國內外設施蔬菜機械化發展現狀分析及對策*

王江，李浩，馬志偉，郝建軍，劉文科

(1. 河北農業大學機電工程學院，河北保定，071001； 2. 河北省智慧農業裝備技術創新中心，河北保定，071001；3. 河北農業大學農村發展學院，河北保定，071001；4. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京市，100081)

0 引言

蔬菜是人們日常生活中必不可少的重要食品,我國幅員遼闊，人口眾多，對蔬菜需求量很大。為解決我國蔬菜供給不均衡、消費者對反季蔬菜高需求的問題，需要在不適宜露地種植蔬菜的季節，利用日光溫室、塑料拱棚、遮陽棚、網棚等設施，創造適宜蔬菜生長的環境條件，進行設施蔬菜生產。

2020年全國溫室設施大棚栽培面積達3 700 khm2，其中連棟溫室面積達到1 000 khm2，設施栽培總面積已突破4 000 khm2，設施蔬菜種植面積在不斷擴大[1]。2022年1月農業農村部頒布的《“十四五”全國農業機械化發展規劃》明確指出, 加快推進農業機械化全程全面和高質量發展，到2025年設施農業、畜牧養殖、水產養殖和農產品初加工機械化率總體達到50%以上，2035年實現設施種植、農產品初加工機械化促進農產品增值能力顯著增強，“機械化+”信息化、智能化全面應用于農業機械化管理、作業監測與服務。隨著人們對設施蔬菜的需求日益增加，設施蔬菜種植面積與日俱增，但設施蔬菜產業化程度仍處于較低的發展水平，設施蔬菜產量供不應求，蔬菜品質得不到保障。設施裝備和機械化生產是設施蔬菜產業高質量發展的重要支撐，目前我國設施蔬菜生產大部分仍處于人工作業模式，遠達不到機械化標準作業要求，為實現設施蔬菜產業高水平快速發展，我國設施蔬菜機械化、自動化水平較低的問題亟需解決。為此，通過分析目前國內外設施蔬菜機械化發展的現狀與特點，為我國設施蔬菜發展方向提供參考。

1 國外設施蔬菜機械化發展現狀

1.1 美國設施蔬菜機械化發展現狀

美國的市場經濟發達，設施產業發展處于世界領先水平，實現了產業化、規模化生產。美國的設施蔬菜生產區域呈現集中化、布局專業化和服務社會化的特點，設施蔬菜機械化水平高，從選種、耕整地、播種、收獲到運輸加工都已實現了機械化作業。如圖1所示，農業機器人廣泛應用于作業生產過程中，顯著增加了工作效率與質量[2]。佛羅里達大學開發了用于人—機器人協作的隨機優化模型，使用風險規避框架來確定最優的服務策略，最小化經濟損失的風險[3]。美國某公司研制的自動機器人執行多種農業功能，通過機器學習模型、計算機視覺和高精度機械工具，干凈地采摘雜草，同時消除有害的化學物質輸入[4]。

圖2所示為美國設施蔬菜內部布局。美國有發達的設施栽培技術，綜合環境技術水平高，設施向連棟化方向發展。美國設施蔬菜機械趨向多功能化、智能化發展，可選用的機具種類多，機具質量穩定可靠，使用壽命長，標準化、系列化、通用化程度高，售后服務便利。作業機械通過與物聯網、計算機技術結合，對設施的空氣濃度、溫度、濕度、水分等進行實時檢測與監控，并與大數據相耦合, 實現了自動化調控，極大地提高了生產效率，在保證產量的同時還提高了品質，有效增加了設施蔬菜的經濟效應[5],納米材料在作物加工設備上得到應用，太陽能作物烘干機、作物剝皮和打包機械上都有納米材料的應用[6]。

(a) 采摘機器人

圖2 美國設施蔬菜內部布局

1.2 日本設施蔬菜機械化發展現狀

日本國土面積小，約75%屬山地丘陵地帶，極大限制了日本農業的發展。據日本農林水產省的最新統計,日本設施農業面積達到421 643 km2，其中約有67%種植蔬菜，11%種植果樹，其他則種植水稻育苗、花卉以及養殖畜禽等，日本設施農業總量不大，但特色鮮明，機器朝著小型化、輕便化方向發展[7]。日本設施蔬菜生產采用先進的栽培技術，機械化程度高，農機農藝有效融合，除部分果菜類的采收環節尚未實現機械化外，蔬菜生產基本實現了機械化[8]。日本山岡大學開發了菜用大豆分選設備,分選效率達到85 kg/h,是人工分選的7倍[9]。日本富士集團聯合九州大學,發揮各自的優勢,加快人工智能技術在農業產業的應用[10]。日本還建造了世界上最為先進的植物工廠，采用完全封閉生產、人工補充光照，全部由計算機控制。近年來日本還研制了一種遙感溫室環境控制系統，將分散的溫度群與計算機控制中心連接，從而實現更大范圍的溫室自動化管理[11]。

日本設施蔬菜機械相比于歐美等國家偏小，也適用于我國設施蔬菜機械作業，但價格比較昂貴。日本設施蔬菜移栽機、蔬菜栽培機械向高性能、低油耗、自動化和智能化方向發展，耕作質量效果較高，滿足農藝要求。采用精準的溫濕度檢測調節設備對設施進行通風降溫、保溫和加溫，實現了自動化調控,并配備先進的運輸設備、智能化采摘及后加工處理系統、精準的水肥監控系統實現設施生產的智能化管理,實現園藝作物優質高產的目標[12]。

1.3 荷蘭設施蔬菜機械化發展現狀

荷蘭農業發展處于領先水平，其蔬菜產量穩居世界前列。目前，荷蘭的溫室設施面積為110 khm2，占世界玻璃溫室面積的1/4，主要用來種植蔬菜和花卉[13]。荷蘭制定了相關計劃并加大了研究力度,荷蘭設施農業采用規模化生產方式，設施蔬菜實現了從機械化、裝備化、自動化、物流化到智能化的生產。荷蘭公司發的水培蔬菜工廠化生產系統代表了水培蔬菜的世界先進水平，整個生產過程全部在智能溫室系統中進行[14]。圖3為荷蘭生產的ISO plant sampler，可自動收集種子DNA材料[15]。圖4所示為荷蘭設施蔬菜機械化收獲作業過程，控制技術與配套裝備在設施園藝中廣泛使用，具有動力平臺專用化、生產全程機械化和生產管理智能化的特點,代表了世界領先水平[16-20]。以黃瓜、番茄這兩種常見的蔬菜為例，在設施生產中，廣泛采用生產率較高的自動化生產線，例如：精量播種自動化生產線、蔬菜嫁接作業生產線以及蔬菜巖棉塊種苗生產線等，荷蘭研發了自動化裝備較完善的蔬菜巖棉塊種苗生產線，并在多家蔬菜育苗企業中應用，減少了各個環節之間的作業時間，降低了作業勞動強度，大大提高了總體作業生產率[21]。

圖3 ISO植物取樣器

圖4 荷蘭設施蔬菜收獲作業過程

1.4 以色列設施蔬菜機械化發展現狀

以色列位于中東地區，全年降水稀少，雨熱不同期，是世界上淡水資源十分匱乏的國家之一，其國土干旱半干旱地區面積約占總面積的75%以上，沙化嚴重，這些不利氣候條件對以色列國內農業的發展起到了限制作用。高效的灌溉體系是以色列設施園藝最顯著的特征，以色列專注于水肥技術，在節水灌溉方面處于世界前列。設施農業生產大力發展滴灌、噴灌和微噴灌等技術，圖5所示為以色列設施蔬菜灌溉設備，在節水灌溉裝備方面，現代化的滴灌和噴灌系統都配備溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境因子的電子傳感器，利用計算機技術測定水肥含量并進行線性規劃，施肥和灌溉同時進行，封閉的輸水和配水灌溉系統極大地減少了灌溉過程中的滲漏和蒸發損失，有效克服了不利的自然環境與氣候對蔬菜產量的影響，提高了蔬菜的產量。

以色列注重設施機械裝備產品的研究與開發，創新研制的現代薄膜可抗除蟲劑中硫化物的腐蝕，還能抵擋陽光中對植物有害的光譜[22]。圖6為以色列某公司開發的GROW的多用途機器人，可以在溫室內執行勞動密集型任務，還設計溫室番茄自動收割機，減少采摘過程中對產品的損害，并提高效率[23]。

圖5 以色列設施蔬菜灌溉設備

圖6 GROW機器人

2 國內設施蔬菜機械化發展現狀

經過30多年的發展，我國設施蔬菜產業取得了巨大成就，形成了低碳、節能、低成本的獨具特色的發展道路，我國設施蔬菜規模逐年增加，同時也存在著土壤連作障礙嚴重、蔬菜生產機械化水平低、勞動強度大、生產效率低等問題，對我國設施蔬菜產業的發展起到了一定的制約作用。

2.1 設施蔬菜耕整地機械化發展

蔬菜是典型的精耕細作生產方式，主要包括土地耕整、直播、育苗、移栽、田間管理和收獲等生產環節[24-26]。在蔬菜生產過程中，耕整地、開溝起壟、覆膜等已基本實現了機械化作業，極大地減少了人工強度。但我國對于設施蔬菜專用機械研究起步較晚，用于設施蔬菜作業的耕整地機械大多用大田機械替代，或者將大田作業機具經過簡單的改裝來進行耕整地作業。表1為我國研發的幾種耕整地機械，由于微耕機尺寸較小，適用于溫室機械作業，但目前研制的微耕機自動化程度不夠，不能實現一機多用，造成人力物力資源浪費。未來應加強關于設施蔬菜耕整地機械小型化、輕量化及智能化的研究，加強以電力等清潔能源為動力的作業機械的研發，減少污染，緩解資源短缺。與此同時，結合不同種類設施蔬菜對于土地耕作要求不同，將農機農藝相結合，增加作業機械的種類，滿足不同作物對于不同作業要求的需求，提高作業機械的耕作質量與效率。

表1 整地機械 Tab. 1 Land preparation machinery

2.2 設施蔬菜播種機械化發展現狀

在蔬菜種子播種機械方面，按照大棚蔬菜播種機的動力源可以分為人力手扶式播種機、汽油機動力播種機以及電動播種機3種類型。表2為我國研發的蔬菜播種機[27]，播種時對蔬菜種子造成損傷較少，少播、漏播和重播等現象出現較少。但目前設施蔬菜播種機械種類較少，可選用機型不多，進行不同類型作物種子播種時，需要更換排種器，機器通用性較低，增加了作業時間、成本花費與勞動強度。未來應加強自動化技術在播種機器上的應用，加強研發適用于日光溫室的播種機械開發，設計智能監控系統功能模塊等實現精密播種，提高設施蔬菜播種機的智能化水平，減少人工強度，提高播種效率。

表2 蔬菜播種機Tab. 2 Vegetable planter

2.3 設施蔬菜收獲機械化發展現狀

按照收取蔬菜部位不同，可分為根菜類收獲機、果菜類收獲機、葉菜類收獲機等類型[28-29]。由于蔬菜的果實、枝葉相對脆弱，因此在研究設施蔬菜收獲機械時，應先考慮蔬菜的幾何形狀、物理特性，盡可能減少采摘過程中對蔬菜的損傷，保證蔬菜的產量與品質。目前，我國設施蔬菜的采收大多采用人工進行，損傷率較低，但人工作業強度大、耗時長、成本高。

我國研發的蔬菜采摘機械如表3所示，目前對于大蒜、甘藍等露天大規模種植蔬菜的收獲機研究比較成熟，機器作業效率較高，但對設施蔬菜收獲機的研究比較匱乏。雖然我國展開了設施蔬菜收獲機械的相關研究，但研發的作業機械成熟度不夠，關鍵技術尚未解決，存在工作效率低、蔬菜損傷率大等問題，目前運用于實際生產中的不多。相較于歐美等發達國家，設施蔬菜收獲機械的發展還處于比較落后的地位。我們應該針對設施蔬菜的物理特性，研發適宜生產的蔬菜收獲機，同時加強采摘機器人和新能源動力設施蔬菜收獲機的研究，借助機器視覺、傳感器等自動化技術實現設施蔬菜收獲機械智能化發展，提高蔬菜采摘的質量與效率，減少人工作業強度。

表3 蔬菜采摘機械Tab. 3 Vegetable picking machinery

3 我國設施蔬菜機械化存在的問題

由于各地區社會經濟發展程度不同，設施蔬菜產業發展存在一定的差異，難以形成統一的標準化種植模式。設施蔬菜生長處于較復雜的環境，在作業過程中對機械設備要求較高。隨著設施蔬菜產業的發展，我國也不斷加強設施蔬菜機械裝備研發的重視程度，我國設施蔬菜生產中各作業環節的機械裝備都處于快速發展的階段，但設施蔬菜裝備關鍵技術并沒有得到改善，技術水平尚不成熟，就目前現有的發展情況來看，仍存在著一些問題。

3.1 機械化程度水平總體低下

目前我國設施蔬菜機械化水平不足25%，遠低于國際水平，還處于初始的生產機械化階段，南北地區機械化作業也因自然條件、社會經濟條件等因素存在明顯的差異，雖然部分作業環節的機械化水平較高，但整體作業水平較低。目前對于設施蔬菜機械化裝備研究主要集中在耕整地和植保等作業環節，在栽培、收獲、灌溉施肥、初加工等環節機械化裝備研究不多，主要表現在機具種類少、生產效率低、智能精準化作業水平不高等方面。

3.2 專用機械與通用機械缺乏

目前，專用于設施蔬菜生產的機械種類單一，可選用機型較少。用于設施蔬菜的機械一般是在大田作業機械上改進而成，生產率較低，作業質量差，有些大田機械并不能適用于設施狹窄的空間進行工作。設施蔬菜專用機械的缺乏導致作業效果滿足不了農藝要求，尤其是在蔬菜采收時，蔬菜易被損壞，影響設施蔬菜的產量與品質。

設施蔬菜的通用機械缺乏主要體現在在播種機械上，受到種子形狀、大小及含水率等特征的影響，播種不同作物時需要更換不同類型的排種器，降低了生產效率，提高了作業成本，還增加了勞動強度。對采摘運輸及后加工等環節的作業機具研究已經逐步進行，目前并沒有特別適宜的機具運用實際生產。

3.3 農機農藝融合程度低

設施蔬菜采用精耕細作生產方式，農機既要滿足耕作的要求，還要滿足作物生長農藝要求。在作業時，易出現耕深不夠、耕深不一致、重耕漏耕、土壤細碎度不一致、破碎度不夠等問題，農機作業質量往往達不到作物生長最適宜的條件，作物的品質與產量得不到有效保證。種植農藝與機械化生產方式的集成度、系統性不夠,使得設施蔬菜的經濟效益大大降低。

4 設施蔬菜機械化發展對策

隨著社會經濟的快速發展，設施蔬菜產業的不斷擴大，為保證設施蔬菜產品保質保量的生產，有必要推行設施蔬菜標準化種植模式，推進產業生產機械化水平。雖然我國設施蔬菜產業機械化發展處于起步階段，但已開始加強對設施蔬菜機械裝備研發，并取得了一系列的突破與進展，未來我國設施蔬菜機械裝備發展應注重以下方面。

4.1 加強自主創新意識，推進科技創新，因地制宜

我國地域遼闊，自然環境存在明顯的差異，我們應因地制宜，推廣標準化溫室設施，北方以節能日光溫室為主、南方以塑料大棚為主。研究適宜的設施機械，重點解決設施蔬菜栽培、收獲、運輸及后加工等環節機械化程度低的問題，增加自主創新能力，研發適合我國設施蔬菜生產的機具。樹立和落實新的發展理念，在設施蔬菜機械化發展過程中，加大對基礎設施與關鍵技術裝備的研發的投入，加快無人駕駛、圖像識別、柔性夾持等技術在設施蔬菜生產過程中的應用，降低勞動強度，減少作業損失。

4.2 推進生產作業機械化、智能化，加快新材料以及農業機器人新技術的應用

目前，我國設施農業規模不斷擴大，但總體來說，機械化水平仍舊低下。各地應該充分吸收國內外先進的技術成果與經驗，形成自己的品牌效應，讓更多的“壽光”模式出現。加大創新投入力度，突破作業產前、產中及產后關鍵環節裝備短缺的短板，推動設施設備與溫室結構集成配套，加強生產作業各環節設備之間的協調配套。讓機具工作穩定可靠，增強生產效率。推動信息化和機械化融合，結合物聯網、新材料、計算機、大數據等先進技術，實現設施蔬菜光、溫、水、肥及空氣的檢測，形成自動化生產，突破關鍵技術裝備的研發與應用。

4.3 提高研產率，提升科技支撐能力，推進標準化生產

我國對于設施蔬菜相關機具研究很多，也取得了一定的成果，但還不能夠很好地運用于實際生產中。創新力度不夠，沒能夠形成自己的系列標準，產出率較低，使得成本增加。各科研院所、學校及公司研發部門等應加強最新技術與信息交流與合作，加大科研力度，提高機械化水平。加強設施蔬菜機械作業要求與農藝要求相匹配，提高機械競爭力水平，提高作業質量，加大設施蔬菜生產機械化作業、智能化控制、產品后加工處理、產前預處理等關鍵技術的研發與投入，加快科技成果轉化與推廣。

4.4 完善社會服務體系，加強公共服務

政府部門應加大對設施蔬菜產業發展的扶持力度，出臺相關的政策發揮積極的引導作用，建立信息共享平臺，實現信息的共享。推進農機農藝融合的機械化生產模式，提高生產標準，組織開展生產標準制定、質量檢測、技術推廣等服務，加強安全管理與監督。加強對操作人員機械操作及農藝要求的培訓，加強機械售后服務，開展設施種植機械化發展情況動態監測，加強發展指導。為設施蔬菜機械化發展提供保障。

5 結語

綜上所述，我國設施蔬菜機械化、智能化以及標準化研究和推廣使用的任務還很艱巨，道路還很漫長。面對我國對設施蔬菜需求量的增加問題，更加高效，保質保量的生產是當務之急，設施蔬菜機械化、智能化生產是主要的發展方向。未來我們應該按照設施蔬菜特定的環境以及設施蔬菜對特定生長環境的需求，加大對設施蔬菜各個作業環節機具的開發，與現代信息技術相結合，小型化、輕量化的同時提高機器自動化、智能化水平，提高作業質量與效率。設計和優化設施蔬菜機械關鍵部件，借鑒國外的研究，設計適合于我國使用的設施蔬菜機械。