設(shè)施草莓標(biāo)準(zhǔn)化裝配式栽培架系統(tǒng)研究

楊雅婷+陳永生+管春松+高慶生+崔志超

【摘要】草莓是一種深受大眾喜愛的短季節(jié)栽培水果，溫室條件下的草莓已成為中國發(fā)展速度最快、效益最高的果樹樹種之一。溫室土壤草莓栽培勞動強度大，品質(zhì)難以進(jìn)一步提高，利潤空間低；無土架式栽培管理方便，實用性強，既可提高空間利用率，還大大降低勞動強度。其中“H”形栽培架的空間利用率高，管理簡便，應(yīng)用廣泛，但其溫室利用率不高，且架體體積龐大，運輸成本較高。因此，作者團(tuán)隊研發(fā)了移動裝配式草莓栽培架系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)化單元加工、現(xiàn)場組裝的方式降低了運輸和安裝成本，可根據(jù)溫室結(jié)構(gòu)的尺寸自由調(diào)節(jié)單元數(shù)量，適應(yīng)范圍廣；通過栽培架往復(fù)平移，充分利用了固定栽培架之間的人工作業(yè)通道，極大地提高了溫室空間利用率和單位面積種植密度；通過設(shè)計省力化搖臂的驅(qū)動方式和自動排水部件，降低了系統(tǒng)運行對人工的依賴，降低了用工數(shù)量和勞動強度。該系統(tǒng)為溫室高密度栽培和種植物流化管理提供了一種解決思路，有助于下一步實現(xiàn)溫室超高密度、超高產(chǎn)高架栽培模式。為設(shè)施草莓優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培提供了一種可復(fù)制模式，有助于滿足長江中下游地區(qū)的草莓有效供給，提高土地生產(chǎn)率和降低勞動生產(chǎn)強度。

草莓是一種深受大眾喜愛的短季節(jié)栽培水果，營養(yǎng)價值高，口感好，但其種植勞動力成本高、勞動強度大。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)保護(hù)性栽培結(jié)構(gòu)的發(fā)展，草莓實現(xiàn)了反季節(jié)栽培和避雨栽培，品質(zhì)也得到進(jìn)一步提升。設(shè)施草莓栽培面積逐年上升，已成為中國發(fā)展速度最快、效益最高的果樹樹種之一。

草莓溫室栽培可分為土壤栽培和無土栽培。土壤栽培的勞動強度大，通常栽培管理較為粗放，品質(zhì)難以進(jìn)一步提高，利潤空間低。無土栽培又可分為架式栽培、盆式栽培、槽式栽培、管道式栽培等多種方式，其中草莓架式栽培管理方便，實用性強，既可提高空間利用率，大大降低勞動強度，還為草莓采摘等休閑農(nóng)業(yè)提供了更多可能，備受農(nóng)業(yè)企業(yè)和農(nóng)戶喜愛。

根據(jù)栽培架結(jié)構(gòu)不同，架式栽培主要可分為“品”形、“X”形、“H”形等方式，其中“H”形空間利用率高，管理簡便，應(yīng)用廣泛。栽培架通常南北向平行放置，固定于地面，各平行的栽培架之間留有固定行距，是工人進(jìn)行田間管理和收獲的通道。通常栽培架需要按照生產(chǎn)企業(yè)或農(nóng)戶的草莓栽培農(nóng)藝要求定制，在裝備生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行鋼管下料、焊接、鉚接等工藝后，運至栽培溫室進(jìn)行地面固定安裝和連接。由于栽培架單元通常尺寸大于6000 mm×300 mm×850 mm，其運輸成本較高。因此，課題組開發(fā)了移動裝配式草莓栽培架系統(tǒng)，一方面降低了運輸成本，只需要運輸標(biāo)準(zhǔn)尺寸的管件、焊接好的“H”支撐部件和緊固件零件，在溫室現(xiàn)場通過管件套接、螺紋連接等方式即可完成安裝固定；另一方面，栽培架的總體尺寸更加靈活，可根據(jù)溫室空間大小和栽培要求隨意進(jìn)行栽培架單元的拼接裝配，使用方便靈活，橫向移動功能還大大提高了溫室空間利用率。在此基礎(chǔ)上，還開發(fā)了智能移動草莓栽培架系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了溫室空間利用率，降低了勞動強度。

設(shè)計思路

草莓移動式栽培架通常沿溫室天溝方向布置，根據(jù)栽培需要和溫室長度，可采用連接件組合多個栽培架單元，形成完整的草莓栽培架?？紤]到鍍鋅鋼管原料長度一般為6 m，因此栽培架單元長度也以6 m為標(biāo)準(zhǔn)，只需要運輸標(biāo)準(zhǔn)尺寸的管件、“H”形支撐部件和緊固件零件，均可實現(xiàn)高密度堆疊包裝，運輸體積小，可降低制造運輸成本；以栽培架單元長度6 m為基準(zhǔn)，再根據(jù)溫室結(jié)構(gòu)尺寸、栽培農(nóng)藝要求配置栽培架系統(tǒng)中單元數(shù)量，有助于實現(xiàn)溫室草莓栽培架系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化配置。

靠近作業(yè)區(qū)的栽培架單元端部應(yīng)安裝動力驅(qū)動部件，可帶動整體栽培架實現(xiàn)左右滑動，驅(qū)動栽培架實現(xiàn)平移，管理人員可在需要時進(jìn)行整枝、采摘等行間作業(yè)；作業(yè)結(jié)束后再次驅(qū)動栽培架平移，繼續(xù)進(jìn)行栽培架的行間作業(yè)，通過多個栽培架共用一個行間作業(yè)空間的方式，有效提高了空間利用率，見圖1。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

下面以8 m跨度連棟溫室為例，介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。通常單個草莓栽培架的栽培槽寬度為30 cm，考慮到架體穩(wěn)定平衡等因素，估算移動草莓架單個架體的占地寬度約為60 cm；考慮到工作人員操作的方便性和電動作業(yè)平臺的通過性，行間道寬度以100 cm為宜，溫室兩側(cè)應(yīng)當(dāng)各留30 cm的間距，由此得出架體數(shù)量宜取11，重新計算單個架體底部占地寬度為58.18 cm，取整得58 cm，見圖2。

移動栽培架系統(tǒng)主要包括栽培槽支架部件、動力傳動部件、軌道、行走部件4部分，其中行走機構(gòu)和動力傳動機構(gòu)是關(guān)鍵部件，見圖3。

栽培槽支架部件主要包括栽培槽支架、集水槽和加固桿。栽培槽支架長度取6 m，既實現(xiàn)移動栽培架單元標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)安裝，又減少管件的切割工作量，降低成本。長度方向的兩個相鄰栽培槽支架通過抱箍等活動件在現(xiàn)場與“H”形支撐架連接組裝，無需針對不同結(jié)構(gòu)溫室進(jìn)行設(shè)計，便于拆裝維修。栽培槽支架光管外側(cè)固定安裝卡槽，用于和卡簧配合安裝栽培用無紡布和塑料膜。

動力傳動部件主要包括手柄和鏈傳動機構(gòu)。手柄安裝在搖柄套中并鎖死，搖柄套與主動鏈輪的輪轂緊固，二者同步運動；主動鏈輪的內(nèi)圓周面與滾動軸承外圈配合，滾動軸承的內(nèi)圈與鋼管緊固；主動鏈輪通過鏈條帶動從動鏈輪，從動鏈輪與行走桿緊固，從而完成動力傳輸。

軌道、基座、地面平整度對系統(tǒng)運行有重要影響，必須保證基座上表面位于同一水平面，避免對軌道性能和鋼管使用壽命的影響。綜合考慮栽培架自重和生長期草莓栽培基質(zhì)的重量，通過計算得知單位長度軌道承重約為286 kg/m，選用6分管（Φ19.08 mm）即可滿足強度要求。

行走部件是該系統(tǒng)可正常可靠運行的保障，主要包括行走桿、限位片和滾動部件。行走桿與動力傳動部件的從動鏈輪連接，由從動鏈輪帶動行走桿滾動。限位片緊貼軌道外側(cè)，鉚接在行走桿上，防止行走桿在往復(fù)運動中發(fā)生橫向位移，造成栽培槽無法移動的現(xiàn)象。滾動裝置是行走部件的主要部分，實現(xiàn)了支撐栽培槽支架、配合行走桿滾動的重要功能，見圖4?；喗M和行走桿之間為滾動連接，考慮到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作性能、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，滑輪選擇50中型輪，外徑尺寸為5 cm，材料為尼龍，彈性好，耐磨，降低更換率。經(jīng)過計算，2個滑輪之間距離為6 cm?；喗M與連接座焊接，連接座上下部分通過螺栓連接緊固；栽培槽支架的底座從連接座中間穿過，實現(xiàn)滾動裝置和栽培槽支架的連接。行走桿在從動鏈輪轉(zhuǎn)動帶動下滾動，通過滾動裝置實現(xiàn)連接的滑輪組也隨之滾動，進(jìn)而帶動栽培槽支架整體滾動，實現(xiàn)栽培架的前后往復(fù)運動。endprint

應(yīng)用

2016年1月，該系統(tǒng)進(jìn)行了臺架試驗。試驗結(jié)果表明，8組標(biāo)準(zhǔn)栽培架單元組成的栽培架系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同步平移，操作簡單省力。隨后，2016年6月在江蘇常熟國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)安裝和試驗，標(biāo)準(zhǔn)化栽培架單元的設(shè)計使得安裝便捷快速。試驗表明，該系統(tǒng)運行情況良好，一個正常勞力即可完成裝填栽培基質(zhì)的、總長約42 m的移動栽培架的往復(fù)移動，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化單元快裝，提高了溫室利用率。但在系統(tǒng)運行過程中發(fā)現(xiàn)集水塑料膜排水不方便，見圖5，常需要人工輔助排水，因此對系統(tǒng)集水排水部分進(jìn)行了優(yōu)化。

在栽培架一端的集水塑料膜上安裝排水管，排水管出口通入溫室地基排水系統(tǒng)內(nèi)。由于排水管的自重，塑料膜底部向排水一端自然傾斜，消除了集水現(xiàn)象，并實現(xiàn)了自動排水，見圖6。

結(jié)論與展望

隨著社會發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動力資源緊缺，耕地資源瓶頸等問題凸顯，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面對越來越多的挑戰(zhàn)，必須通過科技手段來降低農(nóng)業(yè)工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率和土地利用率來解決或緩解這些問題。草莓移動栽培架系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化單元加工、現(xiàn)場組裝的方式降低了運輸和安裝成本，可根據(jù)溫室結(jié)構(gòu)的尺寸自由調(diào)節(jié)單元數(shù)量，適應(yīng)范圍廣；通過栽培架往復(fù)平移，充分利用了固定栽培架之間的人工作業(yè)通道，極大地提高了溫室空間利用率和單位面積種植密度；通過設(shè)計省力化搖臂的驅(qū)動方式和自動排水部件降低了系統(tǒng)運行對人工的依賴，降低了用工數(shù)量和勞動強度。

該系統(tǒng)為溫室高密度栽培和種植物流化管理提供了一種解決思路，有助于下一步實現(xiàn)溫室超高密度、超高產(chǎn)高架栽培模式。為設(shè)施草莓優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培提供了一種可復(fù)制模式，有助于滿足長江中下游地區(qū)的草莓有效供給，提高土地生產(chǎn)率和降低勞動生產(chǎn)強度。

Standardized Cultivation Frame System of Strawberry in Greenhouse*

Yang Yating， Chen Yongsheng**， Guan chunsong， Gao Qingsheng， Cui Zhichao

（ Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization （NRIAM） of National Ministry of Agriculture，Nanjing， Jiangsu 210014，China）

【Abstract】Strawberry cultivation has been developed rapidly as one of the most popular and profitable fruit. Labor strength of strawberry soil cultivation in protected facilities is large but quality and profit are hard to be increased in further. While strawberry soilless cultivation has the merit of high utility rate of space and low labor strength. Among these soilless cultivation， cultivation frame in “H” shape is easy to manage and applied widely， but the utility rate of greenhouse is not enough high yet， and the frame dimension is too big to be transported easily. So movable and assembled strawberry cultivation frame was invented. Standardizing cultivation frame units could be assembled in greenhouse in order to reduce transporting and installing cost， and the amount of all cultivation frame units could be adjusted according greenhouse size to adapt to different demands. Cultivation frame could be moved backwards and forwards， therefore passageways for workers to manage strawberry cultivation were reused in immovable cultivation frame system， and utility rate of greenhouse and planting density were enhanced in further. Dependence of cultivation frame system on labor， number of employees and labor strength were reduced by laborsaving manual drive mode and drainage operated automatically. The system provided a method of greenhouse high density cultivation and logistic cultivation management， which contributes to ultrahigh density and ultrahigh yield cultivation frame system. And the system also provided a greenhouse strawberry cultivation mode with high quality and yield， which could help to meet demands of strawberry consumption.endprint