李愷 王春輝 張凌風(fēng)

前言

中國(guó)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。在“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”等科技項(xiàng)目的不斷支持和推廣下，溫室栽培等技術(shù)不斷創(chuàng)新，尤其是作為設(shè)施蔬菜重要組成部分的果菜，栽培生產(chǎn)工藝與葉菜及其他蔬菜相比，在嫁接育苗、吊蔓種植、空間采收方面具有明顯特征，生產(chǎn)栽培環(huán)節(jié)更復(fù)雜，管理要求更精細(xì)。從設(shè)施果菜的生產(chǎn)環(huán)節(jié)看，典型的溫室果菜生產(chǎn)可分為育苗和栽培生產(chǎn)兩個(gè)主要階段。育苗階段主要包括播種、催芽、嫁接、愈合、育苗煉苗、分級(jí)補(bǔ)苗等工藝環(huán)節(jié);栽培生產(chǎn)階段主要包括耕整地、定植移栽、灌溉施肥、植保、植株管理、采收等工藝環(huán)節(jié)。

設(shè)施育苗可以縮短栽培周期、改善秧苗質(zhì)量、增加種植茬次，提高土地利用率。中國(guó)設(shè)施蔬菜種苗培育自動(dòng)化程度相對(duì)較低，穴盤育苗推廣應(yīng)用良好，針對(duì)穴盤的自動(dòng)化播種生產(chǎn)線、催芽室等設(shè)備已在很多農(nóng)業(yè)園區(qū)得到良好應(yīng)用。嫁接環(huán)節(jié)技術(shù)要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，缺乏有效的生產(chǎn)組織模式，并且人工作業(yè)效率低，人力成本高，無法標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化實(shí)施，同時(shí)，嫁接后存在愈合周期長(zhǎng)、愈合成活率低等問題，急需在嫁接生產(chǎn)模式、快速愈合技術(shù)方面有所突破和集成。苗期生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)主要還以粗放型管理為主，而育苗環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境要求較高，需要精細(xì)控制溫-光參數(shù)，以保障嫁接苗成活率及成品苗標(biāo)準(zhǔn)化品質(zhì)。穴盤育苗灌溉方面，自走式噴淋機(jī)和噴藥機(jī)也在一定程度上得到應(yīng)用。潮汐式灌溉技術(shù)發(fā)展時(shí)間尚短，還未形成真正適用的營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)、消毒、復(fù)配等設(shè)備成套應(yīng)用?？傮w來看國(guó)內(nèi)種苗生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)械化、自動(dòng)化水平仍然較低，除自動(dòng)播種生產(chǎn)線外，自動(dòng)生產(chǎn)裝備研究成果較少，雖然針對(duì)嫁接機(jī)、移栽機(jī)、種苗分級(jí)等技術(shù)產(chǎn)品的研究也在逐步開展，但與國(guó)外設(shè)備相比成熟度不高，應(yīng)用率較低，還處于系統(tǒng)性薄弱的狀態(tài)，與智能化差距依然很大，無法串聯(lián)成為體系，沒有集中管理。開發(fā)成套設(shè)施育苗自動(dòng)化設(shè)備對(duì)于保障中國(guó)蔬菜育苗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

果菜的栽培生產(chǎn)環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，中國(guó)還基本處于主要以手工作業(yè)為主的階段，畝產(chǎn)相對(duì)較低。國(guó)內(nèi)日光溫室和中大型塑料大棚中的果菜生產(chǎn)在耕整地環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)部分機(jī)械化，定植移栽、植保、植株管理以及采收等環(huán)節(jié)則完全依靠人工，在落蔓疏蔓環(huán)節(jié)以及拉秧環(huán)節(jié)的工作量很大，且果菜土傳病害相對(duì)嚴(yán)重，僅有一些大型園區(qū)引進(jìn)如采摘升降車等輔助生產(chǎn)設(shè)備。雖然國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也在移栽定植、行間植保等方面有所研究，但成果甚微。總體來說，中國(guó)果菜栽培生產(chǎn)自動(dòng)化程度較低，缺乏集中管理。尤其在吊蔓、疏落蔓環(huán)節(jié)以及成品采收運(yùn)輸方面，這部分勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，是亟待解決的問題。

國(guó)外應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

荷蘭作為設(shè)施農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)，果菜生產(chǎn)以無土栽培為主，尤其在巖棉栽培方面已形成較為完善的工藝體系且擁有與各個(gè)環(huán)節(jié)配套的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)裝備，裝備應(yīng)用普及率較高。目前，荷蘭園藝生產(chǎn)中采用巖棉栽培的面積占無土栽培總面積的70%，溫室?guī)r棉栽培的黃瓜、番茄的產(chǎn)量比傳統(tǒng)露地栽培產(chǎn)量高10倍。針對(duì)巖棉塊生產(chǎn)蔬菜種苗的工藝要求，荷蘭Visser公司和Filer Systems公司等大型園藝裝備生產(chǎn)企業(yè)也相應(yīng)采用巖棉塊進(jìn)行蔬菜育苗的自動(dòng)化生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)整包巖棉塊自動(dòng)解垛、巖棉塊充水、精量播種、種子覆土、幼苗移栽和支撐簽插入等一系列自動(dòng)作業(yè)，之后利用自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)鋪放車將巖棉塊搬運(yùn)至溫室內(nèi)，灌溉采用潮汐式灌溉，并在大型連棟溫室進(jìn)行集中管控，對(duì)溫度、光照、水肥營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境參數(shù)精細(xì)管控，整個(gè)生產(chǎn)過程大大節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了作業(yè)生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量。荷蘭無土栽培的果菜生產(chǎn)從播種前的基質(zhì)處理到采收后的成品包裝，重點(diǎn)環(huán)節(jié)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并在整體生產(chǎn)過程的環(huán)境調(diào)控、水肥管理方面實(shí)現(xiàn)了智能化的成熟應(yīng)用。雖然在嫁接作業(yè)、成品采收、植保環(huán)節(jié)還是以人工作業(yè)為主，但總體流程設(shè)備齊全，連貫性好，系統(tǒng)性強(qiáng)，尤其在環(huán)境水肥系統(tǒng)控制、全程生產(chǎn)管理方面的軟硬件成果眾多，例如Priva的模塊化生產(chǎn)管理系統(tǒng)不單具有環(huán)境調(diào)控，水肥管理的功能，后續(xù)還在不斷增加如能源管理、勞動(dòng)力管理、產(chǎn)品追溯管理等方面的功能。這些成型的軟硬件產(chǎn)品已在全球范圍內(nèi)進(jìn)行技術(shù)輸出。

在不斷應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，設(shè)施果菜生產(chǎn)裝備的智能化方面也在不斷升級(jí)。近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)、AI等相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，智能農(nóng)業(yè)發(fā)展先驅(qū)國(guó)荷蘭在已經(jīng)較為成熟的成套設(shè)備基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境信息獲取、能耗降低、設(shè)備生產(chǎn)率提升、水肥控制等方面進(jìn)一步發(fā)力，并著重研究如整枝打叉、采收、拉秧等幾個(gè)難點(diǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化，已提出了自動(dòng)拉秧、智能剪枝機(jī)器人以及基于靈巧手的采摘機(jī)器人等智能化設(shè)備。

雖然荷蘭基于大型連棟溫室、少品種或單一品種的無土栽培模式，尤其是巖棉栽培模式，存在設(shè)施建造，加溫成本巨大等問題，并不適合中國(guó)以地栽為主的果菜生產(chǎn)現(xiàn)狀，但其流程設(shè)備連貫，全程生產(chǎn)管理的結(jié)構(gòu)卻值得學(xué)習(xí)借鑒。

西班牙作為歐盟菜籃子，其果菜種植條件與中國(guó)相近，但在智能灌溉方面有其獨(dú)到的一面;日本由于本土資源短缺、從業(yè)人員減少、老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，主要致力于開發(fā)小型、輕便、多功能、高性能設(shè)施耕作機(jī)具、播種育苗裝置、灌溉施肥裝置。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面研究啟動(dòng)較早，形成了較為成熟的育苗移栽機(jī)器人、采摘收獲機(jī)器人。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

中國(guó)溫室果菜育苗和生產(chǎn)的裝備還主要以手工作業(yè)為主，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的生產(chǎn)設(shè)備從整機(jī)引進(jìn)到國(guó)產(chǎn)化創(chuàng)新研發(fā)，尤其是隨著我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積的大規(guī)模發(fā)展及農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)，與之相適應(yīng)配套的農(nóng)業(yè)機(jī)具也發(fā)展較快。2014年，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平為36.28%，其中耕整地、灌溉施肥環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平分別達(dá)到79%和60%，環(huán)境調(diào)控、種植、采運(yùn)等環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平較低，不能滿足中國(guó)溫室種植發(fā)展的需要，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距，深入研究開發(fā)溫室果菜生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化裝備任重道遠(yuǎn)。隨著各地農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策支持范圍和力度加大，也在應(yīng)用層面逐步普及，但在連續(xù)性和農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合方面還有很長(zhǎng)的路要走。

中國(guó)對(duì)于溫室果菜育苗和生產(chǎn)的裝備研發(fā)機(jī)構(gòu)多為科研院所和企業(yè)，且研究多集中在種苗的種子播種線設(shè)備、嫁接機(jī)、移栽機(jī)等。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院等科研單位開發(fā)了多種型號(hào)的穴盤育苗精密播種機(jī)，浙江博仁、廣州綠翔等企業(yè)也推出相應(yīng)產(chǎn)品并逐步開始推廣。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等開發(fā)了溫室育苗用的半自動(dòng)嫁接機(jī)，但這些設(shè)備目前仍需要操作工從穴盤逐一取出秧苗，現(xiàn)有技術(shù)水平在嫁接效率和節(jié)省人力方面進(jìn)一步提升空間有限。國(guó)內(nèi)對(duì)穴盤育苗分選移栽技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，2003年才開始穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究，落后于國(guó)外成熟的技術(shù)體系。目前，國(guó)內(nèi)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京理工大學(xué)等也針對(duì)蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)行了相關(guān)研究，目前還處于試驗(yàn)樣機(jī)階段，在移栽?shī)A持手優(yōu)化、種苗質(zhì)量識(shí)別和對(duì)不同操作對(duì)象通用性等關(guān)鍵技術(shù)方面仍需進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)有關(guān)設(shè)施果菜整枝裝備的產(chǎn)品研發(fā)尚為空白，因此沒有出臺(tái)與之相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)備設(shè)計(jì)、安裝等標(biāo)準(zhǔn)，研究還停留在工具改進(jìn)方面。如若要實(shí)現(xiàn)智能化必須要通過機(jī)器識(shí)別、判斷來進(jìn)行下一步的動(dòng)作，與采摘機(jī)器人類似。整枝機(jī)器人需要清除的枝條和葉子與周圍環(huán)境無論從形狀、顏色、大小上都一樣，因此識(shí)別上存在很大困難，這成為開發(fā)智能整枝機(jī)的難點(diǎn)。

在果菜生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)中，植保環(huán)節(jié)無論在設(shè)備研發(fā)還是相關(guān)自動(dòng)化控制領(lǐng)域都需較大投入。雖然在施藥機(jī)械和施藥技術(shù)上作了一些研究和示范推廣，但國(guó)內(nèi)安全施藥技術(shù)與國(guó)外比較差距甚大，借助國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)在國(guó)內(nèi)研究、應(yīng)用和推廣新一代安全施藥機(jī)械和技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

落蔓作業(yè)是設(shè)施果菜種植生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)無限生長(zhǎng)型高秧爬蔓作物需在生長(zhǎng)過程中用支撐物將不斷生長(zhǎng)的莖蔓攀起或吊起。目前落蔓作業(yè)主要以人工手動(dòng)為主，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的落蔓器使用最為廣泛，勞動(dòng)作業(yè)效率不高，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)研究了單壟整體落蔓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在一定程度上提升了落蔓效率。關(guān)于疏蔓相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究均較少，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提出一種溫室作物的移動(dòng)吊蔓裝置及作物栽培方法，通過試驗(yàn)得到預(yù)期效果。

在采收環(huán)節(jié)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李偉等針對(duì)現(xiàn)代連棟溫室研制了番茄、黃瓜采摘機(jī)器人。該機(jī)器人采用溫室內(nèi)的加溫管道作為導(dǎo)軌采摘機(jī)械臂，采用4自由度的輕型專用機(jī)械臂，經(jīng)雙目立體視覺判別并定位成熟果實(shí)，末端采用氣動(dòng)式手指執(zhí)行器，在夾持番茄果柄的過程中，手指上的刀片完成對(duì)果柄的切割，番茄采摘成功率為90%、黃瓜采摘成功率達(dá)85%，單根黃瓜采摘耗時(shí)28.6 s。溫室果蔬采摘機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但是由于對(duì)象的多態(tài)性以及環(huán)境的結(jié)構(gòu)化程度低導(dǎo)致了機(jī)器人采摘作業(yè)效率低，而生產(chǎn)制造成本高，因此尚無商業(yè)化的成熟產(chǎn)品。在將來的發(fā)展中，應(yīng)重點(diǎn)突破復(fù)雜環(huán)境下的果實(shí)目標(biāo)識(shí)別定位、柔性靈巧采摘機(jī)械手、適合機(jī)器人高效作業(yè)的采摘模式以及相應(yīng)的農(nóng)藝種植模式等難點(diǎn)。

中國(guó)果菜種植主要以日光溫室和塑料大棚生產(chǎn)為主，種植種類和模式多樣，運(yùn)輸物流勞動(dòng)強(qiáng)度較大，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)搬運(yùn)僅僅是減輕了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，多數(shù)搬運(yùn)為單臺(tái)單機(jī)模式。近年來，設(shè)施搬運(yùn)設(shè)備的種類有所拓展：出現(xiàn)了一些多功能集成搬運(yùn)平臺(tái)，突破了單一的搬運(yùn)功能，融入了附屬功能;其次在功能控制方面也有一些拓展，如無線遙控的應(yīng)用;除此之外，AGV磁導(dǎo)航技術(shù)在設(shè)施果菜搬運(yùn)領(lǐng)域也日益受到研究者追捧。北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心馬偉等設(shè)計(jì)了溫室噴藥采摘作業(yè)多功能平臺(tái);該設(shè)備集成了運(yùn)輸及施藥平臺(tái)應(yīng)用，脫離了單一功能。山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院張波等設(shè)計(jì)了設(shè)施農(nóng)業(yè)無線智能電動(dòng)運(yùn)載平臺(tái)，成功將無線遙控技術(shù)應(yīng)用到溫室物料搬運(yùn)中。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所丁小明等研究開發(fā)了一種日光溫室單軌物料運(yùn)輸裝置，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)苑進(jìn)等研究了溫室內(nèi)精準(zhǔn)定位物流車，成為當(dāng)前日光溫室搬運(yùn)設(shè)備的代表。伴隨社會(huì)勞動(dòng)力成本的增加，解放勞動(dòng)生產(chǎn)力，串聯(lián)各作業(yè)環(huán)節(jié)成為今后產(chǎn)業(yè)發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力體現(xiàn)，智能化運(yùn)輸系統(tǒng)可視為終極解決方案。

結(jié)論及建議

目前中國(guó)關(guān)于溫室果菜生產(chǎn)裝備的研究隨著我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積的大規(guī)模發(fā)展及農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)在應(yīng)用層面取得了較大的進(jìn)步，尤其在設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)生產(chǎn)過程中，在播種、嫁接、產(chǎn)地物流、環(huán)境控制等方面起到示范帶動(dòng)作用，但受制于成本和相應(yīng)的配套農(nóng)藝技術(shù)還在不斷探索完善;在研究層面，主要集中于播種、移栽、嫁接、定植、采收、水肥、環(huán)境控制等環(huán)節(jié)的相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備研究，尤其是耕整地、播種、水肥等方面技術(shù)基本與國(guó)外達(dá)到并跑水平，并逐步形成適合我國(guó)國(guó)情的生產(chǎn)模式;但在移栽、嫁接、定植、采收等環(huán)節(jié)的裝備還大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際生產(chǎn)過程中仍無法實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)效率的協(xié)調(diào)、物料流通的連貫，未能形成高效、高產(chǎn)的全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)系統(tǒng)，導(dǎo)致果菜無論是品質(zhì)還是產(chǎn)量都未能達(dá)到最優(yōu)水平。

由于溫室果菜生產(chǎn)在育苗、種植、采收方面的明顯特征，更需要集約化和規(guī)?；N植。當(dāng)前國(guó)家推動(dòng)土地流轉(zhuǎn)方式促進(jìn)規(guī)?；?jīng)營(yíng)取得階段性成果，“十四五”期間為鞏固設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展成果，設(shè)施果菜的規(guī)?；?jīng)營(yíng)勢(shì)必進(jìn)一步擴(kuò)大，這就給果菜生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來了機(jī)遇。設(shè)施果菜生產(chǎn)組織化程度、機(jī)械化水平相對(duì)更高，對(duì)高價(jià)值的研究成果接受能力強(qiáng)，這就為其作業(yè)的精細(xì)化、管理的智能化奠定了基礎(chǔ)。

從研發(fā)角度來看，應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合栽培工藝，一方面大力發(fā)展集成應(yīng)用技術(shù)，集成現(xiàn)有裝備成果，提升設(shè)備精度及穩(wěn)定性，通過篩選實(shí)用設(shè)備并進(jìn)行推廣普及，不斷熟化實(shí)踐;另一方面，應(yīng)當(dāng)查缺補(bǔ)漏，重點(diǎn)研發(fā)嫁接、采摘、運(yùn)輸?shù)取案堋惫?jié)點(diǎn)設(shè)備，打通果菜生產(chǎn)全程機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)的裝備應(yīng)用路線。以自主研發(fā)為主、借鑒為輔，從整體生產(chǎn)管理視角出發(fā)，真正研究符合中國(guó)國(guó)情、適合中國(guó)設(shè)施特點(diǎn)的各環(huán)節(jié)自動(dòng)化裝備和智能化管理系統(tǒng)，提出整套果菜生產(chǎn)方法，構(gòu)建溫室蔬菜智能化精細(xì)生產(chǎn)系統(tǒng)。

*項(xiàng)目支持：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0701500）。

作者簡(jiǎn)介：李愷（1986-），男，山西太原人，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)工作。

[引用信息]李愷，王春輝，張凌風(fēng).設(shè)施果菜生產(chǎn)智能裝備研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及建議[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（07）：22-25.