欧洲水培叶菜机械规模化生产系统

秦四春，辜 松，王跃文

(1.全国农业展览馆，北京 100125；2.华南农业大学 工程学院，广州 510642)

欧洲水培叶菜机械规模化生产系统

秦四春1，辜 松2，王跃文2

(1.全国农业展览馆，北京 100125；2.华南农业大学 工程学院，广州 510642)

针对水培叶菜规模化生产，介绍了欧洲水培叶菜自动化生产装备系统与技术。首先，说明水培技术高效循环生产、避免土壤环境污染的优势，论述了水培叶菜的主要作业流程。基于水培叶菜作业流程，通过实物图片介绍了欧洲水培叶菜生产中基质处理、精量播种、种苗移植、叶菜收获和生产资材自动输送等环节装备和技术。对比国内水培蔬菜的生产模式与具体国情，提出了研学欧洲先进的生产作业装备技术和物流化生产作业思想理念，结合我国水培蔬菜生产模式，优化完善叶菜丸粒化精量播种技术，开发研制叶菜种苗移植设备，针对不同水培叶菜生产企业及生产方式，量身定制开发设计物流化生产输送系统，达到提高生产效率、降低劳动强度、减少生产劳动力的目的，有效提高我国水培蔬菜生产的竞争力。

水培叶菜；机械化；规模化；生产系统；欧洲

0 引言

水培是通过特定设施营造相对封闭、储放营养液的环境，使植物根部生长所需水肥气热等条件保持相对稳定，全部或部分根系浸泡在营养液中的栽培方法[1]。与传统农业相比，在相对封闭的设施内为植物床创造了相对优越的生长条件，避免了气象灾害、自然界物种竞争等恶劣环境；另一方面，相对封闭的环境条件还保护植物免受外界土壤环境的各种污染，可以生产出污染小、产量高、品质好、批次多的叶菜[1-7]。采用日光进行水培蔬菜栽培生产，欧洲历经了多年的机械化生产实践，走过人工生产到自动化生产的道路[8-13]，我国在水培蔬菜方面也经历多年的生产实践，但是在自动化生产方面还处于初级阶段[14-18]。本文将以欧洲基于栽培槽式培育法为对象，介绍欧洲水培蔬菜的装备系统。

1 水培叶菜生产流程

水培叶菜种苗一般采用基质培育，因此作业环节首先是对种苗基质的处理，包括基质搅拌和基质成形或穴盘基质填充，为精量播种提供栽种对象。基质准备完成后，即在每个基质块/穴内精量播种1～3粒叶菜种子，进行种子覆盖和浇水。完成播种后的基质送入温室，在温室内进行发芽、培育，直至达到可移植的状态。一般水培叶菜种苗培育不采用水培法，仍是传统基质植栽培法。叶菜种苗培育完成后，需将种苗移植至栽培槽内，进入水培阶段；经过2周左右的日光培育，叶菜达到成熟采摘状态后，进行收获切掉掉根系，并装入包装袋，进入速冷后冷藏等待出售。水培叶菜的生产作业流程如图1所示[14,19-22]。

图1 水培叶菜生产作业流程Fig.1 The flow chart of hydroponic leafy vegetables production

2 水培叶菜自动化生产装备与技术

欧洲水培叶菜生产企业为满足规模化生产的要求，降低劳动强度，减少生产用工以提高竞争能力，在生产中广泛引入工业技术[21-22]，针对基础处理劳动强度大、叶菜种苗移植作业单一化、栽培槽、种苗及收获叶菜的输送用工量大的问题，开发出自动化物流生产体系，主要设备如图2～图6所示[5-6]。自动生产装备主要涵盖基质处理、精量播种、种苗移植、栽培槽搬运及叶菜收获作业等环节。

图2 丸粒化叶菜种子精量播种Fig.2 Precision sowing of granulation leafy vegetables seeds

图3 叶菜种苗自动化移植作业Fig.3 Automation transplantation operation of leafy vegetables seeding

图4 生长在温室栽培槽内的叶菜Fig.4 Leafy vegetables grown in greenhouse cultivation groove

图6 水培叶菜生产中的物流化输送作业Fig.6 Hydroponic leafy vegetables in the production of logistics transport

2.1 基质处理

基质处理劳动强度较大，欧洲设施园艺生产中基质混合均采用机械进行，小型企业采用批量基质搅拌机，大型企业采用基质混合生产线进行混合。基质处理还包括栽培基质的成形，欧洲水培叶菜种苗生产中，基质成型一般有两种形式：一是利用基质填充机将基质填入穴盘成穴；二是利用基质块成形设备将基质先压制成基质薄片，再切割成基质块并坐穴，以利播种定植种苗，如图2(b)所示。

2.2 精量播种

一般叶菜种子籽粒小，外形不规则，对精量播种装置要求很高，并经常导致精量播种质量不稳定。因此，精量播种前均对叶菜种子进行包衣丸粒化处理，一方面包衣材料中可添加病害防治元素，同时可大大改善精量播种的生产率和播种质量。图2(a)为滚筒式精量播种机正在对丸粒化生菜种子进行单粒精量播种作业，图2(b)为播入基质块穴内的丸粒化种子。

2.3 种苗移植

叶菜种苗移植是指将完成培育的种苗由培育穴盘或基质块托盘移植栽培槽的培养穴内，作业动作单一简单，并附带大量的苗盘、种苗和栽培槽的搬运工作，特别适合由机械来完成该环节的作业。图3为机械化移植过程[10，24]。这是水培叶菜机械规模化生产系统中自动化程度最高的环节，在欧洲根据水培蔬菜种植企业的具体技术要求和不同经济性考量，种苗移植机的形式也不同。图3(a)为X-Y-Z型移植机，图3(b)为机械手臂型移植机，前者结构较为复杂，但是设备成本较低；后者采用了工业现成产品机械手臂，移植机设计简单，但是设备成本较高。图3(c)为移植机的关键部件移植手作业情况。一般移植手根据水培叶菜生产的系统作业工艺要求，可同时移植6、8、10株种苗。图中3(c)中，相邻行栽培槽的穴位为错位移植，其目的是在叶菜培育阶段可以增加叶菜之间的间距,避免叶菜叶片长大后相互遮挡影响生长；另外，相邻行栽培槽穴位也可不错位，这样叶菜小苗时不存在叶片相互遮挡，但是当叶菜叶片长大后，需要调整栽培槽的间距，以避免叶片间的遮挡。

2.4 叶菜收获

移植入栽培槽的叶菜种苗在图4(a)所示温室日光及图4(b)所示营养液提供方式下培育2周左右，即可进行收获。如图5(a)所示，水培叶菜收获一般是将栽培槽送入一输送线，栽培槽自动移动，采摘人员人工在输送线上收获叶菜装入包装袋，并放入一输送带送至装箱车间；收获后的栽培槽自动进入一清洗装置，通过高压喷头喷水对栽培槽进行清洁，必要时还要进行消毒处理，如图5(b)所示；装袋后的叶菜进入装箱车间后还要装箱包装再进入销售市场，图5(c)所示。

3 生产资材物流化输送系统

设施园艺机械化生产一直以来的主要着眼点都集中在生产作业环节(如精量播种、种苗移植等方面)，传统思想的核心是解决作业的劳动强度问题、提高作业生产率。近年以荷兰为首的先进园艺生产系统除注重栽培生产的节点作业设备的开发外，还投入了大量的精力，借鉴工业上的物流化生产技术，结合不同栽培对象、不同栽培形式和栽培规模，开发出形式多样的物流化生产装备，物流化生产装备的主要功能是连接各个节点作业装备，实现各装备之间生产资材的自动化输送作业，从而真正实现了自动化生产，从总体上提高整体自动化生产系统的生产率，也才能够真正减少生产人员和降低劳动强度[10]。

图6(a)为温室内叶菜种苗的自动输送系统，该输送系统可实现温室种苗栽培区域与种苗移植机之间的种苗自动化搬运作业。图6(b)为温室内部联排栽培槽自动搬运车，其功能是将种苗移植机与温室叶菜栽培区域、叶菜栽培区域与叶菜收获区域连接起来，实现多排栽培槽的自动输送。栽培槽在温室内的栽培过程中为保证先入先出，有一个由温室一段进入另一端后移出的间歇式运动过程，运动速度由栽培时间决定，并且伴随着叶菜的生长势态，栽培槽的间距也是需要增加的。图6(c)为温室内部栽培区栽培槽联排移动系统，其功能就是自动联排移动栽培槽，并在特定的区域拉大栽培槽间的间距。图6(d)为温室内叶菜栽培区单排栽培槽输送系统，功能是对于小型企业可作为叶菜收获区域以单根形式自动输送待收获栽培槽。

4 对我国水培蔬菜自动化生产的启示

1)随着我国产业人口再分配的进一步推进，设施园艺生产采用自动化机械进行生产，是解决劳动力成本攀升效益下降、农业劳动力老龄化、农业从业者追求良好工作环境、规模化单一品种生产追求高效率等问题的有效方式，这在欧洲高劳动成本、低农业从业人数条件下，通过高自动化设施园艺生产取得效益的生产实践中得到验证。

2)设施园艺自动化生产装备体系无法通过全套引进国外设备、针对国内的设施园艺生产来推广应用。其原因：一是各个企业的生产系统有诸多个性因素，无法利用通用设备解决；二是园艺生产设备系统庞大，出现故障的概率非常大，国外的售后延迟严重；三是国外设备以国外的生产资材为标准进行设计，进入我国无法适应国内的生产资材，生产带来诸多技术问题。因此，构建设施园艺水培蔬菜自动化物流生产系统，一定要立足国内自行开发，研学欧洲先进的生产作业装备技术和物流化生产作业思想理念，结合我国水培蔬菜生产模式，优化完善叶菜丸粒化精量播种技术，开发研制叶菜种苗移植设备；针对不同水培叶菜生产企业及生产方式，量身定制开发设计物流化生产输送系统，以提高生产效率，降低劳动强度，减少生产劳动力的需求，从而有效提高我国水培蔬菜生产的竞争力。

3)规划和规范设施园艺生产模式及生产资材的规格，叶菜生产流程中规范化做得越好，设施园艺智能生产装备对生产各环节作业的适应面才会越大，自动化机械生产才能有效推广，这个工作需要农机、农艺专家配合、协作完成。

4)注重温室内部物流输送设备的开发，设施园艺生产中生产资材的输送是一项工作量非常大的作业，并且劳动强度大[8，10]。另一方面，在节点上作业实现了自动化机械作业的条件下，缺少物流化自动输送设备，仅靠人工搬运生产资材，再先进的节点装备也难以实现设施园艺整体生产效率的提高。因此，针对规模化设施园艺生产，唯有节点作业装备与物流化输送设备配合开发，才可真正实现自动化生产，同时减少生产人员和降低劳动强度。

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The Production System of Hydroponic Leafy Vegetables Mechanical Large-scale in European

Qin Sichun1, Gu Song2, Wang Yuewen2

(1.National Agricultural Exhibition Center, Beijing 100125, China；2. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642，China)

With the hydroponic leafy vegetables large-scale production, the paper introduces system and technology of the European hydroponic leafy vegetables production automation equipment. First, the paper show hydroponic technology efficient cycle production, the advantage of avoiding soil environmental pollution and the main process of hydroponic leafy vegetables. Based on hydroponic leafy vegetables processing, the paper introduced substrate processing link, precise seeding link, seedling transplant link, leafy vegetables harvest link and production materials automatic conveying equipment and technology by showing the objects images of in hydroponic leafy vegetables production in Europe . Contrast domestic hydroponic vegetables production mode and the specific national condition, proposed the researching and learning the advanced production equipment technology and logistics production operation idea. Combining the hydroponic vegetables production pattern, optimizing precision sowing technology of granulation leafy vegetables seeds, developed transplantation operation of leafy vegetables seeding equipment. Aimed at different hydroponic leafy vegetables production enterprises and production way, customized delivery system of logistics production . To improve the production efficiency, reduce labor intensity, reduce the production requirements of the labor force, improve the competitiveness of our country's hydroponic vegetable production.

hydroponic leafy vegetables; mechanization; large-scale; production system; European

2016-10-12

国家"863计划"项目(2013AA10240603)

秦四春(1970-),男，黑龙江嫩江人，工程师，(E-mail) qsc@ciae.cn。

辜 松(1963-)，男，广东汕头人，教授，博士生导师，(E-mail)sgu666@sina.edu.cn。

S232.3

A

1003-188X(2017)12-0264-05