徐志豪,時衛(wèi)杰,劉士哲,吳金毛,施漢忠,陳新娟,時舒玥,潘漢江,何圣米,趙振卿*
(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所,浙江 杭州 310021;2.桐鄉(xiāng)市鳳鳴衛(wèi)杰家庭農(nóng)場,浙江 桐鄉(xiāng) 314500;3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 環(huán)境資源學(xué)院,廣東 廣州 510642;4.桐鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,浙江 桐鄉(xiāng) 314500;5.桐鄉(xiāng)市鳳鳴街道農(nóng)業(yè)經(jīng)濟服務(wù)中心,浙江 桐鄉(xiāng) 314500)
蔬菜是人們?nèi)粘I钪胁豢苫蛉钡母笔称?。人們身體所需的碳水化合物、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)主要由大米、小麥、肉類、魚類供給,而其他必需營養(yǎng)素如礦物質(zhì)、維生素、膳食纖維等則由蔬菜來提供。在江浙滬一帶,有“三天不吃青,眼里冒火星”的說法,尤其鐘愛青菜、白菜、菠菜一類的葉菜。隨著社會發(fā)展和交通條件改善,番茄、茄子、辣椒、黃瓜、西瓜,以及包心菜、大白菜等耐運輸?shù)氖卟巳菀讖耐獾剌斎牍?yīng)市場,而葉菜類蔬菜則主要由本地生產(chǎn)供應(yīng)。在“省長抓米袋子、市長抓菜籃子”的要求下,各地市都會安排一些菜籃子工程基地、綠葉蔬菜保障基地,支持葉菜類蔬菜的本地生產(chǎn)與供應(yīng)。
蔬菜水培是把蔬菜種植在營養(yǎng)液中的一種工廠化生產(chǎn)技術(shù)。與傳統(tǒng)的土壤種植相比,蔬菜水培具有許多優(yōu)點:不受土壤條件限制,免除土壤重金屬污染與連作障礙;離地種植,病蟲害少,產(chǎn)品清潔衛(wèi)生無污染;無土栽培不需要中耕、翻地、鋤草等作業(yè),大大減輕了勞動強度,省力省工;蔬菜所需的營養(yǎng)元素由營養(yǎng)液提供,營養(yǎng)成分均衡,吸收利用率高,作物生長發(fā)育健壯,生長勢強,產(chǎn)量高。蔬菜的水培生產(chǎn),容易結(jié)合融入自動化、信息化、智能化技術(shù),提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平[1-3]。
為了提高蔬菜生產(chǎn)效率,滿足人們對優(yōu)質(zhì)蔬菜的需求,我們研制了一種蔬菜營養(yǎng)液水培系統(tǒng),并在桐鄉(xiāng)市鳳鳴街道基地進行示范應(yīng)用。經(jīng)過多次技術(shù)改造提升,形成了一套比較完整的智能化管道水培系統(tǒng)和葉菜高效栽培技術(shù)體系,在蔬菜生產(chǎn)中得以應(yīng)用。
水培系統(tǒng)為高架管道營養(yǎng)液膜技術(shù)(nutrient film technique,NFT)系統(tǒng),由種植管、床架、營養(yǎng)液池、營養(yǎng)液輸液回液系統(tǒng)以及智能化控制系統(tǒng)等組成。
種植管為專門定制的方形PVC管,高5.5 cm,寬8 cm,每隔15 cm開一個直徑為3 cm的種植孔。12支種植管組成一組安放于床架上。床架由鋼管搭建,鋼管底部插入土中固定。建成的床架寬170 cm,離地高90~100 cm,管道坡降為2‰。栽培床之間留操作道100 cm。
營養(yǎng)液池為水泥磚石結(jié)構(gòu),長2 m,寬1.5 m,深1.7 m,一次儲水4 m3。
營養(yǎng)液輸液回液系統(tǒng)由PVC管組成。營養(yǎng)液通過水泵輸送到栽培床高的一端,再分流到每個種植管中。營養(yǎng)液流經(jīng)種植管為作物提供水分和養(yǎng)分,多余的營養(yǎng)液匯集到集液槽然后通過回液管回到營養(yǎng)液池。在回液管排液口安裝一個無紡布過濾袋,收集回流營養(yǎng)液中的殘留根系與基質(zhì)等雜物。
營養(yǎng)液智能化控制系統(tǒng)由數(shù)字化配肥機,營養(yǎng)液濃度與酸堿度以及液位與液溫在線測量模塊,溫室光照強度、溫度與濕度、CO2等環(huán)境參數(shù)在線測量模塊,無線通訊模塊等組成。營養(yǎng)液參數(shù)和溫室環(huán)境參數(shù)匯集到數(shù)據(jù)云平臺進行處理,并通過手機APP設(shè)定參數(shù)和控制。
智能化葉菜類管道水培系統(tǒng)主要以生產(chǎn)葉菜類為主,少量莖葉蔬菜。3年來先后成功種植了生菜、油麥菜、廣東菜心、奶白菜、快菜、塌棵菜、青菜、羽衣甘藍、芥藍、芝麻菜、空心菜、茼蒿、莧菜、菠菜、香蔥、羅勒、迷迭香等20多個蔬菜種類。并根據(jù)季節(jié)和市場需求,逐步形成了奶白菜、快菜、生菜、油麥菜、空心菜、廣東菜心等速生葉菜主打品種,兼顧羅勒、迷迭香、芝麻菜等特色蔬菜品種,通過合理安排種植時間和批次,達到周年生產(chǎn)、計劃上市的要求。
為了提高水培蔬菜生產(chǎn)效率,我們采用工廠化基質(zhì)穴盤育苗方法培育蔬菜苗,再移栽到水培系統(tǒng)的種植管中。蔬菜種子經(jīng)過處理后,由播種流水線自動播種到穴盤中。育苗基質(zhì)是以泥炭為主的專用育苗基質(zhì),采用200孔的穴盤。播種流水線的播種速度為400盤·h-1(8萬粒),完全能滿足基地的育苗生產(chǎn)要求。播種后的穴盤放在大棚內(nèi)育苗。育苗棚冬季采用3層地膜覆蓋保溫,夏季采用遮蔭和噴霧方法降溫。出苗前,穴盤上覆蓋地膜保濕,出苗后及時揭開地膜。育苗期間,根據(jù)基質(zhì)水分情況和菜苗生長勢酌情補充水分或營養(yǎng)液。播種后15~25 d,當(dāng)菜苗5 cm高,約4葉期時,連基質(zhì)塊一起移栽到水培種植床管道中。
在水培蔬菜生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)刈詠硭暮}量很高,其電導(dǎo)率(EC)可達850 μS·cm-1,pH為7.8~8.3。用自來水配制營養(yǎng)液,蔬菜經(jīng)常出現(xiàn)葉片發(fā)黃,心葉扭曲缺失等生長不良的情況[4-5]。為此,我們開展了基于高鹽水源的營養(yǎng)液配制技術(shù)研究。以純凈水配制的營養(yǎng)液為對照,用高鹽水源配制農(nóng)場舊有配方和新設(shè)計的改良營養(yǎng)液配方,種植水培日本小松菜、生菜、青菜等蔬菜。研究發(fā)現(xiàn),以高鹽水源配制農(nóng)場舊有配方的處理,pH 7.13~7.85;小松菜葉色較淡、有缺素現(xiàn)象,單株重為160 g。而采用高鹽水源配制的改良營養(yǎng)液配方處理,營養(yǎng)液pH接近純凈水配制的營養(yǎng)液處理,為5.68~7.11;小松菜生長正常,葉色碧綠,商品性好,單株重分別為181和183 g,比高鹽水源配制農(nóng)場舊有配方的處理增加產(chǎn)量13%~14%。
最初的水培系統(tǒng)沒有營養(yǎng)液自動配肥機,蔬菜水培系統(tǒng)的補水、補肥、調(diào)整酸堿度等營養(yǎng)液管理需要人工操作,每日需要4~5 h花費在營養(yǎng)液調(diào)整上。不僅工作量大而繁瑣,費時費力,而且由于調(diào)整不及時,營養(yǎng)液濃度與酸堿度變化大,不利于蔬菜生長。根據(jù)蔬菜水培系統(tǒng)特點和水培農(nóng)場生產(chǎn)管理要求,我們研究提出營養(yǎng)液自動配肥機的技術(shù)方案與技術(shù)指標(biāo),委托塔金麥智慧農(nóng)業(yè)有限公司組裝生產(chǎn)了2臺營養(yǎng)液自動配肥機。
營養(yǎng)液自動配肥機采用模塊化設(shè)計,由以下模塊組成:(1)自動補水模塊:連接水源,感知水位(精度±0.5 cm),自動補水到設(shè)定水位;(2)營養(yǎng)液控制模塊:自動測定營養(yǎng)液的pH和EC,四通道定量泵分別補充母液A、B、C和酸液,自動調(diào)整pH、EC到設(shè)定值(pH精度為±0.5,EC精度為±0.1 mS·cm-1);(3)營養(yǎng)液供給模塊:潛水泵將營養(yǎng)液送到栽培床;(4)環(huán)境測定模塊:大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強度;(5)無線通訊模塊與手機端APP:基于WiFi的通訊模塊,在手機上可以調(diào)整和控制營養(yǎng)液參數(shù)(圖1)。
圖1 自動配肥系統(tǒng)參數(shù)操作界面
通過技術(shù)攻關(guān),研制的2套營養(yǎng)液自動配肥機實現(xiàn)了以下功能:(1)每隔10 min自動讀取水位、pH和EC,根據(jù)測定值和設(shè)定值的差異,自動補水、補充營養(yǎng)液母液和酸液,保持營養(yǎng)液水位、電導(dǎo)率和酸堿度;(2)實時測定營養(yǎng)液溫度、測定大棚溫度、濕度和光照強度;(3)按照灌溉程序自動把營養(yǎng)液輸送到水培床;(4)自動配肥機可以由手機APP進行遠程管理。蔬菜水培營養(yǎng)液自動配肥機經(jīng)過一年多的生產(chǎn)應(yīng)用,設(shè)備穩(wěn)定,性能達到了設(shè)計要求。
利用研制的水培蔬菜營養(yǎng)液自動配肥機,比較研究了營養(yǎng)液自動調(diào)控與人工調(diào)控條件下的營養(yǎng)液電導(dǎo)率、酸堿度的變化動態(tài)。研究結(jié)果表明,在人工調(diào)控處理中,隨著作物生長、吸收,營養(yǎng)液水位下降很快,2 d內(nèi)營養(yǎng)液數(shù)量減少38%,營養(yǎng)液電導(dǎo)率從1.820 mS·cm-1升高到1.987 mS·cm-1,pH從6.02上升到7.81;每隔1~2 d,就需要對營養(yǎng)液進行人工補水和配肥。由于人工調(diào)控處理的營養(yǎng)液電導(dǎo)率變化大,pH上升快,一直徘徊在堿性條件,蔬菜容易出現(xiàn)缺鐵、缺鈣等生理性障礙,影響了蔬菜產(chǎn)量和商品性。
在使用水培蔬菜營養(yǎng)液自動配肥機進行營養(yǎng)液自動調(diào)控后,營養(yǎng)液池的液位比較穩(wěn)定,保持在149.7~150.3 cm,正負誤差在0.3 cm;營養(yǎng)液pH一直保持在5.97~6.05,與目標(biāo)設(shè)定值pH 6.0相差很少,達到pH精度±0.5的設(shè)計要求;營養(yǎng)液電導(dǎo)率一直保持在1.795~1.805 mS·cm-1,與目標(biāo)設(shè)定值1.800 mS·cm-1相差0.005 mS·cm-1,達到精度±0.1 mS·cm-1的設(shè)計要求。采用營養(yǎng)液自動配肥機進行營養(yǎng)液自動管理,種植快菜、青菜、生菜、油麥菜、芝麻菜等蔬菜,蔬菜葉色正常,生長速度快,較原先營養(yǎng)液采用人工調(diào)控方法,蔬菜生長時間縮短5~7 d。
播種育苗:采用工廠化基質(zhì)穴盤育苗方法培育蔬菜苗,再移栽到水培系統(tǒng)的種植管中。蔬菜種子經(jīng)過處理后,由播種流水線自動播種到穴盤中。育苗基質(zhì)是以泥炭為主的專用育苗基質(zhì),采用200孔的穴盤。播種后的穴盤放在大棚內(nèi)育苗。出苗前,穴盤上覆蓋地膜保濕,出苗后及時揭開地膜。育苗期間,根據(jù)基質(zhì)水分情況和菜苗生長勢酌情補充水分或營養(yǎng)液。播種后15~25 d,當(dāng)菜苗5 cm高,約4葉期時,連基質(zhì)塊一起移栽到水培種植床管道中(圖2)。為了充分利用水培種植面積,應(yīng)盡量延長育苗期種植大苗,以縮短水培種植床的種植天數(shù),增加茬口次數(shù)。
圖2 輕簡化移栽技術(shù)
營養(yǎng)液管理:采用水培蔬菜營養(yǎng)液自動配肥機進行營養(yǎng)液自動調(diào)控,根據(jù)蔬菜生長階段,設(shè)定營養(yǎng)液電導(dǎo)率和酸堿度目標(biāo)值。剛定植的幼苗期,營養(yǎng)液電導(dǎo)率控制在1.2~1.3 mS·cm-1,而生長盛期則需要增加到1.4~1.6 mS·cm-1。整個栽培期營養(yǎng)液的pH值用稀硫酸控制在5.8~6.5。營養(yǎng)液池的水位,一般預(yù)留20%空間,以免農(nóng)場停電時從種植床流回的營養(yǎng)液漫出營養(yǎng)液池。蔬菜水培期間,栽培床的營養(yǎng)液一直流動,保持1 cm水位。平時日常管理要注意觀察栽培床上營養(yǎng)液供給情況,出現(xiàn)出水孔堵塞或噴出床外,要及時處理。營養(yǎng)液池須采取遮光措施,防止藻類繁殖、堵塞管道。
大棚溫濕度管理:水培蔬菜主要以葉菜類為主,大棚目標(biāo)溫度維持在5~28 ℃。早春、晚秋、冬季溫度較低時,一般早上日出后1~2 h開啟氣窗通風(fēng)除濕30 min,以保持一定的溫度,促進生長;下午日落前2~3 h封棚保溫。如果外界氣溫不低于5 ℃,晚上大棚則不封棚。夏季溫度高,當(dāng)棚內(nèi)溫度達到28 ℃時拉開遮陽網(wǎng),棚溫持續(xù)提高到30 ℃時,開啟水簾風(fēng)機降溫。
病蟲害管理:防治策略是管好種子、育苗基質(zhì)、育苗設(shè)備、栽培床、肥料等環(huán)節(jié),從源頭防止病菌、蟲源進入大棚和水培系統(tǒng)。采取的主要措施是選擇抗病、耐逆性強的品種;大棚和進出口均加設(shè)防蟲網(wǎng);工人和參觀者進出大棚時特別強調(diào)管好大棚進出口,防止飛蟲進入;大棚內(nèi)懸掛黃板誘蟲;加強平時田間巡視,發(fā)現(xiàn)飛蟲及時撲殺;加強通風(fēng)降低濕度、減少病害發(fā)生;發(fā)現(xiàn)有蟲有病植株及時移除銷毀;分批種植,分批采收,及時清理植株殘余物和對栽培床消毒。
采收與包裝:通常水培葉菜如廣東菜心、青菜、奶白菜、快菜、塌棵菜、生菜、油麥菜在定植后20~30 d可以一次性采收??招牟?、茼蒿等蔬菜則每隔7~14 d采用剪枝留根的方法多次采收。水培蔬菜采收后,立即運送到包裝車間進行預(yù)冷和根據(jù)客戶要求計量和包裝??粘龅乃啻布皶r清理植株殘余物,對栽培床消毒和定植新的蔬菜苗。
為了保證水培蔬菜產(chǎn)品的安全,農(nóng)場制定了《水培農(nóng)場生產(chǎn)管理制度》《蔬菜綠色高效水培技術(shù)規(guī)程》《水培蔬菜工廠化育苗技術(shù)操作規(guī)程》。對農(nóng)場各個水培種植床與育苗床標(biāo)記定位二維碼。每批蔬菜從種子育苗開始,即給予編號與定位,監(jiān)控整個生產(chǎn)過程的肥水管理、病蟲防控和植株生長情況。每周向銷售團隊預(yù)報下周與下個月的預(yù)期采收品類與數(shù)量。除了生產(chǎn)團隊和銷售團隊可以監(jiān)控外,客戶也可以通過視頻查看水培蔬菜生產(chǎn)現(xiàn)場。農(nóng)場除了認真做好田間記錄,規(guī)范使用農(nóng)業(yè)投入品,送樣檢測農(nóng)藥殘留等工作,還要根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)局與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管部門和銷售團隊的要求取樣測定農(nóng)藥殘留。
農(nóng)場先后成功種植了廣東菜心、青菜、奶白菜、快菜、塌棵菜、生菜、油麥菜等20多個蔬菜種類,涉及十字花科、菊科、藜科、旋花科等蔬菜,還試驗種植了迷迭香、羅勒、紫蘇等特色香料蔬菜和水培草莓。在栽培上,可分為一次種植一次采收類型,如廣東菜心、青菜、生菜、菠菜等,以及一次種植多次采收類型,如空心菜、茼蒿、羅勒等。大多數(shù)蔬菜在水培床上種植時間在30~35 d,一年茬口次數(shù)為10次,年產(chǎn)量為20 000~30 000 kg·667 m-2。農(nóng)場每年水培蔬菜生產(chǎn)量約為15萬kg(圖3)。
圖3 智能化葉菜管道水培系統(tǒng)規(guī)?;a(chǎn)
通過四年來水培蔬菜種植生產(chǎn)實踐,我們認為水培蔬菜具有蔬菜鮮嫩、纖維少、口感好、品質(zhì)優(yōu),潔凈、無污染的特點,受到客戶歡迎。水培種植,避免連作障礙,可多茬栽培,提高土地和設(shè)施利用率。生產(chǎn)過程中,水肥一體,省水、省肥效果明顯。特別是在省工、省力方面,尤為突出,極大改變了傳統(tǒng)蔬菜種植費工費時的問題,對今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化有很好的引領(lǐng)作用。與以往傳統(tǒng)的蔬菜水培系統(tǒng)相比,我們研制的智能化葉菜類管道水培系統(tǒng)還有幾個顯著創(chuàng)新點:
其一是育苗種植方式的創(chuàng)新。在傳統(tǒng)蔬菜水培種植方法中,蔬菜育苗主要有2種方式:一是蔬菜種子人工播種在海綿塊中,待苗子葉平展時,或1~2片真葉出現(xiàn)時,連海綿塊人工塞到定植杯中,再移栽到水培種植床。二是蔬菜種子播種在基質(zhì)盤中,待苗有2~3片真葉,將苗挖出,洗掉根系上的基質(zhì),再用海綿條包根塞到定植杯中,再移栽到水培種植床。與傳統(tǒng)蔬菜水培種植方法相比,我們研究提出的省力化種植流程有3個明顯的優(yōu)勢。一是能夠利用工廠化穴盤育苗技術(shù)優(yōu)勢,種子播種可以用精量播種流水線,播種效率大大提高;二是育苗期間肥水管理容易,可以培育大苗,縮短留滯水培種植床上的時間,提高水培床的茬口次數(shù);三是免除洗根、包苗、塞苗到定植杯的操作步驟,提高種植效率。
其二是營養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)與智能化管理技術(shù)。采用水培蔬菜營養(yǎng)液自動配肥機進行營養(yǎng)液自動調(diào)控,根據(jù)蔬菜生長階段,設(shè)定營養(yǎng)液電導(dǎo)率和酸堿度目標(biāo)值。營養(yǎng)液通過自動補水、配肥、調(diào)酸,營養(yǎng)液的液位、電導(dǎo)率和酸堿度穩(wěn)定,為蔬菜提供了良好的根系生長環(huán)境與營養(yǎng)肥料,蔬菜生長快、葉色株型正常,品質(zhì)和商品性好。同時,也解決了傳統(tǒng)蔬菜水培系統(tǒng)需要大容量營養(yǎng)液池以及每日花費大量時間人工調(diào)整營養(yǎng)液的問題。
其三,建立了數(shù)字化全程可追溯的安全生產(chǎn)管理體系,通過對農(nóng)場各個水培種植床與育苗床標(biāo)記定位二維碼,對每批蔬菜從種子育苗開始,即給予編號與定位,監(jiān)控整個生產(chǎn)過程的肥水管理、病蟲防控和植株生長情況。不僅方便了農(nóng)場種植計劃安排、生產(chǎn)管理和上市安排,更有利于蔬菜安全生產(chǎn)和監(jiān)督管理。
蔬菜水培種植是一項引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新技術(shù),在面對未來農(nóng)業(yè)勞動力結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)規(guī)模化與省力化發(fā)展、提高土地利用率等方面有重大意義。但蔬菜水培種植的初始投資大,管理技術(shù)要求高,大量蔬菜上市,對銷售壓力大。僅靠家庭農(nóng)場主體也很難全面解決投資、技術(shù)、市場等方面的問題。為了促進水培蔬菜產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展,需要政府、科技部門、產(chǎn)業(yè)各方進行協(xié)同合作。
其一,政府方面可以在農(nóng)業(yè)政策、資金扶持、土地規(guī)劃和技術(shù)團隊搭橋等方面給予更多的支持。市場銷售方面,最好通過與專業(yè)營銷團隊合作。家庭農(nóng)場的業(yè)主往往是傳統(tǒng)農(nóng)民,本身對市場營銷不熟悉。當(dāng)大批量蔬菜可以采收時,對市場通路感到束手無策。因此,把銷售、客戶管理等工作分攤出去,集中精力按訂單生產(chǎn),效果更好。
其二是技術(shù)支持。蔬菜水培是一種集約化程度較高的新技術(shù)。對于多數(shù)農(nóng)場業(yè)主來說,從傳統(tǒng)的土壤種植改為水培種植,規(guī)模擴大,設(shè)備繁多,蔬菜播種、水培床種植、營養(yǎng)液管理等都要重新學(xué)習(xí),需要有經(jīng)驗的技術(shù)團隊支持。
其三是農(nóng)場管理。水培與土培不同,體系化、集約化程度高,病蟲害防控要求嚴格。需要加強農(nóng)場員工的培訓(xùn)和技術(shù)輔導(dǎo),強調(diào)規(guī)范化管理。