試論高新裝置技術在草莓栽種中的運用
引言
世界草莓大會是全球草莓界最高級別的學術盛會,被譽為 “草莓界的奧運會”。它是世界各國之間交流草莓生產技術、經營理念和發展經驗最重要的會議。在草莓展示過程中,如何能讓觀眾在觀賞到來自世界各地不同品種草莓的同時,還能營造出不同的景觀效果,是擺在造景工作者面前一個重要的問題[1]。北京京鵬環球科技有限公司通過採用不同的栽培裝置解決了這個問題。溫室中栽培的草莓多采用無土栽培方式,而對栽培基質的消毒是保證栽培草莓能正常生長最基本的條件。通過試驗展示了蒸汽消毒機的消毒效果,也為今後無土栽培基質消毒提供了一定的依據。物聯網技術在現代草莓種植中同樣起到了重要的作用。此次園區溫室的建築單位北京京鵬環球科技股份有限公司通過對各種技術的整合,實現了高新科技在設施農業中的應用[2]。
1 各種栽培裝置在草莓博覽園的應用
草莓的立體栽培有很多形式[3-6],在草莓博覽園應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,提高草莓產量。
1. 1 井型立體栽培架
採用 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。栽培架長度為 12 m一組,桁架間距 1. 5 m,桁架間設定 6 道縱拉桿*** Φ 20 ×2 鍍鋅鋼管*** ,其中底部兩道作為支架的支撐部分,與地面不連線,頂部兩道為栽培槽膜和基質網固定杆,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,規範採用國標GB?T3091-93,鍍鋅層厚薄均勻,無毛刺。②各部分之間連線均採用專用卡具和自攻螺絲聯接,無焊點,既防腐又美觀。
1. 2 固定式吊掛栽培架
採用 60 ×40 ×2 矩形管做吊掛橫樑,40 ×2. 5 鍍鋅鋼板做吊掛框,每個吊掛框間距 1. 5 m,吊掛框設定 4 道縱拉桿 *** Φ 20 ×2 鍍鋅管*** ,安裝吊掛於溫室橫樑上。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,規範採用國標 GB?T3091-93,鍍鋅層厚薄均勻,無毛刺。②各部分之間均採用專用卡具和自攻螺絲聯接,無焊點,既防腐又美觀。
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
採購小體積,大起吊質量的電機,帶動線束型鋼絲繩 *** 此種鋼絲繩可減少普通鋼絲繩在受力狀態下的系統間摩擦力,延長系統的使用壽命*** ,拉動吊掛橫樑升降。電機具備行程限位功能,可設定升降限位,避免誤操作引發危險。電機還具備停電自鎖功能,可避免執行中停電引發的危險。升降系統共300 套。設計要求: 設定上下限位功能,具備停電自鎖,起吊高度 0. 8 ~2. 5 m,起吊架長度 11 m,起吊速度*** 單程*** 3 ~4 min。電機引數: 起吊質量 600 kg,行程 6 m,電源220 V?50 Hz,功率 1. 2 kW。鋼絲繩採用: Φ 6 線束型鋼絲繩。單根載荷 400kg。
1. 3. 2 栽培框
採用 60 ×40 ×2 矩形管做吊掛橫樑,40 ×2. 5 鍍鋅鋼板做吊掛框,每個吊掛框間距 1. 5 m,吊掛框設定 4 道縱拉桿 *** Φ 20 ×2 鍍鋅管*** ,安裝方式,吊掛於溫室橫樑上,可升降。總長度為 3 142 m。
1. 4 A 字型栽培架
栽培架採用熱鍍鋅鋼管組裝而成,每 1 組栽培架有 5 條栽培槽,位於 3 個不同高度,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 可調角度型栽培架
栽培架採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橫臂下,橫臂又通過繩索掛接在栽培架體下。搖動搖把,通過管繩傳動機構,可使橫臂與地面夾角發生變化。在平時栽培架之間是無通道的,以達到溫室面積利用的最大化,栽培密度為常規平面栽培密度的 1. 5 倍左右。手搖產生通道的同時,橫臂與地面夾角發生變化,左右草莓栽培槽水平距離變近的同時,高度也可錯開,這樣相互之間不再遮擋,有利於光照均勻。可調角度型栽培架如圖 5 所示。
2 基質蒸汽消毒機在草莓栽培基質處理中的應用
基質作為設施栽培的核心,是決定植物根系生長環境的最主要因素,也是病蟲害傳播的媒介和繁殖場所。目前,基質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,主要有太陽能消毒、蒸汽消毒和熱水消毒等。蒸汽消毒屬於物理消毒法的一種,能夠替代溴甲烷,是一項環保的消毒技術,可為基質的迴圈使用提供保障[7-9]。目前,國內無土栽培基質消毒基本上還是人工操作,效率低下,安全性差,對環境影響大。部分設施生產單位採用了進口的基質蒸汽消毒裝置,存在裝置價格昂貴、佔地面積大,零部件更換仍要全部進口,售後服務無法保證等弊端。北京京鵬公司根據我國設施農業基質消毒裝置發展的需要,設計開發了無土栽培基質蒸汽消毒機,生產率達到 2. 8 m3?h,通過滅菌檢測均達到 99. 9% 以上。在進行草莓基質消毒過程中取得了良好的成果。
2. 1 基質蒸汽消毒機的構成
無土栽培基質蒸汽消毒機主要包括蒸汽製備輸送系統、基質攪拌系統和蒸汽消毒機控制系統 3 大部分。無土栽培基質蒸汽消毒機底盤下部裝有 4 只充氣輪胎,底盤一端配有牽引鉤,拖拉機通過牽引鉤牽引無土栽培基質蒸汽消毒機在各溫室之間移動。蒸汽製備輸送系統由燃油蒸汽發生器、全自動軟化水裝置和補水裝置 3 部分組成。燃油蒸汽發生器結構如圖 6。具體操作過程: ①確認連線電源; ②確定水箱內是否充滿水,如無水時要填滿水; ③將控制器上的電源開關移至 ON 位置; ④系統自檢; ⑤水泵開始執行時,通過水位計觀察水位,水位達到高水位後水泵自動停止; ⑥水位正常後,燃燒器自動點火燃燒,蒸汽發生器啟動執行; ⑦燃燒器初次點火後,從燃燒器觀察煙道的排煙情況; ⑧發生不點火或其他故障時,解除故障後按復位按鈕; ⑨正常執行狀態下利用壓力控制開關 *** 壓力調節器*** 上的壓力調節螺栓調節壓力。基質攪拌系統包括消毒箱罐體、攪拌葉片、蒸汽進口、基質進料和卸料口以及安全閥等。工作過程: 燃油蒸汽發生器產生高溫蒸汽,蒸汽溫度控制在 120 ~200 ℃,通過蒸汽進口對進入消毒箱罐體內的基質進行高溫消毒處理,同時攪拌葉通過軸體不停轉動,對基質進行攪拌,便於基質在罐體內均勻受熱,消毒徹底,消毒後,由消毒箱罐體內的基質卸料口卸料,完成消毒過程。攪拌控制器安裝在消毒箱罐體右下側,採用 PLC控制,共有3 個擋位分別為攪拌、停止和卸料。當按鈕撥至 “攪拌”時,消毒箱罐體內的攪拌葉開始攪拌罐體內的基質,當經過一段時間後,攪拌停止,將擋位調至 “卸料”,消毒罐體內的基質開始自動卸料。
2. 2 消毒原理
待消毒栽培基質投入到基質消毒箱中,基質消毒箱內設定蒸汽管道,管道上分佈有通氣孔; 當蒸汽鍋爐產生蒸汽後,通過送汽管將產生的高溫蒸汽通入管道,然後經通氣孔對栽培基質進行加熱消毒。據國外相關技術研究顯示[7],栽培基質溫度達 80 ℃ 時,可消滅大多數病原菌、害蟲。病菌和害蟲的殺滅溫度如圖 7 所示。此裝置的栽培基質消毒溫度可達 120 ~200 ℃ ,消毒效果明顯。
2. 3 無土栽培基質消毒裝置消毒效果試驗
2011 年 3 月 18 日,委託北京市理化測試中心對基質蒸汽消毒機的進卸料口基質進行菌落總數測定。準備真空無菌袋 12 個,草莓栽培基質 3 m3。分別取 2 種經基質蒸汽消毒機處理前後的基質樣品,一種是基質蒸汽消毒機消毒作業時間為30 min,即通入加熱消毒罐體內的高溫高壓蒸汽保持在 125 ℃,15min; 另外一種是基質蒸汽消毒作業時間為 45 min,即通入加熱消毒罐體內的高溫高壓蒸汽保持在125 ℃ ,30 min。*** 1*** 基質蒸汽消毒機消毒作業 30 min消毒料箱直徑 1. 2 m,長 1. 5 m,有效容積約為1. 7 m3,裝料時裝入加熱罐體的 80%,則一次加入1. 4 m3,隨機取進料口25 g 左右的基質3 份,標號分別為①進料口 15 min、②進料口 15 min 和③進料口15 min。而後啟動燃油器通入高溫高壓蒸汽,待消毒罐體內溫度升至 125 ℃ 時保持 15 min 後進行卸料,隨機取出料口 25 g 左右的基質 3 份,標號分別為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,消 毒 量 是 1. 4 m3基質*** 生產率為 2. 8 m3?h*** 。*** 2*** 基質蒸汽消毒機消毒作業 45 min消毒料箱直徑 1. 2 m,長 1. 5 m,有效容積約為1. 7 m3,裝料時裝入加熱罐體的 80%,則一次加入1. 4 m3,隨機取進料口25 g 左右的基質3 份,標號分別為①進料口 30 min、②進料口 30 min 和③進料口30 min。而後啟動燃油器通入高溫高壓蒸汽,待消毒罐體內溫度升至 125 ℃ 時保持 30 min 後進行卸料,隨機取出料口 25 g 左右的基質 3 份,標號分別為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,消毒量是 1. 4 m3基質 *** 生產率為 1. 87 m3?h*** 。草莓栽培基質消毒效果分析: 經過測定,通入高溫高壓蒸汽溫度保持在 125℃時 15 min 和 30 min 的基質樣品檢測結果分別如表 1 所示。由表 1 可知,消毒 15 min 與消毒 30 min 的基質蒸汽消毒機的滅菌率均在 99. 9%以上。作為生產應用而言,99. 9%的滅菌率已經足夠,因此基質蒸汽消毒機的消毒時間控制在 15 min 內即可,此時蒸汽消毒機的生產率為 2. 8 m3?h。
3 物聯網技術在草莓種植中的應用
物聯網技術在草莓博覽園中國際國內草莓風情展示區的應用主要為環境智慧控制系統、感測器系統及智慧灌溉系統的應用。
3. 1 溫室計算機智慧控制系統
應用國際上最先進的 PRIVA 系統。草莓風情展示區———國際區及國內區各配置計算機 1 臺、控制系統 1 套、室外氣象站 1 套,分別配置溫溼度感測器 5套、4 套。
3. 1. 1 PRIVA 控制系統簡介
該專案計算機控制系統採用荷蘭 PRIVA 控制系統,控制器採用 Maximizer,1 臺 Maximizer 控制器最多可控制 4 個獨立氣候區域,每臺控制器最多可以控制 20 個輸入、40 個輸出。同時 Maximizer 帶有液晶屏和鍵盤,它可以通過其本身的液晶屏來顯示溫室內的溫度和溼度,同時可通過本身的鍵盤進行操作,Maximizer 亦可通過計算機 Priva Office 控制軟體來操作。溫室控制用計算機與 Maximizer 控制器是完全獨立執行的,假若電腦出現問題不能繼續工作,Maximizer 會根據其最近的設定引數繼續保持工作。*** 1*** 氣候控制: 每個氣候區內可根據要求將 1 d的 24 h 分成 4 個時間段來設定,每個時間段可單獨設定各區需要的溫度、溼度,以及加熱、降溫次數。對通風窗的控制: PRIVA 控制系統可控制 4 種通風窗電機,包括頂部通風窗電機、側邊通風窗電機和溼簾外開窗電機等。通風窗可根據溫室要求的溫度和溼度來設定,並可根據室內降溫的需求按比例進行控制。對溼簾風機降溫系統的控制: 在降溫控制系統過程中,可分 6 個階段來控制環流風機、溼簾水泵和溼簾風機,並可按次序進行降溫階段的設定,這樣可以防止溫度和溼度不會在短時間發生巨大變化,有利於作物的生長。對遮陽網的控制: Maximizer 控制器按步驟控制遮陽網電機,並根據執行時間來控制遮陽網電機的啟停,外遮陽網還具有附加功能,即在外部風比較大時,開啟外遮陽網。*** 2*** 氣象站: PRIVA 控制系統氣象站包含風速感測器、風向感測器、溫度感測器、雨量感測器和光照感測器。
3. 1. 2 網路組成
PRIVA 控制系統的 Maximizer 控制器可組成網路連線,1 個網路系統最多可控制 30 個氣候區域。
3. 2 感測器系統的應用及特點
該系統所選的空氣溫溼度感測器、光照度感測器、土壤溫溼度感測器、土壤 pH 值感測器等具有介面簡單、效能穩定和工作可靠等優點。其中溫溼度感測器選用優質進口元件,徹底解決了目前國內外大多數溫溼度感測器不耐高溫,在溫室環境中極易失效的難題,保證了系統的可靠性和穩定性。
3. 3 智慧灌溉系統的應用
智慧灌溉系統由灌溉首部、自動控制裝置、施肥部分、不鏽鋼框架和滴灌管等組成。其中,灌溉首部包括主水閥、流量計、單向閥、壓力計、過濾器及各種配套裝配件; 自動控制裝置採用進口的 EC & pH取樣監控單元,該監控單元具有介面簡單、效能穩定、工作可靠、採集精度及靈敏度高等優點; 施肥部分包括文丘裡肥料泵及流量調節器、專用電動水泵;自動灌溉施肥機上所有的部件都按模組化方式緊湊地裝配在不鏽鋼框架上,具有安裝容易、運移方便和不易被腐蝕等特點。
4 結束語
作為草莓界的盛會,同時順應科技農業、現代農業,北京京鵬公司在草莓博覽會上應用的諸多高新設施,不僅為來自各國的草莓提供了良好的展示空間,同時也為來自世界各地的參觀者提供了優美的參觀環境,讓觀眾能更好地感受高新技術帶來的展館享受。