綠葉蔬菜工廠化生產關鍵技術研究

黃丹楓，張凱

（上海交通大學農業與生物學院，200240）

綠葉蔬菜工廠化生產關鍵技術研究

黃丹楓，張凱

（上海交通大學農業與生物學院，200240）

黃丹楓

博士，上海交通大學農業與生物學院植物科學系教授，現代農業與生物工程訓練中心主任，上海市重點學科蔬菜學科帶頭人，教育部園藝學教學指導委員會成員，上海交通大學學術委員會委員，享受國務院特殊津貼。主持國家科技支撐計劃、“863”計劃重點課題、科技部農業成果轉化、上海市科技興農重點攻關等科研項目；獲國家科技進步二等獎、上海市科技進步獎多項。發表SCI等優秀論文100余篇，主編《現代溫室園藝》、《工廠化育苗理論與技術》、《觀賞蔬菜》等學術專著。曾獲上海市優秀青年科技啟明星、全國優秀教師、上海市優秀學科帶頭人、上海市巾幗創新獎、全國三八紅旗手、全國優秀科技工作者、科技部世博科技先進個人等榮譽稱號。

圍繞綠葉蔬菜的清潔高效生產和均衡供應需求，借鑒日本、荷蘭等國家植物工廠發展的先進經驗，針對綠葉蔬菜工廠化生產的關鍵環節和技術突破點，以小白菜的工廠化生產為例，綜述了品種選擇、基質研發、肥水運籌、節能生產、綠色防控、物流加工、質量管理等關鍵設備與技術研究進展，探索符合中國國情的有機生態型綠葉蔬菜工廠化生產的可行性。

綠葉蔬菜；工廠化生產；清潔高效生產；關鍵技術

1 綠色蔬菜工廠化生產需求

綠葉蔬菜的清潔高效生產，是我國蔬菜產業發展難度最大、與人民群眾的日常生活休戚相關的問題。由于勞動力缺乏，勞動強度大，青壯年農民對綠葉菜的生產望而生畏，周年均衡供應的目標難以實現；能源和資源問題，也限制了綠葉蔬菜的生產成本，降低了生產企業應對自然災害和市場變化的抗波動能力[1～3]。因此，尋找綠葉蔬菜清潔高效生產的解決方案，成為城市蔬菜供應、設施蔬菜生產發展的一個重要課題[4，5]。

綜合應用工程技術、信息技術和農業生物技術成果，研究和發展機械化、工廠化兩大生產體系，有可能突破傳統的綠葉蔬菜生產模式，大大提高生產效率，提高能源和資源利用率，實現綠葉菜的清潔高效生產和周年均衡供應[6～8]。本文以小白菜生產工廠為例，分析和論述綠葉蔬菜工廠化生產的核心設備和關鍵技術，探討我國綠葉蔬菜工廠的發展方向和技術突破難點。

2 國際先進經驗借鑒

2.1 荷蘭日光型植物工廠

荷蘭溫室園藝作物生產工廠，值得借鑒的主要包括以下幾個方面：①溫室物流系統建設，自動化的物流系統能夠有效保障生產環境清潔。②高效生產的設備配置，綠葉蔬菜生產的必要設備有播種機、催芽室、基質填料系統、灌溉和營養液循環系統、苗床清潔系統、收獲與包裝流水線等，可根據投資能力進行選擇。③宜采用日光利用型植物生產系統。多數綠葉蔬菜不需強光照，玻璃溫室或塑料覆蓋材料能滿足其光照需求，采用半封閉的溫室結構，頂開窗安裝防蟲網、側窗通風或噴霧降溫，采暖系統、雙層遮蔭保溫簾幕等可供選擇。④采用溫室環境監測和生長調控設備，包括溫度、濕度、CO2等環境傳感器，生長控制機構執行和生產管理軟件。這部分是關鍵技術集成內容，要求通風降溫、噴霧、采暖等溫室設施良好。溫室環境管理和施肥灌溉決策等取決于設備與技術的雙重保障[9]。

荷蘭綠葉蔬菜工廠化生產的成功經驗包括Venlo型玻璃溫室結構、具有決策支持功能的PRIVA溫室環境計算機控制系統，以及作物生長發育模型的應用。

2.2 日本CPPS植物生產系統

日本植物工廠以CPPS（Closed-type Plant Production Systems）為代表，CPPS通過設施內高精度的環境控制，實現農作物周年連續高效生產，通過計算機自動控制植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境條件，使設施內植物生育不受或很少受自然條件制約，勞動力投入極少[10～13]。CPPS的特點是覆蓋材料密閉性強，屋頂及墻壁材料不透光，隔熱性較好，采用高壓鹵燈、高鈉燈、高頻熒光燈或者發光二極管（LED）等新型光源[14]，栽培作物在線檢測和網絡技術支持下，通過連續監測和信息處理，自動實現光照、營養液供應等管理操作。

CPPS植物生產系統在生產環境適應性、生產智能控制方面更具特色，其與荷蘭日光型植物工廠相比，具有以下特點：①在完全人工環境下進行植物生產，植物不再依賴于陽光生長；通過人工光照，作物在多層培養架上生長，高效利用空間，生產面積利用率是常規溫室的2～5倍[15]；②封閉式的生產管理，不使用殺菌劑、殺蟲劑，無污染，種植的蔬菜營養安全、質量好、價格高；③在適宜的生長條件下，植物生長周期大大縮短，生產效率高，如CPPS中栽培的生菜從種植到采收僅需30 d左右，比常規栽培縮短30%～50%[16]；④高度智能的計算機控制系統貫穿作物從生產到包裝的全過程，勞動力投入更少。

2.3 建立中國綠色蔬菜生產工廠需解決的問題

我國是綠葉蔬菜生產品種最為豐富、產量最大、消費量最大的國家，學習荷蘭、日本等發達國家植物工廠的先進經驗，應根據中國的蔬菜生產特點和市場需求，創造一個適合中國國情的、經濟高效、生態環保的綠葉蔬菜工廠化生產技術體系。

建立我國綠葉蔬菜生產工廠，需要解決以下問題：①達到生產成本與銷售價格的平衡點，綠葉蔬菜市場價格敏感，工廠化生產的前期投入高、生產成本高，使投資者裹足不前。②在借鑒國際先進經驗上，決定建立綠葉蔬菜工廠化生產技術體系的關鍵點，如我國南方和北方地區的綠葉蔬菜消費差異大，氣候生產條件差異大，作物種類品種多，缺少植物生長與環境調控的基礎數據。③實現植物工廠經濟有效的環境控制，溫室設施簡易，環境可控制點有限，真正意義上的植物工廠生產成本高，能源消耗大，實際操作困難。

3 關鍵技術

綠葉蔬菜工廠化生產的技術路線如圖1所示，包括設施設備和關鍵技術兩大方面。設施設備包括溫室設施、基質攪拌機、播種機、溫室物流系統、收割包裝等；溫室環境監測主要包括溫度、空氣濕度、基質含水量和CO2濃度等；生產技術包括品種選擇、基質研發、肥水運籌、節能生產、綠色防控、物流加工、質量管理等。

3.1 品種選擇

工廠化生產的綠葉蔬菜要求品種對溫度適應性強，工廠化生產茬口密度高，在自然溫度下能四季播種；耐蔭耐濕，葉面沾濕后光合作用能力強，噴灌適應性好；直立性強，適合機械化采收，同時不影響食用品質；種子萌發力強，出芽率高，適宜精量播種，出苗整齊一致。品種選擇包括專用品種培育和不同季節品種的篩選兩個方面，針對不同的綠葉蔬菜，在大面積生產前期，要有精確的品種比較試驗結果。以小白菜工廠化生產為例，品種特征為下胚軸長，束腰直立，產量高，口感好，病蟲害抗性強。

圖1 綠葉蔬菜工廠化生產的關鍵技術路線

3.2 基質研發

穩定的基質配方和養分供應，是清潔高效生產的基礎。綠葉蔬菜的工廠化生產包括基質栽培和營養液栽培兩種方式，推薦采用前者。基質研發包括栽培基質配方和有機肥料的使用兩個方面，栽培基質主要由泥炭、珍珠巖等按一定比例混勻，通過多期種植試驗，確定最佳的混合比例，冬春季增加容重，使溫度穩定；夏秋季增加孔隙度，促進根系呼吸，加強養分吸收。利用微生物發酵技術將蔬菜、農作物秸稈等廢棄物加以利用，與畜禽糞便混合發酵生產有機肥，添加形成有機栽培基質，實現主要農業廢棄物的資源化循環利用。

3.3 肥水運籌

肥水運籌主要是水分管理，對于生長周期在20 d內的綠葉蔬菜，建議將作物生長所需的肥料一次性添加到基質中；對于生長周期長、易出現缺肥現象的蔬菜種類，可以通過營養液或葉面施肥加以補充。

灌溉方式的選擇是水分管理的關鍵，自走式噴灌、微噴和潮汐灌溉均可供選擇。微噴的優點是設備簡單，易于維護，建設和運行成本低；缺點是灌溉不均勻，局部苗床區域灌溉水過量或者不足，噴頭容易堵塞，使用壽命短，灌溉時間長。潮汐灌溉效率高、灌溉質量好，能夠保持基質中適宜的水分和良好的孔隙度，節水省肥，循環灌溉沒有滲漏、飄逸等損失，作物根部浸水，葉、莖不沾濕，很少發生病害傳播；缺點是造價較高，設備組成復雜，管理過程需要采用計算機控制[16～18]。

不同灌溉方式對苗床設施的配置要求不同，選擇苗床系統方式的關鍵點在于灌溉方式滿足自動化控制的需求以及可提高溫室空間的利用效率。采用自走式噴灌和微噴系統，可選擇固定式和移動式苗床，固定式苗床兩側均需保留操作空間，溫室面積使用率60%左右；移動式苗床采用人工驅動，操作靈活簡單、移動方便，溫室使用面積達80%左右，是目前溫室苗床配置的主流。為了提高溫室生產面積，多層潮汐灌溉裝置已經研發和應用。對于自動化的生產系統，應在配備傳輸設備的同時，設計和安裝多自由度自動苗床系統，以提高生產率、加速生產運轉流程、減少勞動力投入。選擇潮汐灌溉系統時，蓄水盤和管道設計具有特殊要求。

3.4 節能生產

無論是荷蘭還是日本的植物工廠，都以最適溫度為管理目標，通過提高產量和品質獲得利潤。在我國的多數地區，利用太陽能在自然溫度條件下生產是生產經營和科技攻關重點。我國綠葉蔬菜消費量大，蔬菜價格穩定、低廉關系到社會穩定的大局，而低碳農業生產是節能減排的重點。因此，尋找節能生產的解決方案，是綠葉蔬菜工廠的關鍵。在小白菜的生產過程中，通過耐低溫、高溫品種的使用，遮蔭保溫簾幕控制，基質配方調整，灌溉方式調整等技術的綜合應用，已經形成了一套行之有效的節能生產方案，在自然溫度下可以生產15茬/a。

3.5 綠色防控

綠色防控技術貫穿蔬菜清潔生產的全過程，是決定工廠化生產成敗的關鍵，具體包括以下幾項。

①抗性品種的選育 在高密度、集約化生產條件下，作物的耐高溫、低溫能力，在弱光條件下作物的光合作用能力、抗病性等，是高效清潔生產的基礎；播種前的種子處理，是提高發芽率和發芽勢、防治種子帶菌的有效措施。

②基質與灌溉水消毒措施 在利用廢棄物進行基質生產過程中，發酵完全及去除動植物殘渣所攜帶的病菌、蟲卵和雜草種子，成為清潔生產的第二道防線；配置多層過濾、臭氧消毒等設施設備，保障灌溉水的質量安全。

③安全隔離措施 綜合應用防蟲網、殺蟲燈、性引誘劑、黃板等綠色防控措施，有效控制生產過程中病蟲害的發生，實施全過程的無農藥生產；工作人員的工作服等定時清洗更換，其他人員未經許可，不許進入生產區域。

④生產器具的消毒防護 在每一茬作物生產結束之后，應對穴盤、蓄水盤、苗床等設備進行清洗消毒；循環利用植物殘渣和基質等廢棄物，嚴格按照廢棄物處理的操作規程執行。

3.6 物流加工

綠葉蔬菜采收后進入商品化處理過程，也稱為物流加工過程，是連接生產和流通的重要環節。工廠化生產的綠葉蔬菜鮮嫩且含水量高，采收、清理、包裝等操作對產品質量的影響較大，在較低溫度下采收，可提高綠葉蔬菜的貨架壽命；人工采收時盡量縮短采收時間，并及時進入冷鏈儲運環節；盡可能減少整理、分級包裝等商品化處理環節。

采收和包裝的機械化作業是工廠化生產鏈的重要技術環節，采收與包裝作業機械的研發是實現全程工廠化作業的保障。蔬菜流通過程中的保鮮，主要依靠冷庫貯藏和冷鏈運輸來實現，通常采用強制空氣預冷法，生產企業應配備冷庫和冷藏運輸車等設施。研發和推廣使用綠色包裝材料，減少資源消耗，是蔬菜凈菜上市、減少逆向物流的發展方向。

3.7 質量管理

與普通的溫室生產相比，植物工廠的優勢在于通過作業設備，對生產環境和植物生長全過程進行監測控制，實現多層次、高密度、多茬口種植，全面實現作業過程的機械化和自動化。

植物工廠生產目標的實現取決于生產全過程的質量管理，包括生產環境信息的實時監測與管理，作物生長信息的獲取與反饋，作業環節的科學決策與精準控制。農業物聯網技術的推廣應用，為蔬菜工廠化生產發展提供了技術支持[19]。智能感知芯片、嵌入式系統、無線傳感器網絡等物聯網技術的發展，使設施環境和作物信息的精確獲取成為可能，使智能化生產設備的遠程控制成為可能，使種植過程的科學決策和精準作業成為可能[20]，為綠葉蔬菜供應鏈質量安全控制提供了技術保障。

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Key Technology of Green Leafy Vegetable Factory

HUANG Danfeng,ZHANG Kai
(School of Agriculture and Biology,Shanghai Jiaotong University,200240)

Based on demands of clean and efficient production and supply chain of the green leafy vegetables,we took advantages of the greenhouse gardening development experience from Japan and Netherlands to search the proper industrial production modes in China.Taking the construction of pakchoi factory for example,we explored the key technologies of green leafy vegetable factory,including cultivar selection,substrate composition,fertilization and irrigation,energy saving, green protection and control,materiel processing and quality management,and analyzed the feasibility of developing the ecological green leafy vegetable factory production that matched the national conditions of China.

Green leafy vegetables;Industrial production;Clean and efficient production;Key technology

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.12.001

國家863計劃課題“設施農業數字化管理與精準化作業技術研究 （2012AA101903）”；上海市農委項目“上海市綠葉蔬菜產業技術體系建設”；農業部公益性行業（農業）科研專項“都市型農業生產結構與種養殖模式研究（200903056）”

黃丹楓（1956-），女，博士，教授，主要從事設施園藝技術研究，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

2012-06-19