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

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、花卉和果樹的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。自20世紀(jì)80年代以來，中國(guó)開始快速發(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，不能割裂開來。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，“門難進(jìn)、邊難耕、頭難調(diào)、效難高”的“四難”問題會(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。通過農(nóng)藝上改變?nèi)展鉁厥业姆N植壟向、設(shè)施上開辟出農(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，在蔬菜沒有采用東西方向種植、沒有在設(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)量沒有降低;生產(chǎn)過程機(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)，玻璃溫室中常見的軌道式運(yùn)輸車難以直接應(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，通過門的來回移動(dòng)形成所需門洞尺寸。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.