日光型植物工廠綠葉蔬菜軌道式高效栽培與效益分析

張樣平常麗英黃丹楓*薛 飛劉 佳劉秀云魏海燕

（1 上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院，上海 200240；2 上海綠立方農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，上海 201203；3 上海農(nóng)林職業(yè)技術學院，上海 201699；4 上海天成草業(yè)服務有限公司，上海 200233）

日光型植物工廠綠葉蔬菜軌道式栽培技術基于淺液流（NFT）灌溉模式，由泡沫床、種植軌道、種植盤和水肥系統(tǒng)構成，通過對溫室環(huán)境的自動化調(diào)控實現(xiàn)綠葉蔬菜的高效生產(chǎn)，每年可生產(chǎn)12 茬，每667 m2活體蔬菜產(chǎn)值可達35.4 萬元，對比普通日光型植物工廠綠葉蔬菜NFT 栽培技術，產(chǎn)量和產(chǎn)值可大幅提高，是一種值得應用推廣的高效栽培模式。

植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的最高形式，根據(jù)光照來源的不同可分為人工光型植物工廠、太陽光型植物工廠及太陽光與人工光綜合利用型植物工廠（賀冬仙，2016）。其中太陽光型植物工廠也被稱為日光型植物工廠，日光型水培葉菜工廠主要有管道式栽培、泡沫床式栽培和軌道式栽培3 種形式，可采用深液流（DFT）和淺液流（NFT）2 種灌溉模式。NFT 以其節(jié)水省肥、根系易于呼吸到氧氣等優(yōu)點被廣泛應用。但是植物工廠依然存在諸多問題，如前期建設成本高，能耗大，溫室設備等固定資產(chǎn)折舊與運營成本高，經(jīng)濟效益偏低（楊其長，2016），如何提高植物工廠的產(chǎn)值與效益，是植物工廠需要深入探索的重要課題。日光型綠葉蔬菜工廠除面臨以上問題外，還存在自動化程度不高、生產(chǎn)效率低下的問題，因此亟需一種高效的生產(chǎn)模式來促進該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

上海綠立方農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司（以下簡稱綠立方）通過研究植物工廠的現(xiàn)狀，分析產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的痛點，充分考慮植物的生長特性、材質的耐用性及通用性，自主研發(fā)了綠葉蔬菜軌道式高效栽培方法，采用NFT 灌溉模式，實現(xiàn)了栽培過程移栽、傳送、采收的半自動化，并預留自動化接口，以期實現(xiàn)水培葉菜生產(chǎn)的全程自動化。與普通NFT 水培生產(chǎn)模式相比，軌道式栽培易實現(xiàn)模塊化、機械化、自動化生產(chǎn)，且由于蔬菜可直接帶盤采收，省去了田間采收工序，減少了用工，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了工作效率。

1 軌道式栽培系統(tǒng)

1.1 栽培床 采用寬度為1.6 m 的固定式栽培床，主體結構由鋁型材和泡沫板組成。鋁型材做成固定框架，泡沫床置于鋁型材框架之上。整個栽培床分為供液端（主管道內(nèi)徑為25 mm，毛管內(nèi)徑為4 mm）（彩色圖版1）與回液端（彩色圖版2），兩者具有1%的落差，以保證營養(yǎng)液緩速均勻地從供液端流到回液端，滿足作物對營養(yǎng)液的需求。

1.2 軌道 每一個栽培床單元含6 組栽培槽（彩色圖版3），每組栽培槽的寬度為25 cm，栽培槽上分別鋪設軌道，軌道采用R13 的流利條制作而成，共6 組12 條軌道。定植好的種植盤，放入種植軌道上，可直接由種植端推入至栽培床上，操作者不需進入栽培床間，節(jié)約了在栽培床間的往返時間，節(jié)省人力消耗，提高了勞動效率，為機械化和自動化操作提供了可能性。

1.3 種植盤 種植盤是軌道式栽培的最小栽培單元，規(guī)格為434 mm×242 mm（長×寬）。種植盤材質采用硬質ABS 塑料，強度和韌度均通過檢測，符合機械手推臂的最大壓力，種植盤上開有8 個種植孔，孔距10 cm，葉菜通過定植杯放入種植孔內(nèi)，可滿足大部分葉菜的栽培。種植盤的優(yōu)點在于可對生產(chǎn)單元實現(xiàn)模塊化，蔬菜可隨種植盤連根帶走，節(jié)約了田間收獲的時間。

1.4 NFT 灌溉系統(tǒng) NFT 灌溉系統(tǒng)由供液端、回液端、栽培床組成。供液端包括供液管道、水泵、營養(yǎng)液池、上液開關。通過水泵將營養(yǎng)液經(jīng)由管道進入栽培床，通過上液開關設定供液頻次和單次供液時長。

回液端包括過濾棉、回液管道、臭氧消毒裝置。營養(yǎng)液到達回液端時，先經(jīng)過濾棉將固體雜質過濾后進入回液管道，再經(jīng)15～20 mg · L-1臭氧消毒后進入營養(yǎng)液池，完成循環(huán)。

由于采用了NFT 灌溉方式，栽培槽需用鋁箔紙覆蓋均勻，保持鋁箔紙平整，不可出現(xiàn)鼓包或者起泡，以免影響營養(yǎng)液的流速和流向；鋁箔紙應從種植端向收獲端依次平鋪下去；2張鋁箔紙交接處，應由種植端方向的鋁箔紙壓在收獲端鋁箔紙上為宜，以利于營養(yǎng)液流過時不發(fā)生滲漏。

2 軌道式栽培的特點

軌道式栽培是在現(xiàn)有泡沫床栽培的基礎上進行創(chuàng)新改進，是一種高效的生產(chǎn)模式，具有可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，通過對溫室環(huán)境的管控增加葉菜種植茬數(shù)，通過營養(yǎng)液調(diào)控提升蔬菜品質等特點。

2.1 可實現(xiàn)自動化生產(chǎn) 軌道式栽培與種植盤單元的結合，為自動化生產(chǎn)預留了空間。用戶可根據(jù)需要加裝自動化設備如傳送帶、無人運輸車、移栽機、推盤機（彩色圖版4）等，實現(xiàn)機器換人，提高勞動效率，降低人工成本。以生菜為例，傳統(tǒng)的泡沫床栽培或者管道栽培，需要人進入生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)進行操作，勞動強度和生產(chǎn)效率相對較為低下，而人工成本目前呈上升趨勢，生產(chǎn)成本逐年提高（楊艷麗 等，2016）。軌道式栽培由于種植盤可在種植軌道上移動，工人不需進入生產(chǎn)區(qū)，僅在生產(chǎn)區(qū)外通過移栽機或者人工一次性定植，然后通過運輸工具運輸?shù)侥繕嗣绱?，在供液端將定植好的種植盤依次沿軌道推入種植床，從而有效降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動成本。

2.2 通過溫室環(huán)境的精準管控增加種植茬數(shù) 軌道式栽培主要用于連棟薄膜溫室或者玻璃溫室，需配備風機、濕簾、天窗等環(huán)境管控設施，根據(jù)外界氣候與作物特點對棚內(nèi)環(huán)境進行調(diào)節(jié)，以達到或者接近目標作物最佳生產(chǎn)環(huán)境條件，縮短作物生長周期。對于綠葉菜來說，可以增加種植茬數(shù)，提高復種指數(shù)，大幅提升產(chǎn)量。

2.3 通過營養(yǎng)液調(diào)控提升蔬菜品質 在冬季低溫和夏季高溫季節(jié)，隨著外界氣溫的降低或者升高，營養(yǎng)液溫度會不利于作物根系對養(yǎng)分的吸收。以生菜為例，其最佳的生長溫度為18～25 ℃，營養(yǎng)液溫度一旦超過30 ℃，生菜根系吸收養(yǎng)分和水分的能力會被抑制，從而影響生菜的正常生長發(fā)育（杜金鳳，2016）。軌道式栽培通過增加營養(yǎng)液溫控設備調(diào)節(jié)營養(yǎng)液的溫度，為植物根區(qū)創(chuàng)造適宜的溫度，從而提高蔬菜品質（要旭陽，2016）。

3 軌道式栽培的關鍵技術

3.1 精量播種

3.1.1 種子選擇 NFT 水培工廠化生產(chǎn)對品種要求較高，目前生產(chǎn)中專門用于水培生產(chǎn)的品種不多，大多數(shù)是從普通栽培的品種中直接篩選后使用。品種篩選要求：性狀一致，適宜季節(jié)表現(xiàn)優(yōu)異，適應NFT 水培模式栽培。在這些前提下優(yōu)選種子純度高，發(fā)芽率高，發(fā)芽勢快，無雜質，種子大小均勻，易于播種的品種。大多數(shù)蔬菜商品種子，種子生產(chǎn)商在銷售前會使用處理劑進行殺菌消毒，少數(shù)種子會用種衣劑進行包衣。以生菜種子為例，目前市場上銷售的種子有裸種、包衣種子、精選包殼種子、丸粒化種子4 種。優(yōu)先選擇丸?；N子和精選包殼種子，經(jīng)過丸?；幚砘蛘甙鼩ぬ幚淼姆N子外形更加整齊規(guī)則，表面更加光滑，可批量使用機器自動化精量播種，實現(xiàn)單粒播種，節(jié)約種子，提高工作效率，降低人工成本，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

3.1.2 穴盤選擇 目前軌道式栽培配套的栽培孔為3 cm×3 cm 大小，采用288 孔穴盤育苗。穴盤使用前先用高錳酸鉀溶液浸泡滅菌消毒，再用清水沖洗，晾干后使用。

3.1.3 基質選擇 基質選用纖維長度在0～10 mm，pH 值在6.0～6.5 之間的白泥炭。珍珠巖選用中粒大小，將白泥炭與珍珠巖按照9∶1 的體積比混拌成育苗基質。

3.2 區(qū)別分段式生產(chǎn)

3.2.1 區(qū)別育苗 為了降耗節(jié)能，日光型植物工廠的育苗采用自然光與人工光相結合的育苗方式。在寒冷和炎熱等不適宜幼苗生長的季節(jié)，啟用人工光育苗箱育苗，以獲得壯苗。在春秋等適宜季節(jié)，采用自然光育苗方式，以節(jié)省能耗。一般1 hm2的蔬菜工廠，配備30 m2的人工光育苗箱和200 m2的自然光育苗場（彩色圖版5）。

3.2.2 育苗與生產(chǎn)分段 軌道式栽培將葉菜的生長階段分為苗期與生長期2 個階段。苗期指播種到定植前，生長期為定植后至采收前的階段。通過合理的生產(chǎn)計劃，使育苗階段與生長階段形成一個良性的鏈條，可提高育苗床與栽培床的利用率，增加復種茬數(shù)，提高全年總產(chǎn)量。

3.2.3 生產(chǎn)過程分段栽培 將葉菜定植至采收的生長階段平均分為3個階段。以4月栽培的生菜為例，定植至采收需要30 d（天），這樣每個階段為10 d（天），按照10 d（天）定植1 次的頻率安排生產(chǎn)。第1 階段定植在栽培床床頭，進入第2 階段后，新的蔬菜苗通過種植盤作為載體，經(jīng)由種植軌道把進入第2 階段的蔬菜苗推送到栽培床中間，當進入第3 階段時，蔬菜苗進入栽培床尾部。當蔬菜苗達到采收標準時，即被推送到傳送帶上傳送至出菜區(qū)，進行采收。

3.3 機器移栽 軌道式栽培的最小種植單元為種植盤，種植盤大小為標準模塊。通過定制化穴盤、定植杯、種植盤，由機械抓手抓取定植杯，進而實現(xiàn)蔬菜幼苗的機器移栽。采用人工定植的效率為每分鐘20～25 孔，機器移栽可達到每分鐘70 孔，效率提高到原來的3 倍。目前綠立方已經(jīng)完成機器移栽1.0 版本的測試，在幼苗移栽上可完全實現(xiàn)機器換人，解放更多的生產(chǎn)力。

3.4 溫室物流 軌道式栽培最主要的特點之一是實現(xiàn)溫室栽培流水線生產(chǎn)。流水線分別在種植端和收獲端。通過流水線可把移栽好的幼苗傳送至指定栽培床的種植端，再由推盤機通過機械臂推送到栽培床上。由于實行的是分段栽培，回液端的成品菜同時會被推出栽培床，進入到下菜流水線，再通過流水線運輸?shù)匠霾藚^(qū)。

3.5 NFT 灌溉方式 采取NFT 灌溉方式，通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)液的供液頻次和供液時間來控制營養(yǎng)液的供給（王平魁，2017），采取半浸泡式的水培方式，根系不容易缺氧，可減少因缺氧而造成的漚根等障礙；也可有效控制營養(yǎng)液的供給量，避免過量施用肥料而出現(xiàn)肥害的問題。

3.6 工作區(qū)封閉生產(chǎn) 蔬菜工廠一般為封閉式生產(chǎn)，主要表現(xiàn)為溫室或棚室環(huán)境與外界的空間隔離，可減少外界病蟲害對生產(chǎn)環(huán)境的干擾，創(chuàng)造最適宜的蔬菜生產(chǎn)環(huán)境。

軌道式栽培在保留原有溫室環(huán)境封閉生產(chǎn)的前提下，生產(chǎn)區(qū)域也可以進行空間隔離，降低工作強度，減少人為機械損傷，提高工作效率。在栽培床上配備軌道，種植盤可通過軌道在栽培床上移動，因此工人不必進入到栽培區(qū)中間，只需站在栽培床供液端將種植盤依次推入栽培床即可；采收時，可從供液端將種植盤一起推送至回液端進行采收。目前綠立方配置有流水線、移栽機、推盤機，通過三者的聯(lián)動來實現(xiàn)蔬菜幼苗的移栽、傳送、出菜，可極大地解放生產(chǎn)力，提高工作效率。

3.7 病菌消毒 營養(yǎng)液的配制與應用是植物工廠的重中之重（陳偉，2011），其中如何保證營養(yǎng)液的潔凈安全是植物工廠安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。營養(yǎng)液一旦帶有病原菌，對于生產(chǎn)的打擊是毀滅性的。主要從以下兩方面來保證營養(yǎng)液的安全。

3.7.1 水源消毒 雨水作為最適宜水源，在進入營養(yǎng)液池之前，首先通過精度為100 μm 的袋式過濾器，再經(jīng)過精度為20 μm 的精密過濾器，經(jīng)過2 次過濾把一些雜質過濾掉，再由臭氧進行消毒，才進入到營養(yǎng)液池。從源頭上杜絕病菌的滋生，保證營養(yǎng)液的水源安全。

3.7.2 回液消毒 營養(yǎng)液在經(jīng)過栽培床后，從回液管道回流到營養(yǎng)液池之前，首先進行過濾，將栽培床上帶入的基質等固體雜質過濾掉，然后經(jīng)濃度15～20 mg · L-1臭氧消毒，殺滅其中可能存在的病菌，最后進入營養(yǎng)液池。

4 軌道式栽培的效益分析

目前NFT 栽培主要有泡沫床式栽培、管道式栽培和軌道式栽培3 種模式，泡沫床栽培與管道式栽培相比，產(chǎn)量并無顯著的差異（王鎮(zhèn) 等，2018）。軌道式栽培是以NFT 栽培為基礎，在泡沫床栽培的基礎上改良而成的。目前市場上多數(shù)NFT栽培產(chǎn)品以銷售切割菜為主，軌道式栽培可以分別銷售切割菜和活體蔬菜（彩色圖版6），尤其以銷售活體蔬菜為主，是其在生產(chǎn)模式上的創(chuàng)新。

4.1 切割菜效益分析 2018 年4～6 月在綠立方崇明基地C 區(qū)進行軌道式栽培和泡沫床栽培2 種栽培方式的比較試驗。每個品種單個處理栽培5 m2，設置3 次重復。幼苗三葉一心時在日光型蔬菜工廠定植。

從表1 可以看出，由于泡沫床的栽培密度比較小，株行距比較寬，單株蔬菜的生長空間比較充分，因此生菜在泡沫床栽培模式下單株產(chǎn)量比軌道式栽培高出18.4%，小白菜高出52.5%。但在單位面積單茬產(chǎn)量上，軌道式栽培比泡沫床栽培有明顯提高，其中生菜增產(chǎn)44.8%，小白菜增產(chǎn)12.4%。按照栽培面積利用率60%、每年12 茬計算，以生菜為例，日光型植物工廠軌道式栽培切割菜年產(chǎn)量為321 120 kg · hm-2，泡沫床栽培為221 760 kg ·hm-2，國外NFT 栽培生菜產(chǎn)量為235 595 kg · hm-2（Maestre-Valero et al.，2018），因此軌道式栽培比國外NFT 栽培產(chǎn)量提高36.3%，比泡沫床栽培的產(chǎn)量要高出44.8%。

4.2 活體蔬菜效益分析 軌道式栽培1 hm2滿產(chǎn)一茬可栽培60 000 盤蔬菜，每年可栽培12 茬，合計生產(chǎn)720 000 盤活體蔬菜。

采集上海綠立方崇明基地2018 年3～5 月的生產(chǎn)銷售數(shù)據(jù)，在此期間，每茬葉菜從定植到采收約30 d（天），實際生產(chǎn)面積5 000 m2，每茬30 000個種植盤。從表2 可以看出，2018 年3～5 月，綠立方通過活菜銷售，每茬實際效益平均可達29 536元 · （667 m2）-1，遠高于普通銷售模式。而且按照活體蔬菜銷售，可直接帶種植盤銷售，減少蔬菜帶根拔出工序，提高工作效率，節(jié)省人工成本。因此，軌道式栽培是一種相對低成本高附加值的生產(chǎn)銷售模式。

表1 軌道式栽培與泡沫床栽培切割菜產(chǎn)量比較

表2 2018 年3～5 月上海綠立方崇明基地活體蔬菜效益

5 軌道式栽培的應用

目前軌道式栽培生產(chǎn)系統(tǒng)主要應用于綠立方自建工廠，包括綠立方上海崇明工廠（彩色圖版7）、金山工廠（彩色圖版8）、孫橋工廠（彩色圖版9）共3 個工廠，主要以生產(chǎn)生菜、小白菜等綠葉蔬菜為主。