以“農藝-農機-設施”深度融合推動設施園藝高效發展

宋衛堂 李明

引言

設施園藝是在環境相對可控條件下，利用塑料大棚、溫室等保護設施，綜合多種工程技術手段栽培蔬菜、花卉和果樹的現代農業生產方式。自20世紀80年代以來，中國開始快速發展設施園藝，設施面積迅猛增加，為消除冬春淡季的蔬菜供應不足、豐富供給品種做出了重要貢獻。

設施園藝屬于資金、技術和勞動力密集型產業。但受城鎮化進程和人口出生率等因素的影響，農村人口持續減少、老齡化現象嚴重，農業生產以老年人為主。此外，中國設施園藝機械化的整體水平僅為32.5%，很多作業環節嚴重依賴人工。但同時，蔬菜生產的勞動力成本卻在以每年17%的速度上漲，2015年，蔬菜生產的勞動力成本已經占到其生產總成本的一半以上。設施園藝產業雇工難、用工貴等問題愈發嚴重，嚴重制約著設施園藝的健康可持續生產。

近些年，設施園藝的生產裝備發展較快，但目前很多機械功能較單一、適應性較差，種植者需要購買多種機器，經濟壓力較大，而且機器閑置時間較長，不利于設施園藝機械化水平的提高。另外，很多設施園藝機具都是經簡單改進后從露地移植到設施內，對園藝設施的適應性較差，并且在作業性能、可靠性、耐久性等方面與國外先進機具還存在較大差距。尤為突出的問題是現有農藝措施和設施結構基本不能或很少能夠滿足農機裝備的運行要求。以日光溫室為例，室內作物的種植方向以南北為主，起壟、移栽、植保等機具必須要頻繁掉頭轉壟，導致作業質量和作業效率低下。同時壟間間距窄小，農機很難進入壟間進行作業。因此，作業機械在設施內“門難進、邊難耕、頭難掉、效難高”的現象普遍存在。

基于“農藝-農機-設施”深度融合的設施園藝生產系統設計

設施蔬菜生產系統是一個完整、有機的整體（圖1），組成這個系統的各要素、各部分之間，是相互依存又相互影響、相互促進又相互制約的關系，不能割裂開來。從系統中可以看出，機械化與設施結構、栽培模式之間，存在密切關系。三者之間的關系應該是“農機和設施服務農藝，農藝適應農機和設施”。

基于此，中國農業大學設施園藝工程團隊提出了基于“農藝-農機-設施”深度融合的設施園藝生產系統設計思路，從系統的角度消除農機裝備在應用過程中遇到的障礙，提高設施園藝機械化水平，緩解目前勞動力緊張對設施園藝產業的限制。該設計思路主要包含3方面內容：首先，構建適宜機械化的標準化栽培模式;然后，篩選適宜的農機裝備;最后，設計宜機化的園藝設施。

探索案例一：提升日光溫室蔬菜生產機械化水平的方案

用系統的觀點來分析“日光溫室蔬菜生產系統”會發現，系統中存在著兩對矛盾：農機與設施之間（南北跨度小與機具尺寸大）、農機與農藝之間（南北向種植與機具尺寸大）。正是這兩對矛盾，制約了日光溫室蔬菜生產系統機械化水平的提高。

表面上看，是設施結構與農機裝備之間的矛盾在起作用，即南北跨度小與機具尺寸大。但經深入分析后可知，本質上還是農藝與農機之間的矛盾，也就是“南北向種植”與“機具尺寸大”之間的矛盾。如果這對矛盾解決了，設施結構與農機裝備之間的矛盾也就迎刃而解;如果這對矛盾不解決，“門難進、邊難耕、頭難調、效難高”的“四難”問題會依然突出，機械化水平仍然不可能有較大的提高。

“南北向種植”與“機具結構尺寸大”這對矛盾，在農機裝備這一方不能突破、尺寸不能再縮小的情況下，需要從矛盾體的另一方尋找突破口，即將南北向種植改變為東西向種植。

因此，團隊提出了提升日光溫室蔬菜生產機械化水平的方案：東西向的栽培技術+改進的日光溫室+適宜的農機裝備。通過農藝上改變日光溫室的種植壟向、設施上開辟出農機進出通道等技術措施，使得機械設備能夠在日光溫室中高效率、高質量的完成作業。目前已經在塑料大棚中使用的較為成熟的農機具，完全可以在東西向種植的日光溫室中使用（因為日光溫室與大棚的跨度差不多，甚至更大），如：鏵式犁耕地，旋耕機整地，起壟、覆膜、鋪滴灌帶作業，移栽機移栽等。而這些作業的機械化，在蔬菜沒有采用東西方向種植、沒有在設施上為農機具留出進出通道的情況下，是無法實現的。

這種方案的優勢在于蔬菜的單位面積產量沒有降低;生產過程機械化率可達72%，幾個重要的、關鍵的作業環節都可實現機械化;溫室內的土地利用率提高;產量增加，經濟效益增加;農機作業質量、作業效率提高;需要人工減少、勞動強度降低;因此，日光溫室機械化發展中遇到的主要問題，基本都可以得到解決。

2019年團隊在銀川與國家大宗蔬菜產業技術體系銀川綜合實驗站合作的試驗結果顯示，番茄采用東西壟向土壤栽培模式，一棟600 m2的日光溫室，旋耕、起壟鋪滴灌帶、覆膜、移栽環節等機械作業，1人4 h可全部完成。而人工作業，起壟需6人次用時1天，移栽需4人次用時4 h。僅在起壟、移栽環節，采用機械作業即可節省人工成本1000元/667 m2以上。

探索案例二：宜機化塑料大棚的設計

為了提高南方塑料大棚的機械化水平，本團隊與國家大宗蔬菜產業技術體系溫州綜合實驗站等單位合作，研發了一種宜機化的塑料大棚。根據《農業機械化水平評價》（NY/T 1086.6-2016），該塑料大棚的機械化水平最高可達88%，可有效降低勞動強度。具體設計如下。

構建適于機械化的標準化栽培模式

如前所述，如果一味的要求改進農機裝備以適應和滿足農藝需求，結果是成本高、收效慢。經與國家大宗蔬菜產業技術體系高麗紅教授、徐堅研究員等專家共同研究后，我們首先對番茄栽培工藝進行調整，使其能滿足現有農機裝備的作業需求。針對土壤栽培番茄，首先將壟向設置為沿塑料大棚長度方向，避免農機的頻繁掉頭;其次，調研可用于大棚作業的農機裝備數據，初步確定宜機化壟型尺寸（圖3），確保機具的高效運行;最后，采用適于該壟型的單行定植、雙向吊蔓的方式進行栽培（圖4）。設定株距20 cm，種植密度1600～1700株/667 m2。

篩選適宜農機具

番茄栽培可大致分為耕整地、起壟、移栽和管理等4個環節。耕整地環節，適當深翻土壤有助于改善土壤結構及其理化性狀，實現增產。目前溫州當地旋耕深度較淺，一般在10～20 cm，不利于作物生長。通過對比，選用60馬力大棚王拖拉機配備無錫悅田農業機械科技有限公司生產的YTSF-145型蔬菜深松機進行耕整地，可實現耕深40 cm以上。起壟環節，同樣選用無錫悅田農業機械科技有限公司生產的YT10-A100型多功能田園管理機完成相關作業。移栽環節，根據栽培模式要求，選用寶雞市鼎鐸機械有限公司生產的鼎鐸2ZB-2A型原地調頭移植機進行移栽作業。

管理環節，玻璃溫室中常見的軌道式運輸車難以直接應用。為此，本團隊研發了履帶式多功能作業平臺，替代人工在塑料大棚內進行物料運輸，并輔助人工進行植株管理，降低勞動強度（圖5）。另外，該平臺還可搭載藥箱、噴頭等設備，進行遠程視頻遙控打藥，實現“人機分離”式植保，避免農藥接觸人體而對勞動者健康產生不利影響（圖6）。

設計宜機化塑料大棚

通過農藝調整和篩選農機后，基本可以確定大棚各部位所需的最小空間參數，可據此進行宜機化塑料大棚的設計。（1）為充分利用土地資源，確定了塑料大棚為南北方向。（2）初步設定沿塑料大棚長度方向栽培5壟番茄，室內靠近側墻的壟溝邊緣應與塑料大棚的邊緣位置留出一定的安全距離，以保證履帶式多功能平臺能在番茄兩側安全運行。綜上，最終確定塑料大棚跨度為9.6 m。（3）為滿足人、機作業的高度需求，確定塑料大棚肩高為2.4 m。并以充分利用鋼材為目標，在滿足鋼管彎曲工藝、屋面排水等構造要求的基礎上，確定大棚脊高4.5 m。（4）增加相關抗風構造，完成宜機化塑料大棚的剖面設計（圖7、圖8）。根據驗算，將塑料大棚骨架分為單層拱架和雙層拱架兩種。單層拱架間隔1 m，每隔兩榀單層拱架設置一榀雙層拱架。單層拱架由兩根8 m長冷彎鋼管（F32×2.5熱浸鍍鋅鋼管）拼接而成;雙層拱架是在單層拱架內側安裝一道拱架（F19×1.2熱浸鍍鋅鋼管），兩層拱架之間使用雙拱卡連接。（5）為了農機裝備的進出需求，將塑料大棚山墻設計為雙軌道三重推拉門，通過門的來回移動形成所需門洞尺寸。另外，在室內張掛保溫幕布，提高塑料大棚保溫性能。

致謝

本文參考了相關專家的研究成果，在此一并表示感謝！

*項目支持：現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-23-C02）;浙江省重點研發專項（2019C02009）。

作者簡介：宋衛堂（1968-），男，河南西平人，教授，博士生導師，主要研究方向：設施機械化裝備工程、設施園藝環境工程、無土栽培技術與裝備。

[引用信息]宋衛堂，李明.以“農藝-農機-設施”深度融合推動設施園藝高效發展[J].農業工程技術，2020，40（01）：44-47.