Tóm tắt

Hiện nay, nhà máy cây giống đã thành công trong việc nhân giống các loại cây rau như dưa chuột, cà chua, ớt, cà tím và dưa lưới, cung cấp cho nông dân các loại cây giống chất lượng cao theo lô, và năng suất sau khi trồng tốt hơn. Nhà máy cây giống đã trở thành một phương tiện quan trọng để cung cấp cây giống cho ngành rau, và đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc thúc đẩy cải cách cơ cấu phía cung của ngành rau, đảm bảo nguồn cung rau cho đô thị và sản xuất rau xanh.

Thiết kế hệ thống nhân giống cây con nhà máy trồng cây và các thiết bị kỹ thuật chính.

Là hệ thống sản xuất nông nghiệp hiệu quả nhất hiện nay, hệ thống nhân giống cây con trong nhà máy trồng cây tích hợp các phương tiện kỹ thuật toàn diện bao gồm chiếu sáng nhân tạo, cung cấp dung dịch dinh dưỡng, kiểm soát môi trường ba chiều, các hoạt động hỗ trợ tự động, quản lý sản xuất thông minh, v.v., và tích hợp công nghệ sinh học, công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo. Những thành tựu công nghệ cao này thúc đẩy sự phát triển liên tục của ngành. 

Hệ thống nguồn sáng nhân tạo LED

Việc xây dựng môi trường chiếu sáng nhân tạo là một trong những công nghệ cốt lõi của hệ thống nhân giống cây con trong các nhà máy trồng cây, đồng thời cũng là nguồn tiêu thụ năng lượng chính cho sản xuất cây con. Môi trường chiếu sáng của các nhà máy trồng cây có tính linh hoạt cao, có thể được điều chỉnh từ nhiều khía cạnh như chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và chu kỳ quang hợp, đồng thời, các yếu tố ánh sáng khác nhau có thể được tối ưu hóa và kết hợp theo trình tự thời gian để tạo thành công thức chiếu sáng cho việc nuôi trồng cây con, đảm bảo môi trường chiếu sáng phù hợp cho việc nhân giống cây con. Do đó, dựa trên đặc điểm nhu cầu ánh sáng và mục tiêu sản xuất của các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây con, bằng cách tối ưu hóa các thông số công thức chiếu sáng và chiến lược cung cấp ánh sáng, một nguồn sáng LED tiết kiệm năng lượng đặc biệt đã được phát triển, có thể cải thiện đáng kể hiệu quả chuyển đổi năng lượng ánh sáng của cây con, thúc đẩy sự tích lũy sinh khối cây con và nâng cao chất lượng sản xuất cây con, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí sản xuất. Ngoài ra, điều chỉnh môi trường ánh sáng cũng là một biện pháp kỹ thuật quan trọng trong quá trình thuần hóa cây con và điều chỉnh vết ghép.

Hệ thống ươm cây thẳng đứng nhiều lớp có thể tháo rời

Việc nhân giống cây con trong nhà máy trồng cây được thực hiện bằng cách sử dụng giá đỡ ba chiều nhiều tầng. Thông qua thiết kế hệ thống mô-đun, việc lắp ráp nhanh chóng hệ thống ươm cây con có thể được thực hiện. Khoảng cách giữa các giá đỡ có thể được điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng yêu cầu về không gian cho việc nhân giống các giống cây con khác nhau và cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng không gian. Ngoài ra, thiết kế riêng biệt của hệ thống luống gieo hạt, hệ thống chiếu sáng và hệ thống tưới nước và bón phân cho phép luống gieo hạt có cả chức năng vận chuyển, thuận tiện cho việc di chuyển đến các xưởng khác nhau như gieo hạt, nảy mầm và chăm sóc cây, đồng thời giảm thiểu nhân công trong việc xử lý khay cây con.

Hệ thống ươm cây thẳng đứng nhiều lớp có thể tháo rời 

Việc tưới nước và bón phân chủ yếu sử dụng phương pháp tưới theo dòng chảy, tưới phun và các phương pháp khác, thông qua việc kiểm soát chính xác thời gian và tần suất cung cấp dung dịch dinh dưỡng, để đạt được sự cung cấp đồng đều và sử dụng hiệu quả nước và khoáng chất. Kết hợp với công thức dung dịch dinh dưỡng chuyên dụng cho cây con, nó có thể đáp ứng nhu cầu sinh trưởng và phát triển của cây con và đảm bảo sự sinh trưởng nhanh chóng và khỏe mạnh. Ngoài ra, thông qua hệ thống phát hiện ion dinh dưỡng trực tuyến và hệ thống khử trùng dung dịch dinh dưỡng, các chất dinh dưỡng có thể được bổ sung kịp thời, đồng thời tránh sự tích tụ vi sinh vật và các chất chuyển hóa thứ cấp ảnh hưởng đến sự sinh trưởng bình thường của cây con. 

Hệ thống kiểm soát môi trường

Kiểm soát môi trường chính xác và hiệu quả là một trong những đặc điểm chính của hệ thống nhân giống cây con trong nhà kính. Cấu trúc bảo trì bên ngoài của nhà kính thường được lắp ráp từ các vật liệu mờ đục và cách nhiệt cao. Trên cơ sở đó, việc điều chỉnh ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió và CO2 hầu như không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài. Thông qua việc xây dựng mô hình CFD để tối ưu hóa bố trí ống dẫn khí, kết hợp với phương pháp kiểm soát vi môi trường, có thể đạt được sự phân bố đồng đều các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió và CO2 trong không gian nuôi cấy mật độ cao. Việc điều chỉnh môi trường thông minh được thực hiện bằng các cảm biến phân tán và điều khiển tiếp xúc, và việc điều chỉnh toàn bộ môi trường nuôi cấy theo thời gian thực được thực hiện thông qua kết nối giữa bộ phận giám sát và hệ thống điều khiển. Ngoài ra, việc sử dụng nguồn sáng làm mát bằng nước và tuần hoàn nước, kết hợp với việc đưa vào các nguồn lạnh ngoài trời, có thể đạt được hiệu quả làm mát tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ năng lượng điều hòa không khí.

Thiết bị vận hành phụ trợ tự động

Quy trình nhân giống cây con trong nhà máy trồng cây rất nghiêm ngặt, mật độ vận hành cao, không gian chật hẹp, và thiết bị phụ trợ tự động là không thể thiếu. Việc sử dụng thiết bị phụ trợ tự động không chỉ giúp giảm tiêu hao nhân công mà còn giúp nâng cao hiệu quả sử dụng không gian canh tác. Các thiết bị tự động hóa đã được phát triển cho đến nay bao gồm máy phủ đất bầu, máy gieo hạt, máy ghép cành, xe vận chuyển tự hành AGV, v.v. Dưới sự điều khiển của nền tảng quản lý thông minh hỗ trợ, toàn bộ quy trình nhân giống cây con về cơ bản có thể được vận hành tự động không người lái. Ngoài ra, công nghệ thị giác máy tính cũng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong quá trình nhân giống cây con. Nó không chỉ giúp theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây con, hỗ trợ quản lý cây con thương phẩm mà còn thực hiện sàng lọc tự động các cây con yếu và cây con chết. Tay robot sẽ thực hiện việc loại bỏ và lấp đất cho cây con.

Ưu điểm của việc nhân giống cây con trong nhà máy trồng cây

Mức độ kiểm soát môi trường cao cho phép sản xuất hàng năm.

Do tính chất đặc thù của việc nhân giống cây con, việc kiểm soát môi trường canh tác là rất quan trọng. Trong điều kiện nhà kính trồng cây, các yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, nước, không khí, phân bón và CO2 được kiểm soát chặt chẽ, tạo ra môi trường sinh trưởng tốt nhất cho việc nhân giống cây con, bất kể mùa vụ và khu vực. Ngoài ra, trong quá trình nhân giống cây ghép và cây giâm cành, quá trình liền vết ghép và phân hóa rễ đòi hỏi sự kiểm soát môi trường cao hơn, và nhà kính trồng cây cũng là phương tiện tuyệt vời để thực hiện điều này. Tính linh hoạt của điều kiện môi trường trong nhà kính trồng cây rất cao, do đó nó có ý nghĩa rất lớn đối với việc sản xuất cây giống rau trong mùa không sinh trưởng hoặc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, và có thể hỗ trợ cây giống để đảm bảo nguồn cung rau quanh năm. Hơn nữa, việc nhân giống cây con trong nhà kính trồng cây không bị giới hạn bởi không gian, có thể được thực hiện ngay tại chỗ ở vùng ngoại ô thành phố và các không gian công cộng cộng đồng. Các thông số kỹ thuật linh hoạt và có thể thay đổi, cho phép sản xuất hàng loạt và cung cấp gần nguồn cây giống chất lượng cao, hỗ trợ quan trọng cho sự phát triển của ngành trồng trọt đô thị. 

Rút ngắn chu kỳ nhân giống và nâng cao chất lượng cây con.

Trong điều kiện nhà máy trồng cây, nhờ kiểm soát chính xác các yếu tố môi trường sinh trưởng khác nhau, chu kỳ nhân giống cây con được rút ngắn từ 30% đến 50% so với phương pháp truyền thống. Việc rút ngắn chu kỳ nhân giống có thể làm tăng sản lượng cây con, tăng thu nhập cho người sản xuất và giảm rủi ro hoạt động do biến động thị trường. Đối với người trồng, điều này có lợi cho việc cấy ghép và trồng sớm, đưa sản phẩm ra thị trường sớm và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường. Mặt khác, cây con được nhân giống trong nhà máy trồng cây có hình dáng gọn gàng, chắc khỏe, các chỉ số hình thái và chất lượng được cải thiện đáng kể, và năng suất sau khi trồng tốt hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cây con cà chua, ớt và dưa chuột được nhân giống trong điều kiện nhà máy trồng cây không chỉ cải thiện diện tích lá, chiều cao cây, đường kính thân, sức sống rễ và các chỉ số khác, mà còn cải thiện khả năng thích nghi, khả năng kháng bệnh, sự phân hóa nụ hoa sau khi trồng. Và năng suất và các khía cạnh khác đều có lợi thế rõ rệt. Số lượng hoa cái trên mỗi cây tăng 33,8% và số lượng quả trên mỗi cây tăng 37,3% sau khi trồng cây con dưa chuột được nhân giống trong nhà máy trồng cây. Với việc không ngừng nghiên cứu sâu hơn về lý thuyết sinh học môi trường phát triển cây con, các nhà máy thực vật sẽ có thể định hình hình thái cây con và cải thiện hoạt động sinh lý một cách chính xác và kiểm soát tốt hơn.

 So sánh tình trạng cây con ghép trong nhà kính và nhà máy trồng cây.

Sử dụng tài nguyên hiệu quả để giảm chi phí cây giống.

Nhà máy trồng cây giống áp dụng các phương pháp trồng trọt tiêu chuẩn hóa, tin học hóa và công nghiệp hóa, nhờ đó mọi khâu trong sản xuất cây giống đều được kiểm soát chặt chẽ, và hiệu quả sử dụng tài nguyên được nâng cao đáng kể. Hạt giống là chi phí tiêu tốn chính trong việc nhân giống cây giống. Do thao tác không đều và khả năng kiểm soát môi trường kém của phương pháp nhân giống truyền thống, dẫn đến các vấn đề như hạt không nảy mầm hoặc sinh trưởng yếu, gây lãng phí lớn trong quá trình từ hạt giống đến cây giống thương phẩm. Trong môi trường nhà máy trồng cây giống, thông qua xử lý hạt giống, gieo trồng chính xác và kiểm soát môi trường canh tác chặt chẽ, hiệu quả sử dụng hạt giống được cải thiện đáng kể, và liều lượng có thể giảm hơn 30%. Nước, phân bón và các tài nguyên khác cũng là chi phí tiêu tốn chính trong phương pháp nhân giống truyền thống, và hiện tượng lãng phí tài nguyên rất nghiêm trọng. Trong điều kiện của nhà máy trồng cây giống, thông qua việc áp dụng công nghệ tưới tiêu chính xác, hiệu quả sử dụng nước và phân bón có thể tăng hơn 70%. Ngoài ra, do cấu trúc nhỏ gọn của nhà máy trồng cây giống và sự đồng nhất trong kiểm soát môi trường, hiệu quả sử dụng năng lượng và CO2 trong quá trình nhân giống cây giống cũng được cải thiện đáng kể.

So với phương pháp ươm giống truyền thống ngoài trời và trong nhà kính, đặc điểm nổi bật nhất của việc ươm giống trong nhà máy cây trồng là khả năng thực hiện theo nhiều lớp ba chiều. Trong nhà máy cây trồng, việc ươm giống có thể được mở rộng từ mặt phẳng lên không gian thẳng đứng, giúp nâng cao đáng kể hiệu quả ươm giống trên mỗi đơn vị diện tích đất và cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng không gian. Ví dụ, mô-đun ươm giống tiêu chuẩn do một công ty công nghệ sinh học phát triển, với diện tích 4,68 m², có thể ươm hơn 10.000 cây giống trong một lần, đáp ứng nhu cầu sản xuất rau trên diện tích 3,3 Mu (2201,1 m²). Trong điều kiện ươm giống ba chiều nhiều lớp mật độ cao, việc hỗ trợ các thiết bị phụ trợ tự động và hệ thống vận chuyển thông minh có thể nâng cao đáng kể hiệu quả sử dụng lao động và tiết kiệm hơn 50% nhân công.

Công tác nhân giống cây con có khả năng kháng bệnh cao nhằm hỗ trợ sản xuất xanh.

Môi trường sản xuất sạch sẽ của nhà máy trồng cây có thể giảm đáng kể sự xuất hiện của sâu bệnh trong không gian nhân giống. Đồng thời, thông qua việc tối ưu hóa cấu hình môi trường nuôi cấy, cây con được sản xuất sẽ có sức đề kháng cao hơn, giúp giảm đáng kể việc phun thuốc trừ sâu trong quá trình nhân giống và trồng cây con. Ngoài ra, đối với việc nhân giống các loại cây con đặc biệt như cây ghép và cây giâm cành, các biện pháp kiểm soát xanh như ánh sáng, nhiệt độ, nước và phân bón trong nhà máy trồng cây có thể được sử dụng để thay thế việc sử dụng hormone quy mô lớn trong các hoạt động truyền thống, đảm bảo an toàn thực phẩm, giảm ô nhiễm môi trường và đạt được sản xuất cây con bền vững theo hướng xanh.

Phân tích chi phí sản xuất 

Các phương pháp để nhà máy trồng cây tăng lợi ích kinh tế từ cây giống chủ yếu gồm hai phần. Một mặt, bằng cách tối ưu hóa thiết kế cấu trúc, vận hành tiêu chuẩn hóa và sử dụng các thiết bị, máy móc thông minh, có thể giảm tiêu thụ hạt giống, điện năng và nhân công trong quá trình nhân giống cây con, đồng thời cải thiện hiệu quả sử dụng nước, phân bón, nhiệt và năng lượng. Hiệu quả sử dụng khí đốt và CO2 giảm chi phí nhân giống cây con; mặt khác, thông qua việc kiểm soát chính xác môi trường và tối ưu hóa quy trình, thời gian nhân giống cây con được rút ngắn, sản lượng cây con hàng năm và năng suất cây con trên mỗi đơn vị diện tích được tăng lên, giúp tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường. 

Với sự phát triển của công nghệ nhà máy trồng cây và việc không ngừng nghiên cứu sâu hơn về sinh học môi trường trong canh tác cây giống, chi phí nhân giống cây giống trong nhà máy trồng cây về cơ bản tương đương với canh tác nhà kính truyền thống, trong khi chất lượng và giá trị thị trường của cây giống lại cao hơn. Lấy ví dụ cây giống dưa chuột, vật liệu sản xuất chiếm tỷ trọng lớn, khoảng 37% tổng chi phí, bao gồm hạt giống, dung dịch dinh dưỡng, khay ươm, giá thể, v.v. Tiêu thụ điện năng chiếm khoảng 24% tổng chi phí, bao gồm điện năng tiêu thụ cho chiếu sáng cây trồng, điều hòa không khí và bơm dung dịch dinh dưỡng, v.v., đây là hướng tối ưu hóa chính trong tương lai. Ngoài ra, tỷ lệ lao động thấp là đặc điểm của sản xuất trong nhà máy trồng cây. Với việc liên tục tăng mức độ tự động hóa, chi phí lao động sẽ tiếp tục giảm. Trong tương lai, lợi ích kinh tế của việc nhân giống cây giống trong nhà máy trồng cây có thể được nâng cao hơn nữa thông qua việc phát triển các loại cây trồng có giá trị gia tăng cao và phát triển công nghệ canh tác công nghiệp hóa cây giống lâm nghiệp quý hiếm.

Thành phần chi phí cây giống dưa chuột /%

Tình trạng công nghiệp hóa

Trong những năm gần đây, các viện nghiên cứu khoa học, tiêu biểu là Viện Nghiên cứu Nông nghiệp Đô thị thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc, và các doanh nghiệp công nghệ cao đã hiện thực hóa ngành công nghiệp nhân giống cây trồng trong các nhà máy thực vật. Điều này có thể cung cấp dây chuyền sản xuất công nghiệp hiệu quả cho cây giống từ hạt giống đến khi nảy mầm. Trong số đó, một nhà máy thực vật ở Sơn Tây được xây dựng và đưa vào hoạt động năm 2019 có diện tích 3.500 m² và có thể nhân giống 800.000 cây ớt hoặc 550.000 cây cà chua trong chu kỳ 30 ngày. Một nhà máy nhân giống cây trồng khác có diện tích 2.300 m² và có thể sản xuất 8-10 triệu cây giống mỗi năm. Nhà máy phục hồi di động dành cho cây ghép do Viện Nông nghiệp Đô thị, Viện Hàn lâm Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc tự phát triển có thể cung cấp một nền tảng phục hồi và thuần hóa theo dây chuyền lắp ráp cho việc trồng cây ghép. Một không gian làm việc duy nhất có thể xử lý hơn 10.000 cây ghép cùng một lúc. Trong tương lai, dự kiến ​​sự đa dạng của các giống cây con được nhân giống trong các nhà máy trồng cây sẽ tiếp tục được mở rộng, và mức độ tự động hóa và trí tuệ nhân tạo sẽ tiếp tục được nâng cao.

Cây trồng di động dùng để chữa trị cây ghép, được phát triển bởi Viện Nông nghiệp Đô thị, Học viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc.

Triển vọng

Là một phương thức mới trong việc nhân giống cây con công nghiệp, các nhà máy trồng cây có những lợi thế và tiềm năng thương mại hóa to lớn so với các phương pháp nhân giống truyền thống về khả năng kiểm soát môi trường chính xác, sử dụng tài nguyên hiệu quả và quy trình vận hành tiêu chuẩn hóa. Bằng cách giảm thiểu tiêu thụ tài nguyên như hạt giống, nước, phân bón, năng lượng và nhân lực trong việc nhân giống cây con, đồng thời nâng cao năng suất và chất lượng cây con trên mỗi đơn vị diện tích, chi phí nhân giống cây con trong các nhà máy trồng cây sẽ được giảm thiểu hơn nữa, và sản phẩm sẽ cạnh tranh hơn trên thị trường. Nhu cầu về cây con ở Trung Quốc rất lớn. Bên cạnh việc sản xuất các loại cây trồng truyền thống như rau, các loại cây con có giá trị gia tăng cao như hoa, dược liệu Trung Quốc và cây quý hiếm dự kiến ​​sẽ được nhân giống trong các nhà máy trồng cây, và lợi ích kinh tế sẽ được nâng cao hơn nữa. Đồng thời, nền tảng nhân giống cây con công nghiệp cần xem xét tính tương thích và linh hoạt của việc nhân giống các loại cây con khác nhau để đáp ứng nhu cầu của thị trường nhân giống cây con trong các mùa vụ khác nhau.

Lý thuyết sinh học về môi trường nhân giống cây con là cốt lõi của việc kiểm soát chính xác môi trường nhà máy trồng cây. Nghiên cứu chuyên sâu về sự điều chỉnh hình thái cây con, quá trình quang hợp và các hoạt động sinh lý khác bởi các yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và CO2 sẽ giúp thiết lập mô hình tương tác giữa cây con và môi trường, từ đó giảm tiêu hao năng lượng trong sản xuất cây con và nâng cao chất lượng cũng như năng suất cây con. Chất lượng cung cấp cơ sở lý thuyết. Trên cơ sở này, có thể phát triển công nghệ và thiết bị điều khiển lấy ánh sáng làm trọng tâm, kết hợp với các yếu tố môi trường khác, và tùy chỉnh sản xuất cây con theo loại cây trồng đặc biệt, độ đồng đều cao và chất lượng cao để đáp ứng yêu cầu canh tác mật độ cao và vận hành cơ giới hóa trong nhà máy trồng cây. Cuối cùng, nó cung cấp cơ sở kỹ thuật cho việc xây dựng hệ thống sản xuất cây con kỹ thuật số và hiện thực hóa việc nhân giống cây con tiêu chuẩn hóa, tự động và kỹ thuật số trong nhà máy trồng cây.

Tác giả: Xu Yaliang, Liu Xinying, v.v. 

Thông tin trích dẫn:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang. Thiết bị kỹ thuật chính và công nghiệp hóa công tác nhân giống cây con trong nhà máy trồng cây [J]. Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp, 2021, 42(4):12-15.