绿叶蔬菜工厂化生产关键技术研究

黄丹枫，张凯

（上海交通大学农业与生物学院，200240）

绿叶蔬菜工厂化生产关键技术研究

黄丹枫，张凯

（上海交通大学农业与生物学院，200240）

黄丹枫

博士，上海交通大学农业与生物学院植物科学系教授，现代农业与生物工程训练中心主任，上海市重点学科蔬菜学科带头人，教育部园艺学教学指导委员会成员，上海交通大学学术委员会委员，享受国务院特殊津贴。主持国家科技支撑计划、“863”计划重点课题、科技部农业成果转化、上海市科技兴农重点攻关等科研项目；获国家科技进步二等奖、上海市科技进步奖多项。发表SCI等优秀论文100余篇，主编《现代温室园艺》、《工厂化育苗理论与技术》、《观赏蔬菜》等学术专著。曾获上海市优秀青年科技启明星、全国优秀教师、上海市优秀学科带头人、上海市巾帼创新奖、全国三八红旗手、全国优秀科技工作者、科技部世博科技先进个人等荣誉称号。

围绕绿叶蔬菜的清洁高效生产和均衡供应需求，借鉴日本、荷兰等国家植物工厂发展的先进经验，针对绿叶蔬菜工厂化生产的关键环节和技术突破点，以小白菜的工厂化生产为例，综述了品种选择、基质研发、肥水运筹、节能生产、绿色防控、物流加工、质量管理等关键设备与技术研究进展，探索符合中国国情的有机生态型绿叶蔬菜工厂化生产的可行性。

绿叶蔬菜；工厂化生产；清洁高效生产；关键技术

1 绿色蔬菜工厂化生产需求

绿叶蔬菜的清洁高效生产，是我国蔬菜产业发展难度最大、与人民群众的日常生活休戚相关的问题。由于劳动力缺乏，劳动强度大，青壮年农民对绿叶菜的生产望而生畏，周年均衡供应的目标难以实现；能源和资源问题，也限制了绿叶蔬菜的生产成本，降低了生产企业应对自然灾害和市场变化的抗波动能力[1～3]。因此，寻找绿叶蔬菜清洁高效生产的解决方案，成为城市蔬菜供应、设施蔬菜生产发展的一个重要课题[4，5]。

综合应用工程技术、信息技术和农业生物技术成果，研究和发展机械化、工厂化两大生产体系，有可能突破传统的绿叶蔬菜生产模式，大大提高生产效率，提高能源和资源利用率，实现绿叶菜的清洁高效生产和周年均衡供应[6～8]。本文以小白菜生产工厂为例，分析和论述绿叶蔬菜工厂化生产的核心设备和关键技术，探讨我国绿叶蔬菜工厂的发展方向和技术突破难点。

2 国际先进经验借鉴

2.1 荷兰日光型植物工厂

荷兰温室园艺作物生产工厂，值得借鉴的主要包括以下几个方面：①温室物流系统建设，自动化的物流系统能够有效保障生产环境清洁。②高效生产的设备配置，绿叶蔬菜生产的必要设备有播种机、催芽室、基质填料系统、灌溉和营养液循环系统、苗床清洁系统、收获与包装流水线等，可根据投资能力进行选择。③宜采用日光利用型植物生产系统。多数绿叶蔬菜不需强光照，玻璃温室或塑料覆盖材料能满足其光照需求，采用半封闭的温室结构，顶开窗安装防虫网、侧窗通风或喷雾降温，采暖系统、双层遮荫保温帘幕等可供选择。④采用温室环境监测和生长调控设备，包括温度、湿度、CO2等环境传感器，生长控制机构执行和生产管理软件。这部分是关键技术集成内容，要求通风降温、喷雾、采暖等温室设施良好。温室环境管理和施肥灌溉决策等取决于设备与技术的双重保障[9]。

荷兰绿叶蔬菜工厂化生产的成功经验包括Venlo型玻璃温室结构、具有决策支持功能的PRIVA温室环境计算机控制系统，以及作物生长发育模型的应用。

2.2 日本CPPS植物生产系统

日本植物工厂以CPPS（Closed-type Plant Production Systems）为代表，CPPS通过设施内高精度的环境控制，实现农作物周年连续高效生产，通过计算机自动控制植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约，劳动力投入极少[10～13]。CPPS的特点是覆盖材料密闭性强，屋顶及墙壁材料不透光，隔热性较好，采用高压卤灯、高钠灯、高频荧光灯或者发光二极管（LED）等新型光源[14]，栽培作物在线检测和网络技术支持下，通过连续监测和信息处理，自动实现光照、营养液供应等管理操作。

CPPS植物生产系统在生产环境适应性、生产智能控制方面更具特色，其与荷兰日光型植物工厂相比，具有以下特点：①在完全人工环境下进行植物生产，植物不再依赖于阳光生长；通过人工光照，作物在多层培养架上生长，高效利用空间，生产面积利用率是常规温室的2～5倍[15]；②封闭式的生产管理，不使用杀菌剂、杀虫剂，无污染，种植的蔬菜营养安全、质量好、价格高；③在适宜的生长条件下，植物生长周期大大缩短，生产效率高，如CPPS中栽培的生菜从种植到采收仅需30 d左右，比常规栽培缩短30%～50%[16]；④高度智能的计算机控制系统贯穿作物从生产到包装的全过程，劳动力投入更少。

2.3 建立中国绿色蔬菜生产工厂需解决的问题

我国是绿叶蔬菜生产品种最为丰富、产量最大、消费量最大的国家，学习荷兰、日本等发达国家植物工厂的先进经验，应根据中国的蔬菜生产特点和市场需求，创造一个适合中国国情的、经济高效、生态环保的绿叶蔬菜工厂化生产技术体系。

建立我国绿叶蔬菜生产工厂，需要解决以下问题：①达到生产成本与销售价格的平衡点，绿叶蔬菜市场价格敏感，工厂化生产的前期投入高、生产成本高，使投资者裹足不前。②在借鉴国际先进经验上，决定建立绿叶蔬菜工厂化生产技术体系的关键点，如我国南方和北方地区的绿叶蔬菜消费差异大，气候生产条件差异大，作物种类品种多，缺少植物生长与环境调控的基础数据。③实现植物工厂经济有效的环境控制，温室设施简易，环境可控制点有限，真正意义上的植物工厂生产成本高，能源消耗大，实际操作困难。

3 关键技术

绿叶蔬菜工厂化生产的技术路线如图1所示，包括设施设备和关键技术两大方面。设施设备包括温室设施、基质搅拌机、播种机、温室物流系统、收割包装等；温室环境监测主要包括温度、空气湿度、基质含水量和CO2浓度等；生产技术包括品种选择、基质研发、肥水运筹、节能生产、绿色防控、物流加工、质量管理等。

3.1 品种选择

工厂化生产的绿叶蔬菜要求品种对温度适应性强，工厂化生产茬口密度高，在自然温度下能四季播种；耐荫耐湿，叶面沾湿后光合作用能力强，喷灌适应性好；直立性强，适合机械化采收，同时不影响食用品质；种子萌发力强，出芽率高，适宜精量播种，出苗整齐一致。品种选择包括专用品种培育和不同季节品种的筛选两个方面，针对不同的绿叶蔬菜，在大面积生产前期，要有精确的品种比较试验结果。以小白菜工厂化生产为例，品种特征为下胚轴长，束腰直立，产量高，口感好，病虫害抗性强。

图1 绿叶蔬菜工厂化生产的关键技术路线

3.2 基质研发

稳定的基质配方和养分供应，是清洁高效生产的基础。绿叶蔬菜的工厂化生产包括基质栽培和营养液栽培两种方式，推荐采用前者。基质研发包括栽培基质配方和有机肥料的使用两个方面，栽培基质主要由泥炭、珍珠岩等按一定比例混匀，通过多期种植试验，确定最佳的混合比例，冬春季增加容重，使温度稳定；夏秋季增加孔隙度，促进根系呼吸，加强养分吸收。利用微生物发酵技术将蔬菜、农作物秸秆等废弃物加以利用，与畜禽粪便混合发酵生产有机肥，添加形成有机栽培基质，实现主要农业废弃物的资源化循环利用。

3.3 肥水运筹

肥水运筹主要是水分管理，对于生长周期在20 d内的绿叶蔬菜，建议将作物生长所需的肥料一次性添加到基质中；对于生长周期长、易出现缺肥现象的蔬菜种类，可以通过营养液或叶面施肥加以补充。

灌溉方式的选择是水分管理的关键，自走式喷灌、微喷和潮汐灌溉均可供选择。微喷的优点是设备简单，易于维护，建设和运行成本低；缺点是灌溉不均匀，局部苗床区域灌溉水过量或者不足，喷头容易堵塞，使用寿命短，灌溉时间长。潮汐灌溉效率高、灌溉质量好，能够保持基质中适宜的水分和良好的孔隙度，节水省肥，循环灌溉没有渗漏、飘逸等损失，作物根部浸水，叶、茎不沾湿，很少发生病害传播；缺点是造价较高，设备组成复杂，管理过程需要采用计算机控制[16～18]。

不同灌溉方式对苗床设施的配置要求不同，选择苗床系统方式的关键点在于灌溉方式满足自动化控制的需求以及可提高温室空间的利用效率。采用自走式喷灌和微喷系统，可选择固定式和移动式苗床，固定式苗床两侧均需保留操作空间，温室面积使用率60%左右；移动式苗床采用人工驱动，操作灵活简单、移动方便，温室使用面积达80%左右，是目前温室苗床配置的主流。为了提高温室生产面积，多层潮汐灌溉装置已经研发和应用。对于自动化的生产系统，应在配备传输设备的同时，设计和安装多自由度自动苗床系统，以提高生产率、加速生产运转流程、减少劳动力投入。选择潮汐灌溉系统时，蓄水盘和管道设计具有特殊要求。

3.4 节能生产

无论是荷兰还是日本的植物工厂，都以最适温度为管理目标，通过提高产量和品质获得利润。在我国的多数地区，利用太阳能在自然温度条件下生产是生产经营和科技攻关重点。我国绿叶蔬菜消费量大，蔬菜价格稳定、低廉关系到社会稳定的大局，而低碳农业生产是节能减排的重点。因此，寻找节能生产的解决方案，是绿叶蔬菜工厂的关键。在小白菜的生产过程中，通过耐低温、高温品种的使用，遮荫保温帘幕控制，基质配方调整，灌溉方式调整等技术的综合应用，已经形成了一套行之有效的节能生产方案，在自然温度下可以生产15茬/a。

3.5 绿色防控

绿色防控技术贯穿蔬菜清洁生产的全过程，是决定工厂化生产成败的关键，具体包括以下几项。

①抗性品种的选育 在高密度、集约化生产条件下，作物的耐高温、低温能力，在弱光条件下作物的光合作用能力、抗病性等，是高效清洁生产的基础；播种前的种子处理，是提高发芽率和发芽势、防治种子带菌的有效措施。

②基质与灌溉水消毒措施 在利用废弃物进行基质生产过程中，发酵完全及去除动植物残渣所携带的病菌、虫卵和杂草种子，成为清洁生产的第二道防线；配置多层过滤、臭氧消毒等设施设备，保障灌溉水的质量安全。

③安全隔离措施 综合应用防虫网、杀虫灯、性引诱剂、黄板等绿色防控措施，有效控制生产过程中病虫害的发生，实施全过程的无农药生产；工作人员的工作服等定时清洗更换，其他人员未经许可，不许进入生产区域。

④生产器具的消毒防护 在每一茬作物生产结束之后，应对穴盘、蓄水盘、苗床等设备进行清洗消毒；循环利用植物残渣和基质等废弃物，严格按照废弃物处理的操作规程执行。

3.6 物流加工

绿叶蔬菜采收后进入商品化处理过程，也称为物流加工过程，是连接生产和流通的重要环节。工厂化生产的绿叶蔬菜鲜嫩且含水量高，采收、清理、包装等操作对产品质量的影响较大，在较低温度下采收，可提高绿叶蔬菜的货架寿命；人工采收时尽量缩短采收时间，并及时进入冷链储运环节；尽可能减少整理、分级包装等商品化处理环节。

采收和包装的机械化作业是工厂化生产链的重要技术环节，采收与包装作业机械的研发是实现全程工厂化作业的保障。蔬菜流通过程中的保鲜，主要依靠冷库贮藏和冷链运输来实现，通常采用强制空气预冷法，生产企业应配备冷库和冷藏运输车等设施。研发和推广使用绿色包装材料，减少资源消耗，是蔬菜净菜上市、减少逆向物流的发展方向。

3.7 质量管理

与普通的温室生产相比，植物工厂的优势在于通过作业设备，对生产环境和植物生长全过程进行监测控制，实现多层次、高密度、多茬口种植，全面实现作业过程的机械化和自动化。

植物工厂生产目标的实现取决于生产全过程的质量管理，包括生产环境信息的实时监测与管理，作物生长信息的获取与反馈，作业环节的科学决策与精准控制。农业物联网技术的推广应用，为蔬菜工厂化生产发展提供了技术支持[19]。智能感知芯片、嵌入式系统、无线传感器网络等物联网技术的发展，使设施环境和作物信息的精确获取成为可能，使智能化生产设备的远程控制成为可能，使种植过程的科学决策和精准作业成为可能[20]，为绿叶蔬菜供应链质量安全控制提供了技术保障。

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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

国家863计划课题“设施农业数字化管理与精准化作业技术研究 （2012AA101903）”；上海市农委项目“上海市绿叶蔬菜产业技术体系建设”；农业部公益性行业（农业）科研专项“都市型农业生产结构与种养殖模式研究（200903056）”

黄丹枫（1956-），女，博士，教授，主要从事设施园艺技术研究，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

2012-06-19