CN101310591A - 按照物质和能量循环设计的现代***农业生产体系 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种物质和能量循环设计的***农业生产体系，该***包括立体养殖区和立体种植区及生物防治区，整个种植和养殖生产采用立体化的工业模块化生产模式；种植区和养殖区的温度和立体光源的补充所需的能源由生物质能生产体系和太阳能风能组成的能源补充***提供；种植区的下脚料经过处理，转化为养殖区使用的饲料；养殖区的下脚料经过微生物作用，制成生物培养基提供给种植区；养殖区和种植区之间产生的二氧化碳和氧气相互循环利用；养殖区和种植区的温度和湿度条件相互转换。本发明对传统农业、海洋农业以及微生物和低等生物进行有效组合和产业链再造。

Description

按照物质和能量循环设计的现代***农业生产体系
技术领域
本发明涉及现代***农业生产方法，尤其是涉及利用微生物的发酵功能，将动植物废弃物分解还原，形成新的食品和饲料来源，按照物质和能量循环设计的生态节能***农业生产体系。
背景技术
目前，我国农业发展呈现新的形势，在加入WTO后，农业生产的国际环境变化，使农业产业结构调整的力度不断加大，农业产业化进程越来越快。由于农业生产增长方式发生巨大改变以及农业经营方式向适应市场经济条件的方向转化，如何使循环经济与区域经济、特色经济的协调发展成为经济可持续发展的关键，而农业生产和加工所导致的环境污染和食品安全地位的提高使农业生产环境条件的优化更是当务之急。
由于人口的不断增加，工农业生产的日益发展，我国农业的可持续发展正面临着前所未有的困难局面，存在许多制约因素，如何正确地分析和认识制约我国农业生产发展的因素，是我国农业可持续发展的前提。
一、在我国继续推行常规农业现代化战略的客观制约因素
新中国是在资源″家底″薄、生态环境极为恶劣的基础上发展起来的。中国不可能得到发达国家农业在完成常规现代化进程中所具有的极廉价石油进口资源条件。由于人口众多，人均资源(包括商品能源)量远远低于世界平均水平，更无法同发达国家相比，中国承受不起发达国家那种″先污染、破坏、后治理″的现代化模式造成的后果。因此，明确包括环境污染在内的诸多对中国走常规农业现代化途径形成硬约束的因子，对于探索具有中国特色的农业现代化途径，无疑具有重要的意义。
二、农业大量使用商品能源的不可获得性
1988年农业五项主要生产资源(化肥、农用电、农机、燃油及农药)所耗的商品能已高达1196.2×1012kJ，相比之下，美国农业在1970年耗能水平达历史最高纪录时不过2209.2×1012kJ(食物加工运销耗能3535.98×1012kJ不计在内)。况且美国耕地面积比中国还要高出30％左右。然而从我国能源生产的现状和中长期前景看，实现上述要求是缺乏可能性的。农用燃油的供应长期严重不足，而且国家财政还要大量补贴。
三、水资源贫乏是中国农业发展的一大缺陷
我国总水量居世界第6位，年均水资源总量为28124亿m\降水为62076亿m\人均拥有水资源2637m，为世界平均量的1/4，居世界的第104位。在全国407个大中城市中，缺水城市为200个，有400万公顷的耕地和1/3的草地受到缺水的威胁，有5000万农民和4000万头牧畜缺乏足够的饮用水。农业一直是我国使用水资源的″第一大户″，约占总用水量的50％左右。但是随着工业的迅速发展以及城市化趋势的加速，农业在用水上已受到工业和人民生活用水越来越激烈的竞争，用水″第一大户″的地位不可能长期保持下去。
四、高投入和集约化经营引起的污染问题
常规农业现代化间接引发的污染主要应归咎于在制造投入生产资料时大量燃烧能源而造成的″三废″问题。而对于主要依靠煤作为燃料的中国来说，这类问题要比依靠″清洁能源″一天然气和燃油的发达的国家严重得多。高投入和集约化对环境的直接污染主要指大量施用农药、化肥及大型集约化养殖场排放入农田的粪便，由于作物不能全部吸收及未能分解而残留的农药和硝酸盐进入土壤及地下水。50年代，发达国家在城市郊区出现大批集约化畜牧场。因此产生大量粪尿和污水，导致环境受污染，这类问题已形成对土体和饮用水源安全的严重威胁和引起全社会的不安。上海郊区畜禽粪便已突破1200万吨，远远超过工业废渣排放量663.11万吨或全市居民生活废物排放量663.44万吨。同样，北京现有1500个猪场，排污量按BOD推算就相当于增加一个北京市人口的排污量。目前对畜禽粪尿污染生态环境治理方法很多。例如，发酵生产沼气、快速烘干、塑料大棚好氧发酵等。这些治理费用很大。有些治理方法，还需消耗大量能源。另一些方法又可引起环境二次污染。
五、土地在多方面的制约作用
1950年，我国耕地总面积为1.21亿公顷，人均0.22公顷，1990年仅有0.96亿公顷，人均降至0.08公顷，远低于世界人均0.27公顷的水平，是加拿大的1/47，原苏联的1/9，美国的1/4。1978-1988年其损失耕地366.7万公顷，平均每年以36.7万公顷的速度在减少。1991年搞建设占地达58万公顷。1992年″开发区’热，年损失耕地153.3万公项。人口与耕地的反向发展(剪刀差)，使我国耕地的承载力陷入严重的危机状态
六、过剩劳力的负面约束与农村从事农业劳动力素质的下降
调查表明，外出劳动力均以文化素质较高的青壮年劳动力为主，随着大批农村青壮年离开土地进入城市，中国很有可能出现-个务农人员的断层。即使以后随着政策的引导，许多进城农民重新回归农村，但由于他们长期离开士地，生疏了农业生产，其结果将是身为农民，却不会种田。我们完全应该担心，青壮年农民进城打工了，谁来发展中国的高科技农业。
七、农业生态环境破坏日益严重，农业自然灾害日益频繁
由于我国对自然资源的超前消耗，致使环境污染日益严重。全国年废水排放量为370亿吨，其中工业废水占3/4，已有80％的江河湖泊受到不同程度的污染，已污染的河道达4700km。历年来沉积的工业废渣66亿吨，比10年前增加了1倍，因废渣堆积占地6.7万公顷，受污染的耕地0.067亿公顷。
通过以上七个方面的分析可看出，我国农业长期以来采取传统的粗放外延扩大再生产方式，投入高但有效利用率低和成本高，并对资源和环境产生的副作用大。在农业进入市场经济和即将融入国际大市场的今天，这种传统的增长方式(即沿用常规性农业现代化的模式)，已经不可能也不应该再维持下去了。
我国是饲养大国，也是饲料生产与消耗大国。2010年的目标为：全国配合饲料年双班生产能力达1.4亿吨，配合饲料产量1亿吨，浓缩料500万吨，添加剂预混料200万吨，饲料添加剂基本实现国产化。我国未来饲料生产的出路，总的形势是将精饲料、绿色饲料和秸杆饲料三者有机结合，其中，精饲料将一直处于严重短缺状态。由于进口优质鱼粉价格居高不下，使得饲料行业的生产成本难以降低，目前应积极寻找鱼粉的替代原料，降低生产成本。
我国是农业大国，每年生产各种农作物秸杆、秧蔓达10.9亿吨，大牲畜饲养消耗不足20％，用作柴烧的不足10％，其余均被当场焚烧或长期堆积自然腐烂，既造成了资源浪费，又阻碍了交通、阻挡河道、污染环境。利用和转化这些有机废弃物，并使之产生一定的经济效益，是各级政府的工作重点之一，也是广大农民的热切盼望。
以良性循环经济为指导，以推动现代农业为发展目标，实现农业经济的良性发展，来解决农村的剩余劳动力，提高农业产品的附加值，改良农村的环境结构。把农作物的废弃物转化为有用产品，弥补传统饲料生产带来的负面作用。同时用新产品还原土壤，从根本上改变土壤结构，使农作物成为绿色环保食品，带动关联产业建设成为目前农业生产的当务之急。
发明内容
本发明的目的在于建立一种以生态学原理为基础的先进农业循环经济生产模式，使农业资源体系中提供经济产品的每一环节所辅产的非经济产品均成为下一环节的利用“原料”，形成范围大小不同、层次高低不同的循环利用途径，最大限度地获取符合人类利益要求的经济产品。
本发明的另一个目的在于排除农业生产中的“废弃物”所导致的“环境污染”达到农业生产的效益最大化与有害最小化的目标。
本发明的另一个目的在于提出一种水源、能源循环利用的立体化集约化的农业的种植养殖基地和方法，以达到综合节水，节能，高效，使产业可持续发展。
为了实现本发明的目的，提出一种物质和能量循环设计的***农业生产体系，该***包括立体养殖区和立体种植区及生物防治区，整个种植和养殖生产采用立体化的工业模块化生产模式；种植区和养殖区的温度和立体光源的补充所需的能源由生物质能生产体系和太阳能风能组成的能源补充***提供；种植区的下脚料经过处理，转化为养殖区使用的饲料；养殖区的下脚料经过微生物作用，制成生物培养基提供给种植区；养殖区和种植区之间产生的二氧化碳和氧气相互循环利用；养殖区和种植区的温度和湿度条件相互转换。
所述养殖区和种植区之间二氧化碳和氧气的循环利用是通过氧气和二氧化碳调控***实现；所述养殖区和种植区之间温度和湿度条件相互转换是利用上述的氧气和二氧化碳调控***和采用热泵技术的种养区温、湿度交换***实现。
所述的种植区和养殖区的能源补充***包括电源部分、控制部分和电器应用部分，其中，所述的电源部分采用太阳能板，风力发电、地热资源，沼气发电的结合，并网电源作为应急电源使用；所述的控制部分由风力发电装置、风力发电控制器、蓄电池、逆变器和智能总控制器和伺服部分组成，将各种能源转变为用电器所需要的电压以及使用过程中各个用电器的各种特殊要求；电器应用部分包括补光***、LED照明控制***，各种家用电器使用；富余的电能通过能量存储器储存，供输出或空调***使用。
所述的补光***包括电源转换部分，控制部分和发光装置，其中，所述电源转换部分输出36V电压；所述发光装置有多排LED发光管；所述控制部分，由单片机和微机手控键盘构成，微机控制电源的输入、信息显示和多通道输出控制多路输出电路的通断与单板机配合，形成可调电压或可调脉宽的脉冲光源，并且自动控制所述发光装置的总光强变化和光周期，手控键盘控制多排LED发光管的各色光强比，模拟日光变化。
所述的补光***中的发光装置包括平面光源结构和管状光源结构，分别作为应用于养殖区和种植区的海洋微藻养殖、温室育苗、组织培养和蔬菜大棚补光的光源结构。
所述管状光源结构采用φ5mm，发光角在90-120度左右的红橙绿蓝紫LED发光管，固定在立方体软带上，再由高透明PVC材料密封，组成一固定长度的单元节，使用时可多节并联使用，用于温室育苗的近距离照射。
所述管状光源结构采用圆柱形，LED发光管在圆柱面沿多个方向上排列，其中红绿蓝紫各色光的强度比：2∶1∶5∶3，该管状光源***海洋微藻养殖容器作为补充光源。
所述管状光源结构采用圆柱形的软带光源，大角度红蓝LED阵列中的红蓝的强度比10∶1，光强控制在接近饱和点，光源距作物的垂直距离约为10cm，光周期采取昼夜间断补光，用于蔬菜大棚的补光。
所述平面光源结构采用φ5mm，发光角在60-100度的红、橙、绿、蓝、紫LED发光管组成面板光源，在所述的面板光源上，五种颜色的LED各一颗组成一个光像素点，多个像素点按矩阵排列，每一种颜色的LED各自联接，并接入36V的直流电压，用于组织培养光源结构使用。
所述用于组织培养与育苗的红橙绿蓝紫各色光的强度比为10∶5∶1∶3∶2；用于蔬菜大棚红橙蓝各色光的强度比为6∶3∶10；其中，选择各色LED波长范围是红光630-660nm；橙光590-630nm；绿光500-530nm；蓝光430-470nm；紫光380-430nm。
所述的种养区温、湿度交换***和氧气和二氧化碳调控***包括在养殖区和种植区的底部设置的进气管、顶部设置排气管；所述养殖区的进气管与种植区的排气管，种植区的进气管与养殖区的排气管分别通过风机气泵交叉相连，使养殖区的CO2进入种植区，种植区的O2进入养殖区，在进行气体交换的同时产生温度湿度的交换。
所述的养殖区包括立体养殖、太阳能、生物质能三位一体互补***；其中，立体养殖区的鸡舍、猪舍和昆虫车间自上而下排列，鸡舍和猪舍在地面以上部分，其层高应当不低于3.5m；地面以下部分设置污水处理装置、昆虫车间、沼气池，层高不低于2m；屋顶设有通气窗，正面向阳部分安装有太阳能集热板。房屋正面安装通风窗，太阳能空调；循环线路：鸡粪经微生物发酵后喂猪和取暖，猪粪进沼气池干发酵产沼气取暖照明，尿液与刷地污水进污水处理器产生沼气后可循环利用，冲洗猪舍；冬季启动太阳能集热板、太阳能空调作为沼气取暖不足的补充，夏季启动太阳能空调降温、房盖加隔热板，确保地下昆虫养殖车间温度23℃，正负不超过2℃。
所述种植区采用多层支架结构，每一层框架上安装有所述补光装置的LED发光管的灯架、气体交换***的排气管和补水管；植物生长托盘逐层***所述多层支架，形成相对密集的养殖区，便于控制生长的条件，达到集约化生产。
所述两个种养区的植物养殖中的下脚料转化为饲料，动物养殖的下脚料转化为培养基，使用的微生物为高纯度菌种制成的目标微生物制剂。
所述高纯度菌种制成的目标微生物制剂包括用于鸡猪的水剂和粉剂，用于牛羊的水剂和粉剂，用于鱼虾水产用的水剂和粉剂；用于秸轩发酵用的水剂，用于粪肥发酵用的粪肥发酵剂水剂。
所述将植物养殖中的下脚料转化为饲料采用的原料及配比为秸杆粉∶发酵剂∶红糖∶水为500∶1∶1∶35-40；原料混和拌匀，最好用喷雾器喷匀，然后密封厌氧发酵，夏天7-10天，冬天2周，用于黄粉虫发酵饲料。
所述将植物养殖中的下脚料转化为饲料采用的原料配方为100斤秸轩粉，100斤干玉米秸杆，2两目标微生物菌液、2两红糖和35-40斤水；其制作工艺：
1)先将40℃左右，不要超过50℃的红糖溶化，加入菌液混匀，再加入35斤左右水再混匀；
2)用喷壶均匀的喷到100斤秸杆粉混合料中；
3)如抓取喷好的料拧扭若滴水，则含水量多，应加干料调制，若手握成团，一碰就散即水分为适量；
4)将伴好喷匀的原料装到容器中，边装边压实，装满后用塑料布密封，厌氧发酵，夏天发酵3天，冬天发酵1周用于畜禽养殖的发酵饲料。
秸杆资源化处理***中的目标微生物生产技术工艺中使用混合目标微生物，经液体培养扩种，液体发酵后，将其吸附于固体，在经过固体发酵，使用50-60度的热风干燥包装。
所述的生产培养基的流程包括有机废物常规预处理，之后加入菌剂和相应的辅料混合搅拌，进行好氧发酵，产生的尾气经收集后通入滤池，用于原料的搅拌；发酵后的原料经过粉碎筛分后，将其中一部分回流至预处理装置和原料混合，有助于发酵。
所述的在生产培养基的流程中，建立特异性微生物菌株系去除堆制过程中有毒有害有机污染物；针对目前堆肥材料中有机污染物含量高，选择毒性强、难降解有机污染物种类筛选、驯化特异性微生物菌株，构建特异性微生物菌株系。
所述立体种养区生物质能生产体系包括在堆料发酵反应器中插有的正压通气管和负压通气管，正压通气管通过供风***从外部通入新鲜空气，负压通气管利用尾气排风***将反应产生的气体排出进入滤池。反应过程中产生热量，采用热管超导技术，将热量传送到种养区，向补温***提供热源。
本发明的***农业生产体系利用微生物强大的发酵功能，将农作物秸秆、杂草、人畜粪便、生活垃圾等废弃物转化为以黄粉虫为代表的各种有益昆虫的饲料和培养基进入腐屑食物链。利用昆虫喜食腐屑而生产大量高蛋白和下脚料产品，变废为宝的自然规律，即植物(农业)是生产者，动物(畜禽)及人类是消费者，微生物是动、植物废弃物分解还原者，对这一食物链的进行有效设计和开发，它将为人类开辟了一条新的廉价的食品和饲料来源，将基本解决人畜争粮、争地问题，基本解决环境污染和食品安全问题。这一模式如在全国成功实践，其经济、社会、生态效益将不可估量。
利用光能控制***可以达到很好的经济指标，如对于果类、瓜类、叶菜类：与普通种植相(未使用LED植物生态光源统)，蔬菜产量提高20-50％.溶性总糖量和维生素C增加10一20％，粗蛋白增加20-30％；
先进农业循环经济理论对传统农业技术的超越，一方面表现在对原有技术的***集成土，运用大***工程，使原有农业生产技术都被组装到一个集成模块化的***组织上，从节能、经济、生态、循环、***安全、市场、产业、资源高效利用等多角度全方位的价值理念出发进行综合创新。先进农业创新工程是按照生态学规律和原理，并运用生物工程技术、信息空间模式以及创意产业手段，对传统农业、海洋农业以及微生物和低等生物进行有效组合和产业链再造，它是创新理论、创新技术、创新模式、创新结构、创新产业在先进农业生态循环经济体系中的全面应用。
附图说明
图1是本发明的立体种养循环产业链的***示意图；
图2a是本发明的风能和光电智能控制***；
图2b是本发明的补光***中的光强和光周期调节***；
图2c-2f是本发明的补光***中的光源结构示意图
图3是本发明的立体种养区温\湿度交换和氧气\二氧化碳调控***的示意图；
图4是本发明的立体养殖体系一个实施例的结构示意图；
图5是本发明的秸秆资源化处理***中的目标微生物生产流程；
图6是本发明的生物培养基生产流程；
图7是本发明的立体种养区物质能生产体系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案详细说明，图1是本发明的立体种养循环产业链的***示意图；如图所示，整个***主要包括海水微藻培养区、立体养殖区和立体种植区。3个***温度和光源的补充所需的能源由生物质能生产体系和太阳能风能利用***提供。海水微藻培养区生产特种饲料，供养殖用；立体养殖区的下脚料和立体种植区的下脚料可以相互利用，例如，利用微生物强大的发酵功能，将农作物秸秆、杂草、人畜粪便、生活垃圾等废弃物转化为以黄粉虫为代表的各种有益昆虫的饲料和培养基进入腐屑食物链，黄粉虫的鲜虫体可以加工成新鲜蛋白饲料和新兴能量饲料，用以发展养殖业；养殖区的下脚料还可以经过微生物作用，制成植物培养基提供给种植区，而昆虫喜食腐屑而生产大量高蛋白和使下脚料产品变废为宝的特点，符合植物(农业)是生产者，动物(畜禽)及人类是消费者，微生物是动植物废弃物分解还原者的自然规律。
养殖区和种植区之间产生的二氧化碳和氧气可以相互循环利用，做到零排放，优化大气环境；同时，利用热泵技术和气体交换装置，控制3个养殖区的温度和湿度条件，减少所消耗的能量和水分，减少废气排放，有利环保，降低成本。
整个种植和养殖生产采用立体化的工业生产模式，充分利用空间，为都市化农业的发展提供可能。
上述生产模式涉及到有机废物资源化处理***、秸秆资源化***、目标微生物生产***、生物培养基生产***、微藻的生产***、生物质能生产体系和太阳能风能利用***等配套应用技术体系，并且将上述技术有机的综合，形成本发明的***农业立体种养基地生产经营模式的循环产业链。
本发明的生态能源***，提供3个养殖区的动、植物生长发育需要的能源，特别是补光的需要，一般养殖所需要的光要素为：光强、光谱构成和光周期。自然状态下的光谱往往是固定不变的，不能满足不同生物在不同时期对光谱的特定需要。例如，一些海藻在夜间需要按照专门的波长配置蓝光、红光。生物并非一天24小时都需要同样的光。比如，生物在睡眠时间需要的是睡眠光。
目前在动植物生长中应用的人工光源有荧光灯、高压铀灯、金属卤灯等，这些光源应用在植物生长中存在着缺欠：其一，光谱基本为线状谱线，并与植物动光合吸收光谱匹配不理想。能够被植物吸收的只是个别波段的光，其他波段的光都被浪费、不节能。其二，由于白炽灯泡、日光灯管、铀灯等耗电量较大，同时产生很多的热辐射，不能对动植物近距离照射，对动植物生长光激励效率不高，大大增加了人工光照成本，因而除在一些高附加值的花卉种植土和木工气候室试验中有所应用外，并没有在农业生产上得到广泛应用。
本发明的智能生态光源***，能够最有效地满足生物在生长过程中对于光强、光谱构成和光周期的需要。该***可以根据不同生物在一天内不同时段的需要，以及不同生长阶段的需要，按需定制最佳的光源。按照一天24小时内生物对于光强、光谱构成和光周期的不同需求将光强、光谱调整到合适的状态。这就最大程度地避免了阴晴变化对于生物生长的影响。
本发明的智能生态光源***采用多种特定单色LED集成光源，具有如下优势：①LED光源的光谱能够与植物光合作用吸收谱最佳匹配；②LED光源的光强、光周期可以自动控制；③LED光源、具有节能、环保和抗震动等优势。在同样亮度下，LED光源、耗电约是白炽灯的十分之一、日光灯的二分之一，可用于大规模工厂化植物养殖。
LED的发射谱是具有一定带宽的带状谱，且波谱丰富，可接受人工智能调控。LED光源防水防潮，适宜植物生长环境；发热小，适宜近距离照射；直流低压更安全：高效节能、轻便环保。用红橙绿蓝紫LED组合成光源，可进行光谱的波长和光强的调配.使之更加满足农作物和微藻的生长需求。可提高其产量，改善品质节约能源。
LED发射谱与叶绿素、类胡萝卜素、藻胆色素吸收谱相匹配的智能调光光谱技术对不同类的植物光谱波长及光强的科学配比。
近距离照射幼苗，采用特制φ5mmLED，发光角在90-120度左右的红橙绿蓝紫LED，组成方体软带光源，再由高透明PVC材料密封，固定长度为一单元节，使用时可多节并联使用。
本发明的生态能源***的具体结构如图2a至图2f所示。
图2a是本发明的风能、光电智能控制***；如图所示，整个***包括电源部分、控制部分和电器应用部分。其中，电源部分采用多种能源，包括有太阳能板，风力发电等，还可以因地制宜采用地热资源，沼气等廉价清洁能源结合，并网电源作为应急电源使用。由风力发电控制器、蓄电池、逆变器和智能总控制器组成的控制部分将各种能源变为用电器所需要的电压以及使用过程中各个用电器的各种特殊要求。电器应用部分主要提供给补光***，其次还包括LED照明控制***，各种家用电器，富余的电能通过能量存储器储存，供输出或空调***使用。
图2b是本发明的补光***；包括光强和光周期调节，电能可来自市电或太阳能电池，经过转换为12V的电源，控制部分采用单片机技术，单片机控制控制电源的输入，信息显示等，单片机控制5通道功率多路输出电路的通断，形成可调脉宽的脉冲光源，并且自动控制总光强变化和光周期，通过键盘手控各色光强比，模拟日光变化。
图2c-图2f所示的是补光***4中光源结构的示意图，包括平面光源结构和管状结构，分别应用于海洋微藻养殖、温室育苗、组织培养和蔬菜大棚补光的光源结构。
如图2c所示，海洋微藻养殖采用圆柱形的管状光源，LED发光管在圆柱面沿多个方向上排列，其中红绿蓝紫各色光的强度比：2∶1∶5∶3，该管状光源***海洋微藻养殖容器，作为补充光源。
组织培养与育苗的红橙绿蓝紫各色光的强度比为10∶5∶1∶3∶2，蔬菜大棚红橙蓝各色光的强度比为6∶3∶10。其中，可选各色LED波长范围是红光630-660nm；橙光590-630nm；绿光500-530nm；蓝光430-470nm；紫光380-430nm。
幼苗补光需要近距离照射，在图2d所示的光源结构中采用特制φ5mm，发光角在90-120度左右的红橙绿蓝紫LED，组成方体软带光源，再由高透明PVC材料密封，组成固定长度的单元节，使用时可以根据需要多节并联使用。
图2e所示的组织培养光源结构采用特制的φ5mm，发光角在60-90度，红、橙、绿、蓝、紫LED组成面板光源，由五色LED各一颗组成一个光像素点，多个像素点按矩阵排列组成面板光源，每一种颜色的LED各自串并联，并接入12V或36V的直流电压。
图2f所示的蔬菜大棚大角度红蓝LED阵列的圆柱形的软带光源***，其红蓝的强度比10∶1，光强控制在接近饱和点，光源局作物的垂直距离约为10cm，光周期采取夜间间断补光。
本发明在生物与大气环境的生态关系引入人工智能。构建人工智能和自动控制温湿度的环境最优化***，使生物生长发育环境始终保持最佳状况，走向人工可控的农业环境。
氧气和二氧化碳调控***利用养殖业吸收氧气放出二氧化碳，而种植业吸收二氧化碳放出氧气的循环来实现；
热泵技术控制温、湿条件，构建种植业与养殖业工程共生***，优化了生物的大气环境，同时由于物质能量交流在***内循环来解决，可最大限度减少空气对流造成环境温、湿条件的调节所消耗的能量和水分，极大地降低了能源和农业用水，降低生产成本。
图3是立体种养区温\湿度交换***和氧气和二氧化碳调控***的示意图。养殖区和种植区的底部设置进气管，顶部设置排气管。养殖区和种植区的进气管分别通过气泵与种植区和养殖区的排气管交叉相连，使养殖区的CO2进入种植区，种植区的O2和进入养殖区，在进行气体交换的同时，也产生温度湿度的交换。两个养殖区之间埋设热管，同样也达到温度交换的目的。
养殖区和种植区的下脚料分别通过微生物技术转化，分别作为种植区的生物培养基或有机肥以及养殖区的鲜饲料。达到物质的循环，基本达到零排放。
本发明的养殖区和种植区采用立体排列的方式，图4是本发明的立体养殖体系结构的一个实施例；该***为立体养殖、太阳能、沼气能三位一体互补***。鸡舍猪舍昆虫车间自上而下排列。地面以上部分是鸡舍和猪舍，其层高应当不低于3.5m。地面以下部分不低于2m，设置污水处理装置、昆虫车间、沼气池等设备。屋顶设有通气窗，正面向阳部分安装有太阳能集热板。房屋正面安装通风窗，太阳能空调。1.循环线路：鸡粪经微生物发酵后喂猪和取暖，猪粪进沼气池干发酵产沼气取暖照明，尿液与刷地污水进污水处理器产生沼气后，水可循环利用，冲洗猪舍。冬季启动太阳能集热板、太阳能空调作为沼气取暖不足的补充，夏季启动太阳能空调降温、房盖加隔热板。地下养殖车间确保50平米沼气池和污水处理器，占用面积为养殖车间实际面积。地下昆虫养殖车间温度确保25℃左右，正负不超过2℃。立体种植区采用多层支架结构，补光装置的LED发光管的灯架、气体交换***的排气管和补水管固定在每一层框架上，植物生长托盘逐层***支架，形成相对密集的养殖区，便于控制生长的条件，达到集约化生产，节省用地的目的。该结构紧凑，空间利用系数高，空间利用上从一层空间发展到多层空间。
生态农业离不开生物技术，离不开微生物的参与，有益微生物如乳酸菌、酵母菌、光合菌、芽抱菌、放线菌、丝状真菌等，只有用好微生物，农业才能达到生态平衡，生态才能达到安全、绿色，才会达到良性循环、效益才能达到最大化。
本发明应用的有益微生物有高纯度专利菌种制成的微生物制剂，例如，由农科院微生物专家丁之锤博士研制和生产的产品有鸡猪用的添添乐(水剂、粉剂)；牛羊用的反鱼灵(水剂、粉剂)；鱼虾水产用的水产宝(粉)；秸轩发酵用的微贮灵(水剂)；粪肥发酵用的粪肥发酵剂(水剂)和植物用的植物一号等。将两个种养体系中的植物养殖中的下脚料，如秸秆，菜叶等转化为饲料；动物养殖的下脚料，如粪便等通过微生物作用转化为培养基。
本发明在植物养殖中的下脚料转化为饲料的方法包括以下制作方案：
1.黄粉虫发酵饲料的制作
采用的原料及配比为秸轩粉∶发酵剂(微贮灵)∶红糖∶水为500∶1∶1∶35-40(视干湿度)
原料混和拌匀(最好用喷雾器喷匀)密封厌氧发酵，夏天7-10天，冬天2周左右(温度在30℃以上)发酵好后的秸轩粉有酒香味，并且手感松软，如喂青菜叶或青草果皮等，可用1000倍的菌液直接喷洒均匀，但用手握不滴水为好，如发现水多时可用干料伴到握成团不滴水即可饲喂。用微生物发酵饲料喂黄粉虫，昆虫长的快、个体大、死亡率少、产量可提高30％以上。
2.生态畜禽养殖500倍发酵饲料制作方法
原料：清洁的玉米秸轩粉(没有霉变发黑)、绿达源菌液、红糖、水。
容器：缸、有塑料内膜的容器均可(要清洗干净)。
制作原料：以100斤秸轩粉为例，干玉米秸轩100斤绿达源菌液2两红糖2两水35-40斤
制作工艺：
1)先将40℃左右(千万不要超过50℃)红糖溶化：加入菌液混匀，再加入35斤左右水再混匀：
2)用喷壶均匀的喷到100斤秸轩粉混合料中：
3)水分多少检测方法：抓取喷好的料拧扭若滴水，则含水量多，应加干料调制，若手握成团，一碰就散即水分为适量。
4)将伴好喷匀的原料装到容器中，边装边压实，越实越好。装满后用塑料布密封，厌氧发酵。夏天发酵3天：冬天发酵1周。发好的饲料酸甜浓郁并有酒香味。
生物菌剂与培养基的生产是转化养殖区产生的下脚料的重要环节，微生物培养基产品具有独特的功能，能够制造和协助作物吸收营养，增进土壤肥力，增强植物抗病和抗干旱能力，降低和减轻植物病(虫)害，产生多种生理活性物质刺激和调控作物生长，提高化肥利用率，减少化肥使用，促进农作物废弃物和城市垃圾的腐熟及开发利用，起到土壤环境的净化和修复作用，提高农作物产品品质和食品安全。
制造微生物培养基的原料类型如按使用量划分，可以分为主料和辅料：
1.主料，通常这类原料占到物料比例的30~80％，由一种或几种原料构成，常用的主料有畜禽粪便等有机废弃物。
2.辅料。主要是用来调节物料水分、C/N、C/P、pH、通透性的一些原料，由一种或几种原料组成，通常这类原料占整个物料的比例不超过40％，单一物料所占比例不超过20％。常用的辅料有秸杆粉、稻壳粉、稻糠、麦麸、饼粕、草炭、蘑菇渣、粉煤灰、生石灰、过磷酸钙、磷矿粉等。
如按原料性质划分，可以分为碳素原料、氮素原料和调理剂类原料：
1.碳素原料，指有机碳含量高的原料，这类原料可作为堆肥的主料，如秸杆堆肥中的秸杆，但多数是作为辅料，用来调节水分、C/N和增强物料的透气性，如秸杆粉、稻壳粉、稻糠、草炭、蘑菇渣、粉煤灰等。
2.氮素原料。通常是指C/N在30以下的原料，并多作为堆肥的主料，如畜禽粪便、市政污泥、甘蔗滤泥等，也有一些做辅料用来调节C/N的高氮原料，如饼粕、鱼粉、肉骨粉、尿素等。
3.调理剂类原料。主要指用来调节pH值的原料，如生石灰、石膏以及稀酸等，有时也将调节C/P的原料归为调理剂。
常见微生物的种类：有根瘤菌、固氮菌、芽孢杆菌、硅酸盐细菌、光合细菌、纤维素分解菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌和真菌等制剂。
按作用机理可划分为固氮类、溶磷类、有机物料腐熟类等生物培养基产品。
使用的菌种通常有EM菌日本琉球大学比嘉照夫研制，由光合细菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌等10个属80余种微生物复合而成。用作接种剂、饲料添加剂、净水剂、除臭剂。
酵素菌BYM  日本岛本工业株式会社研制，是一些能大量产生各种加水分解酶的好氧性有益微生物组成的菌群，主要有酵母菌、丝状菌等20多个菌株组成。
秸秆资源化处理***中的目标微生物生产技术工艺如图5所示，使用上述的混合菌种，经液体培养扩种，液体发酵后，将其吸附于固体，在经过固体发酵，使用50-60度的热风干燥包装。
生产培养基的流程如图6所示，有机废物按常规预处理以后，加入上述菌剂和相应的辅料。混合搅拌，进行好氧发酵，产生的尾气金收集后通入滤池，用于原料的搅拌。发酵后的堆肥经过粉碎筛分后，将一部分反料回流至预处理装置和原料混合，有助于发酵。
在整个工艺过程中，建立特异性微生物菌株系，去除堆制过程中有毒有害有机污染物。
针对目前堆肥材料(包括秸秆和畜禽粪便)中有机污染物(如农药)含量高，选择毒性强、难降解有机污染物种类筛选、驯化特异性微生物菌株，构建特异性微生物菌株系。
由于各***在时间和空间上都有相对的独立性，生物培养基物化体系是否完善依赖于***间的有机衔接。布局设计中，通常通过建筑物连接、设备连接和工艺连接将各***整合成一个有机整体。如在同一建筑物或车间内划分不同的功能区域，或者比邻的建筑物间通过传输设备实现物料转移，或者通过翻堆设备实现物料位移等。
图7是本发明的立体种养区物质能生产体系。如图7所示，在堆料发酵反应器中插有正压通气管和负压通气管，正压通气管通过供风***从外部通入新鲜空气，负压通气管利用尾气排风***将反应产生的气体排出进入滤池。反应过程中产生热量，使堆料中的温度提高，本发明采用热棒超导技术，将热量传送到种养区，向补温***提供热源。
本发明将养殖的***物和种植产生的植物秸秆及各种有机废物通过上述方法转化为有机肥和饲料，用于黄粉虫、蝗虫、蚕蛹养殖、加工，对于解决农村生态环境和有机废弃物转化等产业的链构建发挥了重要作用。昆虫食物简单，繁殖快，数量大，属于可持续利用资源。科学研究和营养分析表明，大部分昆虫的蛋白质含量占干重的40％以上，有的甚至接近或超过优质鱼粉的含量，并且各种营养成份及生物生长发育所必需的微量元素和维生素也比较全面，开发潜力大，是用其他方法生产动物性蛋白所无法比拟的，因此有计划地开发昆虫蛋白资源是解决动物性蛋白饲料的有效途径。像蝇蛆、黄粉虫、蝗虫、蚕蛹、蝼蛄、蝉等昆虫作为优质蛋白饲料饲养畜禽已被世人公认，许多科学工作者都把人工饲养昆虫作为解决动物性蛋白来源的主攻方向。其中，尤其是黄粉虫，作为本发明循环链的重要一环，素有动物蛋白饲料之美誉，通过工厂化生产，可以提供大量优质动物性蛋白质，促进养殖业的发展。黄粉虫虫体粗蛋白含量达到56.58％，脂肪含量达28.20％-34.47％；脱脂提油后粗蛋白含量达到69.39％-70.66％，每100克黄粉虫含维生素B20.52mg，维生素E0.44mg，铁6.5mg，锌12.2mg，硒46.2mg。不但能够替代进口优质鱼粉，而且完全可以食用。重要的是还含有独特的甲壳素成份，含一种特殊的抗生素物质。用途广泛，造纸、印染、食品、医学等领域起到不可替代的作用。
黄粉虫是低胆固醇含量的动物油脂资源，也是优质的食用油资源.在国外己被用来制备降低血液胆固醇的遥药物，人造奶油、润滑油、切削油、洗涤油、干性油、黑油膏、王二酸及表面活性剂中间体等，国内也己将其用于制皂、太古油及增塑剂。
黄粉虫活体可用黄粉虫喂养经济价值高的动物.如珍禽、观赏类及蛇、甲鱼、蛙类，鸡鸭、鹅等等，用黄粉虫作饲料添加剂的喂鸡饲料用以替代进口的鱼粉、肉骨粉，缓解我国动物蛋白饲料的短缺矛盾。
黄粉虫***的虫粪沙，其应用前景也相当可观，虫粪沙含粗蛋白24.86％，含氮3.37％，磷1.04％，何1.4％，并含辞、棚、锤、铁、侯、钙、铜七种微量元素，是优质的生物有机肥。
本发明的立体种养循环产业链在实施过程中将生态农业产业集群良性循环链项目按照特定的生产目的进行组合以符合生态农业产业集群良性循环理念，并在试验园区进行展示和产业化应用，建立高效生态种养加工体系，提高生产水平。
本发明的技术集成首先确定生态农业产业集群良性循环链项目生产的环境资源量和现有技术体系对此的改变量，然后使之建立其稳定的平衡，使各要素间变得更为协调。而这一工作将是永恒的，固为局部的技术改进必然会打破原有平衡，而生态农业产业集群良性循环链项目生产关键技术集成则是在生产技术要素不相协调时，重建新的平衡。
本发明实施的项目体系的导入将整体改变原来生产的环境背景，使其生态结构与关系发生了相应的变化，在项目生产关键技术条件下使其生态***达到平衡，保证项目生产能够适应于资源一环境间的和谐，使现代农业技术展示的不同设施种类间其比例的配套与有效衔接，以便达到在生物效应与生产成本及效益三方面达到兼顾。

Claims (21)

1.一种物质和能量循环设计的***农业生产体系，其特征在于，该***包括立体养殖区和立体种植区及生物防治区，整个种植和养殖生产采用立体化的工业模块化生产模式；种植区和养殖区的温度和立体光源的补充所需的能源由生物质能生产体系和太阳能风能组成的能源补充***提供；种植区的下脚料经过处理，转化为养殖区使用的饲料；养殖区的下脚料经过微生物作用，制成生物培养基提供给种植区；养殖区和种植区之间产生的二氧化碳和氧气相互循环利用；养殖区和种植区的温度和湿度条件相互转换。
2.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述养殖区和种植区之间二氧化碳和氧气的循环利用是通过氧气和二氧化碳调控***实现；所述养殖区和种植区之间温度和湿度条件相互转换是利用上述的氧气和二氧化碳调控***和采用热泵技术的种养区温、湿度交换***实现。
3.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述的种植区和养殖区的能源补充***包括电源部分、控制部分和电器应用部分，其中，所述的电源部分采用太阳能板，风力发电、地热资源，沼气发电的结合，并网电源作为应急电源使用；所述的控制部分由风力发电装置、风力发电控制器、蓄电池、逆变器和智能总控制器和伺服部分组成，将各种能源转变为用电器所需要的电压以及使用过程中各个用电器的各种特殊要求；电器应用部分包括补光***、LED照明控制***，各种家用电器使用；富余的电能通过能量存储器储存，供输出或空调***使用。
4.根据权利要求3所述的***农业生产体系，其特征在于，所述的补光***包括电源转换部分，控制部分和发光装置，其中，所述电源转换部分输出36V电压；所述发光装置有多排LED发光管；所述控制部分，由单片机和微机手控键盘构成，微机控制电源的输入、信息显示和多通道输出控制多路输出电路的通断与单板机配合，形成可调电压或可调脉宽的脉冲光源，并且自动控制所述发光装置的总光强变化和光周期，手控键盘控制多排LED发光管的各色光强比，模拟日光变化。
5.根据权利要求4所述的***农业生产体系，其特征在于，所述的补光***中的发光装置包括平面光源结构和管状光源结构，分别作为应用于养殖区和种植区的海洋微藻养殖、温室育苗、组织培养和蔬菜大棚补光的光源结构。
6.根据权利要求5所述的***农业生产体系，其特征在于，所述管状光源结构采用φ5mm，发光角在90-120度左右的红橙绿蓝紫LED发光管，固定在立方体软带上，再由高透明PVC材料密封，组成一固定长度的单元节，使用时可多节并联使用，用于温室育苗的近距离照射。
7.根据权利要求5所述的***农业生产体系，其特征在于，所述管状光源结构采用圆柱形，LED发光管在圆柱面沿多个方向上排列，其中红绿蓝紫各色光的强度比：2∶1∶5∶3，该管状光源***海洋微藻养殖容器作为补充光源。
8.根据权利要求7所述的***农业生产体系，其特征在于，所述管状光源结构采用圆柱形的软带光源，大角度红蓝LED阵列中的红蓝的强度比10∶1，光强控制在接近饱和点，光源距作物的垂直距离约为10cm，光周期采取昼夜间断补光，用于蔬菜大棚的补光。
9.根据权利要求5所述的***农业生产体系，其特征在于，所述平面光源结构采用φ5mm，发光角在60-100度的红、橙、绿、蓝、紫LED发光管组成面板光源，在所述的面板光源上，五种颜色的LED各一颗组成一个光像素点，多个像素点按矩阵排列，每一种颜色的LED各自联接，并接入36V的直流电压，用于组织培养光源结构使用。
10.根据权利要求6-9所述的***农业生产体系，其特征在于，所述用于组织培养与育苗的红橙绿蓝紫各色光的强度比为10∶5∶1∶3∶2；用于蔬菜大棚红橙蓝各色光的强度比为6∶3∶10；其中，选择各色LED波长范围是红光630-660nm；橙光590-630nm；绿光500-530nm；蓝光430-470nm；紫光380-430nm。
11.根据权利要求2所述的***农业生产体系，其特征在于，所述的种养区温、湿度交换***和氧气和二氧化碳调控***包括在养殖区和种植区的底部设置的进气管、顶部设置排气管；所述养殖区的进气管与种植区的排气管，种植区的进气管与养殖区的排气管分别通过风机气泵交叉相连，使养殖区的CO2进入种植区，种植区的O2进入养殖区，在进行气体交换的同时产生温度湿度的交换。
12.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述的养殖区包括立体养殖、太阳能、生物质能三位一体互补***；其中，立体养殖区的鸡舍、猪舍和昆虫车间自上而下排列，鸡舍和猪舍在地面以上部分，其层高应当不低于3.5m；地面以下部分设置污水处理装置、昆虫车间、沼气池，层高不低于2m；屋顶设有通气窗，正面向阳部分安装有太阳能集热板。房屋正面安装通风窗，太阳能空调；循环线路：鸡粪经微生物发酵后喂猪和取暖，猪粪进沼气池干发酵产沼气取暖照明，尿液与刷地污水进污水处理器产生沼气后可循环利用，冲洗猪舍；冬季启动太阳能集热板、太阳能空调作为沼气取暖不足的补充，夏季启动太阳能空调降温、房盖加隔热板，确保地下昆虫养殖车间温度23℃，正负不超过2℃。
13.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述种植区采用多层支架结构，每一层框架上安装有所述补光装置的LED发光管的灯架、气体交换***的排气管和补水管；植物生长托盘逐层***所述多层支架，形成相对密集的养殖区，便于控制生长的条件，达到集约化生产。
14.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述两个种养区的植物养殖中的下脚料转化为饲料，动物养殖的下脚料转化为培养基，使用的微生物为高纯度菌种制成的目标微生物制剂。
15.根据权利要求14所述的***农业生产体系，其特征在于，所述高纯度菌种制成的目标微生物制剂包括用于鸡猪的水剂和粉剂，用于牛羊的水剂和粉剂，用于鱼虾水产用的水剂和粉剂；用于秸轩发酵用的水剂，用于粪肥发酵用的粪肥发酵剂水剂。
16.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述将植物养殖中的下脚料转化为饲料采用的原料及配比为秸杆粉∶发酵剂∶红糖∶水为500∶1∶1∶35-40；原料混和拌匀，最好用喷雾器喷匀，然后密封厌氧发酵，夏天7-10天，冬天2周，用于黄粉虫发酵饲料。
17.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述将植物养殖中的下脚料转化为饲料采用的原料配方为100斤秸轩粉，100斤干玉米秸杆，2两目标微生物菌液、2两红糖和35-40斤水；其制作工艺：
1)先将40℃左右，不要超过50℃的红糖溶化，加入菌液混匀，再加入35斤左右水再混匀；
2)用喷壶均匀的喷到100斤秸杆粉混合料中；
3)如抓取喷好的料拧扭若滴水，则含水量多，应加干料调制，若手握成团，一碰就散即水分为适量；
4)将伴好喷匀的原料装到容器中，边装边压实，装满后用塑料布密封，厌氧发酵，夏天发酵3天，冬天发酵1周用于畜禽养殖的发酵饲料。
18.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，秸杆资源化处理***中的目标微生物生产技术工艺中使用混合目标微生物，经液体培养扩种，液体发酵后，将其吸附于固体，在经过固体发酵，使用50-60度的热风干燥包装。
19.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述的生产培养基的流程包括有机废物常规预处理，之后加入菌剂和相应的辅料混合搅拌，进行好氧发酵，产生的尾气经收集后通入滤池，用于原料的搅拌；发酵后的原料经过粉碎筛分后，将其中一部分回流至预处理装置和原料混合，有助于发酵。
20.根据权利要求19所述的***农业生产体系，其特征在于，所述的在生产培养基的流程中，建立特异性微生物菌株系去除堆制过程中有毒有害有机污染物；针对目前堆肥材料中有机污染物含量高，选择毒性强、难降解有机污染物种类筛选、驯化特异性微生物菌株，构建特异性微生物菌株系。
21.根据权利要求1所述的***农业生产体系，其特征在于，所述立体种养区生物质能生产体系包括在堆料发酵反应器中插有的正压通气管和负压通气管，正压通气管通过供风***从外部通入新鲜空气，负压通气管利用尾气排风***将反应产生的气体排出进入滤池。反应过程中产生热量，采用热管超导技术，将热量传送到种养区，向补温***提供热源。
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