綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究

黃丹楓，張凱

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，200240）

綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究

黃丹楓，張凱

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，200240）

黃丹楓

博士，上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院植物科學(xué)系教授，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物工程訓(xùn)練中心主任，上海市重點(diǎn)學(xué)科蔬菜學(xué)科帶頭人，教育部園藝學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)成員，上海交通大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，享受國務(wù)院特殊津貼。主持國家科技支撐計(jì)劃、“863”計(jì)劃重點(diǎn)課題、科技部農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化、上海市科技興農(nóng)重點(diǎn)攻關(guān)等科研項(xiàng)目；獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)多項(xiàng)。發(fā)表SCI等優(yōu)秀論文100余篇，主編《現(xiàn)代溫室園藝》、《工廠化育苗理論與技術(shù)》、《觀賞蔬菜》等學(xué)術(shù)專著。曾獲上海市優(yōu)秀青年科技啟明星、全國優(yōu)秀教師、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、上海市巾幗創(chuàng)新獎(jiǎng)、全國三八紅旗手、全國優(yōu)秀科技工作者、科技部世博科技先進(jìn)個(gè)人等榮譽(yù)稱號(hào)。

圍繞綠葉蔬菜的清潔高效生產(chǎn)和均衡供應(yīng)需求，借鑒日本、荷蘭等國家植物工廠發(fā)展的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和技術(shù)突破點(diǎn)，以小白菜的工廠化生產(chǎn)為例，綜述了品種選擇、基質(zhì)研發(fā)、肥水運(yùn)籌、節(jié)能生產(chǎn)、綠色防控、物流加工、質(zhì)量管理等關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)研究進(jìn)展，探索符合中國國情的有機(jī)生態(tài)型綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)的可行性。

綠葉蔬菜；工廠化生產(chǎn)；清潔高效生產(chǎn)；關(guān)鍵技術(shù)

1 綠色蔬菜工廠化生產(chǎn)需求

綠葉蔬菜的清潔高效生產(chǎn)，是我國蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展難度最大、與人民群眾的日常生活休戚相關(guān)的問題。由于勞動(dòng)力缺乏，勞動(dòng)強(qiáng)度大，青壯年農(nóng)民對(duì)綠葉菜的生產(chǎn)望而生畏，周年均衡供應(yīng)的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)；能源和資源問題，也限制了綠葉蔬菜的生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和市場(chǎng)變化的抗波動(dòng)能力[1～3]。因此，尋找綠葉蔬菜清潔高效生產(chǎn)的解決方案，成為城市蔬菜供應(yīng)、設(shè)施蔬菜生產(chǎn)發(fā)展的一個(gè)重要課題[4，5]。

綜合應(yīng)用工程技術(shù)、信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)生物技術(shù)成果，研究和發(fā)展機(jī)械化、工廠化兩大生產(chǎn)體系，有可能突破傳統(tǒng)的綠葉蔬菜生產(chǎn)模式，大大提高生產(chǎn)效率，提高能源和資源利用率，實(shí)現(xiàn)綠葉菜的清潔高效生產(chǎn)和周年均衡供應(yīng)[6～8]。本文以小白菜生產(chǎn)工廠為例，分析和論述綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)的核心設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)，探討我國綠葉蔬菜工廠的發(fā)展方向和技術(shù)突破難點(diǎn)。

2 國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)借鑒

2.1 荷蘭日光型植物工廠

荷蘭溫室園藝作物生產(chǎn)工廠，值得借鑒的主要包括以下幾個(gè)方面：①溫室物流系統(tǒng)建設(shè)，自動(dòng)化的物流系統(tǒng)能夠有效保障生產(chǎn)環(huán)境清潔。②高效生產(chǎn)的設(shè)備配置，綠葉蔬菜生產(chǎn)的必要設(shè)備有播種機(jī)、催芽室、基質(zhì)填料系統(tǒng)、灌溉和營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、苗床清潔系統(tǒng)、收獲與包裝流水線等，可根據(jù)投資能力進(jìn)行選擇。③宜采用日光利用型植物生產(chǎn)系統(tǒng)。多數(shù)綠葉蔬菜不需強(qiáng)光照，玻璃溫室或塑料覆蓋材料能滿足其光照需求，采用半封閉的溫室結(jié)構(gòu)，頂開窗安裝防蟲網(wǎng)、側(cè)窗通風(fēng)或噴霧降溫，采暖系統(tǒng)、雙層遮蔭保溫簾幕等可供選擇。④采用溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)和生長調(diào)控設(shè)備，包括溫度、濕度、CO2等環(huán)境傳感器，生長控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行和生產(chǎn)管理軟件。這部分是關(guān)鍵技術(shù)集成內(nèi)容，要求通風(fēng)降溫、噴霧、采暖等溫室設(shè)施良好。溫室環(huán)境管理和施肥灌溉決策等取決于設(shè)備與技術(shù)的雙重保障[9]。

荷蘭綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)的成功經(jīng)驗(yàn)包括Venlo型玻璃溫室結(jié)構(gòu)、具有決策支持功能的PRIVA溫室環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以及作物生長發(fā)育模型的應(yīng)用。

2.2 日本CPPS植物生產(chǎn)系統(tǒng)

日本植物工廠以CPPS（Closed-type Plant Production Systems）為代表，CPPS通過設(shè)施內(nèi)高精度的環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)高效生產(chǎn)，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受或很少受自然條件制約，勞動(dòng)力投入極少[10～13]。CPPS的特點(diǎn)是覆蓋材料密閉性強(qiáng)，屋頂及墻壁材料不透光，隔熱性較好，采用高壓鹵燈、高鈉燈、高頻熒光燈或者發(fā)光二極管（LED）等新型光源[14]，栽培作物在線檢測(cè)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下，通過連續(xù)監(jiān)測(cè)和信息處理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)光照、營養(yǎng)液供應(yīng)等管理操作。

CPPS植物生產(chǎn)系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性、生產(chǎn)智能控制方面更具特色，其與荷蘭日光型植物工廠相比，具有以下特點(diǎn)：①在完全人工環(huán)境下進(jìn)行植物生產(chǎn)，植物不再依賴于陽光生長；通過人工光照，作物在多層培養(yǎng)架上生長，高效利用空間，生產(chǎn)面積利用率是常規(guī)溫室的2～5倍[15]；②封閉式的生產(chǎn)管理，不使用殺菌劑、殺蟲劑，無污染，種植的蔬菜營養(yǎng)安全、質(zhì)量好、價(jià)格高；③在適宜的生長條件下，植物生長周期大大縮短，生產(chǎn)效率高，如CPPS中栽培的生菜從種植到采收僅需30 d左右，比常規(guī)栽培縮短30%～50%[16]；④高度智能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)貫穿作物從生產(chǎn)到包裝的全過程，勞動(dòng)力投入更少。

2.3 建立中國綠色蔬菜生產(chǎn)工廠需解決的問題

我國是綠葉蔬菜生產(chǎn)品種最為豐富、產(chǎn)量最大、消費(fèi)量最大的國家，學(xué)習(xí)荷蘭、日本等發(fā)達(dá)國家植物工廠的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)根據(jù)中國的蔬菜生產(chǎn)特點(diǎn)和市場(chǎng)需求，創(chuàng)造一個(gè)適合中國國情的、經(jīng)濟(jì)高效、生態(tài)環(huán)保的綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)技術(shù)體系。

建立我國綠葉蔬菜生產(chǎn)工廠，需要解決以下問題：①達(dá)到生產(chǎn)成本與銷售價(jià)格的平衡點(diǎn)，綠葉蔬菜市場(chǎng)價(jià)格敏感，工廠化生產(chǎn)的前期投入高、生產(chǎn)成本高，使投資者裹足不前。②在借鑒國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)上，決定建立綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)技術(shù)體系的關(guān)鍵點(diǎn)，如我國南方和北方地區(qū)的綠葉蔬菜消費(fèi)差異大，氣候生產(chǎn)條件差異大，作物種類品種多，缺少植物生長與環(huán)境調(diào)控的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。③實(shí)現(xiàn)植物工廠經(jīng)濟(jì)有效的環(huán)境控制，溫室設(shè)施簡易，環(huán)境可控制點(diǎn)有限，真正意義上的植物工廠生產(chǎn)成本高，能源消耗大，實(shí)際操作困難。

3 關(guān)鍵技術(shù)

綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)的技術(shù)路線如圖1所示，包括設(shè)施設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)兩大方面。設(shè)施設(shè)備包括溫室設(shè)施、基質(zhì)攪拌機(jī)、播種機(jī)、溫室物流系統(tǒng)、收割包裝等；溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)主要包括溫度、空氣濕度、基質(zhì)含水量和CO2濃度等；生產(chǎn)技術(shù)包括品種選擇、基質(zhì)研發(fā)、肥水運(yùn)籌、節(jié)能生產(chǎn)、綠色防控、物流加工、質(zhì)量管理等。

3.1 品種選擇

工廠化生產(chǎn)的綠葉蔬菜要求品種對(duì)溫度適應(yīng)性強(qiáng)，工廠化生產(chǎn)茬口密度高，在自然溫度下能四季播種；耐蔭耐濕，葉面沾濕后光合作用能力強(qiáng)，噴灌適應(yīng)性好；直立性強(qiáng)，適合機(jī)械化采收，同時(shí)不影響食用品質(zhì)；種子萌發(fā)力強(qiáng)，出芽率高，適宜精量播種，出苗整齊一致。品種選擇包括專用品種培育和不同季節(jié)品種的篩選兩個(gè)方面，針對(duì)不同的綠葉蔬菜，在大面積生產(chǎn)前期，要有精確的品種比較試驗(yàn)結(jié)果。以小白菜工廠化生產(chǎn)為例，品種特征為下胚軸長，束腰直立，產(chǎn)量高，口感好，病蟲害抗性強(qiáng)。

圖1 綠葉蔬菜工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)路線

3.2 基質(zhì)研發(fā)

穩(wěn)定的基質(zhì)配方和養(yǎng)分供應(yīng)，是清潔高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。綠葉蔬菜的工廠化生產(chǎn)包括基質(zhì)栽培和營養(yǎng)液栽培兩種方式，推薦采用前者。基質(zhì)研發(fā)包括栽培基質(zhì)配方和有機(jī)肥料的使用兩個(gè)方面，栽培基質(zhì)主要由泥炭、珍珠巖等按一定比例混勻，通過多期種植試驗(yàn)，確定最佳的混合比例，冬春季增加容重，使溫度穩(wěn)定；夏秋季增加孔隙度，促進(jìn)根系呼吸，加強(qiáng)養(yǎng)分吸收。利用微生物發(fā)酵技術(shù)將蔬菜、農(nóng)作物秸稈等廢棄物加以利用，與畜禽糞便混合發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥，添加形成有機(jī)栽培基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)主要農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化循環(huán)利用。

3.3 肥水運(yùn)籌

肥水運(yùn)籌主要是水分管理，對(duì)于生長周期在20 d內(nèi)的綠葉蔬菜，建議將作物生長所需的肥料一次性添加到基質(zhì)中；對(duì)于生長周期長、易出現(xiàn)缺肥現(xiàn)象的蔬菜種類，可以通過營養(yǎng)液或葉面施肥加以補(bǔ)充。

灌溉方式的選擇是水分管理的關(guān)鍵，自走式噴灌、微噴和潮汐灌溉均可供選擇。微噴的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，易于維護(hù)，建設(shè)和運(yùn)行成本低；缺點(diǎn)是灌溉不均勻，局部苗床區(qū)域灌溉水過量或者不足，噴頭容易堵塞，使用壽命短，灌溉時(shí)間長。潮汐灌溉效率高、灌溉質(zhì)量好，能夠保持基質(zhì)中適宜的水分和良好的孔隙度，節(jié)水省肥，循環(huán)灌溉沒有滲漏、飄逸等損失，作物根部浸水，葉、莖不沾濕，很少發(fā)生病害傳播；缺點(diǎn)是造價(jià)較高，設(shè)備組成復(fù)雜，管理過程需要采用計(jì)算機(jī)控制[16～18]。

不同灌溉方式對(duì)苗床設(shè)施的配置要求不同，選擇苗床系統(tǒng)方式的關(guān)鍵點(diǎn)在于灌溉方式滿足自動(dòng)化控制的需求以及可提高溫室空間的利用效率。采用自走式噴灌和微噴系統(tǒng)，可選擇固定式和移動(dòng)式苗床，固定式苗床兩側(cè)均需保留操作空間，溫室面積使用率60%左右；移動(dòng)式苗床采用人工驅(qū)動(dòng)，操作靈活簡單、移動(dòng)方便，溫室使用面積達(dá)80%左右，是目前溫室苗床配置的主流。為了提高溫室生產(chǎn)面積，多層潮汐灌溉裝置已經(jīng)研發(fā)和應(yīng)用。對(duì)于自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng)，應(yīng)在配備傳輸設(shè)備的同時(shí)，設(shè)計(jì)和安裝多自由度自動(dòng)苗床系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)率、加速生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)流程、減少勞動(dòng)力投入。選擇潮汐灌溉系統(tǒng)時(shí)，蓄水盤和管道設(shè)計(jì)具有特殊要求。

3.4 節(jié)能生產(chǎn)

無論是荷蘭還是日本的植物工廠，都以最適溫度為管理目標(biāo)，通過提高產(chǎn)量和品質(zhì)獲得利潤。在我國的多數(shù)地區(qū)，利用太陽能在自然溫度條件下生產(chǎn)是生產(chǎn)經(jīng)營和科技攻關(guān)重點(diǎn)。我國綠葉蔬菜消費(fèi)量大，蔬菜價(jià)格穩(wěn)定、低廉關(guān)系到社會(huì)穩(wěn)定的大局，而低碳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是節(jié)能減排的重點(diǎn)。因此，尋找節(jié)能生產(chǎn)的解決方案，是綠葉蔬菜工廠的關(guān)鍵。在小白菜的生產(chǎn)過程中，通過耐低溫、高溫品種的使用，遮蔭保溫簾幕控制，基質(zhì)配方調(diào)整，灌溉方式調(diào)整等技術(shù)的綜合應(yīng)用，已經(jīng)形成了一套行之有效的節(jié)能生產(chǎn)方案，在自然溫度下可以生產(chǎn)15茬/a。

3.5 綠色防控

綠色防控技術(shù)貫穿蔬菜清潔生產(chǎn)的全過程，是決定工廠化生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵，具體包括以下幾項(xiàng)。

①抗性品種的選育 在高密度、集約化生產(chǎn)條件下，作物的耐高溫、低溫能力，在弱光條件下作物的光合作用能力、抗病性等，是高效清潔生產(chǎn)的基礎(chǔ)；播種前的種子處理，是提高發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)、防治種子帶菌的有效措施。

②基質(zhì)與灌溉水消毒措施 在利用廢棄物進(jìn)行基質(zhì)生產(chǎn)過程中，發(fā)酵完全及去除動(dòng)植物殘?jiān)鶖y帶的病菌、蟲卵和雜草種子，成為清潔生產(chǎn)的第二道防線；配置多層過濾、臭氧消毒等設(shè)施設(shè)備，保障灌溉水的質(zhì)量安全。

③安全隔離措施 綜合應(yīng)用防蟲網(wǎng)、殺蟲燈、性引誘劑、黃板等綠色防控措施，有效控制生產(chǎn)過程中病蟲害的發(fā)生，實(shí)施全過程的無農(nóng)藥生產(chǎn)；工作人員的工作服等定時(shí)清洗更換，其他人員未經(jīng)許可，不許進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域。

④生產(chǎn)器具的消毒防護(hù) 在每一茬作物生產(chǎn)結(jié)束之后，應(yīng)對(duì)穴盤、蓄水盤、苗床等設(shè)備進(jìn)行清洗消毒；循環(huán)利用植物殘?jiān)突|(zhì)等廢棄物，嚴(yán)格按照廢棄物處理的操作規(guī)程執(zhí)行。

3.6 物流加工

綠葉蔬菜采收后進(jìn)入商品化處理過程，也稱為物流加工過程，是連接生產(chǎn)和流通的重要環(huán)節(jié)。工廠化生產(chǎn)的綠葉蔬菜鮮嫩且含水量高，采收、清理、包裝等操作對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響較大，在較低溫度下采收，可提高綠葉蔬菜的貨架壽命；人工采收時(shí)盡量縮短采收時(shí)間，并及時(shí)進(jìn)入冷鏈儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)；盡可能減少整理、分級(jí)包裝等商品化處理環(huán)節(jié)。

采收和包裝的機(jī)械化作業(yè)是工廠化生產(chǎn)鏈的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，采收與包裝作業(yè)機(jī)械的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)全程工廠化作業(yè)的保障。蔬菜流通過程中的保鮮，主要依靠冷庫貯藏和冷鏈運(yùn)輸來實(shí)現(xiàn)，通常采用強(qiáng)制空氣預(yù)冷法，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)配備冷庫和冷藏運(yùn)輸車等設(shè)施。研發(fā)和推廣使用綠色包裝材料，減少資源消耗，是蔬菜凈菜上市、減少逆向物流的發(fā)展方向。

3.7 質(zhì)量管理

與普通的溫室生產(chǎn)相比，植物工廠的優(yōu)勢(shì)在于通過作業(yè)設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境和植物生長全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)多層次、高密度、多茬口種植，全面實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化。

植物工廠生產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)取決于生產(chǎn)全過程的質(zhì)量管理，包括生產(chǎn)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，作物生長信息的獲取與反饋，作業(yè)環(huán)節(jié)的科學(xué)決策與精準(zhǔn)控制。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，為蔬菜工廠化生產(chǎn)發(fā)展提供了技術(shù)支持[19]。智能感知芯片、嵌入式系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使設(shè)施環(huán)境和作物信息的精確獲取成為可能，使智能化生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制成為可能，使種植過程的科學(xué)決策和精準(zhǔn)作業(yè)成為可能[20]，為綠葉蔬菜供應(yīng)鏈質(zhì)量安全控制提供了技術(shù)保障。

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[20]周曼麗，姜文剛.基于嵌入式Web服務(wù)器的植物工廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國農(nóng)機(jī)化，2011（5）：90-95.

Key Technology of Green Leafy Vegetable Factory

HUANG Danfeng,ZHANG Kai
(School of Agriculture and Biology,Shanghai Jiaotong University,200240)

Based on demands of clean and efficient production and supply chain of the green leafy vegetables,we took advantages of the greenhouse gardening development experience from Japan and Netherlands to search the proper industrial production modes in China.Taking the construction of pakchoi factory for example,we explored the key technologies of green leafy vegetable factory,including cultivar selection,substrate composition,fertilization and irrigation,energy saving, green protection and control,materiel processing and quality management,and analyzed the feasibility of developing the ecological green leafy vegetable factory production that matched the national conditions of China.

Green leafy vegetables;Industrial production;Clean and efficient production;Key technology

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.12.001

國家863計(jì)劃課題“設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理與精準(zhǔn)化作業(yè)技術(shù)研究 （2012AA101903）”；上海市農(nóng)委項(xiàng)目“上海市綠葉蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)”；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)“都市型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與種養(yǎng)殖模式研究（200903056）”

黃丹楓（1956-），女，博士，教授，主要從事設(shè)施園藝技術(shù)研究，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

2012-06-19