带有生物活性介质的自动水培系统用于提高绿色饲料产量和资源效率

《AgriEngineering》：Automated Hydroponic System with Bioactive Medium for Increasing Green Forage Yield and Resource Efficiency

　　

利用资源节约型技术全年生产高质量绿色饲料是可持续畜牧业的重要挑战。研究人员开发并实验评估了一个集成基于腐泥的生物活性介质、循环灌溉和节能LED照明（LED）的自动多层水培系统。实验试验采用饲料大麦（Hordeum vulgare L.）在10天培养周期内进行。在光照强度为200、300和400 μmol m^?2 s^?1的条件下评估资源消耗，同时使用1.0%、2.0%和2.5%的腐泥提取物浓度评估生物量生产力。最高生物量生产力在2.5%浓度下获得，此时新鲜绿色质量达到每盘44.8 kg（25.45 kg m^?2），与对照处理相比增加了1.6倍，对照处理为相同水培条件但不添加腐泥提取物。循环灌溉系统降低了单位水耗，而优化的LED照明提高了能源利用效率。结果表明，自然生物活性补充与自动环境控制的集成可以显著提高水培饲料生产力，同时减少单位资源投入。

在现代农业中，气候变化、土壤退化、水资源短缺和耕地压力日益加剧，传统饲料生产方式受季节和气候波动影响，难以满足可持续畜牧业对高质量绿色饲料的全年需求。水培（hydroponics）技术虽能在受控环境中快速生产生物量，但面临高能耗、水质处理复杂及依赖合成添加剂等问题。腐泥（sapropel）作为一种富含腐殖酸和富里酸等天然生物活性物质的淡水沉积物，具有促进植物生长的潜力，但其在自动化水培饲料系统中的集成应用尚缺乏研究。为此，本研究旨在开发并验证一套融合腐泥基生物活性介质、循环灌溉与节能LED照明的自动多层水培系统，以提升绿色饲料产量并降低资源消耗。论文发表于《AgriEngineering》。研究人员通过实验探索了光照强度与腐泥提取物浓度对生物量积累和资源效率的影响，证实该系统可在减少水耗和能耗的前提下，实现绿色饲料产量1.6倍的提升，为受控环境饲料生产提供了可行方案。

关键技术方法方面，研究人员设计了包含多层不锈钢栽培盘、循环灌溉回路、LED植物灯和紫外线消毒模块的自动水培原型系统。采用饲料大麦（Hordeum vulgare L.）作为试验作物，种子经杀菌照射后浸泡，均匀播种于1.76 m²的栽培盘上，在21–22°C和70–80%相对湿度下培养10天。光照强度设置为200、300和400 μmol m^?2 s^?1，腐泥提取物添加浓度分别为1.0%、2.0%和2.5%，对照组为无添加的纯水培养条件。通过连续监测电力消耗和灌溉水量，并采用方差分析进行统计处理（p < 0.05），研究人员评估了不同处理下的生物量（鲜重）和资源利用效率。

研究结果保留了以下小节：

**The 1.6-fold increase in yield achieved is the result of the combined effect of technical and biological factors**：通过比较不同处理下的生物量数据，研究人员发现2.5%腐泥提取物（CBM）处理组在第10天达到每盘44.8 kg（25.45 kg m^?2），产量为对照的1.6倍，表明技术优化与生物刺激协同作用显著。

**The physiological role of humic acids in sapropel**：基于对腐殖酸（humic acids）螯合特性的分析，研究人员指出腐泥中的腐殖酸和富里酸（fulvic acids）能结合金属离子（如铁、锰、铜）形成植物易吸收形态，从而预防微量元素缺乏，促进绿色部分生长（株高达9.4 cm）。

**Synergy of automation and bioactivation**：通过监测自动灌溉与照明系统的运行稳定性，研究人员发现受控环境减少了植物胁迫，使生物活性介质效果最大化，同时电离化水处理提高了循环灌溉的卫生条件，避免高密度种植下的根缺氧。

**Economic and resource efficiency**：对比现有系统数据，研究人员得出在300 μmol m^?2 s^?1光照下，生产1 kg绿色饲料约耗电0.45 kWh、耗水不足3 L，表明单位水耗较传统方法降低30–50%，并显著提升土地利用效率。

**Recommendations for practical application**：基于实验结果，研究人员建议在干旱或半干旱地区（如哈萨克斯坦、中东）采用2.5%腐泥提取物浓度，照明模式设置为16 h光照/8 h黑暗，以平衡生长速率与能源成本。

讨论部分总结：腐殖酸的螯合作用与自动化环境控制的协同效应是产量提升的核心机制。该技术通过循环灌溉和优化照明显著降低了资源需求，使其在水资源短缺地区具有应用潜力。但大规模推广仍需考虑电力成本、设备维护和折旧等因素。

结论部分翻译：自动多层水培系统集成腐泥基生物活性补充、循环灌溉和节能LED照明的开发与实验评估展示了全年绿色饲料生产的潜力。实验结果表明，2.5%腐泥提取物实现了最高生物量为每盘44.8 kg（25.45 kg m^?2），较对照增加1.6倍。除生物刺激外，工程优化（循环灌溉和受控LED照明）在10天培养周期内降低了单位水耗并提高了能效。从实践角度看，该系统为偏远或水土资源有限地区的饲料供应可靠性提供了解决方案，通过现场生产减少对运输饲料的依赖和储存损失。此外，受控环境方法降低了对干旱和季节性气候波动的暴露，从而支持更稳定的畜牧业日粮规划。尽管存在优势，大规模实施仍取决于电价、维护要求和设备折旧。因此，尽管生物与工程的联合方法显示出明显前景，未来研究应包含详细的营养分析和不同农场规模及区域运营条件下的长期经济验证。该系统也可作为未来数字农业应用的基础，包括远程监控、预测控制和水培饲料生产周期的数据驱动优化。