海南省设施叶菜机械化生产建议＊

王宝龙，孙芳媛，刘 建**（.海南大学园艺学院，海口 5708；.海南汇芙拉建设工程有限公司，海南文昌 57300）

|摘要|海南蔬菜种植设施主要用于叶菜种植，按耕整地、种植、植保、灌溉施肥、采收、运输等生产环节划分，各环节均有独立的机械装备。根据相关统计，海南设施园艺综合机械化水平相对较低，人力成本约占海南设施叶菜生产成本的40%～60%。究其根本，海南设施叶菜种植缺乏标准化种植模式及机械化生产技术的集成研究，本文根据海南叶菜生产的实际情况，将叶菜种植按农艺环节划分，提出各环节应予控制的栽培农艺要点及适配农机的功能需求，为海南地区叶菜机械化生产提供思路与建议。

根据市场消费习惯统计，南方地区喜食叶菜，叶菜不耐储运，需依赖本地化生产。海南夏秋多暴雨，并伴有持续性高温，是本地叶菜供应的淡季。露天种植叶菜受高温、台风暴雨、以及台风天气持续降雨而产生的积涝等不利自然条件的影响，产量和品质均无法保障，因此，夏秋季节海南本地叶菜多以设施种植为主。海南近年来重视常年蔬菜生产基地建设，并要求夏秋季节要以叶菜种植为主。鉴于叶菜占海南蔬菜设施种植比重最大，解决叶菜生产全程机械化对于提升海南设施蔬菜机械化水平具有积极示范作用。

海南设施叶菜种植的品类主要有小白菜、菜心、生菜、空心菜、菠菜、芹菜（西芹）、油菜（上海青）、韭菜、油麦菜、茼蒿等。叶菜种植呈现种类多、茬口多、种植习惯差异大等特点，从耕整地、播种、移栽、收获都缺少统一的标准，相比大宗粮食作物更难做到机械化。

本文以设施叶菜适宜栽培模式入手，借鉴大田机械化发展的相关经验，结合海南设施蔬菜栽培特点，按耕整地、种植、植保、灌溉施肥、采收、运输等生产环节农艺需求（海南常年蔬菜生产设施做到通风遮阳即可低成本达到环境调控的基本目标，机械环境调控在本文中暂不做讨论），介绍其适配农机装备及其宜机化生产技术，以期为海南设施叶菜机械化生产集成创新提供参考。

海南设施叶菜栽培模式建议

设施叶菜按栽培方式主要有土壤栽培、无土栽培（基质培和水培）两种方式，按播种方式主要有直播和育苗移栽两种方式，本文以符合海南实际情况的“土壤直播栽培模式”和“育苗移栽栽培模式”及“大容量穴盘基质栽培模式”3 种栽培模式分类展开讨论。

土壤直播栽培模式

叶菜生长周期短，约28～42 天1 茬，直播省时省力。土壤直播栽培是生产实践中应用最为广泛的栽培模式，在土质良好、耕层深厚的区域适宜采用此模式。引入机械化即用播种机将叶菜种子直接播入土壤中，省去育苗、移栽等程序，可节约大量人工。

精量播种技术（穴播和条播）将确定数量的种子，从种箱内分离出来，按确定的行距和株距播入确定深度的土壤内，同时覆盖厚度均匀的土壤，并进行适度的镇压，使种子获得均匀一致的发芽环境。机械精量播种种子均匀，通风透光性好，深浅一致，且不存在苗期争水肥和间苗伤根等问题，群体长势均衡，有利于田间水肥管理和机械化采收，增产效果明显。

育苗移栽栽培模式

育苗移栽方式培育出的幼苗整齐划一，有利于培育壮苗，且幼苗期约占叶菜整个生长周期的一半左右，采用集中育苗方式茬口安排灵活，可提高土地的复种指数。海南夏季多暴雨，选址低洼的基地容易造成积涝，幼苗抗逆性较弱，受积涝影响较大，此种情况下采用育苗移栽的方式可在一定程度上降低灾害损失，加速恢复生产，对于“保供种植基地”可优先考虑采用育苗移栽的方式。

大容量穴盘基质栽培模式

土壤条件不适宜（耕层浅薄，存在污染，改良难度大的地块。如海南近期提出未来5 年规划建设2～4 万亩（1334～2668 hm2）光伏蔬菜大棚，多选址于土壤条件较差的荒地、石头地、尾矿地等）的情况下可采用大容量穴盘基质栽培模式，根据叶菜适宜株行距定制大容量穴盘，利用精量直播机将叶菜种子播入穴盘基质当中。播种后的穴盘通过转运设备平放于平整地面（铺黑色防水塑料布）或苗床架上（幼苗期为节约空间也可分层叠放），由棚内倒挂式喷灌设施实现水肥一体化灌溉。由于穴盘每格容量充足，成苗期也无需移栽，从播种至收获全生长周期均在一格穴盘内完成。大容量穴盘基质栽培模式综合了传统土壤直播与育苗移栽的优势，相比传统土壤直播，播入穴盘内更易实现精量播种，相比育苗移栽，又可节省工序。且穴盘移动轻便灵活，即使出现暴雨积涝，架于高处也不至于造成损失。

收获是叶菜作业环节中耗费工时最多的环节，人工成本高，效率低下，往往因延时采收而致使叶菜变老，叶菜收获质量的高低直接关系到叶菜品质和种植经济效益。机械化采收的前提是种植标准化，大容量穴盘基质栽培模式有利于培育排列均匀、长势整齐、形态一致的叶菜。采收时可先将穴盘固定，将成熟叶菜及基质连根拔起，抖落基质（基质一般较为松散）即可实现带根收获，也为叶菜机械化采收提供一种解决方案，作业效率提高。

生产机械选择与建议

不同栽培模式下，各生产阶段对机械化需求有一定的差异，如表1 所示。

表1 不同栽培模式不同生产阶段机械化功能需求

耕整地阶段

设施耕整地机械与装备

耕整环节是作物种植的第一步，耕作层的平整是作物高效水肥管理的前提，是减少杂草、提高产量的关键。设施内土壤含水量大，土壤黏结，影响出苗，耕作即可通过农机具的机械力量，疏松、扰动土壤，恢复土壤的团粒结构，以便积蓄水分和养分，覆盖残茬、肥料，防止病虫害，为作物的生长发育提供适宜的环境。

海南设施耕作机械以旋耕机、圆盘犁、铧式犁为主，设施整地机械以圆盘耙、钉齿耙、水田耙为主。旋耕机实际上是耕地、整地兼用型机械，因其碎土能力强、耕后地表平坦而得到了广泛的应用，设施叶菜茬口之间耕整地一般要经历旋耕和起垄两道工序，间或辅以深松、全面翻耕等工序。

设施起垄机械与装备

设施叶菜一般采用起垄栽培农艺，起垄栽培有利于排水，且垄上土壤疏松透气，起垄栽培可改善叶菜的通风透光性能。海南常见温室大棚开间4 m，跨度6～8 m，根据单体棚通道口设置方位，垄向可顺开间方向设置，适宜起宽平垄，垄沟宽0.20～0.25 m，垄宽1.2～1.7 m（1.4～1.5 m 为最佳），每跨设置3～5 垄。起垄机械主要完成松土、拢土、成型和镇压等工序，使土垄形成预定形状，满足栽培农艺需求[1]（图1）。

图1 蔬菜苗床起垄整地作业示意图（德沃1DZ-180）

种植阶段

设施蔬菜种子多呈小粒径、扁平化形状，叶菜种子播种前大多要经丸粒化处理，再根据直播或育苗移栽农艺需求，选择不同的机型完成播种作业。

设施叶菜直播技术与装备

日本矢崎公司生产的 SYV-M 系列小粒种子播种机市场应用较多。其中，SYV-M600W 型播种机（图2）一次性可播种13 行，播种行距4 cm，每小时播种面积0.27 hm2。该播种机使用12 V电动马达助力，一次充电可作业约3.5 h，适合蔬菜园区和种植散户使用。该播种机采用了典型的窝眼轮式排种器，窝眼轮上的型孔可根据蔬菜种子的大小、外形进行设计，可设计成单排、双排或组合式，以满足不同蔬菜的点播、穴播或条播需求。窝眼轮式播种机播种速度小于6 km/h时，播种质量较好，但对种子外形尺寸要求较高，种子播种前需清选分级。缺点是排种过程中易剪伤种子，导致种子破碎，影响出芽率。

图2 双排型孔轮式电驱动设施蔬菜直播机

德沃2BQS-8 气力式蔬菜精密播种机（图3），播种器工作时由高速风机产生负压，传给排种单体的真空室。排种盘回转时，在真空室负压作用下吸附种子，并随排种盘一起转动。当种子转出真空室后，不再承受负压，靠自重或在刮种器作用下落在沟内。该机根据播种不同蔬菜种子需要，一次可完成浅层开沟、精密播种、圆轮压种、双侧覆土、整体镇压等作业工序。可以在垄上或者整地成畦的细碎土壤上播种作业，实现一机多用，该机为单苗带播种作业，行距和株距可据需要适时调整。负压吸种、正压吹杂，实现高速精密播种，防止出现空穴漏播现象。

图3 德沃2BQS-8 气力式蔬菜精密播种机

随着播种技术不断更新，更节省蔬菜种子的种绳直播逐渐推广开来，该技术装备可实现精密播种且节省种子，播种过程主要有种子处理、丸粒化、种子编织和田间直播作业等环节，涉及的装备有种子丸粒机、种子编织机和种绳直播机，机械装备及播种效果如图4 所示。

图4 设施蔬菜种绳直播生产装备

设施蔬菜穴盘播种技术与装备

当前蔬菜种子穴盘播种技术与装备已较为成熟，国内已有多种精密播种设备供推广使用，如北京农业机械研究所研制的2BJ0P-120 型穴盘育苗精密播种机，华南农业大学研发的2BS-6 气力式蔬菜花卉穴盘播种机、南京农机化研究所研发的2BS8-D 型气吸式穴盘育苗精量播种机、江苏省农业推广站2BSJ-4 型蔬菜播种机、上海“康博”精密蔬菜播种机、上海“環田”牌2BS-JTI0 蔬菜精密播种机[2]等。

2BS-6 型气力式蔬菜穴盘精密播种机（图5）已通过广东省科技成果鉴定，产品的主要技术性能达到国内领先水平，其中在正负气压端面换气技术方面达到国际先进水平。自动播种生产线由基质搅拌系统、上土系统、装盘系统、压穴系统、播种系统、覆土洒水系统组成。该生产线具有6 大优势特点：①操作简单，全自动控制，2～3 人操作即可；②播种精确，合格率达97% 以上；③效率高，每小时可播高达600～900 盘；④不易堵塞，带有自动清洗装置；⑤适配性强，可根据客户要求配置使用50、60、72、105、128、200 等塑料、泡沫穴盘；⑥适用范围广，适用于蔬菜、烟草、花卉等直径在0.3～3.0 mm 的各种形状种子播种。

图5 2BS-6 蔬菜花卉穴盘精密播种机流水线

设施叶菜移栽技术与装备

移栽机所栽植的秧苗种类有裸苗(无土苗)、营养钵苗等，其中裸苗难以实现自动供苗，基本上是手工喂苗。而营养钵苗，由于采用育苗箱供苗，较容易实现机械化自动喂苗。按秧苗种类分类，移栽机分为裸苗栽植机和钵苗栽植机，按栽植器的形式又可分为链夹式、钳夹式、挠性圆盘式、吊篮式、导苗管式和带式等栽植机。栽植机工作时应满足以下农业技术要求：①作物株行距和栽植深度需均匀一致，并符合作物的要求；②保证蔬菜秧苗基本上垂直地面，倾斜度不超过30°，无窝根现象；③避免伤苗；④无漏植和重植。

较为成熟的穴盘苗移栽机为日本洋马PF2R型乘坐式全自动蔬菜移栽机[3]（图6），机具可完成取苗、开孔、落苗、覆土、镇压全自动蔬菜移栽；具备标准化可蜷曲专业育苗盘。作业条件：①适应苗高在40～100 mm 内、叶龄3～4 叶、盘根良好的叶茎类蔬菜钵体苗；②移栽泥面土块颗粒≤40 mm、作业面无杂草、土壤含水率不大于25% 的起垄或平地移栽；③育苗托盘尺寸（长×宽× 高）为590 mm×300 mm×44 mm，孔径与孔数分别为30 mm/128 孔、25 mm/200 孔两种可卷曲标准盘。

图6 洋马PF2R 型乘坐式全自动蔬菜移栽机

较为成熟的钵体苗移栽机为东风井关2ZYZ-2 型蔬菜移栽机（图7）、亚美柯2ZS-2型全自动钵苗移栽机、日神VPA-2 鸭嘴式全自动蔬菜钵苗移栽机、火绒HR 移栽机蔬菜钵苗移栽机[4]。

图7 东风井关2ZYZ-2 型蔬菜移栽机

植保阶段

设施内相对隔离、清洁无污染的生产环境隔绝了大量病虫害，已大大降低了生产对农药的需求量，大面积、高频率喷药作业的情况在海南常年蔬菜基地已较少出现。当前生产上较为常见人工背负电动喷壶[5]（半机械化方式）对局部病虫害感染区域实施打药作业。

为进一步保护生态、减少农药的使用量，相关学者开展单点精准除草剂的喷施技术与装备研究，如图8 所示。采用高分辨率相机对作物和杂草进行识别，采用喷射式除草末端，根据视觉识别结果，定点定量地喷洒化学除草剂，既节约了成本，又保护了环境。

近年来，国内外研究人员积极开展有益于环境保护、可促进农业持续发展的除草技术和设备的研究，以减少或取代被广泛使用的、对环境有害的化学除草剂，机械除草技术是一种备受关注的非化学除草技术，尤其是智能株间机械除草技术与装置[6]。

株间机械除草技术可在不使用除草剂的条件下实现株间除草，其装置如图9 所示。通过安装在除草装置上的摄像头进行图像获取，利用2G-R-B 方法将作物RGB 彩色图像进行灰度化，再选用Ostu 法二值化、连续腐蚀和连续膨胀等方法对图像进行了初步处理，实现株间机械除草装置作物识别、定位方法并自主避让作物并进入株间区域，通过苗间除草铲破坏杂草根部结构、阻断其与土壤的固结及养分、水分通道，最终实现株间精准除草。

图9 基于机器视觉的液压株间机械除草装置

灌溉施肥阶段

叶菜鲜活，需水量高，生长期对水分极为敏感，灌水不足会造成发育迟缓，产量下降，灌水过多不均又容易出现烂根现象。倒挂式微喷灌是叶菜种植最常用灌溉方式。倒挂式喷灌相比滴灌适应性强，防堵性能好，灌水均匀，且不影响机械化耕作，适宜育苗及叶菜灌溉使用。

以固定式微喷灌系统为例，一套完整的系统包含水源、首部枢纽、供水管网、微喷头（又称灌水器）、自动控制设备五部分，温室灌溉工程设计时首先根据作物类型及灌水定额确定灌溉需水量，海南地区种植蔬菜日灌溉量可按3～5 mm/m2计。地表水水质无法保证的情况下，推荐采用地下水灌溉，建设中转蓄水池夜间蓄水，日间灌溉。根据灌溉工艺要求选择灌水器及其安装方式，灌水器一般选用旋转式半雾化喷头灌水器，单喷头灌水流量约为80～130 L/h，湿润半径R ≥2.5 m，额定工作压力0.15～0.20 MPa，为获得良好的灌溉均匀度，灌水器布置间距一般为3.0 m。喷头倒挂安装于温室大棚横梁上，工作面无交叉可避免对栽培机械化作业产生干扰。进而依据经济流速选择合适的输水管径，并依据所需流量、扬程（考虑管道沿程损失、局部水头损失、首部水头损失、高差等）、功率等参数进行泵选型，最后根据设计灌水周期、一次灌水延续时间制定轮灌工作制度。

近年来海南建设的温室大棚均要求配备水肥一体化设施，将肥料以液体的方式在灌水同时提供给作物，施肥均匀，养分均衡，省工省力，节水节肥。相比只承担灌溉功能的微喷灌系统，水肥一体化微喷灌系统在首部有明显区别。除水泵、过滤设备、各类仪器仪表外，增设肥料罐（或施肥器）和酸碱度调节液。市场已有较为成熟、型号齐全、品牌多样、成本低廉的国产水肥一体化微喷灌全套设备。

采收阶段

据农机部门统计，2017 年设施园艺机采运面积为18 万hm2，占设施园艺总面积的9%，低于机播（17%）、机械环控（25%）、机械灌溉施肥（56%）、机耕（74%）环节比例[7]。采收环节作为设施园艺劳动最为密集的生产环节，随着劳动力成本的不断攀升也成为矛盾最为集中，机械化需求最为迫切的生产环节。打通叶菜种植全程机械化“最后一公里”需要标准化的种植模式与匹配的机械协同作用。

土壤栽培模式

上海世达尔现代农机有限公司新研制的带有自动仿形功能的4MD-120 型叶菜收割机[8]，可完成茼蒿、鸡毛菜等绿叶蔬菜的收割作业，试验结果均符合上海市企业标准要求。其中，超茬损失率1.2%、重割率0.335%、漏割损失率2.25%、净菜率98.2%。

其主要由手扶行走底盘、输送带机构、切割装置、自动仿行装置、电器控制系统等部分组成，如图10 所示。作为关键部分的电控系统主要由绿色环保的锂电池作为动力源，有底盘驱动电机、输送带驱动电机、切割器驱动电机、仿形装置的电动推杆和角度传感器、处理器、线束及控制元件等组成。割台前后、左右均安装有仿形装置，通过仿形探针的变化来获取地面的高低信息，信号传送到处理器，处理器发出升降指令传输给左、右电动推杆，完成左、右高度自动调节，克服畦面高度不一致的弊端。

图10 4MD-120 型叶菜收割机

大容量穴盘基质栽培模式

大容量穴盘基质栽培模式容易实现种植标准化，培育排列均匀、长势整齐、形态一致的叶菜，有利于采摘机械化。作者认为当前针对大容量穴盘基质栽培模式还未有针对性的农机装备投放市场，本文提供一种解决思路（研究方向）供各位专业人士共同探讨：采收时先固定穴盘，利用机械臂将成熟叶菜及基质连根拔起，抖落基质（基质经消毒后重复利用）以收获叶菜。基质一般较为松散，对作物根系的固结力弱于土壤，针对此模式研制出的机型装备和采收工艺易于复制，推广过程中不易受各地土壤条件影响。

运输阶段

分拣包装机具与装备

叶菜不耐储运，分拣包装为保护农产品、降低采后损失的必要措施，分拣可以让叶菜更加清洁整齐，剔除杂草及损伤叶菜，保留长势良好、利于保存的完整叶菜。人工采收叶菜分拣环节主要在田间，机械采收可集中于田头冷库和车间完成。

当前分拣环节主要依赖人工，目前未有较成熟的农机装备投放市场，本文提供一种解决思路（研究方向）供各位专业人士共同探讨。研制设施蔬菜有序排列物流系统，对无序收获采收的叶菜进行有序梳理，采用多目视觉系统融合卷积神经网络等算法训练融合，精确识别菜头和菜根，获取三维空间定位与空间坐标变换数值，采用伺服电机控制机械手臂，实现蔬菜整体任意角度的旋转，最终达到有序输送，为自动化包装后续流程做准备。

当前市场已有成熟的包装机械，由送膜机构、物料输送机构、制袋装置、封口机构、控制箱组成[9]。通过变速箱对伺服电机减速增扭，带轮传动实现机器运转，仅需人工投料即可完成机械化包装、封口、称重、贴标等一系列操作。

果蔬冷链运输装备

果蔬冷链物流运输的保鲜技术主要包括温控保鲜技术和气调保鲜技术。其中温控保鲜技术较适宜短距离运输的叶菜等生鲜食品，调控叶菜在运输、储藏过程中始终处于规定的低温条件下，降低叶菜的生理呼吸强度，抑制微生物的滋长，以减少腐败变质、降低损耗。配合田头冷库及冷藏货架，实现叶菜从采收至销售全产业链的降损保鲜。

当前海南省冷链物流行业涉及生鲜果蔬、水产畜禽、医疗药品等，全省已初步形成以海口、三亚、澄迈为枢纽，遍布18 个市县的冷链物流基础设施网络。

总结

据农机部门统计，2017 年全国设施园艺机械化水平为33.12%，江苏最高，达48%，海南最低，为17%[7]。2021 年海南用于常年蔬菜种植的温室大棚保有量已达15 万亩（1 万hm2），设施化程度达到26.7%（其中大部分为简易网棚），较低的设施机械化水平严重制约了当地蔬菜产业的发展。本文由生产实践中设施叶菜机械化需求入手，借鉴大田机械化发展历程的相关经验，按机械耕整地、种植、植保、灌溉施肥、采收、运输六大生产环节机械化需求，对于成熟的机械化生产环节，介绍其适配农机装备及其宜机化生产技术，对于不成熟或缺失的机械化生产环节，提出科学匹配的农机功能需求，以期为海南设施叶菜机械化生产集成创新提供思路。