设施牧草产业发展需求与植物工厂技术研发对策

人工光植物工厂可以通过环境调控和营养调控在较短时间内获得较高的生物量和营养物质累积,实现多层立体生产牧草生产,但适宜人工光植物工厂生产的牧草种类及其无土栽培方式、光配方及光照模式尚不清晰,光周期调控价值有待探讨,碳累积和营养物质累积代谢规律需要揭示,亟需建立基于牧草种类的高效生产技术参数,节能高效,易于管理。本文重点阐述了人工光植物工厂牧草生产的现实需求、技术需求和研发方向,提出了牧草植物工厂的概念和应用策略。

猪粪沼液对设施基质栽培番茄的营养效应

【目的】探明猪粪沼液对设施无土栽培番茄的营养效应,为沼液的基质栽培应用提供科学依据。【方法】以番茄为研究对象,采用不同肥源(沼液和化肥)及不同类型基质(草炭和炉渣)的复因子试验设计,形成沼液+草炭(DP)、化肥+草炭(MP)、沼液+炉渣(DC)和化肥+炉渣(MC)4个处理,对番茄的生长、光合、养分吸收以及基质的理化特性等指标进行测定。【结果】DP处理的生物量比MP处理提高12.6%,同时DC处理比MC处理提高70.9%,但DP和MP处理的生物量显著高于DC和MC处理(P<0.05)。DP处理叶片的气孔导度(Cond)、胞间CO_(2)浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)显著高于其他处理(P<0.05),且光合速率Pn最高,为(18.17±0.47)μmol·m^(-2)·s^(-1),沼液处理显著提高了番茄的生物量和叶片的光合效率。DP处理的全株氮含量和全株磷含量比MP处理分别提高46.9%和19.7%,DC处理的全株氮含量和全株磷含量分别是MC处理的1.38和2.45倍。与化学肥料处理相比,猪粪沼液显著提高了基质的pH,增加了基质的有机质和有效磷含量(P<0.05)。DP处理果实的总产量最高,为(6.0±0.4)kg·m^(-2),但与MP处理无显著性差异。猪粪沼液显著提高了番茄果实的可溶性糖和Vc含量(P<0.05),提高了果实的品质。主成分分析结果表明,DP处理的各项指标综合表现最好,MP和DC处理次之,MC处理最差。【结论】猪粪沼液施入草炭基质中可以提高叶片光合效率,促进植株对氮、磷的吸收,改善基质的生态环境,且在保证产量的前提下,果实品质更好。因此,在设施番茄生产中推荐组合使用。

离心微滤对猪场废水固液分离效果研究

固液分离是畜禽废水处理的关键技术,不仅可以将固体物质分离出来进一步肥料化利用,还可减少废水中污染物浓度从而降低后续处理负荷。本文主要针对传统的固液分离设备效果差和效率低的问题,以离心微滤机为研究对象,通过系统监测,科学评价猪场废水总固体浓度(1%、2%、3%、4%和5%)和离心微滤机筛网孔径(15μm、25μm和50μm)对去除率的影响。结果表明,随着总固体浓度的增高和筛网孔径的减小,水质指标的去除率有增加趋势。随筛网孔径的增大离心微滤机单位时间内的处理量也随之增加,50μm时处理量为14~19 m^(3)∙h^(−1),15μm与25μm时处理量为2~7 m^(3)∙h^(−1)。综合考虑,总固体浓度为5%和筛网孔径为50μm为最佳处理组,水质指标中总固体浓度、化学需氧量和总磷的去除率分别为57%、29%和43%。该离心微滤机与其他固液分离设备相比,具有分离效果好和能耗低的优点,因此在处理猪场废水时具有较好的应用前景。

多腔主动蓄放热系统优化设计与性能分析

主动蓄放热系统是温室太阳能高效热利用的一种设备,为了改良集热板结构,提升集热量和主动蓄放热系统的各项性能,以集热效率提升为目标,首先进行主动蓄放热系统集热板连接结构和流道设计优化,然后进行系统集成设计与加工制作,并在温室中对其进行性能测试。通过集热板内沿程阻力与对流换热系数关系的模拟计算,确定长16 mm和宽4 mm的圆角矩形作为集热板横截面腔室结构尺寸,管板插接激光焊作为集热板组装工艺。温室现场测试结果表明:在北京地区,冬至日以后的49 d内,多腔主动蓄放热系统的平均集热效率达到79.5%,以温室建筑面积计算,该系统日平均集热量为1.0 MJ·m^(-2),平均放热功率为23.9 W·m^(-2);该系统平均放热能效比为5.4,与电加热加温方式相比,平均节能率为81.2%。主动蓄放热系统的关键性改进优化可改善放热性能,系统运行稳定性、耐久性进一步提高,为主动蓄放热系统规模化应用提供技术支撑。

LED红蓝光光强对紫花苜蓿生长产量与品质的影响

为了探明在人工光植物工厂中适宜紫花苜蓿生产的光强,研究了LED红蓝光光强[150、250、350、450、550μmol/(m^(2)·s)]对两次刈割的紫花苜蓿生长、产量、营养品质和抗氧化能力等特性的影响。结果表明,光强与紫花苜蓿鲜干草产量呈极显著正相关(P<0.01),增强光强产量提高。叶绿素a含量受光强作用差异显著。第一次刈割氨基酸含量与光强呈显著正相关(P<0.05),第二次刈割可溶性糖、赖氨酸和半胱氨酸含量与光强呈极显著正相关(P<0.01)。不同光强下第二茬紫花苜蓿可溶性糖含量提升了1.28~3.07倍,可溶性蛋白、氨基酸和MDA含量均有不同程度的提高。450μmol/(m^(2)·s)光强下第二次刈割时可溶性糖和半胱氨酸含量显著高于其他处理(P<0.05),550μmol/(m^(2)·s)光强下两次刈割DPPH自由基清除率为32.75%和36.26%,清除能力强。综上,LED红蓝光下高效栽培紫花苜蓿是可行的,在红蓝比4∶1条件下光强450~550μmol/(m^(2)·s)较为适宜。

典型畜禽粪便厌氧发酵产甲烷潜力试验与计算

为获得符合中国现阶段畜牧业生产实际的畜禽粪便产甲烷潜力(Biochemical Methane Potential,BMP),为不同养殖场粪便管理甲烷评价提供参考,该研究选取蛋鸡粪、奶牛粪、猪粪三种主要畜禽粪便,在(37±0.5)℃条件下进行中温批式厌氧发酵试验,并利用First-order模型和修正后的Gompertz模型对试验结果进行拟合。结果表明,蛋鸡粪、奶牛粪和猪粪三种畜禽粪便的单位底物最大累积甲烷产量(Bo)分别为0.33、0.17和0.38 m^(3)/kg,与对应IPCC给出的亚洲地区缺省值0.24、0.13和0.29 m^(3)/kg不一致。First-order模型和修正后的Gompertz模型均能较好地拟合三种畜禽粪便厌氧发酵产甲烷过程。BMP1%(当日产甲烷量为累积甲烷产量的1%时的累积甲烷产量)均达到了试验结束时累积甲烷产量的90%以上,并且试验时间缩短了45.3%~76.6%。根据试验获得的三种典型畜禽粪便的产甲烷潜力值计算其年甲烷产生潜力,为中国畜牧业温室气体减排及相关政策制定提供参考。

采收前LED红蓝光连续照射对水培生菜品质的提升作用

在环境可控的植物工厂内,以水培"意大利耐抽薹"生菜(Lactuca sativa L.)为试验材料,于采收前72h,用不同光照强度的LED红蓝光进行连续照射(CL),研究照射对水培生菜叶片C、N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mg、Cu和Zn十种营养元素含量的影响。生菜定植后在6:00-22:00光期下连续培养17d,培养阶段红蓝光光强均为150μmol·m^(-2)·s^(-1),从定植后第18天开始进行连续72h不同光强的CL处理。试验设置CL光强分别为100、150、200、300和500μmol·m^(-2)·s^(-1)(用CL100、CL150、CL200、CL300和CL500表示),并设置全生长期光强为150μmol·m^(-2)·s^(-1)的处理作为对照(CK),其光期为6:00-22:00。结果表明:CK处理下,生菜干物质中P、K、Ca、Mg的含量最高。采收前最后72h用LED红蓝光连续照射后,生菜干物质中C的含量随CL光强的增加而增加,CL100处理下,N和Mn的含量最高,CL300时,Cu的含量最高,CL对Zn的含量无显著影响。生菜干物质中C、N、Fe和Zn的总量在CL500处理下最高;CL200处理下,P和K的总量最高;CL300处理下,Mg和Cu的总量最高。CL光强对Ca和Mg的总量无显著影响。因此,实际生产中可以通过采收前集中连续LED红蓝光照射,达到提高生菜品质或生产富含某种营养元素的功能性蔬菜的目的。

猪场沼渣与玉米芯混合槽式堆肥氨气排放特征

堆肥既是粪便资源化利用处理的主要方式之一,也是重要的农业氨气排放源。针对猪粪沼渣堆肥的现场研究较少,实际生产过程中氨气排放数据缺乏,排放特征不明确的问题,开展了猪粪沼渣与玉米芯混合堆肥氨气排放特征的现场试验研究。本研究在实际槽式堆肥车间构建实时在线气体监测系统,对生猪养殖场沼渣槽式好氧堆肥车间氨气浓度变化进行连续监测,测算堆体氨气排放通量,分析氨气排放特征。结果显示:堆肥38d内槽式好氧堆肥车间氨气浓度变化范围为0.85~22.40mg·m^-3,平均3.63mg·m^-3。由于翻堆对氨气扩散的促进作用,白天堆肥氨气浓度高于夜间,12:00^-16:00氨气排放浓度最高(6.77±4.37mg·m^-3),其次为16:00-20:00(4.26±2.07mg·m^-3)和8:00^-12:00(3.62±1.46mg·m^-3);堆肥车间单位体积堆肥原料的氨气排放通量为50.25~196.59mg·m^-3·h^-1,平均103.99mg·m^-3·h^-1,整个38d堆肥过程的氨气排放量为94.84g·m^-3。研究结果将为猪粪堆肥过程氨气的控制及减排措施的制定提供科学依据。

基于偏最小二乘回归的日光温室墙体放热量预测

基于物联网以及传感测试技术,在获取日光温室内外光温环境数据的基础上,采用皮尔逊系数法确定各环境因子间的关联性,进而建立基于室外光温环境因子变量的墙体放热回归模型。结果表明,采用聚类填充法处理缺失数据,可以保持较优的原数据样本特征;与主成分回归方法相比,采用偏最小二乘回归方法拟合墙体放热量模型,预测值与真实值的均方根误差RMSE为0.09 MJ/m^(2),平均绝对百分误差MAPE为9.48%,确定系数R^(2)为0.953,精度较好。该回归模型综合了室外光温环境特征信息规律,通过气象预报,可以用于模拟预测墙体放热量,为温室额外加热量的供给提供参考。

日光温室夏季番茄土垄内嵌式基质栽培根区及株间温度特征

夏季在日光温室中采用土垄内嵌式基质栽培方法种植番茄,通过温度传感器探究栽培垄根区和株间不同高度的温度变化规律。结果表明:根区温度稳定性强,波动范围较地上部小,白天远低于地上温度,而夜间则高于地上温度。一天中,不同高度的株间温度仅在正午时段略有差别,以高1. 0 m处温度最高,最高温平均值为40. 7℃。根区温度随深度增加稳定性变强,波动范围变小,白天根区深5. 0 cm处的温度较深10. 0cm处的高,夜间则相反;南北方向上,根区深5. 0 cm处的温度从南到北呈现出明显的降低趋势,而10. 0 cm处以南部温度最高,中部和北部温度没有明显差异,即随着深度的增加,根区温度在南北方向上的差异逐渐减小。总的来看,地上部温度波动范围大,但不同高度的株间温度没有明显差异;根区温度波动范围小,稳定性强,但在不同深度和南北方向上存在差别。

日光温室嵌膜式基质栽培对根区温度及番茄生长和产量的影响

为研究垄嵌和沟嵌基质栽培以及覆膜方式对日光温室番茄根区温度和植株生长及产量的影响,试验设置梯形土垄栽培处理(SR),下底宽40 cm、高10 cm;起垄内嵌式基质栽培处理(SSC),下底宽40 cm、高10 cm,内嵌槽深20 cm(嵌入水平地面以下10 cm);内嵌槽全嵌入(20 cm)水平地面的土壤沟嵌栽培处理(SE),高度为零;土壤沟嵌上覆盖地膜栽培处理(SE+FM)。结果表明:8月29日—9月1日和10月25—28日两个时段最高与最低温度平均值差值均以SR处理最高,分别为5.95℃和1.36℃;均以SE+FM处理最低,分别为3.98℃和0.81℃。夜间低温阶段,SE+FM处理维持根区温度的能力相对优于其他处理,10月25—28日其根区平均温度分别比SR、SSC和SE处理高1.44、0.68℃和0.71℃。此外,SSC和SE处理与SR之间的各项指标(除株高外)差异不显著,SE+FM处理的番茄生长则显著优于SSC、SE处理,尽管和SR处理在生长指标上差异不显著,但SE+FM处理显著提高番茄产量14.31%。总之,覆盖地膜的土壤沟嵌处理抗低温的能力比其他处理强,能够有效减缓热量散失,为冬季日光温室番茄幼苗生长创造良好的根区温度条件,可促进番茄幼苗生长,从而提高产量。

覆膜对日光温室垄嵌及沟嵌基质栽培根区温度和甜椒幼苗生长的影响

为了探究覆膜对日光温室中垄嵌与沟嵌基质栽培根区温度和甜椒幼苗生长的影响,以土垄栽培(SR)为对照,设置4个垄嵌及沟嵌基质处理进行田间试验。其中处理1为起垄内嵌基质栽培(SSC),其下底宽40 cm,高度10 cm,内嵌槽深10 cm;处理2为不覆膜起垄内嵌基质栽培(SSC-WF);处理3为内嵌槽全嵌入(10 cm)地表面的土壤沟嵌基质栽培(SE),高度为0 cm;处理4为不覆膜土壤沟嵌基质栽培(SE-WF)。结果表明:与SR相比,SSC、SE处理能够提高夜间根区温度均值0.5℃左右;不同月份的最高温与最低温差值的平均值表现结果有所不同,但以SE处理的根区稳定性较强。垄嵌与沟嵌对根区温度的影响表现为:垄嵌基质栽培抗低温能力要优于沟嵌基质栽培,但根区温度稳定性较弱;覆膜处理能够提高根区温度。SSC、SSC-WF和SE处理甜椒幼苗的株高、茎粗和SPAD值显著高于SR,且SSC处理促进幼苗生长的效果最显著;SSC和SE处理的茎粗和SPAD值有显著差异,株高无显著差异。综上所述,覆膜条件下,垄嵌与沟嵌基质栽培能够提高根区温热效应,尤以垄嵌基质栽培更优,同时更利于促进甜椒幼苗的生长。

垄嵌和沟嵌式基质栽培对日光温室番茄产量及根区土壤氮磷残留的影响

为明确新型栽培方式是否能够提高水肥利用效率、降低根区氮磷残留污染,本试验在河北饶阳县日光温室中,以土壤栽培为对照,研究垄嵌和沟嵌栽培模式对番茄产量和收获时根区土壤容重及0~30cm土层土壤硝态氮、有效磷含量的影响。结果表明:3种栽培模式的番茄产量无显著差异,以垄嵌式基质栽培最高;土壤容重随土层深度的增加而增加;与土壤栽培相比,垄嵌式基质栽培和沟嵌式基质栽培的硝态氮累积残留分别降低24.82%和24.44%,有效磷累积残留分别降低46.34%和43.97%。综上,与传统土壤栽培相比,嵌膜式基质栽培是一种低环境代价的生产模式,尤以垄嵌式基质栽培更易于推广应用。

LED白光下播种量对黑麦草产量影响

|以黑麦草为试验材料,采用32孔穴盘基质培法研究了植物工厂环境可控条件下播种量(7、14粒/穴)对LED白光栽培黑麦草3次刈割(出苗后第17、34、51天)产量的影响。结果表明,白光LED下黑麦草可正常生长,刈割后再生速度快,可按照多次收获方式生产。播种量对产量有显著影响,在3次刈割过程中,14粒/穴的产量均高于7粒/穴,3次刈割两种播种量的产量都呈现出先降低后升高的趋势,7粒/穴和14粒/穴刈割3次的总产量分别为11.11、15.51 kg/m^(2),具有商业化应用潜力。

光质交替对LED红蓝光连续光照生菜生理伤害的削减作用机制

为探明光质交替对LED红蓝光连续光照诱导生菜生理伤害的削减作用机制,在环境可控的植物工厂中,采用水培方法和昼夜6次取样方法(明期6 h间隔取样3次,暗期2 h间隔取样3次)研究相同日光照累积量下LED红蓝光常规光照(NL,光强400μmol/(m^(2)·s),光周期18 h/6 h,R/B=4∶1)、连续光照(CL,光强300μmol/(m^(2)·s),光周期24 h/0 h,R/B=4∶1)和红蓝光交替连续光照(CL-A,红光320μmol/(m^(2)·s)照射18 h,蓝光240μmol/(m^(2)·s)照射6 h)对水培生菜生长、产量和昼夜自由基清除率(DPPH)及碳水化合物、活性氧和丙二醛(MDA)含量的影响。结果表明:光照处理12 d后生菜叶片产生了生理伤害并改变了植株形态。CL-A处理地上部鲜重、叶面积最高,冠幅更大,叶片伤害等级最低。按NL、CL和CL-A顺序,生菜叶片淀粉和蔗糖含量、DPPH呈现显著递增趋势,过氧化氢和MDA含量呈现先增后降趋势,而超氧阴离子含量呈现增加或先增后降趋势。光质交替削减了连续光照诱导的生菜产生的生理伤害,该研究结果为光质交替连续光照在人工光植物工厂中的应用提供了科学支撑。

直膨式太阳能热泵用于温室番茄根际-空气加温的试验研究

针对直膨式太阳能热泵所集热能利用率低,温室加温不足的问题,采用直膨式太阳能热泵为集热系统,根际-空气加温为放热系统,对大跨度主动蓄能型温室在不同天气仅根际加温和根际与空气同时加温的加温效果,集、放热系统运行性能,集热效率,热能利用率,节能率和集热系统的优化运行模式进行研究。结果表明:1)连续阴天和连续晴天,放热系统的热能利用率分别高于97.2%和92.7%;2)不同天气试验区的根际温度在17.9℃以上,比对照区高1.5℃,空气温度在11.6℃以上,比对照区高3.6℃,相对湿度在90.8%以下,比对照区低3.2%;3)不同天气整套系统的节能率R在47.2%以上,性能系数在1.9以上;4)不同天气集热系统均能在设定时间内达到设定集热温度目标,且其集热性能系数COPc在2.3以上,其集热效率在149.6%以上;5)9:30—11:30集热系统COPc随太阳辐射强度的增大,从1.4增大至3.0,11:30—14:50集热系统的集热性能系数均高于3.8,15:10以后,蓄热水池水温高于47℃时,集热性能系数由3.2最终降至0.8。该研究表明根际与空气结合的加温方式不仅提高了温室加温效果,还提高了热能利用率和直膨式太阳能热泵的集热性能。此外,根据集热条件调节集热系统的运行模式,可提高集热性能,达到温室加温节能的目的。

奶牛场高浓度污水絮凝处理中试效果研究

奶牛场的粪尿混合物经固液分离后的污水含有机物浓度高,无法直接采用生物法一步处理,为此开展了化学絮凝预处理中试研究,旨在为开发经济高效且工艺简单的奶牛场污水深度处理工艺提供依据。试验在前期小试的基础上,中试采用试制容积1 m3絮凝中试装置,对3种无机絮凝剂聚合氯化铝(polymeric aluminum chloride,PAC)、聚合硫酸铁(polymeric ferric sulfate,PFS)和聚合氯化铝铁(polyaluminum ferric chloride,PAFC),3种搅拌速度100 r/min、200 r/min和300 r/min,3种搅拌时间6 min、10 min和14 min,采用正交试验设计形成9个处理进行絮凝效果研究,同时对非离子聚丙烯酰胺(non-ionic polyacrylamide,NPAM)的4种投加比例的絮凝效果进行比较。当奶牛场污水化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、浊度和总悬浮固体浓度(total suspended solids,TSS)分别为7800~19480 mg/L、3360~10860 NTU和6090~21650 mg/L时,无机絮凝的最佳参数条件为:50 g/L PFS按体积比6∶100投加(浓度为3 g/L)、300 r/min快速搅拌30 s、200 r/min中速搅拌10 min。最佳参数的验证试验结果显示,对COD、浊度、TSS和总磷(total phosphorus,TP)的去除率分别为:69.8%±2.5%、86.0%±5.6%、86.1%±1.4%和76.3%±2.7%;非离子聚丙烯酰胺(1 g/L NPAM)的最佳体积投加比为0.25%(絮凝剂浓度2.5 mg/L),以300 r/min快速搅拌30 s后,再以200 r/min中速搅拌10 min,污水COD为(19975±1277)mg/L、浊度为(10648±3107)NTU、TSS为(17710±1021)mg/L和总磷为(255±69)mg/L时,去除率分别为68.0%±2.0%、79.8%±7.8%、79.7%±8.4%和85.3%±6.9%。综合絮凝效果和运行成本,按0.25%的比例投加1 g/L NPAM(即NPAM浓度2.5 mg/L)为奶牛场污水絮凝的最佳选择,其絮凝运行费用为0.08元/m^(3),研究结果可为奶牛场选择合适的絮凝前处理方法,以及经济实用的高浓度污水深度处理工艺的开发提供技术参考。

自然光植物工厂多层立体栽培补光对生菜产量和品质的影响

针对自然光植物工厂空间高效利用的问题,采用意大利奶油生菜为研究对象,探究自然光植物工厂多层立体栽培条件下不同栽培层间光照、温度、湿度等环境差异及补光对生菜产量和品质的影响。结果表明:栽培架中层平均太阳总辐射强度是上层的25.15%～55.42%,下层平均太阳总辐射强度是上层的22.66%～37.46%;不同层间温度相差4.8～7.2℃。不同层湿度差异为37.5%～43.9%。补光可以提高栽培层间的光照强度,改善光照分布状况,改变生菜生长形态,促进叶片伸展和根系生长。与不补光处理相比,补光后中层和下层生菜的产量分别提高了35.8%和24.7%,干物质量增加了39.7%和36.7%,可溶性蛋白含量提高了9.42%和9.24%,硝酸盐含量降低了10.75%和6.75%,但与对照相比,补光后对生菜叶绿素和可溶性糖含量并没有显著性的变化。立体栽培层间补光能够改善层间光照环境,使光照分布更加均匀,促进干物质积累,显著提高生菜产量和品质。

日光温室起垄内嵌式栽培基质配比对甜椒根区温度和植株生长及产量的影响

为探究起垄内嵌式栽培基质配比对甜椒生长和根区温度的影响,在日光温室中以土壤栽培为对照,共设置4种不同基质配比(体积比):草炭∶蛭石∶珍珠岩=1∶1∶1、2∶1∶1、3∶1∶1和3∶2∶1。结果表明:根区基质温度受两侧土壤温度的影响,与两侧土壤温度呈极显著相关;不同基质配比根区温度日变化规律不一致,但日平均温度无显著差异;4种基质配比的根区昼夜平均温差均比土壤低1.0～2.0℃。基质配比对不同生育阶段甜椒的株高、茎粗和SPAD值没有显著性影响,但2∶1∶1配比处理能显著提高甜椒的干物质量。4种基质栽培的甜椒产量均高于土壤,其中2∶1∶1配比处理产量最高为6.46kg/m2,比土壤高103.1%。总结而言,起垄内嵌基质栽培能够提高根区温度的缓冲能力和稳定性;不同基质配比对根区温度影响不显著,但草炭∶蛭石∶珍珠岩=2∶1∶1基质配比能够显著促进甜椒干物质量积累和产量的提高,更适合应用于日光温室甜椒生产。