Astratto

Attualmente, la fabbrica di piante ha realizzato con successo la coltivazione di piantine di ortaggi come cetrioli, pomodori, peperoni, melanzane e meloni, fornendo agli agricoltori piantine di alta qualità in lotti e con migliori prestazioni produttive dopo la semina. Le fabbriche di piante sono diventate un importante mezzo di fornitura di piantine per l'industria orticola e svolgono un ruolo sempre più importante nel promuovere la riforma strutturale dell'offerta nel settore orticolo, garantendo l'approvvigionamento di ortaggi urbani e la produzione di ortaggi verdi.

Progettazione del sistema di allevamento delle piantine in fabbrica e attrezzature tecniche chiave

Essendo il sistema di produzione agricola più efficiente attualmente disponibile, il sistema di selezione delle piantine in fabbrica integra mezzi tecnici completi, tra cui illuminazione artificiale, fornitura di soluzioni nutritive, controllo ambientale tridimensionale, operazioni ausiliarie automatizzate, gestione intelligente della produzione, ecc., e integra biotecnologie, tecnologie dell'informazione e intelligenza artificiale. I risultati ottenuti in ambito intelligente e ad alta tecnologia promuovono il continuo sviluppo del settore. 

Sistema di sorgenti luminose artificiali a LED

La creazione di un ambiente luminoso artificiale è una delle tecnologie fondamentali del sistema di allevamento delle piantine nelle fabbriche di piante, ed è anche la principale fonte di consumo energetico per la produzione di piantine. L'ambiente luminoso delle fabbriche di piante è estremamente flessibile e può essere regolato in base a molteplici parametri, come la qualità della luce, l'intensità luminosa e il fotoperiodo. Allo stesso tempo, diversi fattori di luce possono essere ottimizzati e combinati in sequenza temporale per creare una formula luminosa per la coltivazione delle piantine, garantendo un ambiente luminoso adatto alla coltivazione artificiale delle piantine. Pertanto, in base alle caratteristiche del fabbisogno luminoso e agli obiettivi di produzione delle diverse colture di piantine, ottimizzando i parametri della formula luminosa e la strategia di fornitura luminosa, è stata sviluppata una speciale sorgente luminosa a LED a risparmio energetico, che può migliorare notevolmente l'efficienza di conversione dell'energia luminosa delle piantine, promuovere l'accumulo di biomassa e migliorare la qualità della produzione, riducendo al contempo il consumo energetico e i costi di produzione. Inoltre, la regolazione dell'ambiente luminoso è anche un importante strumento tecnico nel processo di domesticazione delle piantine e di guarigione delle piantine innestate.

Sistema di semina verticale multistrato staccabile

La coltivazione delle piantine nella fabbrica di piante viene effettuata utilizzando un ripiano tridimensionale multistrato. Grazie alla progettazione modulare del sistema, è possibile realizzare un rapido assemblaggio del sistema di coltivazione delle piantine. La spaziatura tra i ripiani può essere regolata in modo flessibile per soddisfare le esigenze di spazio per la coltivazione di diverse varietà di piantine e migliorare notevolmente il tasso di utilizzo dello spazio. Inoltre, la progettazione separata del sistema di semina, dell'impianto di illuminazione e dell'impianto di irrigazione con acqua e fertilizzanti consente al semenzaio di svolgere sia una funzione di trasporto, che lo rende comodo per lo spostamento in diverse fasi come la semina, la germinazione e la domesticazione, sia di ridurre il consumo di manodopera per la movimentazione dei vassoi di semina.

Sistema di semina verticale multistrato staccabile 

L'irrigazione con acqua e fertilizzanti adotta principalmente metodi di tipo mareale, a spruzzo e altri, attraverso un controllo preciso del tempo e della frequenza di erogazione della soluzione nutritiva, per ottenere un apporto uniforme e un utilizzo efficiente di acqua e nutrienti minerali. In combinazione con la speciale formula della soluzione nutritiva per le piantine, può soddisfare le esigenze di crescita e sviluppo delle piantine e garantirne una crescita rapida e sana. Inoltre, grazie al sistema di rilevamento online degli ioni nutritivi e al sistema di sterilizzazione della soluzione nutritiva, i nutrienti possono essere reintegrati tempestivamente, evitando l'accumulo di microrganismi e metaboliti secondari che influenzano la normale crescita delle piantine. 

Sistema di controllo ambientale

Il controllo ambientale preciso ed efficiente è una delle caratteristiche principali di un sistema di propagazione delle piantine in una fabbrica di piante. La struttura di manutenzione esterna di una fabbrica di piante è generalmente realizzata con materiali opachi e altamente isolanti. Su questa base, la regolazione di luce, temperatura, umidità, velocità del vento e CO2 è praticamente inalterata dall'ambiente esterno. Attraverso la costruzione del modello CFD per ottimizzare la disposizione dei condotti dell'aria, combinato con il metodo di controllo del microambiente, è possibile ottenere una distribuzione uniforme di fattori ambientali come temperatura, umidità, velocità del vento e CO2 nello spazio di coltura ad alta densità. La regolazione ambientale intelligente è realizzata tramite sensori distribuiti e controllo a contatto, e la regolazione in tempo reale dell'intero ambiente di coltivazione avviene tramite la connessione tra l'unità di monitoraggio e il sistema di controllo. Inoltre, l'utilizzo di sorgenti luminose raffreddate ad acqua e di circolazione dell'acqua, combinati con l'introduzione di fonti di freddo esterne, può consentire un raffreddamento a risparmio energetico e ridurre il consumo di energia per l'aria condizionata.

Apparecchiatura di funzionamento ausiliario automatico

Il processo di selezione delle piantine in una fabbrica di piante è rigoroso, la densità operativa è elevata, lo spazio è compatto e le attrezzature ausiliarie automatiche sono indispensabili. L'uso di attrezzature ausiliarie automatizzate non solo contribuisce a ridurre il consumo di manodopera, ma contribuisce anche a migliorare l'efficienza dello spazio di coltivazione. Le attrezzature di automazione sviluppate finora includono macchine per la copertura del terreno, seminatrici, innestatrici, carrelli di trasporto logistico AGV, ecc. Sotto il controllo della piattaforma di gestione intelligente di supporto, è possibile realizzare il funzionamento senza operatore dell'intero processo di selezione delle piantine. Inoltre, la tecnologia di visione artificiale svolge un ruolo sempre più importante nel processo di selezione delle piantine. Non solo aiuta a monitorare lo stato di crescita delle piantine, supporta la gestione delle piantine commerciali, ma esegue anche lo screening automatico delle piantine deboli e morte. La mano robotica rimuove e riempie le piantine.

Vantaggi dell'allevamento di piantine in fabbrica

L'elevato livello di controllo ambientale consente una produzione annuale

Data la particolarità della selezione delle piantine, il controllo del loro ambiente di coltivazione è molto importante. Nelle condizioni di una fabbrica di piante, fattori ambientali come luce, temperatura, acqua, aria, fertilizzanti e CO2 sono altamente controllati, il che può fornire il miglior ambiente di crescita per la selezione delle piantine, indipendentemente dalle stagioni e dalle regioni. Inoltre, nel processo di selezione di piantine innestate e talee, il processo di guarigione delle ferite da innesto e la differenziazione delle radici richiedono un maggiore controllo ambientale, e le fabbriche di piante sono anche eccellenti vettori. La flessibilità delle condizioni ambientali della fabbrica di piante stessa è elevata, quindi è di grande importanza per la produzione di piantine di ortaggi in stagioni non riproduttive o in ambienti estremi, e può fornire supporto alle piantine per garantire la fornitura perenne di ortaggi. Inoltre, la selezione delle piantine nelle fabbriche di piante non è limitata dallo spazio e può essere effettuata sul posto nelle periferie delle città e negli spazi pubblici della comunità. Le specifiche sono flessibili e mutevoli, consentendo la produzione di massa e la fornitura ravvicinata di piantine di alta qualità, fornendo un supporto importante per lo sviluppo dell'orticoltura urbana. 

Ridurre il ciclo di riproduzione e migliorare la qualità delle piantine

Nelle condizioni di coltivazione in serra, grazie al controllo preciso di vari fattori ambientali di crescita, il ciclo di riproduzione delle piantine si riduce dal 30% al 50% rispetto ai metodi tradizionali. La riduzione del ciclo di riproduzione può aumentare il lotto di produzione delle piantine, aumentare il reddito del produttore e ridurre i rischi operativi causati dalle fluttuazioni del mercato. Per i coltivatori, ciò favorisce il trapianto e la messa a dimora precoci, un lancio anticipato sul mercato e una maggiore competitività. D'altra parte, le piantine coltivate in serra sono pulite e robuste, gli indicatori morfologici e qualitativi sono significativamente migliorati e le prestazioni produttive dopo la colonizzazione sono migliori. Studi hanno dimostrato che le piantine di pomodoro, peperone e cetriolo coltivate in serra non solo migliorano l'area fogliare, l'altezza della pianta, il diametro del fusto, il vigore delle radici e altri indicatori, ma migliorano anche l'adattabilità, la resistenza alle malattie e la differenziazione delle gemme a fiore dopo la colonizzazione. Anche la produzione e altri aspetti presentano evidenti vantaggi. Il numero di fiori femminili per pianta è aumentato del 33,8% e il numero di frutti per pianta è aumentato del 37,3% dopo la messa a dimora di piantine di cetriolo coltivate in fabbriche vegetali. Con il continuo approfondimento della ricerca teorica sulla biologia dell'ambiente di sviluppo delle piantine, le fabbriche vegetali saranno più precise e controllabili nel modellare la morfologia delle piantine e nel migliorarne l'attività fisiologica.

 Confronto dello stato delle piantine innestate nelle serre e nelle fabbriche di piante

Utilizzo efficiente delle risorse per ridurre i costi delle piantine

La fabbrica di piante adotta metodi di semina standardizzati, informatizzati e industrializzati, in modo che ogni fase della produzione di piantine sia rigorosamente controllata e l'efficienza dell'utilizzo delle risorse sia significativamente migliorata. I semi rappresentano la principale voce di costo nella coltivazione delle piantine. A causa del funzionamento irregolare e della scarsa controllabilità ambientale delle piantine tradizionali, si verificano problemi come la mancata germinazione o la crescita debole dei semi, con conseguenti enormi sprechi nel processo di produzione, dalla semina alla produzione commerciale. Nell'ambiente della fabbrica di piante, attraverso il pretrattamento dei semi, la semina fine e il controllo preciso dell'ambiente di coltivazione, l'efficienza di utilizzo dei semi è notevolmente migliorata e il dosaggio può essere ridotto di oltre il 30%. Anche acqua, fertilizzanti e altre risorse rappresentano la principale voce di costo nella coltivazione tradizionale di piantine e il fenomeno dello spreco di risorse è grave. Nelle condizioni delle fabbriche di piante, grazie all'applicazione di tecnologie di irrigazione di precisione, l'efficienza di utilizzo di acqua e fertilizzanti può essere aumentata di oltre il 70%. Inoltre, grazie alla compattezza della struttura stessa dello stabilimento e all'uniformità del controllo ambientale, anche l'efficienza di utilizzo di energia e CO2 nel processo di propagazione delle piantine risulta notevolmente migliorata.

Rispetto alla tradizionale coltivazione di piantine in campo aperto e in serra, la caratteristica principale della coltivazione di piantine in vivaio è la possibilità di essere eseguita in modo tridimensionale multistrato. In vivaio, la coltivazione di piantine può essere estesa dal piano allo spazio verticale, il che migliora notevolmente l'efficienza di coltivazione per unità di terreno e l'efficienza di utilizzo dello spazio. Ad esempio, il modulo standard per la coltivazione di piantine sviluppato da un'azienda biologica, a condizione di coprire un'area di 4,68 m², può coltivare più di 10.000 piantine in un singolo lotto, che può essere utilizzato per un fabbisogno di produzione orticola di 3,3 Mu (2201,1 m²). In condizioni di coltivazione tridimensionale multistrato ad alta densità, il supporto di attrezzature ausiliarie automatiche e un sistema di trasporto logistico intelligente può migliorare notevolmente l'efficienza di utilizzo della manodopera e risparmiare oltre il 50%.

Selezione di piantine ad alta resistenza per favorire la produzione verde

L'ambiente di produzione pulito della fabbrica di piante può ridurre notevolmente la presenza di parassiti e malattie nello spazio di coltivazione. Allo stesso tempo, grazie alla configurazione ottimizzata dell'ambiente di coltura, le piantine prodotte avranno una maggiore resistenza, il che può ridurre notevolmente l'irrorazione di pesticidi durante la propagazione e la piantagione. Inoltre, per la coltivazione di piantine speciali come piantine innestate e piantine da talea, misure di controllo del verde come luce, temperatura, acqua e fertilizzanti nella fabbrica di piante possono essere utilizzate per sostituire l'uso su larga scala di ormoni nelle operazioni tradizionali, garantendo la sicurezza alimentare, riducendo l'inquinamento ambientale e ottenendo piantine verdi. Una produzione sostenibile.

Analisi dei costi di produzione 

I modi in cui le fabbriche di piante possono aumentare i benefici economici delle piantine includono principalmente due aspetti. Da un lato, ottimizzando la progettazione strutturale, il funzionamento standardizzato e l'uso di strutture e attrezzature intelligenti, è possibile ridurre il consumo di semi, elettricità e manodopera nel processo di selezione delle piantine e migliorare il consumo di acqua, fertilizzanti, calore ed energia. L'efficienza di utilizzo di gas e CO2 riduce i costi di selezione delle piantine; dall'altro, attraverso un controllo preciso dell'ambiente e l'ottimizzazione del flusso di processo, si riducono i tempi di selezione delle piantine e si aumenta il lotto di selezione annuale e la resa delle piantine per unità di superficie, il che rende il processo più competitivo sul mercato. 

Con lo sviluppo della tecnologia delle fabbriche vegetali e il continuo approfondimento della ricerca in biologia ambientale sulla coltivazione delle piantine, il costo della selezione delle piantine nelle fabbriche vegetali è sostanzialmente lo stesso di quello della coltivazione tradizionale in serra, mentre la qualità e il valore di mercato delle piantine sono più elevati. Prendendo ad esempio le piantine di cetriolo, i materiali di produzione rappresentano una quota significativa, pari a circa il 37% del costo totale, inclusi semi, soluzione nutritiva, contenitori per piantine, substrati, ecc. Il consumo di energia elettrica rappresenta circa il 24% del costo totale, inclusi i consumi energetici per l'illuminazione delle piante, l'aria condizionata e la pompa della soluzione nutritiva, ecc., che rappresenta la principale direzione di ottimizzazione futura. Inoltre, la bassa percentuale di manodopera è una caratteristica della produzione nelle fabbriche vegetali. Con il continuo aumento del grado di automazione, il costo del consumo di manodopera sarà ulteriormente ridotto. In futuro, i benefici economici della selezione delle piantine nelle fabbriche vegetali potranno essere ulteriormente migliorati attraverso lo sviluppo di colture ad alto valore aggiunto e lo sviluppo di tecnologie di coltivazione industrializzate per le piantine di alberi forestali pregiati.

Composizione del costo delle piantine di cetriolo /%

Stato di industrializzazione

Negli ultimi anni, istituti di ricerca scientifica rappresentati dall'Istituto di Ricerca sull'Agricoltura Urbana dell'Accademia Cinese delle Scienze Agrarie e imprese high-tech hanno sviluppato il settore della selezione di piantine in fabbriche vegetali. Ciò può fornire alle piantine una linea di produzione industriale efficiente, dalla semina alla germinazione. Tra queste, una fabbrica vegetale nello Shanxi, costruita e messa in funzione nel 2019, copre un'area di 3.500 m² e può produrre 800.000 piantine di peperone o 550.000 piantine di pomodoro in un ciclo di 30 giorni. Un'altra fabbrica di piante per la selezione di piantine, costruita in precedenza, copre un'area di 2.300 m² e può produrre 8-10 milioni di piantine all'anno. L'impianto mobile di guarigione per piantine innestate, sviluppato in modo indipendente dall'Istituto di Agricoltura Urbana dell'Accademia Cinese delle Scienze Agrarie, può fornire una piattaforma di guarigione e domesticazione a catena di montaggio per la coltivazione di piantine innestate. Un singolo spazio di lavoro può gestire più di 10.000 piantine innestate contemporaneamente. In futuro si prevede che la diversità delle varietà di piantine da coltivare nelle fabbriche vegetali aumenterà ulteriormente e che il livello di automazione e intelligenza continuerà a migliorare.

La pianta curativa mobile per piantine innestate sviluppata dall'Istituto di agricoltura urbana dell'Accademia cinese delle scienze agricole

Veduta

Come nuovo vettore di coltivazione di piantine in fabbrica, le fabbriche vegetali offrono enormi vantaggi e un potenziale di commercializzazione rispetto ai metodi tradizionali di coltivazione in termini di controllo ambientale preciso, utilizzo efficiente delle risorse e standardizzazione delle operazioni. Riducendo il consumo di risorse come semi, acqua, fertilizzanti, energia e manodopera nella coltivazione di piantine e migliorando la resa e la qualità delle piantine per unità di superficie, il costo della coltivazione di piantine nelle fabbriche vegetali sarà ulteriormente ridotto e i prodotti saranno più competitivi sul mercato. In Cina c'è un'enorme domanda di piantine. Oltre alla produzione di colture tradizionali come gli ortaggi, si prevede che nelle fabbriche vegetali verranno coltivate piantine ad alto valore aggiunto come fiori, erbe medicinali cinesi e alberi rari, con un ulteriore miglioramento dei benefici economici. Allo stesso tempo, la piattaforma di coltivazione di piantine industrializzata deve considerare la compatibilità e la flessibilità delle diverse tecniche di coltivazione per soddisfare le esigenze del mercato della coltivazione di piantine nelle diverse stagioni.

La teoria biologica dell'ambiente di coltivazione delle piantine è il fulcro del controllo preciso dell'ambiente di coltivazione. Ricerche approfondite sulla regolazione della forma delle piantine, della fotosintesi e di altre attività fisiologiche da parte di fattori ambientali come luce, temperatura, umidità e CO2 contribuiranno a stabilire un modello di interazione piantina-ambiente, in grado di ridurre il consumo energetico della produzione di piantine e migliorarne la qualità e la produzione. La qualità fornisce una base teorica. Su questa base, è possibile sviluppare tecnologie e attrezzature di controllo basate sulla luce come elemento centrale e, in combinazione con altri fattori ambientali, personalizzare la produzione di piantine con tipologie di piante specifiche, elevata uniformità e alta qualità per soddisfare i requisiti della coltivazione ad alta densità e della meccanizzazione nelle coltivazioni. In definitiva, ciò fornisce una base tecnica per la costruzione di un sistema di produzione digitale di piantine e realizza una coltivazione standardizzata, automatizzata e digitale delle piantine nelle coltivazioni.

Autore: Xu Yaliang, Liu Xinying, ecc. 

Informazioni sulla citazione:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang.Attrezzature tecniche chiave e industrializzazione dell'allevamento di piantine nelle fabbriche di piante [J]. Agricultural Engineering Technology, 2021,42(4):12-15.