水稻厂立体地毯式育苗系统工程

© 2014年。出版社：Elsevier B.V.信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 8（2014）93 - 1002014年农业与生物系统工程水稻厂立体地毯式育苗系统工程牛国玲a，b，王桂莲a，b， *，李彪b，宋晨南b，肖薇薇b，Haibo Zhoua，ba黑龙江八一农垦大学农业机械工程重点实验室，大庆，163319b佳木斯大学机械工程学院，中国摘要工厂化育苗是一种规模化集中育苗方法，常用于水稻、蔬菜、花卉等育苗。本文介绍了工厂化育苗技术及其应用。我国已投入使用的育苗模式有三种，分别是小型育苗大棚、智能育苗大棚和工厂化育苗。其缺点是，属于盘育育苗模式，需要大面积、大盘，劳动强度大。为了减少育秧面积，提高育秧机械化水平，提出了一种由温室、秧架、毯式播种机等组成的水稻工厂化立体育秧系统，并提出了一种新型的毯式育秧，可生产出至少两倍于秧盘宽度的长秧毯。设计了一种地毯式播种机，将营养带平铺在苗架上，将种子和表土放在营养带上。工厂化立体地毯式育苗系统集多层次、地毯式育苗、智能控制技术于一体，为今后苗木产业化发展提供了技术支撑。版权所有© 2014作者.出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：农业工程;工厂化育苗;设计;立体;地毯式育苗* 通讯作者。联系电话：电话：0454 -861-8673传真：0454 -861-8670电子邮箱：wangguilian@gmail.com。2212-6678 © 2014作者出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审94Guoling Niu等/ IERI Procedia 8（2014）931. 介绍水稻是我国种植面积最大、产量最高的粮食作物之一，我国是世界上水稻种植面积最大的国家，种植水稻对保障国家安全和社会稳定具有重要意义[1]。目前，我国水稻种植面积近五亿亩，多采用育秧移栽的模式。播种是水稻种植的关键环节，其机械化水平直接影响水稻的生产能力。目前我国育苗机械化水平还较低，仅为10%左右，且存在劳动强度大、播种不均匀、秧苗质量不高、生产率低、托盘使用量大等弊端[2]。因此，要提高水稻综合生产能力，促进育秧产业化快速发展，实现育秧机械化势在必行[3]。工厂化育苗是一种机械化与自动化相结合的育苗方法。工厂化育苗具有科学处理种子、播种覆土均匀、自动洒水、温度适宜、生长均匀、苗木质量高等优点。工厂化育苗还可以有效减少低温、多雨等不利天气条件对苗木的影响[4]。因此，它被广泛应用于水稻、蔬菜和花卉的育苗[5]。由于工厂化育苗具有节水、省工、低成本的特点[6]，是水稻种植机械化的重要途径[7]，特别是发展立体地毯式育苗。2. 发展形势分析蔬菜和水稻的工厂化育苗技术在很大程度上是相似的。工厂化育苗技术在一些发达国家研究较早，应用范围较广。早在20世纪50年代初，美国、法国、荷兰、澳大利亚和日本就已经开展了蔬菜工厂化育苗。到20世纪60年代已形成一定规模，荷兰现代育苗技术以规模化、专业化为特点，用于生产蔬菜种苗，是欧洲的典型代表。在美国，芹菜、鲜番茄和90%的青椒都采用托盘育苗模式，一些大型种苗公司，年产移栽量超过10亿株，主要有Speedling（图1），移植和绿色心脏农场。韩国于1992年引进工厂化育苗技术，设计了两种标准化结构的温室。蔬菜工厂化育苗率达80%以上[8]。图1. Speedling Inc.另一方面，随着人口的成倍增长和城市化程度的不断提高，全球粮食供应的日益减少，为了扩大绿色空间，探索节约型农业种植模式，许多国家都计划在城市中心建设垂直农场。例如，葡萄牙工作室DATA和MOOV为达拉斯市中心设计了一个住房和商业综合体项目，Guoling Niu等/ IERI Procedia 8（2014）93952010年5月（图2）[9]金字塔农场是埃里克·埃林森和迪克森·德斯波默特教授设想的另一个令人难以置信的农业未来概念（图3），金字塔农场的设计是基于人们越来越相信垂直农业将很快成为世界各地城市的必要生命线，金字塔农场以一个完整的自给自足的生态系统的形式提供了一个解决方案，涵盖了从食品生产到废物管理的一切。图二.达拉斯垂直农场图三.金字塔农场以托盘育苗技术为基础的工厂化育苗是上世纪80年代传入我国的。现有的育苗模式主要有小型育苗大棚、智能育苗大棚和工厂化育苗。小型建筑温室占地面积大，苗期后被拆除，无法再利用，资源消耗大。智能育苗大棚，实现温度、水分、光照、湿度的控制。对于育苗工厂，主要采用集约化管理方式，苗木发芽生长需水，肥料、温度自动控制。如黑龙江北大荒股份有限公司新华分公司。建立了旋转支架立体育苗工厂（图4），只有700平方米，有864个支架。这些托架每半小时均匀工作一个周期，一次可生产6,000多盘苗。见图4。旋转式苗木厂96Guoling Niu等/ IERI Procedia 8（2014）933. 系统设计3.1. 结构工厂化立体育苗系统主要包括现代化温室覆盖保温材料、苗架、地毯式播种、温控系统、自然通风降温系统、湿帘风机系统、喷淋系统、监控系统、补光系统、智能控制系统和液压升降平台等，温室内还按照平面布局划分了作业区域，育苗区、催芽区、仓库、控制室等（图5）。育苗区采用单元制管理，可分为几十个区域，每个区域自下而上分为七层，从左到右多列，每列又分为多个单元，每个单元用四个不同的数字组合可以相互区分，例如，一个数字，2-1-5-8，为第二区第一层第五列的第八单元，如图6所示。操作区朝向温室门口设有两条直线轨道，液压升降平台可在直线轨道内前后移动，输送种子、表土、苗毯等物料。图五.温室平面布置大部分温室只能放一层苗，土地利用率较低。如果幼苗托盘重叠，则没有足够的光线供幼苗吸收[11]。为此，设计了悬挑梁式立体育苗架，悬挑梁落在每一个育苗单元上。在悬臂梁的外端有一个特殊的轨道，地毯式播种机可以在两个轨道上平稳运行进行播种（图6）。每层苗架均设有喷淋系统、监控系统和辅助照明系统，保证了植物的生长。见图6。苗架结构Guoling Niu等/ IERI Procedia 8（2014）93973.2. 地毯育苗在现有的育苗模式中，大量使用育苗盘，主要有硬塑料盘和软塑料盘。硬托盘价格昂贵（价格为2.5- 3.0美元），而且很少使用[12]。软托盘重量轻，但易破碎，回收率低。另外，托盘育苗还要消耗大量的营养土来填充托盘，造成环境和资源的严重退化。为此，提出了以营养带代替底土进行地毯式育苗的新方法。本发明的毯式育苗方法，可形成至少为育苗盘宽度三倍的长毯式育苗。地毯式播种机可将营养带平铺在苗架上，将种子和表土播种在营养带上。地毯式育苗是全机械化作业，不仅可以提高地毯式育苗全过程的育苗效率，而且节水、省力、成本低。见图7。营养带结构3.3. 营养贴无土栽培技术是设施园艺和工厂化农业的重要组成部分[13]。有利于机械化生产，秧苗整齐度好，壮苗率高[14]。基质育苗在苗木质量、机械可操作性、防治病虫害、提高产量、保护生态环境质量等方面具有明显优势[15]。营养带是一种无土地毯基质（图7）。[16]，它可以在水中膨胀，为种子的生长提供足够的空间，并且可以生物降解。降解产物可以为幼苗提供营养。同时，胶带具有良好的韧性，便于折叠或卷曲。98Guoling Niu等/ IERI Procedia 8（2014）933.4. 地毯式播种机现有的播种设备多采用盘苗方式，如半自动盘苗机组、高自动化精密播种流水线等。穴盘育苗机组主要包括播种机和覆土机，作业工序用不同的工具分开，劳动强度大，但这些工具操作简单，应用广泛。精密播种流水线一般包括供盘、放底土、镇压、洒水、精密播种、覆土等工序，可一次完成播种作业。该播种机具有省时省力、播种均匀性好、生产效率高等优点，但不适用于地毯式育苗机械化播种。设计了一种新型地毯式育苗播种机，包括行走轮、底盘、主输送带、胶带传动、振动排种系统、切割带装置、覆土装置、液压控制系统和机架等。集营养带平整、播种、覆土、切带于一体的精密播种装置.在苗架上可同时生产两种苗毯。振动排种系统由定量给料斗和电磁振动盘组成，定量给料斗的齿辊截面呈勺形，齿辊呈螺旋形，将精密种子从料斗中分离出来，抛入振动盘，直接播种在营养带上。振动板分为梯形筛板和V形槽板两级，分别实现筛除杂质和均匀排种[17]。设计了平带覆土装置，通过手动旋钮调节覆土量，使覆土厚度均匀，提高了机械播种质量和经济效益[18]。另外，采用电机和液压马达控制地毯式播种机，实现自动化播种。见图8。地毯式播种机结构Guoling Niu等/ IERI Procedia 8（2014）93994. 总结随着经济的发展和农业结构的调整，农村劳动力从农村向城市转移，人口老龄化趋势明显，工厂化育苗技术将成为推进我国栽培机械化进程，特别是水稻工厂化育苗发展的重要途径之一。针对我国耕地资源越来越少的现状，结合多层次、地毯式育苗和智能控制技术，设计了一种新型工厂化立体地毯式育苗系统，该方法采用地毯育苗代替盘育苗，营养带代替底土育苗，节约了生产成本，减少了土壤资源的消耗。采用多层育苗技术代替传统的地面单层育苗，提高了土地利用效率。全机械化作业降低了劳动强度，也为今后苗木产业化的快速发展奠定了坚实的基础。确认这项工作得到了国家高技术研究发展计划的资助（2012 AA 10A 501 -2-4）黑龙江省科技成果产业化前期研发培育项目（1253 CGZH 06），本科生创新创业培养计划（201310222011）、黑龙江八一农垦大学农业机械工程重点实验室开放课题（Hljbyndgc 2013006）、佳木斯大学教育科研课题（JKC2012 -008）和佳木斯大学科技创新团队建设项目（Cxtd-2013-01）。引用[1] 袁继昌，王春清。作物生产新理论与新技术。成都：四川大学出版社2001; 54-55.[2] 吕凯志，赵文兴，段HP。水稻不同育秧方式的比较研究。耕作和栽培2010; 6：24-26。[3] 李建芳，高志新，赵国辉.新型水稻育秧中心托机械试验与应用。农业机械2012; 5：68-70.[4] 郑永祥。工厂化育苗。水稻秧苗，插秧机械化学科2013; 1：47- 49.[5] 张拉。水稻简易育苗技术农业技术服务2012; 29（5）：533.[6] 尹世春，陈立杰.水稻机插盘育秧技术。四川农业科技2013; 4：22-23.[7] Zhang Q.水稻工厂育苗设备和育苗工厂。华夏星火2011; 11：38.[8] 有关信息，请访问http://www.zjagri.gov.cn/html/gjjl/knowledgeForumView/123452.html。[9] 有关信息，请访问http://www.designboom.com/architecture/atelier-data-moov-forwarding-dallas/。[10] 有关信息，请访问http://inhabitat.com/pyramid-farm-vertical-agriculture-for-2060/。[11] 金明，张伟英，吴春艳，袁志.水稻育苗厂设计。中国农业机械化2011; 5：68-70.[12] 马瑞荣，曲永国，王永鑫.水稻穴盘抛秧机械的农艺要求。华中农业大学学报2003; 22（1）：55-59.[13] 王小艳。新型无土栽培技术系列论坛之一无土栽培技术的现状与问题。农业工程技术（温室100Guoling Niu等/ IERI Procedia 8（2014）93Horticultore）2013; 4：50-51.[14] 高永荣，程英，王翔，梁英。我国花卉无土栽培及其研究现状。河北林业科学2012; 3[15] 高JC，蔡PY。一种新的水稻移栽基质。富农2013; 1：25.[16] 曲立军，牛广林，马春林，李宝斌，宋成宁。有机-无机复合材料育苗带，中国专利201320474348. 5，2014.[17] 周HB。水稻精密播种机盘育秧关键技术的研究与应用。吉林大学2009; 14.[18] 余总部。2BDS - 1800型水稻苗床播种套箱机技术研究农业科技与装备2010; 2：65-66.