一种立体农业生产系统和立体农业生产方法

摘要

本申请公开了一种立体农业生产系统和基于该系统的立体农业生产方法。本申请的立体农业生产系统，包括与外界隔离的密封建筑，密封建筑顶面和四个侧壁由间隔排布的钢化玻璃和太阳能电池板构成，密封建筑内部为多层结构，每层地面划分为种植带和采摘通道，种植带上布置有生长槽，采摘通道为透光的钢化玻璃。本申请的立体农业生产系统向空间发展，不受土地面积限制，与外界隔离，也不受外界空气、水、土壤等污染，并且可简单方便的调节各生态条件，为栽培高质量、高品质的作物提供了保障。钢化玻璃和太阳能电池板构成的顶面和侧壁，使作物可充分接触阳光，用太阳能照明，在不增加额外供电基础上就可增加作物光照时间，绿色环保。

说明书

技术领域

本申请涉及农业生产领域，特别是涉及一种立体农业生产系统，以及基于 该系统的立体农业生产方法。

背景技术

传统农业的最大问题在于必须以土地为根本，离开了土地则农作物的种植 就无法实现。而随着人类社会的发展和工业化的进程推进，传统农业存在的两 大问题会越来越严重：1、可用于农业的土地面积有限，例如，中国以18亿亩 耕地为底线。有限的土地面积决定了有限的种植面积，因而决定了有限的产量， 随着人口的增多，粮食、蔬菜、水果等等的需求越来越大，而产量确难以大幅 度提高。2、现代工业的发展，丰富了人们的物质生活，却也带来了严重的环境 污染，这些污染必然导致土壤、水体、空气的污染，而传统农业离不开土壤、 水和空气，于是最终工业污染将导致传统农业不可避免的污染。如何破解这一 矛盾，既能够使得农作物的种植不受土地面积的限制，又能够有效地隔绝土壤、 水、空气对农作物的污染，已经越来越迫切。

传统的无土栽培，虽然可以离开土地，避免了土壤的污染，但并没有解决 空气所带来的污染，也没有彻底解决水体所带来的污染，而且传统的无土栽培 由于只考虑了N、P、K等常量元素，而没有考虑每种农作物具体对微量元素的 需求和光合作用对二氧化碳和光照的需求，因此，产量和口味都会受到影响。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的立体农业生产系统及基于该生产系统的立体 农业生产方法。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请公开了一种立体农业生产系统，该立体农业生产系统包括与外界隔 离的密封建筑，密封建筑的顶面和四个侧壁由间隔排布的钢化玻璃和太阳能电 池板构成，密封建筑的内部自上而下设计为多层结构，每一层地面的划分包括 种植带和采摘通道，种植带上布置有作物的生长槽，采摘通道为透光的钢化玻 璃。需要说明的是，本申请的立体农业生产系统最大的一个优点在于，作物的 整个生长过程在密封的空间内进行，即密封建筑内，既隔绝了外界的空气、水、 土壤等各种因素的污染，又能够方便的对密封空间内的各种生态因素进行科学 的调整。

还需要说明的是，本申请的立体农业生产系统顶面和四个侧壁都采用钢化 玻璃，为作为生长提供充足的阳光，同时，还排布有太阳能电池板，利用收集 的太阳能，为密封建筑补充电力，最直接的可用于夜间照明以延长作物的光合 作用时间。

进一步的，本申请的立体农业生产系统还包括水过滤装置和给液装置，水 过滤装置为给液装置提供水源，给液装置包括自动水控制系统和设置在生长槽 上方的至少一个输液管道，自动水控制系统根据程序自动控制并通过输液管道 给生长槽供水或营养液。需要说明的是，水过滤装置的作用是保障水源的安全 性，以避免用水污染；给液装置则是机械化生产的需要，可以理解，在没有给 液装置的情况下，同样可以人工浇水施肥，当然这样需要大量的人工成本。还 需要说明的是，本申请中的给液装置，实际上就是用水泵提供动力，通过输液 管道进行浇水、施液体肥料的装置，其电路控制原理与现有的自动灌溉系统相 似。

进一步的，本申请的立体农业生产系统中，给液装置包括三个输液管道， 第一输液管道为水供给管道，第二输液管道为常量元素的营养液的供给管道， 第三输液管道为微量元素矿物的纳米固体颗粒悬浮液的供给管道。需要说明的 是，输液管道的数量是根据需要输送的不同类型的液体的数量定的，本申请中， 将水、营养液和微量元素矿物的纳米固体颗粒悬浮液分开输送，因此，需要三 个输液管道，可以理解，在需要更多的其它液态物质需要进行单独输送时，也 可以采用更多的输液管道。

进一步的，本申请的立体农业生产系统还包括空气过滤装置和二氧化碳供 给装置，密封建筑通过空气过滤装置实现与外界空气的交流，二氧化碳供给装 置为密封建筑内提供二氧化碳。需要说明的是，空气过滤装置实际上就是过滤 空气，以避免气体污染，其具体实现方式可以是先将外界空气过滤好后再输送 给密封建筑，也可以是在密封建筑与外界空气交换时进行过滤；另外，本申请 中二氧化碳供给装置可以是购买的二氧化碳瓶，也可以是通过化学反应生成二 氧化碳的反应装置，还可以是工业设备，例如钢铁厂、水泥厂、发电厂、工业 锅炉等燃烧产生的二氧化碳，也可以是供暖、供热水的锅炉燃烧产生的二氧化 碳，这些二氧化碳通过对工厂或者锅炉排放烟囱的收集以及管道的输送，送入 本申请的立体农业生产系统中，这对工业二氧化碳的减排具有实际的意义。

优选的，本申请的立体农业生产系统中，密封建筑为钢架结构的厂房。需 要说明的是，钢架结构的厂房是相对简单直接的结构方式，如果考虑到美观需 求，也可以设计成各种建筑结构或形状。

优选的，本申请的立体农业生产系统中，钢化玻璃和太阳能电池板呈斑马 线条带式结构排布，即太阳能电池板之间的间隔为钢化玻璃，从而形成斑马线 条带式结构。需要说明的是，钢化玻璃是为了使光线能够透射到密封建筑内； 而太阳能电池板则是用于收集太阳能，为密封建筑补充电力。

优选的，本申请的立体农业生产系统中，密封建筑内还设置有冷凝装置和 温度控制装置，冷凝装置将密封建筑内空气中过多的水汽进行冷凝回收，温度 控制装置控制密封建筑内的温度，多层结构中各层的间距控制在 3000mm-6000mm，各层均安装有节能灯以提供照明。

本申请的另一面还公开了一种采用本申请的立体农业系统进行的立体农业 生产方法，包括：

（1）在生长槽中填充支持介质，该支持介质包括建筑废渣、石英砂、蛭石、 泥炭、锯屑和塑料中的至少一种；

（2）分别配制常量元素营养液和微量元素矿物的纳米固体颗粒悬浮液，其 中，微量元素矿物的纳米固体颗粒悬浮液的配制方法包括，将富含微量元素矿 物的土壤加工到500纳米以下，按照1-15%的固含量配成悬浮液；

（3）在生长槽中栽培作物，白天以透过钢化玻璃的自然光为光源，夜晚以 太阳能电池板提供光源或电源，并采用配制的常量元素营养液和微量元素矿物 的纳米固体颗粒悬浮液为作物提供营养。

需要说明的是，本申请的立体农业生产方法是在本申请的立体农业生产系 统的基础上进行的，因此，其延续了本申请的立体农业生产系统的所有优点。 另外，支持介质也可以根据具体种植的作物进行选择。

进一步的，本申请的立体农业生产方法，还包括对密封建筑内的二氧化碳 浓度进行调整，以便于作物的光合作用。需要说明的是，对密封建筑内的二氧 化碳浓度的调整可以采用本申请的立体农业生产系统中的二氧化碳供给装置， 也可以直接采用市场购买的二氧化碳瓶。

优选的，本申请的立体农业生产方法，还包括采用自动控制系统对作物的 光照、水或营养液体的供给、二氧化碳供给、过滤空气供给、密封建筑内的温 度进行自动化控制。需要说明的是，本申请的密封建筑基础上进行的立体农业 生产方法，由于整个系统空间处于隔离状态，因此，各项生态指标都可以根据 作物的需求进行调整，并且优选的采用现代化的自动控制系统对其进行实时监 控调整。

由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：

本申请的立体农业生产系统和立体农业生产方法，向空间发展，减小了土 地面积的限制，并且，与外界隔离，也不受外界空气、水、土壤等的污染，为 栽培高质量的、高品质的农作物提供了保障。本申请的立体农业生产系统中， 由钢化玻璃和太阳能电池板构成的顶面和四个侧壁，使得作物可以充分接触阳 光的同时，还可以利用太阳能电池板收集的能量进行照明，从而增加作物光照 时间，无需额外提供电能就可以满足作物光合作用生长的需要，绿色环保。并 且，额外的电能还可以补充密封建筑的电力。

本申请的立体农业生产方法中，采用富含作物所需的微量元素的矿物的纳 米颗粒制作悬浮液，天然环保，保障了农作物的口味，同时也可以生产特定的 具有保健作用的农作物。在优选的方案中，对密封建筑内的二氧化碳浓度进行 调整，以促进农作物的光合作用，从而实现农作物的最佳生长，以保障农作物 口味。

具体实施方式

本申请的立体农业生产系统，包括与外界隔离的密封建筑，密封建筑具有 间隔排布的钢化玻璃和太阳能电池板构成的顶面和四个侧壁，密封建筑的内部 自上而下设计为多层结构，每一层地面的划分包括种植带和采摘通道，种植带 上布置有作物的生长槽，采摘通道为透光的钢化玻璃。其中密封建筑设计，使 得农作物的整个生长过程与外界空气、土壤、水隔离，从而避免污染；顶面和 四个侧面采用钢化玻璃和太阳能电池板间隔排布，既利于阳光透入，又能够储 备太阳能，而储备的太阳能可以用于夜间对作物进行光照，从而提高作物的光 合作用效果。此外，密封建筑的设计，还利于二氧化碳、温度、湿度、光照、 水或营养液、干净的过滤空气等的调控，为科学合理的培育环保、高品质的保 健作物提供了保障。在密封建筑内栽培农作物还可以保证农作物在开花授粉时 段不会被空气中携带的其他品种的农作物的花粉所污染，以保证品种的原始特 性。

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请 进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

本例的立体农业生产系统，以密封的钢架结构的厂房为基础，厂房的顶面 和四个侧面采用钢化玻璃和太阳能电池板间隔排布构建，具体的，钢化玻璃和 太阳能电池板呈斑马线条带式结构排布，即一个条带用钢化玻璃，紧挨着的另 一个条带就采用太阳能电池板，互相间隔排布。这样就可以把白天的自然光照 明和夜晚的太阳能照明结合在一起，使得农作物的光合作用时间比传统农业多 了一倍，促进了农作物的生长。

厂房内自下而上采用多层结构的钢板地面，实现种植面积的倍增；每一层 钢板之间的间距控制在3000mm-6000mm。钢板地面划分为种植带和采摘通道， 种植带为钢板，采摘带为钢化玻璃，具有透光的作用。同时，在每一层顶板的 钢板上安装节能灯提供照明。在种植带上有序布置作物的生长槽，槽内可用建 筑废渣、石英砂、蛭石、泥炭、锯屑、塑料等作为支持介质，以保持作物的直 立并可保持根系的通气。

在密封的钢架结构的厂房或厂房外，还安装有水过滤装置、给液装置、空 气过滤装置和二氧化碳供给装置，以及太阳能制冷冷凝装置和温度控制装置。 水过滤装置和空气过滤装置为密封厂房提供干净无污染的水和空气。给液装置 包括自动水控制系统和三个输液管道，三个输液管道为安装在生长槽的上方 100mm以内的平行的三根PE塑料管，第一根管，即第一输液管道中是经过分 离重金属之后的水，用于向农作物供水。第二输液管道中是溶解有N、P、K等 常量元素的水溶液，用于向农作物供营养液。第三输液管道中是含有特定微量 元素矿物的纳米固体颗粒的悬浮液，其纳米颗粒的特性保证了微量元素的溶解 速率，达到缓释的作用向农作物提供特定的微量元素。整个给液装置通过自动 水控制系统自动的控制三个输液管道对水、营养液或悬浮液的输送。

另外，本例的整个立体农业生产系统采用自动控制系统对密封空间内的二 氧化碳、温度、湿度、光照、水或营养液体、干净的过滤空气等进行实时监控 和自动调节。

由于厂房可以实现全密封，因此，农作物和生长槽蒸发出来的水达到一定 湿度以后，可以通过太阳能制冷冷凝装置收集回收利用，实现水的最大利用， 同时和外界有污染的水彻底隔离。通过二氧化碳供给装置，可定量提供二氧化 碳，以供农作物生长。实现光合作用的最大化。并且，如果发生虫害，还可以 密闭厂房，在短时间内供入高浓度的二氧化碳，达到杀虫除害的目的。避免使 用农药，从而隔绝农药残留或污染。

本例的特定微量元素矿物的纳米固体颗粒的悬浮液，具体为，湖北恩施的 富含硒的土壤，通过纳米处理装置加工达到500纳米以下，按照1-15%的浓度配 成。本例的二氧化碳供给装置具体采用市场购买的瓶装商品级的二氧化碳。

在密封厂房和各装置都安装到位后，生长槽填充石英砂作为支持介质。然 后选择一年生番茄品种，采用4-6片叶定植进行种植。将水通过水过滤装置的膜 过滤其中的有害重金属离子。选用Ca(NO₃)₂·4H₂O、KNO₃、NH₄H₂PO₄和 MgSO₄·7H₂O这四种盐类来提供常量营养元素。其中Ca(NO₃)₂·4H₂O的浓度 为3mmol/L，KNO₃的浓度为10mmol/L，NH₄H₂PO₄的浓度为2mmol/L， MgSO₄·7H₂O的浓度为2mmol/L。

具体栽培方法如下：

（1）先将番茄苗栽入石英砂中，每一株苗的间距为500mm。

（2）按照番茄的生长习性，对番茄苗进行水、常量元素和微量元素的滴加。

（3）白天采用自然光照明，晚上利用太阳能照明对番茄苗进行照射，以促 进其光合作用。

（4）每间隔一小时，定量通入1%浓度的二氧化碳两小时，然后再间隔一 小时，又通入两小时。

（5）按照普通无土栽培技术对番茄植株实施管理。

（6）2个半月后开始采摘果实。

与此同时，本例还采用普通的无土栽培番茄作为对照。结果显示，与普通 无土栽培的番茄对照相比，本申请的立体农业生产方法的番茄成熟期提前半个 月以上，番茄口感更好。统计100株番茄的总产量显示，本申请的立体农业生 产方法的产量比传统无土栽培的产量高33%。本申请的立体农业生产方法获得 的番茄硒含量达0.3ppm，对人体有显著的保健功能。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认 定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换， 都应当视为属于本申请的保护范围，比如用于其它农作物的种植。