設(shè)施果菜生產(chǎn)智能裝備研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及建議

李愷 王春輝 張凌風(fēng)

前言

中國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。在“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”等科技項(xiàng)目的不斷支持和推廣下，溫室栽培等技術(shù)不斷創(chuàng)新，尤其是作為設(shè)施蔬菜重要組成部分的果菜，栽培生產(chǎn)工藝與葉菜及其他蔬菜相比，在嫁接育苗、吊蔓種植、空間采收方面具有明顯特征，生產(chǎn)栽培環(huán)節(jié)更復(fù)雜，管理要求更精細(xì)。從設(shè)施果菜的生產(chǎn)環(huán)節(jié)看，典型的溫室果菜生產(chǎn)可分為育苗和栽培生產(chǎn)兩個(gè)主要階段。育苗階段主要包括播種、催芽、嫁接、愈合、育苗煉苗、分級(jí)補(bǔ)苗等工藝環(huán)節(jié);栽培生產(chǎn)階段主要包括耕整地、定植移栽、灌溉施肥、植保、植株管理、采收等工藝環(huán)節(jié)。

設(shè)施育苗可以縮短栽培周期、改善秧苗質(zhì)量、增加種植茬次，提高土地利用率。中國設(shè)施蔬菜種苗培育自動(dòng)化程度相對(duì)較低，穴盤育苗推廣應(yīng)用良好，針對(duì)穴盤的自動(dòng)化播種生產(chǎn)線、催芽室等設(shè)備已在很多農(nóng)業(yè)園區(qū)得到良好應(yīng)用。嫁接環(huán)節(jié)技術(shù)要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，缺乏有效的生產(chǎn)組織模式，并且人工作業(yè)效率低，人力成本高，無法標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化實(shí)施，同時(shí)，嫁接后存在愈合周期長、愈合成活率低等問題，急需在嫁接生產(chǎn)模式、快速愈合技術(shù)方面有所突破和集成。苗期生產(chǎn)在國內(nèi)主要還以粗放型管理為主，而育苗環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境要求較高，需要精細(xì)控制溫-光參數(shù)，以保障嫁接苗成活率及成品苗標(biāo)準(zhǔn)化品質(zhì)。穴盤育苗灌溉方面，自走式噴淋機(jī)和噴藥機(jī)也在一定程度上得到應(yīng)用。潮汐式灌溉技術(shù)發(fā)展時(shí)間尚短，還未形成真正適用的營養(yǎng)液循環(huán)、消毒、復(fù)配等設(shè)備成套應(yīng)用?？傮w來看國內(nèi)種苗生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)械化、自動(dòng)化水平仍然較低，除自動(dòng)播種生產(chǎn)線外，自動(dòng)生產(chǎn)裝備研究成果較少，雖然針對(duì)嫁接機(jī)、移栽機(jī)、種苗分級(jí)等技術(shù)產(chǎn)品的研究也在逐步開展，但與國外設(shè)備相比成熟度不高，應(yīng)用率較低，還處于系統(tǒng)性薄弱的狀態(tài)，與智能化差距依然很大，無法串聯(lián)成為體系，沒有集中管理。開發(fā)成套設(shè)施育苗自動(dòng)化設(shè)備對(duì)于保障中國蔬菜育苗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

果菜的栽培生產(chǎn)環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，中國還基本處于主要以手工作業(yè)為主的階段，畝產(chǎn)相對(duì)較低。國內(nèi)日光溫室和中大型塑料大棚中的果菜生產(chǎn)在耕整地環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)部分機(jī)械化，定植移栽、植保、植株管理以及采收等環(huán)節(jié)則完全依靠人工，在落蔓疏蔓環(huán)節(jié)以及拉秧環(huán)節(jié)的工作量很大，且果菜土傳病害相對(duì)嚴(yán)重，僅有一些大型園區(qū)引進(jìn)如采摘升降車等輔助生產(chǎn)設(shè)備。雖然國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也在移栽定植、行間植保等方面有所研究，但成果甚微?？傮w來說，中國果菜栽培生產(chǎn)自動(dòng)化程度較低，缺乏集中管理。尤其在吊蔓、疏落蔓環(huán)節(jié)以及成品采收運(yùn)輸方面，這部分勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，是亟待解決的問題。

國外應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

荷蘭作為設(shè)施農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，果菜生產(chǎn)以無土栽培為主，尤其在巖棉栽培方面已形成較為完善的工藝體系且擁有與各個(gè)環(huán)節(jié)配套的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)裝備，裝備應(yīng)用普及率較高。目前，荷蘭園藝生產(chǎn)中采用巖棉栽培的面積占無土栽培總面積的70%，溫室?guī)r棉栽培的黃瓜、番茄的產(chǎn)量比傳統(tǒng)露地栽培產(chǎn)量高10倍。針對(duì)巖棉塊生產(chǎn)蔬菜種苗的工藝要求，荷蘭Visser公司和Filer Systems公司等大型園藝裝備生產(chǎn)企業(yè)也相應(yīng)采用巖棉塊進(jìn)行蔬菜育苗的自動(dòng)化生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)整包巖棉塊自動(dòng)解垛、巖棉塊充水、精量播種、種子覆土、幼苗移栽和支撐簽插入等一系列自動(dòng)作業(yè)，之后利用自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)鋪放車將巖棉塊搬運(yùn)至溫室內(nèi)，灌溉采用潮汐式灌溉，并在大型連棟溫室進(jìn)行集中管控，對(duì)溫度、光照、水肥營養(yǎng)等環(huán)境參數(shù)精細(xì)管控，整個(gè)生產(chǎn)過程大大節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了作業(yè)生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量。荷蘭無土栽培的果菜生產(chǎn)從播種前的基質(zhì)處理到采收后的成品包裝，重點(diǎn)環(huán)節(jié)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并在整體生產(chǎn)過程的環(huán)境調(diào)控、水肥管理方面實(shí)現(xiàn)了智能化的成熟應(yīng)用。雖然在嫁接作業(yè)、成品采收、植保環(huán)節(jié)還是以人工作業(yè)為主，但總體流程設(shè)備齊全，連貫性好，系統(tǒng)性強(qiáng)，尤其在環(huán)境水肥系統(tǒng)控制、全程生產(chǎn)管理方面的軟硬件成果眾多，例如Priva的模塊化生產(chǎn)管理系統(tǒng)不單具有環(huán)境調(diào)控，水肥管理的功能，后續(xù)還在不斷增加如能源管理、勞動(dòng)力管理、產(chǎn)品追溯管理等方面的功能。這些成型的軟硬件產(chǎn)品已在全球范圍內(nèi)進(jìn)行技術(shù)輸出。

在不斷應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，設(shè)施果菜生產(chǎn)裝備的智能化方面也在不斷升級(jí)。近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)、AI等相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，智能農(nóng)業(yè)發(fā)展先驅(qū)國荷蘭在已經(jīng)較為成熟的成套設(shè)備基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境信息獲取、能耗降低、設(shè)備生產(chǎn)率提升、水肥控制等方面進(jìn)一步發(fā)力，并著重研究如整枝打叉、采收、拉秧等幾個(gè)難點(diǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化，已提出了自動(dòng)拉秧、智能剪枝機(jī)器人以及基于靈巧手的采摘機(jī)器人等智能化設(shè)備。

雖然荷蘭基于大型連棟溫室、少品種或單一品種的無土栽培模式，尤其是巖棉栽培模式，存在設(shè)施建造，加溫成本巨大等問題，并不適合中國以地栽為主的果菜生產(chǎn)現(xiàn)狀，但其流程設(shè)備連貫，全程生產(chǎn)管理的結(jié)構(gòu)卻值得學(xué)習(xí)借鑒。

西班牙作為歐盟菜籃子，其果菜種植條件與中國相近，但在智能灌溉方面有其獨(dú)到的一面;日本由于本土資源短缺、從業(yè)人員減少、老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，主要致力于開發(fā)小型、輕便、多功能、高性能設(shè)施耕作機(jī)具、播種育苗裝置、灌溉施肥裝置。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面研究啟動(dòng)較早，形成了較為成熟的育苗移栽機(jī)器人、采摘收獲機(jī)器人。

國內(nèi)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

中國溫室果菜育苗和生產(chǎn)的裝備還主要以手工作業(yè)為主，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的生產(chǎn)設(shè)備從整機(jī)引進(jìn)到國產(chǎn)化創(chuàng)新研發(fā)，尤其是隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積的大規(guī)模發(fā)展及農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)，與之相適應(yīng)配套的農(nóng)業(yè)機(jī)具也發(fā)展較快。2014年，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平為36.28%，其中耕整地、灌溉施肥環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平分別達(dá)到79%和60%，環(huán)境調(diào)控、種植、采運(yùn)等環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平較低，不能滿足中國溫室種植發(fā)展的需要，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距，深入研究開發(fā)溫室果菜生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化裝備任重道遠(yuǎn)。隨著各地農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼政策支持范圍和力度加大，也在應(yīng)用層面逐步普及，但在連續(xù)性和農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合方面還有很長的路要走。

中國對(duì)于溫室果菜育苗和生產(chǎn)的裝備研發(fā)機(jī)構(gòu)多為科研院所和企業(yè)，且研究多集中在種苗的種子播種線設(shè)備、嫁接機(jī)、移栽機(jī)等。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院等科研單位開發(fā)了多種型號(hào)的穴盤育苗精密播種機(jī)，浙江博仁、廣州綠翔等企業(yè)也推出相應(yīng)產(chǎn)品并逐步開始推廣。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等開發(fā)了溫室育苗用的半自動(dòng)嫁接機(jī)，但這些設(shè)備目前仍需要操作工從穴盤逐一取出秧苗，現(xiàn)有技術(shù)水平在嫁接效率和節(jié)省人力方面進(jìn)一步提升空間有限。國內(nèi)對(duì)穴盤育苗分選移栽技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，2003年才開始穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究，落后于國外成熟的技術(shù)體系。目前，國內(nèi)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京理工大學(xué)等也針對(duì)蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)行了相關(guān)研究，目前還處于試驗(yàn)樣機(jī)階段，在移栽夾持手優(yōu)化、種苗質(zhì)量識(shí)別和對(duì)不同操作對(duì)象通用性等關(guān)鍵技術(shù)方面仍需進(jìn)一步研究。

國內(nèi)有關(guān)設(shè)施果菜整枝裝備的產(chǎn)品研發(fā)尚為空白，因此沒有出臺(tái)與之相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)備設(shè)計(jì)、安裝等標(biāo)準(zhǔn)，研究還停留在工具改進(jìn)方面。如若要實(shí)現(xiàn)智能化必須要通過機(jī)器識(shí)別、判斷來進(jìn)行下一步的動(dòng)作，與采摘機(jī)器人類似。整枝機(jī)器人需要清除的枝條和葉子與周圍環(huán)境無論從形狀、顏色、大小上都一樣，因此識(shí)別上存在很大困難，這成為開發(fā)智能整枝機(jī)的難點(diǎn)。

在果菜生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)中，植保環(huán)節(jié)無論在設(shè)備研發(fā)還是相關(guān)自動(dòng)化控制領(lǐng)域都需較大投入。雖然在施藥機(jī)械和施藥技術(shù)上作了一些研究和示范推廣，但國內(nèi)安全施藥技術(shù)與國外比較差距甚大，借助國外成功的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)在國內(nèi)研究、應(yīng)用和推廣新一代安全施藥機(jī)械和技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

落蔓作業(yè)是設(shè)施果菜種植生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)無限生長型高秧爬蔓作物需在生長過程中用支撐物將不斷生長的莖蔓攀起或吊起。目前落蔓作業(yè)主要以人工手動(dòng)為主，以結(jié)構(gòu)簡單的落蔓器使用最為廣泛，勞動(dòng)作業(yè)效率不高，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)研究了單壟整體落蔓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在一定程度上提升了落蔓效率。關(guān)于疏蔓相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外研究均較少，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提出一種溫室作物的移動(dòng)吊蔓裝置及作物栽培方法，通過試驗(yàn)得到預(yù)期效果。

在采收環(huán)節(jié)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李偉等針對(duì)現(xiàn)代連棟溫室研制了番茄、黃瓜采摘機(jī)器人。該機(jī)器人采用溫室內(nèi)的加溫管道作為導(dǎo)軌采摘機(jī)械臂，采用4自由度的輕型專用機(jī)械臂，經(jīng)雙目立體視覺判別并定位成熟果實(shí)，末端采用氣動(dòng)式手指執(zhí)行器，在夾持番茄果柄的過程中，手指上的刀片完成對(duì)果柄的切割，番茄采摘成功率為90%、黃瓜采摘成功率達(dá)85%，單根黃瓜采摘耗時(shí)28.6 s。溫室果蔬采摘機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但是由于對(duì)象的多態(tài)性以及環(huán)境的結(jié)構(gòu)化程度低導(dǎo)致了機(jī)器人采摘作業(yè)效率低，而生產(chǎn)制造成本高，因此尚無商業(yè)化的成熟產(chǎn)品。在將來的發(fā)展中，應(yīng)重點(diǎn)突破復(fù)雜環(huán)境下的果實(shí)目標(biāo)識(shí)別定位、柔性靈巧采摘機(jī)械手、適合機(jī)器人高效作業(yè)的采摘模式以及相應(yīng)的農(nóng)藝種植模式等難點(diǎn)。

中國果菜種植主要以日光溫室和塑料大棚生產(chǎn)為主，種植種類和模式多樣，運(yùn)輸物流勞動(dòng)強(qiáng)度較大，目前國內(nèi)生產(chǎn)搬運(yùn)僅僅是減輕了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，多數(shù)搬運(yùn)為單臺(tái)單機(jī)模式。近年來，設(shè)施搬運(yùn)設(shè)備的種類有所拓展：出現(xiàn)了一些多功能集成搬運(yùn)平臺(tái)，突破了單一的搬運(yùn)功能，融入了附屬功能;其次在功能控制方面也有一些拓展，如無線遙控的應(yīng)用;除此之外，AGV磁導(dǎo)航技術(shù)在設(shè)施果菜搬運(yùn)領(lǐng)域也日益受到研究者追捧。北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心馬偉等設(shè)計(jì)了溫室噴藥采摘作業(yè)多功能平臺(tái);該設(shè)備集成了運(yùn)輸及施藥平臺(tái)應(yīng)用，脫離了單一功能。山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院張波等設(shè)計(jì)了設(shè)施農(nóng)業(yè)無線智能電動(dòng)運(yùn)載平臺(tái)，成功將無線遙控技術(shù)應(yīng)用到溫室物料搬運(yùn)中。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所丁小明等研究開發(fā)了一種日光溫室單軌物料運(yùn)輸裝置，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)苑進(jìn)等研究了溫室內(nèi)精準(zhǔn)定位物流車，成為當(dāng)前日光溫室搬運(yùn)設(shè)備的代表。伴隨社會(huì)勞動(dòng)力成本的增加，解放勞動(dòng)生產(chǎn)力，串聯(lián)各作業(yè)環(huán)節(jié)成為今后產(chǎn)業(yè)發(fā)展與競爭的實(shí)力體現(xiàn)，智能化運(yùn)輸系統(tǒng)可視為終極解決方案。

結(jié)論及建議

目前中國關(guān)于溫室果菜生產(chǎn)裝備的研究隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積的大規(guī)模發(fā)展及農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)在應(yīng)用層面取得了較大的進(jìn)步，尤其在設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)生產(chǎn)過程中，在播種、嫁接、產(chǎn)地物流、環(huán)境控制等方面起到示范帶動(dòng)作用，但受制于成本和相應(yīng)的配套農(nóng)藝技術(shù)還在不斷探索完善;在研究層面，主要集中于播種、移栽、嫁接、定植、采收、水肥、環(huán)境控制等環(huán)節(jié)的相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備研究，尤其是耕整地、播種、水肥等方面技術(shù)基本與國外達(dá)到并跑水平，并逐步形成適合我國國情的生產(chǎn)模式;但在移栽、嫁接、定植、采收等環(huán)節(jié)的裝備還大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際生產(chǎn)過程中仍無法實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)效率的協(xié)調(diào)、物料流通的連貫，未能形成高效、高產(chǎn)的全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)系統(tǒng)，導(dǎo)致果菜無論是品質(zhì)還是產(chǎn)量都未能達(dá)到最優(yōu)水平。

由于溫室果菜生產(chǎn)在育苗、種植、采收方面的明顯特征，更需要集約化和規(guī)?；N植。當(dāng)前國家推動(dòng)土地流轉(zhuǎn)方式促進(jìn)規(guī)?；?jīng)營取得階段性成果，“十四五”期間為鞏固設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展成果，設(shè)施果菜的規(guī)?；?jīng)營勢必進(jìn)一步擴(kuò)大，這就給果菜生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來了機(jī)遇。設(shè)施果菜生產(chǎn)組織化程度、機(jī)械化水平相對(duì)更高，對(duì)高價(jià)值的研究成果接受能力強(qiáng)，這就為其作業(yè)的精細(xì)化、管理的智能化奠定了基礎(chǔ)。

從研發(fā)角度來看，應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合栽培工藝，一方面大力發(fā)展集成應(yīng)用技術(shù)，集成現(xiàn)有裝備成果，提升設(shè)備精度及穩(wěn)定性，通過篩選實(shí)用設(shè)備并進(jìn)行推廣普及，不斷熟化實(shí)踐;另一方面，應(yīng)當(dāng)查缺補(bǔ)漏，重點(diǎn)研發(fā)嫁接、采摘、運(yùn)輸?shù)取案堋惫?jié)點(diǎn)設(shè)備，打通果菜生產(chǎn)全程機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)的裝備應(yīng)用路線。以自主研發(fā)為主、借鑒為輔，從整體生產(chǎn)管理視角出發(fā)，真正研究符合中國國情、適合中國設(shè)施特點(diǎn)的各環(huán)節(jié)自動(dòng)化裝備和智能化管理系統(tǒng)，提出整套果菜生產(chǎn)方法，構(gòu)建溫室蔬菜智能化精細(xì)生產(chǎn)系統(tǒng)。

*項(xiàng)目支持：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0701500）。

作者簡介：李愷（1986-），男，山西太原人，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)工作。

[引用信息]李愷，王春輝，張凌風(fēng).設(shè)施果菜生產(chǎn)智能裝備研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及建議[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（07）：22-25.