宋衛(wèi)堂，李 明，宋堅(jiān)利，王平智（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 10008；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10008；.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 10019）

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系是一個(gè)半封閉式生態(tài)系統(tǒng)。設(shè)施蔬菜為該系統(tǒng)內(nèi)核；設(shè)施結(jié)構(gòu)、栽培模式以及環(huán)境調(diào)控為系統(tǒng)內(nèi)層，與蔬菜生長(zhǎng)密切相關(guān)，是促進(jìn)設(shè)施蔬菜高效生產(chǎn)的直接推動(dòng)力；機(jī)械化、自動(dòng)化以及智能化為系統(tǒng)外層，雖然不直接作用于蔬菜，但卻能通過(guò)提升設(shè)施結(jié)構(gòu)、栽培模式以及環(huán)境調(diào)控的工作效率來(lái)推動(dòng)蔬菜的高效生產(chǎn)，同樣是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系的重要組成部分[1]。近年來(lái)中國(guó)城鎮(zhèn)化和老齡化進(jìn)程加速，設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力供給不足的問(wèn)題越發(fā)突出，人力成本持續(xù)升高，嚴(yán)重影響了產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟需開(kāi)展“機(jī)器換人”工作，降低生產(chǎn)中的勞動(dòng)力數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，提升生產(chǎn)效率。但目前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的機(jī)械化水平較低，導(dǎo)致機(jī)械化要素?zé)o法有效作用于栽培管理和環(huán)境調(diào)控，對(duì)手工勞動(dòng)的依賴非常嚴(yán)重。

上述問(wèn)題的產(chǎn)生可歸因于“機(jī)不好用、無(wú)機(jī)可用、無(wú)好機(jī)用、用不好機(jī)”等“四機(jī)”問(wèn)題，即現(xiàn)有設(shè)施蔬菜作業(yè)裝備大多是由大田機(jī)具改制或引進(jìn)國(guó)外裝備而來(lái)，存在著作業(yè)質(zhì)量和效率不高，在某些作業(yè)環(huán)節(jié)還缺乏適宜農(nóng)機(jī)裝備等問(wèn)題。此外，中國(guó)現(xiàn)有的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)設(shè)施在其設(shè)計(jì)建造之初和農(nóng)藝措施的形成之初，基本沒(méi)有考慮農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)需求，這更限制了設(shè)施蔬菜農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)效率，降低作業(yè)質(zhì)量?；谏鲜龇治觯涡l(wèi)堂和李明[2]提出了以“農(nóng)機(jī)-農(nóng)藝-設(shè)施”深度融合提高設(shè)施蔬菜機(jī)械化水平的思想，從農(nóng)機(jī)研發(fā)、農(nóng)藝和設(shè)施協(xié)調(diào)等角度消除制約設(shè)施蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)的要素，快速提升設(shè)施蔬菜的機(jī)械化水平。具體方法可歸結(jié)為以下三個(gè)步驟：第一步，在調(diào)研現(xiàn)有農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)參數(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建以“大壟距+寬溝窄畦”為特征的宜機(jī)化、標(biāo)準(zhǔn)化的栽培模式，消除農(nóng)藝措施對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)的限制；第二步，篩選、研發(fā)適宜的農(nóng)機(jī)裝備，從耕整地、起壟覆膜、移栽到田間管理等全程實(shí)現(xiàn)“有機(jī)可用、有好機(jī)用”的目的，盡可能實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”；第三步，改造、建造宜機(jī)化的園藝設(shè)施結(jié)構(gòu)，使得農(nóng)機(jī)裝備能夠順利進(jìn)出、高效作業(yè)，消除設(shè)施對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)的限制，進(jìn)一步提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的便利性。因此，國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系“耕種與田間管理機(jī)械化”團(tuán)隊(duì)與銀川、溫州、赤峰、唐山等綜合試驗(yàn)站聯(lián)合開(kāi)展研究，探索構(gòu)建了塑料大棚和日光溫室番茄機(jī)械化生產(chǎn)的技術(shù)模式，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

塑料大棚番茄機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)模式構(gòu)建與驗(yàn)證

塑料大棚番茄宜機(jī)化模式構(gòu)建

根據(jù)番茄栽培作業(yè)環(huán)節(jié)調(diào)研現(xiàn)有農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)參數(shù)，并據(jù)此構(gòu)建了以“大壟距+寬溝窄畦”為特征的番茄宜機(jī)化栽培工藝，即將壟間距由現(xiàn)在的1.3～1.4 m 擴(kuò)大到1.6～1.8 m，形成大壟距；在大壟距的前提下把畦面縮小、壟溝加寬，形成寬溝窄畦。2020 年12 月7 日在江蘇大學(xué)召開(kāi)的第一屆農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合研討會(huì)上，來(lái)自全國(guó)的設(shè)施栽培、農(nóng)機(jī)研發(fā)、農(nóng)機(jī)企業(yè)、技術(shù)推廣等多領(lǐng)域的專(zhuān)家進(jìn)行了研討，推薦了如下番茄栽培的壟形參數(shù)：相鄰兩畦中心距180 cm，畦面高度15～20 cm，壟底寬度80 cm，壟頂寬度60 cm，壟溝寬度100 cm；栽培模式是一壟種植兩行，壟上行距30～45 cm，株距根據(jù)株數(shù)的需要進(jìn)行調(diào)整。以8 m 跨度塑料大棚為例，作物栽培壟布置如圖1 所示。

圖1 8 m 跨度塑料大棚中番茄等果類(lèi)蔬菜的宜機(jī)化栽培示意圖/mm

農(nóng)機(jī)裝備篩選、改制與研發(fā)

為實(shí)現(xiàn)主要作業(yè)環(huán)節(jié)“機(jī)器換人”，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)農(nóng)機(jī)裝備進(jìn)行了篩選（表1），形成了機(jī)具配套方案。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)起壟覆膜鋪滴灌帶一體機(jī)作業(yè)時(shí)，由于壟頂為平面，常常發(fā)生滴灌帶澆水時(shí)壟溝積水現(xiàn)象（圖2a），并且滴灌帶的鋪設(shè)位置距離植株根部較遠(yuǎn)，會(huì)造成水、肥的浪費(fèi)。為此，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合無(wú)錫悅田農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司對(duì)YT10 系列多功能田園管理機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化改制（圖2b），使機(jī)器起壟時(shí)在壟面中間位置上開(kāi)出一條寬30 cm、深1～2 cm 的凹槽，并將兩根滴灌帶鋪放于凹槽兩側(cè)（圖2c），很好地解決了壟溝積水、水肥浪費(fèi)的問(wèn)題。

圖2 悅田YT10 系列多功能田園管理機(jī)的改進(jìn)優(yōu)化/cm

表1 主要機(jī)械化作業(yè)環(huán)節(jié)及推薦機(jī)型

針對(duì)塑料大棚物流運(yùn)輸裝備缺乏、植保裝備主要靠人工背負(fù)且存在農(nóng)藥污染人體風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了履帶式多功能作業(yè)平臺(tái)，以及“人機(jī)分離”式噴霧機(jī)。其中，多功能作業(yè)平臺(tái)能夠輔助人工進(jìn)行打杈、吊蔓等植株管理，同時(shí)還能輔助采收，即工人站在平臺(tái)上進(jìn)行果蔬采摘，果實(shí)放置于平臺(tái)上，并由平臺(tái)將果實(shí)運(yùn)送出去。這樣就可以解決因?yàn)榇笈镩L(zhǎng)度較長(zhǎng)，適宜物流裝備缺乏而造成的高強(qiáng)度搬運(yùn)作業(yè)問(wèn)題，提高工人作業(yè)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，大棚是一個(gè)相對(duì)密閉的環(huán)境，在大棚里噴灑農(nóng)藥，微米級(jí)的霧滴會(huì)彌散在大棚內(nèi)部，由于處于無(wú)風(fēng)環(huán)境，霧滴難以飄散，會(huì)在空氣中彌散，易對(duì)人體造成危害。“人機(jī)分離”式噴霧機(jī)，就是使用上述多功能作業(yè)平臺(tái)作為載具，將噴霧系統(tǒng)固定在平臺(tái)上，同時(shí)加裝了遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)，作業(yè)人員在棚外通過(guò)觀看屏幕就可以遙控施藥作業(yè)。這樣既降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，又可有效防止農(nóng)藥對(duì)施藥人員的危害。

宜機(jī)化的塑料大棚設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有塑料大棚進(jìn)出口狹小、室內(nèi)空間有限的問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)根據(jù)農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)的空間需求，綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)度、塑料大棚構(gòu)造要求、土地利用效率等的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種宜機(jī)化塑料大棚。該大棚骨架由兩根8.0 m 長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)鋼管構(gòu)成，跨度9.5 m，脊高4.5 m，肩高2.2 m，同時(shí)在山墻兩側(cè)設(shè)置了平拉門(mén)，方便農(nóng)機(jī)進(jìn)出（圖3～4）。采用上述宜機(jī)化栽培模式，室內(nèi)可栽種5 壟番茄。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1086.6-2016《農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平評(píng)價(jià) 第六部分：設(shè)施農(nóng)業(yè)》，對(duì)采用機(jī)械化技術(shù)模式后能夠達(dá)到的技術(shù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，塑料大棚番茄生產(chǎn)全程機(jī)械化率可從45% 提高到88%。

圖3 9.5 m 跨度宜機(jī)化塑料大棚設(shè)計(jì)圖/mm

圖4 溫州試驗(yàn)站的宜機(jī)化塑料大棚實(shí)景

日光溫室番茄機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)模式的構(gòu)建與驗(yàn)證

日光溫室番茄宜機(jī)化模式構(gòu)建

傳統(tǒng)日光溫室作物栽培壟向多為南北向，不利于農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)。為此，本團(tuán)隊(duì)提出將作物栽培壟向由南北向改為東西向[3]，形成了以“大壟距+寬溝窄畦+東西向”為特征的日光溫室茄果類(lèi)蔬菜宜機(jī)化栽培參數(shù)，即壟底寬80 cm，壟面寬60 cm，壟溝寬100～120 cm，壟高10～20 cm（圖5）。以跨度8.0 m 日光溫室為例，跨度方向栽培壟布置模式如圖6 所示。

圖5 日光溫室中番茄、辣椒、茄子、黃瓜等茄果類(lèi)蔬菜宜機(jī)化栽培參數(shù)/cm

圖6 8 m 跨度日光溫室栽培壟示意圖/mm

農(nóng)機(jī)裝備篩選、改制與研究開(kāi)發(fā)

在采用東西壟向生產(chǎn)的日光溫室中，主要機(jī)械化作業(yè)環(huán)節(jié)的推薦機(jī)型與塑料大棚相同（表1），利用盡可能少的機(jī)型來(lái)滿足多種設(shè)施園藝的需求。經(jīng)過(guò)近幾年的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，推薦機(jī)型具有良好的作業(yè)效果和比較可靠的性能。

宜機(jī)化日光溫室改造與設(shè)計(jì)

對(duì)于新建溫室，需要進(jìn)行宜機(jī)化設(shè)計(jì)。即首先根據(jù)日光溫室宜機(jī)化栽培模式，綜合考慮溫室結(jié)構(gòu)受力特性和日光溫室構(gòu)造要求，確定日光溫室的合理跨度，以及主體結(jié)構(gòu)參數(shù)，兼顧宜機(jī)化栽培下的日光溫室土地利用效率；然后根據(jù)農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)需求，確定前屋面底角處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最低高度，再按照日光溫室前屋面曲線設(shè)計(jì)方法確定前屋面曲線，消除傳統(tǒng)日光溫室前屋面空間狹小對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)的限制；最后，傳統(tǒng)日光溫室出入口狹小，不利于農(nóng)機(jī)裝備進(jìn)出，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的進(jìn)出口。對(duì)于已建成的、現(xiàn)有質(zhì)量較好的日光溫室，為避免浪費(fèi)，一般可將靠近東山墻或西山墻的第一榀或第二榀溫室骨架斷開(kāi)，形成一個(gè)高度和寬度都約2 m 的缺口，作為農(nóng)機(jī)裝備的進(jìn)出口。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1086.6-2016《農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平評(píng)價(jià) 第六部分：設(shè)施農(nóng)業(yè)》以及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該日光溫室番茄生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)模式可使全程機(jī)械化率從33% 提高到72%。

寬溝窄畦宜機(jī)化栽培模式行距動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)

在示范設(shè)施番茄的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)模式過(guò)程中，“寬溝窄畦”栽培模式也出現(xiàn)了一些新問(wèn)題。日光溫室中，同一壟內(nèi)北側(cè)行相較于南側(cè)行果實(shí)偏小、產(chǎn)量偏低；北側(cè)行的葉片有黃化早衰現(xiàn)象。塑料大棚中，同一壟兩行中間的葉片有黃化早衰現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于壟內(nèi)兩行之間光照不足、通風(fēng)不良。為此，本團(tuán)隊(duì)從工程技術(shù)角度，提出了兩項(xiàng)可用于改善壟內(nèi)行間光照條件的技術(shù)。一是日光溫室和塑料大棚采用散光膜進(jìn)行覆蓋，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)散光膜發(fā)生散射，會(huì)有部分光線進(jìn)入行間，改善光照環(huán)境[4]；二是“動(dòng)態(tài)行距”技術(shù)，當(dāng)農(nóng)機(jī)不進(jìn)入壟溝時(shí)，壟上兩行莖蔓之間的距離變大，當(dāng)農(nóng)機(jī)要進(jìn)入壟溝時(shí)，壟上兩行莖蔓之間的距離變小，也就是同一壟上兩行植株莖蔓之間的距離，要隨著農(nóng)機(jī)是否進(jìn)入壟溝，進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變。為實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)行距”，設(shè)計(jì)了一種行距調(diào)整機(jī)構(gòu)，植株正常生長(zhǎng)狀態(tài)下，人或者農(nóng)機(jī)具不進(jìn)入行間，兩行打開(kāi)利于植株采光和行間通風(fēng)（圖7a），當(dāng)人或者農(nóng)機(jī)具要進(jìn)入行間時(shí)，兩行收攏（圖7b）。

圖7 果菜行距動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

“動(dòng)態(tài)行距+散射光”也許能有效改善“寬溝窄畦”栽培模式下行間的光照不足和通風(fēng)不良的問(wèn)題；塑料大棚的“大壟距+寬溝窄畦+動(dòng)態(tài)行距”與日光溫室的“東西壟向+大壟距+寬溝窄畦+動(dòng)態(tài)行距”，也許將是推動(dòng)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化水平提升的關(guān)鍵農(nóng)藝技術(shù)。

致謝

衷心感謝本領(lǐng)域?qū)＜?、綜合試驗(yàn)站以及農(nóng)機(jī)裝備企業(yè)給予的大力支持和幫助。