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雨蔬农业：用技术武装现代农民！ 草莓无土栽培设施装备的研究应用 周增产 李东星 卜云龙 龙智强 卓杰强 欧旺鑫 1. 北京京鹏环球科技股份有限公司 100094； 2. 北京市农业机械研究所 100096） 【摘要】：随着2012年第七届世界草莓大会的召开，北京市草莓产业已成为都市农业的一大亮点。目前，北京市草莓主要栽培方式仍以日光温室土培为主，呈现种植面积持续增长、栽培面积分布不均、栽培水平有待提高等特点。草莓是一种不耐连作的作物，保护地草莓由于连续种植，易产生连作障碍，特别是一些专业化生产基地，多年连茬种植，难以轮作倒茬，常造成土壤和棚室中的病原菌、虫卵连年积累，如果土壤消毒不彻底，会造成植株生长弱，侧芽分生少，病虫害重，果实小，品质差，产量低，一定程度上制约了草莓种植水平的提升。 针对此种情况，北京京鹏环球科技股份有限公司采用了5 种不同现代化栽培装置进行草莓种植，开发了1 种无土基质蒸汽消毒机进行草莓基质的消毒，通过试验展示蒸汽消毒机的消毒效果，为今后无土栽培的基质消毒提供了一定的依据。同时，将物联网技术应用在现代草莓种植中，实现了高新技术在草莓种植中的应用，提高了北京市草莓种植水平。 一、草莓无土栽培设施装置的应用 现代化草莓栽培装置主要采用无土栽培，不仅可以避免连作障碍带来的土传病害，还可以节省空间，提高土地利用率，提高作物产量。目前，常用的草莓立体栽培形式有很多，下面主要介绍常用的5 种栽培装置。 1、井型立体栽培架 采用Φ20×2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（Φ20×2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。如图1。
工艺要求有二点： 一是“井型”骨架整体热浸镀锌，规范采用国标GB/T3091-93，镀锌层厚薄均匀，无毛刺； 二是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。
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（Φ20×2镀锌管），吊挂于温室横梁上。如图2。
工艺要求： ① 吊挂框整体热浸镀锌， 规范采用国标G B /T3091-93，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。 3、升降式吊挂栽培架 升降系统 采用小体积，大起吊重量的电机，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。共300 套。如图3。 ①、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220V/50Hz，功率1.2 kW。 钢丝绳采用：Φ6mm线束型钢丝绳。单根载荷400 kg。 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（Φ20×2镀锌管），安装方式，吊挂于温室横梁上，可升降。总长度为3142 延长米。如图3。 4、A字型栽培架 A字型栽培架采用热镀锌钢管组装而成，每一组栽培架有5 条栽培槽，位于三个不同高度，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。如图4。
5、可调角度型栽培架 可调角度型栽培架（图5）采用热镀锌钢管组装而成，每一组栽培架有3 条栽培槽，中间一条是固定式，左右两条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。 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。 二、基质蒸汽消毒机在草莓栽培 1、基质处理的应用 目前，国内无土栽培中，基质消毒基本上还是靠人工操作，效率低下，安全性差，对环境影响大。虽然部分设施生产单位采用了进口的基质蒸汽消毒设备，但存在设备价格昂贵、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。 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（图6），生产率达到2.8 m3/h，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、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三大部分。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，方便拖拉机通过牵引钩牵引装备在各温室之间移动。如图6。
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等三部分组成。燃油蒸汽发生器结构如图7。
具体操作过程： ①确认连接电源； ②确定补充水箱内是否充满水，若无水要充满水； 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，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在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、基质进料和卸料口和安全阀等。
3、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 ℃内，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，同时搅拌叶片通过轴体不停转动，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 个档位，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，将档位调至“卸料”，消毒罐体内的基质开始自动卸料。 4、基质蒸汽消毒机灭菌率试验 灭菌率计算方法 菌落总数采用“平皿计数法”，做平皿菌落计数时，可用眼睛直接观察，必要时用放大镜检查，以防遗漏。在记下各平皿的菌落数后，应求出同稀释度的平均菌落数。 在求同稀释度的平均数时，若其中一个平皿有较大片状菌落生长时，则不宜采用，而应以无片状菌落生长的平皿作为该稀释度的平均菌落数。若片状菌落不到平皿的一半，而其余一半中菌落数分布又很均匀，则可将此半皿计数后乘以2以代表全皿菌落数。
准备真空无菌袋12 个，无土栽培基质3 m3。取经基质蒸汽消毒机处理前后的基质样品。为了研究消毒时间与基质消毒机灭菌率之间的关系，先后进行了多轮次的试验。本次检测设置了两种工况，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1 0 0 ～ 1 2 5 ℃ ， 15 mi n；另外一种是基质蒸汽消毒作业时间为4 5 min，即通入加热消毒罐体内的高温高压蒸汽保持在100～125 ℃，30 min。 基质蒸汽消毒机消毒作业30 min 通蒸汽时间、温度及料箱压力见表1。 消毒料箱直径1.2 m，长度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。将1.4 m3的无土栽培基质装入基质蒸汽消毒机内，随机取进料口25 g左右的基质3 份，标号分别为“进料口，15min（1）、进料口，15min（2）、进料口，15min（3）”。 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“出料口，15min（1）、出料口，15min（2）、出料口，15min（3）”。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 m3/h）。 6、基质蒸汽消毒机消毒作业45min 将1.4 m3的无土栽培基质装入基质蒸汽消毒机内，随机取进料口25 g左右的基质3 份，标号分别为“进料口，30 min（1）、进料口，30 min （2）、进料口，30 min（3）”。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“出料口，30min（1）、出料口，30min（2）、出料口，30min（3）”。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 m3/h）。 通蒸汽时间、温度及料箱压力见表2。 将取好的样品送至北京市理化测试中心进行基质蒸汽消毒机的进卸料口基质进行菌落总数的测定。 7、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100～125 ℃时，15 min的基质样品灭菌结果如表3，30 min的基质样品灭菌结果如表4。
由表3、4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，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 m3/h。 三、物联网技术在草莓种植中的应用 物联网技术在草莓种植中的应用主要体现在草莓种植内部环境的调控可以实现智能化，如温湿度、CO2的检测与控制、灌溉施肥系统的应用。本文主要介绍温室计算机智能控制系统及智能灌溉系统在草莓种植中的应用。 四、温室计算机智能控制系统
1、计算机智能控制系统简介 “温室计算机智能控制系统”是在先进的计算机自动控制系统平台基础上，采用高性能的可编程控制器设计而成的农业专业化控制系统，其广泛用于温室环境控制、环保型畜禽舍气候控制、动物实验室、温室灌溉控制等不同的领域。该智能控制系统具有功能强大、可靠性高、人机界面直观、易于掌握等优点。 该智能控制系统由智能控制器、传感器、上位机及温室内的各种调节环境的执行机构（含通风、降温、加热、遮阳、灌溉等系统）构成。 2、智能控制器 该智能控制器包括一个主控制器，每一个控制器控制一个环境单元，由CPU单元、输入输出扩充模块组成，它具有数据采集和控制功能，可以独立于PC机工作。如果PC机没有开机，控制器也可自动进行数据采集和控制，并将测试数据存入内部的大容量存储器中，等PC机开机后再将其传入PC机数据库中。主控制特点是：①可靠性高，丰富的内置集成功能; ②设置的控制参数掉电保护保存；③具有时钟计时功能；④强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。
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p H 值传感器等具有接口简单、性能稳定、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。 4、系统软件结构及特点 系统软件包括上位机软件和下位机软件，上位机软件采用组太软件开发而成，下位机软件采用C语言编写 。系统软件主要由实时监测模块、系统参数设定模块、智能决策模块、数据处理模块、数据库管理模块、手动控制模块、灌溉模块、帮助文件模块等几大模块组成。 上位机对整个系统进行配置和设定，对控制器的控制参数进行设定，并可读取控制器测量的数据，数据能被存储、显示和打印。生成曲线图：系统能同时生成各项温室参数的全日、全周、全月、全年的变化趋势曲线图。数据自动统计功能：系统自动统计每时段、每天、每月、每年的环境数据的最大值、最小值和平均值。 5、智能灌溉模式的应用 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、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；自控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、不易被腐蚀等特点。 结束语 采用现代化的草莓栽培装置，不仅改善了草莓种植者的劳动环境，而且提高了草莓的种植密度与产量；通过无土栽培基质蒸汽消毒机对草莓基质消毒试验的研究，确定了基质消毒的最佳时间；将物联网等高新技术应用于草莓种植中，实现了草莓种植的现代化与智能化，提高了草莓的现代化种植水平，可促进北京草莓产业的快速发展。（无土栽培网）
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