試論高新設(shè)備技術(shù)在草莓栽種中的運(yùn)用

　　引言

　　世界草莓大會(huì)是全球草莓界最高級(jí)別的學(xué)術(shù)盛會(huì),被譽(yù)為 “草莓界的奧運(yùn)會(huì)”。它是世界各國(guó)之間交流草莓生產(chǎn)技術(shù)、經(jīng)營(yíng)理念和發(fā)展經(jīng)驗(yàn)最重要的會(huì)議。在草莓展示過(guò)程中,如何能讓觀(guān)眾在觀(guān)賞到來(lái)自世界各地不同品種草莓的同時(shí),還能營(yíng)造出不同的景觀(guān)效果,是擺在造景工作者面前一個(gè)重要的問(wèn)題[1]。北京京鵬環(huán)球科技有限公司通過(guò)采用不同的栽培裝置解決了這個(gè)問(wèn)題。溫室中栽培的草莓多采用無(wú)土栽培方式,而對(duì)栽培基質(zhì)的消毒是保證栽培草莓能正常生長(zhǎng)最基本的條件。通過(guò)試驗(yàn)展示了蒸汽消毒機(jī)的消毒效果,也為今后無(wú)土栽培基質(zhì)消毒提供了一定的依據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代草莓種植中同樣起到了重要的作用。此次園區(qū)溫室的建筑單位北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司通過(guò)對(duì)各種技術(shù)的集成,實(shí)現(xiàn)了高新科技在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[2]。

　　1 各種栽培裝置在草莓博覽園的應(yīng)用

　　草莓的立體栽培有很多形式[3-6],在草莓博覽園應(yīng)用到的草莓栽培裝置主要有 5 種: 井型立體栽培架、固定式吊掛栽培架、升降式吊掛栽培架、A 字型栽培架和可調(diào)角度栽培架。該草莓栽培裝置不僅可以提高土地利用率,而且可以增加草莓的種植密度,提高草莓產(chǎn)量。

　　1. 1 井型立體栽培架

　　采用 Φ 20 × 2 鍍鋅鋼管焊接 “井”字型桁架,骨架底部寬 0. 3 m,高 1. 05 m。栽培架長(zhǎng)度為 12 m一組,桁架間距 1. 5 m,桁架間設(shè)置 6 道縱拉桿( Φ 20 ×2 鍍鋅鋼管) ,其中底部?jī)傻雷鳛橹Ъ艿闹尾糠?與地面不連接,頂部?jī)傻罏樵耘嗖勰ず突|(zhì)網(wǎng)固定桿,支撐框間隔4. 5 m 做一組斜支撐。井型立體栽培架外形如圖 1 所示。工藝要求: ① “井型”骨架整體熱浸鍍鋅,規(guī)范采用國(guó)標(biāo)GB?T3091-93,鍍鋅層厚薄均勻,無(wú)毛刺。②各部分之間連接均采用專(zhuān)用卡具和自攻螺絲聯(lián)接,無(wú)焊點(diǎn),既防腐又美觀(guān)。

　　1. 2 固定式吊掛栽培架

　　采用 60 ×40 ×2 矩形管做吊掛橫梁,40 ×2. 5 鍍鋅鋼板做吊掛框,每個(gè)吊掛框間距 1. 5 m,吊掛框設(shè)置 4 道縱拉桿 ( Φ 20 ×2 鍍鋅管) ,安裝吊掛于溫室橫梁上。固定式吊掛栽培架如圖 2 所示。工藝要求: ①吊掛框整體熱浸鍍鋅,規(guī)范采用國(guó)標(biāo) GB?T3091-93,鍍鋅層厚薄均勻,無(wú)毛刺。②各部分之間均采用專(zhuān)用卡具和自攻螺絲聯(lián)接,無(wú)焊點(diǎn),既防腐又美觀(guān)。

　　1. 3 升降式吊掛栽培架

　　升降式吊掛栽培架如圖 3 所示。圖3略

　　1. 3. 1 升降系統(tǒng)

　　采購(gòu)小體積,大起吊質(zhì)量的電機(jī),帶動(dòng)線(xiàn)束型鋼絲繩 ( 此種鋼絲繩可減少普通鋼絲繩在受力狀態(tài)下的系統(tǒng)間摩擦力,延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命) ,拉動(dòng)吊掛橫梁升降。電機(jī)具備行程限位功能,可設(shè)置升降限位,避免誤操作引發(fā)危險(xiǎn)。電機(jī)還具備停電自鎖功能,可避免運(yùn)行中停電引發(fā)的危險(xiǎn)。升降系統(tǒng)共300 套。設(shè)計(jì)要求: 設(shè)置上下限位功能,具備停電自鎖,起吊高度 0. 8 ~2. 5 m,起吊架長(zhǎng)度 11 m,起吊速度( 單程) 3 ~4 min。電機(jī)參數(shù): 起吊質(zhì)量 600 kg,行程 6 m,電源220 V?50 Hz,功率 1. 2 kW。鋼絲繩采用: Φ 6 線(xiàn)束型鋼絲繩。單根載荷 400kg。

　　1. 3. 2 栽培框

　　采用 60 ×40 ×2 矩形管做吊掛橫梁,40 ×2. 5 鍍鋅鋼板做吊掛框,每個(gè)吊掛框間距 1. 5 m,吊掛框設(shè)置 4 道縱拉桿 ( Φ 20 ×2 鍍鋅管) ,安裝方式,吊掛于溫室橫梁上,可升降。總長(zhǎng)度為 3 142 m。

　　1. 4 A 字型栽培架

　　栽培架采用熱鍍鋅鋼管組裝而成,每 1 組栽培架有 5 條栽培槽,位于 3 個(gè)不同高度,提高溫室利用率,A 字型立體栽培密度為普通平面栽培密度的 1. 8倍左右。

　　1. 5 可調(diào)角度型栽培架

　　栽培架采用熱鍍鋅鋼管組裝而成,每 1 組栽培架有 3 條栽培槽,中間 1 條是固定式,左右兩條草莓栽培槽懸吊在一個(gè)橫臂下,橫臂又通過(guò)繩索掛接在栽培架體下。搖動(dòng)搖把,通過(guò)管繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu),可使橫臂與地面夾角發(fā)生變化。在平時(shí)栽培架之間是無(wú)通道的,以達(dá)到溫室面積利用的最大化,栽培密度為常規(guī)平面栽培密度的 1. 5 倍左右。手搖產(chǎn)生通道的同時(shí),橫臂與地面夾角發(fā)生變化,左右草莓栽培槽水平距離變近的同時(shí),高度也可錯(cuò)開(kāi),這樣相互之間不再遮擋,有利于光照均勻?？烧{(diào)角度型栽培架如圖 5 所示。

　　2 基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)在草莓栽培基質(zhì)處理中的應(yīng)用

　　基質(zhì)作為設(shè)施栽培的核心,是決定植物根系生長(zhǎng)環(huán)境的最主要因素,也是病蟲(chóng)害傳播的媒介和繁殖場(chǎng)所。目前,基質(zhì)消毒的方法主要是物理消毒法,物理消毒法不需要使用消毒藥劑,主要有太陽(yáng)能消毒、蒸汽消毒和熱水消毒等。蒸汽消毒屬于物理消毒法的一種,能夠替代溴甲烷,是一項(xiàng)環(huán)保的消毒技術(shù),可為基質(zhì)的循環(huán)使用提供保障[7-9]。目前,國(guó)內(nèi)無(wú)土栽培基質(zhì)消毒基本上還是人工操作,效率低下,安全性差,對(duì)環(huán)境影響大。部分設(shè)施生產(chǎn)單位采用了進(jìn)口的基質(zhì)蒸汽消毒設(shè)備,存在設(shè)備價(jià)格昂貴、占地面積大,零部件更換仍要全部進(jìn)口,售后服務(wù)無(wú)法保證等弊端。北京京鵬公司根據(jù)我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)基質(zhì)消毒設(shè)備發(fā)展的需要,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了無(wú)土栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī),生產(chǎn)率達(dá)到 2. 8 m3?h,通過(guò)滅菌檢測(cè)均達(dá)到 99. 9% 以上。在進(jìn)行草莓基質(zhì)消毒過(guò)程中取得了良好的成果。

　　2. 1 基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的構(gòu)成

　　無(wú)土栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)主要包括蒸汽制備輸送系統(tǒng)、基質(zhì)攪拌系統(tǒng)和蒸汽消毒機(jī)控制系統(tǒng) 3 大部分。無(wú)土栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)底盤(pán)下部裝有 4 只充氣輪胎,底盤(pán)一端配有牽引鉤,拖拉機(jī)通過(guò)牽引鉤牽引無(wú)土栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)在各溫室之間移動(dòng)。蒸汽制備輸送系統(tǒng)由燃油蒸汽發(fā)生器、全自動(dòng)軟化水設(shè)備和補(bǔ)水裝置 3 部分組成。燃油蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖 6。具體操作過(guò)程: ①確認(rèn)連接電源; ②確定水箱內(nèi)是否充滿(mǎn)水,如無(wú)水時(shí)要填滿(mǎn)水; ③將控制器上的電源開(kāi)關(guān)移至 ON 位置; ④系統(tǒng)自檢; ⑤水泵開(kāi)始運(yùn)行時(shí),通過(guò)水位計(jì)觀(guān)察水位,水位達(dá)到高水位后水泵自動(dòng)停止; ⑥水位正常后,燃燒器自動(dòng)點(diǎn)火燃燒,蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)運(yùn)行; ⑦燃燒器初次點(diǎn)火后,從燃燒器觀(guān)察煙道的排煙情況; ⑧發(fā)生不點(diǎn)火或其他故障時(shí),解除故障后按復(fù)位按鈕; ⑨正常運(yùn)行狀態(tài)下利用壓力控制開(kāi)關(guān) ( 壓力調(diào)節(jié)器) 上的壓力調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)壓力?；|(zhì)攪拌系統(tǒng)包括消毒箱罐體、攪拌葉片、蒸汽進(jìn)口、基質(zhì)進(jìn)料和卸料口以及安全閥等。工作過(guò)程: 燃油蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫蒸汽,蒸汽溫度控制在 120 ~200 ℃,通過(guò)蒸汽進(jìn)口對(duì)進(jìn)入消毒箱罐體內(nèi)的基質(zhì)進(jìn)行高溫消毒處理,同時(shí)攪拌葉通過(guò)軸體不停轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)基質(zhì)進(jìn)行攪拌,便于基質(zhì)在罐體內(nèi)均勻受熱,消毒徹底,消毒后,由消毒箱罐體內(nèi)的基質(zhì)卸料口卸料,完成消毒過(guò)程。攪拌控制器安裝在消毒箱罐體右下側(cè),采用 PLC控制,共有3 個(gè)擋位分別為攪拌、停止和卸料。當(dāng)按鈕撥至 “攪拌”時(shí),消毒箱罐體內(nèi)的攪拌葉開(kāi)始攪拌罐體內(nèi)的基質(zhì),當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,攪拌停止,將擋位調(diào)至 “卸料”,消毒罐體內(nèi)的基質(zhì)開(kāi)始自動(dòng)卸料。

　　2. 2 消毒原理

　　待消毒栽培基質(zhì)投入到基質(zhì)消毒箱中,基質(zhì)消毒箱內(nèi)設(shè)置蒸汽管道,管道上分布有通氣孔; 當(dāng)蒸汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽后,通過(guò)送汽管將產(chǎn)生的高溫蒸汽通入管道,然后經(jīng)通氣孔對(duì)栽培基質(zhì)進(jìn)行加熱消毒。據(jù)國(guó)外相關(guān)技術(shù)研究顯示[7],栽培基質(zhì)溫度達(dá) 80 ℃ 時(shí),可消滅大多數(shù)病原菌、害蟲(chóng)。病菌和害蟲(chóng)的殺滅溫度如圖 7 所示。此設(shè)備的栽培基質(zhì)消毒溫度可達(dá) 120 ~200 ℃ ,消毒效果明顯。

　　2. 3 無(wú)土栽培基質(zhì)消毒設(shè)備消毒效果試驗(yàn)

　　2011 年 3 月 18 日,委托北京市理化測(cè)試中心對(duì)基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的進(jìn)卸料口基質(zhì)進(jìn)行菌落總數(shù)測(cè)定。準(zhǔn)備真空無(wú)菌袋 12 個(gè),草莓栽培基質(zhì) 3 m3。分別取 2 種經(jīng)基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)處理前后的基質(zhì)樣品,一種是基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)消毒作業(yè)時(shí)間為30 min,即通入加熱消毒罐體內(nèi)的高溫高壓蒸汽保持在 125 ℃,15min; 另外一種是基質(zhì)蒸汽消毒作業(yè)時(shí)間為 45 min,即通入加熱消毒罐體內(nèi)的高溫高壓蒸汽保持在125 ℃ ,30 min。( 1) 基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)消毒作業(yè) 30 min消毒料箱直徑 1. 2 m,長(zhǎng) 1. 5 m,有效容積約為1. 7 m3,裝料時(shí)裝入加熱罐體的 80%,則一次加入1. 4 m3,隨機(jī)取進(jìn)料口25 g 左右的基質(zhì)3 份,標(biāo)號(hào)分別為①進(jìn)料口 15 min、②進(jìn)料口 15 min 和③進(jìn)料口15 min。而后啟動(dòng)燃油器通入高溫高壓蒸汽,待消毒罐體內(nèi)溫度升至 125 ℃ 時(shí)保持 15 min 后進(jìn)行卸料,隨機(jī)取出料口 25 g 左右的基質(zhì) 3 份,標(biāo)號(hào)分別為①出料口 15 min、②出料口 15 min 和③出料口 15 min。30 min 完成 一 次 消 毒 作業(yè),消 毒 量 是 1. 4 m3基質(zhì)( 生產(chǎn)率為 2. 8 m3?h) 。( 2) 基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)消毒作業(yè) 45 min消毒料箱直徑 1. 2 m,長(zhǎng) 1. 5 m,有效容積約為1. 7 m3,裝料時(shí)裝入加熱罐體的 80%,則一次加入1. 4 m3,隨機(jī)取進(jìn)料口25 g 左右的基質(zhì)3 份,標(biāo)號(hào)分別為①進(jìn)料口 30 min、②進(jìn)料口 30 min 和③進(jìn)料口30 min。而后啟動(dòng)燃油器通入高溫高壓蒸汽,待消毒罐體內(nèi)溫度升至 125 ℃ 時(shí)保持 30 min 后進(jìn)行卸料,隨機(jī)取出料口 25 g 左右的基質(zhì) 3 份,標(biāo)號(hào)分別為①出料口 30 min、②出料口 30 min 和③出料口 30min。45 min 完成一次消毒作業(yè),消毒量是 1. 4 m3基質(zhì) ( 生產(chǎn)率為 1. 87 m3?h) 。草莓栽培基質(zhì)消毒效果分析: 經(jīng)過(guò)測(cè)定,通入高溫高壓蒸汽溫度保持在 125℃時(shí) 15 min 和 30 min 的基質(zhì)樣品檢測(cè)結(jié)果分別如表 1 所示。由表 1 可知,消毒 15 min 與消毒 30 min 的基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的滅菌率均在 99. 9%以上。作為生產(chǎn)應(yīng)用而言,99. 9%的滅菌率已經(jīng)足夠,因此基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的消毒時(shí)間控制在 15 min 內(nèi)即可,此時(shí)蒸汽消毒機(jī)的生產(chǎn)率為 2. 8 m3?h。

　　3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在草莓種植中的應(yīng)用

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在草莓博覽園中國(guó)際國(guó)內(nèi)草莓風(fēng)情展示區(qū)的應(yīng)用主要為環(huán)境智能控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及智能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　3. 1 溫室計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)

　　應(yīng)用國(guó)際上最先進(jìn)的 PRIVA 系統(tǒng)。草莓風(fēng)情展示區(qū)———國(guó)際區(qū)及國(guó)內(nèi)區(qū)各配置計(jì)算機(jī) 1 臺(tái)、控制系統(tǒng) 1 套、室外氣象站 1 套,分別配置溫濕度傳感器 5套、4 套。

　　3. 1. 1 PRIVA 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　該項(xiàng)目計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用荷蘭 PRIVA 控制系統(tǒng),控制器采用 Maximizer,1 臺(tái) Maximizer 控制器最多可控制 4 個(gè)獨(dú)立氣候區(qū)域,每臺(tái)控制器最多可以控制 20 個(gè)輸入、40 個(gè)輸出。同時(shí) Maximizer 帶有液晶屏和鍵盤(pán),它可以通過(guò)其本身的液晶屏來(lái)顯示溫室內(nèi)的溫度和濕度,同時(shí)可通過(guò)本身的鍵盤(pán)進(jìn)行操作,Maximizer 亦可通過(guò)計(jì)算機(jī) Priva Office 控制軟件來(lái)操作。溫室控制用計(jì)算機(jī)與 Maximizer 控制器是完全獨(dú)立運(yùn)行的,假若電腦出現(xiàn)問(wèn)題不能繼續(xù)工作,Maximizer 會(huì)根據(jù)其最近的設(shè)定參數(shù)繼續(xù)保持工作。( 1) 氣候控制: 每個(gè)氣候區(qū)內(nèi)可根據(jù)要求將 1 d的 24 h 分成 4 個(gè)時(shí)間段來(lái)設(shè)置,每個(gè)時(shí)間段可單獨(dú)設(shè)置各區(qū)需要的溫度、濕度,以及加熱、降溫次數(shù)。對(duì)通風(fēng)窗的控制: PRIVA 控制系統(tǒng)可控制 4 種通風(fēng)窗電機(jī),包括頂部通風(fēng)窗電機(jī)、側(cè)邊通風(fēng)窗電機(jī)和濕簾外開(kāi)窗電機(jī)等。通風(fēng)窗可根據(jù)溫室要求的溫度和濕度來(lái)設(shè)置,并可根據(jù)室內(nèi)降溫的需求按比例進(jìn)行控制。對(duì)濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的控制: 在降溫控制系統(tǒng)過(guò)程中,可分 6 個(gè)階段來(lái)控制環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾水泵和濕簾風(fēng)機(jī),并可按次序進(jìn)行降溫階段的設(shè)置,這樣可以防止溫度和濕度不會(huì)在短時(shí)間發(fā)生巨大變化,有利于作物的生長(zhǎng)。對(duì)遮陽(yáng)網(wǎng)的控制: Maximizer 控制器按步驟控制遮陽(yáng)網(wǎng)電機(jī),并根據(jù)運(yùn)行時(shí)間來(lái)控制遮陽(yáng)網(wǎng)電機(jī)的啟停,外遮陽(yáng)網(wǎng)還具有附加功能,即在外部風(fēng)比較大時(shí),開(kāi)啟外遮陽(yáng)網(wǎng)。( 2) 氣象站: PRIVA 控制系統(tǒng)氣象站包含風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、溫度傳感器、雨量傳感器和光照傳感器。

　　3. 1. 2 網(wǎng)絡(luò)組成

　　PRIVA 控制系統(tǒng)的 Maximizer 控制器可組成網(wǎng)絡(luò)連接,1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最多可控制 30 個(gè)氣候區(qū)域。

　　3. 2 傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用及特點(diǎn)

　　該系統(tǒng)所選的空氣溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤溫濕度傳感器、土壤 pH 值傳感器等具有接口簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。其中溫濕度傳感器選用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口元件,徹底解決了目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)溫濕度傳感器不耐高溫,在溫室環(huán)境中極易失效的難題,保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

　　3. 3 智能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用

　　智能灌溉系統(tǒng)由灌溉首部、自動(dòng)控制裝置、施肥部分、不銹鋼框架和滴灌管等組成。其中,灌溉首部包括主水閥、流量計(jì)、單向閥、壓力計(jì)、過(guò)濾器及各種配套裝配件; 自動(dòng)控制裝置采用進(jìn)口的 EC & pH采樣監(jiān)控單元,該監(jiān)控單元具有接口簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、工作可靠、采集精度及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn); 施肥部分包括文丘里肥料泵及流量調(diào)節(jié)器、專(zhuān)用電動(dòng)水泵;自動(dòng)灌溉施肥機(jī)上所有的部件都按模塊化方式緊湊地裝配在不銹鋼框架上,具有安裝容易、運(yùn)移方便和不易被腐蝕等特點(diǎn)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　作為草莓界的盛會(huì),同時(shí)順應(yīng)科技農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè),北京京鵬公司在草莓博覽會(huì)上應(yīng)用的諸多高新設(shè)施,不僅為來(lái)自各國(guó)的草莓提供了良好的展示空間,同時(shí)也為來(lái)自世界各地的參觀(guān)者提供了優(yōu)美的參觀(guān)環(huán)境,讓觀(guān)眾能更好地感受高新技術(shù)帶來(lái)的展館享受。