单华佳，汪裕龙，马金宝（武威市畜牧兽医科学研究院，武威733000）



高寒地区牧草工厂化生产设备的设计与试验

单华佳，汪裕龙※，马金宝
（武威市畜牧兽医科学研究院，武威733000）

摘要：为解决高寒地区饲草料短缺和无法种植常规饲草的矛盾，该文设计试制了一套简易植物工厂。在10 m2的彩钢房内设计安装了8组不锈钢牧草生产架，通过半自动化控制集装箱式牧草生产车间内植物生产所需的温度、湿度、光照、营养液循环等环境条件，实现了在高寒地区连续、快速、高效、节水环保地生产牧草的目的。生产试验结果表明，设施设备能够满足高寒地区牧草工厂化生产的需要，玉米生产的最佳播种量为450 g/盘，经过9 d生产周期后可收获1 891.5 g新鲜玉米饲草，按此产能每年收获36茬牧草计算，在此集装箱式车间内每年可生产优质新鲜牧草16.33 t。

关键词：环境调控；温度；加热；牧草；植物工厂；玉米；高寒地区

单华佳，汪裕龙，马金宝.高寒地区牧草工厂化生产设备的设计与试验[J].农业工程学报，2016，32（01）：62-67.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.008 http://www.tcsae.org

Shan Huajia, Wang Yulong, Ma Jinbao.Design and experiment of forage grass factory producing installation in alpine region[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 62－67.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.008 http://www.tcsae.org

0　引言

高寒地区由于有丰富的天然草地资源，是各类优质畜产品的主要产地，素有“高原肉库”之称[1-2]。近年来由于超载过牧、乱采滥挖等原因造成天然草地退化严重，天然草原产草量急剧下降[3-4]。但草食家畜的饲草料需求是一种刚性需求，每个标准羊单位每年消耗657 kg干草，弹性很小[5]。高寒地区积温不足，无霜期短，不适宜种植玉米、紫花苜蓿等常规饲草。在天然草原退化和围栏禁牧的双重压力下，饲草料短缺已经成为制约高寒地区草食畜牧业发展和草原生态建设的限制性因素[6]。另一方面，草食家畜畜产品质量与饲草品质有密切的关系，饲喂新鲜牧草能够显著提高反刍家畜肉、奶等畜产品中的共轭亚油酸（CLA，conjugated linoleic acid）等功能性脂肪酸含量[7-11]。近年来国内发生的“三聚氰胺”、“毒奶粉”、“瘦肉精”等畜产品安全问题不仅对中国奶业产生了巨大的冲击，更造成了极其恶劣的社会影响[12]。2010年，温家宝总理指出：“要彻底解决牛奶质量安全问题，必须从发展优质饲草产业抓起”，2012年中央1号文件决定每年安排5.25亿元用于建设优质高产饲草示范基地[13-14]。

植物工厂是依托于设施园艺、建筑工程、环境控制、材料科学、生物技术、信息技术等学科基础，知识与技术密集型的集约型农业生产方式，能够通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统[15-16]。丹麦约克里斯顿农场于1957年建造了用于生产水芹太阳光利用型植物工厂，是世界上第一个的植物工厂[17]。中国的相关研究起步较晚，在借鉴了世界主要发达国家经验和技术的基础上得到了快速发展[18]。2006年中国农业科学院建造了国内第一个植物工厂，在随后的几年间，北京、吉林、山东等地相继建成了20多座不同类型的植物工厂[19-20]。

牧草的生产性能是其遗传基因在不同环境条件下的兑现程度，这种生产潜能的实现与温度、水分、空气、光照、养分等环境因素密切相关[21]。牧草工厂化生产是采用植物工厂的设计理念，通过对半封闭系统物质交换和环境调节创造适合牧草无土栽培的生长环境，实现牧草速生、优质、高产和经济效益最大化的目的[22-23]。尽管近年来国内外各类植物工厂的研究已取得了丰硕的成果，但主要用于蔬菜和水果生产，且普遍存在建设费用与运行成本高的问题[24]。国内专门针对牧草工厂化生产的研究还未见报道。本文通过对牧草生长所需的温度、湿度、光照以及营养液等条件因素进行半自动化控制，使立体水培设施内牧草生育不受或很少受自然条件制约的高效型生产，以解决制约高寒牧区草食畜牧业发展的饲草季节性、地域性短缺难题。

1　总体方案

在10 m2的彩钢房内设计建造一套集装箱式植物工厂用于牧草工厂化生产，设备结合雾培与浅水膜培技术，利用立体栽培提高单位面积产能，使用人工补光灯、自动水循环、自动加热等设施设备对牧草生产所需的温度、湿度、光照、营养液等环境因素进行半自动化控制，以达到10 m2的车间内（有效生产面积6.6 m2）年产（36茬）鲜草10 t以上的优质高产、节水环保、快速便捷的牧草工厂化水培连续生产模式。

2　关键部件

2.1不锈钢架与不锈钢水盘

为了达到降低设备成本、便于安装和使用目的，采用了简易不锈钢架与不锈钢水盘设计，两者的设计尺寸分别如图1、图2所示。不锈钢架底部留50 cm的高度，用于摆放高压水泵、营养液处理池等设施设备。生产操作台共6层，每层中间焊接了一根拉杆，不锈钢水盘放在拉杆上可以避免因承重而发软。此外，补光灯管和高压雾化喷头都安装在拉杆上，起到固定的作用。使用的不锈钢方管及不锈钢板材等材料规格见表1。

图1　不锈钢架设计图Fig.1　 Design chart of stainless steel frame

图2　不锈钢水盘设计图Fig.2 Design chart of stainless steel water pond

表1　不锈钢架与不锈钢水盘主要参数Table 1 Main parameters of stainless steel frame and water pond

2.2水循环系统

水（营养液）循环系统是牧草工厂化生产设备中的关键组成，包括供水系统和回水系统（图3）。供水系统由连接湿度感应探头的湿度控制开关自动控制，分别设定湿度下限和上限，当环境湿度低于下限时，开关自动启动高压水泵，将处理池中的水（营养液）抽送到雾化喷头，喷淋到育苗盘中，同时起到加湿的作用。当湿度达到上限时，开关自动关闭。喷淋的多余水分和营养液汇集在不锈钢水盘中，通过排水孔和回水管返回处理池，在处理池中进行加氧、有害物质去除和营养物质浓度调节。水循环系统主要的设备和材料参数如表2所示。

图3　水（营养液）循环系统Fig.3 Water（nutrient solution）cycle system

表2　水（营养液）循环系统主要参数Table 2 Main parameters of water（nutrient solution）cycle system

2.3补光系统

光照是影响植物生长最重要的因素之一。为了保证牧草的快速生长，必须提供充足的光照。设计采用了色温为6 500 K的T8 LED一体化灯管，每层安装一根灯管，并联后用自动定时开关控制，每天定时补光。补光系统设计与灯管规格见图4、表3。

表3　补光系统主要参数Table 3 Main parameters of fill system

图4　补光系统Fig.4 Fill system

2.4加热系统

高寒地区气候寒冷，为了确保牧草快速生长，必须进行加热。牧草工厂化生产环境潮湿，因此选用了远红外陶瓷加热板（图5）。用温度控制器进行控制，设定牧草生长最适的温度上下限，当温度低于下限后自动加热，当达到上限后自动关闭。加热系统设备与材料的主要参数见表4。

图5　加热系统Fig.5 Heating system

表4　加热系统主要参数Table 4 Main parameters of heating system

图6为本研究设计、试制的牧草工厂化设备最终的组装效果。在系统建设过程中，将温度、湿度、定时开关集成在自动控制箱中。

图6　设备组装效果图Fig.6 Installation effect diagram of equipment

3　生产试验

3.1试验条件

本研究设计的牧草工厂化生产设备于2015年1月初在甘肃省武威市天祝县荣牧牛羊养殖专业合作社完成组装调试。在10 m2的集装箱式植物工厂内共组装了8组不锈钢生产架及配套设施，有效生产面积6.6 m2。2015年1月5日起进行了4批次的牧草工厂化生产试验。经测定，集装箱式植物工厂内的最低温度为-21℃，最高温度为-4℃。

3.2试验材料

通过工厂化生产的前期牧草品种筛选试验，结果显示玉米是牧草工厂化生产的最佳材料。本次试验玉米种子材料为普通商品玉米（金凯3号），购自武威市金绿源农牧科技有限公司，收获后进行自然晾晒，水分含量≤13%后脱粒备用。玉米试验材料籽粒饱满，筛除杂质及破碎籽粒后千粒重为330 g，平均发芽率高于85%。

3.3试验方法

试验所用育苗盘为54 cm×27 cm×6 cm的长方形芽菜盘，分别设置了300、350、400、450、500 g等5个播种量梯度处理。系统设置的温度上限为30℃，温度下限为26℃；相对湿度上限为85%，下限为65%；补光时间为7点至18点。

通过测定在相同条件下不同播种密度玉米生长高度、生长量、根冠比等指标的影响，从而判断最佳播种量，并在此基础上测算牧草工厂化生产系统的产能与生产成本[25-27]。平均生长高度随机测定10株玉米苗自然高度，生长量为当日称重质量，根冠比为收获后将叶片与根分别承重计算而来[28-29]。每个处理设5个重复。

3.4试验结果与分析

通过4批次玉米饲草工厂化生产试验，检验了牧草工厂化生产系统的可操作性和稳定性，水循环、补光、加热等装置互不干涉，能正常进行牧草的工厂化生产。图7为牧草工厂化生产设施的试验情况。第一批试验由于玉米籽粒浸种、催芽处理过程过短，导致试验结果不理想，生长周期延长了2 d。第2、3、4批次试验结果基本一致，本文选择了第2次试验数据进行分析。

图7　牧草工厂化生产设施试验情况Fig.7 Phototype experiment condition

图8为第2次牧草工厂化生产试验中不同播种量处理玉米生物量在9 d生产周期内增长分析结果。从结果中可以看出，每盘播种量为450 g时可获得最大玉米生物量1 891.5 g，播种量为300 g时产量最低，仅为1 555 g。当播种量为500 g时，产量比450 g播种量处理反而下降了133 g，表明牧草生物量与播种量之间不呈线性关系。以每盘每茬产草量为1 891.5 g计算，本次设计的工厂化生产设施每年可产牧草16.33 t。

图8　不同播种量牧草生物量测定结果Fig.8 Phytomass measures of forage grass growth with different seed quantity

表5是不同播种量处理玉米平均株高随生长的变化趋势。经过9 d的生长，玉米平均株高都达到了25 cm左右。试验结果表明玉米平均株高与牧草产量之间没有显著的相关性，对产量影响比较大的主要因素是密度。

表6是不同处理平均日增重、增高、根冠比、生产成本等主要指标计算结果。玉米的根冠比与牧草产量存在明显的负相关关系，当玉米根冠比为3.61，即玉米根系占牧草总质量的78.35%时，牧草的产量最大。

表5　不同播种量牧草平均株高测定结果Table 5 Daily measures of forage grass height with different seed quantity（cm）

表6　牧草工厂化生产试验分析结果Table 6 Main results of forage grass factory producing experiment

4　结论与讨论

植物工厂是一种新型农业模式，能够通过高精度环境控制实现设施内作物高效生产的农业系统。近年来中国植物工厂的研究与实践取得了一定成果，但将其应用到牧草生产的研究未见报道。本文设计试制了一套适用于高寒地区牧草工厂化生产的设施设备。在10 m2的彩钢房内设计了简易植物工厂，通过半自动化控制牧草生长所需的温度、湿度、光照等条件，实现连续、快速、节水、环保的牧草生产的目的。通过4批次牧草生产试验证明设施设备运行正常，能够满足牧草生产需要。最佳播种量为每个育苗盘450 g，经过9 d的生产周期后能收获生物量为1 891.5 g最大产量。按此产量计算，8组架子每年生产36茬一共可生产牧草16.33 t，实现了年产10 t鲜草的预期目标。此设备与技术的推广应用能够解决牛羊产业大县饲草短缺的现实难题，也可为不适宜种植常规饲草的高寒牧区提供充足饲草饲料保障。

但另一方面，作为一种探索性研究，本文设计开发的牧草工厂化生产系统和技术还存在一些不足。主要包括以下几个方面：

第一，高能耗问题。这是包括本设计在内所有植物工厂推广应用难的关键制约因素之一。为了降低牧草工厂化生产设施设备的建设投入成本，本文设计试制的简易生产设备以彩钢房为生产车间，密闭保暖性能差，加之使用远红外陶瓷加热器调控车间内的温度，热转化效率低。在天祝县-21℃环境条件下生产牧草，电能消耗会导致牧草生产成本提高至2.4元/kg。对于养殖企业和农户来说，成本上升导致效益下滑，进而打击新设备、新技术示范推广积极性。经过反复论证，今后可以通过以下3种途径来解决高能耗问题对牧草工厂化生产系统的制约：一是扩大规模，通过规模效应使成本分摊；二是将生产车间设置在保暖性较好的环境中，例如日光温室内等，降低能耗；三是采用低成本的加热装置，例如地暖、暖风机等。

第二，玉米种子发芽率低的问题。为了最大限度降低牧草工厂化生产成本，在试验过程中使用价格最低的普通商品玉米，即养殖场中用于饲喂家畜的玉米籽粒。养殖场在玉米成熟季节从农户手中收购后立即装入仓库，并没有安装种子处理要求进行晾晒等处理，而且部分种子收购时水分较大、保存过程中受冻失活，造成玉米籽粒发芽率较低，导致在牧草工厂化生产过程中种子用量较大。在生产实践当中，可以通过提前收购、晾晒降低水分、防冻等措施来提高玉米籽粒的发芽率，进而减少种子用量，降低成本。

第三，牧草工厂化生产指标体系未确定。本次设计与试验主要是为了试制一套用于牧草生产的植物工厂设备，并检验设备的实用性和稳定性。在不同地区自然环境条件下，进行牧草工厂化生产的温度、湿度、补光等指标体系必然不尽相同，因此并未建立统一的指标体系。在今后的研究过程中，应根据具体试验示范地区的气候特征明确指标体系，制定详尽的生产技术规程。

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Design and experiment of forage grass factory producing installation in alpine region

Shan Huajia, Wang Yulong※, Ma Jinbao
（Wuwei Institute of Animal Husbandry and Veterinary, Wuwei 733000, China）

Abstract:Forage grass is an important material basis and security guarantee for the development of livestock industry.Forage grass with high quality not only provides adequate nutrition for livestock, but also has important impact on the quality of livestock products.Alpine areas are not suitable for planting corn, alfalfa, and other conventional forage grass because of the insufficient accumulated temperature and transient frost-free season.However, the forage grass requirement of herbivorous livestock is large, for example, one sheep requires 657 kg hay per year, and it is very inelastic.In this case, shortage of forage grass has become a key limiting factor of herbivorous animal husbandry development and grassland ecological construction due to the dual pressures of the natural grassland degradation and the grazing blocked by fencing in alpine region.Plant factory is a new agricultural model which can achieve the purpose of efficient crop production by highprecision environmental control in facility.Though research and practice of plant factory in China have achieved the gratifying results in recent years, applying this technology to the forage grass production is still blank.For the energy-saving production of fresh forage grass in poor environment such as the alpine region, a container-type plant factory was designed and tested.To maximize space usage of the production departments, a six-level hydroponic cultivation system（1.5 m×0.55 m× 2.3 m）（length×width×height）was installed.Semi-automatic control of artificial lighting lamps, automatic water circulation, and automatic heating facilities were used to optimize temperature, humidity, light, nutrient solution, and other environmental factors on forage grass production.In a plant factory, the optimal control for obtaining higher yield and better quality of plants was essential.Optimal regulators with temperature sensing probe and humidity sensing probe were used to control the water status and growth temperature of forage grass, and the nutrient solution was supplied by bottom watering.Light emitting diode（LED）fluorescent lamp was controlled by an automatic timing switch.All installation and debugging of facilities and equipments had been completed in a farming cooperatives of Tianzhu County, Gansu Province.Four batches of forage grass production experiments were carried out in January 2015 in order to test the operation and production capacity of equipment.The ordinary merchandise maize（Jinkai 3）bought from Jin Lvyuan Farming Technology Company was used as the experimental material.Maize after harvest was dried to a moisture content that was below 13% and then threshed for later use.The thousand kernel weight of experimental maize after the screening of impurities and broken grains was 330 g while the germination rate was higher than 85%.Temperature of the forage grass factory under natural conditions was between -21 and -4℃.According to the dimension of seedling tray used in this experiment（54 cm×27 cm×6 cm）, we set up 5 treatments with different seed quantity of 300, 350, 400, 450 and 500 g）and each had 5 replicates.The upper and lower limit of the forage grass factory temperature were set to 30 and 26℃, respectively, and those of relative humidity were set to 85% and 65%, respectively.Supplementary illumination time was from 7:00 to 18:00.The effects of different planting densities on height, growth, root-shoot ratio and other indicators of forage grass were detected under the same conditions.And then the optimum seeding rate and productivity of the system were determined.The first batch of test material was sowed on January 5, 2015.Nine days after planting, the hydroponic forage grass with the seed quantity of 450 g showed the best production performance.The average height and yield were reached 24.96 cm and 1 891.5 g respectively, while the cost reduced to 0.4 yuan producing 1 kg fresh grass.On this calculation, this container-type plant factory could produce 16.33 ton fresh forage grass.Test results show that this factory production installation can meet the needs of pasture plant production in alpine region.

Keywords:environmental regulations; temperature; heating; forage grass; plant factory; corn; alpine region

通信作者：※汪裕龙，男，甘肃兰州人，高级兽医师，武威市畜牧兽医科学研究院院长，主要从事畜牧产业规划等相关研究。武威武威市畜牧兽医科学研究院，733000。

作者简介：单华佳，男，甘肃兰州人，博士，高级畜牧师，武威市畜牧兽医科学研究院饲草饲料研究所负责人，主要从事牧草生产与加工利用研究。武威武威市畜牧兽医科学研究院，733000。Email：shanhj@cau.edu.cn

基金项目：甘肃省2014年秸秆饲料化利用项目（2130106）

收稿日期：2015-08-04

修订日期：2015-11-22

中图分类号：S24

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-01-0062-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.008