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绿叶蔬菜轨道式高效栽培效益

来源:职称阁分类:农业论文 时间:2019-09-10 10:58热度:

  日光型植物工厂绿叶蔬菜轨道式栽培技术基于浅液流(NFT)灌溉模式,由泡沫床、种植轨道、种植盘和水肥系统构成,通过对温室环境的自动化调控实现绿叶蔬菜的高效生产,每年可生产12茬,每667m2活体蔬菜产值可达35.4万元,对比普通日光型植物工厂绿叶蔬菜NFT栽培技术,产量和产值可大幅提高,是一种值得应用推广的高效栽培模式。植物工厂是现代农业发展的最高形式,根据光照来源的不同可分为人工光型植物工厂、太阳光型植物工厂及太阳光与人工光综合利用型植物工厂(贺冬仙,2016)。其中太阳光型植物工厂也被称为日光型植物工厂,日光型水培叶菜工厂主要有管道式栽培、泡沫床式栽培和轨道式栽培3种形式,可采用深液流(DFT)和浅液流(NFT)2种灌溉模式。

绿叶蔬菜轨道式高效栽培效益

  关键词:蔬菜;栽培

  NFT以其节水省肥、根系易于呼吸到氧气等优点被广泛应用。但是植物工厂依然存在诸多问题,如前期建设成本高,能耗大,温室设备等固定资产折旧与运营成本高,经济效益偏低(杨其长,2016),如何提高植物工厂的产值与效益,是植物工厂需要深入探索的重要课题。日光型绿叶蔬菜工厂除面临以上问题外,还存在自动化程度不高、生产效率低下的问题,因此亟需一种高效的生产模式来促进该产业的发展。上海绿立方农业发展有限公司(以下简称绿立方)通过研究植物工厂的现状,分析产业发展存在的痛点,充分考虑植物的生长特性、材质的耐用性及通用性,自主研发了绿叶蔬菜轨道式高效栽培方法,采用NFT灌溉模式,实现了栽培过程移栽、传送、采收的半自动化,并预留自动化接口,以期实现水培叶菜生产的全程自动化。与普通NFT水培生产模式相比,轨道式栽培易实现模块化、机械化、自动化生产,且由于蔬菜可直接带盘采收,省去了田间采收工序,减少了用工,节约了生产成本,提高了工作效率。

  1轨道式栽培系统

  1.1栽培床

  采用宽度为1.6m的固定式栽培床,主体结构由铝型材和泡沫板组成。铝型材做成固定框架,泡沫床置于铝型材框架之上。整个栽培床分为供液端(主管道内径为25mm,毛管内径为4mm)(彩色图版1)与回液端(彩色图版2),两者具有1%的落差,以保证营养液缓速均匀地从供液端流到回液端,满足作物对营养液的需求。

  1.2轨道

  每一个栽培床单元含6组栽培槽(彩色图版3),每组栽培槽的宽度为25cm,栽培槽上分别铺设轨道,轨道采用R13的流利条制作而成,共6组12条轨道。定植好的种植盘,放入种植轨道上,可直接由种植端推入至栽培床上,操作者不需进入栽培床间,节约了在栽培床间的往返时间,节省人力消耗,提高了劳动效率,为机械化和自动化操作提供了可能性。

  1.3种植盘

  种植盘是轨道式栽培的最小栽培单元,规格为434mm×242mm(长×宽)。种植盘材质采用硬质ABS塑料,强度和韧度均通过检测,符合机械手推臂的最大压力,种植盘上开有8个种植孔,孔距10cm,叶菜通过定植杯放入种植孔内,可满足大部分叶菜的栽培。种植盘的优点在于可对生产单元实现模块化,蔬菜可随种植盘连根带走,节约了田间收获的时间。

  1.4NFT灌溉系统

  NFT灌溉系统由供液端、回液端、栽培床组成。供液端包括供液管道、水泵、营养液池、上液开关。通过水泵将营养液经由管道进入栽培床,通过上液开关设定供液频次和单次供液时长。回液端包括过滤棉、回液管道、臭氧消毒装置。营养液到达回液端时,先经过滤棉将固体杂质过滤后进入回液管道,再经15~20mg·L-1臭氧消毒后进入营养液池,完成循环。由于采用了NFT灌溉方式,栽培槽需用铝箔纸覆盖均匀,保持铝箔纸平整,不可出现鼓包或者起泡,以免影响营养液的流速和流向;铝箔纸应从种植端向收获端依次平铺下去;2张铝箔纸交接处,应由种植端方向的铝箔纸压在收获端铝箔纸上为宜,以利于营养液流过时不发生渗漏。

  2轨道式栽培的特点

  轨道式栽培是在现有泡沫床栽培的基础上进行创新改进,是一种高效的生产模式,具有可实现自动化生产,通过对温室环境的管控增加叶菜种植茬数,通过营养液调控提升蔬菜品质等特点。

  2.1可实现自动化生产

  轨道式栽培与种植盘单元的结合,为自动化生产预留了空间。用户可根据需要加装自动化设备如传送带、无人运输车、移栽机、推盘机(彩色图版4)等,实现机器换人,提高劳动效率,降低人工成本。以生菜为例,传统的泡沫床栽培或者管道栽培,需要人进入生产区域内进行操作,劳动强度和生产效率相对较为低下,而人工成本目前呈上升趋势,生产成本逐年提高(杨艳丽等,2016)。轨道式栽培由于种植盘可在种植轨道上移动,工人不需进入生产区,仅在生产区外通过移栽机或者人工一次性定植,然后通过运输工具运输到目标苗床,在供液端将定植好的种植盘依次沿轨道推入种植床,从而有效降低劳动强度,提高生产效率,节约劳动成本。

  2.2通过温室环境的精准管控增加种植茬数

  轨道式栽培主要用于连栋薄膜温室或者玻璃温室,需配备风机、湿帘、天窗等环境管控设施,根据外界气候与作物特点对棚内环境进行调节,以达到或者接近目标作物最佳生产环境条件,缩短作物生长周期。对于绿叶菜来说,可以增加种植茬数,提高复种指数,大幅提升产量。

  2.3通过营养液调控提升蔬菜品质

  在冬季低温和夏季高温季节,随着外界气温的降低或者升高,营养液温度会不利于作物根系对养分的吸收。以生菜为例,其最佳的生长温度为18~25℃,营养液温度一旦超过30℃,生菜根系吸收养分和水分的能力会被抑制,从而影响生菜的正常生长发育(杜金凤,2016)。轨道式栽培通过增加营养液温控设备调节营养液的温度,为植物根区创造适宜的温度,从而提高蔬菜品质(要旭阳,2016)。3轨道式栽培的关键技术

  3.1精量播种

  3.1.1种子选择NFT水培工厂化生产对品种要求较高,目前生产中专门用于水培生产的品种不多,大多数是从普通栽培的品种中直接筛选后使用。品种筛选要求:性状一致,适宜季节表现优异,适应NFT水培模式栽培。在这些前提下优选种子纯度高,发芽率高,发芽势快,无杂质,种子大小均匀,易于播种的品种。大多数蔬菜商品种子,种子生产商在销售前会使用处理剂进行杀菌消毒,少数种子会用种衣剂进行包衣。以生菜种子为例,目前市场上销售的种子有裸种、包衣种子、精选包壳种子、丸粒化种子4种。优先选择丸粒化种子和精选包壳种子,经过丸粒化处理或者包壳处理的种子外形更加整齐规则,表面更加光滑,可批量使用机器自动化精量播种,实现单粒播种,节约种子,提高工作效率,降低人工成本,实现规模化生产。3.1.2穴盘选择目前轨道式栽培配套的栽培孔为3cm×3cm大小,采用288孔穴盘育苗。穴盘使用前先用高锰酸钾溶液浸泡灭菌消毒,再用清水冲洗,晾干后使用。3.1.3基质选择基质选用纤维长度在0~10mm,pH值在6.0~6.5之间的白泥炭。珍珠岩选用中粒大小,将白泥炭与珍珠岩按照9∶1的体积比混拌成育苗基质。

  3.2区别分段式生产

  3.2.1区别育苗为了降耗节能,日光型植物工厂的育苗采用自然光与人工光相结合的育苗方式。在寒冷和炎热等不适宜幼苗生长的季节,启用人工光育苗箱育苗,以获得壮苗。在春秋等适宜季节,采用自然光育苗方式,以节省能耗。一般1hm2的蔬菜工厂,配备30m2的人工光育苗箱和200m2的自然光育苗场(彩色图版5)。3.2.2育苗与生产分段轨道式栽培将叶菜的生长阶段分为苗期与生长期2个阶段。苗期指播种到定植前,生长期为定植后至采收前的阶段。通过合理的生产计划,使育苗阶段与生长阶段形成一个良性的链条,可提高育苗床与栽培床的利用率,增加复种茬数,提高全年总产量。3.2.3生产过程分段栽培将叶菜定植至采收的生长阶段平均分为3个阶段。以4月栽培的生菜为例,定植至采收需要30d(天),这样每个阶段为10d(天),按照10d(天)定植1次的频率安排生产。第1阶段定植在栽培床床头,进入第2阶段后,新的蔬菜苗通过种植盘作为载体,经由种植轨道把进入第2阶段的蔬菜苗推送到栽培床中间,当进入第3阶段时,蔬菜苗进入栽培床尾部。当蔬菜苗达到采收标准时,即被推送到传送带上传送至出菜区,进行采收。

  3.3机器移栽

  轨道式栽培的最小种植单元为种植盘,种植盘大小为标准模块。通过定制化穴盘、定植杯、种植盘,由机械抓手抓取定植杯,进而实现蔬菜幼苗的机器移栽。采用人工定植的效率为每分钟20~25孔,机器移栽可达到每分钟70孔,效率提高到原来的3倍。目前绿立方已经完成机器移栽1.0版本的测试,在幼苗移栽上可完全实现机器换人,解放更多的生产力。

  3.4温室物流

  轨道式栽培最主要的特点之一是实现温室栽培流水线生产。流水线分别在种植端和收获端。通过流水线可把移栽好的幼苗传送至指定栽培床的种植端,再由推盘机通过机械臂推送到栽培床上。由于实行的是分段栽培,回液端的成品菜同时会被推出栽培床,进入到下菜流水线,再通过流水线运输到出菜区。

  3.5NFT灌溉方式

  采取NFT灌溉方式,通过调节营养液的供液频次和供液时间来控制营养液的供给(王平魁,2017),采取半浸泡式的水培方式,根系不容易缺氧,可减少因缺氧而造成的沤根等障碍;也可有效控制营养液的供给量,避免过量施用肥料而出现肥害的问题。

  3.6工作区封闭生产

  蔬菜工厂一般为封闭式生产,主要表现为温室或棚室环境与外界的空间隔离,可减少外界病虫害对生产环境的干扰,创造最适宜的蔬菜生产环境。轨道式栽培在保留原有温室环境封闭生产的前提下,生产区域也可以进行空间隔离,降低工作强度,减少人为机械损伤,提高工作效率。在栽培床上配备轨道,种植盘可通过轨道在栽培床上移动,因此工人不必进入到栽培区中间,只需站在栽培床供液端将种植盘依次推入栽培床即可;采收时,可从供液端将种植盘一起推送至回液端进行采收。目前绿立方配置有流水线、移栽机、推盘机,通过三者的联动来实现蔬菜幼苗的移栽、传送、出菜,可极大地解放生产力,提高工作效率。

  3.7病菌消毒

  营养液的配制与应用是植物工厂的重中之重(陈伟,2011),其中如何保证营养液的洁净安全是植物工厂安全生产的重要环节。营养液一旦带有病原菌,对于生产的打击是毁灭性的。主要从以下两方面来保证营养液的安全。3.7.1水源消毒雨水作为最适宜水源,在进入营养液池之前,首先通过精度为100μm的袋式过滤器,再经过精度为20μm的精密过滤器,经过2次过滤把一些杂质过滤掉,再由臭氧进行消毒,才进入到营养液池。从源头上杜绝病菌的滋生,保证营养液的水源安全。3.7.2回液消毒营养液在经过栽培床后,从回液管道回流到营养液池之前,首先进行过滤,将栽培床上带入的基质等固体杂质过滤掉,然后经浓度15~20mg·L-1臭氧消毒,杀灭其中可能存在的病菌,最后进入营养液池。

  4轨道式栽培的效益分析

  目前NFT栽培主要有泡沫床式栽培、管道式栽培和轨道式栽培3种模式,泡沫床栽培与管道式栽培相比,产量并无显著的差异(王镇等,2018)。轨道式栽培是以NFT栽培为基础,在泡沫床栽培的基础上改良而成的。目前市场上多数NFT栽培产品以销售切割菜为主,轨道式栽培可以分别销售切割菜和活体蔬菜(彩色图版6),尤其以销售活体蔬菜为主,是其在生产模式上的创新。

  4.1切割菜效益分析

  2018年4~6月在绿立方崇明基地C区进行轨道式栽培和泡沫床栽培2种栽培方式的比较试验。每个品种单个处理栽培5m2,设置3次重复。幼苗三叶一心时在日光型蔬菜工厂定植。从表1可以看出,由于泡沫床的栽培密度比较小,株行距比较宽,单株蔬菜的生长空间比较充分,因此生菜在泡沫床栽培模式下单株产量比轨道式栽培高出18.4%,小白菜高出52.5%。但在单位面积单茬产量上,轨道式栽培比泡沫床栽培有明显提高,其中生菜增产44.8%,小白菜增产12.4%。按照栽培面积利用率60%、每年12茬计算,以生菜为例,日光型植物工厂轨道式栽培切割菜年产5轨道式栽培的应用目前轨道式栽培生产系统主要应用于绿立方自建工厂,包括绿立方上海崇明工厂(彩色图版7)、金山工厂(彩色图版8)、孙桥工厂(彩色图版9)共3个工厂,主要以生产生菜、小白菜等绿叶蔬菜为主。参考文献陈伟.2011.小葱基质、营养液配方筛选及其渗吸式无土栽培技术研究〔硕士论文〕.泰安:山东农业大学.杜金凤.2016.新型无土栽培设施及其根区温度调控系统的研制量为321120kg·hm-2,泡沫床栽培为221760kg·hm-2,国外NFT栽培生菜产量为235595kg·hm-2(Maestre-Valeroetal.,2018),因此轨道式栽培比国外NFT栽培产量提高36.3%,比泡沫床栽培的产量要高出44.8%。

  4.2活体蔬菜效益分析

  轨道式栽培1hm2满产一茬可栽培60000盘蔬菜,每年可栽培12茬,合计生产720000盘活体蔬菜。采集上海绿立方崇明基地2018年3~5月的生产销售数据,在此期间,每茬叶菜从定植到采收约30d(天),实际生产面积5000m2,每茬30000个种植盘。从表2可以看出,2018年3~5月,绿立方通过活菜销售,每茬实际效益平均可达29536元·(667m2)-1,远高于普通销售模式。而且按照活体蔬菜销售,可直接带种植盘销售,减少蔬菜带根拔出工序,提高工作效率,节省人工成本。因此,轨道式栽培是一种相对低成本高附加值的生产销售模式。

  作者:张样平常丽英黄丹枫薛飞刘佳刘秀云魏海燕 单位:1上海交通大学农业与生物学院2上海绿立方农业发展有限公司3上海农林职业技术学院,4上海天成草业服务有限公司

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文章名称:绿叶蔬菜轨道式高效栽培效益

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