智能化葉菜管道水培系統研制與示范

徐志豪，時衛杰，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.浙江省農業科學院 蔬菜研究所，浙江 杭州 310021；2.桐鄉市鳳鳴衛杰家庭農場，浙江 桐鄉 314500；3.華南農業大學 環境資源學院，廣東 廣州 510642；4.桐鄉市農業農村局，浙江 桐鄉 314500；5.桐鄉市鳳鳴街道農業經濟服務中心，浙江 桐鄉 314500)

蔬菜是人們日常生活中不可或缺的副食品。人們身體所需的碳水化合物、蛋白質等營養物質主要由大米、小麥、肉類、魚類供給，而其他必需營養素如礦物質、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、大白菜等耐運輸的蔬菜容易從外地輸入供應市場，而葉菜類蔬菜則主要由本地生產供應。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與供應。

蔬菜水培是把蔬菜種植在營養液中的一種工廠化生產技術。與傳統的土壤種植相比，蔬菜水培具有許多優點：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，產品清潔衛生無污染；無土栽培不需要中耕、翻地、鋤草等作業，大大減輕了勞動強度，省力省工；蔬菜所需的營養元素由營養液提供，營養成分均衡，吸收利用率高，作物生長發育健壯，生長勢強，產量高。蔬菜的水培生產，容易結合融入自動化、信息化、智能化技術，提升農業現代化水平[1-3]。

為了提高蔬菜生產效率，滿足人們對優質蔬菜的需求，我們研制了一種蔬菜營養液水培系統，并在桐鄉市鳳鳴街道基地進行示范應用。經過多次技術改造提升，形成了一套比較完整的智能化管道水培系統和葉菜高效栽培技術體系，在蔬菜生產中得以應用。

1 材料與方法

水培系統為高架管道營養液膜技術(nutrient film technique，NFT)系統，由種植管、床架、營養液池、營養液輸液回液系統以及智能化控制系統等組成。

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。

營養液池為水泥磚石結構，長2 m，寬1.5 m，深1.7 m，一次儲水4 m3。

營養液輸液回液系統由PVC管組成。營養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。營養液流經種植管為作物提供水分和養分，多余的營養液匯集到集液槽然后通過回液管回到營養液池。在回液管排液口安裝一個無紡布過濾袋，收集回流營養液中的殘留根系與基質等雜物。

營養液智能化控制系統由數字化配肥機，營養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等環境參數在線測量模塊，無線通訊模塊等組成。營養液參數和溫室環境參數匯集到數據云平臺進行處理，并通過手機APP設定參數和控制。

2 研究結果

2.1 適宜蔬菜類型

智能化葉菜類管道水培系統主要以生產葉菜類為主，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。并根據季節和市場需求，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、計劃上市的要求。

2.2 省力化種植流程

為了提高水培蔬菜生產效率，我們采用工廠化基質穴盤育苗方法培育蔬菜苗，再移栽到水培系統的種植管中。蔬菜種子經過處理后，由播種流水線自動播種到穴盤中。育苗基質是以泥炭為主的專用育苗基質，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要求。播種后的穴盤放在大棚內育苗。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，根據基質水分情況和菜苗生長勢酌情補充水分或營養液。播種后15～25 d，當菜苗5 cm高，約4葉期時，連基質塊一起移栽到水培種植床管道中。

2.3 高鹽水源配制營養液技術

在水培蔬菜生產過程中我們發現當地自來水的含鹽量很高，其電導率(EC)可達850 μS·cm-1，pH為7.8～8.3。用自來水配制營養液，蔬菜經常出現葉片發黃，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液配制技術研究。以純凈水配制的營養液為對照，用高鹽水源配制農場舊有配方和新設計的改良營養液配方，種植水培日本小松菜、生菜、青菜等蔬菜。研究發現，以高鹽水源配制農場舊有配方的處理，pH 7.13～7.85；小松菜葉色較淡、有缺素現象，單株重為160 g。而采用高鹽水源配制的改良營養液配方處理，營養液pH接近純凈水配制的營養液處理，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，比高鹽水源配制農場舊有配方的處理增加產量13%～14%。

2.4 營養液自動配肥系統

最初的水培系統沒有營養液自動配肥機，蔬菜水培系統的補水、補肥、調整酸堿度等營養液管理需要人工操作，每日需要4～5 h花費在營養液調整上。不僅工作量大而繁瑣，費時費力，而且由于調整不及時，營養液濃度與酸堿度變化大，不利于蔬菜生長。根據蔬菜水培系統特點和水培農場生產管理要求，我們研究提出營養液自動配肥機的技術方案與技術指標，委托塔金麥智慧農業有限公司組裝生產了2臺營養液自動配肥機。

營養液自動配肥機采用模塊化設計，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)，自動補水到設定水位；(2)營養液控制模塊：自動測定營養液的pH和EC，四通道定量泵分別補充母液A、B、C和酸液，自動調整pH、EC到設定值(pH精度為±0.5，EC精度為±0.1 mS·cm-1)；(3)營養液供給模塊：潛水泵將營養液送到栽培床；(4)環境測定模塊：大棚內溫度、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，在手機上可以調整和控制營養液參數(圖1)。

圖1 自動配肥系統參數操作界面

通過技術攻關，研制的2套營養液自動配肥機實現了以下功能：(1)每隔10 min自動讀取水位、pH和EC，根據測定值和設定值的差異，自動補水、補充營養液母液和酸液，保持營養液水位、電導率和酸堿度；(2)實時測定營養液溫度、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。蔬菜水培營養液自動配肥機經過一年多的生產應用，設備穩定，性能達到了設計要求。

2.5 水培蔬菜營養液自動管理技術

利用研制的水培蔬菜營養液自動配肥機，比較研究了營養液自動調控與人工調控條件下的營養液電導率、酸堿度的變化動態。研究結果表明，在人工調控處理中，隨著作物生長、吸收，營養液水位下降很快，2 d內營養液數量減少38%，營養液電導率從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，就需要對營養液進行人工補水和配肥。由于人工調控處理的營養液電導率變化大，pH上升快，一直徘徊在堿性條件，蔬菜容易出現缺鐵、缺鈣等生理性障礙，影響了蔬菜產量和商品性。

在使用水培蔬菜營養液自動配肥機進行營養液自動調控后，營養液池的液位比較穩定，保持在149.7～150.3 cm，正負誤差在0.3 cm；營養液pH一直保持在5.97～6.05，與目標設定值pH 6.0相差很少，達到pH精度±0.5的設計要求；營養液電導率一直保持在1.795～1.805 mS·cm-1，與目標設定值1.800 mS·cm-1相差0.005 mS·cm-1，達到精度±0.1 mS·cm-1的設計要求。采用營養液自動配肥機進行營養液自動管理，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，較原先營養液采用人工調控方法，蔬菜生長時間縮短5～7 d。

2.6 蔬菜高效水培種植技術

播種育苗：采用工廠化基質穴盤育苗方法培育蔬菜苗，再移栽到水培系統的種植管中。蔬菜種子經過處理后，由播種流水線自動播種到穴盤中。育苗基質是以泥炭為主的專用育苗基質，采用200孔的穴盤。播種后的穴盤放在大棚內育苗。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，根據基質水分情況和菜苗生長勢酌情補充水分或營養液。播種后15～25 d，當菜苗5 cm高，約4葉期時，連基質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，應盡量延長育苗期種植大苗，以縮短水培種植床的種植天數，增加茬口次數。

圖2 輕簡化移栽技術

營養液管理：采用水培蔬菜營養液自動配肥機進行營養液自動調控，根據蔬菜生長階段，設定營養液電導率和酸堿度目標值。剛定植的幼苗期，營養液電導率控制在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。整個栽培期營養液的pH值用稀硫酸控制在5.8～6.5。營養液池的水位，一般預留20%空間，以免農場停電時從種植床流回的營養液漫出營養液池。蔬菜水培期間，栽培床的營養液一直流動，保持1 cm水位。平時日常管理要注意觀察栽培床上營養液供給情況，出現出水孔堵塞或噴出床外，要及時處理。營養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，當棚內溫度達到28 ℃時拉開遮陽網，棚溫持續提高到30 ℃時，開啟水簾風機降溫。

病蟲害管理：防治策略是管好種子、育苗基質、育苗設備、栽培床、肥料等環節，從源頭防止病菌、蟲源進入大棚和水培系統。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防蟲網；工人和參觀者進出大棚時特別強調管好大棚進出口，防止飛蟲進入；大棚內懸掛黃板誘蟲；加強平時田間巡視，發現飛蟲及時撲殺；加強通風降低濕度、減少病害發生；發現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。空心菜、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冷和根據客戶要求計量和包裝。空出的水培床及時清理植株殘余物，對栽培床消毒和定植新的蔬菜苗。

2.7 建立數字化全程可追溯的安全生產管理體系

為了保證水培蔬菜產品的安全，農場制定了《水培農場生產管理制度》《蔬菜綠色高效水培技術規程》《水培蔬菜工廠化育苗技術操作規程》。對農場各個水培種植床與育苗床標記定位二維碼。每批蔬菜從種子育苗開始，即給予編號與定位，監控整個生產過程的肥水管理、病蟲防控和植株生長情況。每周向銷售團隊預報下周與下個月的預期采收品類與數量。除了生產團隊和銷售團隊可以監控外，客戶也可以通過視頻查看水培蔬菜生產現場。農場除了認真做好田間記錄，規范使用農業投入品，送樣檢測農藥殘留等工作，還要根據農業農業局與農產品質量監管部門和銷售團隊的要求取樣測定農藥殘留。

2.8 主要水培蔬菜生長期與產量

農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。大多數蔬菜在水培床上種植時間在30～35 d，一年茬口次數為10次，年產量為20 000～30 000 kg·667 m-2。農場每年水培蔬菜生產量約為15萬kg(圖3)。

圖3 智能化葉菜管道水培系統規模化生產

3 討論

通過四年來水培蔬菜種植生產實踐，我們認為水培蔬菜具有蔬菜鮮嫩、纖維少、口感好、品質優，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，提高土地和設施利用率。生產過程中，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，極大改變了傳統蔬菜種植費工費時的問題，對今后農業生產現代化有很好的引領作用。與以往傳統的蔬菜水培系統相比，我們研制的智能化葉菜類管道水培系統還有幾個顯著創新點：

其一是育苗種植方式的創新。在傳統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盤中，待苗有2～3片真葉，將苗挖出，洗掉根系上的基質，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個明顯的優勢。一是能夠利用工廠化穴盤育苗技術優勢，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；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。

其二是營養液調控系統與智能化管理技術。采用水培蔬菜營養液自動配肥機進行營養液自動調控，根據蔬菜生長階段，設定營養液電導率和酸堿度目標值。營養液通過自動補水、配肥、調酸，營養液的液位、電導率和酸堿度穩定，為蔬菜提供了良好的根系生長環境與營養肥料，蔬菜生長快、葉色株型正常，品質和商品性好。同時，也解決了傳統蔬菜水培系統需要大容量營養液池以及每日花費大量時間人工調整營養液的問題。

其三，建立了數字化全程可追溯的安全生產管理體系，通過對農場各個水培種植床與育苗床標記定位二維碼，對每批蔬菜從種子育苗開始，即給予編號與定位，監控整個生產過程的肥水管理、病蟲防控和植株生長情況。不僅方便了農場種植計劃安排、生產管理和上市安排，更有利于蔬菜安全生產和監督管理。

蔬菜水培種植是一項引領現代農業的新技術，在面對未來農業勞動力結構調整、農業規模化與省力化發展、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，管理技術要求高，大量蔬菜上市，對銷售壓力大。僅靠家庭農場主體也很難全面解決投資、技術、市場等方面的問題。為了促進水培蔬菜產業的健康穩定發展，需要政府、科技部門、產業各方進行協同合作。

其一，政府方面可以在農業政策、資金扶持、土地規劃和技術團隊搭橋等方面給予更多的支持。市場銷售方面，最好通過與專業營銷團隊合作。家庭農場的業主往往是傳統農民，本身對市場營銷不熟悉。當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，效果更好。

其二是技術支持。蔬菜水培是一種集約化程度較高的新技術。對于多數農場業主來說，從傳統的土壤種植改為水培種植，規模擴大，設備繁多，蔬菜播種、水培床種植、營養液管理等都要重新學習，需要有經驗的技術團隊支持。

其三是農場管理。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。需要加強農場員工的培訓和技術輔導，強調規范化管理。