摘要：為理清水培葉菜工廠快速發展過程中，機械設備應用現狀和相關研究進展，以水培葉菜播種、育苗、移栽、收獲環節為突破口，重點分析水培葉菜生產全流程相關的播種機械、移栽機械和收獲機械國內外研究現狀與發展趨勢。研究結果表明：視覺識別、專家智能系統等高新技術正融入水培機械，播 種、移栽和收獲環節的機械正朝著智能化和精準化方向發展，但受機械價格和適用性等因素的影響，水培葉菜生產各環節的機械化應用較低，除了在播種環節有一定的播種機械應用外，水培葉菜的移栽和收獲仍然依賴人工，水培葉菜全流程的機械化應用尚屬空白。當前政府應加大科研投入，研發人員應注重加強水培農藝與農機融合，著重開展水培移栽機和收獲機的創新性研究，突破弱勢環節，因時制宜的發展水培葉菜機械。

　　關鍵詞 植物工廠;水培葉菜;播種機械;移栽機械;采收機械

　　植物工廠是在密閉或者半密閉條件下通過高精度的環境控制，實現作物在垂直立體空間上周年計劃生產的高效農業系統，因其技術高度密集，被公認為是設施農業的最高發展階段，成為衡量一個國家農業技術水平高低的重要標志[1]。植物工廠的種植方式主要以水培為主，即將作物直接種植在營養液中。水培是一種新型的無土栽培方式，通過種植杯(籃)和栽培板等使植物根系生長于營養液中。與土壤栽培相比，水 培 的 養 分 供 應 更 加 迅 速、均 衡 和 充足，有利于植 物 吸 收，并可根據營養液中的養分消耗，及時地補充相應營養元素，被廣泛地應用于蔬菜生產，特別是葉類蔬菜[2]。

　　水培葉菜的生長速度是土壤種植的2倍以上，單位土地利用效率是土壤種植的幾十倍甚至上百倍[3-6]，因此水培葉菜技術將是我國農業4.0時代的重要組成部分與呈現形式。我國是世界第一大蔬菜生產國和消費國，2018年全 國 蔬 菜 種 植 面 積 突 破 2000 萬 km2，產 量 達7億t以上;其中葉菜類種植面積占比 高 達30%以上，約占總 產 量 的1/3[7]。葉 類蔬菜強有力地支撐了“菜籃子”工程，是人們日常生活中必不可少的一部分。

　　植物水培論文：秋季白蘿卜水培育苗種植技術要點

　　而水培葉菜可以根據其種植的品種和生長階段來調控營養含量，實現養分的精準供給，從而確保蔬菜的品質與口感，兼具環保無污染等優點，更符合當下人們對于有機、綠色、安全的食品訴求[8]，并已得到大面積的推廣應用。目前國內京東、喜萃和中科三安等公司都建立了水培葉菜工廠，為市場提供新鮮安全的蔬菜。水培葉菜生產工藝流程清晰有序，分工明確，生產全流 程 主 要 包 括 播 種、育 苗、定植和收獲等步驟[9]，而目前國內所有的水培葉菜工廠均無法實現全程高效地機械化和自動化生產，僅在播種環節有一定的機械應用，其他環節配套的機械裝備多處在研發試驗階段。而大型化、多層化葉菜工廠的建立以及用工成本等因素促使產業升級改造，傳統的人工生產方式將逐步被取代，機械化、自動化、現代化的葉菜工廠更符合社會和企業發展需求，水培葉菜工廠的全程機械化將是實現葉類蔬菜高效工廠化生產的唯一途徑。

　　1 水培葉菜播種機械研究現狀

　　隨著大型水培葉菜工廠的建立，傳統的人工手播已無法滿足葉菜工廠的生產需求，播種機的應用顯得尤為重要。當前水培葉菜主要有2種不同的播種方式，一種是將種子直接播到育苗海綿中;另一種則是播到育苗基質中，這需要借助育苗杯、定植籃或穴盤來完成。目前，國內鮮有海綿播種機的研究報道，大多數研究主要集中在第二種播種方式上，也就是穴盤播種。我國自動化穴盤播種技術起步較晚，20世紀80年代在引進國外穴盤播種生產線的基礎上進行吸收改造 設 計，開 發 了 ZXB-360 和 ZXB-400 精 量 播 種機，實現了 穴 盤 的 自 動 化 播 種[10]。

　　“八五”期 間，蘇海泉[11]研制 了 ZKB-400 穴盤 播 種 機，播 種 效 率 可達360盤/h，播種 合 格 率 在96%以上，但 該 播 種 機只適用于中等大小的丸粒化種子。1997年，農業農村部南京農機化研究所研制了一種氣吸式穴盤精量播種機2QB-330，該機器能夠滿足每穴1～2粒的播種需求，通過更換吸種板，可實現不同類型蔬菜種子的精量播種，但 該 機 械 的 播 種 合 格 率 低，僅 為90%左右[12]。 趙 立 新 等[13]研 制 的 針 式 精 量 播 種 機BZ-200，采用負壓針式吸種，可實現每穴1～5粒的自動化播種，并可通過更換吸種針頭實現不同類型蔬菜的播種，播種合格率在95%左右。廣州綠翔機電公司研發的2BS-6氣力式滾筒穴盤播種機，能夠實現對0.7～2.0mm 小粒種子每穴1粒的精量播種，播種合格率在95%以上，生產效率可達600盤/h[14]。

　　胡建平等[15]設計了一種磁吸式精密播種機，播種前先用磁粉對種子進行包衣處理，依靠電磁吸頭實現對種子地吸取，并可通過調節磁力大小來控制播種量和播 種 精 度，對 小 白 菜 種 子 的 單 粒 播 種 率 可 達90%，播種效率為300盤/h。為實現小粒徑蔬菜種子穴盤精量播種，楊昌敏等[16]研發了一種滾筒氣吸式精量播種 機，對 于 128 孔的 穴 盤，播 種 效 率 可 達840盤/h，單粒合格率為94%左右，能夠滿足自動化穴盤精量播種的需求。隨著市場的發展，國內出現了一批園藝 裝 備 企 業，其 中 以 杭 州 賽 得 林、鶴 壁 創祺、上海矢崎和浙江博仁工貿的播種機械較有代表性。

　　但這些企業仍處于發展階段，缺乏龍頭企業引領，播種機械的普及與應用度不高，僅在大型連棟溫室生產中有所應用。國外對穴盤播種機的研究較早，技術相對成熟，自動化程度高，播種效率高。經過多年的發展，國外的播種機械商業化應用已經十分成熟，例如美國的Blackmore和Seederman、英國的 Hamilton、意大利的 Mosa、荷蘭的 Visser和韓國的 Helper等公司的產 品 較 為 知 名[17-18]。Blackmore 公 司 開 發 的StretchPLC 滾筒 播 種 機，可 通 過 切 換 不 同 的 滾 筒和吸種口，實現多種蔬菜種子的播種，能在5min內完成滾筒切換，5s內實現吸種口切換，切換效率高，播種效率 高 達 1200 盤/h[19]。美國 Seederman公司專為小型溫室開發了 GS系列針式播種機，其中GS1式 半 自 動 播 種 機，播 種 效 率 可 達 到 120 盤/h(288穴/h)，該播種機不需要消耗電能，工作部件均由壓縮空氣來驅動[20];GS2和 GS3為全自動針式播種機，與 GS1相比效率更高，工作 性 能 更 穩定，播 種 效 率 為 180 盤/h (288 穴 )。

　　英 國 的Hamilton公司研發的 HNS3型氣吸滾筒式播種機，能夠適用于市面上大多數的穴盤和蔬菜種子，通過安裝在播種機上的雙重滾筒和每個滾筒上2種不同吸嘴，可同時對2種不同的穴盤實現單行、雙行或者多行播種，播 種 效 率 為700盤/h[21]。意大 利 Mosa公司的 Line系列播種生產線具有極強競爭力，在系統中配備了公司獨有的模塊化系統，其中 Line1400能夠通過電子系統來控制全部的工作部件，播種效率高，可達1400盤/h[18]。

　　主要用于小批量種子的播種，其能通過自身軟件編程來確定不同穴盤的播種位置，并可以將不同種類的蔬菜種子同時播種到一個穴盤中[22]。韓國 Helper公司開發的SD系列播種機，能將各類型種子播種到不同穴盤中，并可根據種子大小和類型改變噴嘴大小，其中SD-900 W型播種機播種效率可達400盤/h(128穴/h)[23]。

　　為了 實 現 對 不 同 類 型 種 子 的 精 密 播 種，國 內外對播種機的核心部件排種器進行了大量的研究。國外研 究 者 通 過 采 用 響 應 面 法、神 經 網 絡 和高速攝像等對排種器進行了結構設計優化，以 實現吸種針孔的自動收縮與擴大，從 而 解 決 不 同 粒徑種 子 的 通 用 性 難 題[24-25]。同 時，國 外 研 究 人 員也將智能化和信息化技術應用到播種機的研發中，為實現更加高 效、精密的播種提供了可靠的技術，便于播種機的 管 理、維 護 和 信 息 共 享。國 內 對播種機的關鍵部件也開展了創新性研究，對 排 種器吸、排種 子 的 過 程 建 立 力 學 模 型，分 析 影 響 吸、排性能的 因 素，同時也對蔬菜種子的粒徑等物理特性和播種機的控制系統展開了研究，通 過 遙 控控制和激光導航等自動控制方式，實 現 播 種 機 的智能控制[26-28]。

　　2 水培葉菜移栽定植機械研究現狀

　　隨著時間的推移，穴盤中種苗逐漸長大，因此需要將種苗移栽到間距更大的栽培板上。生產中的移植作業基本以人工為主，勞動強度大、效率低。國外早期移栽機械是通過在成熟的工業機器人搭載 末 端 執 行 器 來 進 行 移 栽 作 業[29]。1987 年，Kutz等[30]在溫室 里 借 助 Puma56機器 人 實 現 了 對苗床植物的移栽作業，并通過計算機仿真，確定了機器人移動的“L”型最佳路徑，取苗成功 率 在96%左右。而后，Ting等[31-32]提出了一種慢加速脫盤和快加速提取的取苗方式，并設計了一種滑針式取苗末端執行器，執行器通過上下垂直移動靠近穴盤幼苗，執行器上的夾取針斜插入基質，而后在機械臂的帶動下將穴盤苗取出，當末端執行器的加速度固定在526mm/s2 時，取苗的成功率為95.4%。

　　2002年，Choi等[33]設計了一種取苗機械手，該裝置以五連桿機構為主，采用指針夾取方式取苗，種苗的拾取速度能夠達到1800 株/h，這標志著國外對于移栽機末端執行器的研究已經十分 成 熟。此 外，Tai等[34]在溫室種苗移栽機中植入了視覺檢測系統，能夠自動識別穴盤內幼苗的位置并判斷其健康狀況，將識別的結果轉化成計算機語言，反饋給移栽機器人輔助其完成移栽工作，從而實現智能化的移栽。隨著技術的發展進步和大量資金的投入，國外的移栽機器獲得了較好的發展，并實現了商業化的應用，其中以荷蘭 VisserHortiSystems公司的 Pic-O-Mat系列和意 大 利 Urbinati公司 的 RW 系列 最 為 著 名[35]。

　　Visser公司的 Pic-O-MatGR-2700型移栽機采用了高分辨率位置反饋和伺服控制系統，擁有24個獨立的伺服控制抓爪，并配備了伺服驅動的夾持器能夠保證高速精確的移動與夾持;而且內部自帶多種移植組合程序，可通過觸摸屏現場編程實現不同作物的移植組合，工作效率可達45000株/h[35]。Urbinati公司的 RW64[35]無線移栽機配備了72個 夾 持 器，采 用 無 線 電 機 驅 動，并 帶 有 22cm(8.4英寸)彩色觸摸屏，可現場進行編程與自診斷，減少維護，無線獨立電動抓爪具有更好的靈活性，能夠實現單排或雙排移植，移植效率為50000株/h。國內有 關 移 栽 機 械 的 研 究 始 于 20 世紀 90 年代，孫廷琮等[36-38]率先對穴盤移栽機構進行了研究。

　　2005年，孫剛等[39]設計了一種龍門式生菜移栽機，采用氣 動 驅 動 移 苗 爪，運 用 μC/OS-Ⅱ嵌入 式 操 作系統的16位控制器作為核心控制系統，但該移栽機的移苗機構和移苗手不夠完善，各機構穩定性不足;而后強麗慧等[40]對該機械進行了優化設計，首次采用了傾斜插 縮-垂直取放的移苗方式，改 用 PLC 的自動移苗控制系統，并在機械上添加了光電傳感器對穴盤進行定位，改進后的機械穩定性得到改善，移植效率可達人工移植的3倍左右，但該機械只能適用于深液流 的 浮 板 栽 培，通 用 性 差，無 法 實 現 智 能化，未 能 得 到 推 廣 應 用。2007 年 張 詩 等[41]通 過ADAMS對移栽機械手進行了運動學仿真研究，確定了最優的運動速度，為移苗機械手的試制提供了理論支撐。

　　隨著技術的發展，研究人員將視覺技術應用到了移栽機及其性能優化上面。浙江大學的蔣煥煜等[42-43]通過移栽機上的視覺技術對種苗進行圖像識別與定位，判別種苗的健康狀況是否適合移植，并根據番茄幼苗的特性，設計了鏟式抓取手指，抓取成功率在82%左右，但是該種方式會造成一定程度的根坨損傷。賀磊盈等[44-45]通過機器視覺來規劃末端執行器的路徑，解決了移栽機作業過程中的葉片重疊問題，提高了工作效率。張麗華等[46]設計了一種新型氣動移栽機，通過伺服電機、滑軌和鏈傳動的方式實現取苗爪的水平與垂直運動，移栽機一次能夠移植4棵幼苗，整體移植效率可達2000株/h，較人工移植效 率 提 高 了1倍 左 右。

　　馮 青 春 等[47]研發了一種花卉穴盤移栽機，用于盆栽幼苗的移栽作業，該移栽機利用視覺識別技術完成種苗的定位與剔除，并通過由彈簧驅動的柔性可調夾持手爪，實現對種苗的夾取，實驗結果表明，當移栽效率控制在800株/h以下時，視覺系統的識別準確率可達87%，夾持手爪可進行可靠性操作。為了解決一對一取放苗效率低的問題，嚴宵月等[48]設計了一種整排間隔放苗的自動移栽機械，該移 栽 機 是 在 PVHR2型旋 轉托杯式半自動移栽機的基礎上升級而來，通過末端執行器的上升、下降和正反旋轉90°等動作，可以實現一次性取放6棵種苗，在72孔的穴盤苗試驗中，拾取效率可達3600株/h，成功率在95%以上。

　　劉霓紅等[49]設計了一種管道式水培葉菜移栽機，該移栽機主要 由 供 盤 帶、苗 盤 推 送 機 構、苗 盤 輸 送 機構、取苗機構、種植管輸送機構以及控制系統組成，一次可以移栽6棵種苗，移植效率為1200株/h，移植成功率為90%。總的來看，國內對于移栽機械的研究和應用上取得了較大的進步，但是對于水培葉菜移栽機械的大多數研究還是停留在樣機或者試驗探索階段，再加上設備巨大，價格高昂等原因，并沒有做到商業化的應用和推廣。在移栽機械研發方面，可借鑒國外先進的設計經驗，整合水培葉菜生產中的配套物料，形成統一標 準，便 于 機 械 化 操 作;給 移 栽 機 械 手 賦能，在提高其科技水平的同時兼顧輕便實用化研究，降低成本。

　　3 水培葉菜搬運與收獲機械研究現狀

　　水培與傳統土壤栽培的農藝特點、采收要求不同，其收獲裝置形式與收獲的方式等也不相同。在收獲機械上，以日本和歐美等發達國家的研究起步較早，日本三菱重工的自動化植物工廠實現了從播種到收獲 的 全 自 動 化 生 產，能 夠 節 省 91% 的 勞 動力，但成本過 于 高 昂，無 法 實 現 推 廣[50]。在設 施 水培生菜的采收上，日本鹿兒島大學采用了往復式切割去根采收，但采收后生菜菜葉雜亂無序，并容易造成蔬菜 水 分 和 營 養 物 質 的 流 失，也 尚 未 應 用 于 生產[51]。Hachiya等[52]設計了一種水培菠菜自動采收機器，先由搬運設備將栽有成熟菠菜的栽培板搬運至傳送帶上，經機械裝置一端的切根裝置切掉根部，而后經傳送帶將栽培板送至裝置的另一端，并在此處將整個栽培板倒置，依靠重力將菠菜與定植杯分離開，掉落 至 下 一 級 的 傳 送 帶 上，完 成 菠 菜 的 收獲，整個收獲裝置主要依靠傳送帶完成，自動化程度偏低。

　　2001年，日本北海道植物工廠研發了一款搬運采收機器人，該機器人位于栽培架的上方，通過事先設計好的軌道在空間內按照既定的軌跡移動，并根據控制指令達到指定的位置，在作業時，機器人將栽培板抬起運輸到指定位置，而后完成切根收獲等動作[53]。Cho等[54]研發 了 一 種3個 自 由 度生菜采收機器人，利用機器視覺觀測生菜生長狀況，判斷是否采摘，并通過模糊控制調整夾持生菜的力度，采摘后再對生菜進行切割、輸送。

　　4 存在問題及思考

　　目前，我國針對水培葉菜生產的機械設備較為缺乏，僅在播種環節能夠實現自動或半自動播種[60]，并且與發達國家相比具有較大的差距。水培機械發展緩慢，無法滿足實際生產的需求，亟需突破高效輕簡化水培機械裝備的研發與應用。雖然近些年來隨著水培葉菜的發展，機械裝備得到了一定的改善，但總體上還存在以下問題：

　　1)機械專用性不高。水培葉菜的很多機械裝備都是從大田農機裝備引用或者改裝而來，與水培葉菜的農藝要求匹配度較差，農機的適用性不高。這與研究人員對水培葉菜生產工藝與流程不熟悉有關，同時缺乏對水培葉菜生產各環節所涉及到的機械動作的機理研究，應做到設備研發與農藝操作相結合，提高機械的實用性。

　　2)水培葉菜生產配套裝備發展不完善。生產中的基質塊、海綿和定植杯等各類生產物料沒有統一規格，圍繞水培葉菜生產的上下游裝備各產業鏈彼此獨立，沒有形成標準，限制了全程機械化的應用。3)機械設備價格高昂、效率低、適用性差。水培葉菜生產中的機械設備價格貴，維護成本高，適用的蔬菜種類和生產環境單一，機械操作動作緩慢，效率低，成熟的商品化機械缺乏，過于依賴進口，忽略了國內生產環境。4)自主創 新 不 足。關鍵機械設備缺乏自主創新，研究設計以經驗為主，盲目模仿國外機械，沒有重視實際應用需求。

　　5 展望趨勢

　　隨著植物工廠等高新農業技術的發展，水培葉菜生產逐漸向標準化、模塊化栽培的方向發展，輔之以 AI、物聯網和大數據等技 術 的 支 撐，水 培 種 植 技術將迎來全新的升級。大型水培葉菜工廠勢必朝著機械化、智能化和數據化的方向發展，例如中國農業科學院都市農業研究所研發的20層全自動無人化植物工廠;而對應的機械也將朝著智能化、信息化的方向發展，通過各流程機械設備的互聯，實現各工序的高效自動化生產，并依靠人工智能等技術完成復雜的識別和多任務調度，從而實現種子到蔬菜的無人化生產。

　　然而，對于小型水培葉菜工廠，如日本家庭型植物工廠，生產面積相對較小，投資小，則機械的發展應該更加注重實用性，在適于生產空間的基礎上，要兼顧輕便、靈活，實現機械化或者半機械化生產，釋放勞動力，降低勞動強度。目前，我國簡易水培葉菜生產占有較高市場比重，要求機械設備要與生產環境相匹配，控制成本，以實用、適用為主;隨著國家的支持和企業投入，以植物工廠為代表的大規模現代化的水培葉菜工廠在全國各地逐漸興起，則需要全流程智能化、自動化的機械設備，替代傳統人工操作，形成無人化智能水培葉菜工廠。以上兩點說明我國水培葉菜機械設備要朝著智能化和輕簡化并行的方向發展，從而全面提高水培葉菜工廠的機械化水平[61]。

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　　作者：李宗耕