宋衛(wèi)堂 李明
引言
設(shè)施園藝是在環(huán)境相對(duì)可控條件下,利用塑料大棚、溫室等保護(hù)設(shè)施,綜合多種工程技術(shù)手段栽培蔬菜、花卉和果樹(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。自20世紀(jì)80年代以來(lái),中國(guó)開(kāi)始快速發(fā)展設(shè)施園藝,設(shè)施面積迅猛增加,為消除冬春淡季的蔬菜供應(yīng)不足、豐富供給品種做出了重要貢獻(xiàn)。
設(shè)施園藝屬于資金、技術(shù)和勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)。但受城鎮(zhèn)化進(jìn)程和人口出生率等因素的影響,農(nóng)村人口持續(xù)減少、老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以老年人為主。此外,中國(guó)設(shè)施園藝機(jī)械化的整體水平僅為32.5%,很多作業(yè)環(huán)節(jié)嚴(yán)重依賴人工。但同時(shí),蔬菜生產(chǎn)的勞動(dòng)力成本卻在以每年17%的速度上漲,2015年,蔬菜生產(chǎn)的勞動(dòng)力成本已經(jīng)占到其生產(chǎn)總成本的一半以上。設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)雇工難、用工貴等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重,嚴(yán)重制約著設(shè)施園藝的健康可持續(xù)生產(chǎn)。
近些年,設(shè)施園藝的生產(chǎn)裝備發(fā)展較快,但目前很多機(jī)械功能較單一、適應(yīng)性較差,種植者需要購(gòu)買(mǎi)多種機(jī)器,經(jīng)濟(jì)壓力較大,而且機(jī)器閑置時(shí)間較長(zhǎng),不利于設(shè)施園藝機(jī)械化水平的提高。另外,很多設(shè)施園藝機(jī)具都是經(jīng)簡(jiǎn)單改進(jìn)后從露地移植到設(shè)施內(nèi),對(duì)園藝設(shè)施的適應(yīng)性較差,并且在作業(yè)性能、可靠性、耐久性等方面與國(guó)外先進(jìn)機(jī)具還存在較大差距。尤為突出的問(wèn)題是現(xiàn)有農(nóng)藝措施和設(shè)施結(jié)構(gòu)基本不能或很少能夠滿足農(nóng)機(jī)裝備的運(yùn)行要求。以日光溫室為例,室內(nèi)作物的種植方向以南北為主,起壟、移栽、植保等機(jī)具必須要頻繁掉頭轉(zhuǎn)壟,導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率低下。同時(shí)壟間間距窄小,農(nóng)機(jī)很難進(jìn)入壟間進(jìn)行作業(yè)。因此,作業(yè)機(jī)械在設(shè)施內(nèi)“門(mén)難進(jìn)、邊難耕、頭難掉、效難高”的現(xiàn)象普遍存在。
基于“農(nóng)藝-農(nóng)機(jī)-設(shè)施”深度融合的設(shè)施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)完整、有機(jī)的整體(圖1),組成這個(gè)系統(tǒng)的各要素、各部分之間,是相互依存又相互影響、相互促進(jìn)又相互制約的關(guān)系,不能割裂開(kāi)來(lái)。從系統(tǒng)中可以看出,機(jī)械化與設(shè)施結(jié)構(gòu)、栽培模式之間,存在密切關(guān)系。三者之間的關(guān)系應(yīng)該是“農(nóng)機(jī)和設(shè)施服務(wù)農(nóng)藝,農(nóng)藝適應(yīng)農(nóng)機(jī)和設(shè)施”。
基于此,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施園藝工程團(tuán)隊(duì)提出了基于“農(nóng)藝-農(nóng)機(jī)-設(shè)施”深度融合的設(shè)施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,從系統(tǒng)的角度消除農(nóng)機(jī)裝備在應(yīng)用過(guò)程中遇到的障礙,提高設(shè)施園藝機(jī)械化水平,緩解目前勞動(dòng)力緊張對(duì)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的限制。該設(shè)計(jì)思路主要包含3方面內(nèi)容:首先,構(gòu)建適宜機(jī)械化的標(biāo)準(zhǔn)化栽培模式;然后,篩選適宜的農(nóng)機(jī)裝備;最后,設(shè)計(jì)宜機(jī)化的園藝設(shè)施。
探索案例一:提升日光溫室蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化水平的方案
用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)分析“日光溫室蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)”會(huì)發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)中存在著兩對(duì)矛盾:農(nóng)機(jī)與設(shè)施之間(南北跨度小與機(jī)具尺寸大)、農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝之間(南北向種植與機(jī)具尺寸大)。正是這兩對(duì)矛盾,制約了日光溫室蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)械化水平的提高。
表面上看,是設(shè)施結(jié)構(gòu)與農(nóng)機(jī)裝備之間的矛盾在起作用,即南北跨度小與機(jī)具尺寸大。但經(jīng)深入分析后可知,本質(zhì)上還是農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)之間的矛盾,也就是“南北向種植”與“機(jī)具尺寸大”之間的矛盾。如果這對(duì)矛盾解決了,設(shè)施結(jié)構(gòu)與農(nóng)機(jī)裝備之間的矛盾也就迎刃而解;如果這對(duì)矛盾不解決,“門(mén)難進(jìn)、邊難耕、頭難調(diào)、效難高”的“四難”問(wèn)題會(huì)依然突出,機(jī)械化水平仍然不可能有較大的提高。
“南北向種植”與“機(jī)具結(jié)構(gòu)尺寸大”這對(duì)矛盾,在農(nóng)機(jī)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?yōu)闁|西向種植。
因此,團(tuán)隊(duì)提出了提升日光溫室蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化水平的方案:東西向的栽培技術(shù)+改進(jìn)的日光溫室+適宜的農(nóng)機(jī)裝備。通過(guò)農(nóng)藝上改變?nèi)展鉁厥业姆N植壟向、設(shè)施上開(kāi)辟出農(nóng)機(jī)進(jìn)出通道等技術(shù)措施,使得機(jī)械設(shè)備能夠在日光溫室中高效率、高質(zhì)量的完成作業(yè)。目前已經(jīng)在塑料大棚中使用的較為成熟的農(nóng)機(jī)具,完全可以在東西向種植的日光溫室中使用(因?yàn)槿展鉁厥遗c大棚的跨度差不多,甚至更大),如:鏵式犁耕地,旋耕機(jī)整地,起壟、覆膜、鋪滴灌帶作業(yè),移栽機(jī)移栽等。而這些作業(yè)的機(jī)械化,在蔬菜沒(méi)有采用東西方向種植、沒(méi)有在設(shè)施上為農(nóng)機(jī)具留出進(jìn)出通道的情況下,是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
這種方案的優(yōu)勢(shì)在于蔬菜的單位面積產(chǎn)量沒(méi)有降低;生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化率可達(dá)72%,幾個(gè)重要的、關(guān)鍵的作業(yè)環(huán)節(jié)都可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化;溫室內(nèi)的土地利用率提高;產(chǎn)量增加,經(jīng)濟(jì)效益增加;農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效率提高;需要人工減少、勞動(dòng)強(qiáng)度降低;因此,日光溫室機(jī)械化發(fā)展中遇到的主要問(wèn)題,基本都可以得到解決。
2019年團(tuán)隊(duì)在銀川與國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系銀川綜合實(shí)驗(yàn)站合作的試驗(yàn)結(jié)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(huán)節(jié)等機(jī)械作業(yè),1人4 h可全部完成。而人工作業(yè),起壟需6人次用時(shí)1天,移栽需4人次用時(shí)4 h。僅在起壟、移栽環(huán)節(jié),采用機(jī)械作業(yè)即可節(jié)省人工成本1000元/667 m2以上。
探索案例二:宜機(jī)化塑料大棚的設(shè)計(jì)
為了提高南方塑料大棚的機(jī)械化水平,本團(tuán)隊(duì)與國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系溫州綜合實(shí)驗(yàn)站等單位合作,研發(fā)了一種宜機(jī)化的塑料大棚。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平評(píng)價(jià)》(NY/T 1086.6-2016),該塑料大棚的機(jī)械化水平最高可達(dá)88%,可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度。具體設(shè)計(jì)如下。
構(gòu)建適于機(jī)械化的標(biāo)準(zhǔn)化栽培模式
如前所述,如果一味的要求改進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備以適應(yīng)和滿足農(nóng)藝需求,結(jié)果是成本高、收效慢。經(jīng)與國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系高麗紅教授、徐堅(jiān)研究員等專家共同研究后,我們首先對(duì)番茄栽培工藝進(jìn)行調(diào)整,使其能滿足現(xiàn)有農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)需求。針對(duì)土壤栽培番茄,首先將壟向設(shè)置為沿塑料大棚長(zhǎng)度方向,避免農(nóng)機(jī)的頻繁掉頭;其次,調(diào)研可用于大棚作業(yè)的農(nóng)機(jī)裝備數(shù)據(jù),初步確定宜機(jī)化壟型尺寸(圖3),確保機(jī)具的高效運(yùn)行;最后,采用適于該壟型的單行定植、雙向吊蔓的方式進(jìn)行栽培(圖4)。設(shè)定株距20 cm,種植密度1600~1700株/667 m2。
篩選適宜農(nóng)機(jī)具
番茄栽培可大致分為耕整地、起壟、移栽和管理等4個(gè)環(huán)節(jié)。耕整地環(huán)節(jié),適當(dāng)深翻土壤有助于改善土壤結(jié)構(gòu)及其理化性狀,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。目前溫州當(dāng)?shù)匦疃容^淺,一般在10~20 cm,不利于作物生長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)比,選用60馬力大棚王拖拉機(jī)配備無(wú)錫悅田農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的YTSF-145型蔬菜深松機(jī)進(jìn)行耕整地,可實(shí)現(xiàn)耕深40 cm以上。起壟環(huán)節(jié),同樣選用無(wú)錫悅田農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的YT10-A100型多功能田園管理機(jī)完成相關(guān)作業(yè)。移栽環(huán)節(jié),根據(jù)栽培模式要求,選用寶雞市鼎鐸機(jī)械有限公司生產(chǎn)的鼎鐸2ZB-2A型原地調(diào)頭移植機(jī)進(jìn)行移栽作業(yè)。
管理環(huán)節(jié),玻璃溫室中常見(jiàn)的軌道式運(yùn)輸車(chē)難以直接應(yīng)用。為此,本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了履帶式多功能作業(yè)平臺(tái),替代人工在塑料大棚內(nèi)進(jìn)行物料運(yùn)輸,并輔助人工進(jìn)行植株管理,降低勞動(dòng)強(qiáng)度(圖5)。另外,該平臺(tái)還可搭載藥箱、噴頭等設(shè)備,進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻遙控打藥,實(shí)現(xiàn)“人機(jī)分離”式植保,避免農(nóng)藥接觸人體而對(duì)勞動(dòng)者健康產(chǎn)生不利影響(圖6)。
設(shè)計(jì)宜機(jī)化塑料大棚
通過(guò)農(nóng)藝調(diào)整和篩選農(nóng)機(jī)后,基本可以確定大棚各部位所需的最小空間參數(shù),可據(jù)此進(jìn)行宜機(jī)化塑料大棚的設(shè)計(jì)。(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(shè)定沿塑料大棚長(zhǎng)度方向栽培5壟番茄,室內(nèi)靠近側(cè)墻的壟溝邊緣應(yīng)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(tái)能在番茄兩側(cè)安全運(yùn)行。綜上,最終確定塑料大棚跨度為9.6 m。(3)為滿足人、機(jī)作業(yè)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(biāo),在滿足鋼管彎曲工藝、屋面排水等構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上,確定大棚脊高4.5 m。(4)增加相關(guān)抗風(fēng)構(gòu)造,完成宜機(jī)化塑料大棚的剖面設(shè)計(jì)(圖7、圖8)。根據(jù)驗(yàn)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(shè)置一榀雙層拱架。單層拱架由兩根8 m長(zhǎng)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(nèi)側(cè)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(nóng)機(jī)裝備的進(jìn)出需求,將塑料大棚山墻設(shè)計(jì)為雙軌道三重推拉門(mén),通過(guò)門(mén)的來(lái)回移動(dòng)形成所需門(mén)洞尺寸。另外,在室內(nèi)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(guān)專家的研究成果,在此一并表示感謝!
*項(xiàng)目支持:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(CARS-23-C02);浙江省重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)(2019C02009)。
作者簡(jiǎn)介:宋衛(wèi)堂(1968-),男,河南西平人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:設(shè)施機(jī)械化裝備工程、設(shè)施園藝環(huán)境工程、無(wú)土栽培技術(shù)與裝備。
[引用信息]宋衛(wèi)堂,李明.以“農(nóng)藝-農(nóng)機(jī)-設(shè)施”深度融合推動(dòng)設(shè)施園藝高效發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2020,40(01):44-47.
農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·溫室園藝2020年1期