菠蘿組培工廠化育苗設(shè)計(jì)和設(shè)備應(yīng)用

沈林晨，薛坤鵬，朱寒豹，陳 昌，黃桂財(cái)

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

菠蘿又名鳳梨，多年生草本植物，是熱帶及亞熱帶四大名果之一[1]。據(jù)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)資訊：2017 年，我國菠蘿產(chǎn)量位居全球第4 位，全國菠蘿種植面積約100 萬畝（1 畝=0.067 hm2）、總產(chǎn)量155 萬t、產(chǎn)值47 億元，其中廣東粵西地區(qū)菠蘿種植面積約占全國的50%，以徐聞縣和雷州市為主。雷州與徐聞的菠蘿主產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共同構(gòu)筑形成了湛江市菠蘿優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，以3 000 株/畝的種植密度計(jì)算，該產(chǎn)業(yè)園每年需菠蘿種苗達(dá)15 億株。

當(dāng)?shù)胤N苗來源主要是各種類型的芽苗。作為繁殖材料，每株菠蘿所生的芽苗數(shù)量決定了其繁殖系數(shù)僅為 10～20 左右，同時(shí)長(zhǎng)期無性繁殖，種子后代容易出現(xiàn)變異、商品退化、品質(zhì)低下的現(xiàn)象[1]。而用組織培養(yǎng)快速繁育菠蘿苗，繁殖系數(shù)可以提高到2 000 以上，可以加速菠蘿名、優(yōu)、特、新品種的繁殖，使其在短時(shí)間內(nèi)繁衍大量植株。這種方法與常規(guī)無性繁殖方法相比，具有繁殖速度快、數(shù)量多、不受季節(jié)和氣候條件影響等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 菠蘿組培工廠化育苗技術(shù)路線

工廠化育苗是在人工創(chuàng)造的最佳種苗生長(zhǎng)環(huán)境下，采用機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)質(zhì)種苗批量生產(chǎn)的一種育苗技術(shù)。組培工廠化育苗，一般采用器官離體培養(yǎng)成苗工藝，即用根、莖、葉、花、果實(shí)等器官的離體組織為培養(yǎng)材料進(jìn)行快速繁殖[2]。

近年來國內(nèi)外陸續(xù)報(bào)道了不同外植體的離體培養(yǎng)以及不同菠蘿品種的快速繁殖研究，其中采用以冠芽、吸芽、莖尖這3 種外植體進(jìn)行繁殖的種苗較好的保持了優(yōu)良遺傳性狀[3]。雖然不同的外植體有不同的工藝流程，但基本的工藝和原理是相同的[4]。

從生產(chǎn)過程可分為培養(yǎng)基配制、接種培養(yǎng)、組培苗移栽3 個(gè)部分；從工作內(nèi)容則包括器皿清洗、冷熱灌裝、消毒滅菌、無菌接種、高效培養(yǎng)、煉苗及移栽等6 個(gè)部分[5-6]。

根據(jù)生產(chǎn)過程具體可將菠蘿組培工廠化育苗生產(chǎn)技術(shù)路線表示如圖1 所示。

圖1 菠蘿組培工廠化育苗主要生產(chǎn)流程

2 菠蘿組培工廠化育苗空間布局及設(shè)備應(yīng)用

根據(jù)菠蘿組培工廠化育苗技術(shù)路線，結(jié)合考慮人貨流動(dòng)、污染區(qū)和潔凈區(qū)分開，可將作業(yè)區(qū)域分為培養(yǎng)基配制區(qū)、接種培養(yǎng)區(qū)以及瓶苗移栽區(qū)3 個(gè)區(qū)域，以提高空間利用率、提升工作效率、降低生產(chǎn)污染率。

本文以在湛江市年產(chǎn)100 萬株菠蘿組培育苗工廠項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。該項(xiàng)目建設(shè)面積約為2 000 m2，其中培養(yǎng)基配制區(qū)約350 m2、接種培養(yǎng)區(qū)約450 m2、瓶苗移栽區(qū)約1 200 m2。瓶苗移栽區(qū)采用高標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫室，溫室覆蓋材料采用高透光率的浮法玻璃，并配備有多種環(huán)境調(diào)控設(shè)備，能根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的氣候條件結(jié)合菠蘿種苗對(duì)短時(shí)環(huán)境因子的承受力進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，在保證菠蘿種苗正常生長(zhǎng)的同時(shí)，做到省力省能。項(xiàng)目外觀效果如圖2 所示。

圖2 項(xiàng)目外觀效果

2.1 培養(yǎng)基配制區(qū)

培養(yǎng)基是提供作物組織生長(zhǎng)、繁殖、代謝的混合養(yǎng)料，其配制主要包括清洗、配置、滅菌等工序。培養(yǎng)基配置區(qū)的作業(yè)區(qū)域長(zhǎng)期濕度較高，很適合細(xì)菌、霉菌生長(zhǎng)繁殖，因此控制器皿清洗和培養(yǎng)基污染是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，項(xiàng)目采用了組培育苗瓶自動(dòng)化清洗設(shè)備，該設(shè)備集上瓶、輸送、內(nèi)外瓶噴淋沖洗、臭氧清洗殺菌等功能為一體，可用于組培育苗的玻璃瓶、PC 瓶等器皿的清洗、消毒、殺菌等無菌化處理，相對(duì)于人工清洗可提高2 倍的工作效率，具有集成度高、性能穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、高效自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，該設(shè)備實(shí)物如圖3 所示。

2.2 接種培養(yǎng)區(qū)

接種培養(yǎng)區(qū)由更衣室、風(fēng)淋室、冷凝室、接種室、培養(yǎng)室及實(shí)驗(yàn)室組成。該區(qū)域是無菌環(huán)境，進(jìn)入該區(qū)域需先更換衣物，并經(jīng)過風(fēng)淋室吹去人與貨物所攜帶的塵埃及病菌，阻斷或減少病菌進(jìn)入接種培養(yǎng)區(qū)。

考慮到菠蘿種植一般在春秋兩季且實(shí)際成苗率約80%～90%，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為100 萬株/年，實(shí)際折算則應(yīng)有生產(chǎn)1 萬株/天組培苗的生產(chǎn)能力。因此接種室按6 臺(tái)雙位超凈工作臺(tái)設(shè)計(jì)，可同時(shí)容納12 名工人作業(yè)，熟練操作工人每人每天可制作根苗 1 000 株。

實(shí)驗(yàn)室配置有光照培養(yǎng)箱、臭氧發(fā)生儀、精密電子天平等，可以在規(guī)模生產(chǎn)前進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)。

另設(shè)計(jì)有3 種規(guī)格的培養(yǎng)室，分別為30、76、115 m2；可滿足不同品種、不同產(chǎn)量的需求。總共設(shè)有74 個(gè)5 層組培架，單個(gè)規(guī)格1.3 m×0.5 m×1.8 m，每層配專用廣譜燈，光照強(qiáng)度為3 000～5 000 lux 可調(diào)，每個(gè)組培架光照獨(dú)立控制。每層可放瓶 50 個(gè)，單批次可存放瓶苗1.85 萬瓶，每瓶出苗10 株，出苗18.5 萬株，理論上1 年只要有5 次產(chǎn)苗周期就可滿足年產(chǎn) 100 萬株組培瓶苗的需要。

2.3 組培瓶苗移栽區(qū)

組培瓶苗移栽也稱煉苗，是菠蘿組培工廠化育苗成敗的一個(gè)關(guān)鍵。培養(yǎng)瓶的濕度為 100%，當(dāng)瓶苗移出瓶后，由于大氣濕度較低，瓶苗蒸騰量加大，容易因根系供水不上而導(dǎo)致苗木缺水死亡[6]。

瓶苗移栽具體程序如下：選擇苗高3 cm 以上、根系發(fā)達(dá)的瓶苗連同培養(yǎng)瓶一起放置在移栽區(qū)進(jìn)行1周左右的光照適應(yīng)，此時(shí)光照強(qiáng)度應(yīng)略大于組培架光照強(qiáng)度；然后再打開瓶蓋，使瓶?jī)?nèi)外空氣對(duì)流，進(jìn)行3～4 d 的濕度適應(yīng)，最后再將瓶苗移植到菠蘿種苗穴盤中，穴盤可充酸性基質(zhì)，基質(zhì)的pH 值為5.5最佳，應(yīng)避免堿性土壤和中性土壤，然后進(jìn)行15 d左右的育苗，此時(shí)應(yīng)做好水肥管理[6]。

移植瓶苗是一個(gè)逐漸鍛煉的階段[5]。這就要求組培瓶苗移栽區(qū)需要有較好溫度、濕度、光照等環(huán)境調(diào)節(jié)功能。同時(shí)考慮到湛江地區(qū)常年高溫多雨、項(xiàng)目地四周空曠，接收陽光輻射較多，溫室建造時(shí)結(jié)構(gòu)上需考慮排水抗風(fēng)，功能上需考慮通風(fēng)降溫、節(jié)能降耗等問題[8]。

2.3.1 溫室結(jié)構(gòu)及自然通風(fēng)節(jié)能設(shè)計(jì)

溫室結(jié)構(gòu)是溫室主體骨架因而采用輕型鋼構(gòu)，屋頂采用金字頂結(jié)構(gòu)，具體自重輕、抗風(fēng)和排水性能好等優(yōu)點(diǎn)[8]；覆蓋材料采用浮法玻璃，具有高透光率、易清洗、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。溫室天窗的設(shè)計(jì)中，溫室頂部每3.2 m 設(shè)1 排連續(xù)蝶型天窗，天窗通風(fēng)口寬2 m，通風(fēng)面積比大于60%；溫室側(cè)窗的設(shè)計(jì)中，溫室四周布置高度1.5 m 的提拉窗，可使得開窗面積達(dá)100%，而傳統(tǒng)推拉窗通風(fēng)面積只能達(dá)到50%，可最大程度地利用自然通風(fēng)，有利于溫室內(nèi)熱空氣的快速自然散出，具有節(jié)能降耗、快速降溫等優(yōu)點(diǎn)[8]。

2.3.2 溫室內(nèi)外遮陽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

適宜的光照強(qiáng)度是菠蘿種苗成活和生長(zhǎng)的重要因素。日照過強(qiáng)尤其是直射光過強(qiáng)時(shí)，菠蘿種苗葉片會(huì)褪綠呈現(xiàn)紅黃色，因此菠蘿多常用密植或與其他作物間作的方式種植，以減輕陽光直射強(qiáng)度[9]。

項(xiàng)目地夏天時(shí)間較長(zhǎng)，光照也強(qiáng)，同時(shí)考慮到菠蘿組培瓶苗在煉苗過程比較脆弱，容易受強(qiáng)光灼傷。因此項(xiàng)目采用了雙層遮陽網(wǎng)系統(tǒng)，其中外遮陽采用70%黑色針織遮光網(wǎng)，盡量降低強(qiáng)光直射程度；內(nèi)遮陽則采用60%的銀色鋁箔遮陽網(wǎng)，可以起到反射的作用。為菠蘿組培苗提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí)，又能有效降低溫室內(nèi)部溫度和能耗，降低運(yùn)行成本。

2.3.3 溫室LED育苗補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)

短時(shí)間內(nèi)自然光照不夠充足時(shí)，比如越冬、連續(xù)陰雨天氣、臺(tái)風(fēng)等，菠蘿種苗葉片容易變成細(xì)長(zhǎng)，生長(zhǎng)變得非常緩慢，甚至無法成活[9]；這時(shí)候及時(shí)進(jìn)行人工補(bǔ)光可以減輕自然光照不足帶來的影響。

目前對(duì)菠蘿種苗的補(bǔ)光需求研究鮮有報(bào)道，因此本項(xiàng)目按以往在湛江地區(qū)承建的其他品種育苗項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配置。在溫室的桁架下每間隔4 m 均布1個(gè)功率為100 W 的LED 補(bǔ)光燈，安裝高度為距種苗高度1 m 左右。經(jīng)模擬：該布置方式在完全陰暗環(huán)境下，種苗葉片補(bǔ)光強(qiáng)度仍不低于50 umol/(m2· s)[8]（如圖4 和圖5）。

圖4 移栽區(qū)補(bǔ)光燈布置圖

圖5 燈光分布模擬情況

2.3.4 溫室強(qiáng)制降溫系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

當(dāng)室外環(huán)境溫度在30°以上時(shí)，單靠自然通風(fēng)措施，室內(nèi)溫度仍將在高于室外溫度的基礎(chǔ)上持續(xù)上升，無法滿足菠蘿種苗生長(zhǎng)要求。此時(shí)，需要啟動(dòng)強(qiáng)制降溫系統(tǒng)，常用的強(qiáng)制降溫系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)濕簾降溫系統(tǒng)、噴霧降溫系統(tǒng)等[11]。

項(xiàng)目采用的風(fēng)機(jī)濕簾降溫方式，是在溫室一邊安裝風(fēng)機(jī)，另一邊安裝濕簾，形成對(duì)流[10]。使用時(shí)關(guān)閉除濕簾側(cè)的所有天窗、側(cè)窗，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得溫室處于負(fù)壓狀態(tài)，室外高溫空氣經(jīng)過濕簾進(jìn)入室內(nèi)，通過濕熱交換，以此達(dá)到降溫效果。

自然通風(fēng)、遮陽、風(fēng)機(jī)濕簾是華南地區(qū)常用的降溫技術(shù)[10]，考慮風(fēng)機(jī)濕簾耗電量大，華南地區(qū)一般在6～9 月才啟用風(fēng)機(jī)濕簾強(qiáng)制降溫系統(tǒng)，其他時(shí)段主要是自然通風(fēng)和遮陽系統(tǒng)配合使用。

2.3.5 溫室移動(dòng)苗床及噴灌設(shè)計(jì)

移動(dòng)苗床主要是由支架、滾動(dòng)軸、苗床網(wǎng)、手輪等組成，其可在任意2 個(gè)苗床間沿跨度方向移動(dòng)產(chǎn)生約0.6 m 的活動(dòng)通道，有利于提高溫室利用面積；一般安裝高度約0.7 m，工人可以站著自然工作，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度；另外苗床網(wǎng)將植物鏤空，形成上下的通風(fēng)空間，減少細(xì)菌滋生，避免植物因直接放在地面長(zhǎng)期泡在水中導(dǎo)致根部腐爛[4]。

項(xiàng)目配置26 個(gè)移動(dòng)苗床，長(zhǎng)20.0 m，寬1.8 m，高0.7 m，溫室利用率達(dá)80%。并在苗床上布置微噴系統(tǒng)，微噴支管固定于活動(dòng)苗床上，采用活動(dòng)聯(lián)接方式與主管相連。微噴頭采用霧化微噴頭，每張苗床上方固定1 排微噴頭，微噴頭間距為1.5 m，每張苗床微噴支管安裝有1 個(gè)PVC 球閥，可獨(dú)立開啟或關(guān)閉單張苗床的微噴作業(yè)。

苗床噴灌獨(dú)立配置1 套注肥首部，包括比例式注肥泵、過濾器、閥門配件等，采用時(shí)間程序控制器實(shí)現(xiàn)水肥一體化自動(dòng)噴灌（如圖6）。

2.3.6 溫室自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室自控系統(tǒng)是溫室的“大腦”，具有準(zhǔn)確、即時(shí)、可追溯、省力等優(yōu)點(diǎn)。它由控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器等組成，通過溫室環(huán)境傳感器采集溫室的溫度、濕度、光照等參數(shù)，對(duì)溫室天窗、側(cè)窗、內(nèi)外遮陽、風(fēng)機(jī)濕簾等溫室設(shè)施設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制；具有溫室控制、視頻影像，溫室日常作業(yè)記錄、儲(chǔ)存、傳輸和查詢、監(jiān)控等功能[8]。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

3 結(jié)語

隨著菠蘿種植向優(yōu)質(zhì)、密植、短周期生產(chǎn)方向發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)種苗的需求更為迫切。通過菠蘿組培工廠化育苗的合理化設(shè)計(jì)及配套設(shè)施設(shè)備的高效應(yīng)用確保種苗質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，為進(jìn)行區(qū)域性品種的改良和更換提供技術(shù)支撐，已成為湛江地區(qū)菠蘿產(chǎn)業(yè)園建設(shè)的重要一環(huán)。但在建設(shè)推廣過程中仍存在上下游配套服務(wù)欠缺、供需不均衡、技術(shù)和管理水平不到位、項(xiàng)目一次性投入大等問題，因此在項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)時(shí)應(yīng)因地制宜，結(jié)合菠蘿組培工廠化育苗的技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出節(jié)能高效的組培生產(chǎn)工廠，提高組培苗生產(chǎn)的商品化水平。