我国设施园艺生产作业装备发展浅析

2019-04-01辜松

现代农业装备 2019年1期

辜松

（华南农业大学工程学院，广州 510642）

0 前言

2019年中央1号文件指出，“要加快突破农业关键核心技术，强化创新驱动发展，实施农业关键核心技术攻关行动，培育一批农业战略科技创新力量，推动生物种业、重型农机、智慧农业、绿色投入品等领域自主创新；建设农业领域国家重点实验室等科技创新平台基地，打造产学研深度融合平台，加强国家现代农业产业技术体系、科技创新联盟、产业创新中心、高新技术产业示范区、科技园区等建设。”这为设施农业发展提出明确方向和发展动力。本文针对园艺生产设施内种苗生产、无土栽培生产相关的机械化、自动化生产装备发展进行分析。

1 设施园艺生产装备开发的目的

设施园艺生产通过人工控制作物生长环境的技术手段，抵御自然环境恶劣气候、土壤污染的影响，营造高效、高产生产模式，已成为现代农业发展的主要方向之一[1-4]。设施园艺生产广泛应用于蔬菜与花卉生产中，近年国家投资补助建设了大批温室，使得我国温室种植面积已位居世界第一[2，3]。然而，我国设施园艺生产主要依靠人工进行生产作业，这种模式难以适应规模化生产，劳动强度大，生产效率低，人工成本高，产出效益不理想[5-7]。因此，在温室面积大幅提高的形势下，生产作业装备必须相辅相成并行推进，而适合我国国情的设施园艺自动化生产装备技术，是设施园艺规模化生产可持续化发展的基本技术保证。

设施园艺生产装备开发的目的不仅仅是实现规模化高效生产，也是改善设施内生产环境、降低劳动强度、实施农业生产转型的重要技术手段，并据此吸引高素质人才务农，解决农业劳动力紧张问题，提升设施园艺生产的综合竞争能力。综上所述，设施园艺生产装备开发的目的包括：①提高生产作业生产率，实现规模化高效益生产；②减少生产作业人工量，降低生产人工成本；③改善生产作业环境，降低劳动强度，吸引高素质人才；④实现生产人员优化管理，促进企业先进技术的引进与推广；⑤构建规模化、自动化、信息化生产模式，实现智能生产与管理，提高企业的行业竞争力；⑥实现农业生产现代化转型。

2 国外设施园艺生产装备的发展现状

2.1 荷兰

分析设施园艺自动化生产装备，必提荷兰。荷兰农业生产条件并不理想，日照不充足，年平均气温不高，耕地面积有限，上世纪60年代开始借助先进工业技术实施资金换空间、拿效益的战略，经过几十年的努力，在温室生产栽培技术与生产作业技术及装备方面走在了世界前列，开发出基于温室生产的物流化种苗生产技术体系（图1）、物流化盆栽花卉生产体系（图2）及蔬菜岩棉栽培生产体系（图3）等，成为世界范围内设施园艺生产先进技术的典范[5-8]。

图1 种苗物流化生产体系

图2 盆栽花卉物流化生产体系

图3 温室蔬菜岩棉栽培生产体系

图4 设施园艺生产智能化控制管理系统

荷兰还在温室生产中针对种植对象构建了栽培管理专家系统，实施栽培环境及肥水施用自动控制，通过视觉、环境传感器等在控制系统数据库中记录长势状态、环境参数及生产信息，自动监测种植对象的生长状况和环境状态（图4），除完成生产装备集成自动控制外，还可进行生产品质管理、劳动力管理、成本核算，并实施订单生产，实现设施园艺种植自动化、信息化、智能化生产[5-8]。另外，荷兰在水培叶菜生产装备等其他设施园艺自动化生产装备技术方面也处于先进水平[9-14]。

2.2 以色列

以色列针对其土地贫瘠和缺水的特点，在设施园艺生产中经历了大水漫灌、沟灌、喷灌和滴灌几代灌溉模式，目前，在水溶肥施用技术方面处于世界领先水平[15]，Netafim公司等建立起一整套成熟的水肥一体化灌溉技术体系，其滴灌、管路电磁阀、比例施肥器、肥水过滤器及成套施肥机等装备的技术水平先进[1,3,4,15]。

2.3 美国

美国设施园艺生产以规模化、集约化及机械化著称，2015年美国温室面积超过15 hm2的花卉企业有40家，其中最大一家温室面积达200 hm2。设施园艺生产企业注重以实用和效益为导向选择技术装备，充分利用温室空间，降低劳动力使用量，提高生产率。美国在自行开发适合大规模温室生产使用的精量播种生产线、基质处理装备及悬吊栽培设备等作业系统的基础上，广泛引进荷兰等欧洲先进的种苗移植机、物流输送等技术装备，技术路线则采用了开发与拿来并用的实用主义模式[16]。

2.4 日本

日本在设施种植作物生长模型、自动嫁接技术、闭锁式种苗培育设施以及植物工厂方面进行了广泛的研究[17]，其国内多家大型企业针对植物工厂进行了生产实践[18]。在蔬菜种苗生产和芽菜生产方面，日本也尝试引进荷兰的物流输送装备，建立智能化种苗生产系统与芽菜生产系统。

3 我国设施园艺生产的特点

我国设施园艺始于蔬菜生产，山东省广泛采用日光温室种植蔬菜已有30多年的历史，上世纪90年代其蔬菜种植面积、产量及商品率已居全国前列；江苏省通过“十五”期间的建设，设施园艺产业成为高效农业的主导产业，2011年设施园艺面积达耕地面积的12.2%，居全国第一[3]；北京与上海等经济发达地区通过引进国外先进技术，在城市周边建起了一批基于现代种植技术的连栋温室；福建省、云南省及广东省等依靠设施园艺分别进行蔬菜种苗、鲜切花及盆栽花卉生产。纵观我国设施园艺，有如下生产特点。

3.1 设施园艺种植面积发展迅速

从1999年开始，我国设施园艺面积一直保持世界第一位，占世界总面积85%以上[3]，2013年达到187.4万 hm2[4]，2017年超过 370.0万 hm2[19]。以区域来看，环渤海湾及黄淮地区是我国设施蔬菜主要产地，占总面积的60%；长江中下游地区占总面积的 20%；近年来，西北地区设施蔬菜发展迅猛，目前已占总面积的10%[20]。

3.2 园艺设施类型以温室大棚为主

依据地理气候，北方主要为日光温室，实现越冬及早春果菜生产，南方则以塑料大棚及简易设施为主，实现冬季果菜、根菜、叶菜生产。2013年我国连栋温室面积为5.7万hm2，日光温室面积为61.2万 hm2，温室大棚面积为120.5万hm2，各类型占比分别为3%、32.7%、64.3%[4]，2016年各类型占比分别变化为2.5%、31.7%、65.8%[20]。这说明我国设施园艺生产中温室大棚起到决定性作用，占比一直接近2/3。

3.3 以种植蔬菜为主

我国设施园艺生产由初始单一生产蔬菜和瓜果，已扩展到种植食用菌、中草药、花卉等多种经济作物领域，但是蔬菜仍占绝对多数，2010年设施蔬菜面积仍占94.8%，设施果树占2.6%，设施花卉仅占2.5%[1]，2014年各占比依次为94.5%、2.3%、3.2%[2]。这说明设施蔬菜种植面积一直处于95%左右的占比。

3.4 设施蔬菜品种多

国外设施蔬菜生产叶菜主要集中在生菜、番茄、黄瓜和甜椒几大类上，但是我国设施生产的主要蔬菜有生菜、菜心、芥兰、上海青、黄瓜、甜瓜、番茄、甜椒、尖椒、茄子等，比国外种类多、门类要复杂。

3.5 设施生产作业以人工为主

中国设施园艺栽培面积虽然位居世界第一，但种植以个体农户小规模经营为主，经济投入能力不足，设施结构性能差、空间小，机械作业水平极低，内部环境调控、播种、移栽、灌溉及生产材料的输送等生产作业主要依靠人力完成，劳动强度大、劳动环境恶劣、劳动生产率低等情况普遍存在[4,7,20]。

3.6 花卉生产的设施条件与机械化作业程度高于蔬菜生产

从种植收益来看，通常情况下，花卉的产值在15万元/hm2以上，蔬菜为9万～12万元/hm2[23]，因此，设施花卉生产企业的设施与装备技术水平明显高于设施蔬菜生产企业，这种规律同荷兰等设施园艺先进国家的表现一致[5,6]。

3.7 非农资金进入设施园艺领域助推生产装备技术发展

近年在国家政策与食品安全因素的推动下，大量非农资金强势进军设施农业生产，如恒大、碧桂园、京东等超大型企业均高调引进国外成套设备与技术，建立技术先进的生产基地。超大型企业的进入为设施园艺生产带来了活力，提升了设施与装备的技术水平，带动了整体技术装备的升级换代，是农业现代化转型的推动力，今后需关注的是其生产的可持续性。

4 我国设施园艺生产装备的发展现状

4.1 国内大型设施园艺种植企业引进国外先进技术装备

国内一些大型设施园艺生产企业引进以荷兰为首的欧洲先进生产装备，如荷兰Visser、TTA等公司的花卉种苗移植机，丹麦Ellegaard的纸钵机，德国Mayer及荷兰Javo的质搅拌机基质装填机[7,8]，荷兰Priva、Hotimax及以色列Netafim的施肥机等，在生产中起到了降低劳动强度、提高生产率、改善作业质量、节水节肥量的作用，促进了我国设施园艺生产技术水平提高。这些欧洲先进的装备技术也为我国设施生产装备的开发提供了非常好的引领作用。

4.2 国内产学研多方积极研发设施园艺生产作业装备

一些大专院校、科研单位及设施装备生产企业围绕温室园艺生产各环节开展了光温室环境控制、输送装备、移植装备、播种装备、物流输送装备、穴盘播种机、搅拌机等方面的研究与开发，推动了国内设施园艺生产的技术水平的提高[7]。针对国产装备技术的研发，一方面使国内设施种植企业直接受益得到价廉物美的装备产品，另一方面，可以对国外相应产品起到平抑价格的作用，国内设施种植企业间接收益。

4.3 大型行业领军设施园艺企业成套引进荷兰技术装备系统

2010年天津滨海国际花卉科技有限公司针对盆栽红掌，率先在国内引入成套荷兰Codema公司大型苗床输送物流化生产装备[7]，由此开始我国陆续以成套或关键装备形式引进荷兰Vanzaal、TTA及Visscon等公司的物流化生产装备，我国部分设施盆栽花卉、种苗及水培叶菜生产企业达到了物流化自动生产模式，使我国设施园艺生产装备技术与信息化管理水平提到一个新高度。

4.4 温室大型物流化生产系统全套装备国产化

2013年开始，北京华农农业工程技术有限公司开始形成国产化大型苗床物流输送装备系统，基于国产设备配套个别环节荷兰装备，先后建成了上海大地园艺种苗有限公司种苗物流化自动生产系统、江苏溧阳盆栽蝴蝶兰物流化生产系统、蒙草种苗物流化自动生产系统等，目前已基本实现大型苗床物流化生产系统全套装备国产化。

4.5 设施园艺生产中穴盘精量播种机得到广泛推广

上世纪90年代，美国Blackmore及英国Hilton等公司的精量播种机开始引入我国，当时美国播种机销售价格90万元；2000年以后，荷兰Visser公司与意大利Mosa等欧洲公司的精量播种机引入我国花卉种植和种苗生产企业，销售价格为几十万元；这期间我国播种机的研发也进入高潮，几乎每个省份都有生产厂家，经过市场洗礼，涌现出一批作业质量稳定、做工优良、售后完善的生产企业，其品牌如浙江的赛德林、山东的易博及广东的绿翔等，它们将穴盘精量播种机的价格降到了10万元，有些产品更是降到了5万元以下，穴盘播种机已成为有一定规模的种苗生产企业的标配设备。

4.6 一些中型设施园艺种植企业自行研究简易设备

中型规模设施园艺企业受困于规模化生产需求、劳动力成本攀升、企业资金有限多重压力，部分企业自行开发简易型物流化生产装置与物流输送装置。广东缤纷园艺公司在小盆栽花卉生产中开发出基质搅拌、基质自动装盆、种苗自动移植及轨道车种苗穴盘及盆栽托盘输送的设备；云南云秀花卉有限公司在盆栽玫瑰生产中，开发出简易苗床栽培与轨道电动运送装置。但是，由于物流输送设备结构简单，系统性不强，输送能力有限，难以适用大规模生产[7]。

4.7 设施园艺生产装备整体发展水平低

通过引进，一些大型龙头企业设施园艺生产装备水平已处以国际先进水平；通过“十五”以来国家科研项目的推动，各省构建起一批装备生产水平较高的种苗生产企业和蔬菜、花卉示范生产基地；但是，中国广大的温室大棚、日光温室种植户的生产水平极低[21]。目前，设施园艺整体机械化作业水平远低于40%，设施园艺整体生产装备发展仍处于初级阶段[22]，仍有很长的路要走。

5 我国设施装备推广使用与开发中存在的问题

5.1 温室环境调控不理想

我国大多数农户建造的塑料大棚和日光温室普遍没有环境调控装置，温、光、水、气等调控能力差[20,21]，不具备硬件条件；很多设施园艺种植企业虽然安装了环境调控设备，但是管理粗放，仍依靠温度计观测温度，通风、加温、加湿、遮阳等作业均靠人工控制，未能实施自动检测、自动集成控制；绝大部分具有先进环境调控设备的温室虽具备自动调控硬件条件，但缺少植物生长模型等基础数据，软件条件缺失，未形成的专家栽培管理系统指导功能，调控效果不精准不对路，内部环境调控滞后。其结果导致我国温室番茄平均年产量达10～15 kg/m2，黄瓜15～20 kg/m2，为国际先进水平的20%～25%[20]。

5.2 一些国外装备不符合我国国情

从目前由国外引进的一些嫁接机、花卉种苗移植机等设备看，由于栽培模式、生产作业模式、使用基质及穴盘形式等条件的不同，造成国外设备无法真正用于实际生产，国外设备生产效率难以发挥出来。

5.3 农艺模式不确定造成装备开发困难

与国外发达国家相比，我国设施园艺发展技术起点较低，国外技术引进渠道繁多，多种种植模式并存；我国蔬菜品种多，且设施生产中未能形成标准化生产农艺流程，栽培对象没有确定的栽培规范、生产资材。二者造成相应装备开发困难。

5.4 高投入建设现代化的设施生产系统不一定得到高效益

荷兰实现了设施园艺高投入、高产出、高收益生产，形成设施园艺领域的主流理念，这种理念在我国设施园艺领域也是诸多业者的追求目标。但是，中国设施园艺生产的特点决定了这个理念难以复制，其主要阻碍因素是设施园艺的生产结构问题。在国际上，由于花卉的效益比蔬菜高，荷兰温室58%用于花卉生产，其余是蔬菜生产；以色列温室65%分布在南方种植花卉，35%在北方种植蔬菜；美国68.4%温室进行花卉生产，少量种植蔬菜。可以看出以上三个设施园艺发达国家均是效益高的花卉占绝对优势地位[23]。反观我国，90%以上温室进行蔬菜生产，另外还有3倍于温室面积的露地也在进行蔬菜生产，并且目前我国蔬菜生产总体供给处于过剩状态[25]，蔬菜价格承受着多重因素压制，使得设施蔬菜生产效益更加无法与设施花卉生产相比[23]，因此，设施园艺在蔬菜生产高占比条件下难以实现高效益。

6 有关我国设施园艺装备发展的建议

6.1 尽快构建设施园艺栽培作物规范化作业流程

为解决我国目前设施园艺生产品种繁多、栽培方法不统一、使用资材类型繁杂，制约设施生产装备开发进程的问题，必须加强农机农艺融合，加速开展主要设施园艺生产作物农艺生产流程、生产资材规范的研究与制定工作，为设施园艺生产装备开发提供明确的作业条件、清晰的技术要求。

6.2 加强主要栽培作物生长模型基础研究

针对作物温湿度、光照、营养等栽培环境条件的优化，开展细致的植物生长模型基础研究，为园艺设施生长环境自动调控提供精准可依的控制模型，促进专家栽培管理系统的构建，充分利用设施内部环境控制系统与水肥供给系统的自动化管控效能，切实提高我国设施园艺生产的产出水平。

6.3 高水平装备技术与轻简化设备并行开发

我国连栋温室占温室总量不到5%，成本低廉的以蔬菜生产为主的温室大棚及日光温室占90%以上，生产蔬菜的广大设施种植户无力承受高价格的自动化装备。因此，在针对连栋温室生产研制高性能、高水平、体现我国最高技术能力的生产装备同时，应该围绕环境控制、播种、灌溉、运输等作业环节，针对温室大棚及日光温室生产大力开发轻简化设施生产、输送设备与器具，全面提高我国设施园艺生产的整体作业技术水平。