人工光植物工厂水培生菜高效生产关键技术

陈淑君，赵 凤，姚慧敏，王绛辉，孙家波*

（1.山东省农业科学院休闲农业研究所/农业农村部华东都市农业重点实验室，山东济南 250100；2.齐河县农业农村局农村经济发展服务中心，山东德州 251100）

植物工厂分为人工光植物工厂、太阳光型植物工厂、太阳光和人工光源组合型植物工厂三种类型[1]。其中，人工光植物工厂是依托设施园艺、家电科技、照明科技、生物工程、信息科技等学科技术，利用发光二极管（LED）模拟自然阳光照射的生长原理，同时采用光、水、温、气、肥智能集成技术，共同创建出封闭型生菜最佳生长环境的设施场地[2-3]。人工光植物工厂是未来现代高效农业的一种表现形式，一方面从食品健康安全和满足人们对绿色高品质农产品的追求上看，在人工光植物工厂中，可以根据植物的生长习性和喜好来提供最佳的生长环境，因此可在植物工厂进行不同需求的作物高效生产。另一方面从都市农业快速发展的情况看，植物工厂立体栽培高效农作方式在未来将大量出现在城市内部、地下建筑和楼宇等一些城市空间生产产品，不仅可以给市民保障供应新鲜的绿色蔬菜，优化“菜篮子”供给，增强城市食品供应的弹性，同时植物工厂还可作为展示现代化农业的窗口，为城市居民提供绿色、科普、体验、参与的平台。

生菜也称为叶用莴苣，属菊科莴苣属，口感甘甜微苦，爽脆，颜色翠绿，是日常生活中居民餐桌上常见的叶类蔬菜。生菜因其生长周期短、品质好、品种丰富、病虫害少，是国内外植物工厂水培蔬菜面积较大的一种水培作物之一[4]，是可以在植物工厂内实现全年计划性稳定生产的优质蔬菜。据统计，以水培生菜为例，人工光植物工厂的生产效能约为传统露地种植的40～108 倍[5]。目前关于植物工厂水培技术的研究大多是温室叶菜水培设施技术、管道设施水培技术，而针对人工光型植物工厂深液流水培生菜技术研究较少。因此，本文从生菜品种选择、育苗、定植和一体式环境水肥智能调控等方面进行总结，以期为人工光植物工厂高效利用和深液流生菜栽培技术推广提供一定参考。

1 人工光植物工厂设施条件

1.1 种植地点及环境条件

试验在济南市山东农业科学院创新大楼农业农村部华东都市农业重点实验室人工光植物工厂水培栽培间进行。植物工厂内全程智能管控温度，实验室设置白天23 ℃，晚上17 ℃；湿度控制在60%左右。植物工厂内通过空调和新风系统交换空气，维持室内CO2浓度与空气中CO2浓度持平。

1.2 立体无土栽培系统

植物工厂室内设有铝型材质栽培架5 个，规格为1 300 mm×800 mm×2 240 mm，分别为2 组4 层，单层高40 cm；3 组2 层，单层高86 cm。架子每层装有水盘、定植板，水盘规格为1 215 mm×800 mm×90 mm；定植板规格为768 mm×519 mm×30 mm，每层各两块，每个定植板孔数48 个，开孔规格23 mm×23 mm×30 mm，壁厚不低于2 mm。

1.3 营养液循环与控制系统

营养液供应循环系统主要包括：营养液桶、A 液和B液补液桶、水泵、抽样泵、回液水泵及过滤网、储液池、管道及传感控制系统（高液位水阀控制器、电导率调控系统、pH 调控装置、紫外线杀菌装置）。

营养液配方为改良版Hoagland 营养液如表1（见下页），按照水培生菜所需营养液的100 倍配制母液A、母液B、调酸液、调碱液。

表1 营养液及调配液的配方Table 1 Formula of nutrient solution and blending solution

1.4 智能闭环环境控制系统

植物工厂设有物联网系统、新风系统、CO2补充系统、除湿系统、空调系统、多通道光传感器，均由计算机系统精准控制，可以实现温度、湿度的闭环精确控制。对光、温、水、气、肥等环境条件进行实时最佳闭环控制，确保各项环境因素适宜生菜生长。

1.5 风淋消毒和新风系统

植物工厂是一个完全封闭相对无菌的环境，新风系统可保持室内空气循环和洁净。为减少粉尘、预防病原体产生病虫害危害植物生长，进入植物工厂需身穿防护服或实验服，并带一次性灭菌橡胶手套和口罩，通过风淋室消毒进入。种植间内部设有空气循环净化处理设施，内部洁净效果须达到国家7 级GB/T 16292—1996 标准（原10 000 级）[6]。

1.6 光源

植物工厂光源为LED 全光谱植物补光灯，补光灯尺寸长200 mm×宽120 mm×高35 mm，采用冷光源，发热少；每层2 盏，单盏功率不高于200 W；红光光谱峰值660 nm，蓝光光谱峰值450 nm，补光灯高度可调。光谱光强可通过中控进行调节。人工光植物工厂生菜种植过程用全LED 光源，红光（R）波长655 nm，蓝光（B）波长435 nm，采用红蓝（R∶B）光比4∶1 的光谱组合的光照条件下种植，红蓝光强值在200 μmol/(m2·s)。白光光强值在200 μmol/(m2·s)。光照时间前期设置为光暗时间（12 h/8 h），后期采摘前6 d 设置为光暗时间（24 h/12 h）。

1.7 栽培品种

2020—2021 年两年在植物工厂内种植京研的‘耶罗’‘绿莎’‘绿团’‘红莎’‘雅丹’，瑞克斯旺的‘章克申’‘Deangleia’，上海惠和的‘秀丽’‘绿蝶’‘绿苣’‘绿花叶’‘紫橡叶’等12 种生菜品种。

2 水培生菜关键生产技术

2.1 催芽

进口的‘Deangleia’和‘绿蝶’生菜种子可直接播种，无需催芽。其它生菜种子用凉水浸泡12～24 h，将水控干，装入自封袋，放入冰箱4 ℃处理12～24 h[7]。

2.2 育苗

实验室播种采用25 cm×25 cm 方块100 孔十字刀口育海绵。将海绵块完全浸湿后放入育苗盘，在育苗盘里加入纯净水没过盘底。用镊子将催芽后的生菜种子依次放入海绵十字口凹陷处，每个海绵凹陷处内放一粒种子，注意不要塞入深处。

2.3 育苗管理

播种完后将育苗盘放置在黑暗的环境中，室温保持在24 ℃，出芽前每天向育苗盘里加纯净水没过盘底，用喷壶喷湿海绵上层，使海绵保持湿润。3～4 d 后出苗。出苗后开始见光，并往育苗盘里加入1/4 的改良版Hoagland 营养液配方使其继续生长。

2.4 定植

生菜苗长到4 叶1 心时，将每块海绵上的生菜苗定植到栽培架上。长势过高的生菜苗需要用定植海绵重新包裹，然后再放入栽培架。种植密度约为25 株/m2[8]，每层种植面积为1.6m2。打开营养液灌溉循环系统，使营养液进入栽培架充分循环，待可溶性盐浓度（EC）稳定后再移栽。每层定植完后掀开定植板，查看生菜根系是否都垂直接触液面，防止定植过程中生菜根系黏连在海绵上，影响生菜发育。

2.5 定植后水肥管理

植物工厂内供液方式为深液流技术。在系统上设置营养液定植后小苗期可溶性盐浓度为1.0～1.5 mS/cm，快速生长期为1.5～1.8 mS/cm，收获前期1.8～2.0 mS/cm[9-10]。生菜生育期营养液pH 5.5～7。定期查看系统，并用手持电导率仪抽样检查。

考虑到植物工厂的深液流设计，植物工厂的营养液处于循环流动的状态。流动不仅可以增加营养液的溶存氧，还可以消除根表有害代谢物（尤其是生理酸碱性）的局部累积[4]，消除根表和根外的养分浓度差，充分满足生菜的需求。种植期间营养液循环灌溉开3 min 关9 min，一直循环，直到采收。系统设置每天上午10：15—10：30为系统补充营养液时间，10：30—11：00 为营养液校准时间。

2.6 病虫害防治

水培属于无土栽培，不存在连作障碍，室内设有风淋系统，进口处严格按照消毒规定执行，能最大程度地保障室内洁净，病原物寄生虫也相对较少，水培病虫害相比基质较少发生。考虑到植物工厂严格环境把控和绿色生产，整个生菜生育期不使用任何农药和杀虫剂。

2.7 适时采收与产品保鲜

生菜定植移栽后30～35 d 后采收。采收时可将生菜整棵取出，摘去老、黄叶片，用无纺布将生菜根部包裹起来，整棵采收。也可用剪刀将生菜根系减去放入保鲜袋。生菜可放置在0 ℃、相对湿度90%的条件下保鲜贮藏，该温度可以有效地降低生菜的失重率以及营养成分的损失，还可抑制多酚氧化酶和过氧化物酶活性的下降，提高生菜保鲜效果，延长货架期[11-12]。

2.8 清洗与消毒

生菜采收完毕后要及时把架子和桶里的营养液排掉，进行清洗和消毒，将300 mL 6%的次氯酸钠稀释至100 L 的营养液配液桶中，并循环到架子上进行消毒。对室内进行紫外线杀菌，同时用400～600 倍84 消毒液擦洗喷洒定植板，进行消毒，准备下一茬播种。

3 总结

光是植物能量的主要来源和信号，通过光质、光强、光周期影响植物的生长过程。众多研究和实验表明在植物工厂采用LED 红蓝光可完全满足生菜的生长需求。有学者指出采用红蓝（R∶B）光4∶1 条件下，200 μmol/(m2·s)光强比较适合植物工厂水培生菜生产，该条件下不仅能够获得生菜最大产量，还能有效降低室内能源消耗和资源浪费[13-14]。同时设置白光光源光强值为200μmol/(m2·s)。周成波等[15]指出在白光200 μmol/(m2·s)的光照强度下，更利于生菜的生长，能提高生菜体内N、C、P、K、Mg 和Fe 的积累，显著提高生菜的叶面积。有研究指出在生菜采收前一星期的时间转变生菜的光暗周期，增加其光照时间可以显著提高生菜的叶面积、嫩芽数，同时植株内的可溶性糖、可溶性蛋白、抗坏血酸含量会显著增加[16-18]。

根据生菜在植物工厂内表现的生理性状及大众口感比较，挑选出满足市场需求及高产、优质、美观的生菜品种。发现上海惠和‘绿蝶’，特色奶油生菜，叶片深绿，抽薹较晚，耐热性好，早熟性表现较好，适合水培。京研‘耶罗’生菜，株型直立，叶缘略皱缩，叶色翠绿有光泽，内叶淡黄色，叶肉厚品质脆嫩。京研‘绿团’生菜，绵叶型半结球，叶片黄绿叶片绵软爽滑，耐抽薹。瑞克斯旺‘Deangelia’奶油生菜，叶绿色椭圆，光泽度好，叶片肉厚柔软，耐抽薹，抗霜霉病。因此，上海惠和的‘绿蝶’生菜，京研的‘耶罗’生菜、‘绿团’生菜、瑞克斯旺的‘Deangelia’奶油生菜在植物工厂的性状表现十分良好，栽培周期较短，单株产量表现较好，口感符合地区的口味，推荐在植物工厂内周年种植。

4 展望

在植物工厂种植生菜，可以精准控制环境，细致化配制营养液，一方面可缩短生菜的生育期，确保植物生长的一致性，大大提高生产效率，另一方面生菜种植期间不喷施农药，洁净程度高，无病虫害，整年可以计划性实现8～9 茬的绿色生菜种植，无地域限制能够实现生菜的就近供应与销售，避免生菜长途运输，降低运输过程的浪费和能源消耗。未来植物工厂在食品安全健康方面发挥着越来越重要的地位。目前植物工厂不仅局限于生菜的种植，用此技术可同样种植叶菜类的菠菜、油麦菜、蒲公英等植物。但是植物工厂的缺点也十分明显，虽然使用LED 节能光源，但是植物工厂用电量依然是一个制约其发展的问题。通过合理利用太阳能以降低运行成本，利用再生资源降低电力成本[19-20]，相信随着植物工厂技术的不断提高改进和系统能耗及运行成本的降低，植物工厂将更加注重功能型蔬菜，保健型中药材的生产，通过专业化市场的逐步发展和商业化模式的创新，植物工厂将会迎来大范围的普及和推广。