创新应用信息技术 促进蔬菜种苗产业发展

黄丹枫

（上海交通大学农业与生物学院，200240）

1 蔬菜种苗产业的发展需求

2011年中国蔬菜播种面积达1 867万hm2，总产量逾6亿t，人均占有量420多kg[1]。需要育苗移栽的蔬菜种类有茄果类、瓜类、叶菜类、葱蒜类、豆类和部分根菜类，商品苗供应量约需4 000亿株。蔬菜园艺场、标准园和专业合作社对集约化育苗的技术需求也十分显著，因此穴盘育苗关键技术和共性技术的发展，对于种苗产业和蔬菜产业发展具有重要意义。

穴盘育苗技术在国际上已趋成熟。美国率先研发了穴盘育苗技术，美国年产商品苗1.5亿株以上的育苗公司有15家，其中Speedling Transplanting、Green Heart Farms等大型育苗公司种苗的年生产量超过5亿株。荷兰的VanDerBekerom、Beekeh Kamp和意大利的Restyra育苗公司商品苗数量达到2亿株/年。日本与美国合资的TMBALL公司年生产的种苗数量逾1亿株/年，其中40%是蔬菜苗[2]。

我国蔬菜育苗历史悠久，早在北魏《齐民要术》中就有描述[4]。20世纪20年代，少量的温室、冷床和温床等保护地设施用于蔬菜育苗；20世纪50年代开始，蔬菜保护地育苗迅速发展；20世纪60年代以后，塑料管棚的育苗方式得以发展；20世纪70年代以来，电热加温温床育苗技术逐渐应用；20世纪80年代，北京蔬菜研究中心陈殿奎[5]专家领衔引进消化吸收国际工厂化育苗技术，沈阳农业大学[6]、中国农业大学[2]、南京农业大学[7]、上海农科院等单位在工厂化育苗技术研究和应用方面做了大量工作，在营养土育苗等方面积累了相当多的经验[8]；20世纪90年代至今，随着农业技术进步和产业结构调整，北京、上海、广州等大城市郊区，大面积的蔬菜商品化生产基地迅速发展，对规模化、集约化、商品化的种苗生产需求显现[9]。

2 穴盘育苗关键技术的研究与发展

种植业一直以来被认为是劳动强度大、投资回报率低的弱质产业，而先进的育苗技术和生产方式能够最大程度地降低农户的生产风险、降低劳动强度、提高生产效益，也能够最有效地物化科技创新成果，促进蔬菜新品种、育苗产业的发展。

穴盘育苗技术是农业工业化生产技术的典型代表，它将信息技术、工程技术和农艺技术相结合，通过温室设施、精量播种、基质合成、精准灌溉等装备和种苗质量管理等技术的创新集成（图1），支撑种苗产业的发展；穴盘育苗产业与温室产业、种子加工、专用基质、农用塑料、肥料工业、灌溉设备等农用工业的发展相互依存，共同发展。在国家和各级政府的持续支持下，我国的穴盘育苗技术从引进消化吸收到自主创新集成，成果显著。

图1 穴盘育苗的核心技术

2.1 穴盘育苗设施设备的技术创新

①育苗温室 育苗温室设施设备的研发，体现了引进消化吸收和自主创新研发并进的特征，为集约化育苗提供了基础条件。

a.温度控制设备。育苗温室的温度控制包括加温、降温和保温三大部分，北方地区的育苗温室多数具有加温系统，主要采用燃煤、燃油、燃气和电加温等方式。但加温系统的配置受能源限制，因此长江中下游和南方地区通常选择不加温或局部加热（苗床电加热）的方式进行蔬菜育苗。保温设施的研发包括日光温室覆盖材料[10]、机械控制设备[11]、有机物料发酵提升局部温度、加温与保温相结合的温度保持方案等[12，13]。湿帘风机、微喷风扇、外遮荫等降温设施的研发和应用，已有许多成功的经验[14]。

b.光照控制设备。育苗温室主要选用高压钠灯和硫灯作为补光光源，对于少数需要改变光周期的蔬菜作物，采用园艺专用灯[15]。多数育苗温室没有配置补光系统，主要原因是蔬菜幼苗对光源的光质、密度、高度的要求缺少基础数据支持，补光策略缺少光温驱动的生长模型。

c.CO2补充设备。配置二氧化碳补充系统补充CO2，有利于提高种苗的光合作用效率，其研究和应用情况与补光系统相似。

②育苗设备 a.精量播种设备。1991年由中国农业工程研究设计院等单位研制的2XB-400穴盘精量播种系统，已成功用于油菜、甘蓝、菜花等作物的机播[16]；2000年上海交通大学研制出我国第一台真空吸附式精量播种流水线，相关的技术专利和产品相继问世[17～20]。小型针式播种机、点播器的研发，替代精量播种流水线用于种苗生产，可降低设备投资。

b.嫁接设备。为了解决手工嫁接效率低、劳动强度大、嫁接苗生长差异大等问题，中国农业大学率先研究了蔬菜自动嫁接机器人，利用传感器和计算机图像处理技术，实现了嫁接苗子叶方向的自动识别、判断，能自动完成砧木、接穗的取苗、切苗、接合、固定、排苗等[21]。张铁中等[21]、辜松等[22]先后分别研发了2JSZ-600型和2JC-500型蔬菜自动嫁接机。

c.肥水灌溉设备。灌溉和施肥设备是种苗生产的核心，通常包括水处理设备、灌溉管道、贮水及供给系统、灌溉和施肥设备、灌水器如滴头、喷头等。灌溉施肥的控制按照时间、温度、湿度、太阳辐照量、湿度传感器等信息实现综合决策，采用EC值和pH值双传感器，保证了系统的安全与可靠。潮汐灌溉是一种节水灌溉系统，通过间隙向植物生长容器提供水和营养物质，一段时间后水或者营养液返回蓄水池，具有高效利用水资源、避免污染溪流和邻近土壤的作用。多层潮汐灌溉育苗装置[23]通过间隙灌溉、循环利用，并配以光照控制和多层营养架组合，使生产效率显著提高，具有高效利用光能、节约水肥资源、避免污染环境的作用[24]。

d.种苗储运设备。种苗的包装设备包括包装材料的选择、包装设计和装潢、包装技术标准等。根据运输要求选择钙塑箱或瓦楞纸箱等材料，根据苗的大小、育苗盘规格、运输距离的长短、运输条件等确定包装规格尺寸、包装装潢和包装技术。包装标志包括种苗种类、品种、苗龄、叶片数、装箱容量、生产单位等，穴盘苗需配备定制的种苗运输车架，提高运输效率[25]。

种苗的运输基本上采用汽车运输，运输种苗的汽车大都采用温、湿可调的箱式专用运输车辆。种苗的运输设备有封闭式运输车辆、种苗搬运车辆、运输防护架等，应保证在运输过程中秧苗处于适宜的环境。

③育苗辅助设备 a.苗床。自主研发的苗床分为固定式和移动式，设计时主要考虑如何最大限度地利用育苗温室的面积、便于操作、改善光照和提高利用率等因素。固定式苗床主要由固定床架、苗床框以及承托材料等组成，育苗温室利用率相对较低，苗床面积一般只有温室总面积的50%～65%。移动式苗床床架固定，育苗框可通过滚动杆的转动而横向移动，或将育苗框做成可活动的单个小型框架，在苗床床架上纵向推拉移动。与固定式苗床相比，移动式苗床温室利用率高达90%。

b.穴盘。穴盘是工厂化育苗必不可少的重要器具，已进入国产化生产阶段。育苗盘按照材质划分为两大类，一类为聚乙烯或聚丙烯薄板吸塑而成，一类为聚苯乙烯泡沫塑料模注塑而成。穴孔的形状有圆形和方形2种，国内厂家生产的以圆口盘为多，美国、德国等普遍采用方口育苗盘，穴孔深度视孔大小而异。育苗盘一般可以连续使用2～3 a。

c.种苗转移车。包括穴盘转移车和成苗转移车。穴盘转移车将播种完的穴盘运往催芽室，车的高度及宽度根据穴盘的尺寸、催芽室的空间和育苗的数量来确定。成苗转移车采用多层结构，根据商品苗的高度确定放置架的高度，车体可设计成分体组合式，以适合于不同种类蔬菜种苗的搬运和装卸。

d.种苗分离机。它能够不损伤种苗，保证育苗介质完整，有横杆式和盖板式2种，横杆式种苗分离机适合株型较高的种苗脱离穴盘，尚处于研发阶段。

e.移苗机。移苗机或者移苗机器人的研发是实现种苗工厂化生产和移栽机械化作业的育苗生产新模式。我国栽植机械的研究始于20世纪80年代，常见的移栽机主要有钳夹式、链夹式、挠性圆盘式、吊杯式、导苗管式、输送带式、空气整根营养钵育苗移栽机等[26]，但应用于蔬菜幼苗自动化移栽的成熟设备还比较少见。

2.2 穴盘育苗质量管理技术创新

①种子处理 蔬菜种子处理技术与装备的研发，是保障穴盘育苗质量、提高育苗效率的重要内容。种子的加工设备研发包括抛光、包衣、烘干、重力选种、风力选种等[27～29]，相应的种子处理技术包括种子筛选分级、种子杀菌、杀虫及种子保护。理想的种子处理过程由种子加工企业完成，穴盘育苗企业需要了解种子的来源、质量和种子处理方式。

②基质合成 基质是穴盘育苗体系的重要组成材料，育苗基质的选择和配制是穴盘育苗的基础，决定了种苗质量、成苗周期和育苗成本。穴盘育苗使用的无土基质，要求无毒安全、质轻、营养均衡、通气透水良好、价格便宜。常用的基质有泥炭、珍珠岩和蛭石。根据当地的资源情况，可选择炉渣、细砂、菇渣、发酵秸秆、炭化砻糠、锯木屑等原料，筛选确定孔隙度、含水量、容重、导热性能、pH值、EC值等育苗基质合成的技术参数。研发经济环保型全价配合基质、提高基质标准化水平、育苗基质的循环利用等，已经成为育苗基质技术创新的重点[30，32]。

种苗生产企业一般配备专用设备完成基质的消毒过程，消毒方式包括热风消毒、微波消毒、太阳能消毒、高温蒸汽消毒、化学消毒等，其中以高温蒸汽消毒较为普遍，效果较好。化学消毒法是指将液体或气体消毒药剂注入基质中达一定深度，并使之汽化和扩散，从而达到灭菌消毒的目的。消毒面积较大时一般采用动力式消毒机，按机械运动方式有犁式、凿刀式、旋转式和注入棒式4种类型，药液注入方式有线状和点状注入等。蒸汽消毒机一般使用内燃炉筒烟管式锅炉[33]。

③肥水运筹 节水灌溉与肥水一体化技术是穴盘育苗的关键技术。育苗灌溉方式的选择涉及蔬菜品种、育苗温室结构、水源及动力供应情况、企业投资能力、使用者的知识技术水平等诸多因素。灌溉系统的设计应综合考虑种苗供水、营养液供应和水质的调整，包括灌溉方式、管道设计、灌溉速度、控制系统等[34]。灌溉策略研究相对灌溉设备而言更加重要，集成于灌溉系统设计方案中，潮汐灌溉设备的技术创新成果已经进入产业化应用阶段[23]。

④穴盘苗质量标准化管理体系 建立种苗生产质量标准和保证体系是种苗企业生存和发展的关键。根据工厂化育苗环境控制要求，以企业的生产和经营需求为目标，在种子处理、穴盘孔径选择、基质理化性状、肥水灌溉、有机肥使用以及贮运标准等关键因素试验研究的基础上，将HACCP、GMP管理思想应用于穴盘苗生产过程管理[35]，集成种子处理、基质合成、穴盘孔径选择和肥水管理等穴盘苗质量关键点控制技术，制订蔬菜生产技术操作规程和商品标准，为穴盘苗生产的标准化提供技术支持[36]。标准化管理体系可使整个种苗生产和企业管理 “防患于未然”，并通过对生产、经营每一个环节的再策划，严格检查和监督制度，进行过程控制，从而防止次品苗的产生，并通过不断改进、完善各项生产技术规范和各生产管理环节的作业指导书，以实现规范化管理和标准化生产的持续改进（图2）。

图2 种苗企业标准化工作流程

工厂化育苗的终端是商品种苗的营销，商品种苗的标准化、包装和运输、销售的广告策划、供应示范和售后服务体系等技术与管理创新是种苗企业拓展营销渠道、创造效益的根本，是种苗质量管理体系的组成部分。将企业形象、园艺媒体、产品销售和售后服务相结合，通过产品推介、茬口安排指导、种苗销售后服务等多种方式，积极做好产品宣传和销售策划工作，使穴盘育苗的优点逐步得到农户的认同，引导蔬菜园艺场、合作社和专业化农户接受商品苗并购买和使用。

3 发展机遇与挑战

3.1 穴盘育苗技术的发展机遇

蔬菜产业向着专业化、集约化、规模化方向发展，农业设施和机械装备的投入，各级政府规模化生产蔬菜标准园的建设引导，为农业生产方式的根本转变提供了机遇，创造了穴盘育苗的产业需求和外部条件。

中国蔬菜育苗的历史悠久，经验积淀丰厚；经过近30 a的技术创新，在引进消化吸收国际工厂化育苗先进技术的基础上，穴盘育苗的关键与共性技术日趋成熟，成为种苗产业发展的驱动力。计算机技术、物联网技术等信息技术快速发展，工程、机械装备等工业化技术的支撑，成为穴盘育苗技术和产业发展的原动力。

3.2 制约因素与技术发展瓶颈

①制约因素 与国际先进的育苗技术相比较，我国蔬菜穴盘育苗发展受到蔬菜价格和技术发展的双重制约。在农业生产资料价格普遍上扬、农业劳动力资源匮乏、能源价格上涨的情况下，育苗成本明显增加；而蔬菜的销售价格在政策干预下走低，严重影响种苗的销售价格，也阻碍了种苗企业育苗设施设备和技术的投入，成为种苗产业化发展主要瓶颈。其次，育苗企业对于依靠技术设备和应用技术提高效益的认识不足，缺乏具有专业知识技术的管理人员，导致了设备投入不到位，育苗设施无法物尽其用，出现软硬件不配套，穴盘育苗的综合效益尚未显现。

②技术瓶颈 a.供应商与种苗用户的供需矛盾尖锐，种苗质量和供苗时间受环境影响大，供销合同不规范，信息不对称，供求纠纷不断，严重影响种苗企业的投资发展决策。

b.多数育苗工厂缺乏科学的规划和生产计划，面对品种丰富的蔬菜种苗市场，主要生产环节的结构与比例不合理，面对穴盘育苗的季节性，缺乏生产、运输、销售等关键环节的科学决策能力，导致育苗效率低下。

c.蔬菜种子处理技术落后，与进口蔬菜种子相比较，多数国产种子没有经过分级、加工、包衣或者丸粒化处理，导致出苗率低，补苗劳动力消耗大、成苗率低，影响工厂化育苗的经济效益。

d.对于不同种类蔬菜种苗的培育，缺乏前期研究数字化参数和模型积累，面对复杂条件、小气候变化，无法实现肥水灌溉控制的科学决策。

e.多数育苗工厂缺少温室物流系统，自动化程度低，劳动力工作强度大、工作时间长、工作效率低，资源和能源的配置缺乏科学决策支持；种苗生产的过程管理缺乏数字化的技术操作规程，育苗车间周年利用率低。

4 信息技术创新驱动，促进种苗产业发展

物联网技术的发展，给种苗产业发展提供了最直接的技术支持；穴盘育苗技术与信息技术的融合应用，为提高育苗企业的综合效益、保障种苗企业的可持续发展提供了支撑。通过远程控制、图像处理、模式识别技术和智能机械的联合应用，突破穴盘育苗产业发展瓶颈和技术难点，实现信息资源管理技术、知识管理技术、自动化管理技术的一体化，切实有效地提高蔬菜种苗质量，改善环境效益，提高种苗企业的投资回报率和再生产能力，是种苗供应商品化、作业标准化、管理信息化的目标所在。

4.1 依托物联网技术，获取与解析穴盘育苗管理信息

信息获取是实现种苗生产经营中的信息流、物流和商务流的信息化管理的基础，包括应用于生产决策的种苗需求信息、生产过程控制的幼苗-环境信息、执行机构的决策信息等。智能获取和解析穴盘育苗的信息管理技术包括：a.获取和解析蔬菜市场信息、生产信息和气候信息，为种苗企业年度计划和中长期发展规划进行科学预测，指导年度计划和企业发展规划的形成；b.应用现场总线架构的育苗温室环境控制系统，将育苗温室环境变化、幼苗生长状况等参数数字化；c.研发低功耗感知物联网监测的技术设备，实现异地育苗温室环境-蔬菜幼苗发育信息的实时监控，实现育苗生产过程的可视化、自动化管理；d.将所采集的数据通过有线（电话线或局域网）或无线连接到互联网上，使得管理者可在远程对被控对象实现监测、查询、管理，实现育苗温室环境的实时精准控制，种苗应急调运的快速响应；e.联合应用远程控制、图像处理、模式识别技术，实现精量播种的精确定位、科学灌溉的智能决策、质量分级的智能识别等，为穴盘育苗智能装备的研发提供技术支持。

4.2 建立多目标控制系统，通过数字化实现穴盘育苗标准化

穴盘育苗的生产过程管理包括育苗环境控制和精准作业两大环节，在总结专家知识和生产者经验的基础上，综合应用ERP管理理论和多目标控制技术，建立模型，形成蔬菜种苗过程管理的数字化标准，降低生产成本，提高种苗生产的综合效益[37]。基于ERP管理的多目标控制技术系统包括4个方面。

①穴盘育苗关键点分析 根据种苗订单数量和供应时间，以及育苗温室的生产能力，科学安排生产计划；品种选择和种子发芽条件的科学决策；根据供苗季节、种苗大小确定穴盘孔径，直接决定了苗床的利用效率和运筹管理效率[38]；种苗培育、炼苗阶段的温度管理，以及肥水灌溉策略等。

②建立基于市场需求、气候变化、作物生长和节能栽培耦合的园艺作物生产目标优化控制的温室节能模型、幼苗节能生长模型和育苗经济管理学模型，提供穴盘育苗全面的专家决策支持系统。

③根据育苗工厂环境控制能力，以及种苗企业的生产和经营目标，形成种子处理、穴盘孔径选择、基质理化性状、肥水灌溉、贮运标准等关键点多目标控制技术体系，制订数字化的蔬菜穴盘育苗的技术操作规程和工作流程（图3）。

④建立基于QACCP（Quality Analysis and Critical Control Point）、ERP （Enterprise Recourse Planning）和JIT（Just In Time）的穴盘育苗生产管理模式，科学管理种苗生产企业各类信息资源，例如温室催芽室环境信息、种苗生产过程信息、生产计划信息、种苗专家系统信息等，为种苗企业高层管理者的科学决策提供可靠的量化数据，便于管理人员方便快捷地进行种苗生产计划、经营和决策，变革种苗企业管理组织结构和形式，使生产管理的设计、组织、计划、控制越来越趋向智能化。

4.3 研发智能装备，支撑穴盘育苗精准作业技术

①智能装备的研发和应用 是实现穴盘育苗的信息化管理和精准作业的设备保障。穴盘育苗关键点分析表明，温室物流、精量播种、精准灌溉、自动分级等智能装备，是实现穴盘育苗知识管理、自动化管理、信息资源管理技术的一体化的关键设备。

②温室物流 是通过机器视觉、模式识别和机械制造技术的联合应用，实现种苗培育过程关键环节的自动化管理；温室物流的主要设备包括移动式苗床、轨道和驱动系统、播种催芽设施、肥水灌溉系统、种苗自动分级设备等，核心部分是智能化的控制系统。通过穴盘育苗温室物流技术的应用，可以大幅度地减少劳动力的投入，降低劳动强度；通过提高苗床运筹管理效率，提高苗床利用率；通过智能化的管理，优化资源管理和成本投入，提高育苗企业的经济效益。

图3 穴盘苗生产管理系统工作流程

③自动化的精量播种流水线 是育苗温室物流的核心设备，也是穴盘育苗的必要设备。国际上有较多的机型可供选择，价格昂贵和异型种子的适应性是引进设备的限制因素。国产化的精量播种机已趋于产业化阶段，尽快形成产品标准、研究主要蔬菜种类种子的自适应功能、提高生产的稳定性等，是精量播种流水线研发应用的技术要素。

④灌溉系统 多数育苗温室都配置了行走式微喷系统，穴盘育苗的智能灌溉取决于设备与技术的协同发展：对于30 d以内的蔬菜种苗，建议采用基质与肥料复合使用的施肥方式，基于养分利用的幼苗生长模型确定种苗培育过程的水分管理策略；在培育35 d以上幼苗时，水分管理与营养液供给同步进行，综合分析供苗时间、气候变化和幼苗生长状况，按照多目标控制系统的方案优化执行。应用推广潮汐灌溉技术，对于提高光合效率、缩短育苗时间、防治幼苗病害、避免营养液排放，具有明显的优势和作用；潮汐灌溉的技术设备研发重点包括蓄水盘的国产化、水分循环消毒装置和基于传感器技术和自动控制技术的智能灌溉控制系统。

4.4 通过穴盘苗营销管理信息化，提高育苗产业的综合效益

在穴盘苗生产管理系统中引入B2C（business to customer）电子商务模式[37]，集成种苗生产网络订单、网络销售的营销模式，改革传统农业企业的营销方式，降低营销成本，同时更好地服务于种苗用户，显著提升种苗企业管理水平。

通过数据库共享的方式，建立与财务及进销存管理系统软件的数据接口，不仅使种苗企业财务管理人员从繁琐的数据统计工作中解放出来，而且通过从订货单到生产订单、发货单的全程信息化管理，保证生产经营管理的一体化，企业高层管理者可以通过管理软件与生产人员直接保持联系，更方便、容易地获取财务信息和生产信息；生产人员也可以根据实际情况及时参与决策，为种苗生产过程的科学决策提供技术平台，提高企业财务管理和人力资源管理水平。

借鉴JIT工业生产方式和物流模式，在生产过程中消减库存，直至实现零库存，同时又能使生产过程顺利进行。种苗商品具有多品种、小批量、多批次、短周期的消费需求特点，要求生产者按商品的需求时间、数量、结构组织好均衡生产、供应和流通。蔬菜种苗生产管理系统的生产计划通过专家系统对于生产时间严格界定，保障了JIT工业化生产模式的实现。

物联网为实现种苗营销网上订单、种苗生产精准作业、种苗质量安全溯源提供了技术可行性，研发种苗供应和销售的电子商务平台，实现订单网络化；通过互联网，实现多个种苗工厂的生产布局、订单安排、生产过程等的连锁管理，制订商品种苗数量预测、种苗销售就近供应、气候变化应急调度等的科学预案；通过研发具有学习功能的种苗生产管理系统，建立种苗生产技术操作规程的数字化、信息化管理平台，规范从催芽到种苗质量检验的生产过程，实时记录农化产品的投入和库存情况，为种苗用户提供种苗生产信息的追溯和查询，全面提升种苗生产过程管理水平，提高种苗生产的综合效益。

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