密闭式植物工厂内大黄育苗技术研究*

徐文栋 ， 李春兰

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

大黄亦称“南大黄”“马蹄大黄”等，为我国传统常用中药材，是国内外药材市场上的重要商品，被广泛应用于中西医临床和药物开发，具凉血解毒、泻热通肠之功效[1]。大黄除应用于中医药外，还广泛应用于保健、兽药、化工、酒类、饲料、饮料和外贸出口等多个领域[2]。由于对野生大黄的过度采挖和对其生长环境的破坏，野生大黄种质资源已达濒危状态，目前市场上的大黄以人工栽培为主。利用密闭式植物工厂栽培和育苗技术保护药用野生大黄资源，加强对大黄资源的保护、研究开发和合理利用，是提高大黄中药材产量和品质的必要途径。

密闭式植物工厂是指通过工业的生产方式和流程来生产植物的高效农业系统和省力型生产方式，其以不透光的绝热材料做成密闭空间，尽可能减少与外界环境中的空气、水、热能等的交换，由计算机控制系统全自动控制作物生长过程的光照、温度、湿度、CO2浓度等环境要素，创建植物生长最优良环境，创造植物生产新模式，从而达到提高植物产量、品质和效益的目的[3-4]。随着国家“双碳”战略的实施，减少化肥、农药、除草剂的大量使用造成的污染，植物工厂是国家节能减排、保障粮食安全的重要措施，在提高农业生产效率和保护环境方面具有重要意义。因此，植物工厂被认为是解决人口、资源、环境问题的重要途径之一，也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段[5]。

随着现代农业技术的发展和市场需求的增加，大黄的栽培面积也逐年扩大，但当前对大黄育苗技术的相关研究较少，直接影响了大黄中药材产业的发展。本文主要研究了大黄在密闭式植物工厂条件下的育苗技术，目的是实现大黄育苗环节的人工智能控制，为幼苗生长创造良好的环境，减少人工成本，提高种苗存活率和效率，以期为大黄工厂化育苗提供参考。

1 总体设计

密闭式植物工厂通过改造普通实验实训室而成，主要由多个独立的立体三角铁栽培架（规格为150 cm×120 cm×280 cm）拼接而成，每个栽培架上安装LED 光系统、水肥一体化系统、栽培系统、通风系统和自动控制系统。植物光照系统采用不同红蓝光配比的LED 补光灯提供光源。水肥系统由水肥一体化供应装置、废水回收装置、泵和一系列管道及管件组成，为作物提供水分和养分。栽培系统由栽培架、栽培槽和无土栽培基质组成，为作物提供生长的载体。计算机控制系统由单片机实时调节大黄生长的环境条件，保证其正常生长。

2 关键部分设计

2.1 栽培系统

大黄栽培系统的栽培框架为可拆卸三角铁立柱，每个单元栽培架规格为150 cm×120 cm×280 cm。在栽培架内，安置栽培槽，内填基质种植大黄，槽体底部具有排水孔。栽培架上端通过管道与水肥系统连接，水肥系统为大黄提供生长所需的营养物质，大黄幼苗定植在基质槽中，通过光合作用生长。

2.2 水肥系统

水肥系统主要由水肥一体化供应装置、废水回收装置、供液泵、营养液输送管、输水管、回水管、营养液回收装置和滴灌装置等组成。营养液和水分在单片机和供液泵的作用下，定时定量通过输水管运送到有机生态型无土栽培架上端，通过滴灌系统达到大黄根部，以利于大黄幼苗吸收，未利用部分通过回收装置回到营养液桶。

2.3 光照系统

光照是植物生长所必需的环境因子，波长在640 nm～660 nm的红光与波长在430 nm～450 nm的蓝光是植物进行光合作用和光形态建成的主要光谱[6]，显著影响植物的生长发育、光合作用和产量品质。LED灯与普通荧光灯相比，能够提高成苗率、增强幼苗的品质、缩短育苗周期并降低成本。LED 灯的使用寿命是普通荧光灯的10 倍，节约电能69.7%，同时能提高空间利用率，LED 照明灯在地面和空间植物栽培上的电能转换效率是金卤灯的520 倍左右[7]。因此，采用最优化的LED 植物照明系统是最有效的植物光源，是降低植物工厂能耗、提高作物产量、实现植物工厂经济效益最大化的最有效途径。该密闭式植物工厂光照系统在基质栽培槽的上部，利用不同红蓝光配比LED 光源，按照大黄不同生长时期的光能需要系统通过LED 将电能转化为植物光合作用所需的红光和蓝光，最大程度地促进大黄幼苗的生长。

2.4 控制系统

计算机控制系统主要由单片机、各类温湿度传感器和光强度传感器等组成，通过安装在栽培槽的传感器，将实时采集到的数据传输至单片机。通过采集大黄生长的环境因子和生长参数指标数据，单片机会自动实时调节各个系统对大黄生长环境进行控制[8]。

2.5 空气循环系统

植物工厂是一个密闭的空间，其内部空气需进行循环流通才能保证作物正常生长，该系统主要由空气过滤器、空调机组和循环风机等设备组成。室内空气经室内的空调和回流风机回旋流动后，由回风机抽出。

3 大黄育苗栽培管理

3.1 浸种

精选饱满的大黄种子，在20 ℃～30 ℃的除菌蒸馏水中浸泡5 h～8 h 后，放置在育苗钵中，用无纺布将催芽的种子覆盖起来，每天定时翻动，待30%的种子萌发时，揭去无纺布晾干水分后，即可将其播到穴盘中。当大黄发芽率不高时，可对种子催芽，大黄种子催芽方法主要有两种：1）快速催芽。将穴盘运送至专用催芽室，在高温高湿环境下催芽，当码放在催芽架上60%左右的种子拱出时，将其及时运送至育苗设施的苗床上。2）苗床催芽。将穴盘直接放置在育苗设施的苗床上，覆盖无纺布等材料并保持一定湿度，当60%左右的种子发芽拱出时，及时揭去覆盖物。

3.2 播种

在种子浸种催芽5 d 后，将其播于大黄专用穴盘内，由于大黄幼苗叶面开展度相对较小，通常优先选用105 孔、128 孔PS 塑料穴盘，孔穴深度≥5 cm。基质装入穴盘时应最大限度地保证孔穴内基质填装量和紧实度一致，穴盘网格清晰可见，若基质装填过量，易造成喷灌时水分漫流和后期幼苗串根，不利于移苗。播种前，基质达到“手握成团，松开即散”的状态，调整相对湿度至40%左右为宜。播种后压紧覆土，使种子与基质密切接触，基质采用大黄栽培专用育苗基质（草炭∶蛭石∶珍珠岩＝6∶1∶3）。

3.3 移栽

待大黄幼苗长至二叶一心时，将其移栽至植物工厂的栽培槽内，进行全自动控制大黄育苗。

3.4 壮苗标准

当大黄幼苗株高15 cm～20 cm，茎粗＞0.5 cm，子叶完整，叶色正常，5～7 片真叶时，即可将其移出植物工厂，炼苗后将其移栽至大田。

4 环境控制管理

4.1 温度管理

大黄生长喜冷凉、光照足的环境，而在湿热环境中不利于生长，因此日光温室内温度不超过30 ℃，在出苗至子叶平展时，白天温度保持在20 ℃～23 ℃，夜晚温度保持在12 ℃～15 ℃；在子叶平展至第一片真叶展开时，白天温度保持在22 ℃～25 ℃，夜晚温度保持在14 ℃～17 ℃；在第一片真叶展开至成苗要求真叶数时，白天温度保持在23 ℃～27 ℃，夜晚温度保持在15 ℃～19 ℃。通过单片机温度控制的原理，当设置的传感器温度大于上限温度或者小于下限温度时，植物工厂内的空调开关将打开；当传感器温度在设定的阈值内，空调关闭。

4.2 光环境管理

由于处在密闭的环境当中，大黄幼苗的生长完全依靠LED 光源。大黄是长日照植物，按照其喜强光的生长习性，应通过LED 光照系统增加光照强度和光照时间，使植物工厂内光照时间保持在10 h～14 h，随幼苗不断发育逐步提高光照强度，在大黄出苗至子叶平展阶段，应适当降低光照强度，防止强光灼伤幼苗，大黄炼苗阶段应接近自然光照强度。通过设置光照时间、光照强度、光密度等，探索大黄最佳的光生长环境，促进大黄高效优质生长。

4.3 湿度调控管理

由于大黄不喜湿热环境，在大黄育苗时，植物工厂内的空气相对湿度应保持在40%～50%，在炼苗阶段降低至30%左右，与外界环境湿度持平。当湿度传感器湿度小于下限湿度时，对应的加湿器开关将打开；当传感器湿度大于设定的湿度上限或者时间超出设置的范围时，加湿器开关将关闭。

5 讨论

根据市场调查，中国设施农业发展迅速，2021 年年末设施面积已达到8 000 万hm2以上，人工光栽培面积也有6 000 万hm2左右，设施农业已经成为现代农业的支柱产业[1]。但目前我国大部分农业种苗育苗公司的生产模式仍然处于人工管理初级阶段，无法精准控制种苗的灌溉、补光、加温等措施，严重依赖管理操作人员的个人经验。在传统的育苗管理条件下，浪费了大量的人力资源，缺乏严谨科学的理论依据。北京市农业机械研究所有限公司设计开发了一种草莓集装箱植物工厂，该植物工厂通过模块化整体设计，创造性地设计了草莓的栽培系统、补光系统、环境调控系统、营养液循环系统及控制系统，并对草莓栽培环境进行测试[9]。周增产等设计建造的智能LED植物工厂，融合了光配方技术、水肥一体化技术、营养液循环技术、环境自动化调控技术、视频监控技术和专家作物诊断技术等多项技术，实现植物工厂的智慧化管控和技术创新[7]。北京京东公司引进日本三菱公司的育苗箱育苗技术进行农作物育苗，在育苗箱内可以调控光照、CO2浓度以及温度、湿度等，8 d～10 d 就可以出一批苗，育苗周期比传统的缩短一半以上。在育苗完成后，将这些苗移栽在栽培床上，经过20 d～30 d 生长，就能够采收一茬。以绿叶生菜为例，1 年能采收12～14 茬，而露地栽培大概1 年只收获3～4 茬。虽然前人进行了很多有关植物工厂育苗的研究和创新，但到目前为止，针对育苗精密环境所设计的密闭式育苗植物工厂的研究较少。密闭式植物工厂环境稳定性强，可以实现光、温、水、气、肥等环境要素的精确调节控制，不占用一般农用耕地，产品安全无污染，单位面积产量比普通露地栽培高出几十倍甚至上百倍，能有效解决在人类发展过程中耕地面积少、植物产量低的问题，是国家粮食安全的重要保障[10-11]。此外，植物工厂能避免外界天气变化造成的影响，可控的生长环境让农作物具备高产量、高质量的优势，可以根据零售商甚至终端客户的需求来“订制产品”，不管什么时候都可以下单，而且可以保证按时送达，真正实现订单式农业。

当然，植物工厂也存在劣势。首先，与传统农业相比，植物工厂的前期投入与运营经费是后者的几倍，建造成本高昂，建造费用约是同等面积的玻璃温室的3 倍左右，且LED 光系统、水肥一体化系统、栽培系统、通风系统和自动控制系统同样成本高昂。其次，“植物工厂”对农民的素质要求也较高，农民不仅要懂得植物栽培知识，还要有丰富广泛的植物学与环境科学知识。此外，由于生产成本较高，植物工厂种植的果蔬价格也比市面上同类产品价格高几倍[12-13]。

6 结论

大黄为多基原药材，不同栽培方式影响大黄药材质量，不同品种之间大黄的生活习性具有一定差异，且大黄产地较为分散，人工栽培技术还比较粗放，阻碍了大黄的规范化生产。利用现代农业技术开展大黄栽培标准化技术研究，有利于大黄规范化生产，提高大黄的产量和品质。随着技术的成熟，更多适合我国国情发展的农业方式会被推广应用，高科技农业将会成为新的经济增长点。在相关政策的扶持下，农业科技水平也会越来越高，密闭式植物工厂育苗技术发展前景广阔，未来可期。有关在密闭式植物工厂内进行大黄育苗的研究，虽然取得了一定的成果，但植物工厂的功能研究还不够细致，目前研究重点是系统对大黄幼苗环境温度、光照强度和环境湿度的控制，接下来要继续加强对环境控制、适合植物工厂栽培的品种选育等的研究，真正实现智慧农业。