許亞良，劉新穎，楊其長（中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所，成都 610000）

培育優(yōu)質(zhì)秧苗是作物高效生產(chǎn)的重要保障。隨著秧苗繁育產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，工廠化育苗已經(jīng)成為商品苗生產(chǎn)的重要手段，并為蔬菜的規(guī)?；?、標準化生產(chǎn)提供了有效支撐。中國蔬菜消費需求及種植面積巨大，近年來栽培面積一直穩(wěn)定在3 億畝（2×107hm2）左右，年需苗量達6000～7300 億株，其中商品苗約為3500 億株，包括茄果瓜類嫁接苗500 億株。“十三五”期間，中國蔬菜育苗技術(shù)取得了較快進展，育苗設施與裝備制造能力顯著提升[1]。隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，優(yōu)質(zhì)秧苗的需求將會不斷擴大，對秧苗工廠化的技術(shù)需求也將日益迫切[2]。

植物工廠是以高度環(huán)境控制為特征的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，融合了現(xiàn)代生物技術(shù)、自動化裝備、新材料及信息技術(shù)等手段[3-4]。秧苗繁育工廠是以植物工廠為基礎(chǔ)衍生出來專用于秧苗繁育的新興產(chǎn)業(yè)[5-6]。與傳統(tǒng)大田育苗及溫室育苗相比，植物工廠秧苗繁育技術(shù)具有環(huán)境控制能力強、自動化程度高、集中管理方便等優(yōu)勢，秧苗層數(shù)可達10 層以上，可實現(xiàn)周年和綠色可持續(xù)生產(chǎn)，是一種極具潛力的工廠化育苗方式[5]。目前，植物工廠已成功實現(xiàn)黃瓜、番茄、辣椒、茄子、西甜瓜等蔬菜秧苗的繁育，為農(nóng)戶批量供給優(yōu)質(zhì)秧苗，且定植后的生產(chǎn)性能更優(yōu)。植物工廠已經(jīng)成為蔬菜產(chǎn)業(yè)秧苗供給的重要手段，在促進蔬菜產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革、保障城市蔬菜供應和蔬菜綠色生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。

植物工廠秧苗繁育系統(tǒng)設計及關(guān) 鍵技術(shù)裝備

作為當前最高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，植物工廠秧苗繁育系統(tǒng)集成了包括人工照明、營養(yǎng)液供給、立體環(huán)境控制、自動化輔助作業(yè)、智慧生產(chǎn)管理等綜合技術(shù)手段，同時融合了生物技術(shù)、信息技術(shù)與人工智能等高新技術(shù)成果，推動產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展。

LED 人工光源系統(tǒng)

人工光環(huán)境構(gòu)建是植物工廠秧苗繁育系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，同時也是秧苗生產(chǎn)的主要能量消耗來源。植物工廠光環(huán)境可塑性強，可從光質(zhì)、光強及光周期等多個維度對光環(huán)境進行調(diào)控，同時在時序上對不同光照因子進行優(yōu)化組合，形成秧苗培育的光配方，保障秧苗人工培育的適宜光環(huán)境。因此，基于不同秧苗生長的需光特性和生產(chǎn)目標，通過優(yōu)化光配方參數(shù)和供光策略，研發(fā)出專用節(jié)能LED 光源，可以大大提高秧苗光能轉(zhuǎn)化效率，促進秧苗生物量積累，提升秧苗生產(chǎn)品質(zhì)，同時可以減少能量消耗，降低生產(chǎn)成本。此外，在秧苗的馴化、嫁接苗愈合等過程中，光環(huán)境調(diào)控也是一種重要的技術(shù)手段。

可分離式多層立體育苗系統(tǒng)

植物工廠秧苗繁育采用多層立體式層架進行，通過模塊化系統(tǒng)設計，可實現(xiàn)育苗系統(tǒng)的快速組裝（圖1）。層架間距可靈活調(diào)節(jié)，滿足不同品種秧苗繁育的空間需求，極大提高空間利用率。此外，苗床系統(tǒng)和照明系統(tǒng)、水肥灌溉系統(tǒng)的分離式設計，可使苗床兼具運輸功能，方便移動于播種、催芽及馴化等不同作業(yè)車間，減少苗盤搬運人力消耗。

圖1 可分離式多層立體育苗系統(tǒng)

水肥灌溉主要采用潮汐式、噴淋式等方式，通過營養(yǎng)液供給時間及頻率的精確控制，實現(xiàn)水和礦物營養(yǎng)的均勻供給和高效利用。結(jié)合秧苗專用營養(yǎng)液配方，滿足秧苗生長發(fā)育需要，保證秧苗的快速健康生長。此外，通過在線營養(yǎng)離子檢測系統(tǒng)和營養(yǎng)液滅菌系統(tǒng)，可對營養(yǎng)成分進行及時補充，同時避免微生物及次生代謝物質(zhì)積累影響秧苗的正常生長。

環(huán)境控制系統(tǒng)

精準高效的環(huán)境控制是植物工廠秧苗繁育系統(tǒng)的主要特征之一。植物工廠的外維護結(jié)構(gòu)一般由不透光、絕緣性強的材料組裝而成，在此基礎(chǔ)上光照、溫度、濕度、風速、CO2的調(diào)控幾乎不受外界環(huán)境影響。通過CFD 模型構(gòu)建優(yōu)化風道布局，結(jié)合微環(huán)境調(diào)控手段，可實現(xiàn)高密度培養(yǎng)空間內(nèi)溫度、濕度、風速、CO2等環(huán)境因子的均勻分布。智能環(huán)境調(diào)控采用分布式傳感器和觸點式控制來實現(xiàn)，通過監(jiān)控單元和控制系統(tǒng)的連接進行整個培育環(huán)境的實時調(diào)控。此外，水冷光源的使用和水體循環(huán)，結(jié)合引入室外冷源可實現(xiàn)節(jié)能降溫，減少空調(diào)能耗。

自動化輔助作業(yè)裝備

植物工廠秧苗繁育作業(yè)流程嚴密，作業(yè)密度大，空間緊湊，自動化輔助裝備必不可少。使用自動化輔助裝備不僅有利于減少人工消耗，同時還有助于提升培育空間使用效率。目前已開發(fā)的自動化裝備包括穴盤覆土機、播種機、嫁接機、AGV 物流輸送小車等，在配套智慧管理平臺的控制下基本可以實現(xiàn)秧苗繁育全流程的無人化作業(yè)。此外，機器視覺技術(shù)在秧苗繁育過程中也擔負著越來越重要的角色，不僅有助于秧苗生長狀態(tài)的監(jiān)測，輔助商品苗出庫管理，還可進行弱苗、死苗的自動甄別，配合機械手進行剔除和補苗。

植物工廠秧苗繁育優(yōu)勢

環(huán)境控制水平高 可實現(xiàn)周年生產(chǎn)

由于秧苗繁育的特殊性，其培育環(huán)境的控制至關(guān)重要。在植物工廠條件下，光、溫、水、氣、肥及CO2等環(huán)境因子受控程度高，可以為秧苗繁育提供最佳生長環(huán)境，不受季節(jié)和地域限制。此外，在嫁接苗、扦插苗等的繁育過程中，嫁接傷口愈合、根系分化等過程對環(huán)境控制要求較高，植物工廠也是極佳的載體。植物工廠本身環(huán)境條件的可塑性較強，因此對非繁育季節(jié)或極端環(huán)境下的蔬菜秧苗生產(chǎn)具有重要意義，可為保障蔬菜常年供應提供秧苗支持。此外，植物工廠秧苗繁育不受空間限制，可在城市近郊及社區(qū)公共空間就地進行，規(guī)格靈活多變，可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)秧苗的大批量生產(chǎn)、近距離供應，為都市園藝發(fā)展提供重要支撐。

縮短繁育周期 提高秧苗質(zhì)量

在植物工廠條件下，得益于各種生長環(huán)境因子的精確控制，秧苗繁育周期相比傳統(tǒng)方式要縮短30%～50%。繁育周期的縮短可以增加種苗生產(chǎn)批次，增加生產(chǎn)者收益，同時能減少市場波動帶來的經(jīng)營風險。對于種植者而言，則有利于提前移栽定植，提早上市，提升市場競爭力。另一方面，植物工廠繁育的秧苗整齊粗壯，形態(tài)質(zhì)量指標顯著提高，且定植后生產(chǎn)表現(xiàn)更優(yōu)。已有研究表明，在植物工廠條件下繁育的番茄、辣椒及黃瓜秧苗，不僅葉面積、株高、莖粗、根系活力等指標有所提高，而且定植后的適應性、抗病性、花芽分化及產(chǎn)量等方面優(yōu)勢明顯（圖2）。植物工廠繁育的黃瓜秧苗，在定植后單株雌花數(shù)提高了33.8%，單株果增加37.3%[8]。隨著秧苗發(fā)育環(huán)境生物學相關(guān)理論研究的不斷深入，植物工廠對于秧苗形態(tài)塑造、生理活性改善將更加精準、可控。

圖2 大棚和植物工廠嫁接苗狀態(tài)對比

資源高效利用 減少育苗成本

植物工廠采用標準化、信息化、工業(yè)化的種植手段，使得秧苗生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)都受到嚴格控制，資源利用效率顯著提高。種子是秧苗繁育中主要成本消耗，傳統(tǒng)育苗因操作不規(guī)范及環(huán)境可控性差，存在種子不發(fā)芽或長勢弱等問題，導致從種子到商品苗的過程存在巨大浪費。在植物工廠環(huán)境下，通過種子前處理、精細化播種及培養(yǎng)環(huán)境的精密控制，種子利用效率大大提高，用量可減少30%以上。水、肥等資源也是傳統(tǒng)育苗的主要成本消耗，且資源浪費現(xiàn)象較為嚴重。在植物工廠條件下，通過精準灌溉技術(shù)的應用，水、肥利用效率可提高70%以上。此外，由于植物工廠本身結(jié)構(gòu)的緊密性和環(huán)境控制的均勻性，秧苗繁育過程中的能源及CO2利用效率也顯著提高。

與傳統(tǒng)露地育苗和溫室育苗相比，植物工廠秧苗繁育的最大特點是可以多層立體式進行。在植物工廠內(nèi)，秧苗繁育可由平面向縱向空間拓展，極大提高單位土地的秧苗繁育效率，顯著提升空間利用效率。譬如，福建中科生物股份有限公司（以下簡稱“中科三安”）研發(fā)的秧苗繁育標準模組，在占地4.68 m2的條件下，單批次可繁育秧苗1 萬株以上，可供3.3 畝（2201.1 m2）蔬菜生產(chǎn)需要。在高密度多層立體繁育條件下，配套自動化輔助設備和智能物流運輸系統(tǒng)，可極大提高人工利用效率，節(jié)約人工50%以上。

高抗秧苗繁育 助力綠色生產(chǎn)

植物工廠潔凈的生產(chǎn)環(huán)境，可極大降低繁育空間內(nèi)病蟲害的發(fā)生。與此同時，通過培養(yǎng)環(huán)境的優(yōu)化配置，生產(chǎn)出來的秧苗將具有更高的抗性，可極大減少秧苗繁育和栽植過程中的農(nóng)藥噴施。此外，對于嫁接苗、扦插苗等特種秧苗的繁育，可通過植物工廠內(nèi)光、溫及水肥等綠色調(diào)控手段，代替?zhèn)鹘y(tǒng)操作中激素的大量使用，保障食品安全，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)秧苗的綠色可持續(xù)生產(chǎn)。

生產(chǎn)成本分析

植物工廠增加秧苗經(jīng)濟效益的途徑主要包括兩個部分，一方面通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計、標準化操作和智能設施裝備的使用，減少秧苗繁育過程中種子、電能及勞動力的消耗，提高水、肥、熱、氣及CO2的利用效率，降低秧苗繁育成本消耗；另一方面，通過精準控制環(huán)境及優(yōu)化工藝流程，縮短秧苗繁育時間，增加全年繁育批次及單位空間秧苗產(chǎn)量，秧苗品質(zhì)高、上市早，更富市場競爭力。

隨著植物工廠技術(shù)發(fā)展和秧苗培育環(huán)境生物學研究的不斷深入，植物工廠秧苗繁育的成本已基本與傳統(tǒng)溫室培育成本一致，且種苗質(zhì)量和市場價值更高。以黃瓜苗為例（圖3），生產(chǎn)資料占比較大，約占總成本37%，包括種子、營養(yǎng)液、穴盤、基質(zhì)等。電能消耗約占總成本24%，包括植物照明、空調(diào)及營養(yǎng)液泵能耗等，是未來優(yōu)化的主要方向（數(shù)據(jù)來源：中科三安）。此外，人工占比低是植物工廠生產(chǎn)的特點，隨著自動化程度的不斷增加，人工消耗成本會進一步降低。在未來，通過高附加值作物及珍貴林木秧苗產(chǎn)業(yè)化培育技術(shù)的開發(fā)，可以進一步提高植物工廠秧苗繁育的經(jīng)濟效益。

圖3 黃瓜育苗成本組成/%

產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

近年來，以中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所為代表的科研機構(gòu)，以福建省中科生物股份有限公司、衢州中恒農(nóng)業(yè)科技有限公司等為代表的高新技術(shù)企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了植物工廠秧苗繁育的產(chǎn)業(yè)化，可以為秧苗提供從種子到出苗全程高效的工業(yè)化產(chǎn)線。其中，中科三安于2019 年建成并投產(chǎn)的山西長治育苗工廠，占地3500 m2，在30天的周期內(nèi)可繁育辣椒苗80 萬株或番茄苗55 萬株。衢州中恒農(nóng)業(yè)科技有限公司建成的秧苗繁育工廠，占地2300 m2，年產(chǎn)秧苗可達800～1000 萬株。中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所自主開發(fā)的嫁接苗移動愈合工廠（圖4），可為嫁接苗培育提供流水線式愈合及馴化平臺，單個作業(yè)空間每次可處理嫁接苗1 萬株以上。在未來，植物工廠秧苗繁育品種的多樣性有望進一步擴充，自動化、智能化水平將繼續(xù)提升，有望出現(xiàn)多個年產(chǎn)秧苗達億株以上的規(guī)?；缙髽I(yè)。

圖4 中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所研制的嫁接苗移動愈合工廠

展望

植物工廠作為工廠化育苗的新載體，在精準環(huán)境控制、資源高效利用及標準化作業(yè)等方面相比傳統(tǒng)育苗方式擁有巨大優(yōu)勢及商業(yè)化潛力。通過降低秧苗繁育中種子、水肥、能源及人力等資源的消耗，提升單位面積秧苗產(chǎn)量及品質(zhì)，植物工廠秧苗繁育成本將會進一步降低，產(chǎn)品更具市場競爭力。中國秧苗需求巨大，除去蔬菜等傳統(tǒng)作物生產(chǎn)領(lǐng)域外，花卉、中草藥及珍稀樹木等高附加值秧苗有望實現(xiàn)植物工廠繁育，經(jīng)濟效益將會進一步提升。與此同時，產(chǎn)業(yè)化育苗平臺需考慮不同秧苗繁育的兼容性和靈活性，以滿足不同季節(jié)育苗市場的需求。

秧苗繁育環(huán)境生物學理論是植物工廠環(huán)境精準控制的核心。深入開展光照、溫度、濕度及CO2等環(huán)境因子對秧苗株型塑造及光合等生理活性調(diào)控的研究，有助于建立秧苗-環(huán)境互作模型，可為降低秧苗生產(chǎn)能耗、提升秧苗質(zhì)量和生產(chǎn)品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上開發(fā)以光為核心、耦合其他環(huán)境因子的控制技術(shù)和裝備，定制生產(chǎn)特殊株型、高整齊度、高品質(zhì)的秧苗，以適應植物工廠高密度栽培和機械化操作要求。最終為構(gòu)建數(shù)字種苗生產(chǎn)系統(tǒng)提供技術(shù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)標準化、無人化、數(shù)字化的植物工廠秧苗繁育。