Resum

Actualment, la fàbrica de plantes ha aconseguit la cria de plàntules de verdures com ara cogombres, tomàquets, pebrots, albergínies i melons, proporcionant als agricultors plàntules d'alta qualitat en lots, i el rendiment de la producció després de la sembra és millor. Les fàbriques de plantes s'han convertit en un mitjà important de subministrament de plàntules per a la indústria vegetal i tenen un paper cada cop més important en la promoció de la reforma estructural de l'oferta de la indústria vegetal, garantint el subministrament urbà de verdures i la producció de verdures verdes.

Disseny del sistema de cria de plàntules de fàbrica de plantes i equips tècnics clau

Com a sistema de producció agrícola més eficient actualment, el sistema de cria de plàntules de fàbrica de plantes integra mitjans tècnics complets, com ara il·luminació artificial, subministrament de solucions nutritives, control ambiental tridimensional, operacions auxiliars automatitzades, gestió intel·ligent de la producció, etc., i integra biotecnologia, tecnologia de la informació i intel·ligència artificial. Els èxits intel·ligents i d'alta tecnologia promouen el desenvolupament continu de la indústria. 

Sistema de font de llum artificial LED

La construcció d'un entorn de llum artificial és una de les tecnologies bàsiques del sistema de cria de plàntules a les fàbriques de plantes, i també és la principal font de consum d'energia per a la producció de plàntules. L'entorn de llum de les fàbriques de plantes té una gran flexibilitat i es pot regular des de múltiples dimensions com la qualitat de la llum, la intensitat de la llum i el fotoperíode, i alhora, es poden optimitzar i combinar diferents factors de llum en seqüència temporal per formar una fórmula de llum per al cultiu de plàntules, garantint un entorn de llum adequat per al cultiu artificial de plàntules. Per tant, basant-se en les característiques de la demanda de llum i els objectius de producció de diferents creixements de plàntules, optimitzant els paràmetres de la fórmula de llum i l'estratègia de subministrament de llum, s'ha desenvolupat una font de llum LED especial d'estalvi d'energia, que pot millorar considerablement l'eficiència de conversió d'energia lumínica de les plàntules, promoure l'acumulació de biomassa de plàntules i millorar la qualitat de la producció de plàntules, alhora que redueix el consum d'energia i els costos de producció. A més, la regulació de l'entorn de llum també és un mitjà tècnic important en el procés de domesticació de plàntules i curació de plàntules empeltades.

Sistema de plàntules verticals multicapa desmuntable

La cria de plàntules a la fàbrica de plantes es duu a terme mitjançant una prestatgeria tridimensional multicapa. Gràcies al disseny del sistema modular, es pot aconseguir un muntatge ràpid del sistema de cria de plàntules. L'espai entre les prestatgeries es pot ajustar de manera flexible per satisfer els requisits d'espai per a la cria de diferents varietats de plàntules i millorar considerablement la taxa d'utilització de l'espai. A més, el disseny separat del sistema de planter, el sistema d'il·luminació i el sistema de reg d'aigua i fertilitzants permet que el planter tingui tant una funció de transport, cosa que és convenient per traslladar-lo a diferents tallers com la sembra, la germinació i la domesticació, com redueix el consum de mà d'obra en la manipulació de les safates de planter.

Sistema de plàntules verticals multicapa desmuntable 

El reg amb aigua i fertilitzants adopta principalment mètodes de tipus mareal, tipus polvorització i altres, mitjançant un control precís del temps i la freqüència del subministrament de la solució nutritiva, per aconseguir un subministrament uniforme i un ús eficient de l'aigua i els nutrients minerals. Combinat amb la fórmula especial de solució nutritiva per a plàntules, pot satisfer les necessitats de creixement i desenvolupament de les plàntules i garantir un creixement ràpid i saludable de les plàntules. A més, mitjançant el sistema de detecció d'ions de nutrients en línia i el sistema d'esterilització de la solució nutritiva, els nutrients es poden reposar a temps, evitant alhora l'acumulació de microorganismes i metabòlits secundaris que afecten el creixement normal de les plàntules. 

Sistema de control ambiental

El control ambiental precís i eficient és una de les principals característiques d'un sistema de propagació de plàntules en una fàbrica de plantes. L'estructura de manteniment extern d'una fàbrica de plantes generalment es munta amb materials opacs i altament aïllants. Sobre aquesta base, la regulació de la llum, la temperatura, la humitat, la velocitat del vent i el CO2 gairebé no es veu afectada per l'entorn extern. Mitjançant la construcció del model CFD per optimitzar la disposició del conducte d'aire, combinat amb el mètode de control del microentorn, es pot aconseguir la distribució uniforme de factors ambientals com la temperatura, la humitat, la velocitat del vent i el CO2 a l'espai de cultiu d'alta densitat. La regulació intel·ligent de l'entorn es realitza mitjançant sensors distribuïts i control de contacte, i la regulació en temps real de tot l'entorn de cultiu es duu a terme mitjançant la connexió entre la unitat de monitorització i el sistema de control. A més, l'ús de fonts de llum refrigerades per aigua i circulació d'aigua, combinat amb la introducció de fonts de fred exteriors, pot aconseguir una refrigeració que estalvia energia i reduir el consum d'energia de l'aire condicionat.

Equips d'operació auxiliar automàtica

El procés d'operació de cria de plàntules a la fàbrica de plantes és estricte, la densitat d'operació és alta, l'espai és compacte i els equips auxiliars automàtics són indispensables. L'ús d'equips auxiliars automatitzats no només contribueix a reduir el consum de mà d'obra, sinó que també ajuda a millorar l'eficiència de l'espai de cultiu. Els equips d'automatització que s'han desenvolupat fins ara inclouen màquines de cobrir sòl, sembradores, màquines d'empeltar, carros de transport logístic AGV, etc. Sota el control de la plataforma de gestió intel·ligent de suport, es pot realitzar bàsicament el funcionament no tripulat de tot el procés de cria de plàntules. A més, la tecnologia de visió artificial també juga un paper cada cop més important en el procés de cria de plàntules. No només ajuda a controlar l'estat de creixement de les plàntules, ajuda en la gestió de plàntules comercials, sinó que també realitza un cribratge automàtic de plàntules febles i plàntules mortes. La mà del robot retira i omple les plàntules.

Avantatges de la cria de plàntules en fàbriques de plantes

Un alt nivell de control ambiental permet la producció anual

A causa de la particularitat de la cria de plàntules, el control del seu entorn de cultiu és molt important. En les condicions de la fàbrica de plantes, els factors ambientals com la llum, la temperatura, l'aigua, l'aire, els fertilitzants i el CO2 estan altament controlats, cosa que pot proporcionar el millor entorn de creixement per a la cria de plàntules, independentment de les temporades i les regions. A més, en el procés de cria de plàntules empeltades i plàntules d'esqueix, el procés de cicatrització de ferides per empelt i diferenciació d'arrels requereix un control ambiental més elevat, i les fàbriques de plantes també són excel·lents portadores. La flexibilitat de les condicions ambientals de la fàbrica de plantes en si és forta, per la qual cosa és de gran importància per a la producció de plàntules de verdures en temporades no reproductives o en ambients extrems, i pot proporcionar suport de plàntules per garantir el subministrament perenne de verdures. A més, la cria de plàntules de fàbriques de plantes no està limitada per l'espai i es pot dur a terme in situ als afores de les ciutats i als espais públics comunitaris. Les especificacions són flexibles i canviants, cosa que permet la producció massiva i el subministrament proper de plàntules d'alta qualitat, proporcionant un suport important per al desenvolupament de l'horticultura urbana. 

Escurçar el cicle de cria i millorar la qualitat de les plàntules

En condicions de fàbrica de plantes, gràcies al control precís de diversos factors ambientals de creixement, el cicle de cria de plàntules s'escurça entre un 30% i un 50% en comparació amb els mètodes tradicionals. L'escurçament del cicle de cria pot augmentar el lot de producció de plàntules, augmentar els ingressos del productor i reduir els riscos operatius causats per les fluctuacions del mercat. Per als productors, és propici per al trasplantament i la plantació primerencs, el llançament primerenc al mercat i la millora de la competitivitat al mercat. D'altra banda, les plàntules criades a la fàbrica de plantes són netes i robustes, els indicadors morfològics i de qualitat milloren significativament i el rendiment de la producció després de la colonització és millor. Els estudis han demostrat que les plàntules de tomàquet, pebrot i cogombre criades en condicions de fàbrica de plantes no només milloren la superfície foliar, l'alçada de la planta, el diàmetre de la tija, el vigor de l'arrel i altres indicadors, sinó que també milloren l'adaptabilitat, la resistència a les malalties i la diferenciació dels brots florals després de la colonització. I la producció i altres aspectes tenen avantatges evidents. El nombre de flors femenines per planta va augmentar un 33,8% i el nombre de fruits per planta va augmentar un 37,3% després de la plantació de plàntules de cogombre criades a les fàbriques de plantes. Amb l'aprofundiment continu de la recerca teòrica sobre la biologia de l'entorn de desenvolupament de les plàntules, les fàbriques de plantes seran més precises i controlables a l'hora de modelar la morfologia de les plàntules i millorar l'activitat fisiològica.

 Comparació de l'estat de les plàntules empeltades en hivernacles i fàbriques de plantes

Ús eficient dels recursos per reduir els costos de planter

La fàbrica de plantes adopta mètodes de plantació estandarditzats, informatitzats i industrialitzats, de manera que cada enllaç de la producció de plàntules està estrictament controlat i l'eficiència de l'ús dels recursos millora significativament. Les llavors són el principal consum de costos en la cria de plàntules. A causa del funcionament irregular i la mala controlabilitat ambiental de les plàntules tradicionals, hi ha problemes com la no germinació o el creixement feble de les llavors, que resulten en un gran malbaratament en el procés des de les llavors fins a les plàntules comercials. En l'entorn de la fàbrica de plantes, mitjançant el pretractament de les llavors, la sembra fina i el control precís de l'entorn de cultiu, l'eficiència d'ús de les llavors millora considerablement i la dosi es pot reduir en més d'un 30%. L'aigua, els fertilitzants i altres recursos també són el principal consum de costos del cultiu tradicional de plàntules, i el fenomen del malbaratament de recursos és greu. En les condicions de les fàbriques de plantes, mitjançant l'aplicació de la tecnologia de reg de precisió, l'eficiència de l'ús de l'aigua i els fertilitzants es pot augmentar en més d'un 70%. A més, a causa de la compacitat de l'estructura de la fàbrica de plantes i la uniformitat del control ambiental, l'eficiència d'ús de l'energia i el CO2 en el procés de propagació de les plàntules també millora significativament.

En comparació amb el cultiu tradicional de plàntules a camp obert i el cultiu de plàntules en hivernacle, la característica més important del cultiu de plàntules en fàbriques de plantes és que es pot dur a terme de manera tridimensional multicapa. A la fàbrica de plantes, el cultiu de plàntules es pot estendre del pla a l'espai vertical, cosa que millora considerablement l'eficiència del cultiu de plàntules per unitat de terra i millora significativament l'eficiència d'utilització de l'espai. Per exemple, el mòdul estàndard per al cultiu de plàntules desenvolupat per una empresa biològica, amb la condició de cobrir una àrea de 4,68 ㎡, pot criar més de 10.000 plàntules en un sol lot, que es poden utilitzar per a les necessitats de producció de verdures de 3,3 Mu (2201,1 ㎡). Amb la condició de cultiu tridimensional multicapa d'alta densitat, el suport d'equips auxiliars automàtics i un sistema de transport logístic intel·ligent poden millorar considerablement l'eficiència de la utilització de la mà d'obra i estalviar mà d'obra en més d'un 50%.

Millora de plàntules d'alta resistència per afavorir la producció verda

L'entorn de producció net de la fàbrica de plantes pot reduir considerablement l'aparició de plagues i malalties a l'espai de cria. Al mateix temps, mitjançant la configuració optimitzada de l'entorn de cultiu, les plàntules produïdes tindran una major resistència, cosa que pot reduir considerablement la polvorització amb pesticides durant la propagació i la plantació de les plàntules. A més, per a la cria de plàntules especials, com ara plàntules empeltades i plàntules d'esqueix, es poden utilitzar mesures de control verd com la llum, la temperatura, l'aigua i els fertilitzants a la fàbrica de plantes per substituir l'ús a gran escala d'hormones en les operacions tradicionals per garantir la seguretat alimentària, reduir la contaminació ambiental i aconseguir plàntules verdes. Producció sostenible.

Anàlisi de costos de producció 

Les maneres que tenen les fàbriques de plantes per augmentar els beneficis econòmics de les plàntules inclouen principalment dues parts. D'una banda, optimitzant el disseny estructural, el funcionament estandarditzat i l'ús d'instal·lacions i equips intel·ligents, es pot reduir el consum de llavors, electricitat i mà d'obra en el procés de cria de plàntules i millorar el consum d'aigua, fertilitzants, calor i energia. L'eficiència d'utilització del gas i el CO2 redueix el cost de la cria de plàntules; d'altra banda, mitjançant un control precís del medi ambient i l'optimització del flux del procés, es redueix el temps de cria de les plàntules i s'augmenta el lot de cria anual i el rendiment de les plàntules per unitat d'espai, cosa que fa que sigui més competitiu al mercat. 

Amb el desenvolupament de la tecnologia de les fàbriques de plantes i l'aprofundiment continu de la investigació en biologia ambiental sobre el cultiu de plàntules, el cost de la cria de plàntules en fàbriques de plantes és bàsicament el mateix que el del cultiu tradicional en hivernacles, i la qualitat i el valor de mercat de les plàntules són més elevats. Prenent com a exemple les plàntules de cogombre, els materials de producció representen una gran proporció, representant aproximadament el 37% del cost total, incloent-hi llavors, solució nutritiva, safates de taps, substrats, etc. El consum d'energia elèctrica representa aproximadament el 24% del cost total, incloent-hi la il·luminació de les plantes, l'aire condicionat i el consum d'energia de la bomba de solució nutritiva, etc., que és la direcció principal de l'optimització futura. A més, la baixa proporció de mà d'obra és una característica de la producció en fàbriques de plantes. Amb l'augment continu del grau d'automatització, el cost del consum de mà d'obra es reduirà encara més. En el futur, els beneficis econòmics de la cria de plàntules en fàbriques de plantes es poden millorar encara més mitjançant el desenvolupament de cultius d'alt valor afegit i el desenvolupament de tecnologia de cultiu industrialitzada per a plàntules d'arbres forestals preciosos.

Composició del cost de les plàntules de cogombre /%

Estat de la industrialització

En els darrers anys, les institucions de recerca científica representades per l'Institut de Recerca d'Agricultura Urbana de l'Acadèmia Xinesa de Ciències Agrícoles i les empreses d'alta tecnologia han desenvolupat la indústria de la cria de plàntules en fàbriques de plantes. Això pot proporcionar plàntules amb una línia de producció industrial eficient des de la llavor fins a l'emergència. Entre elles, una fàbrica de plantes a Shanxi construïda i posada en funcionament el 2019 cobreix una superfície de 3.500 m² i pot criar 800.000 plàntules de pebrot o 550.000 plàntules de tomàquet en un cicle de 30 dies. Una altra fàbrica de plantes de cria de plàntules construïda cobreix una superfície de 2.300 m² i pot produir entre 8 i 10 milions de plàntules a l'any. La planta de curació mòbil per a plàntules empeltades, desenvolupada independentment per l'Institut d'Agricultura Urbana de l'Acadèmia Xinesa de Ciències Agrícoles, pot proporcionar una plataforma de curació i domesticació en línia de muntatge per al cultiu de plàntules empeltades. Un únic espai de treball pot gestionar més de 10.000 plàntules empeltades alhora. En el futur, s'espera que la diversitat de varietats de cria de plàntules a les fàbriques de plantes s'ampliï encara més, i que el nivell d'automatització i intel·ligència continuï millorant.

La planta curativa mòbil per a plàntules empeltades desenvolupada per l'Institut d'Agricultura Urbana de l'Acadèmia Xinesa de Ciències Agrícoles

Perspectiva

Com a nous vectors del cultiu de plàntules en fàbriques, les fàbriques de plantes tenen enormes avantatges i potencial de comercialització en comparació amb els mètodes tradicionals de cultiu de plàntules pel que fa a un control ambiental precís, una utilització eficient dels recursos i operacions estandarditzades. En reduir el consum de recursos com ara llavors, aigua, fertilitzants, energia i mà d'obra en el cultiu de plàntules, i millorar el rendiment i la qualitat de les plàntules per unitat de superfície, es reduirà encara més el cost del cultiu de plàntules a les fàbriques de plantes i els productes seran més competitius al mercat. Hi ha una gran demanda de plàntules a la Xina. A més de la producció de cultius tradicionals com ara hortalisses, s'espera que es cultivin plàntules d'alt valor afegit com ara flors, herbes medicinals xineses i arbres rars a les fàbriques de plantes, i que els beneficis econòmics millorin encara més. Al mateix temps, la plataforma de cultiu de plàntules industrialitzada ha de tenir en compte la compatibilitat i la flexibilitat de diferents cultius de plàntules per satisfer les necessitats del mercat de cultiu de plàntules en diferents temporades.

La teoria biològica de l'entorn de cria de plàntules és el nucli del control precís de l'entorn de les fàbriques de plantes. La investigació en profunditat sobre la regulació de la forma de les plantes de plàntules, la fotosíntesi i altres activitats fisiològiques mitjançant factors ambientals com la llum, la temperatura, la humitat i el CO2 ajudarà a establir un model d'interacció plàntules-entorn, que pot reduir el consum d'energia de la producció de plàntules i millorar la qualitat i la producció de les plàntules. La qualitat proporciona una base teòrica. Sobre aquesta base, es pot desenvolupar tecnologia i equips de control amb la llum com a nucli i juntament amb altres factors ambientals, i personalitzar la producció de plàntules amb tipus de plantes especials, alta uniformitat i alta qualitat per complir els requisits del cultiu d'alta densitat i el funcionament mecanitzat a les fàbriques de plantes. En definitiva, proporciona una base tècnica per a la construcció d'un sistema de producció de plàntules digital i realitza la cria de plàntules estandarditzada, no tripulada i digital a les fàbriques de plantes.

Autor: Xu Yaliang, Liu Xinying, etc. 

Informació de citació:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang. Equipament tècnic clau i industrialització de la cria de plàntules en fàbriques de plantes [J]. Tecnologia d'Enginyeria Agrícola, 2021,42(4):12-15.