歐洲水培葉菜機械規模化生產系統

秦四春，辜 松，王躍文

(1.全國農業展覽館，北京 100125；2.華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

歐洲水培葉菜機械規模化生產系統

秦四春1，辜 松2，王躍文2

(1.全國農業展覽館，北京 100125；2.華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

針對水培葉菜規模化生產，介紹了歐洲水培葉菜自動化生產裝備系統與技術。首先，說明水培技術高效循環生產、避免土壤環境污染的優勢，論述了水培葉菜的主要作業流程。基于水培葉菜作業流程，通過實物圖片介紹了歐洲水培葉菜生產中基質處理、精量播種、種苗移植、葉菜收獲和生產資材自動輸送等環節裝備和技術。對比國內水培蔬菜的生產模式與具體國情，提出了研學歐洲先進的生產作業裝備技術和物流化生產作業思想理念，結合我國水培蔬菜生產模式，優化完善葉菜丸粒化精量播種技術，開發研制葉菜種苗移植設備，針對不同水培葉菜生產企業及生產方式，量身定制開發設計物流化生產輸送系統，達到提高生產效率、降低勞動強度、減少生產勞動力的目的，有效提高我國水培蔬菜生產的競爭力。

水培葉菜；機械化；規模化；生產系統；歐洲

0 引言

水培是通過特定設施營造相對封閉、儲放營養液的環境，使植物根部生長所需水肥氣熱等條件保持相對穩定，全部或部分根系浸泡在營養液中的栽培方法[1]。與傳統農業相比，在相對封閉的設施內為植物床創造了相對優越的生長條件，避免了氣象災害、自然界物種競爭等惡劣環境；另一方面，相對封閉的環境條件還保護植物免受外界土壤環境的各種污染，可以生產出污染小、產量高、品質好、批次多的葉菜[1-7]。采用日光進行水培蔬菜栽培生產，歐洲歷經了多年的機械化生產實踐，走過人工生產到自動化生產的道路[8-13]，我國在水培蔬菜方面也經歷多年的生產實踐，但是在自動化生產方面還處于初級階段[14-18]。本文將以歐洲基于栽培槽式培育法為對象，介紹歐洲水培蔬菜的裝備系統。

1 水培葉菜生產流程

水培葉菜種苗一般采用基質培育，因此作業環節首先是對種苗基質的處理，包括基質攪拌和基質成形或穴盤基質填充，為精量播種提供栽種對象。基質準備完成后，即在每個基質塊/穴內精量播種1～3粒葉菜種子，進行種子覆蓋和澆水。完成播種后的基質送入溫室，在溫室內進行發芽、培育，直至達到可移植的狀態。一般水培葉菜種苗培育不采用水培法，仍是傳統基質植栽培法。葉菜種苗培育完成后，需將種苗移植至栽培槽內，進入水培階段；經過2周左右的日光培育，葉菜達到成熟采摘狀態后，進行收獲切掉掉根系，并裝入包裝袋，進入速冷后冷藏等待出售。水培葉菜的生產作業流程如圖1所示[14,19-22]。

圖1 水培葉菜生產作業流程Fig.1 The flow chart of hydroponic leafy vegetables production

2 水培葉菜自動化生產裝備與技術

歐洲水培葉菜生產企業為滿足規模化生產的要求，降低勞動強度，減少生產用工以提高競爭能力，在生產中廣泛引入工業技術[21-22]，針對基礎處理勞動強度大、葉菜種苗移植作業單一化、栽培槽、種苗及收獲葉菜的輸送用工量大的問題，開發出自動化物流生產體系，主要設備如圖2～圖6所示[5-6]。自動生產裝備主要涵蓋基質處理、精量播種、種苗移植、栽培槽搬運及葉菜收獲作業等環節。

圖2 丸粒化葉菜種子精量播種Fig.2 Precision sowing of granulation leafy vegetables seeds

圖3 葉菜種苗自動化移植作業Fig.3 Automation transplantation operation of leafy vegetables seeding

圖4 生長在溫室栽培槽內的葉菜Fig.4 Leafy vegetables grown in greenhouse cultivation groove

圖6 水培葉菜生產中的物流化輸送作業Fig.6 Hydroponic leafy vegetables in the production of logistics transport

2.1 基質處理

基質處理勞動強度較大，歐洲設施園藝生產中基質混合均采用機械進行，小型企業采用批量基質攪拌機，大型企業采用基質混合生產線進行混合。基質處理還包括栽培基質的成形，歐洲水培葉菜種苗生產中，基質成型一般有兩種形式：一是利用基質填充機將基質填入穴盤成穴；二是利用基質塊成形設備將基質先壓制成基質薄片，再切割成基質塊并坐穴，以利播種定植種苗，如圖2(b)所示。

2.2 精量播種

一般葉菜種子籽粒小，外形不規則，對精量播種裝置要求很高，并經常導致精量播種質量不穩定。因此，精量播種前均對葉菜種子進行包衣丸粒化處理，一方面包衣材料中可添加病害防治元素，同時可大大改善精量播種的生產率和播種質量。圖2(a)為滾筒式精量播種機正在對丸粒化生菜種子進行單粒精量播種作業，圖2(b)為播入基質塊穴內的丸粒化種子。

2.3 種苗移植

葉菜種苗移植是指將完成培育的種苗由培育穴盤或基質塊托盤移植栽培槽的培養穴內，作業動作單一簡單，并附帶大量的苗盤、種苗和栽培槽的搬運工作，特別適合由機械來完成該環節的作業。圖3為機械化移植過程[10，24]。這是水培葉菜機械規模化生產系統中自動化程度最高的環節，在歐洲根據水培蔬菜種植企業的具體技術要求和不同經濟性考量，種苗移植機的形式也不同。圖3(a)為X-Y-Z型移植機，圖3(b)為機械手臂型移植機，前者結構較為復雜，但是設備成本較低；后者采用了工業現成產品機械手臂，移植機設計簡單，但是設備成本較高。圖3(c)為移植機的關鍵部件移植手作業情況。一般移植手根據水培葉菜生產的系統作業工藝要求，可同時移植6、8、10株種苗。圖中3(c)中，相鄰行栽培槽的穴位為錯位移植，其目的是在葉菜培育階段可以增加葉菜之間的間距,避免葉菜葉片長大后相互遮擋影響生長；另外，相鄰行栽培槽穴位也可不錯位，這樣葉菜小苗時不存在葉片相互遮擋，但是當葉菜葉片長大后，需要調整栽培槽的間距，以避免葉片間的遮擋。

2.4 葉菜收獲

移植入栽培槽的葉菜種苗在圖4(a)所示溫室日光及圖4(b)所示營養液提供方式下培育2周左右，即可進行收獲。如圖5(a)所示，水培葉菜收獲一般是將栽培槽送入一輸送線，栽培槽自動移動，采摘人員人工在輸送線上收獲葉菜裝入包裝袋，并放入一輸送帶送至裝箱車間；收獲后的栽培槽自動進入一清洗裝置，通過高壓噴頭噴水對栽培槽進行清潔，必要時還要進行消毒處理，如圖5(b)所示；裝袋后的葉菜進入裝箱車間后還要裝箱包裝再進入銷售市場，圖5(c)所示。

3 生產資材物流化輸送系統

設施園藝機械化生產一直以來的主要著眼點都集中在生產作業環節(如精量播種、種苗移植等方面)，傳統思想的核心是解決作業的勞動強度問題、提高作業生產率。近年以荷蘭為首的先進園藝生產系統除注重栽培生產的節點作業設備的開發外，還投入了大量的精力，借鑒工業上的物流化生產技術，結合不同栽培對象、不同栽培形式和栽培規模，開發出形式多樣的物流化生產裝備，物流化生產裝備的主要功能是連接各個節點作業裝備，實現各裝備之間生產資材的自動化輸送作業，從而真正實現了自動化生產，從總體上提高整體自動化生產系統的生產率，也才能夠真正減少生產人員和降低勞動強度[10]。

圖6(a)為溫室內葉菜種苗的自動輸送系統，該輸送系統可實現溫室種苗栽培區域與種苗移植機之間的種苗自動化搬運作業。圖6(b)為溫室內部聯排栽培槽自動搬運車，其功能是將種苗移植機與溫室葉菜栽培區域、葉菜栽培區域與葉菜收獲區域連接起來，實現多排栽培槽的自動輸送。栽培槽在溫室內的栽培過程中為保證先入先出，有一個由溫室一段進入另一端后移出的間歇式運動過程，運動速度由栽培時間決定，并且伴隨著葉菜的生長勢態，栽培槽的間距也是需要增加的。圖6(c)為溫室內部栽培區栽培槽聯排移動系統，其功能就是自動聯排移動栽培槽，并在特定的區域拉大栽培槽間的間距。圖6(d)為溫室內葉菜栽培區單排栽培槽輸送系統，功能是對于小型企業可作為葉菜收獲區域以單根形式自動輸送待收獲栽培槽。

4 對我國水培蔬菜自動化生產的啟示

1)隨著我國產業人口再分配的進一步推進，設施園藝生產采用自動化機械進行生產，是解決勞動力成本攀升效益下降、農業勞動力老齡化、農業從業者追求良好工作環境、規模化單一品種生產追求高效率等問題的有效方式，這在歐洲高勞動成本、低農業從業人數條件下，通過高自動化設施園藝生產取得效益的生產實踐中得到驗證。

2)設施園藝自動化生產裝備體系無法通過全套引進國外設備、針對國內的設施園藝生產來推廣應用。其原因：一是各個企業的生產系統有諸多個性因素，無法利用通用設備解決；二是園藝生產設備系統龐大，出現故障的概率非常大，國外的售后延遲嚴重；三是國外設備以國外的生產資材為標準進行設計，進入我國無法適應國內的生產資材，生產帶來諸多技術問題。因此，構建設施園藝水培蔬菜自動化物流生產系統，一定要立足國內自行開發，研學歐洲先進的生產作業裝備技術和物流化生產作業思想理念，結合我國水培蔬菜生產模式，優化完善葉菜丸粒化精量播種技術，開發研制葉菜種苗移植設備；針對不同水培葉菜生產企業及生產方式，量身定制開發設計物流化生產輸送系統，以提高生產效率，降低勞動強度，減少生產勞動力的需求，從而有效提高我國水培蔬菜生產的競爭力。

3)規劃和規范設施園藝生產模式及生產資材的規格，葉菜生產流程中規范化做得越好，設施園藝智能生產裝備對生產各環節作業的適應面才會越大，自動化機械生產才能有效推廣，這個工作需要農機、農藝專家配合、協作完成。

4)注重溫室內部物流輸送設備的開發，設施園藝生產中生產資材的輸送是一項工作量非常大的作業，并且勞動強度大[8，10]。另一方面，在節點上作業實現了自動化機械作業的條件下，缺少物流化自動輸送設備，僅靠人工搬運生產資材，再先進的節點裝備也難以實現設施園藝整體生產效率的提高。因此，針對規模化設施園藝生產，唯有節點作業裝備與物流化輸送設備配合開發，才可真正實現自動化生產，同時減少生產人員和降低勞動強度。

[1] 劉世哲，汪曉云,高麗紅.水培蔬菜的營養品質與安全性[J].農業工程技術,2016,36(19):42-45.

[2] 方煒.臺灣植物工廠產業發展與商業模式[J].農業工程技術,2016,36(1):68-74.

[3] 楊其長.植物工廠現狀與發展戰略[J].農業工程技術,2016,36(10):9-12.

[4] 賀冬仙.植物工廠的概念與國內外發展現狀[J].農業工程技術,2016,36(10):13-15.

[5] 連青龍,張躍峰,丁小明,等.我國北方設施蔬菜質量安全現狀與問題分析[J].中國蔬菜,2016(7):15-21.

[6] 蔣衛杰，鄧杰，余宏軍.設施園藝發展概況、存在問題與產業發展建議[J].中國農業科學,2015, 48(17): 3515-3523.

[7] 胡玥，金敏鳳，王全喜.不同無土栽培方式及其對蔬菜品質影響的研究進展[J].上海師范大學學報: 自然科學版,2016,44(6):672-680.

[8] 辜松.設施園藝生產裝備與技術[M].北京:中國農業出版社,2015.

[9] Dickson Despommier.垂直農場：城市發展新趨勢[M].臺北:馬可波羅文化,2015.

[10] 辜松，楊艷麗，張躍峰，等.荷蘭蔬菜種苗生產裝備系統發展現狀及對中國的啟示[J].農業工程學報,2013，29(14)：185-194.

[11] 蔡賞光.植物工廠：邁向21實際的設施園藝[M].新北:淑馨出版社,2013.

[12] 蔡賞光.現代田園與營養液栽培[M].新北:淑馨出版社,2014.

[13] 黃丹楓，葛體達.荷蘭溫室園藝對上海農業發展的借 鑒[J].上海交通大學學報：社會科學版，2008，26(5):351-362，801:75-88.

[14] 楊艷麗，江海宇，楊丹彤，等.水培葉菜自動化生產系統[J].現代農業裝備,2016(3):35-37,41.

[15] 楊艷麗，江海宇，楊丹彤，等.葉菜種苗移植機器人開發[J].現代農業裝備,2016(3):20-23.

[16] 于亞波,伍萍輝,馮青春,等.我國蔬菜育苗裝備研究應用現狀及發展對策[J].農機化研究,2017,39(6):1-6.

[17] 郭猛報，楊明金，劉斌，等.我國蔬菜 育苗產業現狀及發展動態[J].農機化研究,2015,37(1):250-253.

[18] 肖體瓊，何春霞，崔思遠，等.蔬菜生產機械化作業工藝研究[J].農機化研究,2016,38(3):259-262.

[19] 楊其長，張成波.植物工廠概論[M].北京：中國農業科技出版社，2005.

[20] 張軼婷，劉厚誠.日本植物工廠的關鍵技術及生產實例[J].農業工程技術,2016,36(10):29-33.

[21] 劉銘，張英杰，呂英民.荷蘭設施園藝的發展現狀[J].農業工程技術：溫室園藝，2010(8)：24-33.

[22] 張書謙，劉衛明.荷蘭溫室園藝技術的新發展[J].農業技術與裝備，2009(1)：18-19.

[23] 李中華，王國占，齊飛.我國設施農業發展現狀及發展思路[J].中國農機化，2012(1)：7-10.

[24] 辜松，張躍峰，丁小明，等.實用主義指引的施園藝工廠化—美國設施園藝產業考察紀實.農業程技術[J].農業工程技術,2016,36(13):17-20.

The Production System of Hydroponic Leafy Vegetables Mechanical Large-scale in European

Qin Sichun1, Gu Song2, Wang Yuewen2

(1.National Agricultural Exhibition Center, Beijing 100125, China；2. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642，China)

With the hydroponic leafy vegetables large-scale production, the paper introduces system and technology of the European hydroponic leafy vegetables production automation equipment. First, the paper show hydroponic technology efficient cycle production, the advantage of avoiding soil environmental pollution and the main process of hydroponic leafy vegetables. Based on hydroponic leafy vegetables processing, the paper introduced substrate processing link, precise seeding link, seedling transplant link, leafy vegetables harvest link and production materials automatic conveying equipment and technology by showing the objects images of in hydroponic leafy vegetables production in Europe . Contrast domestic hydroponic vegetables production mode and the specific national condition, proposed the researching and learning the advanced production equipment technology and logistics production operation idea. Combining the hydroponic vegetables production pattern, optimizing precision sowing technology of granulation leafy vegetables seeds, developed transplantation operation of leafy vegetables seeding equipment. Aimed at different hydroponic leafy vegetables production enterprises and production way, customized delivery system of logistics production . To improve the production efficiency, reduce labor intensity, reduce the production requirements of the labor force, improve the competitiveness of our country's hydroponic vegetable production.

hydroponic leafy vegetables; mechanization; large-scale; production system; European

2016-10-12

國家"863計劃"項目(2013AA10240603)

秦四春(1970-),男，黑龍江嫩江人，工程師，(E-mail) qsc@ciae.cn。

辜 松(1963-)，男，廣東汕頭人，教授，博士生導師，(E-mail)sgu666@sina.edu.cn。

S232.3

A

1003-188X(2017)12-0264-05