基于“農(nóng)藝-農(nóng)機-設(shè)施”融合的設(shè)施番茄機械化生產(chǎn)技術(shù)模式構(gòu)建與驗證＊

宋衛(wèi)堂，李 明，宋堅利，王平智（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 10008；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 10008；.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 10019）

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系是一個半封閉式生態(tài)系統(tǒng)。設(shè)施蔬菜為該系統(tǒng)內(nèi)核；設(shè)施結(jié)構(gòu)、栽培模式以及環(huán)境調(diào)控為系統(tǒng)內(nèi)層，與蔬菜生長密切相關(guān)，是促進設(shè)施蔬菜高效生產(chǎn)的直接推動力；機械化、自動化以及智能化為系統(tǒng)外層，雖然不直接作用于蔬菜，但卻能通過提升設(shè)施結(jié)構(gòu)、栽培模式以及環(huán)境調(diào)控的工作效率來推動蔬菜的高效生產(chǎn)，同樣是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系的重要組成部分[1]。近年來中國城鎮(zhèn)化和老齡化進程加速，設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)勞動力供給不足的問題越發(fā)突出，人力成本持續(xù)升高，嚴重影響了產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟需開展“機器換人”工作，降低生產(chǎn)中的勞動力數(shù)量和勞動強度，提升生產(chǎn)效率。但目前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的機械化水平較低，導(dǎo)致機械化要素?zé)o法有效作用于栽培管理和環(huán)境調(diào)控，對手工勞動的依賴非常嚴重。

上述問題的產(chǎn)生可歸因于“機不好用、無機可用、無好機用、用不好機”等“四機”問題，即現(xiàn)有設(shè)施蔬菜作業(yè)裝備大多是由大田機具改制或引進國外裝備而來，存在著作業(yè)質(zhì)量和效率不高，在某些作業(yè)環(huán)節(jié)還缺乏適宜農(nóng)機裝備等問題。此外，中國現(xiàn)有的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)設(shè)施在其設(shè)計建造之初和農(nóng)藝措施的形成之初，基本沒有考慮農(nóng)機裝備的作業(yè)需求，這更限制了設(shè)施蔬菜農(nóng)機裝備的作業(yè)效率，降低作業(yè)質(zhì)量。基于上述分析，宋衛(wèi)堂和李明[2]提出了以“農(nóng)機-農(nóng)藝-設(shè)施”深度融合提高設(shè)施蔬菜機械化水平的思想，從農(nóng)機研發(fā)、農(nóng)藝和設(shè)施協(xié)調(diào)等角度消除制約設(shè)施蔬菜機械化生產(chǎn)的要素，快速提升設(shè)施蔬菜的機械化水平。具體方法可歸結(jié)為以下三個步驟：第一步，在調(diào)研現(xiàn)有農(nóng)機裝備作業(yè)參數(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建以“大壟距+寬溝窄畦”為特征的宜機化、標準化的栽培模式，消除農(nóng)藝措施對農(nóng)機作業(yè)的限制；第二步，篩選、研發(fā)適宜的農(nóng)機裝備，從耕整地、起壟覆膜、移栽到田間管理等全程實現(xiàn)“有機可用、有好機用”的目的，盡可能實現(xiàn)“機器換人”；第三步，改造、建造宜機化的園藝設(shè)施結(jié)構(gòu)，使得農(nóng)機裝備能夠順利進出、高效作業(yè)，消除設(shè)施對農(nóng)機作業(yè)的限制，進一步提高農(nóng)機作業(yè)的便利性。因此，國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系“耕種與田間管理機械化”團隊與銀川、溫州、赤峰、唐山等綜合試驗站聯(lián)合開展研究，探索構(gòu)建了塑料大棚和日光溫室番茄機械化生產(chǎn)的技術(shù)模式，并進行了驗證。

塑料大棚番茄機械化生產(chǎn)技術(shù)模式構(gòu)建與驗證

塑料大棚番茄宜機化模式構(gòu)建

根據(jù)番茄栽培作業(yè)環(huán)節(jié)調(diào)研現(xiàn)有農(nóng)機裝備作業(yè)參數(shù)，并據(jù)此構(gòu)建了以“大壟距+寬溝窄畦”為特征的番茄宜機化栽培工藝，即將壟間距由現(xiàn)在的1.3～1.4 m 擴大到1.6～1.8 m，形成大壟距；在大壟距的前提下把畦面縮小、壟溝加寬，形成寬溝窄畦。2020 年12 月7 日在江蘇大學(xué)召開的第一屆農(nóng)機農(nóng)藝融合研討會上，來自全國的設(shè)施栽培、農(nóng)機研發(fā)、農(nóng)機企業(yè)、技術(shù)推廣等多領(lǐng)域的專家進行了研討，推薦了如下番茄栽培的壟形參數(shù)：相鄰兩畦中心距180 cm，畦面高度15～20 cm，壟底寬度80 cm，壟頂寬度60 cm，壟溝寬度100 cm；栽培模式是一壟種植兩行，壟上行距30～45 cm，株距根據(jù)株數(shù)的需要進行調(diào)整。以8 m 跨度塑料大棚為例，作物栽培壟布置如圖1 所示。

圖1 8 m 跨度塑料大棚中番茄等果類蔬菜的宜機化栽培示意圖/mm

農(nóng)機裝備篩選、改制與研發(fā)

為實現(xiàn)主要作業(yè)環(huán)節(jié)“機器換人”，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量，通過市場調(diào)研，對農(nóng)機裝備進行了篩選（表1），形成了機具配套方案。在實踐中發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)起壟覆膜鋪滴灌帶一體機作業(yè)時，由于壟頂為平面，常常發(fā)生滴灌帶澆水時壟溝積水現(xiàn)象（圖2a），并且滴灌帶的鋪設(shè)位置距離植株根部較遠，會造成水、肥的浪費。為此，團隊聯(lián)合無錫悅田農(nóng)業(yè)機械科技有限公司對YT10 系列多功能田園管理機進行了優(yōu)化改制（圖2b），使機器起壟時在壟面中間位置上開出一條寬30 cm、深1～2 cm 的凹槽，并將兩根滴灌帶鋪放于凹槽兩側(cè)（圖2c），很好地解決了壟溝積水、水肥浪費的問題。

圖2 悅田YT10 系列多功能田園管理機的改進優(yōu)化/cm

表1 主要機械化作業(yè)環(huán)節(jié)及推薦機型

針對塑料大棚物流運輸裝備缺乏、植保裝備主要靠人工背負且存在農(nóng)藥污染人體風(fēng)險等問題，本團隊研發(fā)了履帶式多功能作業(yè)平臺，以及“人機分離”式噴霧機。其中，多功能作業(yè)平臺能夠輔助人工進行打杈、吊蔓等植株管理，同時還能輔助采收，即工人站在平臺上進行果蔬采摘，果實放置于平臺上，并由平臺將果實運送出去。這樣就可以解決因為大棚長度較長，適宜物流裝備缺乏而造成的高強度搬運作業(yè)問題，提高工人作業(yè)效率、減輕勞動強度。另外，大棚是一個相對密閉的環(huán)境，在大棚里噴灑農(nóng)藥，微米級的霧滴會彌散在大棚內(nèi)部，由于處于無風(fēng)環(huán)境，霧滴難以飄散，會在空氣中彌散，易對人體造成危害?！叭藱C分離”式噴霧機，就是使用上述多功能作業(yè)平臺作為載具，將噴霧系統(tǒng)固定在平臺上，同時加裝了遠程視頻系統(tǒng)，作業(yè)人員在棚外通過觀看屏幕就可以遙控施藥作業(yè)。這樣既降低了勞動強度，提高了作業(yè)效率，又可有效防止農(nóng)藥對施藥人員的危害。

宜機化的塑料大棚設(shè)計

針對現(xiàn)有塑料大棚進出口狹小、室內(nèi)空間有限的問題，本團隊根據(jù)農(nóng)機裝備作業(yè)的空間需求，綜合考慮標準鋼管長度、塑料大棚構(gòu)造要求、土地利用效率等的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種宜機化塑料大棚。該大棚骨架由兩根8.0 m 長標準鋼管構(gòu)成，跨度9.5 m，脊高4.5 m，肩高2.2 m，同時在山墻兩側(cè)設(shè)置了平拉門，方便農(nóng)機進出（圖3～4）。采用上述宜機化栽培模式，室內(nèi)可栽種5 壟番茄。根據(jù)行業(yè)標準NY/T 1086.6-2016《農(nóng)業(yè)機械化水平評價 第六部分：設(shè)施農(nóng)業(yè)》，對采用機械化技術(shù)模式后能夠達到的技術(shù)水平進行評價，塑料大棚番茄生產(chǎn)全程機械化率可從45% 提高到88%。

圖3 9.5 m 跨度宜機化塑料大棚設(shè)計圖/mm

圖4 溫州試驗站的宜機化塑料大棚實景

日光溫室番茄機械化生產(chǎn)技術(shù)模式的構(gòu)建與驗證

日光溫室番茄宜機化模式構(gòu)建

傳統(tǒng)日光溫室作物栽培壟向多為南北向，不利于農(nóng)機裝備作業(yè)。為此，本團隊提出將作物栽培壟向由南北向改為東西向[3]，形成了以“大壟距+寬溝窄畦+東西向”為特征的日光溫室茄果類蔬菜宜機化栽培參數(shù)，即壟底寬80 cm，壟面寬60 cm，壟溝寬100～120 cm，壟高10～20 cm（圖5）。以跨度8.0 m 日光溫室為例，跨度方向栽培壟布置模式如圖6 所示。

圖5 日光溫室中番茄、辣椒、茄子、黃瓜等茄果類蔬菜宜機化栽培參數(shù)/cm

圖6 8 m 跨度日光溫室栽培壟示意圖/mm

農(nóng)機裝備篩選、改制與研究開發(fā)

在采用東西壟向生產(chǎn)的日光溫室中，主要機械化作業(yè)環(huán)節(jié)的推薦機型與塑料大棚相同（表1），利用盡可能少的機型來滿足多種設(shè)施園藝的需求。經(jīng)過近幾年的生產(chǎn)實踐驗證，推薦機型具有良好的作業(yè)效果和比較可靠的性能。

宜機化日光溫室改造與設(shè)計

對于新建溫室，需要進行宜機化設(shè)計。即首先根據(jù)日光溫室宜機化栽培模式，綜合考慮溫室結(jié)構(gòu)受力特性和日光溫室構(gòu)造要求，確定日光溫室的合理跨度，以及主體結(jié)構(gòu)參數(shù)，兼顧宜機化栽培下的日光溫室土地利用效率；然后根據(jù)農(nóng)機裝備作業(yè)需求，確定前屋面底角處關(guān)鍵節(jié)點的最低高度，再按照日光溫室前屋面曲線設(shè)計方法確定前屋面曲線，消除傳統(tǒng)日光溫室前屋面空間狹小對農(nóng)機作業(yè)的限制；最后，傳統(tǒng)日光溫室出入口狹小，不利于農(nóng)機裝備進出，需要設(shè)計相應(yīng)的進出口。對于已建成的、現(xiàn)有質(zhì)量較好的日光溫室，為避免浪費，一般可將靠近東山墻或西山墻的第一榀或第二榀溫室骨架斷開，形成一個高度和寬度都約2 m 的缺口，作為農(nóng)機裝備的進出口。根據(jù)行業(yè)標準NY/T 1086.6-2016《農(nóng)業(yè)機械化水平評價 第六部分：設(shè)施農(nóng)業(yè)》以及實際應(yīng)用驗證，該日光溫室番茄生產(chǎn)機械化技術(shù)模式可使全程機械化率從33% 提高到72%。

寬溝窄畦宜機化栽培模式行距動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)

在示范設(shè)施番茄的機械化生產(chǎn)技術(shù)模式過程中，“寬溝窄畦”栽培模式也出現(xiàn)了一些新問題。日光溫室中，同一壟內(nèi)北側(cè)行相較于南側(cè)行果實偏小、產(chǎn)量偏低；北側(cè)行的葉片有黃化早衰現(xiàn)象。塑料大棚中，同一壟兩行中間的葉片有黃化早衰現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于壟內(nèi)兩行之間光照不足、通風(fēng)不良。為此，本團隊從工程技術(shù)角度，提出了兩項可用于改善壟內(nèi)行間光照條件的技術(shù)。一是日光溫室和塑料大棚采用散光膜進行覆蓋，太陽光經(jīng)過散光膜發(fā)生散射，會有部分光線進入行間，改善光照環(huán)境[4]；二是“動態(tài)行距”技術(shù)，當農(nóng)機不進入壟溝時，壟上兩行莖蔓之間的距離變大，當農(nóng)機要進入壟溝時，壟上兩行莖蔓之間的距離變小，也就是同一壟上兩行植株莖蔓之間的距離，要隨著農(nóng)機是否進入壟溝，進行動態(tài)改變。為實現(xiàn)“動態(tài)行距”，設(shè)計了一種行距調(diào)整機構(gòu)，植株正常生長狀態(tài)下，人或者農(nóng)機具不進入行間，兩行打開利于植株采光和行間通風(fēng)（圖7a），當人或者農(nóng)機具要進入行間時，兩行收攏（圖7b）。

圖7 果菜行距動態(tài)調(diào)整機構(gòu)示意圖

“動態(tài)行距+散射光”也許能有效改善“寬溝窄畦”栽培模式下行間的光照不足和通風(fēng)不良的問題；塑料大棚的“大壟距+寬溝窄畦+動態(tài)行距”與日光溫室的“東西壟向+大壟距+寬溝窄畦+動態(tài)行距”，也許將是推動設(shè)施蔬菜生產(chǎn)機械化水平提升的關(guān)鍵農(nóng)藝技術(shù)。

致謝

衷心感謝本領(lǐng)域?qū)＜摇⒕C合試驗站以及農(nóng)機裝備企業(yè)給予的大力支持和幫助。