引言世界草莓大会是全球草莓界最高级别的学术盛会,被誉为 “草莓界的奥运会”。它是世界各国之间交流草莓生产技术、经营理念和发展经验最重要的会议。在草莓展示过程中,如何能让观众在观赏到来自世界各地不同品种草莓的同时,还能营造出不同的景观效果,是摆在造景工作者面前一个重要的问题[1]。北京京鹏环球科技有限公司通过采用不同的栽培装置解决了这个问题。温室中栽培的草莓多采用无土栽培方式,而对栽培基质的消毒是保证栽培草莓能正常生长最基本的条件。通过试验展示了蒸汽消毒机的消毒效果,也为今后无土栽培基质消毒提供了一定的依据。物联网技术在现代草莓种植中同样起到了重要的作用。此次园区温室的建筑单位北京京鹏环球科技股份有限公司通过对各种技术的集成,实现了高新科技在设施农业中的应用。
1 各种栽培装置在草莓博览园的应用
草莓的立体栽培有很多形式[3-6],在草莓博览园应用到的草莓栽培装置主要有 5 种: 井型立体栽培架、固定式吊挂栽培架、升降式吊挂栽培架、A 字型栽培架和可调角度栽培架。该草莓栽培装置不仅可以提高土地利用率,而且可以增加草莓的种植密度,提高草莓产量。
1. 1 井型立体栽培架
采用 Φ 20 × 2 镀锌钢管焊接 “井”字型桁架,骨架底部宽 0. 3 m,高 1. 05 m。栽培架长度为 12 m一组,桁架间距 1. 5 m,桁架间设置 6 道纵拉杆( Φ 20 ×2 镀锌钢管) ,其中底部两道作为支架的支撑部分,与地面不连接,顶部两道为栽培槽膜和基质网固定杆,支撑框间隔4. 5 m 做一组斜支撑。井型立体栽培架外形如图 1 所示。工艺要求: ① “井型”骨架整体热浸镀锌,规范采用国标GBT3091-93,镀锌层厚薄均匀,无毛刺。②各部分之间连接均采用专用卡具和自攻螺丝联接,无焊点,既防腐又美观。
1. 2 固定式吊挂栽培架
采用 60 ×40 ×2 矩形管做吊挂横梁,40 ×2. 5 镀锌钢板做吊挂框,每个吊挂框间距 1. 5 m,吊挂框设置 4 道纵拉杆 ( Φ 20 ×2 镀锌管) ,安装吊挂于温室横梁上。固定式吊挂栽培架如图 2 所示。工艺要求: ①吊挂框整体热浸镀锌,规范采用国标 GBT3091-93,镀锌层厚薄均匀,无毛刺。②各部分之间均采用专用卡具和自攻螺丝联接,无焊点,既防腐又美观。
1. 3 升降式吊挂栽培架
升降式吊挂栽培架如图 3 所示。
1. 3. 1 升降系统
采购小体积,大起吊质量的电机,带动线束型钢丝绳 ( 此种钢丝绳可减少普通钢丝绳在受力状态下的系统间摩擦力,延长系统的使用寿命) ,拉动吊挂横梁升降。电机具备行程限位功能,可设置升降限位,避免误操作引发危险。电机还具备停电自锁功能,可避免运行中停电引发的危险。升降系统共300 套。设计要求: 设置上下限位功能,具备停电自锁,起吊高度 0. 8 ~2. 5 m,起吊架长度 11 m,起吊速度( 单程) 3 ~4 min。电机参数: 起吊质量 600 kg,行程 6 m,电源220 V50 Hz,功率 1. 2 kW。钢丝绳采用: Φ 6 线束型钢丝绳。单根载荷 400kg。
1. 3. 2 栽培框
采用 60 ×40 ×2 矩形管做吊挂横梁,40 ×2. 5 镀锌钢板做吊挂框,每个吊挂框间距 1. 5 m,吊挂框设置 4 道纵拉杆 ( Φ 20 ×2 镀锌管) ,安装方式,吊挂于温室横梁上,可升降。总长度为 3 142 m。
1. 4 A 字型栽培架
栽培架采用热镀锌钢管组装而成,每 1 组栽培架有 5 条栽培槽,位于 3 个不同高度,提高温室利用率,A 字型立体栽培密度为普通平面栽培密度的 1. 8倍左右。外形如图 4 所示。
1. 5 可调角度型栽培架
栽培架采用热镀锌钢管组装而成,每 1 组栽培架有 3 条栽培槽,中间 1 条是固定式,左右两条草莓栽培槽悬吊在一个横臂下,横臂又通过绳索挂接在栽培架体下。摇动摇把,通过管绳传动机构,可使横臂与地面夹角发生变化。在平时栽培架之间是无通道的,以达到温室面积利用的最大化,栽培密度为常规平面栽培密度的 1. 5 倍左右。手摇产生通道的同时,横臂与地面夹角发生变化,左右草莓栽培槽水平距离变近的同时,高度也可错开,这样相互之间不再遮挡,有利于光照均匀。可调角度型栽培架如图 5 所示。
2 基质蒸汽消毒机在草莓栽培基质处理中的应用
基质作为设施栽培的核心,是决定植物根系生长环境的最主要因素,也是病虫害传播的媒介和繁殖场所。目前,基质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药剂,主要有太阳能消毒、蒸汽消毒和热水消毒等。蒸汽消毒属于物理消毒法的一种,能够替代溴甲烷,是一项环保的消毒技术,可为基质的循环使用提供保障[7-9]。目前,国内无土栽培基质消毒基本上还是人工操作,效率低下,安全性差,对环境影响大。部分设施生产单位采用了进口的基质蒸汽消毒设备,存在设备价格昂贵、占地面积大,零部件更换仍要全部进口,售后服务无法保证等弊端。北京京鹏公司根据我国设施农业基质消毒设备发展的需要,设计开发了无土栽培基质蒸汽消毒机,生产率达到 2. 8 m3h,通过灭菌检测均达到 99. 9% 以上。在进行草莓基质消毒过程中取得了良好的成果。
2. 1 基质蒸汽消毒机的构成
无土栽培基质蒸汽消毒机主要包括蒸汽制备输送系统、基质搅拌系统和蒸汽消毒机控制系统 3 大部分。无土栽培基质蒸汽消毒机底盘下部装有 4 只充气轮胎,底盘一端配有牵引钩,拖拉机通过牵引钩牵引无土栽培基质蒸汽消毒机在各温室之间移动。蒸汽制备输送系统由燃油蒸汽发生器、全自动软化水设备和补水装置 3 部分组成。燃油蒸汽发生器结构如图 6。具体操作过程: ①确认连接电源; ②确定水箱内是否充满水,如无水时要填满水; ③将控制器上的电源开关移至 ON 位置; ④系统自检; ⑤水泵开始运行时,通过水位计观察水位,水位达到高水位后水泵自动停止; ⑥水位正常后,燃烧器自动点火燃烧,蒸汽发生器启动运行; ⑦燃烧器初次点火后,从燃烧器观察烟道的排烟情况; ⑧发生不点火或其他故障时,解除故障后按复位按钮; ⑨正常运行状态下利用压力控制开关 ( 压力调节器) 上的压力调节螺栓调节压力。基质搅拌系统包括消毒箱罐体、搅拌叶片、蒸汽进口、基质进料和卸料口以及安全阀等。工作过程: 燃油蒸汽发生器产生高温蒸汽,蒸汽温度控制在 120 ~200 ℃,通过蒸汽进口对进入消毒箱罐体内的基质进行高温消毒处理,同时搅拌叶通过轴体不停转动,对基质进行搅拌,便于基质在罐体内均匀受热,消毒彻底,消毒后,由消毒箱罐体内的基质卸料口卸料,完成消毒过程。搅拌控制器安装在消毒箱罐体右下侧,采用 PLC控制,共有3 个挡位分别为搅拌、停止和卸料。当按钮拨至 “搅拌”时,消毒箱罐体内的搅拌叶开始搅拌罐体内的基质,当经过一段时间后,搅拌停止,将挡位调至 “卸料”,消毒罐体内的基质开始自动卸料。
2. 2 消毒原理
待消毒栽培基质投入到基质消毒箱中,基质消毒箱内设置蒸汽管道,管道上分布有通气孔; 当蒸汽锅炉产生蒸汽后,通过送汽管将产生的高温蒸汽通入管道,然后经通气孔对栽培基质进行加热消毒。据国外相关技术研究显示,栽培基质温度达 80 ℃ 时,可消灭大多数病原菌、害虫。病菌和害虫的杀灭温度如图 7 所示。此设备的栽培基质消毒温度可达 120 ~200 ℃ ,消毒效果明显。
2. 3 无土栽培基质消毒设备消毒效果试验
2011 年 3 月 18 日,委托北京市理化测试中心对基质蒸汽消毒机的进卸料口基质进行菌落总数测定。准备真空无菌袋 12 个,草莓栽培基质 3 m3。分别取 2 种经基质蒸汽消毒机处理前后的基质样品,一种是基质蒸汽消毒机消毒作业时间为30 min,即通入加热消毒罐体内的高温高压蒸汽保持在 125 ℃,15min; 另外一种是基质蒸汽消毒作业时间为 45 min,即通入加热消毒罐体内的高温高压蒸汽保持在125 ℃ ,30 min。( 1) 基质蒸汽消毒机消毒作业 30 min消毒料箱直径 1. 2 m,长 1. 5 m,有效容积约为1. 7 m3,装料时装入加热罐体的 80%,则一次加入1. 4 m3,随机取进料口25 g 左右的基质3 份,标号分别为①进料口 15 min、②进料口 15 min 和③进料口15 min。而后启动燃油器通入高温高压蒸汽,待消毒罐体内温度升至 125 ℃ 时保持 15 min 后进行卸料,随机取出料口 25 g 左右的基质 3 份,标号分别为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 作业,消 毒 量 是 1. 4 m3基质( 生产率为 2. 8 m3h) 。( 2) 基质蒸汽消毒机消毒作业 45 min消毒料箱直径 1. 2 m,长 1. 5 m,有效容积约为1. 7 m3,装料时装入加热罐体的 80%,则一次加入1. 4 m3,随机取进料口25 g 左右的基质3 份,标号分别为①进料口 30 min、②进料口 30 min 和③进料口30 min。而后启动燃油器通入高温高压蒸汽,待消毒罐体内温度升至 125 ℃ 时保持 30 min 后进行卸料,随机取出料口 25 g 左右的基质 3 份,标号分别为①出料口 30 min、②出料口 30 min 和③出料口 30min。45 min 完成一次消毒作业,消毒量是 1. 4 m3基质 ( 生产率为 1. 87 m3h) 。草莓栽培基质消毒效果分析: 经过测定,通入高温高压蒸汽温度保持在 125℃时 15 min 和 30 min 的基质样品检测结果分别如表 1 所示。由表 1 可知,消毒 15 min 与消毒 30 min 的基质蒸汽消毒机的灭菌率均在 99. 9%以上。作为生产应用而言,99. 9%的灭菌率已经足够,因此基质蒸汽消毒机的消毒时间控制在 15 min 内即可,此时蒸汽消毒机的生产率为 2. 8 m3h。
3 物联网技术在草莓种植中的应用
物联网技术在草莓博览园中国际国内草莓风情展示区的应用主要为环境智能控制系统、传感器系统及智能灌溉系统的应用。
3. 1 温室计算机智能控制系统
应用国际上最先进的 PRIVA 系统。草莓风情展示区———国际区及国内区各配置计算机 1 台、控制系统 1 套、室外气象站 1 套,分别配置温湿度传感器 5套、4 套。
3. 1. 1 PRIVA 控制系统简介
该项目计算机控制系统采用荷兰 PRIVA 控制系统,控制器采用 Maximizer,1 台 Maximizer 控制器最多可控制 4 个独立气候区域,每台控制器最多可以控制 20 个输入、40 个输出。同时 Maximizer 带有液晶屏和键盘,它可以通过其本身的液晶屏来显示温室内的温度和湿度,同时可通过本身的键盘进行操作,Maximizer 亦可通过计算机 Priva Office 控制软件来操作。温室控制用计算机与 Maximizer 控制器是完全独立运行的,假若电脑出现问题不能继续工作,Maximizer 会根据其最近的设定参数继续保持工作。( 1) 气候控制: 每个气候区内可根据要求将 1 d的 24 h 分成 4 个时间段来设置,每个时间段可单独设置各区需要的温度、湿度,以及加热、降温次数。对通风窗的控制: PRIVA 控制系统可控制 4 种通风窗电机,包括顶部通风窗电机、侧边通风窗电机和湿帘外开窗电机等。通风窗可根据温室要求的温度和湿度来设置,并可根据室内降温的需求按比例进行控制。对湿帘风机降温系统的控制: 在降温控制系统过程中,可分 6 个阶段来控制环流风机、湿帘水泵和湿帘风机,并可按次序进行降温阶段的设置,这样可以防止温度和湿度不会在短时间发生巨大变化,有利于作物的生长。对遮阳网的控制: Maximizer 控制器按步骤控制遮阳网电机,并根据运行时间来控制遮阳网电机的启停,外遮阳网还具有附加功能,即在外部风比较大时,开启外遮阳网。( 2) 气象站: PRIVA 控制系统气象站包含风速传感器、风向传感器、温度传感器、雨量传感器和光照传感器。
3. 1. 2 网络组成
PRIVA 控制系统的 Maximizer 控制器可组成网络连接,1 个网络系统最多可控制 30 个气候区域。
3. 2 传感器系统的应用及特点
该系统所选的空气温湿度传感器、光照度传感器、土壤温湿度传感器、土壤 pH 值传感器等具有接口简单、性能稳定和工作可靠等优点。其中温湿度传感器选用优质进口元件,彻底解决了目前国内外大多数温湿度传感器不耐高温,在温室环境中极易失效的难题,保证了系统的可靠性和稳定性。
3. 3 智能灌溉系统的应用
智能灌溉系统由灌溉首部、自动控制装置、施肥部分、不锈钢框架和滴灌管等组成。其中,灌溉首部包括主水阀、流量计、单向阀、压力计、过滤器及各种配套装配件; 自动控制装置采用进口的 EC & pH采样监控单元,该监控单元具有接口简单、性能稳定、工作可靠、采集精度及灵敏度高等优点; 施肥部分包括文丘里肥料泵及流量调节器、专用电动水泵;自动灌溉施肥机上所有的部件都按模块化方式紧凑地装配在不锈钢框架上,具有安装容易、运移方便和不易被腐蚀等特点。
4 结束语
作为草莓界的盛会,同时顺应科技农业、现代农业,北京京鹏公司在草莓博览会上应用的诸多高新设施,不仅为来自各国的草莓提供了良好的展示空间,同时也为来自世界各地的参观者提供了优美的参观环境,让观众能更好地感受高新技术带来的展馆享受
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