董 微， 马 铁， 张 栋， 周增产,3， 姚 涛， 张浩文

（1. 北京市农业机械研究所有限公司，北京 100096； 2. 北京市植物工厂工程技术研究中心，北京 100094；3. 北京京鹏环球科技股份有限公司，北京 100094）

0 引言

随着畜牧业的日益发展，牧草生产越来越被人们重视，种植面积逐年增加。发展牧草业对于调整种植业结构，推进“粮改饲”进程，提升草产品与畜产品的市场竞争力具有重要意义[1-3]。在我国北方，牧草的供应量因受自然条件限制，四季并不均衡。由于广大牧民饲喂的草料种类、营养成分单一，从而造成营养平衡失调等问题，特别是在寒冷的冬季，家畜只能采食青干饲料，不能充分满足家畜健康生长需要。因此，解决家畜冬春季节采食，是当前畜牧业发展亟待解决的关键问题[4-5]。

随着我国植物工厂技术的不断提高，微型化植物工厂已逐步应用于各种生产环境。在人口、耕地资源紧缺的大背景下，将大量淘汰弃用的集装箱再次利用，改造成用于种植的集装箱植物工厂，不但可以提高资源的利用率，还可以降低建设成本[6-10]。

利用集装箱进行牧草生产在我国尚处于起步阶段，栽培工艺、环境调控、配套设备与设施类型需要进一步融合和深入研究。

为提升我国牧草生产工厂化作业水平，消除设施装备技术体系薄弱对牧草产业发展的阻碍，综合分析我国牧草生产工厂化技术水平现状，基于国内牧草生产实际，针对牧草的生长习性，北京市农业机械研究所有限公司设计开发了牧草集装箱植物工厂，可有效解决环境恶劣地区牧草生产问题，避免饲草在干燥、贮存、运输过程中的营养损失，为畜牧业的健康发展开辟新路径。

1 组成

牧草集装箱植物工厂是一个高效多层牧草生产空间，利用智能控制系统，达到温、光、湿、气、水、肥的精准控制，实现牧草周年快速生产。

牧草集装箱植物工厂由壳体、栽培系统、营养液循环再利用系统、新风系统、加湿系统、CO2补气系统、智能控制系统组成，如图1 和图2 所示。壳体由国际标准20 尺高柜集装箱改造而成，其内尺寸为5 898 mm（长）×2 352 mm（宽）×2 385 mm（高）。地面采用5 mm 厚度花纹铝板。壳体内侧铺装75 mm 厚度的岩棉净化板层，隔热保温。壳体一端设置双开门作为入口，另一端设置设备间，用于放置空调、加湿器、配电柜、营养液箱。

图1 牧草集装箱植物工厂侧视图Fig. 1 Side view of herbage container plant factory

图2 牧草集装箱植物工厂平面图Fig. 2 Plan of herbage container plant factory

2 栽培系统设计

栽培系统由牧草栽培架、补光灯和栽培槽组成，如图3 所示。牧草栽培架采用立体栽培模式，集装箱内共配置2 列牧草栽培架，栽培架外形尺寸为5 000 mm×790 mm×2 242 mm。每列栽培架由12 组栽培单元组成，每组栽培单元共2 层，层高1 100 mm。根据牧草对光照的需求，每层栽培架配置24 支40 W 的LED 补光灯。

图3 牧草栽培架Fig. 3 Herbage cultivation rack

选用宽度600 mm、深度300 mm、长度900 mm，组装式的通长PVC 栽培槽作为牧草栽培槽，放置在牧草栽培架上，如图4 所示。栽培槽内铺设栽培基质，椰糠、蛭石、珍珠岩按照2∶1∶1 的比例进行配置，确保基质具有良好的保水性与透气性。

图4 牧草栽培槽Fig. 4 Herbage cultivation tank

3 营养液循环再利用系统设计

营养液循环再利用系统由营养液箱、紫外消毒器、管路等组成。所有供水管路采用DN20 灰色UPVC 管材管件，营养液供液管路采用蓝色UPVC 管材管件，所有排水或回液管路采用白色管材管件。紫外线消毒器利用波长225～275 nm 的紫外线对原水中的微生物进行杀灭。牧草生长所需的营养液在营养液箱内配制，营养液箱位于设备间。营养液循环再利用系统通过智能控制系统定时进行栽培系统中各层栽培槽内的营养液循环，以达到营养液消毒及营养均衡供应的目的。

4 新风系统设计

新风系统由空调系统和换气系统组成。换气系统通过管道与新风主机连接，系统原理为风机将生产区域内空气抽出到集装箱外，与此同时生产区域产生负压，将集装箱外新鲜空气抽入到生产区域，以此达到室内通风换气的目的。换气系统的应用改善了传统集装箱强制通风造成换气不均匀、不同高度温差较大的现状，同时起到了调节湿度与二氧化碳浓度的作用。

通过外墙、屋面、外窗等围护结构传热形成的冷负荷计算公式如下。

将空调区的各个分项冷负荷按照计算时刻累加，得出空调区总冷负荷逐时值的时间序列，从中找出序列中的最大值，即作为该空调区的冷负荷。根据上述牧草集装箱植物工厂室内冷负荷计算，空调系统配置一台壁挂式2 匹空调，空调制冷量为5.15 kW，制热量为5.8 kW，电辅热为1.4 kW。

5 加湿系统设计

加湿系统由加湿机、过滤器、加湿管道组成。经过过滤器的自来水进入加湿机，然后通过加湿管道对牧草集装箱植物工厂内部进行加湿，此种加湿方式加湿效果均匀。通过牧草集装箱植物工厂内的干湿度传感器自动控制加湿机的开关。加湿系统的使用可以提高牧草品质，保持叶子坚挺，增加生产牧草的含水量，同时可减少生产中牧草干烧心的现象。

6 CO2 供气系统设计

CO2供气系统由CO2储气瓶、电磁阀、气体释放管道组成。牧草集装箱植物工厂内的CO2浓度传感器实时监测内部CO2浓度变化：当CO2浓度低于设置值时，智能控制系统将自动打开电磁阀进行供气；当达到CO2浓度设定值时停止供气，从而保证牧草可以正常进行光合作用。

7 智能控制系统设计

智能控制系统由控制器、传感器（温度、湿度、CO2浓度、光照等）和触摸屏组成，如图5 所示，能够智能控制集装箱内温度、湿度、CO2浓度、光照等因子，为牧草提供适宜的生长环境，不受外界自然环境的影响。

图5 智能控制系统界面Fig. 5 Intelligent control system interface

8 应用情况

牧草集装箱植物工厂已在呼和浩特投入使用，目前使用状况良好，如图6 所示。牧草集装箱植物工厂内种植紫花苜蓿的有效栽培面积为14 m2，单茬苜蓿单位面积产量约为18 kg/m2，集装箱内单茬产量为252 kg。一年可收获5～6 次，初步估算，20 尺集装箱内种植苜蓿的年产量为1 260～1 512 kg。

图6 牧草集装箱植物工厂内外景Fig. 6 Inside and outside view of herbage container plant factory

9 结束语

采用牧草集装箱植物工厂生产牧草，生产周期短，生产成本低，可以稳定满足大规模养殖对于牧草的需求，是草食动物养殖的一场革命。牧草集装箱植物工厂摆脱了自然条件对于牧草生长的限制，可周年进行生产，适用于任何极端恶劣气候地区牧草种植。在未来，任何地方都可以饲养草食动物，这对于畜牧业的市场拓展、减少运输成本及节能减排具有重要意义。