Abstrakt

Die Pflanzenfabrik hat sich mittlerweile erfolgreich auf die Anzucht von Gemüsepflanzen wie Gurken, Tomaten, Paprika, Auberginen und Melonen spezialisiert und versorgt Landwirte mit hochwertigen Setzlingen in größeren Mengen. Die Erträge nach dem Anpflanzen sind dadurch deutlich besser. Pflanzenfabriken haben sich zu einem wichtigen Lieferanten von Setzlingen für die Gemüsebranche entwickelt und spielen eine zunehmend wichtige Rolle bei der Förderung der angebotsseitigen Strukturreform in diesem Sektor. Sie sichern die Versorgung der Städte mit Gemüse und fördern die Produktion von frischem Gemüse.

Konstruktion und technische Schlüsselausrüstung für die Sämlingszucht in Pflanzenfabriken

Als derzeit effizientestes landwirtschaftliches Produktionssystem integriert die Pflanzenfabrik-Setzlingszucht umfassende technische Mittel wie künstliche Beleuchtung, Nährlösungsversorgung, dreidimensionale Umweltkontrolle, automatisierte Hilfsprozesse, intelligentes Produktionsmanagement usw. und verbindet Biotechnologie, Informationstechnologie und künstliche Intelligenz. Intelligente und andere Hightech-Innovationen fördern die kontinuierliche Weiterentwicklung der Branche. 

LED-Kunstlichtquellensystem

Die Schaffung künstlicher Lichtumgebungen ist eine der Kerntechnologien der Sämlingszucht in Pflanzenfabriken und gleichzeitig der Hauptenergieverbraucher in der Sämlingsproduktion. Die Lichtumgebung in Pflanzenfabriken ist hochflexibel und kann hinsichtlich Lichtqualität, Lichtintensität und Photoperiode reguliert werden. Verschiedene Lichtfaktoren lassen sich optimieren und zeitlich kombinieren, um eine optimale Lichtformel für die Sämlingskultivierung zu entwickeln und so eine geeignete Lichtumgebung für die künstliche Anzucht zu gewährleisten. Basierend auf den Lichtbedarfscharakteristika und Produktionszielen verschiedener Sämlingsarten wurde durch Optimierung der Parameter der Lichtformel und der Lichtversorgungsstrategie eine spezielle energiesparende LED-Lichtquelle entwickelt. Diese verbessert die Lichtenergieumwandlungseffizienz der Sämlinge erheblich, fördert die Akkumulation von Sämlingsbiomasse und steigert die Qualität der Sämlingsproduktion bei gleichzeitig reduziertem Energieverbrauch und geringeren Produktionskosten. Darüber hinaus ist die Regulierung der Lichtumgebung ein wichtiges technisches Mittel bei der Domestizierung von Sämlingen und der Heilung veredelter Pflanzen.

Abnehmbares, mehrschichtiges vertikales Sämlingssystem

Die Anzucht der Sämlinge in der Pflanzenfabrik erfolgt mithilfe eines mehrschichtigen, dreidimensionalen Regalsystems. Dank des modularen Systemdesigns lässt sich die Anzuchtanlage schnell aufbauen. Der Abstand zwischen den Regalböden ist flexibel anpassbar, um den Platzbedarf verschiedener Sämlingssorten zu decken und die Raumausnutzung deutlich zu verbessern. Die separate Anordnung von Saatbeet, Beleuchtung und Bewässerungssystem ermöglicht zudem den einfachen Transport des Saatbeets zu verschiedenen Arbeitsschritten wie Aussaat, Keimung und Anzucht und reduziert den Arbeitsaufwand für die Handhabung der Sämlingstrays.

Abnehmbares, mehrschichtiges vertikales Sämlingssystem 

Die Bewässerung mit Wasser und Dünger erfolgt hauptsächlich mittels Gezeiten- und Sprühverfahren. Durch die präzise Steuerung von Zeitpunkt und Häufigkeit der Nährlösungszufuhr wird eine gleichmäßige Versorgung und effiziente Nutzung von Wasser und Mineralstoffen erreicht. In Kombination mit der speziellen Nährlösungsrezeptur für Sämlinge werden deren Wachstums- und Entwicklungsbedürfnisse gedeckt und ein schnelles und gesundes Wachstum sichergestellt. Zusätzlich gewährleisten ein Online-Nährstoffionen-Detektionssystem und ein Nährlösungssterilisationssystem eine rechtzeitige Nährstoffzufuhr und verhindern gleichzeitig die Ansammlung von Mikroorganismen und sekundären Stoffwechselprodukten, die das normale Wachstum der Sämlinge beeinträchtigen könnten. 

Umweltkontrollsystem

Eine präzise und effiziente Umweltkontrolle ist eines der Hauptmerkmale eines Systems zur Anzucht von Pflanzensetzlingen in Pflanzenfabriken. Die Außenstruktur einer Pflanzenfabrik besteht in der Regel aus lichtundurchlässigen und hochisolierenden Materialien. Dadurch wird die Regulierung von Licht, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und CO₂-Gehalt nahezu unabhängig von der äußeren Umgebung. Durch die Optimierung des Luftkanalsystems mithilfe eines CFD-Modells und die Kombination mit einer Mikroklimaregelung lässt sich eine gleichmäßige Verteilung von Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und CO₂ im Hochdichtekulturraum erreichen. Die intelligente Umweltregelung erfolgt durch verteilte Sensoren und Kontaktsteuerung. Die Echtzeitregelung der gesamten Kultivierungsumgebung wird durch die Verbindung zwischen Überwachungseinheit und Steuerungssystem realisiert. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz wassergekühlter Lichtquellen und Wasserzirkulation in Kombination mit externen Kältequellen eine energiesparende Kühlung und reduziert den Energieverbrauch der Klimaanlage.

Automatische Hilfsbetriebsausrüstung

Der Anzuchtprozess in Pflanzenfabriken ist streng geregelt, die Arbeitsdichte hoch und der Platz begrenzt, weshalb automatische Hilfseinrichtungen unerlässlich sind. Der Einsatz automatisierter Hilfseinrichtungen reduziert nicht nur den Arbeitsaufwand, sondern optimiert auch die Flächennutzung. Zu den bisher entwickelten Automatisierungsanlagen gehören unter anderem Abdeckmaschinen für Pflanzgefäße, Sämaschinen, Veredelungsmaschinen und fahrerlose Transportsysteme (AGV). Unter der Steuerung einer intelligenten Managementplattform lässt sich der gesamte Anzuchtprozess weitgehend mannlos durchführen. Darüber hinaus spielt die Bildverarbeitung eine immer wichtigere Rolle. Sie überwacht das Wachstum der Sämlinge, unterstützt die Verwaltung der kommerziellen Pflanzen und sortiert automatisch schwache und abgestorbene Sämlinge aus. Roboterarme entnehmen und verpflanzen die Sämlinge.

Vorteile der Sämlingszüchtung in Pflanzenfabriken

Hohe Umweltkontrolle ermöglicht jährliche Produktion

Aufgrund der Besonderheiten der Sämlingszucht ist die Kontrolle der Anzuchtbedingungen von entscheidender Bedeutung. In Pflanzenfabriken werden Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur, Wasser, Luft, Dünger und CO₂ präzise gesteuert, wodurch unabhängig von Jahreszeit und Region optimale Wachstumsbedingungen für die Sämlingszucht geschaffen werden. Auch bei der Veredelung von veredelten und Stecklingssämlingen erfordern die Heilung der Veredelungswunde und die Wurzelbildung eine besonders sorgfältige Umweltkontrolle. Pflanzenfabriken eignen sich hierfür hervorragend. Die hohe Flexibilität der Umweltbedingungen in Pflanzenfabriken ist von großer Bedeutung für die Produktion von Gemüsepflanzen außerhalb der Anzuchtsaison oder unter extremen Bedingungen und trägt zur ganzjährigen Gemüseversorgung bei. Darüber hinaus ist die Sämlingszucht in Pflanzenfabriken nicht an räumliche Beschränkungen gebunden und kann direkt vor Ort in Stadtrandgebieten und auf öffentlichen Flächen erfolgen. Die flexiblen und veränderbaren Spezifikationen ermöglichen die Massenproduktion und die bedarfsgerechte Versorgung mit hochwertigen Sämlingen und leisten somit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung des urbanen Gartenbaus. 

Verkürzen Sie den Zuchtzyklus und verbessern Sie die Qualität der Sämlinge

Unter den Bedingungen einer Pflanzenfabrik verkürzt sich der Sämlingszuchtzyklus dank der präzisen Steuerung verschiedener Umweltfaktoren um 30 bis 50 % im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Die Verkürzung des Zuchtzyklus ermöglicht höhere Produktionsmengen an Sämlingen, steigert das Einkommen der Erzeuger und reduziert die durch Marktschwankungen bedingten Betriebsrisiken. Für Anbauer begünstigt dies ein früheres Umpflanzen und Auspflanzen, eine frühere Markteinführung und eine verbesserte Wettbewerbsfähigkeit. Zudem sind die in der Pflanzenfabrik gezogenen Sämlinge kompakt und kräftig, weisen deutlich verbesserte morphologische und qualitative Merkmale auf und zeigen nach der Ansiedlung eine höhere Produktionsleistung. Studien haben gezeigt, dass Tomaten-, Paprika- und Gurkensämlinge, die unter Pflanzenfabrikbedingungen gezogen wurden, nicht nur eine größere Blattfläche, Pflanzenhöhe, einen größeren Stammdurchmesser, eine stärkere Wurzelentwicklung und weitere Merkmale aufweisen, sondern auch eine höhere Anpassungsfähigkeit, Krankheitsresistenz und eine bessere Blütenknospenbildung nach der Ansiedlung zeigen. Dies führt zu deutlichen Vorteilen in der Produktion und anderen Bereichen. Die Anzahl weiblicher Blüten pro Pflanze erhöhte sich um 33,8 % und die Anzahl der Früchte pro Pflanze um 37,3 %, nachdem in Pflanzenfabriken gezogene Gurkensetzlinge ausgepflanzt wurden. Mit der kontinuierlichen Vertiefung der theoretischen Forschung zur Biologie der Entwicklungsumgebung von Setzlingen werden Pflanzenfabriken die Morphologie der Setzlinge präziser und besser steuern und deren physiologische Aktivität verbessern können.

 Vergleich des Zustands veredelter Sämlinge in Gewächshäusern und Pflanzenfabriken

Effiziente Ressourcennutzung zur Reduzierung der Setzlingskosten

Die Pflanzenfabrik setzt standardisierte, digitalisierte und industrialisierte Anzuchtmethoden ein, wodurch jeder Schritt der Setzlingsproduktion streng kontrolliert und die Ressourcennutzung deutlich verbessert wird. Saatgut ist der Hauptkostenfaktor in der Setzlingszucht. Aufgrund unregelmäßiger Anbaumethoden und mangelnder Kontrolle der Umweltbedingungen kommt es bei traditionellen Anzuchtbetrieben häufig zu Problemen wie Nichtkeimung oder schwachem Wachstum, was zu erheblichen Verlusten auf dem Weg vom Saatgut bis zum marktfähigen Setzling führt. In der Pflanzenfabrik wird durch Saatgutvorbehandlung, Feinsaat und präzise Steuerung der Anbaubedingungen die Saatgutausnutzung deutlich verbessert und die Dosierung um mehr als 30 % reduziert. Wasser, Dünger und andere Ressourcen sind ebenfalls die Hauptkostenfaktoren der traditionellen Setzlingsaufzucht, und Ressourcenverschwendung ist weit verbreitet. In Pflanzenfabriken kann durch den Einsatz von Präzisionsbewässerungstechnik die Effizienz der Wasser- und Düngernutzung um mehr als 70 % gesteigert werden. Darüber hinaus wird aufgrund der kompakten Bauweise der Pflanzenfabrik und der einheitlichen Umweltkontrolle die Energie- und CO2-Nutzungseffizienz im Prozess der Sämlingsvermehrung ebenfalls deutlich verbessert.

Im Vergleich zur traditionellen Anzucht im Freiland oder im Gewächshaus liegt der größte Vorteil der Anzucht in Pflanzenfabriken in der Möglichkeit der mehrschichtigen, dreidimensionalen Aufzucht. In Pflanzenfabriken kann die Anzucht von der Ebene in den vertikalen Raum ausgedehnt werden, was die Effizienz der Anzucht pro Flächeneinheit und die Flächennutzungseffizienz deutlich steigert. Beispielsweise kann das von einem Biotechnologieunternehmen entwickelte Standardmodul für die Anzucht auf einer Fläche von 4,68 m² über 10.000 Setzlinge in einem Durchgang ziehen, was für den Gemüseanbau auf 3,3 Mu (2201,1 m²) ausreicht. Durch die hochdichte, mehrschichtige, dreidimensionale Anzucht in Kombination mit automatisierten Hilfseinrichtungen und einem intelligenten Logistiksystem lässt sich die Arbeitseffizienz erheblich steigern und der Arbeitsaufwand um mehr als 50 % reduzieren.

Hochresistente Sämlingszüchtung zur Unterstützung der Grünlandproduktion

Die saubere Produktionsumgebung der Pflanzenfabrik kann das Auftreten von Schädlingen und Krankheiten im Anzuchtbereich erheblich reduzieren. Gleichzeitig weisen die erzeugten Sämlinge durch die optimierte Gestaltung der Kulturbedingungen eine höhere Widerstandsfähigkeit auf, wodurch der Einsatz von Pestiziden während der Anzucht und Pflanzung deutlich verringert werden kann. Darüber hinaus können bei der Anzucht spezieller Sämlinge wie veredelter und Stecklingssämlinge umweltfreundliche Steuerungsmaßnahmen wie Licht, Temperatur, Wasser und Düngung in der Pflanzenfabrik den großflächigen Einsatz von Hormonen in traditionellen Verfahren ersetzen. Dies gewährleistet Lebensmittelsicherheit, reduziert die Umweltbelastung und ermöglicht eine nachhaltige Produktion von umweltfreundlichen Sämlingen.

Produktionskostenanalyse 

Pflanzenfabriken können die Wirtschaftlichkeit ihrer Anzucht im Wesentlichen durch zwei Maßnahmen steigern. Zum einen lassen sich durch optimierte Konstruktion, standardisierte Abläufe und den Einsatz intelligenter Anlagen und Geräte der Verbrauch von Saatgut, Strom und Arbeitskräften reduzieren und gleichzeitig der Verbrauch von Wasser, Dünger, Wärme und Energie sowie die Ausnutzung von Gas und CO₂ verbessern, was die Anzuchtkosten senkt. Zum anderen verkürzt die präzise Steuerung der Umgebungsbedingungen und die Optimierung der Prozessabläufe die Anzuchtzeit, wodurch die jährliche Anzuchtmenge und der Ertrag pro Flächeneinheit gesteigert werden und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt verbessert wird. 

Mit der Weiterentwicklung der Pflanzenfabriktechnologie und der kontinuierlichen Vertiefung der umweltbiologischen Forschung zur Sämlingszucht sind die Kosten der Sämlingszucht in Pflanzenfabriken im Wesentlichen mit denen der traditionellen Gewächshauszucht vergleichbar, während Qualität und Marktwert der Sämlinge höher sind. Am Beispiel von Gurkensämlingen lässt sich zeigen, dass die Produktionsmaterialien mit rund 37 % der Gesamtkosten einen großen Anteil ausmachen. Dazu gehören Saatgut, Nährlösung, Anzuchttrays, Substrate usw. Der Stromverbrauch für Pflanzenbeleuchtung, Klimaanlage und Nährlösungspumpen beträgt etwa 24 % der Gesamtkosten und stellt somit den Hauptbereich für zukünftige Optimierungen dar. Darüber hinaus zeichnet sich die Pflanzenfabrikproduktion durch einen geringen Arbeitsaufwand aus. Mit zunehmender Automatisierung werden die Arbeitskosten weiter sinken. Zukünftig lassen sich die wirtschaftlichen Vorteile der Sämlingszucht in Pflanzenfabriken durch die Entwicklung von Nutzpflanzen mit hoher Wertschöpfung und die Entwicklung industrialisierter Anbautechnologien für Sämlinge wertvoller Waldbäume weiter steigern.

Zusammensetzung der Kosten für Gurkensetzlinge /%

Industrialisierungsstatus

In den letzten Jahren haben wissenschaftliche Forschungseinrichtungen, darunter das Institut für Urbane Landwirtschaft der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften, und Hightech-Unternehmen die Aufzucht von Setzlingen in Pflanzenfabriken etabliert. Diese Fabriken bieten eine effiziente industrielle Produktionslinie vom Samen bis zum Auflaufen der Setzlinge. Eine solche Pflanzenfabrik in Shanxi, die 2019 in Betrieb genommen wurde, erstreckt sich über eine Fläche von 3.500 m² und kann innerhalb von 30 Tagen 800.000 Paprika- oder 550.000 Tomatensetzlinge produzieren. Eine weitere Pflanzenfabrik umfasst 2.300 m² und produziert jährlich 8–10 Millionen Setzlinge. Die vom Institut für Urbane Landwirtschaft der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften entwickelte mobile Heilanlage für veredelte Setzlinge bietet eine Plattform für die Anzucht und Domestizierung veredelter Setzlinge. Ein einzelner Arbeitsbereich kann mehr als 10.000 veredelte Setzlinge gleichzeitig bearbeiten. Zukünftig wird erwartet, dass die Vielfalt der Sämlingszüchtungssorten in Pflanzenfabriken weiter ausgebaut wird und der Automatisierungsgrad und die Intelligenz sich weiter verbessern werden.

Die mobile Heilpflanze für veredelte Sämlinge, entwickelt vom Institut für urbane Landwirtschaft der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften

Ausblick

Als neue Methode der industriellen Aufzucht von Jungpflanzen bieten Pflanzenfabriken im Vergleich zu traditionellen Methoden enorme Vorteile und ein hohes Vermarktungspotenzial. Dies liegt an der präzisen Kontrolle der Umweltbedingungen, der effizienten Ressourcennutzung und den standardisierten Abläufen. Durch die Reduzierung des Verbrauchs von Ressourcen wie Saatgut, Wasser, Dünger, Energie und Arbeitskräften in der Jungpflanzenzucht sowie die Steigerung von Ertrag und Qualität der Jungpflanzen pro Flächeneinheit lassen sich die Kosten der Jungpflanzenzucht in Pflanzenfabriken weiter senken und die Produkte wettbewerbsfähiger machen. In China besteht eine große Nachfrage nach Jungpflanzen. Neben der Produktion traditioneller Nutzpflanzen wie Gemüse sollen in Pflanzenfabriken auch hochwertige Jungpflanzen wie Blumen, chinesische Heilkräuter und seltene Bäume gezüchtet werden, was die Wirtschaftlichkeit weiter steigern wird. Gleichzeitig muss die industrielle Jungpflanzenzuchtplattform die Kompatibilität und Flexibilität verschiedener Züchtungsmethoden berücksichtigen, um den Bedürfnissen des Jungpflanzenmarktes in den unterschiedlichen Jahreszeiten gerecht zu werden.

Die biologische Theorie der Anzuchtumgebung von Sämlingen bildet den Kern der präzisen Steuerung der Umgebung in Pflanzenfabriken. Detaillierte Untersuchungen zur Regulation von Pflanzenform, Photosynthese und anderen physiologischen Prozessen durch Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂ tragen zur Entwicklung eines Interaktionsmodells zwischen Sämling und Umwelt bei. Dieses Modell ermöglicht es, den Energieverbrauch in der Sämlingsproduktion zu senken und Qualität und Ertrag zu steigern. Darauf aufbauend lassen sich Steuerungstechnologien und -anlagen entwickeln, die Licht als zentralen Faktor nutzen und mit anderen Umweltfaktoren koppeln. So kann die Produktion von Sämlingen mit speziellen Pflanzentypen, hoher Gleichmäßigkeit und hoher Qualität optimiert werden, um den Anforderungen der Hochdichtekultur und des mechanisierten Betriebs in Pflanzenfabriken gerecht zu werden. Letztendlich schafft dies die technische Grundlage für den Aufbau eines digitalen Sämlingsproduktionssystems und ermöglicht die standardisierte, unbemannte und digitale Anzucht in Pflanzenfabriken.

Autor: Xu Yaliang, Liu Xinying usw. 

Zitatangaben:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang. Wichtige technische Ausrüstung und Industrialisierung der Sämlingszüchtung in Pflanzenfabriken [J]. Agricultural Engineering Technology, 2021, 42(4): 12-15.