蔬菜全程機(jī)械化生產(chǎn)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

姚 森 楊其長(zhǎng) 馬 偉段發(fā)民

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，四川成都 610000）

發(fā)展全程機(jī)械化對(duì)蔬菜規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在蔬菜耕整地、播種育苗、移栽、田間管理、收獲和采后分級(jí)環(huán)節(jié)的機(jī)械裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向，明確了我國(guó)蔬菜全程機(jī)械化未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：加強(qiáng)基礎(chǔ)理論的研究；農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合發(fā)展；優(yōu)化農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本；發(fā)展大型農(nóng)場(chǎng)，配套大型智能農(nóng)業(yè)機(jī)具；發(fā)展都市農(nóng)業(yè)，構(gòu)建生態(tài)城市。

近些年，我國(guó)蔬菜種植面積逐年上升，2018年達(dá)2 043.9 萬(wàn)hm2，位居世界第一。但我國(guó)蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化程度低，裝備體系不健全，所需勞動(dòng)量大，其中收獲和采后加工環(huán)節(jié)的用工量占到了蔬菜生產(chǎn)總用工量的60%以上（姚森 等，2019），導(dǎo)致蔬菜生產(chǎn)效率低，成本高，可持續(xù)生產(chǎn)受到限制。

傳統(tǒng)的蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)是指在生產(chǎn)過(guò)程中某個(gè)環(huán)節(jié)使用機(jī)械作業(yè)，而機(jī)械化缺失環(huán)節(jié)依然作業(yè)效率低、用工量大，并且直接影響下一個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)械化作業(yè)效果，并不能降低生產(chǎn)成本，因此實(shí)現(xiàn)蔬菜全程機(jī)械化生產(chǎn)是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的必由之路。

國(guó)外在蔬菜全程機(jī)械化生產(chǎn)裝備方面研究時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)已趨于穩(wěn)定成熟，但都是大型農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，不適用于我國(guó)蔬菜生產(chǎn)模式，難以直接引進(jìn)使用。我國(guó)蔬菜生產(chǎn)機(jī)械裝備研究起步較晚，機(jī)械化未能覆蓋所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)，耕整地、播種施肥、移栽和田間管理等環(huán)節(jié)已有成熟機(jī)型可供推廣應(yīng)用，但收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械目前還處于理論試驗(yàn)階段，生產(chǎn)上推廣應(yīng)用很少。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外耕整地、播種施肥、移栽、田間管理、收獲和采后加工環(huán)節(jié)的蔬菜生產(chǎn)機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，并由此提出我國(guó)蔬菜全程機(jī)械化生產(chǎn)目前面臨的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向。

1 耕整地技術(shù)與裝備

耕整地機(jī)械裝備主要用于耕地起壟、松土開溝、雜草掩埋、施肥播種等作業(yè)，既有單項(xiàng)作業(yè)機(jī)具，如開溝機(jī)、起壟機(jī)、施肥機(jī)等，也有復(fù)合型作業(yè)機(jī)具。復(fù)合型作業(yè)機(jī)具能一次完成多項(xiàng)作業(yè)，具有作業(yè)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 國(guó)外耕整地機(jī)械裝備特點(diǎn)

一是耕整地環(huán)節(jié)的機(jī)械裝備已經(jīng)向多類型、系列化方向發(fā)展，如日本松山株式會(huì)社的耕整機(jī)械包括了50 多個(gè)系列200 多個(gè)類型，其耕深、幅寬和配套動(dòng)力均可由農(nóng)戶自由選擇，小橋工會(huì)株式會(huì)社僅驅(qū)動(dòng)耙產(chǎn)品則有30 多個(gè)系列100 多個(gè)類型；二是向著大型、幅寬、高效、聯(lián)合方向發(fā)展，尤其是聯(lián)合作業(yè)機(jī)具可有效提高作業(yè)效率，如美國(guó)的帶圈齒耙2310 型耕耘機(jī)作業(yè)寬度可達(dá)5.72～13.95 m（陳玉華 等，2018）；三是將微電腦技術(shù)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用在耕整地機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械裝備智能化和自動(dòng)化。

1.2 國(guó)內(nèi)耕整地機(jī)械裝備特點(diǎn)

1.2.1 大中小型機(jī)具共存，小型機(jī)具占主導(dǎo) 目前我國(guó)大中型機(jī)具主要在新疆、內(nèi)蒙古、東北等地域遼闊的地區(qū)推廣使用，東北地區(qū)推廣應(yīng)用的530 大型液壓翻轉(zhuǎn)犁，配備100 kW 的拖拉機(jī)使用，工作幅寬1.5 m，作業(yè)效率可達(dá)50 hm2·h-1，能夠滿足大型農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)需求。而在我國(guó)的山區(qū)、丘陵等區(qū)域，小型耕整地機(jī)具如微耕機(jī)、小型耕地機(jī)，以及與手扶拖拉機(jī)和小功率拖拉機(jī)配套的小型耕整機(jī)具仍被廣泛應(yīng)用。小型耕整地機(jī)械裝備具有生產(chǎn)成本低、能耗低、作業(yè)質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在智能化和自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、所需勞動(dòng)量大等不足。

1.2.2 聯(lián)合作業(yè)機(jī)械發(fā)展迅速 單一的耕整地機(jī)械存在作業(yè)效率低、農(nóng)機(jī)使用復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此需要研發(fā)聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。目前我國(guó)的聯(lián)合作業(yè)機(jī)械具有除茬、旋耕、深耕、起壟、施肥、鎮(zhèn)壓、播種等作業(yè)功能，根據(jù)不同作物生產(chǎn)需求可選擇任意幾種功能集成的聯(lián)合作業(yè)機(jī)械裝備。由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)的蔬菜整地播種復(fù)式作業(yè)機(jī)，可一次性完成深松耕、起壟、播種、施肥、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)。該機(jī)具采用多種形式刀片復(fù)合耕作的方式，碎土性和耕深一致性好；利用模塊化播種裝置在作業(yè)時(shí)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)播種行數(shù)和行距，解決了目前播種深度一致性、播量均勻性的問(wèn)題（肖宏儒等，2019）。由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所果蔬茶收獲創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制出的西芹種植一體機(jī)，能夠一次性完成起壟、壓實(shí)、覆膜、打孔、播種、蓋沙等作業(yè)，作業(yè)效率高、種植效果佳（梅松 等，2018）。

1.2.3 智能化、自動(dòng)化耕整地機(jī)械裝備逐步發(fā)展 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)、工廠農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)具已不能滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)需求，相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械也逐漸向智能化、自動(dòng)化、精細(xì)化方向發(fā)展。如于志成（2017）在傳統(tǒng)的耕整地機(jī)械上研發(fā)了水平自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，當(dāng)水田復(fù)式整地機(jī)在不平的地面工作時(shí)，其工作部件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，有效避免了旋耕部件隨著拖拉機(jī)的運(yùn)作左搖右晃而影響作業(yè)效果。

2 播種技術(shù)與裝備

播種育苗是決定蔬菜產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)之一，傳統(tǒng)人工播種存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、浪費(fèi)多的問(wèn)題，因此機(jī)械化播種是蔬菜高效生產(chǎn)的必由之路。

2.1 國(guó)外播種機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1.1 大型播種機(jī)械復(fù)合一體化作業(yè) 國(guó)外的播種機(jī)械以大型聯(lián)合作業(yè)機(jī)具為主，同時(shí)向復(fù)合一體化作業(yè)方向發(fā)展。如德國(guó)哈西亞公司的大型氣吸式播種機(jī)，能一次性完成開溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓、覆土、噴藥等作業(yè)；德國(guó)的AMAZONE 公司研發(fā)的ED 系列精量播種機(jī)，最大工作幅寬可達(dá)12 m，工作效率極高（梁寶忠 等，2009）。

2.1.2 氣力播種機(jī)械氣道穩(wěn)定結(jié)構(gòu)優(yōu)化 為了進(jìn)一步提高播種穩(wěn)定性和落種效率，國(guó)外以氣力播種作為研究重點(diǎn)。利用風(fēng)扇氣流實(shí)現(xiàn)快速播種，解決了種子不能及時(shí)定點(diǎn)入土的難題。為了解決氣力播種機(jī)械結(jié)構(gòu)難題，國(guó)外學(xué)者研發(fā)了氣道穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，如法國(guó)MONOSEM 研發(fā)的NG Plus 氣吸式播種機(jī)，采用了多種先進(jìn)的氣道結(jié)構(gòu)、加工工藝和新材料，具有播種精度高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)（胡童 等，2018）。

2.1.3 精量播種機(jī)械智能化 為了提高播種機(jī)械的播種精密度，國(guó)外將智能控制技術(shù)應(yīng)用于播種機(jī)械上，利用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)等核心技術(shù)，解決了精量播種的難題。智能控制技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)排種器的作業(yè)情況，精量控制播種并記錄播種數(shù)量。如由4G 智能顯控終端、采集單元、圖像采集單元等9 個(gè)單元構(gòu)成的智能播種云監(jiān)控系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合農(nóng)機(jī)管家云平臺(tái)，可應(yīng)用于作業(yè)監(jiān)管、播種檢測(cè)、播種監(jiān)控等不同場(chǎng)景（李道亮和楊昊，2018；杜岳峰 等，2019；張漫 等，2020）。

2.2 國(guó)內(nèi)播種機(jī)械化研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2.2.1 小型播種機(jī)械向復(fù)合一體化方向發(fā)展 小型機(jī)具生產(chǎn)成本低、能耗小，相對(duì)于人工作業(yè)效率高，被我國(guó)農(nóng)戶廣為接受。但單一的播種機(jī)械也存在作業(yè)效率偏低、購(gòu)機(jī)成本較高等缺點(diǎn)，而復(fù)合一體化的播種機(jī)械在進(jìn)行播種的同時(shí)，還能進(jìn)行苗床整備和施肥等，具有作業(yè)效率高、購(gòu)置成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此我國(guó)需要重點(diǎn)研制復(fù)合一體化的小型播種機(jī)械。

2.2.2 播種機(jī)械向高強(qiáng)度、高精度和通用性強(qiáng)方向發(fā)展 我國(guó)現(xiàn)有材料和工藝導(dǎo)致播種機(jī)械存在著可靠性低的問(wèn)題，尤其是在仿形限深機(jī)構(gòu)方面，工藝精度低、材料剛度差，工作可靠性得不到保證，因此提高工藝精度、加強(qiáng)材料剛度是提升播種機(jī)作業(yè)可靠性的重要措施。國(guó)內(nèi)播種機(jī)械產(chǎn)品齊全、機(jī)型種類繁多，排種器結(jié)構(gòu)及樣式也多種多樣，導(dǎo)致播種機(jī)械的通用性差，若每個(gè)生產(chǎn)企業(yè)都有特定的標(biāo)準(zhǔn)，則零部件不易跨企業(yè)置換。目前我國(guó)已建立《播種機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》和《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)播種機(jī)械的生產(chǎn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以提高播種機(jī)具的通用性。

2.2.3 播種機(jī)具向智能化方向發(fā)展 目前我國(guó)播種機(jī)具多數(shù)處于半自動(dòng)化階段，需要人機(jī)協(xié)作才能完成播種作業(yè)，針對(duì)該問(wèn)題，我國(guó)開始研制智能化播種機(jī)具（孟鵬祥，2016；李道亮和楊昊，2018）。如吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了播種深度自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用Flex 彎曲傳感器來(lái)檢測(cè)播種單體的對(duì)地壓力，以兩塊單片機(jī)分別作為信號(hào)采集器和播深控制器，用nRF2401 無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集器和播深控制器的傳輸，從而精確控制播種深度（朱龍圖，2017）。

3 移栽技術(shù)與裝備

利用移栽裝備可減少移栽勞動(dòng)量，保證秧苗的整齊度，也便于收獲裝備的應(yīng)用。全自動(dòng)栽植是蔬菜移栽機(jī)械的發(fā)展方向（吳傳云 等，2021）。

3.1 國(guó)外移栽機(jī)械研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

3.1.1 移栽裝備桿機(jī)構(gòu) 移栽裝備的插秧部件根據(jù)機(jī)構(gòu)類型可分為3 種：滑道機(jī)構(gòu)、桿機(jī)構(gòu)和回旋機(jī)構(gòu)（于曉旭 等，2014）?；罊C(jī)構(gòu)是國(guó)際上最早的插秧部件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、效率低，目前的移栽機(jī)械很少使用此機(jī)構(gòu)。而桿機(jī)構(gòu)是利用曲柄搖桿結(jié)構(gòu)將秧苗插入土中，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高，現(xiàn)多數(shù)移栽機(jī)均使用此結(jié)構(gòu)。但桿機(jī)構(gòu)也存在工作振幅大、工作速度低等問(wèn)題，因此國(guó)外開始將工作振幅小、生產(chǎn)程度低、可高速作業(yè)的回旋機(jī)構(gòu)作為研究重點(diǎn)。如日本發(fā)明的前插回轉(zhuǎn)式行星輪系分插機(jī)構(gòu)，其工作部件的振幅是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的1/4，工作效率提高了一倍（包春江和李寶筏，2004）。

3.1.2 多功能移栽機(jī)具 移栽前后的施肥澆水等作業(yè)是影響秧苗存活率的關(guān)鍵措施。在移栽機(jī)械上加入側(cè)深施肥裝備，可減少1/3 的施肥量，同時(shí)可以避免施肥過(guò)多而引起的土壤板結(jié)和下流水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題；在移栽機(jī)械上加上穴注水裝置，可提高秧苗的成活率，節(jié)約用水量。

3.1.3 移栽機(jī)器手 半自動(dòng)、全自動(dòng)移栽機(jī)械的研制已經(jīng)成為了各國(guó)的研究重點(diǎn)，但全自動(dòng)移栽裝備無(wú)法精確完成分秧、秧苗識(shí)別等復(fù)雜動(dòng)作，因此國(guó)外已開始對(duì)移栽機(jī)器手進(jìn)行研究，將機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等應(yīng)用于移栽機(jī)械上，能夠一次性完成分秧、輸送、栽植等復(fù)雜動(dòng)作（蔣卓華，2017；楊啟志 等，2018）。

3.2 國(guó)內(nèi)移栽機(jī)械研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

3.2.1 研發(fā)符合我國(guó)農(nóng)藝要求的移栽機(jī)械 國(guó)外對(duì)移栽機(jī)械的技術(shù)及原理的研究已經(jīng)很成熟，國(guó)內(nèi)在借鑒其經(jīng)驗(yàn)和成果的同時(shí)將適合我國(guó)農(nóng)藝要求作為移栽機(jī)械的研究重點(diǎn)。如研發(fā)變行距移栽機(jī)（蔡金平 等，2020），改變秧苗的抓取形式，改變抓秧與秧門的相對(duì)位置等。

3.2.2 研發(fā)高速自走底盤 在未來(lái)，高速取苗是移栽機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)之一（王超 等，2021），而高速取苗需要配套高速行走，只有實(shí)現(xiàn)高速，才能大幅度提高作業(yè)效率，滿足未來(lái)大型農(nóng)場(chǎng)種植要求。速度高、噪音小、負(fù)載能力和越野能力強(qiáng)、駕駛方便輕松的高速自走式底盤是移栽機(jī)未來(lái)的研發(fā)目標(biāo)。

3.2.3 研發(fā)移栽機(jī)器人 隨著工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用，智能機(jī)器人也將進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，移栽機(jī)器人已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的熱門課題之一。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)利用MATLAB 軟件對(duì)移栽機(jī)械臂進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，求出了移栽機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并得到其運(yùn)動(dòng)的正解和逆解，為移栽機(jī)器人的研制奠定了基礎(chǔ)（李建剛，2009；胡飛 等，2012）。齊源職業(yè)技術(shù)學(xué)院為提高移栽機(jī)苗夾的設(shè)計(jì)進(jìn)度和強(qiáng)度，利用ANSYS 軟件對(duì)移栽機(jī)械臂進(jìn)行有限元分析和虛擬仿真分析，為機(jī)械臂的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)（王國(guó)棟和靳峰峰，2016）。國(guó)立中興大學(xué)研發(fā)的穴盤苗移栽機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行了規(guī)劃，為移栽機(jī)器人后續(xù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)（付強(qiáng)和胡軍，2019）。浙江大學(xué)和沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)溫室移栽機(jī)器人的視覺系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和抓取系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了基于PLC 的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（任燁，2007；張?jiān)?等，2007）。

4 田間管理技術(shù)與裝備

田間管理環(huán)節(jié)包括灌溉和植保等作業(yè)，可為蔬菜提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)蔬菜的生長(zhǎng)起到促進(jìn)和控制作用。

4.1 國(guó)內(nèi)外灌溉機(jī)械研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

目前國(guó)外灌溉機(jī)械研究發(fā)展趨勢(shì)：一是節(jié)能型，如美國(guó)改進(jìn)低壓孔出流裝置，獲得一種低能耗精準(zhǔn)灌溉法，有效節(jié)省了能源和水資源。二是提高噴水性能。如日本采用特殊聚乙烯材料制作的新型多孔管，利用激光技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)打孔，噴水孔徑均勻，噴水性能適宜且穩(wěn)定。

我國(guó)目前噴灌裝備以小型噴灌機(jī)和手持式管道噴灌機(jī)居多，產(chǎn)品品類齊全，但一些產(chǎn)品的性能不穩(wěn)定，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間使用。而大型噴灌機(jī)械和自動(dòng)化噴灌機(jī)械研究較少，多數(shù)為國(guó)外引進(jìn)后改用，無(wú)法與我國(guó)作物種植標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。因此我國(guó)灌溉機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)：一是加強(qiáng)對(duì)灌溉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提高灌溉設(shè)備的穩(wěn)定性；二是實(shí)現(xiàn)灌溉設(shè)備的多功能化、系列化與多元化，以滿足不同的灌溉需求；三是加強(qiáng)國(guó)有灌溉設(shè)備的研發(fā)，使其能夠適應(yīng)我國(guó)作物農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)；四是發(fā)展節(jié)能灌溉技術(shù)，將自動(dòng)化與信息化技術(shù)嫁接在灌溉設(shè)備上。

4.2 國(guó)內(nèi)外植保機(jī)械研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

國(guó)外植保噴藥機(jī)械以減少施藥量，提高施藥質(zhì)量和減少農(nóng)藥對(duì)作物、環(huán)境的影響為研究重點(diǎn)，如噴桿平衡系統(tǒng)、靜電噴霧技術(shù)、農(nóng)藥回收技術(shù)、不同氣流下的噴霧效果、無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)等。國(guó)外在物理植保方面，已經(jīng)研究出成熟的除草機(jī)具及物理捕蟲燈等。常規(guī)除草機(jī)具雖能完成除草作業(yè)，但效果不穩(wěn)定，對(duì)栽培不規(guī)則和種植密度大的作物力不從心，因此國(guó)外將除草機(jī)器人作為研究重點(diǎn)，利用機(jī)器人技術(shù)的視覺系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)和自動(dòng)判斷系統(tǒng)等對(duì)田間的雜草進(jìn)行識(shí)別后拔除。

我國(guó)在植保噴藥機(jī)具上的研究較發(fā)達(dá)國(guó)家落后40～50 年，目前我國(guó)噴藥機(jī)具多為背負(fù)式和手扶式，存在型號(hào)單一、作業(yè)效率低、噴頭研制相對(duì)落后、農(nóng)藥利用率低、加工精度低、對(duì)操作者損害大等問(wèn)題（李蜀予和張清林，2019），因此我國(guó)植保噴藥機(jī)具研究趨勢(shì)：一是研制不同類型的噴藥機(jī)具，以滿足不同作物、不同時(shí)期的作業(yè)需求，保證病蟲害的適時(shí)防治和應(yīng)急防治。二是加大力度研制自走式噴藥機(jī)具，大幅度提高作業(yè)效率，且避免危害操作者的健康安全。三是研制精密噴藥噴頭，避免農(nóng)藥的浪費(fèi)，減少對(duì)環(huán)境的污染。四是發(fā)展無(wú)人機(jī)噴藥技術(shù)。無(wú)人機(jī)作業(yè)效率高，生產(chǎn)成本低，可忽略地形的影響而完成噴藥作業(yè)（張悅 等，2020）。

機(jī)械除草也是我國(guó)植保研究的重點(diǎn)，生產(chǎn)上應(yīng)用的手扶式除草機(jī)和旋耕除草機(jī)多為半機(jī)械化作業(yè)裝備，作業(yè)所需勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度低，不能滿足目前蔬菜生產(chǎn)需求。因此在除草機(jī)械設(shè)備研發(fā)方面，除草機(jī)器人是研究重點(diǎn)。西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院提出一種基于機(jī)器視覺的果園噴藥除草機(jī)器人視覺系統(tǒng)，解決了噴藥除草機(jī)器人在圖像高運(yùn)動(dòng)噪音干擾及光照條件變化干擾的果園環(huán)境下的雜草識(shí)別問(wèn)題，并提高了果園噴藥除草機(jī)器人視覺系統(tǒng)的圖像分割可靠性及識(shí)別精度（呂沐華和丁珠玉，2021）。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)根據(jù)除草機(jī)器人的工作原理，以西門子PLC 為控制核心，研發(fā)了一種高效節(jié)能、安全可靠的除草機(jī)器人，經(jīng)過(guò)可行性驗(yàn)證，除草效果良好，工作效率較高（田生睿 等，2020）。

5 收獲技術(shù)與裝備

在蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中，收獲環(huán)節(jié)的勞動(dòng)量占總勞動(dòng)量的40%左右，目前我國(guó)蔬菜收獲基本依靠人工作業(yè)，因此也導(dǎo)致蔬菜生產(chǎn)所需勞動(dòng)量大、生產(chǎn)成本高。蔬菜屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲將在很大程度上減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。蔬菜根據(jù)收獲方式和機(jī)械化程度的不同可分為葉類蔬菜（雞毛菜、菠菜等）、結(jié)球類蔬菜（甘藍(lán)、大白菜等）、根莖類蔬菜（胡蘿卜、甘薯等）和果類蔬菜（黃瓜、番茄等）等。

5.1 國(guó)外蔬菜收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)蔬菜收獲機(jī)械的研究時(shí)間較長(zhǎng)，很多蔬菜種類已經(jīng)有了成熟的收獲機(jī)型，如對(duì)于葉類蔬菜，有意大利HORTECH 公司研發(fā)的RAPID SL 型自走式生菜收獲機(jī)，韓國(guó)播藍(lán)特蔬菜公司設(shè)計(jì)研發(fā)的MT-200 葉菜小型收割收獲機(jī)等；對(duì)于結(jié)球類蔬菜，有美國(guó)研發(fā)的甘藍(lán)聯(lián)合收獲機(jī)，日本研發(fā)的自走式單行甘藍(lán)收獲機(jī)等；對(duì)于根莖類蔬菜，有美國(guó)Horia 研制的牽引式胡蘿卜收獲機(jī)，丹麥ASALIFT 生產(chǎn)的COMBI MINI 胡蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)等（楊薇 等，2014）；對(duì)于果類蔬菜，有美國(guó)研發(fā)的CMT全自動(dòng)自走式番茄收獲機(jī)等。但國(guó)外的蔬菜收獲機(jī)械多為大型聯(lián)合作業(yè)機(jī)械，并不適合在我國(guó)進(jìn)行推廣，同時(shí)其價(jià)格昂貴，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增大。

5.2 國(guó)內(nèi)蔬菜收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

雖然我國(guó)蔬菜收獲關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)械研究起步較晚，但近年來(lái)蔬菜高效生產(chǎn)和收獲作業(yè)裝備越來(lái)越受到關(guān)注。

5.2.1 葉類蔬菜收獲機(jī)械由小型半自動(dòng)式向自走式方向發(fā)展 葉類蔬菜因長(zhǎng)勢(shì)整齊、有規(guī)律，較易研制收獲機(jī)具，但目前葉類蔬菜的收獲機(jī)具均為小型手扶式，作業(yè)勞動(dòng)量依然較大，因此需要研制自走式收獲機(jī)。目前我國(guó)已有農(nóng)機(jī)研究團(tuán)隊(duì)研制出了部分葉類蔬菜的收獲機(jī)械。例如，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所設(shè)計(jì)的雞毛菜有序收獲機(jī)，能夠?qū)Σげ恕⑿“撞说燃?xì)葉類蔬菜進(jìn)行有序收獲，具備作業(yè)效率高、損傷率低等優(yōu)點(diǎn)，能一定程度上降低勞動(dòng)者的工作強(qiáng)度，為后續(xù)研究自走式有序收獲機(jī)奠定了基礎(chǔ)（劉東，2019）；研發(fā)的蘆蒿收獲機(jī)結(jié)構(gòu)小巧簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，作業(yè)效率相當(dāng)于人工的10 倍左右，適用于我國(guó)蘆蒿種植現(xiàn)狀（劉東 等，2019）。

5.2.2 結(jié)球類蔬菜收獲機(jī)械由理論試驗(yàn)階段向商業(yè)化方向發(fā)展 我國(guó)對(duì)結(jié)球類蔬菜收獲機(jī)具的研究較少，目前大多處于理論和試驗(yàn)階段。浙江大學(xué)研發(fā)的履帶自走式甘藍(lán)收獲機(jī)基本能滿足甘藍(lán)的機(jī)械化收獲要求，但試驗(yàn)過(guò)程中仍存在作業(yè)效率較低且損失率較高的問(wèn)題，未能達(dá)到人工采收標(biāo)準(zhǔn)（杜冬冬，2017）。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所果蔬茶團(tuán)隊(duì)研發(fā)的4GCB-2 型自走式甘藍(lán)收獲機(jī)，也基本具備收獲甘藍(lán)的能力，但對(duì)甘藍(lán)的外形尺寸要求較高，無(wú)法適用于長(zhǎng)勢(shì)不規(guī)則、偏倒的甘藍(lán)。

5.2.3 根莖類蔬菜收獲機(jī)械向智能化方向發(fā)展 關(guān)于根莖類蔬菜的機(jī)械化收獲研究較多，技術(shù)相對(duì)較成熟，部分機(jī)型能夠商業(yè)化，一定程度上滿足了市場(chǎng)需求。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的自走式胡蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)，在田間試驗(yàn)中收凈率為98.2%，損傷率為2.5%，生產(chǎn)效率為0.11 hm2·h-1（王家勝和尚書旗，2012）。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)收獲效果不佳、損傷率高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種低位鋪放雙重緩沖馬鈴薯收獲機(jī)，該機(jī)械采用振動(dòng)輸送分離、雙重緩沖減速和低位鋪放減損等工藝，將馬鈴薯、土壤、雜質(zhì)有效分離，實(shí)現(xiàn)了高效率、低損傷的收獲目標(biāo)（魏忠彩 等，2019）。目前國(guó)內(nèi)根莖類蔬菜收獲機(jī)械正向著智能化方向發(fā)展，如山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)院針對(duì)根莖類蔬菜收獲機(jī)自動(dòng)化程度低、對(duì)行能力差、損傷率高等問(wèn)題，以4UGS2 型雙行甘薯收獲機(jī)為研究對(duì)象，開發(fā)了自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)，提高了甘薯收獲機(jī)的準(zhǔn)確率和自動(dòng)化水平，降低了甘薯?yè)p傷率和漏挖率，為蔬菜收獲機(jī)的自動(dòng)對(duì)行設(shè)計(jì)提供了參考（李濤 等，2019）。

5.2.4 果類蔬菜機(jī)械化收獲向機(jī)械手方向發(fā)展 果類蔬菜因生長(zhǎng)狀況復(fù)雜，使得機(jī)械化收獲極其困難，尤其是攀緣類瓜果豆蔬菜，如豇豆、菜豆、絲瓜等，幾乎無(wú)法使用機(jī)械收獲。因此果類蔬菜機(jī)械化收獲研究主要著重在機(jī)械手采摘方向，如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的溫室智能黃瓜收獲機(jī)，可利用傳感器識(shí)別黃瓜的成熟度，再利用控制器控制刀具將黃瓜的瓜柄切斷，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲，為果類蔬菜的機(jī)械化收獲提供了參考（楊振宇 等，2014）。

6 采后加工技術(shù)與裝備

6.1 國(guó)內(nèi)外蔬菜清洗設(shè)備研究現(xiàn)狀

清洗是蔬菜采后加工的關(guān)鍵步驟之一，直接影響蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量。蔬菜的清洗主要是為了清除蔬菜表面的泥沙、蟲卵等雜質(zhì)，以及蔬菜表面的化學(xué)殘留，為后續(xù)的直接食用或加工提供優(yōu)質(zhì)、干凈的菜源。

國(guó)外對(duì)蔬菜清洗設(shè)備的研究時(shí)間較長(zhǎng)，已經(jīng)形成了完善的蔬菜加工體系，在材料、工藝和結(jié)構(gòu)上都具有創(chuàng)新技術(shù)。國(guó)外的蔬菜清洗機(jī)設(shè)備研究一是以專用的清洗裝備為主，一套設(shè)備只對(duì)一種特定的蔬菜進(jìn)行作業(yè)，如專門針對(duì)生菜的框式生菜清洗離心脫水生產(chǎn)線，其清洗效果好、針對(duì)性強(qiáng)且對(duì)生菜沒(méi)有任何損害；二是以生產(chǎn)線為主，具有自動(dòng)化程度高、工藝完善、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，如Pulstar系列蔬菜清洗生產(chǎn)線，使用水射、噴灑和氣浴等方式，對(duì)蔬菜進(jìn)行全方位的清洗，作業(yè)過(guò)程全程自動(dòng)化，能夠有效降低勞動(dòng)量，同時(shí)避免人工操作的污染（李佳偉 等，2017）。

而我國(guó)的清洗裝備以通用設(shè)備為主，一套設(shè)備能完成多種蔬菜的清洗作業(yè)，適用面廣，減少了機(jī)具的購(gòu)買成本，但專用性不強(qiáng)，導(dǎo)致對(duì)蔬菜的清洗效果不夠理想，容易在清洗過(guò)程中對(duì)蔬菜造成損傷（馬雪飛 等，2018）。如北京恒日工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的高壓氣泡清洗機(jī)，通過(guò)采用高壓氣泡、高壓水流、噴淋等方式，能夠?qū)θ~、莖、根類蔬菜和顆粒狀水果等進(jìn)行清洗作業(yè)。同時(shí)我國(guó)蔬菜清洗裝置以單一、小型裝備為主，自動(dòng)化程度相對(duì)較低，有的葉菜清洗機(jī)在使用過(guò)程中還需要人工使用毛刷對(duì)葉菜根部進(jìn)行清洗，作業(yè)效率低，生產(chǎn)成本高。

6.2 國(guó)內(nèi)蔬菜分級(jí)設(shè)備研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

我國(guó)蔬菜分級(jí)技術(shù)相對(duì)落后，分級(jí)方法比較單一，分級(jí)依據(jù)多集中在顏色、形狀和質(zhì)量上，如番茄、馬鈴薯等，而且很多蔬菜沒(méi)有科學(xué)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和方法，還處于人工檢測(cè)分級(jí)階段（初僑 等，2015）。此外，我國(guó)蔬菜信息采集技術(shù)還比較落后，蔬菜分級(jí)指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別，不同地區(qū)種植的蔬菜成熟狀態(tài)并不一致，蔬菜品質(zhì)等級(jí)難以劃分，導(dǎo)致蔬菜機(jī)械化分級(jí)尤其困難。因此，我國(guó)需深入研究不同蔬菜的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和方法，為蔬菜機(jī)械分級(jí)提供理論依據(jù)；同時(shí)需要對(duì)信息采集進(jìn)行深入研究，加強(qiáng)蔬菜信息高精確采集的能力。

7 發(fā)展趨勢(shì)

目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械還處于初級(jí)研究階段，國(guó)外蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化已經(jīng)很成熟，但相關(guān)機(jī)械體型較大，國(guó)內(nèi)難以直接引進(jìn)并使用，而國(guó)內(nèi)的相關(guān)機(jī)械比較單一、零散，沒(méi)有配套的機(jī)械裝備生產(chǎn)鏈。蔬菜全程機(jī)械化生產(chǎn)仍有待深入研究發(fā)展。

7.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)理論的研究

探索不同學(xué)科理論對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的影響，得到最適合作業(yè)機(jī)具的理論基礎(chǔ)，如利用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量守恒等方法計(jì)算理論參數(shù)，利用ANSYS、Solidworks 等軟件對(duì)機(jī)具的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬分析；總結(jié)其他領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)理念，如仿生學(xué)領(lǐng)域的抗阻穿山甲理論在耕整地機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，航空領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保方面的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域在智慧農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用等。

7.2 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合發(fā)展

首先根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)機(jī)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套適合大部分地區(qū)種植的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，將農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝充分結(jié)合，加速農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展。如針對(duì)甘藍(lán)的生產(chǎn)，可將南方地區(qū)的甘藍(lán)種植農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，再針對(duì)此農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全程機(jī)械裝備的研究開發(fā)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虣C(jī)械化生產(chǎn)。

7.3 優(yōu)化農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本

在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)考慮購(gòu)買者的承受能力，在保證機(jī)械作業(yè)效果的前提下，盡量簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本。如在保證動(dòng)力的情況下，盡量選擇小型發(fā)動(dòng)機(jī)，利用仿真軟件優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能；在保證性能合格的情況下，選擇價(jià)格低、質(zhì)量小的材料；探索不同的傳動(dòng)方式，選擇生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的傳動(dòng)方式等。

7.4 發(fā)展大型農(nóng)場(chǎng)，研發(fā)配套的大型智能農(nóng)業(yè)機(jī)具

政府鼓勵(lì)承包農(nóng)村荒廢土地，建立大型農(nóng)場(chǎng)，依靠科學(xué)技術(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，研發(fā)智能農(nóng)業(yè)機(jī)具，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)出實(shí)現(xiàn)最大化。

7.5 發(fā)展都市農(nóng)業(yè)，構(gòu)建生態(tài)城市

發(fā)展都市農(nóng)業(yè)既可充分利用城市土地，增大種植面積，又可構(gòu)建生態(tài)城市，滿足城市居民的綠色需求。發(fā)展都市化農(nóng)業(yè)要求研發(fā)推廣智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械、生產(chǎn)，如建設(shè)無(wú)人生菜水培工廠、垂直農(nóng)業(yè)工廠等。在都市農(nóng)業(yè)的機(jī)械化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以更多地應(yīng)用智能設(shè)備，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)模式。