Abstracto

Actualmente, la planta de cultivo ha logrado el cultivo exitoso de plántulas de hortalizas como pepinos, tomates, pimientos, berenjenas y melones, proporcionando a los agricultores plántulas de alta calidad en lotes, con un mejor rendimiento de producción tras la siembra. Las plantas de cultivo se han convertido en un importante proveedor de plántulas para la industria hortícola y desempeñan un papel cada vez más importante en la promoción de la reforma estructural orientada a la oferta de la industria hortícola, garantizando el suministro urbano de hortalizas y la producción de hortalizas verdes.

Diseño de sistemas de cultivo de plántulas en fábricas de plantas y equipos técnicos clave

Como el sistema de producción agrícola más eficiente en la actualidad, el sistema de cultivo de plántulas en fábricas de plantas integra medios técnicos integrales, como iluminación artificial, suministro de solución nutritiva, control ambiental tridimensional, operaciones auxiliares automatizadas, gestión inteligente de la producción, etc., e integra biotecnología, tecnología de la información e inteligencia artificial. Los avances tecnológicos, entre otros, impulsan el desarrollo continuo de la industria. 

Sistema de fuente de luz artificial LED

La creación de un entorno de luz artificial es una de las tecnologías clave del sistema de cultivo de plántulas en las fábricas de plantas, además de ser la principal fuente de consumo energético. El entorno lumínico de las fábricas de plantas ofrece una gran flexibilidad y se puede regular desde múltiples dimensiones, como la calidad, la intensidad y el fotoperiodo de la luz. Al mismo tiempo, se pueden optimizar y combinar diferentes factores de luz en secuencia para formar una fórmula de luz para el cultivo de plántulas, garantizando así un entorno lumínico adecuado para el cultivo artificial. Por lo tanto, basándose en las características de la demanda de luz y los objetivos de producción de las diferentes plántulas, mediante la optimización de los parámetros de la fórmula de luz y la estrategia de suministro de luz, se ha desarrollado una fuente de luz LED especial de bajo consumo que puede mejorar considerablemente la eficiencia de conversión de energía lumínica de las plántulas, promover la acumulación de biomasa y mejorar la calidad de la producción, a la vez que reduce el consumo energético y los costos de producción. Además, la regulación del entorno lumínico es un importante medio técnico en el proceso de domesticación y curación de plántulas injertadas.

Sistema de plántulas verticales multicapa desmontable

El cultivo de plántulas en la planta se realiza mediante un estante tridimensional multicapa. Gracias al diseño modular, el sistema de cultivo de plántulas se ensambla rápidamente. La distancia entre los estantes se ajusta con flexibilidad para satisfacer las necesidades de espacio y optimizar la utilización del espacio. Además, el diseño independiente del sistema de semillero, el sistema de iluminación y el sistema de riego con agua y fertilizantes permite transportar el semillero, lo que facilita su traslado a diferentes talleres, como la siembra, la germinación y la domesticación, y reduce la mano de obra en la manipulación de las bandejas.

Sistema de plántulas verticales multicapa desmontable 

El riego con agua y fertilizantes se realiza principalmente mediante mareas, aspersión y otros métodos, controlando con precisión el tiempo y la frecuencia del suministro de la solución nutritiva para lograr un suministro uniforme y un uso eficiente del agua y los nutrientes minerales. En combinación con la fórmula especial de la solución nutritiva para plántulas, se satisfacen las necesidades de crecimiento y desarrollo de las plántulas y se garantiza un crecimiento rápido y saludable. Además, mediante el sistema de detección de iones de nutrientes en línea y el sistema de esterilización de la solución nutritiva, se pueden reponer los nutrientes a tiempo, evitando la acumulación de microorganismos y metabolitos secundarios que afectan el crecimiento normal de las plántulas. 

Sistema de Control Ambiental

El control ambiental preciso y eficiente es una de las principales características de un sistema de propagación de plántulas en una planta de cultivo. La estructura de mantenimiento externa de una planta de cultivo generalmente se fabrica con materiales opacos y altamente aislantes. Gracias a esto, la regulación de la luz, la temperatura, la humedad, la velocidad del viento y el CO2 prácticamente no se ve afectada por el entorno externo. Mediante la construcción de un modelo CFD para optimizar la disposición del conducto de aire, junto con el método de control del microambiente, se logra una distribución uniforme de factores ambientales como la temperatura, la humedad, la velocidad del viento y el CO2 en el espacio de cultivo de alta densidad. La regulación inteligente del entorno se realiza mediante sensores distribuidos y control por contacto, y la regulación en tiempo real de todo el entorno de cultivo se realiza mediante la conexión entre la unidad de monitorización y el sistema de control. Además, el uso de fuentes de luz refrigeradas por agua y la circulación de agua, junto con la introducción de fuentes de frío exteriores, permite lograr una refrigeración que ahorra energía y reduce el consumo de aire acondicionado.

Equipos de operación auxiliar automática

El proceso de cultivo de plántulas en una planta es riguroso, la densidad de trabajo es alta, el espacio es compacto y los equipos auxiliares automáticos son indispensables. El uso de equipos auxiliares automatizados no solo reduce el consumo de mano de obra, sino que también ayuda a mejorar la eficiencia del espacio de cultivo. Los equipos de automatización desarrollados incluyen máquinas para cubrir el suelo de los semilleros, sembradoras, injertadoras, carros transportadores logísticos AGV, etc. Bajo el control de la plataforma de gestión inteligente de apoyo, se puede realizar la operación autónoma de todo el proceso de cultivo de plántulas. Además, la tecnología de visión artificial también desempeña un papel cada vez más importante en el proceso de cultivo de plántulas. No solo ayuda a monitorear el estado de crecimiento de las plántulas y asiste en la gestión de plántulas comerciales, sino que también realiza la detección automática de plántulas débiles y muertas. La mano robótica retira y rellena las plántulas.

Ventajas del mejoramiento de plántulas en plantas industriales

El alto nivel de control ambiental permite una producción anual

Debido a la particularidad del cultivo de plántulas, el control del entorno de cultivo es fundamental. En las plantas de cultivo, factores ambientales como la luz, la temperatura, el agua, el aire, los fertilizantes y el CO2 están altamente controlados, lo que proporciona el mejor entorno de crecimiento para el cultivo de plántulas, independientemente de la estación y la región. Además, en el proceso de cultivo de plántulas injertadas y esquejes, la cicatrización de las heridas del injerto y la diferenciación radicular requieren un mayor control ambiental, y las plantas de cultivo son excelentes portadoras. La gran flexibilidad de las condiciones ambientales de las plantas de cultivo es fundamental para la producción de plántulas de hortalizas en épocas no productivas o en entornos extremos, y puede proporcionar soporte a las plántulas para asegurar el suministro perenne de hortalizas. Además, el cultivo de plántulas en plantas de cultivo no está limitado por el espacio y puede llevarse a cabo in situ en las afueras de las ciudades y en espacios públicos comunitarios. Las especificaciones son flexibles y adaptables, lo que permite la producción en masa y un suministro cercano de plántulas de alta calidad, lo que supone un importante apoyo para el desarrollo de la horticultura urbana. 

Acortar el ciclo de reproducción y mejorar la calidad de las plántulas.

En condiciones de cultivo en invernadero, gracias al control preciso de diversos factores ambientales de crecimiento, el ciclo de cultivo de plántulas se acorta entre un 30% y un 50% en comparación con los métodos tradicionales. Esta reducción del ciclo de cultivo permite aumentar la producción de plántulas, incrementar los ingresos del productor y reducir los riesgos operativos derivados de las fluctuaciones del mercado. Para los agricultores, favorece el trasplante y la siembra tempranos, la comercialización temprana y una mayor competitividad. Por otro lado, las plántulas cultivadas en invernadero presentan un aspecto limpio y robusto, mejoran significativamente sus indicadores morfológicos y de calidad, y el rendimiento productivo tras la colonización es superior. Diversos estudios han demostrado que las plántulas de tomate, pimiento y pepino cultivadas en invernadero no solo mejoran el área foliar, la altura de la planta, el diámetro del tallo, el vigor radicular y otros indicadores, sino que también mejoran la adaptabilidad, la resistencia a enfermedades y la diferenciación de los botones florales tras la colonización. Además, la producción, entre otros aspectos, presenta ventajas evidentes. El número de flores femeninas por planta aumentó un 33,8% y el número de frutos por planta un 37,3% tras la siembra de plántulas de pepino cultivadas en invernadero. Con la profundización continua de la investigación teórica sobre la biología del entorno de desarrollo de las plántulas, las fábricas de plantas serán más precisas y controlables a la hora de dar forma a la morfología de las plántulas y mejorar la actividad fisiológica.

 Comparación del estado de plántulas injertadas en invernaderos y fábricas de plantas

Uso eficiente de los recursos para reducir los costos de las plántulas

La plantación de plántulas adopta métodos de siembra estandarizados, informatizados e industrializados, lo que permite un control estricto de cada etapa de la producción de plántulas y mejora significativamente la eficiencia en el uso de recursos. Las semillas representan el principal gasto en el cultivo de plántulas. Debido a la operación irregular y al deficiente control ambiental de las plántulas tradicionales, surgen problemas como la falta de germinación o el crecimiento deficiente de las semillas, lo que genera un gran desperdicio en el proceso de germinación. En el entorno de la plantación de plántulas, mediante el pretratamiento de las semillas, la siembra precisa y el control preciso del entorno de cultivo, se mejora considerablemente la eficiencia de uso de las semillas y se puede reducir la dosis en más de un 30%. El agua, los fertilizantes y otros recursos también son el principal gasto en el cultivo tradicional de plántulas, y el desperdicio de recursos es grave. En las condiciones de las plantas de cultivo, mediante la aplicación de tecnología de riego de precisión, la eficiencia en el uso de agua y fertilizantes puede aumentarse en más de un 70%. Además, gracias a la estructura compacta de la planta y a la uniformidad del control ambiental, la eficiencia en el uso de energía y CO2 en el proceso de propagación de plántulas también mejora significativamente.

En comparación con el cultivo tradicional de plántulas en campo abierto y en invernadero, la principal ventaja del mejoramiento de plántulas en las fábricas de plantas es su capacidad para realizarlo en tres dimensiones multicapa. En las fábricas, el mejoramiento de plántulas puede extenderse del plano al espacio vertical, lo que mejora considerablemente la eficiencia de cultivo por unidad de terreno y la utilización del espacio. Por ejemplo, el módulo estándar para el mejoramiento de plántulas desarrollado por una empresa biológica, con una superficie de 4,68 m², puede criar más de 10 000 plántulas en un solo lote, lo que puede utilizarse para la producción de hortalizas de 3,3 Mu (2201,1 m²). En condiciones de mejoramiento tridimensional multicapa de alta densidad, el apoyo de equipos auxiliares automáticos y un sistema de transporte logístico inteligente puede mejorar considerablemente la eficiencia de la utilización de la mano de obra y ahorrar más del 50 %.

Mejoramiento de plántulas de alta resistencia para ayudar a la producción verde

El entorno de producción limpio de la planta de cultivo reduce considerablemente la aparición de plagas y enfermedades en el espacio de cultivo. Al mismo tiempo, gracias a la configuración optimizada del entorno de cultivo, las plántulas producidas presentan una mayor resistencia, lo que reduce considerablemente la aplicación de pesticidas durante la propagación y la plantación. Además, para el cultivo de plántulas especiales, como injertos y esquejes, las medidas de control ecológico, como la luz, la temperatura, el agua y los fertilizantes, se pueden utilizar en la planta de cultivo para reemplazar el uso masivo de hormonas en las operaciones tradicionales, garantizando así la seguridad alimentaria, reduciendo la contaminación ambiental y logrando una producción sostenible de plántulas verdes.

Análisis de costos de producción 

Las plantas de semillero pueden optimizar los beneficios económicos de las plántulas mediante dos métodos principales. Por un lado, mediante la optimización del diseño estructural, la operación estandarizada y el uso de instalaciones y equipos inteligentes, se puede reducir el consumo de semillas, electricidad y mano de obra en el proceso de cultivo de plántulas, y mejorar el consumo de agua, fertilizantes, calor y energía. La eficiencia en el uso de gas y CO2 reduce el costo del cultivo de plántulas. Por otro lado, mediante el control preciso del entorno y la optimización del flujo del proceso, se acorta el tiempo de cultivo de las plántulas y se aumenta el lote de cultivo anual y el rendimiento de plántulas por unidad de espacio, lo que aumenta la competitividad en el mercado. 

Con el desarrollo de la tecnología de las fábricas de plantas y la continua profundización de la investigación en biología ambiental sobre el cultivo de plántulas, el costo de la crianza de plántulas en fábricas de plantas es básicamente el mismo que el del cultivo tradicional en invernaderos, y la calidad y el valor de mercado de las plántulas son mayores. Tomando como ejemplo las plántulas de pepino, los materiales de producción representan una gran proporción, representando aproximadamente el 37% del costo total, incluyendo semillas, solución nutritiva, bandejas de semilleros, sustratos, etc. El consumo de energía eléctrica representa aproximadamente el 24% del costo total, incluyendo el consumo de energía de la iluminación de las plantas, el aire acondicionado y la bomba de solución nutritiva, etc., que es la principal dirección de la optimización futura. Además, la baja proporción de mano de obra es una característica de la producción en fábricas de plantas. Con el continuo aumento en el grado de automatización, el costo del consumo de mano de obra se reducirá aún más. En el futuro, los beneficios económicos de la crianza de plántulas en fábricas de plantas pueden mejorarse aún más mediante el desarrollo de cultivos de alto valor agregado y el desarrollo de tecnología de cultivo industrializada para plántulas de árboles forestales preciosos.

Composición del costo de las plántulas de pepino/%

Estado de industrialización

En los últimos años, las instituciones de investigación científica representadas por el Instituto de Investigación de Agricultura Urbana de la Academia China de Ciencias Agrícolas y las empresas de alta tecnología han realizado la industria de la cría de plántulas en fábricas de plantas. Puede proporcionar plántulas con una línea de producción industrial eficiente desde la semilla hasta la emergencia. Entre ellos, una fábrica de plantas en Shanxi construida y puesta en funcionamiento en 2019 cubre un área de 3.500 ㎡ y puede criar 800.000 plántulas de pimiento o 550.000 plántulas de tomate dentro de un ciclo de 30 días. Otra fábrica de plantas de cría de plántulas construida cubre un área de 2.300 ㎡ y puede producir de 8 a 10 millones de plántulas por año. La planta de curación móvil para plántulas injertadas desarrollada independientemente por el Instituto de Agricultura Urbana, Academia China de Ciencias Agrícolas puede proporcionar una plataforma de curación y domesticación de línea de montaje para el cultivo de plántulas injertadas. Un solo espacio de trabajo puede manejar más de 10.000 plántulas injertadas a la vez. En el futuro, se espera que la diversidad de variedades de cultivo de plántulas en las fábricas de plantas se amplíe aún más, y el nivel de automatización e inteligencia seguirá mejorando.

La planta curativa móvil para plántulas injertadas desarrollada por el Instituto de Agricultura Urbana, Academia China de Ciencias Agrícolas

Perspectiva

Como nuevo proveedor de plántulas industriales, las fábricas de plantas ofrecen enormes ventajas y un gran potencial de comercialización en comparación con los métodos tradicionales, gracias a un control ambiental preciso, un uso eficiente de los recursos y unas operaciones estandarizadas. Al reducir el consumo de recursos como semillas, agua, fertilizantes, energía y mano de obra en la crianza de plántulas, y al mejorar el rendimiento y la calidad de las plántulas por unidad de superficie, se reducirá aún más el coste de la crianza en fábricas de plantas y los productos serán más competitivos en el mercado. Existe una gran demanda de plántulas en China. Además de la producción de cultivos tradicionales como hortalizas, se espera que en las fábricas de plantas se cultiven plántulas de alto valor añadido como flores, hierbas medicinales chinas y árboles raros, lo que aumentará aún más los beneficios económicos. Al mismo tiempo, la plataforma industrializada de crianza de plántulas debe considerar la compatibilidad y la flexibilidad de las diferentes formas de crianza para satisfacer las necesidades del mercado en las diferentes temporadas.

La teoría biológica del entorno de cultivo de plántulas es fundamental para el control preciso del entorno de las plantas de cultivo. Una investigación exhaustiva sobre la regulación de la forma de las plántulas, la fotosíntesis y otras actividades fisiológicas por factores ambientales como la luz, la temperatura, la humedad y el CO2 ayudará a establecer un modelo de interacción entre las plántulas y el entorno, que puede reducir el consumo energético de la producción de plántulas y mejorar su calidad. La calidad proporciona una base teórica. Sobre esta base, se puede desarrollar tecnología y equipos de control centrados en la luz, junto con otros factores ambientales, para personalizar la producción de plántulas con tipos de plantas especiales, alta uniformidad y alta calidad, cumpliendo así con los requisitos de cultivo de alta densidad y operación mecanizada en las plantas de cultivo. En definitiva, proporciona una base técnica para la construcción de un sistema digital de producción de plántulas y permite un cultivo de plántulas estandarizado, no tripulado y digital en las plantas de cultivo.

Autor: Xu Yaliang, Liu Xinying, etc. 

Información de cita:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang. Equipos técnicos clave e industrialización del mejoramiento de plántulas en fábricas de plantas [J]. Tecnología de Ingeniería Agrícola, 2021, 42(4):12-15.