秦四春，辜 松，王躍文

(1.全國農(nóng)業(yè)展覽館，北京 100125；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

歐洲水培葉菜機(jī)械規(guī)模化生產(chǎn)系統(tǒng)

秦四春1，辜 松2，王躍文2

(1.全國農(nóng)業(yè)展覽館，北京 100125；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

針對水培葉菜規(guī)?；a(chǎn)，介紹了歐洲水培葉菜自動(dòng)化生產(chǎn)裝備系統(tǒng)與技術(shù)。首先，說明水培技術(shù)高效循環(huán)生產(chǎn)、避免土壤環(huán)境污染的優(yōu)勢，論述了水培葉菜的主要作業(yè)流程?；谒嗳~菜作業(yè)流程，通過實(shí)物圖片介紹了歐洲水培葉菜生產(chǎn)中基質(zhì)處理、精量播種、種苗移植、葉菜收獲和生產(chǎn)資材自動(dòng)輸送等環(huán)節(jié)裝備和技術(shù)。對比國內(nèi)水培蔬菜的生產(chǎn)模式與具體國情，提出了研學(xué)歐洲先進(jìn)的生產(chǎn)作業(yè)裝備技術(shù)和物流化生產(chǎn)作業(yè)思想理念，結(jié)合我國水培蔬菜生產(chǎn)模式，優(yōu)化完善葉菜丸?；坎シN技術(shù)，開發(fā)研制葉菜種苗移植設(shè)備，針對不同水培葉菜生產(chǎn)企業(yè)及生產(chǎn)方式，量身定制開發(fā)設(shè)計(jì)物流化生產(chǎn)輸送系統(tǒng)，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少生產(chǎn)勞動(dòng)力的目的，有效提高我國水培蔬菜生產(chǎn)的競爭力。

水培葉菜；機(jī)械化；規(guī)?；?；生產(chǎn)系統(tǒng)；歐洲

0 引言

水培是通過特定設(shè)施營造相對封閉、儲(chǔ)放營養(yǎng)液的環(huán)境，使植物根部生長所需水肥氣熱等條件保持相對穩(wěn)定，全部或部分根系浸泡在營養(yǎng)液中的栽培方法[1]。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，在相對封閉的設(shè)施內(nèi)為植物床創(chuàng)造了相對優(yōu)越的生長條件，避免了氣象災(zāi)害、自然界物種競爭等惡劣環(huán)境；另一方面，相對封閉的環(huán)境條件還保護(hù)植物免受外界土壤環(huán)境的各種污染，可以生產(chǎn)出污染小、產(chǎn)量高、品質(zhì)好、批次多的葉菜[1-7]。采用日光進(jìn)行水培蔬菜栽培生產(chǎn)，歐洲歷經(jīng)了多年的機(jī)械化生產(chǎn)實(shí)踐，走過人工生產(chǎn)到自動(dòng)化生產(chǎn)的道路[8-13]，我國在水培蔬菜方面也經(jīng)歷多年的生產(chǎn)實(shí)踐，但是在自動(dòng)化生產(chǎn)方面還處于初級(jí)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(tǒng)。

1 水培葉菜生產(chǎn)流程

水培葉菜種苗一般采用基質(zhì)培育，因此作業(yè)環(huán)節(jié)首先是對種苗基質(zhì)的處理，包括基質(zhì)攪拌和基質(zhì)成形或穴盤基質(zhì)填充，為精量播種提供栽種對象?；|(zhì)準(zhǔn)備完成后，即在每個(gè)基質(zhì)塊/穴內(nèi)精量播種1～3粒葉菜種子，進(jìn)行種子覆蓋和澆水。完成播種后的基質(zhì)送入溫室，在溫室內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽、培育，直至達(dá)到可移植的狀態(tài)。一般水培葉菜種苗培育不采用水培法，仍是傳統(tǒng)基質(zhì)植栽培法。葉菜種苗培育完成后，需將種苗移植至栽培槽內(nèi)，進(jìn)入水培階段；經(jīng)過2周左右的日光培育，葉菜達(dá)到成熟采摘狀態(tài)后，進(jìn)行收獲切掉掉根系，并裝入包裝袋，進(jìn)入速冷后冷藏等待出售。水培葉菜的生產(chǎn)作業(yè)流程如圖1所示[14,19-22]。

圖1 水培葉菜生產(chǎn)作業(yè)流程Fig.1 The flow chart of hydroponic leafy vegetables production

2 水培葉菜自動(dòng)化生產(chǎn)裝備與技術(shù)

歐洲水培葉菜生產(chǎn)企業(yè)為滿足規(guī)?；a(chǎn)的要求，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少生產(chǎn)用工以提高競爭能力，在生產(chǎn)中廣泛引入工業(yè)技術(shù)[21-22]，針對基礎(chǔ)處理勞動(dòng)強(qiáng)度大、葉菜種苗移植作業(yè)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(fā)出自動(dòng)化物流生產(chǎn)體系，主要設(shè)備如圖2～圖6所示[5-6]。自動(dòng)生產(chǎn)裝備主要涵蓋基質(zhì)處理、精量播種、種苗移植、栽培槽搬運(yùn)及葉菜收獲作業(yè)等環(huán)節(jié)。

圖2 丸?；~菜種子精量播種Fig.2 Precision sowing of granulation leafy vegetables seeds

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

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

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

2.1 基質(zhì)處理

基質(zhì)處理勞動(dòng)強(qiáng)度較大，歐洲設(shè)施園藝生產(chǎn)中基質(zhì)混合均采用機(jī)械進(jìn)行，小型企業(yè)采用批量基質(zhì)攪拌機(jī)，大型企業(yè)采用基質(zhì)混合生產(chǎn)線進(jìn)行混合。基質(zhì)處理還包括栽培基質(zhì)的成形，歐洲水培葉菜種苗生產(chǎn)中，基質(zhì)成型一般有兩種形式：一是利用基質(zhì)填充機(jī)將基質(zhì)填入穴盤成穴；二是利用基質(zhì)塊成形設(shè)備將基質(zhì)先壓制成基質(zhì)薄片，再切割成基質(zhì)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(guī)則，對精量播種裝置要求很高，并經(jīng)常導(dǎo)致精量播種質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，精量播種前均對葉菜種子進(jìn)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(shí)可大大改善精量播種的生產(chǎn)率和播種質(zhì)量。圖2(a)為滾筒式精量播種機(jī)正在對丸?；朔N子進(jìn)行單粒精量播種作業(yè)，圖2(b)為播入基質(zhì)塊穴內(nèi)的丸?；N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(zhì)塊托盤移植栽培槽的培養(yǎng)穴內(nèi)，作業(yè)動(dòng)作單一簡單，并附帶大量的苗盤、種苗和栽培槽的搬運(yùn)工作，特別適合由機(jī)械來完成該環(huán)節(jié)的作業(yè)。圖3為機(jī)械化移植過程[10，24]。這是水培葉菜機(jī)械規(guī)模化生產(chǎn)系統(tǒng)中自動(dòng)化程度最高的環(huán)節(jié)，在歐洲根據(jù)水培蔬菜種植企業(yè)的具體技術(shù)要求和不同經(jīng)濟(jì)性考量，種苗移植機(jī)的形式也不同。圖3(a)為X-Y-Z型移植機(jī)，圖3(b)為機(jī)械手臂型移植機(jī)，前者結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但是設(shè)備成本較低；后者采用了工業(yè)現(xiàn)成產(chǎn)品機(jī)械手臂，移植機(jī)設(shè)計(jì)簡單，但是設(shè)備成本較高。圖3(c)為移植機(jī)的關(guān)鍵部件移植手作業(yè)情況。一般移植手根據(jù)水培葉菜生產(chǎn)的系統(tǒng)作業(yè)工藝要求，可同時(shí)移植6、8、10株種苗。圖中3(c)中，相鄰行栽培槽的穴位為錯(cuò)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(cuò)位，這樣葉菜小苗時(shí)不存在葉片相互遮擋，但是當(dāng)葉菜葉片長大后，需要調(diào)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(yǎng)液提供方式下培育2周左右，即可進(jìn)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(dòng)移動(dòng)，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(dòng)進(jìn)入一清洗裝置，通過高壓噴頭噴水對栽培槽進(jìn)行清潔，必要時(shí)還要進(jìn)行消毒處理，如圖5(b)所示；裝袋后的葉菜進(jìn)入裝箱車間后還要裝箱包裝再進(jìn)入銷售市場，圖5(c)所示。

3 生產(chǎn)資材物流化輸送系統(tǒng)

設(shè)施園藝機(jī)械化生產(chǎn)一直以來的主要著眼點(diǎn)都集中在生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)(如精量播種、種苗移植等方面)，傳統(tǒng)思想的核心是解決作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度問題、提高作業(yè)生產(chǎn)率。近年以荷蘭為首的先進(jìn)園藝生產(chǎn)系統(tǒng)除注重栽培生產(chǎn)的節(jié)點(diǎn)作業(yè)設(shè)備的開發(fā)外，還投入了大量的精力，借鑒工業(yè)上的物流化生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合不同栽培對象、不同栽培形式和栽培規(guī)模，開發(fā)出形式多樣的物流化生產(chǎn)裝備，物流化生產(chǎn)裝備的主要功能是連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)作業(yè)裝備，實(shí)現(xiàn)各裝備之間生產(chǎn)資材的自動(dòng)化輸送作業(yè)，從而真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，從總體上提高整體自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)率，也才能夠真正減少生產(chǎn)人員和降低勞動(dòng)強(qiáng)度[10]。

圖6(a)為溫室內(nèi)葉菜種苗的自動(dòng)輸送系統(tǒng)，該輸送系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫室種苗栽培區(qū)域與種苗移植機(jī)之間的種苗自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)。圖6(b)為溫室內(nèi)部聯(lián)排栽培槽自動(dòng)搬運(yùn)車，其功能是將種苗移植機(jī)與溫室葉菜栽培區(qū)域、葉菜栽培區(qū)域與葉菜收獲區(qū)域連接起來，實(shí)現(xiàn)多排栽培槽的自動(dòng)輸送。栽培槽在溫室內(nèi)的栽培過程中為保證先入先出，有一個(gè)由溫室一段進(jìn)入另一端后移出的間歇式運(yùn)動(dòng)過程，運(yùn)動(dòng)速度由栽培時(shí)間決定，并且伴隨著葉菜的生長勢態(tài)，栽培槽的間距也是需要增加的。圖6(c)為溫室內(nèi)部栽培區(qū)栽培槽聯(lián)排移動(dòng)系統(tǒng)，其功能就是自動(dòng)聯(lián)排移動(dòng)栽培槽，并在特定的區(qū)域拉大栽培槽間的間距。圖6(d)為溫室內(nèi)葉菜栽培區(qū)單排栽培槽輸送系統(tǒng)，功能是對于小型企業(yè)可作為葉菜收獲區(qū)域以單根形式自動(dòng)輸送待收獲栽培槽。

4 對我國水培蔬菜自動(dòng)化生產(chǎn)的啟示

1)隨著我國產(chǎn)業(yè)人口再分配的進(jìn)一步推進(jìn)，設(shè)施園藝生產(chǎn)采用自動(dòng)化機(jī)械進(jìn)行生產(chǎn)，是解決勞動(dòng)力成本攀升效益下降、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力老齡化、農(nóng)業(yè)從業(yè)者追求良好工作環(huán)境、規(guī)?；瘑我黄贩N生產(chǎn)追求高效率等問題的有效方式，這在歐洲高勞動(dòng)成本、低農(nóng)業(yè)從業(yè)人數(shù)條件下，通過高自動(dòng)化設(shè)施園藝生產(chǎn)取得效益的生產(chǎn)實(shí)踐中得到驗(yàn)證。

2)設(shè)施園藝自動(dòng)化生產(chǎn)裝備體系無法通過全套引進(jìn)國外設(shè)備、針對國內(nèi)的設(shè)施園藝生產(chǎn)來推廣應(yīng)用。其原因：一是各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)有諸多個(gè)性因素，無法利用通用設(shè)備解決；二是園藝生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)龐大，出現(xiàn)故障的概率非常大，國外的售后延遲嚴(yán)重；三是國外設(shè)備以國外的生產(chǎn)資材為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)入我國無法適應(yīng)國內(nèi)的生產(chǎn)資材，生產(chǎn)帶來諸多技術(shù)問題。因此，構(gòu)建設(shè)施園藝水培蔬菜自動(dòng)化物流生產(chǎn)系統(tǒng)，一定要立足國內(nèi)自行開發(fā)，研學(xué)歐洲先進(jìn)的生產(chǎn)作業(yè)裝備技術(shù)和物流化生產(chǎn)作業(yè)思想理念，結(jié)合我國水培蔬菜生產(chǎn)模式，優(yōu)化完善葉菜丸?；坎シN技術(shù)，開發(fā)研制葉菜種苗移植設(shè)備；針對不同水培葉菜生產(chǎn)企業(yè)及生產(chǎn)方式，量身定制開發(fā)設(shè)計(jì)物流化生產(chǎn)輸送系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少生產(chǎn)勞動(dòng)力的需求，從而有效提高我國水培蔬菜生產(chǎn)的競爭力。

3)規(guī)劃和規(guī)范設(shè)施園藝生產(chǎn)模式及生產(chǎn)資材的規(guī)格，葉菜生產(chǎn)流程中規(guī)范化做得越好，設(shè)施園藝智能生產(chǎn)裝備對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)作業(yè)的適應(yīng)面才會(huì)越大，自動(dòng)化機(jī)械生產(chǎn)才能有效推廣，這個(gè)工作需要農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝專家配合、協(xié)作完成。

4)注重溫室內(nèi)部物流輸送設(shè)備的開發(fā)，設(shè)施園藝生產(chǎn)中生產(chǎn)資材的輸送是一項(xiàng)工作量非常大的作業(yè)，并且勞動(dòng)強(qiáng)度大[8，10]。另一方面，在節(jié)點(diǎn)上作業(yè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化機(jī)械作業(yè)的條件下，缺少物流化自動(dòng)輸送設(shè)備，僅靠人工搬運(yùn)生產(chǎn)資材，再先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)裝備也難以實(shí)現(xiàn)設(shè)施園藝整體生產(chǎn)效率的提高。因此，針對規(guī)模化設(shè)施園藝生產(chǎn)，唯有節(jié)點(diǎn)作業(yè)裝備與物流化輸送設(shè)備配合開發(fā)，才可真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)減少生產(chǎn)人員和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1] 劉世哲，汪曉云,高麗紅.水培蔬菜的營養(yǎng)品質(zhì)與安全性[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2016,36(19):42-45.

[2] 方煒.臺(tái)灣植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展與商業(yè)模式[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2016,36(1):68-74.

[3] 楊其長.植物工廠現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2016,36(10):9-12.

[4] 賀冬仙.植物工廠的概念與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2016,36(10):13-15.

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

[6] 蔣衛(wèi)杰，鄧杰，余宏軍.設(shè)施園藝發(fā)展概況、存在問題與產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),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(zhì)影響的研究進(jìn)展[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2016,44(6):672-680.

[8] 辜松.設(shè)施園藝生產(chǎn)裝備與技術(shù)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2015.

[9] Dickson Despommier.垂直農(nóng)場：城市發(fā)展新趨勢[M].臺(tái)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(chǎn)裝備系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及對中國的啟示[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013，29(14)：185-194.

[11] 蔡賞光.植物工廠：邁向21實(shí)際的設(shè)施園藝[M].新北:淑馨出版社,2013.

[12] 蔡賞光.現(xiàn)代田園與營養(yǎng)液栽培[M].新北:淑馨出版社,2014.

[13] 黃丹楓，葛體達(dá).荷蘭溫室園藝對上海農(nóng)業(yè)發(fā)展的借 鑒[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)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(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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(jī)器人開發(fā)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(6):1-6.

[17] 郭猛報(bào)，楊明金，劉斌，等.我國蔬菜 育苗產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(1):250-253.

[18] 肖體瓊，何春霞，崔思遠(yuǎn)，等.蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)工藝研究[J].農(nóng)機(jī)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(nóng)業(yè)科技出版社，2005.

[20] 張軼婷，劉厚誠.日本植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)及生產(chǎn)實(shí)例[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2016,36(10):29-33.

[21] 劉銘，張英杰，呂英民.荷蘭設(shè)施園藝的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝，2010(8)：24-33.

[22] 張書謙，劉衛(wèi)明.荷蘭溫室園藝技術(shù)的新發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2009(1)：18-19.

[23] 李中華，王國占，齊飛.我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012(1)：7-10.

[24] 辜松，張躍峰，丁小明，等.實(shí)用主義指引的施園藝工廠化—美國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)考察紀(jì)實(shí).農(nóng)業(yè)程技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),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(jì)劃"項(xiàng)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(dǎo)師，(E-mail)sgu666@sina.edu.cn。

S232.3

A

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