基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧技術(shù)

基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧技術(shù)劉宏新，張明俊，權(quán)龍哲，何 堤(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)摘 要: 隨著農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，植物工廠(chǎng)技術(shù)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)前沿科技的綜合體現(xiàn)，是農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志 。為此，在綜合分析國(guó)內(nèi)外植物工廠(chǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程及水稻育秧所面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，明確了植物工廠(chǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用在水稻育秧過(guò)程中的必要性及亟待解決的核心技術(shù)問(wèn)題，并論述了基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧的發(fā)展前景，為培育高質(zhì)量的水稻秧苗及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)參考與發(fā)展模式方面的借鑒 。關(guān)鍵詞: 植物工廠(chǎng)技術(shù); 水稻育秧; 育秧工藝; 核心技術(shù); 環(huán)境參數(shù)中圖分類(lèi)號(hào): S238 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1003 188X( 2018) 01 0257 070 引言水稻是世界上重要的糧食作物， 120 個(gè)國(guó)家和地區(qū)廣泛栽培種植，是全球 50% 以上 、中國(guó) 60% 以上人口的主食 1。隨著人口的不斷增長(zhǎng)及可利用耕地面積逐年減少，糧食需求問(wèn)題日益嚴(yán)峻，提高水稻產(chǎn)量顯得尤為重要，其中提高秧苗的質(zhì)量是增加稻谷產(chǎn)量的重要途徑之一 。秧苗素質(zhì)與生育進(jìn)程及其最終產(chǎn)量息息相關(guān)，提高秧苗素質(zhì) 、增強(qiáng)抗性，進(jìn)而促進(jìn)插秧后能夠早生快發(fā)，成為水稻產(chǎn)量提高的重要舉措 2。近年來(lái)，極端氣候頻發(fā)，傳統(tǒng)溫室大棚抵御能力較差，直接危及水稻生產(chǎn) 3。哈爾濱市呼蘭區(qū) 2012 2014年采用人工方式對(duì)光 、溫 、水 、氣 、肥等作物生長(zhǎng)要素實(shí)施調(diào)控，因環(huán)境精度與及時(shí)性受到人為因素干擾，出現(xiàn)大面積不出苗 、爛秧 、死苗和稻苗長(zhǎng)勢(shì)弱的現(xiàn)象 4。2016 年，重慶市受 4 月份陰雨寡照天氣影響，秧苗長(zhǎng)勢(shì)較緩，單株分蘗比 2015 年少 1 2 個(gè)，移栽進(jìn)度較 2015 年慢 3 個(gè)百分點(diǎn) 5。為解決此類(lèi)問(wèn)題，前人做過(guò)大量的研究 。對(duì)于光照不足的問(wèn)題，林超輝等 6采用補(bǔ)光的方法，研究設(shè)計(jì)了太陽(yáng)光與人工光相結(jié)合的育秧大棚;為解決占地面積問(wèn)題，郭占斌等 7采用多層立體大棚旋轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)架， 研制出立體式工廠(chǎng)化收稿日期: 2016 10 26基金項(xiàng)目: 哈爾濱市科技局項(xiàng)目( 2014DB6AN026);東北農(nóng)業(yè)大學(xué) “青年才俊 ”項(xiàng)目( 518020);黑龍江省博士后基金項(xiàng)目( LBH Z13022);黑龍江省普通高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目( LR 356214)作者簡(jiǎn)介: 劉宏新( 1971 )，男，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，( E mail) Lcc98 neau edu cn。通訊作者: 權(quán)龍哲( 1980 )，男，黑龍江寧安人，副教授，碩士生導(dǎo)師，( E mail) quanlongzhe 163 com。育秧大棚;為獲取棚室內(nèi)較高精度的環(huán)境參數(shù)，郭有強(qiáng)等 8采用帶解耦模糊控制算法，研制出具有高精度環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)的水稻育秧大棚 。秦雯等 9設(shè)計(jì)了一套環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)控的智能化大棚育秧系統(tǒng) 。上述方法能夠解決水稻育秧過(guò)程中單一因素引起的問(wèn)題，卻難以保證光照 、溫度 、濕度 、通風(fēng) 、營(yíng)養(yǎng)液供給等因素之間的相互影響及參數(shù)精度 。植物工廠(chǎng)相關(guān)技術(shù)不僅提供高精度環(huán)境參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化及智能化控制 。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者在植物工廠(chǎng)技術(shù)上進(jìn)行了大量的研究，國(guó)外植物工廠(chǎng)技術(shù)已經(jīng)處于成熟階段，而我國(guó)尚處于初級(jí)階段，基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧研究水平一直落后于其在生產(chǎn)上的利用程度，這種理論研究滯后于生產(chǎn)實(shí)踐的局面勢(shì)必影響其在實(shí)際應(yīng)用中的進(jìn)一步大規(guī)模利用 。研究基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧，不僅對(duì)水稻產(chǎn)量的提高具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)將為研究禾谷類(lèi)作物育秧提供理論借鑒 。因此，開(kāi)展基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧的研究和探討具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義 。1 植物工廠(chǎng)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀植物工廠(chǎng)的概念最早是由日本提出來(lái)的 。植物工廠(chǎng)是通過(guò)設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育的溫度 、濕度 、光照 、CO2濃度及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn) 。植物工廠(chǎng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是現(xiàn)代生物技術(shù) 、建筑工程 、環(huán)境控制 、機(jī)械傳動(dòng) 、材料科學(xué) 、·752·2018 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2018.01.048設(shè)施園藝和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科集創(chuàng)新 、知識(shí)與技術(shù)高度密集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 10 13。1949 年，美國(guó)的植物學(xué)家和園藝學(xué)家在加州帕薩迪納建立了第一座人工氣候室 14，它的出現(xiàn)是植物工廠(chǎng)的早期模型，為植物工廠(chǎng)完善和發(fā)展做了成功探索和實(shí)踐 。在 “人工氣候室 ”的基礎(chǔ)上， 1957 年丹麥在哥本哈根市郊約克里斯頓農(nóng)場(chǎng)建起了世界上第一座真正意義上的植物工廠(chǎng)，該植物工廠(chǎng)屬于人工光與太陽(yáng)光并用型; 1964 年， 是 “活化地域的起爆劑 ”，為地域生產(chǎn)發(fā)展 、技術(shù)聚集 、人員就業(yè) 、生態(tài)環(huán)境 、經(jīng)濟(jì)繁榮帶來(lái)變化;是 “中間產(chǎn)業(yè) ”，不僅能帶動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展，還帶動(dòng)工業(yè) 、健康產(chǎn)業(yè) 、信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 。大阪府立大學(xué)的植物工廠(chǎng)被認(rèn)為是目前世界上最先進(jìn)的完全人工光控制型植物工廠(chǎng)，是最新型植物生產(chǎn)的樣板，也是全球研究和培訓(xùn)中心;是世界上首例用機(jī)器人選苗技術(shù)，首次導(dǎo)入自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人以及自動(dòng)搬運(yùn)線(xiàn)，從育苗到栽培工程全部使用 LED 光源;具有最適配的空調(diào)系統(tǒng)，解決了光源產(chǎn)生熱而造成周?chē)h(huán)境溫度差的問(wèn)題 。日本千葉大學(xué)未來(lái)( Mirai)植物工廠(chǎng)主要栽培生菜及苦苣等15 種以上的蔬菜，在無(wú)土栽培方面具有 30 年多的經(jīng)驗(yàn) 。千葉大學(xué)原校長(zhǎng)古在豐樹(shù)教授，是日本乃至世界植物工廠(chǎng)技術(shù)裝備及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的奠基人和倡導(dǎo)者，以他為代表的 NPO 植物工廠(chǎng)研究會(huì)，一直在積極促進(jìn)植物工廠(chǎng)的發(fā)展和技術(shù)的升級(jí) 。1987 1989 年，美國(guó)在亞利桑那州圖森市北部的愛(ài)德華建起了目前全球最大的超大型植物工廠(chǎng) 生物圈二號(hào)，為后來(lái)研究地球系統(tǒng)科學(xué)與農(nóng)業(yè)的人提供了一個(gè)非常好的學(xué)習(xí)樣板 16。1998 年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)生態(tài)學(xué)家迪克森 ·德斯波米爾( Dickson De spom-mier)首次提出 “垂直農(nóng)場(chǎng) ”這一概念，成為植物工廠(chǎng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì) 。美國(guó)垂直空中植物工廠(chǎng) 、太空植物工廠(chǎng)已開(kāi)始由設(shè)計(jì)圖向現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)變 。荷蘭農(nóng)業(yè)資源有限，政府把植物工廠(chǎng)作為發(fā)展目標(biāo)之一 。其利用植物工廠(chǎng)主要發(fā)展蔬菜和花卉，對(duì)建造植物工廠(chǎng)的企業(yè)實(shí)行補(bǔ)貼，從而使荷蘭成為世界上設(shè)施園藝產(chǎn)品出口量最大的國(guó)家 17。植物工廠(chǎng)機(jī)械化 、自動(dòng)化 、智能化 、無(wú)人化程度高，太陽(yáng)光型植物工廠(chǎng)技術(shù)全球領(lǐng)先，現(xiàn)已把太陽(yáng)光型植物工廠(chǎng)全套技術(shù)和設(shè)備作為強(qiáng)項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，向中東 、非洲 、中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)出口 。國(guó)外植物工廠(chǎng)如圖 1 所示 。我國(guó)從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始植物工廠(chǎng)技術(shù)的研發(fā)工作， 2004 年浙江麗水農(nóng)科院與國(guó)防科技大學(xué)合作成功建成我國(guó)第一座植物工廠(chǎng)， 2005 年研制出 LED 植物工廠(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 2009 年建成首例智能型植物工廠(chǎng)， 2010年上海世博會(huì)首次展出家庭 LED 植物工廠(chǎng)， 2013 年國(guó)家正式將 “智能化植物工廠(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)研究 ”項(xiàng)目列入“863”計(jì)劃 18。植物工廠(chǎng)生產(chǎn)模式不受氣候影響，具備生長(zhǎng)周期固定 、品質(zhì)穩(wěn)定，農(nóng)作物產(chǎn)量穩(wěn)定等特點(diǎn) 。然而，目前全球正在經(jīng)營(yíng)中的植物工廠(chǎng)，真正能夠獲利的比例并不高 。日本具有世界上先進(jìn)的植物工廠(chǎng)技術(shù)，真正獲利的僅占 20%、損益兩平的約占 60%，其余 20% 仍面臨相當(dāng)大的虧損 13，而荷蘭的狀況也相近 。2015 年，美國(guó)谷歌母公司 Alphabet 放棄了 X 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自動(dòng)化垂直農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目，他們使用一些技術(shù)只種出了一些蔬菜，最終卻沒(méi)能成功種出谷物和大米等主要糧食作物，所以不得不放棄這個(gè)項(xiàng)目 。之所以如此，其原因在于目前經(jīng)營(yíng)植物工廠(chǎng)的業(yè)者，在關(guān)鍵技術(shù)的掌握上并不全面 19。因此，開(kāi)展基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的糧食作物的研究和探討具有十分重要的理論價(jià)值 。中國(guó)植物工廠(chǎng)如圖 2 所示 。·852·2018 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期( a) 大阪府立大學(xué)植物工廠(chǎng) ( b) 生物圈二號(hào)( c) 紐瓦克市垂直農(nóng)場(chǎng) ( d) 荷蘭植物工廠(chǎng)圖 1 國(guó)外植物工廠(chǎng)Fig1 The foreign plant factory( a) 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 ( b) “十二五 ”科技創(chuàng)新成就展( c) 國(guó)內(nèi)首例智能型 ( d) 浙江大學(xué)圖 2 中國(guó)植物工廠(chǎng)Fig2 Chinese plant factory2 水稻育秧現(xiàn)狀隨著農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的發(fā)展，水稻育秧設(shè)施不斷改善，水稻育秧從單層平面 、立體育秧架 、人工光與太陽(yáng)光結(jié)合型立體育秧架育秧，發(fā)展到多功能立體旋轉(zhuǎn)育秧機(jī) 、MC 自動(dòng)化育秧苗床進(jìn)行育秧;解決了占地面積大 、光照不均 、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題 。上述的育秧方式(見(jiàn)圖 3)能夠育出高質(zhì)量秧苗，但受氣候 、環(huán)境 、結(jié)構(gòu) 、材料 、勞動(dòng)力等因素的影響，仍存在以下不足之處 20:近年來(lái)極端氣候頻發(fā)，傳統(tǒng)溫室大棚抵御能力較差，寒潮突降可在一夜間凍死 、凍傷大量秧苗;同樣，驟然高溫會(huì)導(dǎo)致燒苗，直接危及水稻生產(chǎn) 3。傳統(tǒng)溫室大棚的光照主要依靠太陽(yáng)光，連續(xù)的陰 、雨 、雪 、霧霾，易導(dǎo)致秧苗出現(xiàn)打蔫 、發(fā)黃 、生長(zhǎng)期延長(zhǎng)等諸多“乏光 ”癥狀，降低秧苗品質(zhì)，延誤最佳插秧時(shí)機(jī);人工光與太陽(yáng)光相結(jié)合型育秧模式，由于光照的變化無(wú)常，影響植物光照周期，降低秧苗品質(zhì) 5。傳統(tǒng)溫室育秧多采用人工方式對(duì)光 、溫 、水 、氣 、肥等作物生長(zhǎng)要素實(shí)施調(diào)控，環(huán)境精度與及時(shí)性經(jīng)常受到人為因素干擾;不能準(zhǔn)確獲得土壤含水率及澆水量，而出現(xiàn)·952·2018 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期徒長(zhǎng) 、卷葉等現(xiàn)象 21。受到傳統(tǒng)溫室大棚的塑料材質(zhì)及拱形結(jié)構(gòu)的影響，溫室內(nèi)部各點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)差異較大，導(dǎo)致同一溫室培育出的秧苗良莠不齊，為后續(xù)機(jī)械栽插及田間管理帶來(lái)了不便 。( a) MC 自動(dòng)化育秧苗床 ( b) 多功能立體旋轉(zhuǎn)育秧機(jī)( c) 地面 ( d) 立體育秧架圖 3 常見(jiàn)的水稻育秧方式Fig3 Common rice seedling patterns由于傳統(tǒng)育秧模式自動(dòng)化程度較低 、環(huán)境參數(shù)精度低 、占地面積大，導(dǎo)致秧苗出苗率低 、死苗 、發(fā)黃 、徒長(zhǎng) 、打蔫 、參差不齊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響秧苗的質(zhì)量及后續(xù)插秧，危及水稻產(chǎn)量，如圖 4 所示 。為此，應(yīng)尋求一種新的育秧模式，解決傳統(tǒng)模式存在的問(wèn)題 。( a) 出苗率低 ( b) 參差不齊 ( c) 發(fā)黃( d) 徒長(zhǎng) ( e) 打蔫 ( f) 死苗圖 4 水稻秧苗病態(tài)圖Fig4 Rice seedling pathosis chart·062·2018 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期3 基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧核心技術(shù)31 技術(shù)體系核心技術(shù)模塊圖如圖 5 所示 。圖 5 核心技術(shù)模塊圖Fig 5 Core technology module chart不同作物生長(zhǎng)所需要的光照 、溫度 、濕度和營(yíng)養(yǎng)液不盡相同，同種作物在不同時(shí)期不同環(huán)境下的生長(zhǎng)需求也不相同 。目前，僅有部分作物具有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)指標(biāo)，還存在很多作物在實(shí)際生產(chǎn)中缺乏生產(chǎn)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持 。這一問(wèn)題會(huì)使未開(kāi)發(fā)作物在植物工廠(chǎng)中的生長(zhǎng)效果不佳，生產(chǎn)效率低下 。國(guó)內(nèi)外利用植物工廠(chǎng)培育果蔬的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，培育果蔬所需的最優(yōu)環(huán)境指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，而水稻秧苗在不同生長(zhǎng)階段對(duì)光 、溫 、水 、氣 、肥的需求差異較大;果蔬由種子到餐桌的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程都在密閉環(huán)境中進(jìn)行，而秧苗在成苗后要與外界環(huán)境相適應(yīng)，為移植大田做準(zhǔn)備;培育果蔬主要關(guān)注其營(yíng)養(yǎng)成分及商品性，而培育秧苗主要關(guān)注其生理結(jié)構(gòu)(盤(pán)根質(zhì)量 、莖葉韌性 、稻秧結(jié)構(gòu)等)及環(huán)境適應(yīng)能力 2;培育果蔬多以水培和滴管技術(shù)為主 22 23，而育秧則以浸潤(rùn)式技術(shù)為主 。因此，采用植物工廠(chǎng)技術(shù)培育水稻秧苗，不能完全借用培育果蔬類(lèi)的培育系統(tǒng)，為培育出經(jīng)濟(jì) 、高質(zhì)量的水稻秧苗，需要根據(jù)水稻秧苗的生長(zhǎng)習(xí)性，解決人工光源 、溫濕度調(diào)控 、育秧工藝及秧苗馴化及自動(dòng)化育秧設(shè)備等問(wèn)題 。32 人工光源光作為一種環(huán)境信號(hào)，參與調(diào)控植物從基因表達(dá)的分子水平到器官建成，從種子萌芽 、幼苗生長(zhǎng)到植物生殖 、衰老和休眠的各個(gè)階段，使植物獲得最大的生存和繁衍優(yōu)勢(shì) 24。在水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，當(dāng)土壤肥力已知，秧苗素質(zhì)和溫度條件較穩(wěn)定的情況下，影響水稻干物質(zhì)積累的最重要因子就是光照條件 25。植物生長(zhǎng)燈的研究已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展 。其中， LED 發(fā)光二極管在農(nóng)業(yè)工程上取得了良好的效果 。LED 允許控制光譜成分和光照強(qiáng)度，為植物提供更好的生長(zhǎng)，由于輻射產(chǎn)生熱量低，可以放置接近植物的位置，即使在高光照強(qiáng)度下也可以發(fā)射高光通量 26;同時(shí)，可以很容易地集成到數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的照明計(jì)劃，如光在植物生長(zhǎng)和生理(開(kāi)花和光合效率)的過(guò)程中控制強(qiáng)度或光譜組成，使用發(fā)光二極管作為光源，還可以?xún)?yōu)化各種植物不同的生理過(guò)程的光譜質(zhì)量 。光環(huán)境分為 3 個(gè)部分:光照度(光量) 、光質(zhì)(光譜分布)和光周期(明暗時(shí)間) 。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)蔬菜所需光環(huán)境做了大量的研究，研究發(fā)現(xiàn):調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度可以影響幼苗的芽 、根鮮重和生長(zhǎng)狀況;光質(zhì)影響幼苗光形態(tài)的建成 、葉綠素的合成及碳氮代謝及品質(zhì) 27 28;不同植物有不同的光周期，光照時(shí)間影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，調(diào)節(jié)光周期，能夠更好地調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng): 29。蔬菜所需光環(huán)境的研究為水稻育秧所需光環(huán)境的研究提供理論依據(jù)，但不能直接將其應(yīng)用到水稻育秧過(guò)程中，對(duì)水稻育秧所需光環(huán)境的研究尚處于初級(jí)階段，應(yīng)根據(jù)水稻秧苗的生長(zhǎng)習(xí)性確定不同階段光照度(光量) 、光質(zhì)(光譜分布)和光周期(明暗時(shí)間) 。33 溫濕度調(diào)控光周期現(xiàn)象中，光照是主導(dǎo)因素，但其他外界條件也有一定的作用，影響植物對(duì)光照的反應(yīng)，其中溫濕度的影響最為顯著 。溫度不僅影響光周期通過(guò)的時(shí)間，且可以改變植物對(duì)日照的要求 17。作物主莖葉片數(shù)主要受溫度和日長(zhǎng)影響，溫度是葉片生長(zhǎng)速率主要影響因素 30，空氣的相對(duì)濕度是決定水勢(shì)的重要因素 。溫濕度也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要生態(tài)因子，水稻幼苗生長(zhǎng)狀況受環(huán)境溫濕度的影響較大，這種影響是綜合性的，既對(duì)外部形態(tài) 、干物質(zhì)增長(zhǎng)，也對(duì)體內(nèi)化學(xué)成分 、酶活性變化等產(chǎn)生效應(yīng) 11。受棚室結(jié)構(gòu)及外界氣候的影響，室內(nèi)不同位置點(diǎn)溫濕度存在著一定的差異，室內(nèi)溫濕度不均衡導(dǎo)致秧苗參差不齊，影響秧苗質(zhì)量 。而植物工廠(chǎng)相關(guān)技術(shù)不受外界環(huán)境的影響，可達(dá)到根據(jù)不同時(shí)期需求調(diào)節(jié)所需溫濕度參數(shù)的要求 。目前，雖然植物工廠(chǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的環(huán)境參數(shù)控制，但確定不同時(shí)期的溫濕度值是培育高質(zhì)量水稻秧苗的難點(diǎn)也是關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié) 。34 育秧工藝及秧苗馴化水稻秧苗素質(zhì)對(duì)其大田期生長(zhǎng) 、分蘗 、拔節(jié) 、孕穗 、抽穗及產(chǎn)量有著重要的影響 。雖然在育秧所需人工光源 、溫度 、水分 、CO2濃度，以及土壤中氮 、磷 、鉀元·162·2018 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期素等方面對(duì)水稻秧苗基本指標(biāo) 、形態(tài)指標(biāo) 、生理指標(biāo) 、應(yīng)用指標(biāo)方面的影響進(jìn)行了單因素的研究，但通常只注重測(cè)定某一方面的變化，對(duì)秧苗素質(zhì)的評(píng)價(jià)可比性有待于進(jìn)一步研究 。目前，科研人員有針對(duì)性地制定了一些水稻育秧工藝流程，但不同品種的育秧工藝有所不同，同一品種不同生長(zhǎng)階段，育秧工藝也存在著一定的差異 。水稻秧苗在移植大田之前，如果不提前適應(yīng)外界自然環(huán)境，可能會(huì)導(dǎo)致 “水土不服 ”，出現(xiàn)發(fā)黃 、打蔫 、死苗等不良狀況 。因此，借助植物工廠(chǎng)的高精度環(huán)境控制系統(tǒng)，能夠避免環(huán)境調(diào)控精度與人為因素(經(jīng)驗(yàn)不足 、失察 、疲勞等)干擾，進(jìn)而確定不同品種及同一品種在不同生長(zhǎng)階段秧苗對(duì)光(包括光譜 、光強(qiáng) 、光照時(shí)間) 、溫(調(diào)控范圍 、變化規(guī)律) 、水(空氣濕度 、土壤水分) 、氣(氣體構(gòu)成 、氣流循環(huán)) 、肥(土肥 、水肥 、氣肥)的最佳需求 。進(jìn)而確定基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧工藝及秧苗馴化機(jī)制，為今后實(shí)際生產(chǎn)中培育高質(zhì)量秧苗提供理論依據(jù) 。35 自動(dòng)化育秧設(shè)備隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，自動(dòng)化成套育秧設(shè)備(包括土壤處理設(shè)備 、種子處理設(shè)備 、育秧盤(pán)播種聯(lián)合作業(yè)設(shè)備 、物料運(yùn)送設(shè)備)得到了極大改善 。采用植物工廠(chǎng)技術(shù)培育水稻秧苗，節(jié)省了空間，節(jié)約了土資源，卻給噴灑農(nóng)藥 、上下搬運(yùn)秧盤(pán) 、查看秧苗生長(zhǎng)狀況等帶來(lái)不便，不僅需要輔助工具，還需要大量的勞動(dòng)力 。為了解決上述問(wèn)題，權(quán)龍哲 31等研制了一種具有 3 自由度搬運(yùn)機(jī)械手臂及 4 自由度噴灑機(jī)械手的多功能機(jī)器人，并借助視覺(jué)系統(tǒng)獲得的秧苗生長(zhǎng)狀態(tài)信息;楊友文等 32利用鏈輪鏈條等電控系統(tǒng)研制出 “W”型立體循環(huán)培育苗床，減少大量勞動(dòng)力，提高了資源利用率 。M TOKIMASA 等 33研究了可以實(shí)現(xiàn)栽培架 、栽培單元自動(dòng)調(diào)整 、移動(dòng)的植物工廠(chǎng)省力搬運(yùn)系統(tǒng) 。從國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化育秧設(shè)備的研究來(lái)看，設(shè)備種類(lèi)多，不同育秧階段所需設(shè)備齊全，而立體化育秧設(shè)備目前的研究尚處于起步階段，研發(fā)的設(shè)備型號(hào)較少，僅少數(shù)應(yīng)用到實(shí)際育秧過(guò)程中，智能化程度有待提高 。綜上所述，培育果蔬的植物工廠(chǎng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在此基礎(chǔ)上將植物工廠(chǎng)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到水稻育秧中，根據(jù)水稻育秧的需求制定相應(yīng)系統(tǒng)，不僅能確定水稻育秧工藝，為以后的育秧提供參考，還能解決因外部環(huán)境變化引起的秧苗參差不齊，以及節(jié)約土地資源和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等問(wèn)題 。4 結(jié)論與展望1)目前，傳統(tǒng)水稻育秧存在的出苗率低 、發(fā)黃 、死苗 、打蔫 、徒長(zhǎng) 、參差不齊等問(wèn)題僅通過(guò)增加基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難以從根本上解決，應(yīng)加強(qiáng)基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧模式的相關(guān)研究，為培育壯苗 、提高產(chǎn)量奠定基礎(chǔ) 。2)借助植物工廠(chǎng)相關(guān)技術(shù)，開(kāi)展水稻育秧所需環(huán)境參數(shù)的研究，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)制定適用于基于植物工廠(chǎng)技術(shù)的水稻育秧的環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定環(huán)境參數(shù)的最優(yōu)組合，制定相關(guān)工藝流程，為培育壯苗提供理論依據(jù) 。3)在農(nóng)業(yè)全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的強(qiáng)大需求下，迫切需要提高自動(dòng)化育秧設(shè)備的智能性，借助視覺(jué)系統(tǒng)獲得的秧苗生長(zhǎng)狀態(tài)信息，基于多維傳感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建基于秧苗發(fā)育狀態(tài)的育秧環(huán)境自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng) 。然而，目前植物工廠(chǎng)技術(shù)應(yīng)用于水稻育秧過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有得到充分的體現(xiàn)，今后仍需要做更多的研究 。參考文獻(xiàn): 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，陳野 北方春季苗木的管理 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2015( 5): 91 4 王春，王志學(xué) 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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 parameters·362·2018 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期