植物工廠秧苗繁育關(guān)鍵技術(shù)裝備與產(chǎn)業(yè)化＊

許亞良，劉新穎，楊其長（中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所，成都 610000）

培育優(yōu)質(zhì)秧苗是作物高效生產(chǎn)的重要保障。隨著秧苗繁育產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，工廠化育苗已經(jīng)成為商品苗生產(chǎn)的重要手段，并為蔬菜的規(guī)?；?、標準化生產(chǎn)提供了有效支撐。中國蔬菜消費需求及種植面積巨大，近年來栽培面積一直穩(wěn)定在3 億畝（2×107hm2）左右，年需苗量達6000～7300 億株，其中商品苗約為3500 億株，包括茄果瓜類嫁接苗500 億株?！笆濉逼陂g，中國蔬菜育苗技術(shù)取得了較快進展，育苗設施與裝備制造能力顯著提升[1]。隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，優(yōu)質(zhì)秧苗的需求將會不斷擴大，對秧苗工廠化的技術(shù)需求也將日益迫切[2]。

植物工廠是以高度環(huán)境控制為特征的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，融合了現(xiàn)代生物技術(shù)、自動化裝備、新材料及信息技術(shù)等手段[3-4]。秧苗繁育工廠是以植物工廠為基礎衍生出來專用于秧苗繁育的新興產(chǎn)業(yè)[5-6]。與傳統(tǒng)大田育苗及溫室育苗相比，植物工廠秧苗繁育技術(shù)具有環(huán)境控制能力強、自動化程度高、集中管理方便等優(yōu)勢，秧苗層數(shù)可達10 層以上，可實現(xiàn)周年和綠色可持續(xù)生產(chǎn)，是一種極具潛力的工廠化育苗方式[5]。目前，植物工廠已成功實現(xiàn)黃瓜、番茄、辣椒、茄子、西甜瓜等蔬菜秧苗的繁育，為農(nóng)戶批量供給優(yōu)質(zhì)秧苗，且定植后的生產(chǎn)性能更優(yōu)。植物工廠已經(jīng)成為蔬菜產(chǎn)業(yè)秧苗供給的重要手段，在促進蔬菜產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革、保障城市蔬菜供應和蔬菜綠色生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。

植物工廠秧苗繁育系統(tǒng)設計及關(guān) 鍵技術(shù)裝備

作為當前最高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，植物工廠秧苗繁育系統(tǒng)集成了包括人工照明、營養(yǎng)液供給、立體環(huán)境控制、自動化輔助作業(yè)、智慧生產(chǎn)管理等綜合技術(shù)手段，同時融合了生物技術(shù)、信息技術(shù)與人工智能等高新技術(shù)成果，推動產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展。

LED 人工光源系統(tǒng)

人工光環(huán)境構(gòu)建是植物工廠秧苗繁育系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，同時也是秧苗生產(chǎn)的主要能量消耗來源。植物工廠光環(huán)境可塑性強，可從光質(zhì)、光強及光周期等多個維度對光環(huán)境進行調(diào)控，同時在時序上對不同光照因子進行優(yōu)化組合，形成秧苗培育的光配方，保障秧苗人工培育的適宜光環(huán)境。因此，基于不同秧苗生長的需光特性和生產(chǎn)目標，通過優(yōu)化光配方參數(shù)和供光策略，研發(fā)出專用節(jié)能LED 光源，可以大大提高秧苗光能轉(zhuǎn)化效率，促進秧苗生物量積累，提升秧苗生產(chǎn)品質(zhì)，同時可以減少能量消耗，降低生產(chǎn)成本。此外，在秧苗的馴化、嫁接苗愈合等過程中，光環(huán)境調(diào)控也是一種重要的技術(shù)手段。

可分離式多層立體育苗系統(tǒng)

植物工廠秧苗繁育采用多層立體式層架進行，通過模塊化系統(tǒng)設計，可實現(xiàn)育苗系統(tǒng)的快速組裝（圖1）。層架間距可靈活調(diào)節(jié)，滿足不同品種秧苗繁育的空間需求，極大提高空間利用率。此外，苗床系統(tǒng)和照明系統(tǒng)、水肥灌溉系統(tǒng)的分離式設計，可使苗床兼具運輸功能，方便移動于播種、催芽及馴化等不同作業(yè)車間，減少苗盤搬運人力消耗。

圖1 可分離式多層立體育苗系統(tǒng)

水肥灌溉主要采用潮汐式、噴淋式等方式，通過營養(yǎng)液供給時間及頻率的精確控制，實現(xiàn)水和礦物營養(yǎng)的均勻供給和高效利用。結(jié)合秧苗專用營養(yǎng)液配方，滿足秧苗生長發(fā)育需要，保證秧苗的快速健康生長。此外，通過在線營養(yǎng)離子檢測系統(tǒng)和營養(yǎng)液滅菌系統(tǒng)，可對營養(yǎng)成分進行及時補充，同時避免微生物及次生代謝物質(zhì)積累影響秧苗的正常生長。

環(huán)境控制系統(tǒng)

精準高效的環(huán)境控制是植物工廠秧苗繁育系統(tǒng)的主要特征之一。植物工廠的外維護結(jié)構(gòu)一般由不透光、絕緣性強的材料組裝而成，在此基礎上光照、溫度、濕度、風速、CO2的調(diào)控幾乎不受外界環(huán)境影響。通過CFD 模型構(gòu)建優(yōu)化風道布局，結(jié)合微環(huán)境調(diào)控手段，可實現(xiàn)高密度培養(yǎng)空間內(nèi)溫度、濕度、風速、CO2等環(huán)境因子的均勻分布。智能環(huán)境調(diào)控采用分布式傳感器和觸點式控制來實現(xiàn)，通過監(jiān)控單元和控制系統(tǒng)的連接進行整個培育環(huán)境的實時調(diào)控。此外，水冷光源的使用和水體循環(huán)，結(jié)合引入室外冷源可實現(xiàn)節(jié)能降溫，減少空調(diào)能耗。

自動化輔助作業(yè)裝備

植物工廠秧苗繁育作業(yè)流程嚴密，作業(yè)密度大，空間緊湊，自動化輔助裝備必不可少。使用自動化輔助裝備不僅有利于減少人工消耗，同時還有助于提升培育空間使用效率。目前已開發(fā)的自動化裝備包括穴盤覆土機、播種機、嫁接機、AGV 物流輸送小車等，在配套智慧管理平臺的控制下基本可以實現(xiàn)秧苗繁育全流程的無人化作業(yè)。此外，機器視覺技術(shù)在秧苗繁育過程中也擔負著越來越重要的角色，不僅有助于秧苗生長狀態(tài)的監(jiān)測，輔助商品苗出庫管理，還可進行弱苗、死苗的自動甄別，配合機械手進行剔除和補苗。

植物工廠秧苗繁育優(yōu)勢

環(huán)境控制水平高 可實現(xiàn)周年生產(chǎn)

由于秧苗繁育的特殊性，其培育環(huán)境的控制至關(guān)重要。在植物工廠條件下，光、溫、水、氣、肥及CO2等環(huán)境因子受控程度高，可以為秧苗繁育提供最佳生長環(huán)境，不受季節(jié)和地域限制。此外，在嫁接苗、扦插苗等的繁育過程中，嫁接傷口愈合、根系分化等過程對環(huán)境控制要求較高，植物工廠也是極佳的載體。植物工廠本身環(huán)境條件的可塑性較強，因此對非繁育季節(jié)或極端環(huán)境下的蔬菜秧苗生產(chǎn)具有重要意義，可為保障蔬菜常年供應提供秧苗支持。此外，植物工廠秧苗繁育不受空間限制，可在城市近郊及社區(qū)公共空間就地進行，規(guī)格靈活多變，可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)秧苗的大批量生產(chǎn)、近距離供應，為都市園藝發(fā)展提供重要支撐。

縮短繁育周期 提高秧苗質(zhì)量

在植物工廠條件下，得益于各種生長環(huán)境因子的精確控制，秧苗繁育周期相比傳統(tǒng)方式要縮短30%～50%。繁育周期的縮短可以增加種苗生產(chǎn)批次，增加生產(chǎn)者收益，同時能減少市場波動帶來的經(jīng)營風險。對于種植者而言，則有利于提前移栽定植，提早上市，提升市場競爭力。另一方面，植物工廠繁育的秧苗整齊粗壯，形態(tài)質(zhì)量指標顯著提高，且定植后生產(chǎn)表現(xiàn)更優(yōu)。已有研究表明，在植物工廠條件下繁育的番茄、辣椒及黃瓜秧苗，不僅葉面積、株高、莖粗、根系活力等指標有所提高，而且定植后的適應性、抗病性、花芽分化及產(chǎn)量等方面優(yōu)勢明顯（圖2）。植物工廠繁育的黃瓜秧苗，在定植后單株雌花數(shù)提高了33.8%，單株果增加37.3%[8]。隨著秧苗發(fā)育環(huán)境生物學相關(guān)理論研究的不斷深入，植物工廠對于秧苗形態(tài)塑造、生理活性改善將更加精準、可控。

圖2 大棚和植物工廠嫁接苗狀態(tài)對比

資源高效利用 減少育苗成本

植物工廠采用標準化、信息化、工業(yè)化的種植手段，使得秧苗生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)都受到嚴格控制，資源利用效率顯著提高。種子是秧苗繁育中主要成本消耗，傳統(tǒng)育苗因操作不規(guī)范及環(huán)境可控性差，存在種子不發(fā)芽或長勢弱等問題，導致從種子到商品苗的過程存在巨大浪費。在植物工廠環(huán)境下，通過種子前處理、精細化播種及培養(yǎng)環(huán)境的精密控制，種子利用效率大大提高，用量可減少30%以上。水、肥等資源也是傳統(tǒng)育苗的主要成本消耗，且資源浪費現(xiàn)象較為嚴重。在植物工廠條件下，通過精準灌溉技術(shù)的應用，水、肥利用效率可提高70%以上。此外，由于植物工廠本身結(jié)構(gòu)的緊密性和環(huán)境控制的均勻性，秧苗繁育過程中的能源及CO2利用效率也顯著提高。

與傳統(tǒng)露地育苗和溫室育苗相比，植物工廠秧苗繁育的最大特點是可以多層立體式進行。在植物工廠內(nèi)，秧苗繁育可由平面向縱向空間拓展，極大提高單位土地的秧苗繁育效率，顯著提升空間利用效率。譬如，福建中科生物股份有限公司（以下簡稱“中科三安”）研發(fā)的秧苗繁育標準模組，在占地4.68 m2的條件下，單批次可繁育秧苗1 萬株以上，可供3.3 畝（2201.1 m2）蔬菜生產(chǎn)需要。在高密度多層立體繁育條件下，配套自動化輔助設備和智能物流運輸系統(tǒng)，可極大提高人工利用效率，節(jié)約人工50%以上。

高抗秧苗繁育 助力綠色生產(chǎn)

植物工廠潔凈的生產(chǎn)環(huán)境，可極大降低繁育空間內(nèi)病蟲害的發(fā)生。與此同時，通過培養(yǎng)環(huán)境的優(yōu)化配置，生產(chǎn)出來的秧苗將具有更高的抗性，可極大減少秧苗繁育和栽植過程中的農(nóng)藥噴施。此外，對于嫁接苗、扦插苗等特種秧苗的繁育，可通過植物工廠內(nèi)光、溫及水肥等綠色調(diào)控手段，代替?zhèn)鹘y(tǒng)操作中激素的大量使用，保障食品安全，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)秧苗的綠色可持續(xù)生產(chǎn)。

生產(chǎn)成本分析

植物工廠增加秧苗經(jīng)濟效益的途徑主要包括兩個部分，一方面通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計、標準化操作和智能設施裝備的使用，減少秧苗繁育過程中種子、電能及勞動力的消耗，提高水、肥、熱、氣及CO2的利用效率，降低秧苗繁育成本消耗；另一方面，通過精準控制環(huán)境及優(yōu)化工藝流程，縮短秧苗繁育時間，增加全年繁育批次及單位空間秧苗產(chǎn)量，秧苗品質(zhì)高、上市早，更富市場競爭力。

隨著植物工廠技術(shù)發(fā)展和秧苗培育環(huán)境生物學研究的不斷深入，植物工廠秧苗繁育的成本已基本與傳統(tǒng)溫室培育成本一致，且種苗質(zhì)量和市場價值更高。以黃瓜苗為例（圖3），生產(chǎn)資料占比較大，約占總成本37%，包括種子、營養(yǎng)液、穴盤、基質(zhì)等。電能消耗約占總成本24%，包括植物照明、空調(diào)及營養(yǎng)液泵能耗等，是未來優(yōu)化的主要方向（數(shù)據(jù)來源：中科三安）。此外，人工占比低是植物工廠生產(chǎn)的特點，隨著自動化程度的不斷增加，人工消耗成本會進一步降低。在未來，通過高附加值作物及珍貴林木秧苗產(chǎn)業(yè)化培育技術(shù)的開發(fā)，可以進一步提高植物工廠秧苗繁育的經(jīng)濟效益。

圖3 黃瓜育苗成本組成/%

產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

近年來，以中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所為代表的科研機構(gòu)，以福建省中科生物股份有限公司、衢州中恒農(nóng)業(yè)科技有限公司等為代表的高新技術(shù)企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了植物工廠秧苗繁育的產(chǎn)業(yè)化，可以為秧苗提供從種子到出苗全程高效的工業(yè)化產(chǎn)線。其中，中科三安于2019 年建成并投產(chǎn)的山西長治育苗工廠，占地3500 m2，在30天的周期內(nèi)可繁育辣椒苗80 萬株或番茄苗55 萬株。衢州中恒農(nóng)業(yè)科技有限公司建成的秧苗繁育工廠，占地2300 m2，年產(chǎn)秧苗可達800～1000 萬株。中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所自主開發(fā)的嫁接苗移動愈合工廠（圖4），可為嫁接苗培育提供流水線式愈合及馴化平臺，單個作業(yè)空間每次可處理嫁接苗1 萬株以上。在未來，植物工廠秧苗繁育品種的多樣性有望進一步擴充，自動化、智能化水平將繼續(xù)提升，有望出現(xiàn)多個年產(chǎn)秧苗達億株以上的規(guī)?；缙髽I(yè)。

圖4 中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所研制的嫁接苗移動愈合工廠

展望

植物工廠作為工廠化育苗的新載體，在精準環(huán)境控制、資源高效利用及標準化作業(yè)等方面相比傳統(tǒng)育苗方式擁有巨大優(yōu)勢及商業(yè)化潛力。通過降低秧苗繁育中種子、水肥、能源及人力等資源的消耗，提升單位面積秧苗產(chǎn)量及品質(zhì)，植物工廠秧苗繁育成本將會進一步降低，產(chǎn)品更具市場競爭力。中國秧苗需求巨大，除去蔬菜等傳統(tǒng)作物生產(chǎn)領(lǐng)域外，花卉、中草藥及珍稀樹木等高附加值秧苗有望實現(xiàn)植物工廠繁育，經(jīng)濟效益將會進一步提升。與此同時，產(chǎn)業(yè)化育苗平臺需考慮不同秧苗繁育的兼容性和靈活性，以滿足不同季節(jié)育苗市場的需求。

秧苗繁育環(huán)境生物學理論是植物工廠環(huán)境精準控制的核心。深入開展光照、溫度、濕度及CO2等環(huán)境因子對秧苗株型塑造及光合等生理活性調(diào)控的研究，有助于建立秧苗-環(huán)境互作模型，可為降低秧苗生產(chǎn)能耗、提升秧苗質(zhì)量和生產(chǎn)品質(zhì)提供理論基礎。在此基礎上開發(fā)以光為核心、耦合其他環(huán)境因子的控制技術(shù)和裝備，定制生產(chǎn)特殊株型、高整齊度、高品質(zhì)的秧苗，以適應植物工廠高密度栽培和機械化操作要求。最終為構(gòu)建數(shù)字種苗生產(chǎn)系統(tǒng)提供技術(shù)基礎，實現(xiàn)標準化、無人化、數(shù)字化的植物工廠秧苗繁育。