Abstrakt

För närvarande har växtfabriken framgångsrikt förädlat grönsaksplantor som gurkor, tomater, paprika, aubergine och meloner, vilket förser bönderna med högkvalitativa plantor i omgångar, och produktionsprestanda efter plantering är bättre. Växtfabriker har blivit ett viktigt sätt att försörja grönsaksindustrin med plantor och spelar en allt viktigare roll för att främja strukturreformen på utbudssidan av grönsaksindustrin, vilket säkerställer urban grönsaksförsörjning och produktion av gröna grönsaker.

Design av plantförädlingssystem för växtfabriker och viktig teknisk utrustning

Som det mest effektiva jordbruksproduktionssystemet för närvarande integrerar plantodlingssystemet i växtfabriken omfattande tekniska medel, inklusive artificiell belysning, näringslösningstillförsel, tredimensionell miljökontroll, automatiserade hjälpfunktioner, intelligent produktionshantering etc., och integrerar bioteknik, informationsteknik och artificiell intelligens. Intelligenta och andra högteknologiska prestationer främjar branschens kontinuerliga utveckling. 

LED-system för artificiellt ljus

Konstruktionen av en artificiell ljusmiljö är en av kärnteknikerna i plantförädlingssystem i växtfabriker, och det är också den huvudsakliga energikällan för plantproduktion. Ljusmiljön i växtfabriker har stark flexibilitet, och ljusmiljön kan regleras från flera dimensioner såsom ljuskvalitet, ljusintensitet och fotoperiod, och samtidigt kan olika ljusfaktorer optimeras och kombineras i tidssekvens för att bilda en ljusformel för plantodling, vilket säkerställer en lämplig ljusmiljö för artificiell odling av plantor. Därför har en speciell energibesparande LED-ljuskälla utvecklats baserat på ljusbehovsegenskaperna och produktionsmålen för olika planttillväxter, genom att optimera ljusformelparametrarna och ljusförsörjningsstrategin, vilket avsevärt kan förbättra ljusenergiomvandlingseffektiviteten hos plantor, främja ackumulering av plantbiomassa och förbättra kvaliteten på plantproduktionen, samtidigt som energiförbrukningen och produktionskostnaderna minskas. Dessutom är reglering av ljusmiljön också ett viktigt tekniskt medel i processen för domesticering av plantor och läkning av ympade plantor.

Avtagbart vertikalt plantsystem med flera lager

Plantodlingen i plantfabriken utförs med hjälp av en flerskiktad tredimensionell hylla. Genom den modulära systemdesignen kan plantodlingssystemet snabbt monteras. Avståndet mellan hyllorna kan flexibelt justeras för att möta utrymmeskraven för odling av olika plantsorter och avsevärt förbättra utrymmesutnyttjandet. Dessutom möjliggör den separata designen av såbäddssystemet, belysningssystemet och vatten- och gödningsbevattningssystemet att såbädden har både en transportfunktion, vilket är bekvämt för förflyttning till olika verkstäder som sådd, groning och domesticering, och minskar arbetsförbrukningen för hantering av plantbrickor.

Avtagbart vertikalt plantsystem med flera lager 

Vatten- och gödningsmedelsbevattning använder huvudsakligen tidvattentyp, spraytyp och andra metoder, genom exakt kontroll av tid och frekvens för näringstillförsel, för att uppnå jämn tillförsel och effektiv användning av vatten och mineralnäringsämnen. I kombination med den speciella näringslösningsformulan för plantor kan den möta plantornas tillväxt- och utvecklingsbehov och säkerställa en snabb och hälsosam tillväxt av plantor. Dessutom kan näringsämnen fyllas på i tid genom online-näringjondetekteringssystemet och näringslösningssteriliseringssystemet, samtidigt som man undviker ansamling av mikroorganismer och sekundära metaboliter som påverkar plantornas normala tillväxt. 

Miljökontrollsystem

Exakt och effektiv miljökontroll är en av huvudfunktionerna i ett plantförökningssystem i en växtfabrik. Den externa underhållsstrukturen i en växtfabrik är vanligtvis sammansatt av material som är ogenomskinliga och mycket isolerande. På grundval av detta är regleringen av ljus, temperatur, fuktighet, vindhastighet och CO2 nästan opåverkad av den yttre miljön. Genom konstruktionen av CFD-modellen för att optimera luftkanalens layout, i kombination med mikromiljökontrollmetoden, kan en jämn fördelning av miljöfaktorer som temperatur, fuktighet, vindhastighet och CO2 i odlingsutrymmet med hög densitet uppnås. Den intelligenta miljöregleringen realiseras genom distribuerade sensorer och kontaktkontroll, och realtidsregleringen av hela odlingsmiljön utförs genom anslutningen mellan övervakningsenheten och styrsystemet. Dessutom kan användningen av vattenkylda ljuskällor och vattencirkulation, i kombination med införandet av utomhuskylkällor, uppnå energibesparande kylning och minska luftkonditioneringens energiförbrukning.

Automatisk hjälpdriftsutrustning

Processen för plantförädling i fabriken är strikt, driftstätheten är hög, utrymmet är kompakt och automatisk hjälputrustning är oumbärlig. Användningen av automatiserad hjälputrustning bidrar inte bara till att minska arbetsförbrukningen, utan bidrar också till att förbättra effektiviteten i odlingsutrymmet. Den automatiseringsutrustning som hittills har utvecklats inkluderar jordbeläggningsmaskiner, såmaskiner, ympmaskiner, AGV-logistiktransportvagnar etc. Under kontroll av den stödjande intelligenta hanteringsplattformen kan den obemannade driften av hela processen för plantförädling i princip realiseras. Dessutom spelar maskinseendeteknik en allt viktigare roll i processen för plantförädling. Den hjälper inte bara till att övervaka plantornas tillväxtstatus, assisterar i hanteringen av kommersiella plantor, utan utför också automatisk screening av svaga plantor och döda plantor. Robothanden tar bort och fyller plantorna.

Fördelar med plantförädling i växtfabriker

Hög miljökontroll möjliggör årlig produktion

På grund av plantförädlingens särdrag är kontrollen av dess odlingsmiljö mycket viktig. Under plantfabrikens förhållanden är miljöfaktorer som ljus, temperatur, vatten, luft, gödningsmedel och CO2 noggrant kontrollerade, vilket kan ge den bästa tillväxtmiljön för plantförädling, oavsett årstider och regioner. Dessutom kräver processen för ympning, sårläkning och rotdifferentiering i förädlingsprocessen för ympade plantor och sticklingsplantor högre miljökontroll, och plantfabrikerna är också utmärkta bärare. Flexibiliteten i själva plantfabrikens miljöförhållanden är stark, så den är av stor betydelse för produktionen av grönsaksplantor under lågförädlingssäsonger eller i extrema miljöer, och kan ge plantstöd för att säkerställa en ständig tillgång på grönsaker. Dessutom är plantförädlingen av plantfabriker inte begränsad av utrymme och kan utföras på plats i förorter till städer och i offentliga utrymmen. Specifikationerna är flexibla och föränderliga, vilket möjliggör massproduktion och nära tillgång till högkvalitativa plantor, vilket ger viktigt stöd för utvecklingen av urban trädgårdsodling. 

Förkorta förädlingscykeln och förbättra plantornas kvalitet

Under odlingsförhållanden i fabriken, tack vare den exakta kontrollen av olika tillväxtmiljöfaktorer, förkortas plantornas förädlingscykel med 30 % till 50 % jämfört med traditionella metoder. Förkortningen av förädlingscykeln kan öka produktionspartiet av plantor, öka producenternas inkomster och minska de driftsrisker som orsakas av marknadsfluktuationer. För odlare är det gynnsamt för tidig omplantering och plantering, tidig marknadslansering och förbättrad konkurrenskraft på marknaden. Å andra sidan är plantorna som odlas i fabriken snygga och kraftiga, de morfologiska och kvalitetsindikatorerna förbättras avsevärt och produktionsprestanda efter kolonisering är bättre. Studier har visat att tomat-, paprika- och gurkplantor som odlas under odlingsförhållanden inte bara förbättrar bladyta, planthöjd, stjälkdiameter, rotkraft och andra indikatorer, utan också förbättrar anpassningsförmåga, sjukdomsresistens, blomknoppdifferentiering efter kolonisering. Och produktionen och andra aspekter har uppenbara fördelar. Antalet honblommor per planta ökade med 33,8 % och antalet frukter per planta ökade med 37,3 % efter plantering av gurkplantor som odlats i fabriken. Med den kontinuerliga fördjupningen av teoretisk forskning om biologin i plantornas utvecklingsmiljö kommer växtfabriker att bli mer precisa och kontrollerbara när det gäller att forma plantornas morfologi och förbättra den fysiologiska aktiviteten.

 Jämförelse av tillståndet hos ympade plantor i växthus och växtfabriker

Effektiv resursanvändning för att minska plantkostnaderna

Plantfabriken använder standardiserade, informatiserade och industrialiserade planteringsmetoder, så att varje led i plantproduktionen kontrolleras strikt och effektiviteten i resursutnyttjandet förbättras avsevärt. Fröer är den största kostnadsförbrukningen vid plantförädling. På grund av oregelbunden drift och dålig miljökontroll hos traditionella plantor uppstår problem som icke-groning eller svag tillväxt av frön, vilket resulterar i enormt svinn i processen från frön till kommersiella plantor. I plantfabriksmiljön förbättras utnyttjandet av frön kraftigt genom förbehandling av fröer, finsådd och exakt kontroll av odlingsmiljön, och doseringen kan minskas med mer än 30 %. Vatten, gödningsmedel och andra resurser är också den största kostnadsförbrukningen vid traditionell plantförädling, och fenomenet med resursslöseri är allvarligt. Under plantfabrikernas förhållanden kan effektiviteten i vatten- och gödningsmedelsutnyttjandet ökas med mer än 70 %. På grund av plantfabrikens kompakta struktur och den enhetliga miljökontrollen förbättras dessutom energi- och CO2-utnyttjandegraden i processen för plantförökning avsevärt.

Jämfört med traditionell plantodling i det fria fältet och plantodling i växthus är den största fördelen med plantodling i växthus att den kan utföras på ett flerskiktat tredimensionellt sätt. I växthus kan plantodling utökas från planet till det vertikala utrymmet, vilket avsevärt förbättrar plantodlingseffektiviteten per markenhet och avsevärt förbättrar utrymmesutnyttjandet. Till exempel kan standardmodulen för plantodling som utvecklats av ett biologiskt företag, under förutsättning att den täcker en yta på 4,68 ㎡, odla mer än 10 000 plantor i en enda omgång, vilket kan användas för 3,3 Mu (2201,1 ㎡) grönsaksproduktionsbehov. Under förutsättning av högdensitets tredimensionell förädling i flera lager kan stöd för automatisk hjälputrustning och intelligent logistiktransportsystem avsevärt förbättra effektiviteten i arbetskraftsutnyttjandet och spara arbetskraft med mer än 50 %.

Högresistensförädling av plantor för att underlätta grön produktion

En ren produktionsmiljö i odlingsfabriken kan avsevärt minska förekomsten av skadedjur och sjukdomar i förädlingsutrymmet. Samtidigt, genom en optimerad konfiguration av odlingsmiljön, kommer de producerade plantorna att ha högre motståndskraft, vilket avsevärt kan minska bekämpningsmedelssprutningen under plantförökning och plantering. Dessutom kan gröna kontrollåtgärder som ljus, temperatur, vatten och gödningsmedel i odlingsfabriken användas för att ersätta den storskaliga användningen av hormoner i traditionell verksamhet för att säkerställa livsmedelssäkerhet, minska miljöföroreningar och uppnå hållbar produktion av gröna plantor.

Produktionskostnadsanalys 

Sätten för plantfabriker att öka de ekonomiska fördelarna med plantor består huvudsakligen av två delar. Å ena sidan, genom att optimera strukturdesign, standardiserad drift och användning av intelligenta anläggningar och utrustning, kan man minska förbrukningen av frön, el och arbetskraft i processen för plantförädling, och förbättra vatten-, gödningsmedels-, värme- och energiförbrukningen. Effektiviteten i utnyttjandet av gas och koldioxid minskar kostnaderna för plantförädling; å andra sidan, genom exakt kontroll av miljön och optimering av processflödet, förkortas plantornas förädlingstid, och den årliga förädlingsomgången och plantavkastningen per ytenhet ökar, vilket är mer konkurrenskraftigt på marknaden. 

Med utvecklingen av växtfabriksteknik och den kontinuerliga fördjupningen av miljöbiologisk forskning om plantodling är kostnaden för plantförädling i växtfabriker i princip densamma som för traditionell växthusodling, och kvaliteten och marknadsvärdet på plantorna är högre. Om man tar gurkplantor som exempel står produktionsmaterialen för en stor andel och står för cirka 37 % av den totala kostnaden, inklusive frön, näringslösning, pluggbrickor, substrat etc. Elförbrukningen står för cirka 24 % av den totala kostnaden, inklusive växtbelysning, luftkonditionering och energiförbrukning för näringslösningspumpar etc., vilket är den huvudsakliga inriktningen för framtida optimering. Dessutom är den låga andelen arbetskraft ett kännetecken för växtfabrikernas produktion. Med den kontinuerliga ökningen av automatiseringsgraden kommer kostnaden för arbetskraftsförbrukningen att minskas ytterligare. I framtiden kan de ekonomiska fördelarna med plantförädling i växtfabriker förbättras ytterligare genom utveckling av grödor med högt förädlingsvärde och utveckling av industrialiserad odlingsteknik för plantor av värdefulla skogsträd.

Kostnadssammansättning för gurkplantor /%

Industrialiseringsstatus

Under senare år har vetenskapliga forskningsinstitutioner, representerade av Urban Agriculture Research Institute vid Chinese Academy of Agricultural Sciences, och högteknologiska företag insett industrin för plantförädling i växtfabriker. Det kan förse plantor med en effektiv industriell produktionslinje från frö till uppkomst. Bland dem täcker en växtfabrik i Shanxi som byggdes och togs i drift 2019 en yta på 3 500 ㎡ och kan odla 800 000 paprikaplantor eller 550 000 tomatplantor inom en 30-dagarscykel. En annan plantförädlingsfabrik som byggdes täcker en yta på 2 300 ㎡ och kan producera 8-10 miljoner plantor per år. Den mobila läkningsanläggningen för ympade plantor, som utvecklats oberoende av Institute of Urban Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, kan tillhandahålla en plattform för läkning och domesticering på monteringslinjen för odling av ympade plantor. En enda arbetsyta kan hantera mer än 10 000 ympade plantor åt gången. I framtiden förväntas mångfalden av plantförädlingssorter i växtfabriker utökas ytterligare, och automatiserings- och intelligensnivån kommer att fortsätta att förbättras.

Den mobila läkningsanläggningen för ympade plantor utvecklad av Institutet för urbant jordbruk, Kinesiska akademin för jordbruksvetenskaper

Syn

Som en ny aktör inom fabriksodling av plantor har plantfabriker enorma fördelar och kommersialiseringspotential jämfört med traditionella plantodlingsmetoder när det gäller exakt miljökontroll, effektivt resursutnyttjande och standardiserade operationer. Genom att minska förbrukningen av resurser som frön, vatten, gödningsmedel, energi och arbetskraft vid plantodling, och förbättra avkastningen och kvaliteten på plantor per ytenhet, kommer kostnaden för plantodling i plantfabriker att minskas ytterligare, och produkterna kommer att bli mer konkurrenskraftiga på marknaden. Det finns en enorm efterfrågan på plantor i Kina. Förutom produktion av traditionella grödor som grönsaker, förväntas högförädlade plantor som blommor, kinesiska örtmediciner och sällsynta träd odlas i plantfabriker, och de ekonomiska fördelarna kommer att förbättras ytterligare. Samtidigt måste den industrialiserade plantodlingsplattformen beakta kompatibiliteten och flexibiliteten hos olika plantodlingsmetoder för att möta behoven på plantodlingsmarknaden under olika årstider.

Den biologiska teorin om plantornas förädlingsmiljö är kärnan i exakt kontroll av växtfabrikernas miljö. Djupgående forskning om reglering av plantornas form och fotosyntes och andra fysiologiska aktiviteter av miljöfaktorer som ljus, temperatur, fuktighet och CO2 kommer att bidra till att etablera en modell för interaktion mellan plantor och miljö, vilket kan minska energiförbrukningen vid plantproduktion och förbättra kvaliteten och produktionen av plantor. Kvalitet ger en teoretisk grund. På grundval av denna kan styrteknik och utrustning med ljus som kärna och i kombination med andra miljöfaktorer utvecklas för att anpassa produktionen av plantor med speciella planttyper, hög enhetlighet och hög kvalitet för att möta kraven på högdensitetsodling och mekaniserad drift i växtfabriker. I slutändan ger det en teknisk grund för konstruktionen av ett digitalt plantproduktionssystem och realiserar standardiserad, obemannad och digital plantförädling i växtfabriker.

Författare: Xu Yaliang, Liu Xinying, etc. 

Citatinformation:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang. Viktig teknisk utrustning och industrialisering av plantförädling i växtfabriker [J]. Jordbruksteknik, 2021, 42(4):12-15.