實用主義指引的設施園藝工廠化

辜松 張躍峰 丁小明 劉珊

美國設施園藝產業(yè)以規(guī)模化、集約化、自動化著稱。2015年下半年，借與美國科研單位合作研究的機會，來自農業(yè)部規(guī)劃設計研究院設施農業(yè)研究所、華南農業(yè)大學以及來自國內設施園藝生產和裝備技術領域的專業(yè)人士一行9人（圖1），在美國保爾園藝公司王士英博士的幫助和帶領下，對美國中部4個知名園藝企業(yè)進行了技術考察。從保爾公司的種子技術研究中心，到綠色精神農場的蔬菜工廠，從宏大古樸的中美洲農場，到高度自動化的曼徹雷納花卉工廠，處處展示著以實用主義為導向的現代工業(yè)文明與農業(yè)產業(yè)化的完美結合，帶給我們震撼，更帶給我們思索。

四家企業(yè)簡述

綠色精神農場

（Green Spirit Farms）

這是一家在歐美有影響力的商業(yè)化植物工廠，曾應邀在倫敦奧運會期間進行植物工廠的應用展示。我們參觀的這個分部在密歇根州，距離芝加哥市1h車程，于2011年投入運行，規(guī)模不算大，擁有910m2的生產區(qū)，930m2的儲運區(qū)和100 m2的辦公區(qū)，利用垂直多層栽培床架，進行水培葉菜的生產。垂直立體栽培架（Vertical Growing Station，VGS）為主要設備，采用LED光源和傳統(tǒng)光源為植物提供光照。每個栽培架單元有4層栽培槽，共用一套營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。在這個植物工廠中，單個栽培架并不龐大，也不復雜，營養(yǎng)液甚至不用消毒，未配備昂貴的紫外線消毒設備。在嚴格的生產管理安排下，持續(xù)運行了4年時間，從未發(fā)生病菌感染的情況。植物工廠內生產羽衣甘藍、羅勒、散葉萵苣、球葉萵苣、菠菜、芝麻菜和小蘿卜等8種蔬菜，葉菜為主，但也有小型果菜。

植物工廠在土地利用率、空間利用率上的高效性在商業(yè)模式下得以體現。該工廠每平米可種植304棵葉菜，而地面同等面積僅可栽培7.75棵葉菜。各類蔬菜一年可產12～17茬之多，以羅勒為例，一年可產17茬，一個栽培架的產量可達到80磅/茬（約32.29 kg/茬），年產出量可達1360磅（約617 kg），單位面積年產量達17.12 kg/m2，以占地面積計，是同等面積地面栽培產量的15倍以上，在3.3 m2的種植盤上，21天可收獲生菜45 kg。同時，生產用水量大幅度降低，不到地栽耗水量的5%，是典型的資源節(jié)約型生產模式。

綠色精神農場讓筆者震驚的不止這些。這個成功運行的植物工廠，并沒有采用保溫密閉型建筑，而僅由一棟廢棄廠房改建而成，窗戶和門均全部保留。沒有采用空調降溫，即使在炎熱的夏季，充發(fā)發(fā)揮廠房屋面和墻體的隔熱能力，輔以通過廠房原有窗戶的強制通風，便達到了環(huán)境、產量、經濟性的平衡。這是產業(yè)的需求，不求環(huán)境最精準，但求實用和盈利能力。

該農場位于伊利諾伊州，是美國中西部最大的盆栽花種植企業(yè)，成立于20世紀70年代，擁有33 hm2各種類型生產溫室。種植區(qū)采用普通移動苗床，通道物流則采用全程軌道的方式。這種溫室輸送技術和相應的設備，是該公司在30年前就開始應用的。灌溉方式根據植物需求不同，分別采用空中自走式噴灌、苗床潮汐灌溉和地面潮汐灌溉。為充分利用溫室的栽培空間，大部分溫室設有懸吊式盆花栽培系統(tǒng)，人在地面遙控移動，定點噴灌，系統(tǒng)結構簡單。圖2為采用移動苗床培育與懸吊式盆栽培育的生產系統(tǒng)，溫室內下層為移動苗床，上層設有懸吊盆栽線。一條懸吊盆栽線可懸掛700盆盆栽花卉，Mid-American Growers的溫室共有30條懸吊盆栽線，總計可掛盆栽15000盆，用于生產周期短的小型盆栽，如一年按8茬計，增收效益相當可觀。圖3為該農場生產中采用的主要設備，基質處理設備主要有基質破碎機和基質配比混合生產線（圖3a）、穴盤與花盆基質填充機（圖3b），由于種植面積大，中美洲農場根據自身的栽培需要進行基質的配比、添加、混合和攪拌；在種苗移植作業(yè)環(huán)節(jié)中，根據種苗的大小分別依靠種苗移植機和人工移植（圖3c和3d）。在生產資料物流輸送方面，農場投入了大量資金，配置了移動苗床物流輸送系統(tǒng)和懸吊盆栽輸送系統(tǒng)，大大降低了勞動強度，提高了勞動生產率。圖4a左側為苗床縱向軌道，右側為培育區(qū)，苗床放置在橫向軌道上；圖4系列展示了溫室內物流輸送的主要環(huán)節(jié)，其中，4b、c為苗床在作業(yè)車間與溫室培育區(qū)之間的通道，為不影響人員和其他車輛通行，苗床通道設置于地下通過；另外對于穴盤苗生產，不需利用大量苗床進行搬運的情況下（或是車間內部苗床通道無空位情況），穴盤可通過空中穴盤輸送帶（圖4d）在溫室培養(yǎng)區(qū)與作業(yè)車間之間輸送，但需人工將穴盤搬入或搬出苗床。

中美洲農場經過20多年的擴建，達到現在的規(guī)模。置身其中，能深深感受到其不斷創(chuàng)新、追求實用、循序漸進的發(fā)展過程。溫室依地勢逐步擴展，每擴展一處，便和原有溫室形成密切關聯(lián)，空間聯(lián)通，生產統(tǒng)籌。當溫室擴展后造成空間過大，通風和降溫超過濕簾風機有效長度時，便創(chuàng)造性地在屋面增設濕簾窗。該農場首批溫室建設時，智能物流栽培系統(tǒng)的技術體系尚不成熟，因此采用了主通道配置自動軌道、栽培區(qū)依靠人工推動的辦法，同樣實現了效率的提高。鑒于自身基質配方獨特且需求量大的特點，農場購買原料自配基質，但從基質配制車間到操作車間，再到種植栽培區(qū)域，全程采用機械化輸送手段?？梢哉f，在七八十年代的中美洲農場，便以工業(yè)的生產組織模式裝備溫室。

該公司位于北卡羅來納州，1972創(chuàng)辦，初期的溫室面積僅為5 hm2，發(fā)展至今，溫室面積達到65 hm2，且以全開屋面玻璃溫室為主。圖5展示了該溫室的全景。在《種植者論壇》雜志評選的2015年美國種植企業(yè)排名中，位列第七。公司致力于采用自動化生產技術，從種苗生產到成品生產，實現了全程自動化（圖6和7）。

曼徹雷納的生產方式主要是地面栽培、苗床栽培與懸吊栽培相結合，灌溉方式有多種。如圖6所示。懸吊盆栽采用定點噴水，地面栽培則根據品種與栽培階段的不同分別采用噴淋天車灌溉和地面潮汐灌溉。

該公司的超大苗床輸送系統(tǒng)頗為壯觀，苗床為鋁合金框架（圖7a），作為輸送工具運送盆栽花卉，花盆置于盤托內再放入苗床，苗床長度大于10 m，寬度在2 m左右，運送能力極強。在溫室兩端和中間設有縱向軌道（圖7b），沿軌道按一定長度設置有電機，通過電機驅動膠輪交替帶動苗床沿溫室跨度方向自動行進；苗床長度同溫室跨度一致，橫向進入每跨的移動采用行走在溫室立柱結構上的桁架天車（圖7c），桁架天車將苗床提起沿溫室開間方向橫向搬運，每跨內配備一臺桁架天車（圖7d），由于超大苗床負載大，且桁架天車的行走距離在500 m左右，采用電力作為驅動很困難，因此，每臺桁架天車以配置柴油發(fā)動機的方式作為動力。

在曼徹雷納的溫室中，工業(yè)文明與農業(yè)產業(yè)化的結合體現得淋漓盡致。無論是花卉產品和生產資料的輸送，都展示著工廠化生產的特征。大型輸送桁架天車、植保天車、移栽作業(yè)設備等眾多裝備集于一個大型溫室內，成為一套植物生產流水線。當然，可圈可點之處不僅這么多，增強抗風能力的側墻設置、生物質燃料加溫系統(tǒng)，不一而足，篇幅所限，無法一一分享。

保爾園藝公司成立于1905年，業(yè)務涉及觀賞植物的育種、生物技術、種子技術、種子生產、種子批發(fā)和零售、市場推廣、教育培訓、媒體出版等方面，在全球25個國家有獨資或合資公司，是當今世界觀賞園藝產業(yè)界最具影響力的公司之一。國內熟知的泛美種子公司，就是其旗下的花卉育種專業(yè)公司?！斗N植者論壇》雜志，也是由旗下的出版社出版發(fā)行。園藝生產權威指導用書—《保爾紅皮書》，已經出到第18版。由于時間所限，我們只參觀了位于西芝加哥市的集團總部、種子技術中心和種子包裝中心。

保爾公司對種子質量有著苛刻的要求，也有著完善的生產體系及相應的檢測設備（圖8和9）。在對種子進行包衣或丸?；庸ぬ幚砗?，還要進行二次分級篩選，剔除不合格的種子。入庫后的種子和加工處理過的種子，都要進行冷藏儲放，并定期進行芽率測試，保證種子的高品質。

在保爾公司，嚴謹的文化無處不在。數量繁多的商品種子整齊排列，標識一絲不茍。通過對每一個新品種特性的研究，包括對種子加工方式的研究比選，確定最佳的生產工藝，完整的種植指導規(guī)程，從而給用戶提供完善周到的服務?？梢哉f，這是一個以工業(yè)產品的嚴謹理念經營的優(yōu)秀園藝企業(yè)。

幾點思考

規(guī)?；蜕a集約化是設施園藝產業(yè)競爭力提升的重要保障

美國設施園藝企業(yè)以規(guī)模著稱，前文所述的中美洲農場、曼徹雷納花卉工廠，設施種植面積分別為33 hm2和65 hm2，產量分別為5000萬盆和1億盆。通過規(guī)模優(yōu)勢，取得產品綜合成本、營銷、定價、供應和服務能力等方面的綜合競爭優(yōu)勢，形成了較高的進入門檻，使優(yōu)勢得以持續(xù)保持。更為重要的是，以自動化裝備為支撐，以規(guī)?；癁榛A，這兩個企業(yè)均實現了高效流程化生產組織模式的應用，從而取得集約化帶來的效率提升、成本降低的優(yōu)勢。在我國，有些溫室生產基地的規(guī)模不算小，卻因經營管理、裝備技術等方面的原因，無法解決流程再造問題，從而無法實現真正的集約化，只能在現代化的廠房（溫室）里從事作坊式的生產。

溫室設施和生產裝備缺一不可

歐美溫室種植企業(yè)，無論規(guī)模大小，基質處理、播種、移栽、灌溉植保、商品化處理、物流輸送等必要裝備一應俱全。其目的不僅是解決勞動力替代問題，更是為了解決生產過程的組織化，從而挖掘最大的產能，提供均勻一致的植物商品?？梢哉f，溫室主體建筑和生產裝備，二者相輔相成，缺一不可。溫室主體建筑包括配置于其中的加溫、降溫等環(huán)境調節(jié)設備，如同一座現代化的工業(yè)廠房；生產裝備包括從種子或種苗、種球開始至產品包裝后發(fā)貨的全程設備，如同廠房里的生產流水線。廠房再好，沒有流水線的生產設備和生產安排，是無法取得工廠化的效益的。

設施和裝備要以實用和效益為導向

美國的園藝企業(yè)追求創(chuàng)新，緊跟現代科技的發(fā)展。但設施和裝備是為生產服務的，可以通過自身管理解決的問題，絕不過度建設，增加投資。綠色精神農場的植物工廠裝備水平并非一流，沒有采用密閉環(huán)境，也不配置空調降溫系統(tǒng)，更不要說安裝濕度調控設備。但他們有一套精細的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過窗戶和電扇的開啟，使環(huán)境條件達到植物正常生長的需求。同樣的道理，他們通過保持生長區(qū)域的清潔衛(wèi)生（包括環(huán)境隔離、工具消毒等）和營養(yǎng)液的定期更換，免去了物理和化學的殺蟲、殺菌環(huán)節(jié)。在中美洲農場同樣有此感受。潮汐灌溉可以提高品質、增加產量、降低生產成本，便安裝；塑料膜溫室雖然透光率較低，但植株的品質、產量仍然可以接受，便繼續(xù)使用。以實用和效益為導向的技術裝備的選擇應用，看似經營之道，實際上是產業(yè)健康發(fā)展的重要標志。

充分利用和挖掘生產空間

溫室是一個人工環(huán)境創(chuàng)建場所，溫室內適宜于植物生長的光溫濕環(huán)境都是付出了代價了，當然，溫室本身更是付出了建造代價。為此，出于提高回報率的目的，美國生產者對溫室內部空間的利用可謂吃干榨凈。從圖10可以看到，在曼徹雷納和中美洲農場的溫室里，只要有空間，就會有植物。通過一點點的挖掘，使生產利用面積提高10%左右。

美國溫室生產理念同樣源于歐洲，主要是荷蘭。但是美國和歐洲諸國體量差異大，發(fā)展需求差異也大。與歐洲相比，美國大型種植企業(yè)的溫室面積比較大。在2015年，美國溫室面積超過15 hm2的花卉企業(yè)有40家，其中最大的一家，有近200 hm2的溫室。因此，直接引進歐洲的設備，難以滿足美國生產者的需要，尤其是在大型化、個性化方面。一般都需要根據生產企業(yè)自身的條件和需求，對溫室或生產裝備提出具體的要求，開發(fā)和形成個性化的成套解決方案。這種路徑，在推動國內產業(yè)發(fā)展的過程中，是值得借鑒的。即使是以日光溫室和塑料大棚為主的設施種植，同樣需要生產組織化的系統(tǒng)解決方案和相應的機械化、自動化設備。如何快速形成這一能力，不僅需要我國設施園藝裝備從業(yè)者認真探討并付諸實施，也需要我們的生產企業(yè)全面提升專業(yè)技術水平。

*項目支持：國家科技支撐計劃課題“設施節(jié)能與綠色能源利用裝備研制與產業(yè)化示范”（2014BAD08B02）。