智能化叶菜管道水培系统研制与示范

徐志豪，时卫杰，刘士哲，吴金毛，施汉忠，陈新娟，时舒玥，潘汉江，何圣米，赵振卿*

(1.浙江省农业科学院 蔬菜研究所，浙江 杭州 310021；2.桐乡市凤鸣卫杰家庭农场，浙江 桐乡 314500；3.华南农业大学 环境资源学院，广东 广州 510642；4.桐乡市农业农村局，浙江 桐乡 314500；5.桐乡市凤鸣街道农业经济服务中心，浙江 桐乡 314500)

蔬菜是人们日常生活中不可或缺的副食品。人们身体所需的碳水化合物、蛋白质等营养物质主要由大米、小麦、肉类、鱼类供给，而其他必需营养素如矿物质、维生素、膳食纤维等则由蔬菜来提供。在江浙沪一带，有“三天不吃青，眼里冒火星”的说法，尤其钟爱青菜、白菜、菠菜一类的叶菜。随着社会发展和交通条件改善，番茄、茄子、辣椒、黄瓜、西瓜，以及包心菜、大白菜等耐运输的蔬菜容易从外地输入供应市场，而叶菜类蔬菜则主要由本地生产供应。在“省长抓米袋子、市长抓菜篮子”的要求下，各地市都会安排一些菜篮子工程基地、绿叶蔬菜保障基地，支持叶菜类蔬菜的本地生产与供应。

蔬菜水培是把蔬菜种植在营养液中的一种工厂化生产技术。与传统的土壤种植相比，蔬菜水培具有许多优点：不受土壤条件限制，免除土壤重金属污染与连作障碍；离地种植，病虫害少，产品清洁卫生无污染；无土栽培不需要中耕、翻地、锄草等作业，大大减轻了劳动强度，省力省工；蔬菜所需的营养元素由营养液提供，营养成分均衡，吸收利用率高，作物生长发育健壮，生长势强，产量高。蔬菜的水培生产，容易结合融入自动化、信息化、智能化技术，提升农业现代化水平[1-3]。

为了提高蔬菜生产效率，满足人们对优质蔬菜的需求，我们研制了一种蔬菜营养液水培系统，并在桐乡市凤鸣街道基地进行示范应用。经过多次技术改造提升，形成了一套比较完整的智能化管道水培系统和叶菜高效栽培技术体系，在蔬菜生产中得以应用。

1 材料与方法

水培系统为高架管道营养液膜技术(nutrient film technique，NFT)系统，由种植管、床架、营养液池、营养液输液回液系统以及智能化控制系统等组成。

种植管为专门定制的方形PVC管，高5.5 cm，宽8 cm，每隔15 cm开一个直径为3 cm的种植孔。12支种植管组成一组安放于床架上。床架由钢管搭建，钢管底部插入土中固定。建成的床架宽170 cm，离地高90～100 cm，管道坡降为2‰。栽培床之间留操作道100 cm。

营养液池为水泥砖石结构，长2 m，宽1.5 m，深1.7 m，一次储水4 m3。

营养液输液回液系统由PVC管组成。营养液通过水泵输送到栽培床高的一端，再分流到每个种植管中。营养液流经种植管为作物提供水分和养分，多余的营养液汇集到集液槽然后通过回液管回到营养液池。在回液管排液口安装一个无纺布过滤袋，收集回流营养液中的残留根系与基质等杂物。

营养液智能化控制系统由数字化配肥机，营养液浓度与酸碱度以及液位与液温在线测量模块，温室光照强度、温度与湿度、CO2等环境参数在线测量模块，无线通讯模块等组成。营养液参数和温室环境参数汇集到数据云平台进行处理，并通过手机APP设定参数和控制。

2 研究结果

2.1 适宜蔬菜类型

智能化叶菜类管道水培系统主要以生产叶菜类为主，少量茎叶蔬菜。3年来先后成功种植了生菜、油麦菜、广东菜心、奶白菜、快菜、塌棵菜、青菜、羽衣甘蓝、芥蓝、芝麻菜、空心菜、茼蒿、苋菜、菠菜、香葱、罗勒、迷迭香等20多个蔬菜种类。并根据季节和市场需求，逐步形成了奶白菜、快菜、生菜、油麦菜、空心菜、广东菜心等速生叶菜主打品种，兼顾罗勒、迷迭香、芝麻菜等特色蔬菜品种，通过合理安排种植时间和批次，达到周年生产、计划上市的要求。

2.2 省力化种植流程

为了提高水培蔬菜生产效率，我们采用工厂化基质穴盘育苗方法培育蔬菜苗，再移栽到水培系统的种植管中。蔬菜种子经过处理后，由播种流水线自动播种到穴盘中。育苗基质是以泥炭为主的专用育苗基质，采用200孔的穴盘。播种流水线的播种速度为400盘·h-1(8万粒)，完全能满足基地的育苗生产要求。播种后的穴盘放在大棚内育苗。育苗棚冬季采用3层地膜覆盖保温，夏季采用遮荫和喷雾方法降温。出苗前，穴盘上覆盖地膜保湿，出苗后及时揭开地膜。育苗期间，根据基质水分情况和菜苗生长势酌情补充水分或营养液。播种后15～25 d，当菜苗5 cm高，约4叶期时，连基质块一起移栽到水培种植床管道中。

2.3 高盐水源配制营养液技术

在水培蔬菜生产过程中我们发现当地自来水的含盐量很高，其电导率(EC)可达850 μS·cm-1，pH为7.8～8.3。用自来水配制营养液，蔬菜经常出现叶片发黄，心叶扭曲缺失等生长不良的情况[4-5]。为此，我们开展了基于高盐水源的营养液配制技术研究。以纯净水配制的营养液为对照，用高盐水源配制农场旧有配方和新设计的改良营养液配方，种植水培日本小松菜、生菜、青菜等蔬菜。研究发现，以高盐水源配制农场旧有配方的处理，pH 7.13～7.85；小松菜叶色较淡、有缺素现象，单株重为160 g。而采用高盐水源配制的改良营养液配方处理，营养液pH接近纯净水配制的营养液处理，为5.68～7.11；小松菜生长正常，叶色碧绿，商品性好，单株重分别为181和183 g，比高盐水源配制农场旧有配方的处理增加产量13%～14%。

2.4 营养液自动配肥系统

最初的水培系统没有营养液自动配肥机，蔬菜水培系统的补水、补肥、调整酸碱度等营养液管理需要人工操作，每日需要4～5 h花费在营养液调整上。不仅工作量大而繁琐，费时费力，而且由于调整不及时，营养液浓度与酸碱度变化大，不利于蔬菜生长。根据蔬菜水培系统特点和水培农场生产管理要求，我们研究提出营养液自动配肥机的技术方案与技术指标，委托塔金麦智慧农业有限公司组装生产了2台营养液自动配肥机。

营养液自动配肥机采用模块化设计，由以下模块组成：(1)自动补水模块：连接水源，感知水位(精度±0.5 cm)，自动补水到设定水位；(2)营养液控制模块：自动测定营养液的pH和EC，四通道定量泵分别补充母液A、B、C和酸液，自动调整pH、EC到设定值(pH精度为±0.5，EC精度为±0.1 mS·cm-1)；(3)营养液供给模块：潜水泵将营养液送到栽培床；(4)环境测定模块：大棚内温度、湿度、光照强度；(5)无线通讯模块与手机端APP：基于WiFi的通讯模块，在手机上可以调整和控制营养液参数(图1)。

图1 自动配肥系统参数操作界面

通过技术攻关，研制的2套营养液自动配肥机实现了以下功能：(1)每隔10 min自动读取水位、pH和EC，根据测定值和设定值的差异，自动补水、补充营养液母液和酸液，保持营养液水位、电导率和酸碱度；(2)实时测定营养液温度、测定大棚温度、湿度和光照强度；(3)按照灌溉程序自动把营养液输送到水培床；(4)自动配肥机可以由手机APP进行远程管理。蔬菜水培营养液自动配肥机经过一年多的生产应用，设备稳定，性能达到了设计要求。

2.5 水培蔬菜营养液自动管理技术

利用研制的水培蔬菜营养液自动配肥机，比较研究了营养液自动调控与人工调控条件下的营养液电导率、酸碱度的变化动态。研究结果表明，在人工调控处理中，随着作物生长、吸收，营养液水位下降很快，2 d内营养液数量减少38%，营养液电导率从1.820 mS·cm-1升高到1.987 mS·cm-1，pH从6.02上升到7.81；每隔1～2 d，就需要对营养液进行人工补水和配肥。由于人工调控处理的营养液电导率变化大，pH上升快，一直徘徊在碱性条件，蔬菜容易出现缺铁、缺钙等生理性障碍，影响了蔬菜产量和商品性。

在使用水培蔬菜营养液自动配肥机进行营养液自动调控后，营养液池的液位比较稳定，保持在149.7～150.3 cm，正负误差在0.3 cm；营养液pH一直保持在5.97～6.05，与目标设定值pH 6.0相差很少，达到pH精度±0.5的设计要求；营养液电导率一直保持在1.795～1.805 mS·cm-1，与目标设定值1.800 mS·cm-1相差0.005 mS·cm-1，达到精度±0.1 mS·cm-1的设计要求。采用营养液自动配肥机进行营养液自动管理，种植快菜、青菜、生菜、油麦菜、芝麻菜等蔬菜，蔬菜叶色正常，生长速度快，较原先营养液采用人工调控方法，蔬菜生长时间缩短5～7 d。

2.6 蔬菜高效水培种植技术

播种育苗：采用工厂化基质穴盘育苗方法培育蔬菜苗，再移栽到水培系统的种植管中。蔬菜种子经过处理后，由播种流水线自动播种到穴盘中。育苗基质是以泥炭为主的专用育苗基质，采用200孔的穴盘。播种后的穴盘放在大棚内育苗。出苗前，穴盘上覆盖地膜保湿，出苗后及时揭开地膜。育苗期间，根据基质水分情况和菜苗生长势酌情补充水分或营养液。播种后15～25 d，当菜苗5 cm高，约4叶期时，连基质块一起移栽到水培种植床管道中(图2)。为了充分利用水培种植面积，应尽量延长育苗期种植大苗，以缩短水培种植床的种植天数，增加茬口次数。

图2 轻简化移栽技术

营养液管理：采用水培蔬菜营养液自动配肥机进行营养液自动调控，根据蔬菜生长阶段，设定营养液电导率和酸碱度目标值。刚定植的幼苗期，营养液电导率控制在1.2～1.3 mS·cm-1，而生长盛期则需要增加到1.4～1.6 mS·cm-1。整个栽培期营养液的pH值用稀硫酸控制在5.8～6.5。营养液池的水位，一般预留20%空间，以免农场停电时从种植床流回的营养液漫出营养液池。蔬菜水培期间，栽培床的营养液一直流动，保持1 cm水位。平时日常管理要注意观察栽培床上营养液供给情况，出现出水孔堵塞或喷出床外，要及时处理。营养液池须采取遮光措施，防止藻类繁殖、堵塞管道。

大棚温湿度管理：水培蔬菜主要以叶菜类为主，大棚目标温度维持在5～28 ℃。早春、晚秋、冬季温度较低时，一般早上日出后1～2 h开启气窗通风除湿30 min，以保持一定的温度，促进生长；下午日落前2～3 h封棚保温。如果外界气温不低于5 ℃，晚上大棚则不封棚。夏季温度高，当棚内温度达到28 ℃时拉开遮阳网，棚温持续提高到30 ℃时，开启水帘风机降温。

病虫害管理：防治策略是管好种子、育苗基质、育苗设备、栽培床、肥料等环节，从源头防止病菌、虫源进入大棚和水培系统。采取的主要措施是选择抗病、耐逆性强的品种；大棚和进出口均加设防虫网；工人和参观者进出大棚时特别强调管好大棚进出口，防止飞虫进入；大棚内悬挂黄板诱虫；加强平时田间巡视，发现飞虫及时扑杀；加强通风降低湿度、减少病害发生；发现有虫有病植株及时移除销毁；分批种植，分批采收，及时清理植株残余物和对栽培床消毒。

采收与包装：通常水培叶菜如广东菜心、青菜、奶白菜、快菜、塌棵菜、生菜、油麦菜在定植后20～30 d可以一次性采收。空心菜、茼蒿等蔬菜则每隔7～14 d采用剪枝留根的方法多次采收。水培蔬菜采收后，立即运送到包装车间进行预冷和根据客户要求计量和包装。空出的水培床及时清理植株残余物，对栽培床消毒和定植新的蔬菜苗。

2.7 建立数字化全程可追溯的安全生产管理体系

为了保证水培蔬菜产品的安全，农场制定了《水培农场生产管理制度》《蔬菜绿色高效水培技术规程》《水培蔬菜工厂化育苗技术操作规程》。对农场各个水培种植床与育苗床标记定位二维码。每批蔬菜从种子育苗开始，即给予编号与定位，监控整个生产过程的肥水管理、病虫防控和植株生长情况。每周向销售团队预报下周与下个月的预期采收品类与数量。除了生产团队和销售团队可以监控外，客户也可以通过视频查看水培蔬菜生产现场。农场除了认真做好田间记录，规范使用农业投入品，送样检测农药残留等工作，还要根据农业农业局与农产品质量监管部门和销售团队的要求取样测定农药残留。

2.8 主要水培蔬菜生长期与产量

农场先后成功种植了广东菜心、青菜、奶白菜、快菜、塌棵菜、生菜、油麦菜等20多个蔬菜种类，涉及十字花科、菊科、藜科、旋花科等蔬菜，还试验种植了迷迭香、罗勒、紫苏等特色香料蔬菜和水培草莓。在栽培上，可分为一次种植一次采收类型，如广东菜心、青菜、生菜、菠菜等，以及一次种植多次采收类型，如空心菜、茼蒿、罗勒等。大多数蔬菜在水培床上种植时间在30～35 d，一年茬口次数为10次，年产量为20 000～30 000 kg·667 m-2。农场每年水培蔬菜生产量约为15万kg(图3)。

图3 智能化叶菜管道水培系统规模化生产

3 讨论

通过四年来水培蔬菜种植生产实践，我们认为水培蔬菜具有蔬菜鲜嫩、纤维少、口感好、品质优，洁净、无污染的特点，受到客户欢迎。水培种植，避免连作障碍，可多茬栽培，提高土地和设施利用率。生产过程中，水肥一体，省水、省肥效果明显。特别是在省工、省力方面，尤为突出，极大改变了传统蔬菜种植费工费时的问题，对今后农业生产现代化有很好的引领作用。与以往传统的蔬菜水培系统相比，我们研制的智能化叶菜类管道水培系统还有几个显著创新点：

其一是育苗种植方式的创新。在传统蔬菜水培种植方法中，蔬菜育苗主要有2种方式：一是蔬菜种子人工播种在海绵块中，待苗子叶平展时，或1～2片真叶出现时，连海绵块人工塞到定植杯中，再移栽到水培种植床。二是蔬菜种子播种在基质盘中，待苗有2～3片真叶，将苗挖出，洗掉根系上的基质，再用海绵条包根塞到定植杯中，再移栽到水培种植床。与传统蔬菜水培种植方法相比，我们研究提出的省力化种植流程有3个明显的优势。一是能够利用工厂化穴盘育苗技术优势，种子播种可以用精量播种流水线，播种效率大大提高；二是育苗期间肥水管理容易，可以培育大苗，缩短留滞水培种植床上的时间，提高水培床的茬口次数；三是免除洗根、包苗、塞苗到定植杯的操作步骤，提高种植效率。

其二是营养液调控系统与智能化管理技术。采用水培蔬菜营养液自动配肥机进行营养液自动调控，根据蔬菜生长阶段，设定营养液电导率和酸碱度目标值。营养液通过自动补水、配肥、调酸，营养液的液位、电导率和酸碱度稳定，为蔬菜提供了良好的根系生长环境与营养肥料，蔬菜生长快、叶色株型正常，品质和商品性好。同时，也解决了传统蔬菜水培系统需要大容量营养液池以及每日花费大量时间人工调整营养液的问题。

其三，建立了数字化全程可追溯的安全生产管理体系，通过对农场各个水培种植床与育苗床标记定位二维码，对每批蔬菜从种子育苗开始，即给予编号与定位，监控整个生产过程的肥水管理、病虫防控和植株生长情况。不仅方便了农场种植计划安排、生产管理和上市安排，更有利于蔬菜安全生产和监督管理。

蔬菜水培种植是一项引领现代农业的新技术，在面对未来农业劳动力结构调整、农业规模化与省力化发展、提高土地利用率等方面有重大意义。但蔬菜水培种植的初始投资大，管理技术要求高，大量蔬菜上市，对销售压力大。仅靠家庭农场主体也很难全面解决投资、技术、市场等方面的问题。为了促进水培蔬菜产业的健康稳定发展，需要政府、科技部门、产业各方进行协同合作。

其一，政府方面可以在农业政策、资金扶持、土地规划和技术团队搭桥等方面给予更多的支持。市场销售方面，最好通过与专业营销团队合作。家庭农场的业主往往是传统农民，本身对市场营销不熟悉。当大批量蔬菜可以采收时，对市场通路感到束手无策。因此，把销售、客户管理等工作分摊出去，集中精力按订单生产，效果更好。

其二是技术支持。蔬菜水培是一种集约化程度较高的新技术。对于多数农场业主来说，从传统的土壤种植改为水培种植，规模扩大，设备繁多，蔬菜播种、水培床种植、营养液管理等都要重新学习，需要有经验的技术团队支持。

其三是农场管理。水培与土培不同，体系化、集约化程度高，病虫害防控要求严格。需要加强农场员工的培训和技术辅导，强调规范化管理。