姚彤寶+蔡峰+姜飛

引言

工廠化蔬菜育苗是一種將篩選出的合格作物種子放置于人工創(chuàng)造的適宜生長環(huán)境中進(jìn)行育苗的先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。與傳統(tǒng)蔬菜育苗相比，工廠化蔬菜育苗具有用種量少、節(jié)能、省工、省力、效率高、成本低、病蟲害輕、苗壯、成功率高、適于機(jī)械化操作和規(guī)范化管理等優(yōu)點(diǎn)。隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和社會(huì)化分工協(xié)作的細(xì)化，工廠化蔬菜育苗逐漸從蔬菜產(chǎn)業(yè)鏈條中分離成為一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)節(jié)點(diǎn)技術(shù)[1-3]。

1981年，中國成立了工廠化蔬菜育苗工作組，開始正式引進(jìn)國外先進(jìn)的工廠化蔬菜育苗技術(shù)，但該技術(shù)的推廣與普及相對滯后。20世紀(jì)90年代中后期，山東、上海、廣東等省市區(qū)的工廠化蔬菜育苗逐漸初具規(guī)模，工廠化蔬菜育苗技術(shù)才得以快速應(yīng)用和發(fā)展[4]。

目前，中國工廠化蔬菜育苗與美國、荷蘭、日本等發(fā)達(dá)國家相比還有很大提升空間，主要是由于育苗設(shè)備技術(shù)單一、系統(tǒng)集成度低，難于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)工廠化蔬菜育苗，從而使生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)能力受限。因此，工廠化蔬菜育苗系統(tǒng)的集成與技術(shù)示范十分必要。

工廠化蔬菜育苗系統(tǒng)集成

工廠化蔬菜育苗系統(tǒng)集成（圖1）主要是指綜合利用各項(xiàng)育苗設(shè)備設(shè)施以及相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、機(jī)械化的育苗目的。從工廠化蔬菜育苗的功能單元來分，可將育苗劃分為播種生產(chǎn)單元、催芽+育苗+嫁接單元、物流傳輸單元以及水肥灌溉及環(huán)境控制單元。

工廠化蔬菜育苗應(yīng)用的主要設(shè)備設(shè)施包括基質(zhì)破碎機(jī)（攪拌機(jī)）、穴盤堆垛（解垛）機(jī)、填土機(jī)、播種機(jī)、蛭石覆蓋及澆水物流輸送帶（輥道）、催芽室、育苗室、嫁接機(jī)（嫁接生產(chǎn)線）、穴盤跳移機(jī)、移栽機(jī)、水肥一體化灌溉系統(tǒng)和溫濕度光調(diào)控設(shè)備等。其中，播種生產(chǎn)單元的主要設(shè)備包括基質(zhì)破碎機(jī)（攪拌機(jī)）、穴盤堆垛（解垛）機(jī)、填土機(jī)、播種機(jī)等，這些設(shè)備將直接服務(wù)于播種的生產(chǎn)環(huán)節(jié)；催芽+育苗+嫁接單元?jiǎng)t主要指催芽室、育苗室、愈合室、嫁接機(jī)（嫁接生產(chǎn)線）和輔助苗床等；物流傳輸單元主要包括自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)、傳送相關(guān)物料的AGV運(yùn)輸車、傳輸帶和輔助生產(chǎn)的穴盤跳移機(jī)、穴盤清洗機(jī)及移栽機(jī)等；水肥灌溉及環(huán)境控制單元?jiǎng)t主要包括水肥一體化灌溉系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)及苗期病蟲害防治技術(shù)等。

播種生產(chǎn)單元

播種機(jī)是播種生產(chǎn)單元的核心設(shè)備，其配套裝備包括填土機(jī)、播種機(jī)等，在此平臺(tái)上加載集成基質(zhì)破碎、攪拌及穴盤輸送設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)播種的流水作業(yè)。國外的相關(guān)設(shè)備研究起步早，技術(shù)裝備較為成熟，如英國Hamilton公司的Natural系列精密播種機(jī)，意大利MOSA的滾筒式播種生產(chǎn)線、DAROS公司的播種生產(chǎn)線，美國Blackmore公司的滾筒式播種機(jī)，荷蘭VISSER公司的全自動(dòng)穴盤育苗精密播種機(jī)等在國際市場上的占有率很高。21世紀(jì)初，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)精量播種機(jī)，但由于使用條件受限，沒有得到應(yīng)用推廣[5]。近年來，北京華農(nóng)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司、北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心、浙江大學(xué)、臺(tái)州一鳴機(jī)械設(shè)備有限公司等多家單位先后研發(fā)了不同型式的播種機(jī)，但與國外同類產(chǎn)品相比，設(shè)備播種精度及穩(wěn)定性仍與國外存在一定差距。

機(jī)械播種機(jī)是穴盤苗生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，機(jī)械播種機(jī)一般有4種類型：①真空模板式；②真空支管式（噴嘴或針閥）；③滾筒式；④電子眼式。其中模板式播種是通過播種板上與穴盤穴孔對應(yīng)分布的吸孔，負(fù)壓吸附種粒，實(shí)現(xiàn)單次整盤播種，雖然其作業(yè)效率高，但該設(shè)備要求種粒具有較高的一致性，而且漏播情況較為嚴(yán)重。電子眼式播種機(jī)主要用于機(jī)器播種后針對漏播進(jìn)行補(bǔ)播，其成本高，目前只有個(gè)別廠家按客戶訂單要求供貨。

真空模板式播種機(jī)（圖2）的播種方式為整盤播種，播種前需根據(jù)穴盤選擇相應(yīng)的播種模板，播種精度較高，并配有可調(diào)的真空馬達(dá)和瞬間振動(dòng)器，用正壓氣流來清洗模板。該播種機(jī)的缺點(diǎn)是需人工操控，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

針式全自動(dòng)精密播種機(jī)（圖3）通過配置不同型號(hào)的針頭及壓力即可實(shí)現(xiàn)對不同形狀、不同尺寸種子的播種作業(yè)。工作時(shí)，通過氣缸推動(dòng)排種器進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)種子的吸、排動(dòng)作。該播種機(jī)的工作原理是真空泵提供負(fù)壓時(shí)中，通過空針頭吸種，真空泵提供正壓時(shí)中空針頭排種。該機(jī)通過可編程控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)傳輸速度、播種速度及播種數(shù)量的邏輯控制。該播種機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是播種精度高、播種數(shù)量和速度可調(diào)、生產(chǎn)效率高、通用性強(qiáng)。

滾筒式全自動(dòng)精密播種機(jī)（圖4）利用帶小孔的滾筒通過正負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)種子的投放與吸附。滾筒的真空氣室利用負(fù)壓將種子吸附于滾筒的小孔上，多余的種子則由刮板清理落入種子接收盤，當(dāng)氣室為正壓時(shí)將種子投入穴盤。該播種機(jī)滾筒的啟停由光電傳感器控制，并可通過PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)與其他設(shè)備的聯(lián)動(dòng)配合。滾筒式播種機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是播種速度快、生產(chǎn)效率高，適合規(guī)?；?。

基質(zhì)破碎提升機(jī)（圖5）用于將壓縮型專業(yè)種植基質(zhì)破碎，然后放入裝盆機(jī)或穴盤填土機(jī)的料倉內(nèi)?；|(zhì)破碎提升機(jī)工作原理是通過鏈條帶動(dòng)刮板與擋板之間的重復(fù)剪切、撞擊，通過物理方式將基質(zhì)破碎、提升。

基質(zhì)攪拌機(jī)（圖6）是將種植土中混合的各種配料（草炭或椰糠、珍珠巖、蛭石等）攪拌均勻。基質(zhì)攪拌機(jī)工作原理與基質(zhì)破碎提升機(jī)類似，不同之處在于達(dá)到預(yù)先設(shè)定的攪拌混合時(shí)間后基質(zhì)攪拌機(jī)可將基質(zhì)提升至后續(xù)料倉。

全自動(dòng)滾筒播種生產(chǎn)線（圖7）由穴盤填土機(jī)、滾筒式播種機(jī)、蛭石覆蓋、澆水機(jī)、穴盤堆垛機(jī)等組成。主要工作流程為穴盤解垛機(jī)將穴盤逐個(gè)解垛后傳送至填土機(jī)填土，隨后播種機(jī)播種，而后完成蛭石覆蓋和澆水，最后轉(zhuǎn)入催芽室。

催芽+育苗+嫁接單元

在催芽室或催芽溫棚內(nèi)，根據(jù)所播種子不同，一般穩(wěn)定控制在該批種子適宜催芽溫度上下2℃之間，空氣濕度保持在85%～90%，當(dāng)出苗率達(dá)到了60%左右時(shí)，將苗盤轉(zhuǎn)至育苗室。需要時(shí)可以實(shí)現(xiàn)催芽室內(nèi)部小環(huán)境的調(diào)控和改善，從而滿足不同種子催芽溫濕度的調(diào)節(jié)（圖8）。

催芽室可以通過硬件與軟件設(shè)施的科學(xué)配置實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境溫濕度、氣流等因子的控制，創(chuàng)造理想的催芽環(huán)境，從而讓種子快速健康發(fā)芽，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。其標(biāo)準(zhǔn)配置主要包括聚氨酯板暗室、熱泵/水冷空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管、噴霧加濕、補(bǔ)光照明、環(huán)境監(jiān)測與自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

另外，為解決溫室蔬菜生產(chǎn)中連作造成的土壤環(huán)境惡化、病蟲害加重、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降等問題，越來越多的種植戶選擇種植嫁接苗。以抗土傳病害品種、高抗免疫野生種或同科異種為砧木，與高品質(zhì)、高產(chǎn)量的栽培品種嫁接后的嫁接苗的防病效果很好。但嫁接是耗費(fèi)大量勞動(dòng)力的工作，國內(nèi)外都在嘗試實(shí)現(xiàn)嫁接機(jī)械化或自動(dòng)化。中國嫁接機(jī)的研究主要局限在高校和研究院所，例如提高工效的嫁接生產(chǎn)線（圖9），有的產(chǎn)品也已經(jīng)上市了。但目前國內(nèi)外單臺(tái)嫁接機(jī)的工作效率僅相當(dāng)于1～2名熟練嫁接工（300株/h），其嫁接效果還有待提高。為提高嫁接成活率，愈合室需控制好室內(nèi)的溫濕度和光照，促使砧木、接穗雙方組織的愈合，通過刺激細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)活性加強(qiáng)，使形成層和薄壁細(xì)胞旺盛分裂，從而形成愈傷組織。

同時(shí)，為提高幼苗對環(huán)境的適應(yīng)能力和抗逆性，縮短種苗的緩苗期，種苗在輸出（出售或轉(zhuǎn)入生產(chǎn)）前需進(jìn)行煉苗。根據(jù)實(shí)際情況，個(gè)別育苗期較長的種苗還需分苗。其中歐美等發(fā)達(dá)國家注重實(shí)施與改進(jìn)蔬菜育苗、整地、移栽各環(huán)節(jié)的技術(shù)配套，已基本實(shí)現(xiàn)了蔬菜機(jī)械化移栽，目前正在向高速化、自動(dòng)化方向發(fā)展。全自動(dòng)移栽機(jī)代表機(jī)型有荷蘭TTA公司的移植機(jī)XT600N系列移栽機(jī)、意大利FERRARI公司的Futura系列全自動(dòng)移栽機(jī)、英國的Pearson全自動(dòng)移栽機(jī)等。國內(nèi)雖有多家單位研制了移栽機(jī)，但其作業(yè)效率提升并不明顯。

物流傳輸單元

從某種意義上，工廠化的實(shí)質(zhì)是各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的流程化、系統(tǒng)化，從而便于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?。通過電動(dòng)軌道運(yùn)行車、多層運(yùn)輸推車或者AGV運(yùn)輸車、皮帶傳輸?shù)裙?jié)點(diǎn)設(shè)備的連接實(shí)現(xiàn)育苗各作業(yè)節(jié)點(diǎn)的有序銜接；通過溫室集中處理與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

水肥灌溉及環(huán)境控制單元

育苗期的水肥灌溉量不大，但精度要求高。育苗期水肥灌溉的形式多為潮汐式或噴霧式，隨著工廠化蔬菜育苗技術(shù)的成熟，更多的種植戶選用潮汐苗床式灌溉。潮汐灌溉的基本過程是通過灌溉施肥設(shè)備向種植槽內(nèi)注入肥水到一定高度后，通過快速閥或虹吸閥等設(shè)備將肥水自動(dòng)回落瀉流到排水池，經(jīng)消毒處理后再經(jīng)灌溉施肥設(shè)備進(jìn)行循環(huán)使用，從而達(dá)到澆水、施肥的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于能提高肥水利用率，減低環(huán)境污染和成本，并有利于促進(jìn)作物生長和品質(zhì)提升。

溫室是育苗車間或工廠的主體結(jié)構(gòu)，其本身就是育苗環(huán)境控制的重要載體。廣義溫室環(huán)控系統(tǒng)包括內(nèi)外遮陽-保溫、濕簾-風(fēng)機(jī)、開窗、加溫除濕、補(bǔ)光和環(huán)控監(jiān)測及控制系統(tǒng)等。其主旨是根據(jù)植物生長需要，合理調(diào)控溫室內(nèi)的溫、光、濕、氣等環(huán)境條件，保證植物生長在適宜的環(huán)境下。而且溫室種植者還能通過載入水肥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)植物生長水肥的調(diào)節(jié)（圖10）。

工廠化蔬菜育苗系統(tǒng)集成案例簡介

國內(nèi)工廠化蔬菜育苗瓜果、蔬菜領(lǐng)先的企業(yè)有濟(jì)南偉麗種業(yè)有限公司和山東安信種苗股份有限公司等。其中，濟(jì)南偉麗曾被授予全國蔬菜集約化育苗技術(shù)集成與推廣模式創(chuàng)新示范基地等榮譽(yù)稱號(hào)，公司具備年產(chǎn)嫁接苗6000萬株的能力，目前具有的工廠化蔬菜育苗系統(tǒng)包括自動(dòng)化播種流水線、超大面積智能化育苗連棟溫室、潮汐式育苗床、嫁接流水線、育苗大棚和中控物聯(lián)網(wǎng)等。

結(jié)論與展望

蔬菜生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化趨勢對種苗產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求，隨著勞動(dòng)力成本的不斷攀升，災(zāi)害性天氣頻發(fā)，病蟲害的防控壓力等，這些新出現(xiàn)的問題都是傳統(tǒng)的蔬菜育苗企業(yè)無法承擔(dān)的[6]。種苗良種化、育苗工廠化、供苗商品化、種苗標(biāo)準(zhǔn)化是當(dāng)今育苗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在需求。功能完備的蔬菜工廠化育苗廠應(yīng)包括播種車間、催芽室、育苗溫室、嫁接車間等。目前，工廠化蔬菜育苗系統(tǒng)集成將呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

（1）技術(shù)體系逐步完善，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程相繼出臺(tái)。關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程是培育壯苗的保障，如基質(zhì)配制標(biāo)準(zhǔn)、種苗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，種苗出廠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及育苗技術(shù)，嫁接技術(shù)等規(guī)程將陸續(xù)出臺(tái)。

（2）系統(tǒng)集成將更集約化，管理也將更趨于智能化。利用現(xiàn)代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)種苗的智能化管理，種植者拿起手機(jī)等移動(dòng)客戶端就可實(shí)時(shí)了解育苗溫室的溫度、濕度、光照、CO2濃度等情況，并及時(shí)調(diào)控相關(guān)參數(shù)，從而降低人工成本，并提高壯苗率。

（3）服務(wù)趨于多樣化。工廠化蔬菜育苗系統(tǒng)集成在提高企業(yè)投入產(chǎn)出比的同時(shí)，也將更大程度的釋放種苗企業(yè)的活力。種苗企業(yè)將由單純的種苗供應(yīng)商向種植方案提供商轉(zhuǎn)變，漸變成為新品種、新技術(shù)的輻射源，信息發(fā)布中心，標(biāo)準(zhǔn)制定中心以及農(nóng)資供應(yīng)中心。

未來工廠化蔬菜育苗的發(fā)展將以農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝、機(jī)械化與自動(dòng)化、機(jī)械化與信息化適度融合為路徑，在保證育苗能力最大化、成本投資最小化、時(shí)空布局合理化的同時(shí)，促使設(shè)備、工藝和技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展，推動(dòng)工廠化蔬菜育苗水平向數(shù)量、質(zhì)量、效益并重的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)工廠化蔬菜育苗產(chǎn)業(yè)的全面、高質(zhì)、高效發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目支持：“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目“設(shè)施節(jié)能與綠色能源利用裝備研制與產(chǎn)業(yè)化示范”（2014BAD08B02）。

作者簡介：姚彤寶（1980-），男，博士，從事設(shè)施園藝裝備及溫室環(huán)控設(shè)備開發(fā)工作。