莖葉類蔬菜生產(chǎn)技術(shù)裝備應(yīng)用與發(fā)展趨勢分析

肖宏儒 金 月 宋志禹 夏先飛 趙 映 梅 松 楊 光

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014）

我國莖葉類蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)水平低，存在機(jī)具功能單一、適應(yīng)性差、生產(chǎn)效率低、作業(yè)質(zhì)量差以及各環(huán)節(jié)機(jī)具不配套、與葉菜類蔬菜種植農(nóng)藝不匹配等問題。本文結(jié)合我國國情，選取雞毛菜、蘆蒿、西芹等莖葉類蔬菜，研究其生長特性和種植農(nóng)藝，總結(jié)分析國內(nèi)莖葉類蔬菜生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀，并以自主研制的整地播種、收獲作業(yè)裝備舉例分析，提出莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化當(dāng)前急需突破的關(guān)鍵技術(shù)和未來發(fā)展趨勢，對今后研究開發(fā)莖葉類蔬菜生產(chǎn)技術(shù)裝備指明方向。

我國是世界上蔬菜種類最多、種植面積最大的國家，2016年全國蔬菜播種面積2 232.83萬hm2，總產(chǎn)量79 779.7萬t（農(nóng)業(yè)部，2018）。蔬菜生產(chǎn)是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，勞動力成本占蔬菜生產(chǎn)總成本的65%，成為制約蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素。因此，大力發(fā)展蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)，研發(fā)通用、成套的蔬菜生產(chǎn)作業(yè)裝備具有重要意義。

針對莖葉類蔬菜規(guī)?；a(chǎn)要求、按生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)分類，莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械主要有整地機(jī)械、播種機(jī)械、田間管理機(jī)械和收獲機(jī)械等。目前，我國蔬菜生產(chǎn)綜合機(jī)械化水平約為20%（陳永生 等，2014），蔬菜播種和水肥施用存在嚴(yán)重的浪費，蔬菜定植還停留在半自動水平，蔬菜收獲大多依靠人工。本文以長三角地區(qū)典型密植栽培速生葉菜—雞毛菜，以及具有地方特色的莖葉類蔬菜—蘆蒿、西芹為例，分析蔬菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)機(jī)械化的研究現(xiàn)狀、實施效果及存在問題。

1 莖葉類蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)案例分析

近年來，在蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)過程中，耕整地和播種技術(shù)水平大幅度提高，但仍存在粘重土壤條件下碎土性差、導(dǎo)種管易堵塞的現(xiàn)象，裝備的可靠性差。而且現(xiàn)有的耕整地和播種機(jī)具多適用于平坦田塊，斜陡坡和丘陵地區(qū)很難推廣應(yīng)用。此外，莖葉類蔬菜收獲是勞動強(qiáng)度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)，目前主要依靠人工采收，機(jī)械化收獲需求迫切。針對上述問題，本文以果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊自主研制的莖葉類蔬菜生產(chǎn)作業(yè)裝備為案例，闡述技術(shù)與裝備研發(fā)的重點和難點，提出適宜莖葉類蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)的種植農(nóng)藝和機(jī)具配套要求，為推動莖葉類蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展和實現(xiàn)生產(chǎn)的全程機(jī)械化提供有力保障。

1.1 整地播種機(jī)應(yīng)用案例

1.1.1 葉菜整地播種復(fù)式作業(yè)機(jī) 雞毛菜種子小、播種量大，最適宜的機(jī)械化種植方式是條播。目前，國內(nèi)缺少集整地、做畦、播種、壓實多項功能于一體的莖葉類蔬菜聯(lián)合作業(yè)裝備，單一整地和播種裝備存在粘重土壤條件下耕作碎土性差、播種均勻性差和排種管易堵塞等問題。

針對上述問題，果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊研制出集旋耕、開溝、做畦、播種、平整、鎮(zhèn)壓功能于一體的復(fù)式作業(yè)機(jī)具，如圖1所示。該機(jī)具采用多種形式的刀片復(fù)合耕作的方式，碎土性和耕深一致性顯著提高；設(shè)計模塊化裝拆播種裝置，作業(yè)時可根據(jù)種植需要調(diào)節(jié)播種行數(shù)和行距；創(chuàng)新提出開溝或壓槽播種的方法，將種子均勻播到溝中，既能精確控制播種深度，又可以提高播種的均勻性。

圖1 葉菜整地播種復(fù)式作業(yè)機(jī)田間作業(yè)情況

此外，該機(jī)具設(shè)計的作業(yè)參數(shù)（表1）與收獲機(jī)配套，有效解決了耕種收環(huán)節(jié)機(jī)具不配套的問題，真正意義上實現(xiàn)雞毛菜從整地、播種到收獲的全程機(jī)械化。田間試驗結(jié)果表明，該機(jī)具作業(yè)效率達(dá)0.12 hm2·h-1，而人工作業(yè)每公頃每天預(yù)計需45～60人完成，機(jī)械化整地播種效率是人工的40倍以上，且采用機(jī)械化作業(yè)的畦面平整度和細(xì)碎度好，畦面堅實度可以滿足機(jī)械化收獲要求。

表1 葉菜整地播種復(fù)式作業(yè)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.1.2 西芹種植起壟、壓實、覆膜、打孔、播種、蓋沙一體機(jī) 西芹種子小、出苗弱，因此播種量和栽培密度大。傳統(tǒng)的種植方式是人工穴播后覆水洗沙蓋種，此種植方法不僅費工費時、效率低，而且播種的均勻性差、播種量大，種子浪費嚴(yán)重。采用機(jī)械作業(yè)需實現(xiàn)打膜孔、播種和蓋沙等一系列工序動作（肖宏儒 等，2015a）。

為解決西芹播種難題，果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊研制出西芹種植起壟、壓實、覆膜、打孔、播種、蓋沙一體機(jī)（圖2），采用氣壓打孔和旋轉(zhuǎn)劃孔復(fù)合打孔的原理，解決膜上打孔難題；采用氣壓排種技術(shù)輔助前期播種盒自動排種技術(shù)，解決西芹種粒過輕無法精準(zhǔn)落位和及時排種的問題；采用主動排沙與限位蓋沙同步技術(shù)，解決蓋沙量過大、落位不準(zhǔn)和濕沙流動性差的問題。使用該機(jī)具每667 m2可節(jié)約成本385元。

圖2 西芹種植起壟、壓實、覆膜、打孔、播種、蓋沙一體機(jī)田間作業(yè)情況

1.2 收獲機(jī)應(yīng)用案例

在莖葉類蔬菜的生產(chǎn)過程中，收獲作為勞動強(qiáng)度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)，約占整個生產(chǎn)作業(yè)量的40%（卞麗娜 等，2015）。隨著農(nóng)村勞動力日益短缺和雇傭成本逐年增加，對莖葉類蔬菜收獲裝備的需求也愈加迫切（王俊 等，2014；張瑞華 等，2015）。莖葉類蔬菜根據(jù)收集方式不同，主要分為有序收獲和無序收獲（糜南宏 等，2014），國內(nèi)的無序收獲技術(shù)與裝備研究起步較早，技術(shù)也相對成熟。但由于莖葉脆嫩易損傷，且缺少規(guī)范的種植農(nóng)藝，絕大多數(shù)的無序收獲機(jī)都存在損傷高和損失大的問題，實際能夠應(yīng)用和推廣的機(jī)具很少。

1.2.1 4GCD-600型葉菜收獲機(jī) 果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊研制的4GCD-600型葉菜收獲機(jī)（肖宏儒 等，2015b）適用于莖葉高度在10～25 cm范圍內(nèi)的葉菜無序收獲，可一次性完成葉菜的切割、輸送和收集作業(yè)，效率高；作業(yè)過程中無需對行收獲，操作簡單輕便；整機(jī)動力采用電驅(qū)動，噪音小、無污染，在零散田塊和設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛（圖3、表2）。

圖3 4GCD-600型葉菜收獲機(jī)田間作業(yè)情況

表2 4GCD-600型葉菜收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)具可與葉菜整地播種復(fù)式作業(yè)機(jī)配套使用，從畦的一側(cè)采用蛇形路線收獲作業(yè)，1.2 m寬的畦剛好分2次收完。田間試驗結(jié)果表明，該機(jī)具收獲雞毛菜的葉菜完整率＞92%，漏割率＜2%，漏拾率＜3%，平均生產(chǎn)率可達(dá)0.08 hm2·h-1，較人工收獲每667 m2節(jié)約成本200元以上。

1.2.2 4GCY-1200型手扶式葉菜有序收獲機(jī) 根據(jù)我國消費者的購買習(xí)慣，損傷小且整齊有序的莖葉類蔬菜銷售價格更高，經(jīng)濟(jì)效益好。我國莖葉類蔬菜種類多、差異大，采用機(jī)械化收獲普遍存在損傷高、效率低、歸齊難的問題。在莖葉類蔬菜有序收獲技術(shù)與裝備研究方面，果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊經(jīng)過多年努力，先后嘗試了10余種有序收獲方案，成功研制出4GCY-1200型手扶式葉菜有序收獲機(jī)（肖宏儒 等，2017），采用低損切割與有序輸送收集協(xié)同收獲技術(shù)，利用柔性輸送導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實現(xiàn)莖葉類蔬菜的側(cè)向有序堆放，使葉菜收集整齊不亂，適用于莖葉高度15～20 cm的葉菜有序收獲（圖4、表3）。

該機(jī)具對畦面的平整度和土壤堅實度要求較高，畦面不平、石土塊大會導(dǎo)致割茬不齊、切土等問題；畦面疏松易出現(xiàn)輪胎下陷打滑現(xiàn)象，切割高度也受影響。田間試驗結(jié)果表明，傳統(tǒng)的人工整地播種難以滿足機(jī)械化收獲的高要求，采用葉菜整地播種復(fù)式作業(yè)機(jī)種植的葉菜，機(jī)械化收獲效果好；該機(jī)具已通過權(quán)威部門的檢測，收獲葉菜完整率≥94%，漏割率＜2%，漏拾率＜2%，平均生產(chǎn)率可達(dá)0.09 hm2·h-1，傳統(tǒng)人工收獲1 hm2葉菜需要90～105人用時4 h完成，采用機(jī)械化收獲可大大提高作業(yè)效率，是人工收獲效率的30倍以上。

圖4 4GCY-1200型手扶式葉菜有序收獲機(jī)田間作業(yè)情況

表3 4GCY-1200型手扶式葉菜有序收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.2.3 蘆蒿有序收獲機(jī) 蘆蒿是長三角地區(qū)的典型、特色經(jīng)濟(jì)作物，也是莖葉類蔬菜的主要代表作物。蘆蒿的根狀莖稍粗，呈直立或斜向上，直徑4～10 mm，有匍匐地下莖。多生于低海拔地區(qū)的河湖岸邊與沼澤地帶，因此多依靠人工方式進(jìn)行收獲。成熟的蘆蒿株高60～70 cm，莖稈直徑1～2 cm，主要食用鮮嫩莖稈，農(nóng)藝要求切割高度3～5 cm。

果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊研制的蘆蒿有序收獲機(jī)（肖宏儒 等，2014）如圖5所示，采用蘆蒿導(dǎo)向架與扶蒿板機(jī)構(gòu)，收獲完成后通過旋轉(zhuǎn)蘆蒿導(dǎo)向架可以將收集箱體取下，更換空箱體繼續(xù)作業(yè)，實現(xiàn)了蘆蒿的有序機(jī)械化收獲。

1.2.4 4CCZ-1200型自走式菜茶收獲機(jī) 4CCZ-1200型自走式菜茶收獲機(jī)是果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊研制的一種適用于菜園、茶園的通用收獲機(jī) （圖6），主要由門形履帶底盤、往復(fù)式切割裝置、撥禾裝置、帶式輸送裝置、收集裝置和操控系統(tǒng)等組成，可一次性完成葉菜或茶葉的切割、輸送和收集作業(yè)。

該機(jī)具采用跨行履帶式行走系統(tǒng)、輸送帶內(nèi)嵌方式，有效優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)、縮短尺寸。收獲幅寬1 200 mm，履帶中心距1 500 mm，切割高度調(diào)整范圍0～800 mm。作業(yè)過程中，履帶跨于菜畦間或茶行間行走，具有不損傷菜畦或茶棚的優(yōu)點，露地收獲效率高，設(shè)施中同樣適用，而且可拓展用于收獲多茬莖葉類蔬菜（如蕹菜）、枸杞菜、薰衣草等。

圖5 蘆蒿有序收獲機(jī)田間作業(yè)情況

圖6 4CCZ-1200型自走式菜茶收獲機(jī)田間作業(yè)情況

2 適宜機(jī)械化生產(chǎn)的莖葉類蔬菜栽培模式分析

通過深入調(diào)研莖葉類蔬菜的栽培農(nóng)藝，以及對研制的整地播種和收獲樣機(jī)進(jìn)行田間試驗，發(fā)現(xiàn)種植制度不規(guī)范，如葉菜做畦的寬度與機(jī)械切割幅寬不一致；收獲前的耕種粗放，如畦面平整度和土壤細(xì)碎度差等，對收獲裝備作業(yè)性能有極大的影響。因此，本文結(jié)合莖葉類蔬菜的生長特性和栽培農(nóng)藝技術(shù)，從生產(chǎn)機(jī)械化的角度對莖葉類蔬菜栽培模式進(jìn)行分析。

以雞毛菜為例。雞毛菜是十字花科普通白菜（小白菜）的幼苗，屬于典型密植栽培速生葉菜，生長周期短，夏季高溫時一般為20～25天，冬季30天左右，多采用大棚內(nèi)做畦條播或撒播的種植方式，周年供應(yīng)。雞毛菜具有種子小、播種量大的特點，且莖葉十分鮮嫩易損，因此一般先采用小型手扶式旋耕機(jī)整地，再由人工將溝畦做好、畦面拉平，最后人工撒播或用手扶式播種機(jī)條播的種植方式，收獲也多以人工為主。目前，各地種植雞毛菜的幅寬尚未統(tǒng)一，整地做畦的精細(xì)化水平參差不齊，播種均勻性和株行距差異也較大，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)機(jī)械化水平的提高。

由于莖葉類蔬菜種類繁多、品種差異大，故機(jī)械化裝備研究起步晚，綜合機(jī)械化水平較低，因此缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參照。果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊參照目前其他作物生產(chǎn)機(jī)械化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合多年的研發(fā)經(jīng)驗，提出雞毛菜整地播種機(jī)應(yīng)達(dá)到如下要求：做寬矮畦、條播密植，播種行距10 cm，播種深度0.5 cm，每667 m2用種量1.5～2.0 kg；畦高合格率≥80%，畦面不平整度≤2 cm，畦體直線度≤5 cm，作業(yè)后畦形完整、畦溝回土少。雞毛菜收獲機(jī)應(yīng)滿足如下性能指標(biāo)：收獲葉菜完整率≥85%，漏割率≤3%，揀拾率≥95%。

3 莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展趨勢

3.1 莖葉類蔬菜生產(chǎn)實現(xiàn)全程機(jī)械化

近年來，莖葉類蔬菜機(jī)械化逐漸由早期的耕翻機(jī)械向播種、移栽、水肥藥管理、采收等方面延伸，覆蓋作業(yè)全程。目前，莖葉類蔬菜生產(chǎn)耕整地機(jī)械已相對成熟，育苗移栽取得重大突破，灌溉和植保技術(shù)突飛猛進(jìn)，但是收獲環(huán)節(jié)仍以人工采收為主，莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展嚴(yán)重失衡。因此，必須系統(tǒng)地研究蔬菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)作業(yè)機(jī)具，建立莖葉類蔬菜生產(chǎn)技術(shù)體系，實現(xiàn)莖葉類蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化。

3.2 技術(shù)多元化與裝備的多功能性

近年來，莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械的設(shè)計研發(fā)開始集成機(jī)、電、液、氣、控技術(shù)，發(fā)展成為綜合度較高的復(fù)雜機(jī)械裝備，對操作者的專業(yè)水平要求有所提高。此外，機(jī)具的功能大大增加，集多種作業(yè)功能于一體的復(fù)式作業(yè)裝備更多應(yīng)用在莖葉類蔬菜生產(chǎn)中，具有省時、高效、節(jié)本等特點，倍受菜農(nóng)青睞。

3.3 裝備的通用性有待提高

我國莖葉類蔬菜種類繁多，種粒特性、生長特性和種植農(nóng)藝多樣，如果研制的生產(chǎn)作業(yè)裝備通用性差，必然會增加蔬菜生產(chǎn)經(jīng)營的成本，大多數(shù)農(nóng)戶難以接收，制約著蔬菜生產(chǎn)機(jī)械的推廣。因此在考慮成本因素時，就要提高莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械的通用性，開發(fā)針對某大類葉類蔬菜種植和收獲的機(jī)型，或通過更換部分零部件，或通過調(diào)整工作參數(shù)來實現(xiàn)（姚會玲和徐麗明，2007）。此外，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)施種植莖葉類蔬菜的面積逐年增加，開發(fā)的生產(chǎn)作業(yè)裝備要盡可能緊湊、輕便，兼顧設(shè)施結(jié)構(gòu)與尺寸。

3.4 智能化水平進(jìn)一步提升

隨著莖葉類蔬菜機(jī)械化需求層次的進(jìn)一步提升，智能化控制技術(shù)在莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展中的應(yīng)用將更加廣泛。目前，歐美、日韓等國研發(fā)的蔬菜種植和收獲機(jī)具大多集成了駕駛導(dǎo)航定位系統(tǒng)、故障診斷與報警系統(tǒng)、精密播種、割臺提升與行走仿形等智能化控制系統(tǒng)，大大減少了種子的浪費，提升了收獲蔬菜的品相，降低了駕駛員的作業(yè)難度和強(qiáng)度。

我國莖葉類蔬菜生產(chǎn)作業(yè)裝備的智能化程度低，多數(shù)還是機(jī)械化、半自動化裝備，常見的控制如在收獲機(jī)的割臺上應(yīng)用自動提升控制系統(tǒng)。目前，我國農(nóng)機(jī)裝備上的智能控制系統(tǒng)還處于試驗研究階段，技術(shù)還需完善，離推廣應(yīng)用還有一定距離。此外，用于收獲過程的蔬菜數(shù)量、質(zhì)量信息的采集、智能化品質(zhì)識別和在線篩選等，也將是未來發(fā)展方向之一。

3.5 加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備和種植農(nóng)藝的緊密融合

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的實現(xiàn)越來越離不開農(nóng)藝的支持，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相輔相成，共同服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合效益。因此，在研發(fā)莖葉類蔬菜生產(chǎn)作業(yè)裝備前必須要深入調(diào)研莖葉類蔬菜的生長特性和種植農(nóng)藝，提出適宜機(jī)械化生產(chǎn)的栽培模式和各環(huán)節(jié)機(jī)具的配套要求。研發(fā)與農(nóng)藝相融合的莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械，規(guī)范種植農(nóng)藝，加強(qiáng)農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝融合是莖葉類蔬菜實現(xiàn)全程機(jī)械化的關(guān)鍵。

4 結(jié)論與討論

隨著農(nóng)村勞動力的不斷減少和莖葉類蔬菜需求量的日益增多，莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化是今后重要的研究和發(fā)展方向。我國莖葉類蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化研究起步晚，綜合機(jī)械化水平較低，蔬菜生產(chǎn)機(jī)械需要具有較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此通用性、多功能性和智能化是研究的重點。莖葉類蔬菜生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研發(fā)不僅要借鑒國內(nèi)外相關(guān)機(jī)型的成功經(jīng)驗，還要總結(jié)機(jī)械化生產(chǎn)的共性關(guān)鍵技術(shù)，裝備設(shè)計研發(fā)融入機(jī)、電、液、氣、控多項技術(shù)，規(guī)范莖葉類蔬菜的種植模式和區(qū)域種植規(guī)劃，將農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝有效融合，研制的生產(chǎn)作業(yè)裝備才能更加具有應(yīng)用和推廣價值，對實現(xiàn)莖葉類蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化具有重要意義。

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