基于植物工厂技术的水稻育秧技术

基于植物工厂技术的水稻育秧技术刘宏新，张明俊，权龙哲，何 堤(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)摘 要: 随着农业工程技术的快速发展，设施农业在现代农业中发挥着越来越大的作用，植物工厂技术是设施农业的重要组成部分，是现代农业前沿科技的综合体现，是农业发展水平的重要标志 。为此，在综合分析国内外植物工厂技术的发展历程及水稻育秧所面临问题的基础上，明确了植物工厂相关技术应用在水稻育秧过程中的必要性及亟待解决的核心技术问题，并论述了基于植物工厂技术的水稻育秧的发展前景，为培育高质量的水稻秧苗及农业的可持续发展提供技术参考与发展模式方面的借鉴 。关键词: 植物工厂技术; 水稻育秧; 育秧工艺; 核心技术; 环境参数中图分类号: S238 文献标识码: A 文章编号: 1003 188X( 2018) 01 0257 070 引言水稻是世界上重要的粮食作物， 120 个国家和地区广泛栽培种植，是全球 50% 以上 、中国 60% 以上人口的主食 1。随着人口的不断增长及可利用耕地面积逐年减少，粮食需求问题日益严峻，提高水稻产量显得尤为重要，其中提高秧苗的质量是增加稻谷产量的重要途径之一 。秧苗素质与生育进程及其最终产量息息相关，提高秧苗素质 、增强抗性，进而促进插秧后能够早生快发，成为水稻产量提高的重要举措 2。近年来，极端气候频发，传统温室大棚抵御能力较差，直接危及水稻生产 3。哈尔滨市呼兰区 2012 2014年采用人工方式对光 、温 、水 、气 、肥等作物生长要素实施调控，因环境精度与及时性受到人为因素干扰，出现大面积不出苗 、烂秧 、死苗和稻苗长势弱的现象 4。2016 年，重庆市受 4 月份阴雨寡照天气影响，秧苗长势较缓，单株分蘖比 2015 年少 1 2 个，移栽进度较 2015 年慢 3 个百分点 5。为解决此类问题，前人做过大量的研究 。对于光照不足的问题，林超辉等 6采用补光的方法，研究设计了太阳光与人工光相结合的育秧大棚;为解决占地面积问题，郭占斌等 7采用多层立体大棚旋转钢结构架， 研制出立体式工厂化收稿日期: 2016 10 26基金项目: 哈尔滨市科技局项目( 2014DB6AN026);东北农业大学 “青年才俊 ”项目( 518020);黑龙江省博士后基金项目( LBH Z13022);黑龙江省普通高等学校青年创新人才培养计划项目( LR 356214)作者简介: 刘宏新( 1971 )，男，哈尔滨人，教授，博士生导师，( E mail) Lcc98 neau edu cn。通讯作者: 权龙哲( 1980 )，男，黑龙江宁安人，副教授，硕士生导师，( E mail) quanlongzhe 163 com。育秧大棚;为获取棚室内较高精度的环境参数，郭有强等 8采用带解耦模糊控制算法，研制出具有高精度环境参数采集系统的水稻育秧大棚 。秦雯等 9设计了一套环境参数自动调控的智能化大棚育秧系统 。上述方法能够解决水稻育秧过程中单一因素引起的问题，却难以保证光照 、温度 、湿度 、通风 、营养液供给等因素之间的相互影响及参数精度 。植物工厂相关技术不仅提供高精度环境参数，还可以实现数字化及智能化控制 。近年来，国内外专家学者在植物工厂技术上进行了大量的研究，国外植物工厂技术已经处于成熟阶段，而我国尚处于初级阶段，基于植物工厂技术的水稻育秧研究水平一直落后于其在生产上的利用程度，这种理论研究滞后于生产实践的局面势必影响其在实际应用中的进一步大规模利用 。研究基于植物工厂技术的水稻育秧，不仅对水稻产量的提高具有重要的指导意义，同时将为研究禾谷类作物育秧提供理论借鉴 。因此，开展基于植物工厂技术的水稻育秧的研究和探讨具有十分重要的理论价值和现实意义 。1 植物工厂技术的发展及现状植物工厂的概念最早是由日本提出来的 。植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度 、湿度 、光照 、CO2浓度及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物不受或很少受自然条件制约的省力型生产 。植物工厂是现代农业的重要组成部分，是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是现代生物技术 、建筑工程 、环境控制 、机械传动 、材料科学 、7522018 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2018.01.048设施园艺和计算机科学等多学科集创新 、知识与技术高度密集的农业生产方式 10 13。1949 年，美国的植物学家和园艺学家在加州帕萨迪纳建立了第一座人工气候室 14，它的出现是植物工厂的早期模型，为植物工厂完善和发展做了成功探索和实践 。在 “人工气候室 ”的基础上， 1957 年丹麦在哥本哈根市郊约克里斯顿农场建起了世界上第一座真正意义上的植物工厂，该植物工厂属于人工光与太阳光并用型; 1964 年， 是 “活化地域的起爆剂 ”，为地域生产发展 、技术聚集 、人员就业 、生态环境 、经济繁荣带来变化;是 “中间产业 ”，不仅能带动农业发展，还带动工业 、健康产业 、信息产业的发展 。大阪府立大学的植物工厂被认为是目前世界上最先进的完全人工光控制型植物工厂，是最新型植物生产的样板，也是全球研究和培训中心;是世界上首例用机器人选苗技术，首次导入自动运输机器人以及自动搬运线，从育苗到栽培工程全部使用 LED 光源;具有最适配的空调系统，解决了光源产生热而造成周围环境温度差的问题 。日本千叶大学未来( Mirai)植物工厂主要栽培生菜及苦苣等15 种以上的蔬菜，在无土栽培方面具有 30 年多的经验 。千叶大学原校长古在丰树教授，是日本乃至世界植物工厂技术装备及产业发展的奠基人和倡导者，以他为代表的 NPO 植物工厂研究会，一直在积极促进植物工厂的发展和技术的升级 。1987 1989 年，美国在亚利桑那州图森市北部的爱德华建起了目前全球最大的超大型植物工厂 生物圈二号，为后来研究地球系统科学与农业的人提供了一个非常好的学习样板 16。1998 年，美国哥伦比亚大学生态学家迪克森 德斯波米尔( Dickson De spom-mier)首次提出 “垂直农场 ”这一概念，成为植物工厂未来发展的趋势 。美国垂直空中植物工厂 、太空植物工厂已开始由设计图向现实转变 。荷兰农业资源有限，政府把植物工厂作为发展目标之一 。其利用植物工厂主要发展蔬菜和花卉，对建造植物工厂的企业实行补贴，从而使荷兰成为世界上设施园艺产品出口量最大的国家 17。植物工厂机械化 、自动化 、智能化 、无人化程度高，太阳光型植物工厂技术全球领先，现已把太阳光型植物工厂全套技术和设备作为强项产业，向中东 、非洲 、中国等国家和地区出口 。国外植物工厂如图 1 所示 。我国从 20 世纪 90 年代开始植物工厂技术的研发工作， 2004 年浙江丽水农科院与国防科技大学合作成功建成我国第一座植物工厂， 2005 年研制出 LED 植物工厂实验系统， 2009 年建成首例智能型植物工厂， 2010年上海世博会首次展出家庭 LED 植物工厂， 2013 年国家正式将 “智能化植物工厂生产技术研究 ”项目列入“863”计划 18。植物工厂生产模式不受气候影响，具备生长周期固定 、品质稳定，农作物产量稳定等特点 。然而，目前全球正在经营中的植物工厂，真正能够获利的比例并不高 。日本具有世界上先进的植物工厂技术，真正获利的仅占 20%、损益两平的约占 60%，其余 20% 仍面临相当大的亏损 13，而荷兰的状况也相近 。2015 年，美国谷歌母公司 Alphabet 放弃了 X 实验室进行自动化垂直农场项目，他们使用一些技术只种出了一些蔬菜，最终却没能成功种出谷物和大米等主要粮食作物，所以不得不放弃这个项目 。之所以如此，其原因在于目前经营植物工厂的业者，在关键技术的掌握上并不全面 19。因此，开展基于植物工厂技术的粮食作物的研究和探讨具有十分重要的理论价值 。中国植物工厂如图 2 所示 。8522018 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期( a) 大阪府立大学植物工厂 ( b) 生物圈二号( c) 纽瓦克市垂直农场 ( d) 荷兰植物工厂图 1 国外植物工厂Fig1 The foreign plant factory( a) 中国农业科学院 ( b) “十二五 ”科技创新成就展( c) 国内首例智能型 ( d) 浙江大学图 2 中国植物工厂Fig2 Chinese plant factory2 水稻育秧现状随着农业工程技术的发展，水稻育秧设施不断改善，水稻育秧从单层平面 、立体育秧架 、人工光与太阳光结合型立体育秧架育秧，发展到多功能立体旋转育秧机 、MC 自动化育秧苗床进行育秧;解决了占地面积大 、光照不均 、劳动强度大等问题 。上述的育秧方式(见图 3)能够育出高质量秧苗，但受气候 、环境 、结构 、材料 、劳动力等因素的影响，仍存在以下不足之处 20:近年来极端气候频发，传统温室大棚抵御能力较差，寒潮突降可在一夜间冻死 、冻伤大量秧苗;同样，骤然高温会导致烧苗，直接危及水稻生产 3。传统温室大棚的光照主要依靠太阳光，连续的阴 、雨 、雪 、雾霾，易导致秧苗出现打蔫 、发黄 、生长期延长等诸多“乏光 ”症状，降低秧苗品质，延误最佳插秧时机;人工光与太阳光相结合型育秧模式，由于光照的变化无常，影响植物光照周期，降低秧苗品质 5。传统温室育秧多采用人工方式对光 、温 、水 、气 、肥等作物生长要素实施调控，环境精度与及时性经常受到人为因素干扰;不能准确获得土壤含水率及浇水量，而出现9522018 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期徒长 、卷叶等现象 21。受到传统温室大棚的塑料材质及拱形结构的影响，温室内部各点环境数据差异较大，导致同一温室培育出的秧苗良莠不齐，为后续机械栽插及田间管理带来了不便 。( a) MC 自动化育秧苗床 ( b) 多功能立体旋转育秧机( c) 地面 ( d) 立体育秧架图 3 常见的水稻育秧方式Fig3 Common rice seedling patterns由于传统育秧模式自动化程度较低 、环境参数精度低 、占地面积大，导致秧苗出苗率低 、死苗 、发黄 、徒长 、打蔫 、参差不齐等现象，严重影响秧苗的质量及后续插秧，危及水稻产量，如图 4 所示 。为此，应寻求一种新的育秧模式，解决传统模式存在的问题 。( a) 出苗率低 ( b) 参差不齐 ( c) 发黄( d) 徒长 ( e) 打蔫 ( f) 死苗图 4 水稻秧苗病态图Fig4 Rice seedling pathosis chart0622018 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期3 基于植物工厂技术的水稻育秧核心技术31 技术体系核心技术模块图如图 5 所示 。图 5 核心技术模块图Fig 5 Core technology module chart不同作物生长所需要的光照 、温度 、湿度和营养液不尽相同，同种作物在不同时期不同环境下的生长需求也不相同 。目前，仅有部分作物具有相对标准化的生产指标，还存在很多作物在实际生产中缺乏生产指导和数据支持 。这一问题会使未开发作物在植物工厂中的生长效果不佳，生产效率低下 。国内外利用植物工厂培育果蔬的技术已经非常成熟，培育果蔬所需的最优环境指标相对稳定，而水稻秧苗在不同生长阶段对光 、温 、水 、气 、肥的需求差异较大;果蔬由种子到餐桌的整个生长过程都在密闭环境中进行，而秧苗在成苗后要与外界环境相适应，为移植大田做准备;培育果蔬主要关注其营养成分及商品性，而培育秧苗主要关注其生理结构(盘根质量 、茎叶韧性 、稻秧结构等)及环境适应能力 2;培育果蔬多以水培和滴管技术为主 22 23，而育秧则以浸润式技术为主 。因此，采用植物工厂技术培育水稻秧苗，不能完全借用培育果蔬类的培育系统，为培育出经济 、高质量的水稻秧苗，需要根据水稻秧苗的生长习性，解决人工光源 、温湿度调控 、育秧工艺及秧苗驯化及自动化育秧设备等问题 。32 人工光源光作为一种环境信号，参与调控植物从基因表达的分子水平到器官建成，从种子萌芽 、幼苗生长到植物生殖 、衰老和休眠的各个阶段，使植物获得最大的生存和繁衍优势 24。在水稻生长发育过程中，当土壤肥力已知，秧苗素质和温度条件较稳定的情况下，影响水稻干物质积累的最重要因子就是光照条件 25。植物生长灯的研究已经有了几十年的发展 。其中， LED 发光二极管在农业工程上取得了良好的效果 。LED 允许控制光谱成分和光照强度，为植物提供更好的生长，由于辐射产生热量低，可以放置接近植物的位置，即使在高光照强度下也可以发射高光通量 26;同时，可以很容易地集成到数字控制系统，实现复杂的照明计划，如光在植物生长和生理(开花和光合效率)的过程中控制强度或光谱组成，使用发光二极管作为光源，还可以优化各种植物不同的生理过程的光谱质量 。光环境分为 3 个部分:光照度(光量) 、光质(光谱分布)和光周期(明暗时间) 。国内外专家学者对蔬菜所需光环境做了大量的研究，研究发现:调节光照强度可以影响幼苗的芽 、根鲜重和生长状况;光质影响幼苗光形态的建成 、叶绿素的合成及碳氮代谢及品质 27 28;不同植物有不同的光周期，光照时间影响着植物的生长发育，调节光周期，能够更好地调节植物生长: 29。蔬菜所需光环境的研究为水稻育秧所需光环境的研究提供理论依据，但不能直接将其应用到水稻育秧过程中，对水稻育秧所需光环境的研究尚处于初级阶段，应根据水稻秧苗的生长习性确定不同阶段光照度(光量) 、光质(光谱分布)和光周期(明暗时间) 。33 温湿度调控光周期现象中，光照是主导因素，但其他外界条件也有一定的作用，影响植物对光照的反应，其中温湿度的影响最为显著 。温度不仅影响光周期通过的时间，且可以改变植物对日照的要求 17。作物主茎叶片数主要受温度和日长影响，温度是叶片生长速率主要影响因素 30，空气的相对湿度是决定水势的重要因素 。温湿度也是植物生长发育的重要生态因子，水稻幼苗生长状况受环境温湿度的影响较大，这种影响是综合性的，既对外部形态 、干物质增长，也对体内化学成分 、酶活性变化等产生效应 11。受棚室结构及外界气候的影响，室内不同位置点温湿度存在着一定的差异，室内温湿度不均衡导致秧苗参差不齐，影响秧苗质量 。而植物工厂相关技术不受外界环境的影响，可达到根据不同时期需求调节所需温湿度参数的要求 。目前，虽然植物工厂技术可以实现高精度的环境参数控制，但确定不同时期的温湿度值是培育高质量水稻秧苗的难点也是关键技术环节 。34 育秧工艺及秧苗驯化水稻秧苗素质对其大田期生长 、分蘖 、拔节 、孕穗 、抽穗及产量有着重要的影响 。虽然在育秧所需人工光源 、温度 、水分 、CO2浓度，以及土壤中氮 、磷 、钾元1622018 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期素等方面对水稻秧苗基本指标 、形态指标 、生理指标 、应用指标方面的影响进行了单因素的研究，但通常只注重测定某一方面的变化，对秧苗素质的评价可比性有待于进一步研究 。目前，科研人员有针对性地制定了一些水稻育秧工艺流程，但不同品种的育秧工艺有所不同，同一品种不同生长阶段，育秧工艺也存在着一定的差异 。水稻秧苗在移植大田之前，如果不提前适应外界自然环境，可能会导致 “水土不服 ”，出现发黄 、打蔫 、死苗等不良状况 。因此，借助植物工厂的高精度环境控制系统，能够避免环境调控精度与人为因素(经验不足 、失察 、疲劳等)干扰，进而确定不同品种及同一品种在不同生长阶段秧苗对光(包括光谱 、光强 、光照时间) 、温(调控范围 、变化规律) 、水(空气湿度 、土壤水分) 、气(气体构成 、气流循环) 、肥(土肥 、水肥 、气肥)的最佳需求 。进而确定基于植物工厂技术的水稻育秧工艺及秧苗驯化机制，为今后实际生产中培育高质量秧苗提供理论依据 。35 自动化育秧设备随着农业科技的发展，自动化成套育秧设备(包括土壤处理设备 、种子处理设备 、育秧盘播种联合作业设备 、物料运送设备)得到了极大改善 。采用植物工厂技术培育水稻秧苗，节省了空间，节约了土资源，却给喷洒农药 、上下搬运秧盘 、查看秧苗生长状况等带来不便，不仅需要辅助工具，还需要大量的劳动力 。为了解决上述问题，权龙哲 31等研制了一种具有 3 自由度搬运机械手臂及 4 自由度喷洒机械手的多功能机器人，并借助视觉系统获得的秧苗生长状态信息;杨友文等 32利用链轮链条等电控系统研制出 “W”型立体循环培育苗床，减少大量劳动力，提高了资源利用率 。M TOKIMASA 等 33研究了可以实现栽培架 、栽培单元自动调整 、移动的植物工厂省力搬运系统 。从国内外自动化育秧设备的研究来看，设备种类多，不同育秧阶段所需设备齐全，而立体化育秧设备目前的研究尚处于起步阶段，研发的设备型号较少，仅少数应用到实际育秧过程中，智能化程度有待提高 。综上所述，培育果蔬的植物工厂相关技术已经非常成熟，在此基础上将植物工厂的相关技术应用到水稻育秧中，根据水稻育秧的需求制定相应系统，不仅能确定水稻育秧工艺，为以后的育秧提供参考，还能解决因外部环境变化引起的秧苗参差不齐，以及节约土地资源和减轻劳动强度等问题 。4 结论与展望1)目前，传统水稻育秧存在的出苗率低 、发黄 、死苗 、打蔫 、徒长 、参差不齐等问题仅通过增加基础设施建设难以从根本上解决，应加强基于植物工厂技术的水稻育秧模式的相关研究，为培育壮苗 、提高产量奠定基础 。2)借助植物工厂相关技术，开展水稻育秧所需环境参数的研究，通过优化设计制定适用于基于植物工厂技术的水稻育秧的环境参数标准，确定环境参数的最优组合，制定相关工艺流程，为培育壮苗提供理论依据 。3)在农业全面实现现代化的强大需求下，迫切需要提高自动化育秧设备的智能性，借助视觉系统获得的秧苗生长状态信息，基于多维传感技术的环境监控系统，构建基于秧苗发育状态的育秧环境自适应调控系统 。然而，目前植物工厂技术应用于水稻育秧过程中的优势远远没有得到充分的体现，今后仍需要做更多的研究 。参考文献: 1 Van Nguyen N， Ferrero A Meeting the challenges of globalrice production J Paddy and Water Environment， 2006， 4( 1): 1 9 2 Zhao Min， Zhong Xiaoyuan， Tian Qinglan， et al Effects ofenvironment and seedling age on growth and transplantingquality of hybrid indica rice seedling J Journal of ZhejiangUniversity ( Agriculture and Life Sciences)， 2015( 5): 45 54 3 李金哲，陈野 北方春季苗木的管理 J 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development， is an important part of agricultural facilities Based on thedevelopment course of plant factory technology at home and abroad， and problems during the process of rice seedling， thenecessary of relative technology of plant factory applied on rice seedling， the core technology problems to be solved hasbeen reviewed in this paper The development prospect of rice seedling technology based on plant factory is discussed，enables to provide technical reference and development model for high quality rice seedling cultivation and the sustainabledevelopment of agricultureKey words: plant factory technology; rice seedling; seedling technology; core technology; environmental parameters3622018 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期