我國設施生菜無土生產裝備研究現狀及展望*

賈桃，譚蓉，趙倩，王利春，郭文忠

(1. 北京市農林科學院智能裝備技術研究中心，北京市，100097；2. 北京農學院計算機與信息工程學院，北京市，100063)

0 引言

近年來，我國蔬菜產業持續穩定發展，據《2021中國統計年鑒》，我國蔬菜種植面積為2.1×107hm2；產量為7.2×108t[1]，且市場供應充足，品種豐富，特色鮮明，是我國優勢特色種植業之一，現已逐步發展為農業的支柱型產業。其中從歐洲地中海沿岸傳入中國的生菜，因其生長發育、營養口味等優質特點倍受消費者青睞，該類生菜種植面積已占全國蔬菜生產面積的10%，在我國蔬菜生產中占有重要地位。然而傳統土壤栽培生產，存在生產效率低、勞動強度大、運輸損耗率高等問題，對生菜的生產產生不利影響。因此，為了提高生菜的生產效率和效益，改善傳統的低產量經驗化農業生產方式，尤其是大中城市群城郊建立設施生菜的現代化生產基地，相關學者致力于推動設施生菜生產管理及機械方面的研究，并取得了大量的研究成果。其中，以水培為主的生菜生產，基本實現了生產過程裝備化的初步階段，從而為設施生菜的生產裝備發展奠定了基礎。本文綜述了目前設施生菜無土生產各環節裝備的研究現狀，然后對當前裝備研究和應用存在的問題進行分析，并在此基礎上對未來發展方向進行展望。

1 設施生菜生產及其機械化管理的必要性

設施生菜生產具有生育期短、生長速度較快、植株矮小單一、單位面積上株數多等特點，且生菜中含有豐富的胡蘿卜素、維生素、纖維素以及鈣、鐵、鉀等微量元素，可以滿足人體所需要的營養成分，也具有減緩慢性疾病、提高人體免疫力，延緩衰老，促進生長發育等功能[2]；現已成為農業種植與每日食譜首選。另外，由于生菜柔嫩含水量大，易損耗，通過長途外運易造成葉菜損耗大，新鮮程度低，品質下降。因此，我國對于生菜的需求與日俱增，而傳統的生菜生產方式效率低下，費時費力，已經不能滿足生產和市場需求。

然而生菜在生產過程中，對生長環境、土壤及水肥的要求較高，容易形成經驗化農業且生產成本較高，需要大量的勞動力，產量也不能得到保證。除此之外，生菜種子萌發到餐桌食用的過程標準化程度高，比較容易實現各生產環節的有效串聯，并結合現代物聯網技術實現高效種植自動調度，如以下3個方面：(1)各生產環節作業裝備；(2)各環節轉運裝備；(3)面向對象的自動種植調度。因此，隨著科技的不斷發展，研究開發系列設施生菜生產管理機械化裝備和無人化作業十分必要，以此增加單位面積的栽培株數，降低勞動強度，提高產量，實現精細化管控生菜生產；建立全新的設施生菜生產模式和技術體系，把設施生菜年產量提高到50 kg/m2以上，大幅度超過傳統生菜年產量11.04 kg/m2的生產水平，實現我國生菜生產模式顛覆性的技術革新。由此可以看出，我國設施生菜生產裝備化、智能化、無人化是未來的發展趨勢。

2 設施生菜生產裝備應用現狀

設施生菜生產管理過程主要包含精量播種、種苗培育、幼苗定植、田間管理、收獲運輸5個環節。目前，“物聯網+農業”的形式已被大力推行，大大提高了農業生產力。利用各種傳感器對農作物所需的溫濕度、CO2濃度、光照強度等環境因子進行實時監測與調控[3-4]，利用PLC控制器和HMI人機界面實現水肥一體化精準控制以及生菜的采收等環節。現階段，自動化生產裝備已經應用到每一個環節，但對應的配套生產線作業，還在逐步研究中。

2.1 精量播種

為保證種子的出苗率，要對生菜種子用溫水或藥劑進行播前消毒，在種子入土過程中可能會遭到逆境的侵襲而延緩萌發，甚至不能出苗；有的種子體積太小或者外形無規則，不利于機械播種。為了解決這一問題，一般會用薄膜包衣或者丸粒化技術處理種子[5]，從而提高種子質量保證苗齊苗壯。

播種作為生菜生產的重要環節，其主要過程如圖1 所示，其精度和效率直接影響成苗質量，因此出現了多種自動播種裝備，根據播種原理，現有的播種設備可以大致分為機械式、氣力式和磁吸式3類，因為生菜種子無規則、粒徑小的特點，故以氣吸滾筒播種機應用最為廣泛。它利用真空吸附原理，依靠渦旋氣泵及振動器，通過滾筒上的吸孔吸附儲種盒中的種子。當滾筒勻速轉到下方時，在正壓和種子自身重力的作用下，使種子恰好落入穴盤之中[6-7]，有效避免了多播漏播，平均播種精度大概在75%以上。

圖1 播種流程圖

在自動播種裝備基礎上，針對現有播種線自動化程度低、機械結構復雜、工作協調性差、播種精度低等問題，配合電控元器件，形成了比較典型的播種流水線，如圖2所示，可自動實現基質攪拌、發盤、上料裝基、壓穴、播種、裂解、覆基、噴水等工序[8-10]，有效提高了作業效率與播種精度并且降低了空穴率。

圖2 精量播種生產線

王晨健等[11]研發的新型生菜精量播種裝備，依靠兩排吸嘴旋轉往復運動并按順序交替完成播種作業，由導種管實現種子降落無偏差，并完成快速精確排種。試驗結果表明，播種成功率達到90.6%，重播率為6.7%，漏播率為2.7%。有效保證了排種效率，達到了精量播種的要求，但該裝備負壓分流管內壓強和氣流速度會影響取種效果，導致吸嘴入口處的壓力大小不穩定，容易漏播或重播。李小冉等研究的小型氣力式蔬菜精量播種機，適用于溫室大棚，提高了播種機的適應性，正負壓作用排種有效解決了種子粘盤而漏播的問題；攪拌裝置的設計，有效提高了排種器的充種率。但種子掉入種箱時，速度較大，容易產生飛彈現象。為解決種子不規則、難吸附、排種不穩定等問題，曾山等[12]設計了一種氣吸式小粒種精量穴播排種器，在正負壓作用下，排種器性能得到了優化。但要想保證播種效率，就必須確定排種器的合理工作壓力范圍。祁兵等[13]在氣力集排式精量排種器基礎上，對排種器內部流場進行數值模擬，并結合分割實體方法，得出漏播率維持較低水平的排種器室壓力范圍，進一步提升了播種精度。

綜上所述，這些播種裝備工作原理大致相同，均有效解決了由于生菜種子質量輕、粒徑小、形狀無規則所造成的重播率漏播率高、播種精度低、自動化控制程度低等問題，實現了播種裝備的精量化和高效化。但這些裝備中對于壓強、氣流速度等因素的要求嚴格，可能會差生誤差。

2.2 種苗培育

種苗培育是生菜種子萌發成為壯苗最關鍵的環節，傳統的土壤育苗由于土壤未經消毒處理存在細菌、真菌，所以根部容易發生病蟲害，低效且浪費資源。目前逐漸被穴盤育苗和潮汐式育苗、植物工廠代替，從而實現節水節肥高效無污染。生菜的穴盤育苗一般采用72孔或者128孔穴盤，基質一般使用泥炭和珍珠巖。潮汐式育苗主要是一種從底部灌溉育苗的方式，如圖3 所示，能充分利用育苗容器空間，節省勞動用工60%～90%，主要通過施肥機和循環管路控制元器件，讓水肥在閉合系統內“零排放”循環使用，便捷高效，供給準確性較高，顯著提高了水肥利用率，也實現了自動化管理和工廠化生產[14]。而植物工廠如圖4所示，是通過一定的工程技術手段，對影響幼苗生長的所有環境因素如溫度、濕度、光照、CO2以及營養液等進行高精度自動控制，不受自然環境限制，能確保幼苗在穩定、合理的條件下生長，從而保證幼苗的高品質，生產能力穩定[15-17]。潮汐式育苗和植物工廠育苗均可實現產量高、周期短、速度快、污染少、效益高，并有效提高了我國的設施利用率，前者可以實現90%以上的水肥利用率，并且栽培床下沒有雜草生長，可有效減少菌類滋生。除此之外，潮汐式育苗床使用壽命較長，但是嚴禁暴曬；而后者相比之下最大的優勢體現在質量，其過程無污染、無蟲害也不使用農藥。另外，植物工廠初始投入和后期維護成本較高，并且耗電量巨大，很大程度上限制了推廣和使用[18]。

圖3 潮汐式育苗床

圖4 植物工廠培育生菜

種苗培育過程中還應解決水肥光溫氣的耦合調控，以此來確保幼苗的正常生長，避免弱病苗和死苗存在的現象。其中，水肥方面主要結合水肥一體化技術利用灌溉設備的同時，把水分、養分均勻精準且定時定量地供給作物；環境溫濕度作為最基本的重要條件，已經從基于經驗的手動控制發展到了現在的基于多源信息融合的智能控制階段：通過環境監測傳感器等原位生理監測傳感技術，利用無線傳感網絡、物聯網技術,并融合AI技術，結合模糊理論、遺傳算法等數學工具建立與植物生長模型相適應的精細環境控制模型,嘗試形成自適應學習的設施環境控制“大腦”。

2.3 幼苗定植

定植指的是將生菜苗從密集的穴盤里移植到低密度、栽培空間較大的水培槽中繼續培育。傳統的人工定植方法因為勞動強度大，生產效率低而逐漸被定植裝備所取代。由于技術要求和經濟的影響，定植裝備的形式也呈現多樣化，如圖5和圖6所示的X-Y-Z型移植機和機械手臂型移植機，前者設計復雜但成本較低，而后者設計簡易但成本較高。定植裝備的核心部件—機械手，一般采用氣壓傳動，該方式成本較低，反應靈敏，易于控制，以拾取部件分類主要有鏟式和針式兩種，前者適用于小苗定植，精度高但尺寸較大，容易對基質造成破壞；后者依靠伸縮針的傾角對基質進行提取，能夠有效避免基質塊的破裂[19]，但對控制精細程度要求更高。

圖5 X-Y-Z型移植機

圖6 機械手臂型移植機

童俊華等[20]研究的葉菜高速稀植機構，適用于泥炭基質育苗方式，利用所設計的針爪式多移植手進行稀植移栽作業，可實現穴盤內成排取苗和栽培槽變間距并行植苗作業。經過試驗測得，移栽的平均效率為3 956株/h，成功率為96.7%，但是該裝置作業部件在碰撞過程中，容易導致缽苗基質掉落在外部或者傾斜于內部，影響幼苗生長。王超等[21]研究的氣動下壓式高速取苗裝置，通過“有序供盤、連續送苗、氣動下壓取苗、自由投苗”等作業工序，改善了取苗頻率低、基質破損等的問題。經過試驗驗證，其頻率已經達到7 200株/h，實現了高速取苗。同種夾取式取苗方式還有英國的Pearson自動蔬菜移栽機[22]，將缽苗成排取出進行定植，移栽的作業效率高達14 400株/h。龍新華等研究的穴盤苗自動移栽機，苗盤進給裝置用“已”字型進行移位，實現整個過程的取苗、拔苗和投苗。經過試驗驗證，該裝置可以提高移栽效率，精確性可靠，但是由于裝置結構復雜，環節較多，橫向和縱向位移的距離不精準，極易差生誤差。劉凱等研究的移栽機器人，用視覺相機提供每顆苗是否滿足移栽條件的觸發信號后，通過兩臺PLC間的邏輯控制系統對移栽機械手進行調相和移栽作業，在挑選了符合基準幼苗的同時有效提高了幼苗定植的精度，但該過程對秧苗輸送的精度要求較高，如出現誤差會導致機械手定位不準，無法移栽。黃林生等[23]研究的基于卷積神經網絡的生菜多光譜圖像分割與配準，對生菜多光譜進行精準分割，結合邊緣提取算法對生菜多光譜圖像進行精確配準，有利于無損監測生菜生長狀態和確定其采摘時期，但在近距離采集各通道圖像時，很容易產生位移偏差。

以上研究均針對基質缽苗，并融合了先進的傳感器技術和自動控制技術，大幅度提高了移栽作業效率，保證了幼苗移栽的質量問題。在裝備功能方面，已經從過去單一的精準定位功能，發展到了篩選和定位的多功能集成。但是這些裝備在移送作業過程中會伴隨著變速運動，而運動過程中因為夾持力、摩擦力、沖擊力的大小改變而產生誤差，很容易導致苗針夾苗不穩、缽苗基質散落，均不利于幼苗后期生長。另外，定植裝備中主要部件設計復雜，維修也很困難。

2.4 田間管理

隨著設施生菜種植規模的逐步擴大，田間管理成為幼苗定植后的重要環節，旨在運用系列設施裝備來提高生菜的生長質量與抗病能力。傳統的管理模式以經驗農業為主，難以及時監測生菜生長信息，目前設施生菜的栽培模式在不斷地完善，田間管理也采用系統模塊化的設計，運行性能穩定，依據各傳感器的數據對生菜生長的環境：溫濕度、輻射等因素進行精準調控，有效控制了生菜生產過程中的水肥光溫氣問題，保證生菜能夠吸收充足的水分和養分，提高抵抗力，從而減少病蟲害的入侵，從根本上提高了設施生菜的質量問題。

我國對設施生菜的立體栽培模式進行了大量的研究，如墻體栽培、立柱式栽培和三層栽培架的使用，如圖7所示，這些栽培模式保證了生菜的種植密度，同時，有效提高了單位面積產出率和空間利用效率，節約了土地資源，且操作過程簡單，減輕了勞動力強度[24]，對產品經濟效益具有重要意義。但是上述普通立體栽培模式受光照影響較大，上層光照條件充足而下層被遮擋，造成各層光照分布不均勻，容易產生葉片遮光現象和光照不充足的情況，從而，導致產量差異較為明顯。因此，相關研究提出一種立體錯位栽培模式，如圖8所示，這種模式將栽培槽按照上下左右不同的間距分層放置，可以充分提高生菜生產的光照利用率。

圖7 栽培架

圖8 立體錯位栽培

病蟲害防治是田間管理的關鍵環節，主要以化學方法為主，傳統噴灑農藥方式頻率高、劑量大，容易造成農藥污染。而我國的智能精準噴藥裝備正在逐步發展中，現階段一般采用噴霧機器人裝備結合傳感器技術和導航技術來根據規劃好的路徑引導施藥，然后根據設施生菜作物的大小以及稠密程度進行變速噴霧達到按需噴藥，同時實現機器人的自由行走。楊征鶴等[25]研究的對靶噴霧機器人能夠及時發現病蟲害、找到病蟲害發生的位置，實現對靶精準噴藥。靳文停等[26]研究的履帶式噴藥機器人，以單片機為核心，利用履帶底盤、攪拌機自主攝像頭等原件結合光電傳感器、避障傳感器實現溫室內噴藥作業。目前病蟲害的防治與機器視覺不斷融合，有效提高了病蟲害的識別效率和準確性。

水肥調控是田間管理的基礎環節，主要采用單片機或可編程控制器等作為CPU，配合模擬量采集單元和液位、流量、EC、pH等傳感器[27]，實時監測生菜生長動態，并結合作物生長發育規律和水分養分吸收特征，控制外圍施肥機，以持續為作物提供最佳生長環境，即利用水肥一體化裝備，如圖9所示，實現水肥的按需供給。國外的水肥一體化裝備，如以色列的耐特菲姆NetBeat和荷蘭的priva施肥機等，集成度高、體系性強，其產品已非常成熟且形成產業并對外出口。我國的水肥一體化裝備雖然起步較晚，但經過幾年的快速發展，已經基本上擺脫了對進口設備的依賴，不論是首部裝備還是控制策略，均取得了較大的進展[28]，并針對不同作物進行了大量需水規律或灌溉方法試驗，初步形成了符合我國氣候特征的智能灌溉方法。

圖9 全自動水肥一體化設備

其中，國內一些公司開發生產的滴灌系列、管道管件、過濾系列等高效灌溉產品，保證了水肥一體化首部和末端的穩定性；中國農業機械化研究院研制的2000型溫室自動灌溉施肥系統、天津市水利科學研究所研制的FICS-1和FICS-2型滴灌施肥智能化控制系統等進一步推動了我國水肥一體化設備的開發和推廣。北京市農林科學院智能裝備技術研究中心開發的水肥一體化裝備集成了物聯網技術、信息傳感技術和控制技術[29-30]，運行穩定、應用效果明顯，用少量多次的水肥耦合供液模式代替了傳統大水大肥的管控方式，解放了勞動力，減少了水分滲漏，有效解決了水肥管理智能化水平低、水肥不協調以及水肥利用效率低下的問題。

2.5 收獲運輸

生菜的收獲過程一般包括拔取、輸送、切根、剝葉、裝箱等環節[31]。自動化收獲不僅速度更快，而且有利于提升蔬菜的保鮮質量，能夠切斷各個途徑的污染，減少病菌傳播等。劍橋大學研發的自主生菜采摘機器人如圖10所示，能夠自主識別和收獲生菜，融入機器學習的算法訓練，在天氣不定的情況下也能識別健康的生菜。但是，針對精確定位采摘的發力點和生菜的健康度識別一直都是一個巨大的挑戰，仍需要不斷研究。

圖10 自主式生菜采摘機器人

我國目前對于生菜采收領域的自動化裝置也正在逐步研究中。徐鵬等[32]設計的水培葉菜收獲機，利用往復式移動裝置、限位裝置、轉運裝置和旋轉切刀實現水培葉菜的切割。采用軌道移動式收獲機和輸送帶相結合的方式進行采收。試驗結果表明，當葉菜株距為0.2 m，收獲生產效率為3.0 s/棵時，收獲成功率為86.7%，有效提升了收獲成功率。但如果葉菜行發生位置偏移時，作業效果將會產生偏差。繆鵬等設計的收獲機控制系統，利用對行探測機構迅速檢測，并調整偏轉角度，實現自動對行，經過試驗，作業效果良好。吳偉等[33]設計了一種基于物聯網的中小型采收平臺，主要完成菜類的采摘和切根等操作，成功率均達到80%以上，但仍采用定時間間隔運行的模式，不能進行自動識別收獲。莫浩[34]研究的水培奶油生菜裝置，利用PLC檢測定植板的輸入，就位后用切根裝置迅速完成切根操作，然后用單氣缸進行生菜的拔取搬運動作。該裝置經過試驗，切根成功率為82%，搬運成功率為85%，但是該裝置不能保證定植板是否成功到達指定位置，可能會造成切根不合格；除此之外，由于剪切刀具刀刃長短不適，也會產生影響。

除此之外，生菜運輸存儲過程中因葉片柔嫩且含水量大，容易受損腐爛。因此，生菜的保鮮和溯源問題尤為重要。對生菜進行包裝，并提供高濕和氣調環境，可以有效保持生菜的新鮮程度。徐燦[35]研究的水培生菜自動包裝裝置樣機，選擇包裝盒、薄膜相結合的包裝方案，動作基本由單片機控制，包裝盒進入輸送帶后，到達目標位置，進行封膜。該裝置經過試驗驗證，包裝成功率達到92%，可以有效減少生菜運輸過程中的損傷，提高水培生菜的商品價值。但是由于拉伸力大小和刀刃長度無法精確把握，可能會導致切膜、拉膜失敗。姜含露等設計的葉菜溯源系統，搭建了生產信息管理、在線監測模塊、倉庫銷售管理和系統管理，實現了從生產到銷售的信息覆蓋；并結合ZigBee模塊構建RFID組網環境，對葉菜的存儲進行了質量監督，實現了運輸的溯源管理。

3 設施生菜生產裝備存在的問題

設施生菜生產管理裝備正在經歷著從機械化到自動化、信息化、智能化的變革。我國是世界農機制造和使用大國，全國農作物耕種收綜合機械化率超過71%，但是農業裝備行業整體大而不強，裝備總量高，但智能化水平低；裝備作業量大，但智能作業量少。本文分析了設施生菜生產各環節現有的機械裝備，目前仍存在以下問題需要重點關注和解決。

3.1 農機與農藝不相融

我國耕地面積較大，分布范圍廣泛，每個地區在農業生產中，裝備參數不同，互相獨立，很難形成統一的標準[36]，導致部分裝備無法大范圍推廣應用，其中針對設施生菜很多裝備，應用范圍也存在一定的差異性，大部分裝備適用于大田或大棚等環境，但卻不適合設施水培環境。這主要源于對農機農藝結合工作缺乏基本的認識與溝通，農藝部門僅將產量作為工作重點，而農機技術將有機械生產代替人工勞作，降低人工投入成本作為工作重點，致使農機與農藝工作分別進行。

3.2 設施生菜生產過程裝備技術研究薄弱

我國農業機械產業正在由高速增長向中速增長轉變，尚未形成完善的以信息技術為基礎的全程機械化技術模式和高度智能化的機器配置系統。

1) 設施生菜生產各裝備長時間作業會因為關鍵部件表面的光滑程度、磨損程度等因素，在運行過程中出現死點、卡頓現象。另外，因裝置設計的復雜特性，對于磨損嚴重的關鍵部件，壽命較低，維修成本也相對較高。

2) 設施生菜的自動移栽取苗技術還處于研究階段，大部分裝備取苗時會受夾持力影響，從而降低取苗的成功率。除此之外，機械手入土位置及收縮拾取模式對于保證基質塊的完整性仍然存在不足，導致幼苗根系損傷，成活率未能得到保障。

3) 設施生菜生產中的收獲裝備與包裝裝備，精準定位技術尚不成熟，切割位置定位過高會導致收獲損失較大，定位偏低會導致切割阻力增大，刀片表面磨損，關鍵部件使用壽命降低。同時，定位不精準也會導致刀片切割時，刀刃長度不夠，采收時切根失敗或者包裝時割膜失敗。

4) 設施生菜運輸過程中，為保持生菜的新鮮度，包裝時會對生菜進行一定的壓縮，而目前我國缺乏對生菜擠壓特性的研究，導致包裝裝備方面的相關成果缺乏。而且，針對運輸過程中已經造成生菜損傷情況的補救措施與裝備使用情況的研究較少。除此之外，專門針對生菜的溯源系統不夠完善，很少有這方面的研究成果出現。

5) 播種時為保證種子出苗率需篩選種子活性、移栽時為提高幼苗成活率需篩選幼苗的合格度、收獲時為識別生菜的合格率需篩選葉面積大小等，以上裝備的識別都需要用到圖像處理技術，目前常見的是辣椒與番茄的識別研究，而對于生菜裝備的圖像處理技術應用研究非常少。

4 設施生菜生產裝備研究展望

隨著我國設施農業的迅速發展，設施生菜的產量、質量、價值等方面要求也在不斷提高，只有加快生產機械化技術的創新，結合物聯網、機器視覺、人工智能等新一代信息技術手段，推動生產裝備和技術向更高水平發展，提高智能感知技術的精準度、可靠性和實時性，更好地為自動調度提供強有力的技術支撐。因此，如何合理銜接各道工序，實現無間隙多岔口高效生產，大幅提高生菜生產效率，解決當前供需矛盾成為了近幾年農業信息化領域的熱門研究課題，在未來的發展方向主要表現在以下幾個方面。

1) 設施生菜生產裝備實現智能控制，趨向于全程裝備化、智能化、無人化方向發展。農業機器人集成的傳感器技術、檢測技術、通信技術和精密機械技術等前沿科學技術，能夠更好地應用于設施生菜生產管理各環節中，如智能噴藥、智能監測實時數據、及時預警并采取措施、自主采收，結合各環節生產裝備能夠更好地實現增產、增收。

2) 設施生菜生產裝備實現流水線作業。目前，設施生菜生產各環節之間相互銜接功能還未達到要求，只停留在單個設備的自動控制中。在下一階段的發展中，應該加大力量開發各環節銜接作業裝備，突破各階段間的機械控制設備的銜接算法，以形成流水線作業模式，實現無間隙多岔口的高效生產，實現機械控制設備系統的全自動化。

3) 生產管理過程由單一的信息系統向融合大數據平臺的方向不斷演變。現階段僅僅依靠單一的信息技術并不能完全解決設施生菜生產面臨的問題，而需要大數據、專家系統、人工智能、機器視覺等綜合性的系統方法，實現設施生菜的生產管理一體化管控和智能化控制。

5 結束語

本文全面梳理了設施生菜從播種、種苗培育、幼苗定植、田間管理到收獲運輸各個過程的作業裝備應用現狀，并根據裝備的使用情況總結出了現有裝備的不足，為提升我國設施生菜的生產效率和經濟效益，加快設施生菜生產過程朝著高效化、高質化、精準化、智能化、無人化方向發展提供了有益借鑒。