設(shè)施園藝種苗生產(chǎn)裝備系統(tǒng)

張躍峰，楊艷麗，初 麒,，辜 松

(1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院 設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，北京 100125；2.廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510640；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

種苗培育是設(shè)施園藝生產(chǎn)的重中之重，蔬菜、花卉、水果及苗木等都離不開種苗生產(chǎn)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)具有作業(yè)時節(jié)集中、作業(yè)量大及勞動強(qiáng)度較大等特點(diǎn)。隨著近年設(shè)施園藝規(guī)模化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展及勞動力成本的不斷攀升，傳統(tǒng)人工作業(yè)種苗生產(chǎn)模式已難以適應(yīng)高效率、低成本和高品質(zhì)的生產(chǎn)要求。在農(nóng)業(yè)勞動力不斷減少的發(fā)展形勢下，種苗生產(chǎn)中引入自動生產(chǎn)裝備，進(jìn)行機(jī)械化、智能化、精準(zhǔn)化高效益生產(chǎn)，已是我國設(shè)施園藝種苗生產(chǎn)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的必然趨勢。為此，本文結(jié)合種苗生產(chǎn)流程的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了不同種苗生產(chǎn)模式下裝備的特性與特點(diǎn)。

1 種苗生產(chǎn)環(huán)節(jié)構(gòu)成

設(shè)施園藝種苗生產(chǎn)分有性繁殖與無性繁殖兩種途徑。有性繁殖即所謂傳統(tǒng)的籽播育苗方式，無性繁殖指嫁接育苗、扦插育苗和組培育苗3種現(xiàn)代育苗方式。嫁接育苗是目前蔬菜解決土傳病害的主要育苗手段；扦插主要用在苗木生產(chǎn)和花卉生產(chǎn)中；組培育苗是目前廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)高科技種苗生產(chǎn)技術(shù)，該法依據(jù)植物的細(xì)胞可以在無菌環(huán)境條件下通過培養(yǎng)基培養(yǎng)出一株完整的植物原理，廣泛應(yīng)用在馬鈴薯、香蕉、蝴蝶蘭等蔬菜、水果、花卉和苗木生產(chǎn)中，特點(diǎn)是繁育速度快、品質(zhì)均一[1-3]。

圖1為各種育苗方式的育苗生產(chǎn)流程。由圖1可以看出:雖然不同方式有各自獨(dú)特的作業(yè)環(huán)節(jié)，但是也存在相同的作業(yè)環(huán)節(jié)，如基質(zhì)處理、栽培灌溉、植保管理、種苗分級、出貨補(bǔ)苗和種苗包裝作業(yè)環(huán)節(jié)。為解決勞動力成本不斷攀升帶來效益下降和適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)的生產(chǎn)率要求，完成設(shè)施園藝生產(chǎn)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，必然要針對以上各生產(chǎn)環(huán)節(jié)引進(jìn)、開發(fā)自動化生產(chǎn)裝備。

圖1 育苗生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)

2 種苗生產(chǎn)常見裝備

依據(jù)現(xiàn)代自動化生產(chǎn)裝備開發(fā)的理念，種苗生產(chǎn)設(shè)備分為兩大類：一種是節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)備，該類設(shè)備完成圖1中各環(huán)節(jié)點(diǎn)的作業(yè)，如基質(zhì)處理裝備、精量播種機(jī)、嫁接機(jī)和噴淋機(jī)等，是傳統(tǒng)意義上的生產(chǎn)設(shè)備；二是連接各環(huán)節(jié)作業(yè)點(diǎn)的運(yùn)送種苗生產(chǎn)資材(基質(zhì)、穴盤、花盆和苗床等)的輸送設(shè)備，如輸送帶、搬運(yùn)車、叉車、天車和苗床輸送系統(tǒng)等[1,3]。該類設(shè)備在生產(chǎn)中的引入可大大地提高輸送作業(yè)生產(chǎn)率、降低勞動強(qiáng)度，并使種苗生產(chǎn)帶入了物流化、信息化、智能化自動生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施園藝生產(chǎn)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。

2.1 節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)裝備

2.1.1 基質(zhì)處理

基礎(chǔ)處理環(huán)節(jié)主要包括基質(zhì)混合與基質(zhì)穴盤填充兩項(xiàng)作業(yè)內(nèi)容。前者是將泥炭或椰糠與珍珠巖等添加物料進(jìn)行混合，后者是將混合好的基質(zhì)填入穴盤內(nèi)。以上作業(yè)是所有種苗生產(chǎn)方式都需要的環(huán)節(jié)，該部分作業(yè)的勞動強(qiáng)度較大，這方面的作業(yè)機(jī)具已經(jīng)較為成熟。

基質(zhì)混合設(shè)備(見圖2)主要分為批量混合與在線混合兩種類型。批量混合的作業(yè)形式是將待混合物料一次批量送入混合機(jī)，經(jīng)過一段設(shè)定時間的混合后，達(dá)到混合均勻要求，排出物料；在線混合式是將待混合物料通過輸送帶連續(xù)送入混合裝置，作業(yè)模式為連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料。前者混合生產(chǎn)率較低，為4～6m3/h,適合于中小型企業(yè)生產(chǎn)；后者生產(chǎn)率較大，為30～50m3/h，適合大型企業(yè)生產(chǎn)[1]。

圖2 基質(zhì)混合設(shè)備

穴盤基質(zhì)填充機(jī)(見圖3)主要完成將基質(zhì)自動填入穴盤的填充作業(yè)，根據(jù)作業(yè)量大小分為大型和小型兩種機(jī)型。大型基質(zhì)填充機(jī)一般與圖2(c)中的基質(zhì)在線混合生產(chǎn)線聯(lián)合集成使用，國內(nèi)幾乎沒有實(shí)際應(yīng)實(shí)例，目前在北美大型設(shè)施園藝企業(yè)的種苗生產(chǎn)中應(yīng)用較多[4]。

2.1.2 精量播種機(jī)

播種設(shè)備在設(shè)施園藝生產(chǎn)中是國內(nèi)外普及率最高的生產(chǎn)機(jī)械，在我國種苗生產(chǎn)中也是最先引入的自動生產(chǎn)設(shè)備。圖4所示為荷蘭Visser公司與意大利Mosa公司的精量播種生產(chǎn)線，其在國內(nèi)有一定的銷售量。該生產(chǎn)線可以完成對穴盤基質(zhì)填充、單穴單粒的精量播種、種穴覆土和淋水作業(yè)；但是精量播種機(jī)對種子的處理質(zhì)量要求較高，如果種子出芽率不高，精量播種將造成出苗率不高的問題。

圖3 穴盤基質(zhì)填充機(jī)

圖4 穴盤精量播種生產(chǎn)線

2.1.3 種苗嫁接用裝置

自1992年日本Iseki公司推出第1款商品嫁接機(jī)后，多國相繼開展研究，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)于1998年也推出自動嫁接機(jī)。但是，市場上常見的半自動嫁接(見圖5)由于性價比不高，在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用并不理想。主要原因是：該類嫁接機(jī)操作人均生產(chǎn)率僅為300～350株/h，完成嫁接的嫁接苗還需消耗人工再回栽到穴盤中，價格高達(dá)6萬～10萬元，國外進(jìn)口的半自動嫁接機(jī)價格更是高達(dá)25萬～30萬元。針對以上問題，嫁接裝置的開發(fā)出現(xiàn)兩個方向：一是開發(fā)高速可自動回栽至穴盤的嫁接機(jī)，提高操作人員單人生產(chǎn)率，減少嫁接苗穴盤回栽環(huán)節(jié)。圖6(a)為荷蘭Flier公司開發(fā)的高速嫁接機(jī)，單人生產(chǎn)率可達(dá)900株/h左右；圖6(b)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的高速嫁接，單人生產(chǎn)率也達(dá)到了800～1 000株/h[5]。以上兩種嫁接機(jī)均適用于番茄嫁接。另一方面是開發(fā)簡易嫁接裝置，如圖7所示為嫁接生產(chǎn)線和嫁接切削器。前者通過生產(chǎn)輸送線為嫁接作業(yè)人員提供嫁接所需要的資材，如輸入嫁接用苗和輸出嫁接苗；后者是利用切削器可提高切削角度一致性，保證嫁接質(zhì)量[6]。二者的目的都是以較少的投資、簡易的方法，提高人工嫁接作業(yè)的綜合生產(chǎn)率。

圖8為嫁接苗愈合裝置。其作用是為嫁接苗提供溫度、濕度及光照，根據(jù)愈合期間的環(huán)境要求創(chuàng)造人工環(huán)境，保證嫁接苗的成活率，國內(nèi)也有將其與催芽室共用的生產(chǎn)例。

圖5 半自動嫁接機(jī)

圖6 高速型嫁接機(jī)

圖7 簡易嫁接裝置

圖8 嫁接苗愈合裝置

2.1.4 灌溉設(shè)備

灌溉設(shè)備主要為種苗提供水分和養(yǎng)分，設(shè)施園藝灌溉裝置常用形式主要為噴淋裝置。其既可提供水分營養(yǎng)，還可作為植保設(shè)備，進(jìn)行病蟲害防治，如圖9所示。懸掛行走式噴淋裝置的移動軌道固定在溫室的桁架上，采用這種噴淋裝置對溫室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，地面行走式則對溫室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有要求，適合在已建溫室內(nèi)使用。近年來，潮汐灌溉作為一種新技術(shù)在設(shè)施園藝生產(chǎn)中得到應(yīng)用，分為地面式和苗床式。前者用于栽培面積較大的情況，水肥一體化設(shè)備較為復(fù)雜，投資高；后者由于以苗床為灌溉單元，對于不同栽培面積都可適用，小規(guī)模時采用簡易水肥混合裝置[見圖10(a)]，大規(guī)模時則需要采用較為復(fù)雜的多通道水肥混合裝置[見圖10(b)][7]。

圖9 溫室移動式噴淋裝置

圖10 水肥一體化裝置

2.1.5 補(bǔ)苗設(shè)備

種苗銷售給種植戶，要求種苗達(dá)到100%的合格率，否則將影響銷售價格。因此，需要對培育完待出售種苗進(jìn)行分級和不合格種苗剔除及種苗補(bǔ)齊作業(yè)。對于種苗規(guī)模化生產(chǎn)，分級、剔除和補(bǔ)苗作業(yè)量大，對生產(chǎn)率要求高，需要采用機(jī)械化作業(yè)才能滿足生產(chǎn)實(shí)際需求。

圖11為荷蘭Flier公司的剔苗機(jī)。該機(jī)完成對穴盤內(nèi)壞苗剔除作業(yè)，利用機(jī)器視覺識別好、壞苗，通過氣力剔除裝置將壞苗剔除出穴盤，剔除作業(yè)生產(chǎn)率可達(dá)600盤/h。圖12為荷蘭Flier公司的補(bǔ)苗機(jī)，利用機(jī)器視覺識別穴盤內(nèi)的缺苗位，通過5個移栽機(jī)械手補(bǔ)齊缺苗位，補(bǔ)苗作業(yè)生產(chǎn)率可達(dá)6 000穴/h[1]。另外，荷蘭Visser公司也有大型穴盤苗分級補(bǔ)苗裝備，但是裝備系統(tǒng)價格高達(dá)200萬元人民幣以上，一般用戶難以接受。

圖11 荷蘭Flier穴盤剔苗機(jī)

圖12 荷蘭Flier穴盤補(bǔ)苗機(jī)

2.2 物流輸送裝備

2.2.1 輸送帶

輸送帶是溫室中最常見的輸送設(shè)備，在基質(zhì)填充機(jī)、播種生產(chǎn)線和嫁接生產(chǎn)線上都有應(yīng)用，但多屬于短距離設(shè)備內(nèi)部使用。作為物流輸送的輸送帶，需要在作業(yè)車間內(nèi)連接基質(zhì)處理、播種線、嫁接等作業(yè)設(shè)備，來輸送穴盤，甚至是長達(dá)百米連接種苗栽培溫室

與基質(zhì)處理和播種等作業(yè)的車間[見圖13(a)]。作為物流輸送的輸送帶，不僅是直線輸送，還經(jīng)常根據(jù)作業(yè)流程需要小進(jìn)行90°轉(zhuǎn)彎[見圖13(b)、(c)]或是180°轉(zhuǎn)彎。

2.2.2 苗床及苗床輸送裝備

移動苗床搬運(yùn)是一種高效輸送方式，此物流輸送技術(shù)由荷蘭首創(chuàng)，苗床尺寸一般為1.6m寬、4.5m長，一個苗床可以盛放大量的種苗穴盤[見圖14(a)所示]。與目前溫室內(nèi)傳統(tǒng)苗床相比，移動苗床通過輸送軌道由作業(yè)車間將播種后穴盤送至溫室栽培區(qū)，或是由溫室栽培區(qū)將穴盤送回作業(yè)車間進(jìn)行種苗出售前處理作業(yè)，苗床輸送可自動搬運(yùn)[見圖14(b)]或靠人力推送[見圖14(c)]。移動苗床的優(yōu)勢是可以批量快速搬運(yùn)大量的穴盤，即使人力推送，勞動強(qiáng)度也不大。

圖13 輸送帶物流輸送

圖14 移動苗床物流輸送

2.2.3 穴盤跳移輸送裝備

對于大規(guī)模種苗生產(chǎn)企業(yè)，穴盤苗的輸送量非常大。在穴盤自動輸送過程中，不僅需要輸送帶和移動苗床的自動輸送設(shè)備，還需要穴盤跳移輸送裝備實(shí)現(xiàn)穴盤種苗在輸送帶與移動苗床之間的自動跳移輸送。圖15為荷蘭TTA公司的兩種穴盤跳移輸送機(jī)，完成種苗由輸送帶進(jìn)入移動苗床和由移動苗床進(jìn)入輸送帶的不同輸送方式之間的跳移搬運(yùn)作業(yè)。

圖15 荷蘭TTA公司的穴盤跳移機(jī)

3 結(jié)語

隨著設(shè)施園藝生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和勞動力成本的持續(xù)升高，我國設(shè)施園藝種苗生產(chǎn)面臨勞動力短缺、勞動成本逐年提高、自動化生產(chǎn)水平低下和作業(yè)生產(chǎn)率不高等問題。為提高生產(chǎn)率、降低勞動強(qiáng)度和減少生產(chǎn)成本，應(yīng)借鑒歐洲設(shè)施園藝自動化生產(chǎn)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，在構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)系統(tǒng)、促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變方面，綜合考慮裝備性價比，結(jié)合中國蔬菜種苗生產(chǎn)特點(diǎn)，努力提高生產(chǎn)自動化水平。針對蔬菜種苗生產(chǎn)中作業(yè)量大、勞動強(qiáng)度大的生產(chǎn)物料搬運(yùn)環(huán)節(jié)，采取多種途徑，合理協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)裝備與物流輸送裝備的關(guān)系，構(gòu)建物流化生產(chǎn)系統(tǒng)，提高種苗生產(chǎn)的總體生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度，有效降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了高效、省力、自動化生產(chǎn)，促進(jìn)我國設(shè)施園藝生產(chǎn)模式的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。