān)政策的扶持下，農(nóng)業(yè)科技水平也會(huì)越來(lái)越高，密閉式植物工廠育苗技術(shù)發(fā)展前景廣闊，未來(lái)可期。有關(guān)在密閉式植物工廠內(nèi)進(jìn)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(xì)致，目前研究重點(diǎn)是系統(tǒng)對(duì)大黃幼苗環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度和環(huán)境濕度的控制，接下來(lái)要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)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(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。