菠萝组培工厂化育苗设计和设备应用

沈林晨，薛坤鹏，朱寒豹，陈 昌，黄桂财

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510555）

0 引言

菠萝又名凤梨，多年生草本植物，是热带及亚热带四大名果之一[1]。据产业信息网资讯：2017 年，我国菠萝产量位居全球第4 位，全国菠萝种植面积约100 万亩（1 亩=0.067 hm2）、总产量155 万t、产值47 亿元，其中广东粤西地区菠萝种植面积约占全国的50%，以徐闻县和雷州市为主。雷州与徐闻的菠萝主产乡镇共同构筑形成了湛江市菠萝优势产区现代农业产业园，以3 000 株/亩的种植密度计算，该产业园每年需菠萝种苗达15 亿株。

当地种苗来源主要是各种类型的芽苗。作为繁殖材料，每株菠萝所生的芽苗数量决定了其繁殖系数仅为 10～20 左右，同时长期无性繁殖，种子后代容易出现变异、商品退化、品质低下的现象[1]。而用组织培养快速繁育菠萝苗，繁殖系数可以提高到2 000 以上，可以加速菠萝名、优、特、新品种的繁殖，使其在短时间内繁衍大量植株。这种方法与常规无性繁殖方法相比，具有繁殖速度快、数量多、不受季节和气候条件影响等优点[2]。

1 菠萝组培工厂化育苗技术路线

工厂化育苗是在人工创造的最佳种苗生长环境下，采用机械化、自动化、信息化等技术进行优质种苗批量生产的一种育苗技术。组培工厂化育苗，一般采用器官离体培养成苗工艺，即用根、茎、叶、花、果实等器官的离体组织为培养材料进行快速繁殖[2]。

近年来国内外陆续报道了不同外植体的离体培养以及不同菠萝品种的快速繁殖研究，其中采用以冠芽、吸芽、茎尖这3 种外植体进行繁殖的种苗较好的保持了优良遗传性状[3]。虽然不同的外植体有不同的工艺流程，但基本的工艺和原理是相同的[4]。

从生产过程可分为培养基配制、接种培养、组培苗移栽3 个部分；从工作内容则包括器皿清洗、冷热灌装、消毒灭菌、无菌接种、高效培养、炼苗及移栽等6 个部分[5-6]。

根据生产过程具体可将菠萝组培工厂化育苗生产技术路线表示如图1 所示。

图1 菠萝组培工厂化育苗主要生产流程

2 菠萝组培工厂化育苗空间布局及设备应用

根据菠萝组培工厂化育苗技术路线，结合考虑人货流动、污染区和洁净区分开，可将作业区域分为培养基配制区、接种培养区以及瓶苗移栽区3 个区域，以提高空间利用率、提升工作效率、降低生产污染率。

本文以在湛江市年产100 万株菠萝组培育苗工厂项目为例进行分析。该项目建设面积约为2 000 m2，其中培养基配制区约350 m2、接种培养区约450 m2、瓶苗移栽区约1 200 m2。瓶苗移栽区采用高标准玻璃温室，温室覆盖材料采用高透光率的浮法玻璃，并配备有多种环境调控设备，能根据实时反馈的气候条件结合菠萝种苗对短时环境因子的承受力进行环境调控，在保证菠萝种苗正常生长的同时，做到省力省能。项目外观效果如图2 所示。

图2 项目外观效果

2.1 培养基配制区

培养基是提供作物组织生长、繁殖、代谢的混合养料，其配制主要包括清洗、配置、灭菌等工序。培养基配置区的作业区域长期湿度较高，很适合细菌、霉菌生长繁殖，因此控制器皿清洗和培养基污染是项目设计的重点，项目采用了组培育苗瓶自动化清洗设备，该设备集上瓶、输送、内外瓶喷淋冲洗、臭氧清洗杀菌等功能为一体，可用于组培育苗的玻璃瓶、PC 瓶等器皿的清洗、消毒、杀菌等无菌化处理，相对于人工清洗可提高2 倍的工作效率，具有集成度高、性能稳定、节能环保、高效自动等优点[7]，该设备实物如图3 所示。

2.2 接种培养区

接种培养区由更衣室、风淋室、冷凝室、接种室、培养室及实验室组成。该区域是无菌环境，进入该区域需先更换衣物，并经过风淋室吹去人与货物所携带的尘埃及病菌，阻断或减少病菌进入接种培养区。

考虑到菠萝种植一般在春秋两季且实际成苗率约80%～90%，设计生产能力为100 万株/年，实际折算则应有生产1 万株/天组培苗的生产能力。因此接种室按6 台双位超净工作台设计，可同时容纳12 名工人作业，熟练操作工人每人每天可制作根苗 1 000 株。

实验室配置有光照培养箱、臭氧发生仪、精密电子天平等，可以在规模生产前进行优化对比试验。

另设计有3 种规格的培养室，分别为30、76、115 m2；可满足不同品种、不同产量的需求。总共设有74 个5 层组培架，单个规格1.3 m×0.5 m×1.8 m，每层配专用广谱灯，光照强度为3 000～5 000 lux 可调，每个组培架光照独立控制。每层可放瓶 50 个，单批次可存放瓶苗1.85 万瓶，每瓶出苗10 株，出苗18.5 万株，理论上1 年只要有5 次产苗周期就可满足年产 100 万株组培瓶苗的需要。

2.3 组培瓶苗移栽区

组培瓶苗移栽也称炼苗，是菠萝组培工厂化育苗成败的一个关键。培养瓶的湿度为 100%，当瓶苗移出瓶后，由于大气湿度较低，瓶苗蒸腾量加大，容易因根系供水不上而导致苗木缺水死亡[6]。

瓶苗移栽具体程序如下：选择苗高3 cm 以上、根系发达的瓶苗连同培养瓶一起放置在移栽区进行1周左右的光照适应，此时光照强度应略大于组培架光照强度；然后再打开瓶盖，使瓶内外空气对流，进行3～4 d 的湿度适应，最后再将瓶苗移植到菠萝种苗穴盘中，穴盘可充酸性基质，基质的pH 值为5.5最佳，应避免碱性土壤和中性土壤，然后进行15 d左右的育苗，此时应做好水肥管理[6]。

移植瓶苗是一个逐渐锻炼的阶段[5]。这就要求组培瓶苗移栽区需要有较好温度、湿度、光照等环境调节功能。同时考虑到湛江地区常年高温多雨、项目地四周空旷，接收阳光辐射较多，温室建造时结构上需考虑排水抗风，功能上需考虑通风降温、节能降耗等问题[8]。

2.3.1 温室结构及自然通风节能设计

温室结构是温室主体骨架因而采用轻型钢构，屋顶采用金字顶结构，具体自重轻、抗风和排水性能好等优点[8]；覆盖材料采用浮法玻璃，具有高透光率、易清洗、寿命长等优点。温室天窗的设计中，温室顶部每3.2 m 设1 排连续蝶型天窗，天窗通风口宽2 m，通风面积比大于60%；温室侧窗的设计中，温室四周布置高度1.5 m 的提拉窗，可使得开窗面积达100%，而传统推拉窗通风面积只能达到50%，可最大程度地利用自然通风，有利于温室内热空气的快速自然散出，具有节能降耗、快速降温等优点[8]。

2.3.2 温室内外遮阳系统设计

适宜的光照强度是菠萝种苗成活和生长的重要因素。日照过强尤其是直射光过强时，菠萝种苗叶片会褪绿呈现红黄色，因此菠萝多常用密植或与其他作物间作的方式种植，以减轻阳光直射强度[9]。

项目地夏天时间较长，光照也强，同时考虑到菠萝组培瓶苗在炼苗过程比较脆弱，容易受强光灼伤。因此项目采用了双层遮阳网系统，其中外遮阳采用70%黑色针织遮光网，尽量降低强光直射程度；内遮阳则采用60%的银色铝箔遮阳网，可以起到反射的作用。为菠萝组培苗提供良好的生长环境的同时，又能有效降低温室内部温度和能耗，降低运行成本。

2.3.3 温室LED育苗补光灯设计

短时间内自然光照不够充足时，比如越冬、连续阴雨天气、台风等，菠萝种苗叶片容易变成细长，生长变得非常缓慢，甚至无法成活[9]；这时候及时进行人工补光可以减轻自然光照不足带来的影响。

目前对菠萝种苗的补光需求研究鲜有报道，因此本项目按以往在湛江地区承建的其他品种育苗项目经验进行配置。在温室的桁架下每间隔4 m 均布1个功率为100 W 的LED 补光灯，安装高度为距种苗高度1 m 左右。经模拟：该布置方式在完全阴暗环境下，种苗叶片补光强度仍不低于50 umol/(m2· s)[8]（如图4 和图5）。

图4 移栽区补光灯布置图

图5 灯光分布模拟情况

2.3.4 温室强制降温系统节能设计

当室外环境温度在30°以上时，单靠自然通风措施，室内温度仍将在高于室外温度的基础上持续上升，无法满足菠萝种苗生长要求。此时，需要启动强制降温系统，常用的强制降温系统是风机湿帘降温系统、喷雾降温系统等[11]。

项目采用的风机湿帘降温方式，是在温室一边安装风机，另一边安装湿帘，形成对流[10]。使用时关闭除湿帘侧的所有天窗、侧窗，风机转动使得温室处于负压状态，室外高温空气经过湿帘进入室内，通过湿热交换，以此达到降温效果。

自然通风、遮阳、风机湿帘是华南地区常用的降温技术[10]，考虑风机湿帘耗电量大，华南地区一般在6～9 月才启用风机湿帘强制降温系统，其他时段主要是自然通风和遮阳系统配合使用。

2.3.5 温室移动苗床及喷灌设计

移动苗床主要是由支架、滚动轴、苗床网、手轮等组成，其可在任意2 个苗床间沿跨度方向移动产生约0.6 m 的活动通道，有利于提高温室利用面积；一般安装高度约0.7 m，工人可以站着自然工作，减少工人劳动强度；另外苗床网将植物镂空，形成上下的通风空间，减少细菌滋生，避免植物因直接放在地面长期泡在水中导致根部腐烂[4]。

项目配置26 个移动苗床，长20.0 m，宽1.8 m，高0.7 m，温室利用率达80%。并在苗床上布置微喷系统，微喷支管固定于活动苗床上，采用活动联接方式与主管相连。微喷头采用雾化微喷头，每张苗床上方固定1 排微喷头，微喷头间距为1.5 m，每张苗床微喷支管安装有1 个PVC 球阀，可独立开启或关闭单张苗床的微喷作业。

苗床喷灌独立配置1 套注肥首部，包括比例式注肥泵、过滤器、阀门配件等，采用时间程序控制器实现水肥一体化自动喷灌（如图6）。

2.3.6 温室自控系统设计

温室自控系统是温室的“大脑”，具有准确、即时、可追溯、省力等优点。它由控制系统、监控系统、传感器等组成，通过温室环境传感器采集温室的温度、湿度、光照等参数，对温室天窗、侧窗、内外遮阳、风机湿帘等温室设施设备进行自动控制；具有温室控制、视频影像，温室日常作业记录、储存、传输和查询、监控等功能[8]。

图7 物联网监控系统

3 结语

随着菠萝种植向优质、密植、短周期生产方向发展，对优质种苗的需求更为迫切。通过菠萝组培工厂化育苗的合理化设计及配套设施设备的高效应用确保种苗质量、提高生产效率、降低生产成本，为进行区域性品种的改良和更换提供技术支撑，已成为湛江地区菠萝产业园建设的重要一环。但在建设推广过程中仍存在上下游配套服务欠缺、供需不均衡、技术和管理水平不到位、项目一次性投入大等问题，因此在项目规划建设时应因地制宜，结合菠萝组培工厂化育苗的技术特点设计出节能高效的组培生产工厂，提高组培苗生产的商品化水平。