国内外设施蔬菜机械化发展现状分析及对策*

王江，李浩，马志伟，郝建军，刘文科

(1. 河北农业大学机电工程学院，河北保定，071001； 2. 河北省智慧农业装备技术创新中心，河北保定，071001；3. 河北农业大学农村发展学院，河北保定，071001；4. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京市，100081)

0 引言

蔬菜是人们日常生活中必不可少的重要食品,我国幅员辽阔，人口众多，对蔬菜需求量很大。为解决我国蔬菜供给不均衡、消费者对反季蔬菜高需求的问题，需要在不适宜露地种植蔬菜的季节，利用日光温室、塑料拱棚、遮阳棚、网棚等设施，创造适宜蔬菜生长的环境条件，进行设施蔬菜生产。

2020年全国温室设施大棚栽培面积达3 700 khm2，其中连栋温室面积达到1 000 khm2，设施栽培总面积已突破4 000 khm2，设施蔬菜种植面积在不断扩大[1]。2022年1月农业农村部颁布的《“十四五”全国农业机械化发展规划》明确指出, 加快推进农业机械化全程全面和高质量发展，到2025年设施农业、畜牧养殖、水产养殖和农产品初加工机械化率总体达到50%以上，2035年实现设施种植、农产品初加工机械化促进农产品增值能力显著增强，“机械化+”信息化、智能化全面应用于农业机械化管理、作业监测与服务。随着人们对设施蔬菜的需求日益增加，设施蔬菜种植面积与日俱增，但设施蔬菜产业化程度仍处于较低的发展水平，设施蔬菜产量供不应求，蔬菜品质得不到保障。设施装备和机械化生产是设施蔬菜产业高质量发展的重要支撑，目前我国设施蔬菜生产大部分仍处于人工作业模式，远达不到机械化标准作业要求，为实现设施蔬菜产业高水平快速发展，我国设施蔬菜机械化、自动化水平较低的问题亟需解决。为此，通过分析目前国内外设施蔬菜机械化发展的现状与特点，为我国设施蔬菜发展方向提供参考。

1 国外设施蔬菜机械化发展现状

1.1 美国设施蔬菜机械化发展现状

美国的市场经济发达，设施产业发展处于世界领先水平，实现了产业化、规模化生产。美国的设施蔬菜生产区域呈现集中化、布局专业化和服务社会化的特点，设施蔬菜机械化水平高，从选种、耕整地、播种、收获到运输加工都已实现了机械化作业。如图1所示，农业机器人广泛应用于作业生产过程中，显著增加了工作效率与质量[2]。佛罗里达大学开发了用于人—机器人协作的随机优化模型，使用风险规避框架来确定最优的服务策略，最小化经济损失的风险[3]。美国某公司研制的自动机器人执行多种农业功能，通过机器学习模型、计算机视觉和高精度机械工具，干净地采摘杂草，同时消除有害的化学物质输入[4]。

图2所示为美国设施蔬菜内部布局。美国有发达的设施栽培技术，综合环境技术水平高，设施向连栋化方向发展。美国设施蔬菜机械趋向多功能化、智能化发展，可选用的机具种类多，机具质量稳定可靠，使用寿命长，标准化、系列化、通用化程度高，售后服务便利。作业机械通过与物联网、计算机技术结合，对设施的空气浓度、温度、湿度、水分等进行实时检测与监控，并与大数据相耦合, 实现了自动化调控，极大地提高了生产效率，在保证产量的同时还提高了品质，有效增加了设施蔬菜的经济效应[5],纳米材料在作物加工设备上得到应用，太阳能作物烘干机、作物剥皮和打包机械上都有纳米材料的应用[6]。

(a) 采摘机器人

图2 美国设施蔬菜内部布局

1.2 日本设施蔬菜机械化发展现状

日本国土面积小，约75%属山地丘陵地带，极大限制了日本农业的发展。据日本农林水产省的最新统计,日本设施农业面积达到421 643 km2，其中约有67%种植蔬菜，11%种植果树，其他则种植水稻育苗、花卉以及养殖畜禽等，日本设施农业总量不大，但特色鲜明，机器朝着小型化、轻便化方向发展[7]。日本设施蔬菜生产采用先进的栽培技术，机械化程度高，农机农艺有效融合，除部分果菜类的采收环节尚未实现机械化外，蔬菜生产基本实现了机械化[8]。日本山冈大学开发了菜用大豆分选设备,分选效率达到85 kg/h,是人工分选的7倍[9]。日本富士集团联合九州大学,发挥各自的优势,加快人工智能技术在农业产业的应用[10]。日本还建造了世界上最为先进的植物工厂，采用完全封闭生产、人工补充光照，全部由计算机控制。近年来日本还研制了一种遥感温室环境控制系统，将分散的温度群与计算机控制中心连接，从而实现更大范围的温室自动化管理[11]。

日本设施蔬菜机械相比于欧美等国家偏小，也适用于我国设施蔬菜机械作业，但价格比较昂贵。日本设施蔬菜移栽机、蔬菜栽培机械向高性能、低油耗、自动化和智能化方向发展，耕作质量效果较高，满足农艺要求。采用精准的温湿度检测调节设备对设施进行通风降温、保温和加温，实现了自动化调控,并配备先进的运输设备、智能化采摘及后加工处理系统、精准的水肥监控系统实现设施生产的智能化管理,实现园艺作物优质高产的目标[12]。

1.3 荷兰设施蔬菜机械化发展现状

荷兰农业发展处于领先水平，其蔬菜产量稳居世界前列。目前，荷兰的温室设施面积为110 khm2，占世界玻璃温室面积的1/4，主要用来种植蔬菜和花卉[13]。荷兰制定了相关计划并加大了研究力度,荷兰设施农业采用规模化生产方式，设施蔬菜实现了从机械化、装备化、自动化、物流化到智能化的生产。荷兰公司发的水培蔬菜工厂化生产系统代表了水培蔬菜的世界先进水平，整个生产过程全部在智能温室系统中进行[14]。图3为荷兰生产的ISO plant sampler，可自动收集种子DNA材料[15]。图4所示为荷兰设施蔬菜机械化收获作业过程，控制技术与配套装备在设施园艺中广泛使用，具有动力平台专用化、生产全程机械化和生产管理智能化的特点,代表了世界领先水平[16-20]。以黄瓜、番茄这两种常见的蔬菜为例，在设施生产中，广泛采用生产率较高的自动化生产线，例如：精量播种自动化生产线、蔬菜嫁接作业生产线以及蔬菜岩棉块种苗生产线等，荷兰研发了自动化装备较完善的蔬菜岩棉块种苗生产线，并在多家蔬菜育苗企业中应用，减少了各个环节之间的作业时间，降低了作业劳动强度，大大提高了总体作业生产率[21]。

图3 ISO植物取样器

图4 荷兰设施蔬菜收获作业过程

1.4 以色列设施蔬菜机械化发展现状

以色列位于中东地区，全年降水稀少，雨热不同期，是世界上淡水资源十分匮乏的国家之一，其国土干旱半干旱地区面积约占总面积的75%以上，沙化严重，这些不利气候条件对以色列国内农业的发展起到了限制作用。高效的灌溉体系是以色列设施园艺最显著的特征，以色列专注于水肥技术，在节水灌溉方面处于世界前列。设施农业生产大力发展滴灌、喷灌和微喷灌等技术，图5所示为以色列设施蔬菜灌溉设备，在节水灌溉装备方面，现代化的滴灌和喷灌系统都配备温度、湿度、二氧化碳浓度等环境因子的电子传感器，利用计算机技术测定水肥含量并进行线性规划，施肥和灌溉同时进行，封闭的输水和配水灌溉系统极大地减少了灌溉过程中的渗漏和蒸发损失，有效克服了不利的自然环境与气候对蔬菜产量的影响，提高了蔬菜的产量。

以色列注重设施机械装备产品的研究与开发，创新研制的现代薄膜可抗除虫剂中硫化物的腐蚀，还能抵挡阳光中对植物有害的光谱[22]。图6为以色列某公司开发的GROW的多用途机器人，可以在温室内执行劳动密集型任务，还设计温室番茄自动收割机，减少采摘过程中对产品的损害，并提高效率[23]。

图5 以色列设施蔬菜灌溉设备

图6 GROW机器人

2 国内设施蔬菜机械化发展现状

经过30多年的发展，我国设施蔬菜产业取得了巨大成就，形成了低碳、节能、低成本的独具特色的发展道路，我国设施蔬菜规模逐年增加，同时也存在着土壤连作障碍严重、蔬菜生产机械化水平低、劳动强度大、生产效率低等问题，对我国设施蔬菜产业的发展起到了一定的制约作用。

2.1 设施蔬菜耕整地机械化发展

蔬菜是典型的精耕细作生产方式，主要包括土地耕整、直播、育苗、移栽、田间管理和收获等生产环节[24-26]。在蔬菜生产过程中，耕整地、开沟起垄、覆膜等已基本实现了机械化作业，极大地减少了人工强度。但我国对于设施蔬菜专用机械研究起步较晚，用于设施蔬菜作业的耕整地机械大多用大田机械替代，或者将大田作业机具经过简单的改装来进行耕整地作业。表1为我国研发的几种耕整地机械，由于微耕机尺寸较小，适用于温室机械作业，但目前研制的微耕机自动化程度不够，不能实现一机多用，造成人力物力资源浪费。未来应加强关于设施蔬菜耕整地机械小型化、轻量化及智能化的研究，加强以电力等清洁能源为动力的作业机械的研发，减少污染，缓解资源短缺。与此同时，结合不同种类设施蔬菜对于土地耕作要求不同，将农机农艺相结合，增加作业机械的种类，满足不同作物对于不同作业要求的需求，提高作业机械的耕作质量与效率。

表1 整地机械 Tab. 1 Land preparation machinery

2.2 设施蔬菜播种机械化发展现状

在蔬菜种子播种机械方面，按照大棚蔬菜播种机的动力源可以分为人力手扶式播种机、汽油机动力播种机以及电动播种机3种类型。表2为我国研发的蔬菜播种机[27]，播种时对蔬菜种子造成损伤较少，少播、漏播和重播等现象出现较少。但目前设施蔬菜播种机械种类较少，可选用机型不多，进行不同类型作物种子播种时，需要更换排种器，机器通用性较低，增加了作业时间、成本花费与劳动强度。未来应加强自动化技术在播种机器上的应用，加强研发适用于日光温室的播种机械开发，设计智能监控系统功能模块等实现精密播种，提高设施蔬菜播种机的智能化水平，减少人工强度，提高播种效率。

表2 蔬菜播种机Tab. 2 Vegetable planter

2.3 设施蔬菜收获机械化发展现状

按照收取蔬菜部位不同，可分为根菜类收获机、果菜类收获机、叶菜类收获机等类型[28-29]。由于蔬菜的果实、枝叶相对脆弱，因此在研究设施蔬菜收获机械时，应先考虑蔬菜的几何形状、物理特性，尽可能减少采摘过程中对蔬菜的损伤，保证蔬菜的产量与品质。目前，我国设施蔬菜的采收大多采用人工进行，损伤率较低，但人工作业强度大、耗时长、成本高。

我国研发的蔬菜采摘机械如表3所示，目前对于大蒜、甘蓝等露天大规模种植蔬菜的收获机研究比较成熟，机器作业效率较高，但对设施蔬菜收获机的研究比较匮乏。虽然我国展开了设施蔬菜收获机械的相关研究，但研发的作业机械成熟度不够，关键技术尚未解决，存在工作效率低、蔬菜损伤率大等问题，目前运用于实际生产中的不多。相较于欧美等发达国家，设施蔬菜收获机械的发展还处于比较落后的地位。我们应该针对设施蔬菜的物理特性，研发适宜生产的蔬菜收获机，同时加强采摘机器人和新能源动力设施蔬菜收获机的研究，借助机器视觉、传感器等自动化技术实现设施蔬菜收获机械智能化发展，提高蔬菜采摘的质量与效率，减少人工作业强度。

表3 蔬菜采摘机械Tab. 3 Vegetable picking machinery

3 我国设施蔬菜机械化存在的问题

由于各地区社会经济发展程度不同，设施蔬菜产业发展存在一定的差异，难以形成统一的标准化种植模式。设施蔬菜生长处于较复杂的环境，在作业过程中对机械设备要求较高。随着设施蔬菜产业的发展，我国也不断加强设施蔬菜机械装备研发的重视程度，我国设施蔬菜生产中各作业环节的机械装备都处于快速发展的阶段，但设施蔬菜装备关键技术并没有得到改善，技术水平尚不成熟，就目前现有的发展情况来看，仍存在着一些问题。

3.1 机械化程度水平总体低下

目前我国设施蔬菜机械化水平不足25%，远低于国际水平，还处于初始的生产机械化阶段，南北地区机械化作业也因自然条件、社会经济条件等因素存在明显的差异，虽然部分作业环节的机械化水平较高，但整体作业水平较低。目前对于设施蔬菜机械化装备研究主要集中在耕整地和植保等作业环节，在栽培、收获、灌溉施肥、初加工等环节机械化装备研究不多，主要表现在机具种类少、生产效率低、智能精准化作业水平不高等方面。

3.2 专用机械与通用机械缺乏

目前，专用于设施蔬菜生产的机械种类单一，可选用机型较少。用于设施蔬菜的机械一般是在大田作业机械上改进而成，生产率较低，作业质量差，有些大田机械并不能适用于设施狭窄的空间进行工作。设施蔬菜专用机械的缺乏导致作业效果满足不了农艺要求，尤其是在蔬菜采收时，蔬菜易被损坏，影响设施蔬菜的产量与品质。

设施蔬菜的通用机械缺乏主要体现在在播种机械上，受到种子形状、大小及含水率等特征的影响，播种不同作物时需要更换不同类型的排种器，降低了生产效率，提高了作业成本，还增加了劳动强度。对采摘运输及后加工等环节的作业机具研究已经逐步进行，目前并没有特别适宜的机具运用实际生产。

3.3 农机农艺融合程度低

设施蔬菜采用精耕细作生产方式，农机既要满足耕作的要求，还要满足作物生长农艺要求。在作业时，易出现耕深不够、耕深不一致、重耕漏耕、土壤细碎度不一致、破碎度不够等问题，农机作业质量往往达不到作物生长最适宜的条件，作物的品质与产量得不到有效保证。种植农艺与机械化生产方式的集成度、系统性不够,使得设施蔬菜的经济效益大大降低。

4 设施蔬菜机械化发展对策

随着社会经济的快速发展，设施蔬菜产业的不断扩大，为保证设施蔬菜产品保质保量的生产，有必要推行设施蔬菜标准化种植模式，推进产业生产机械化水平。虽然我国设施蔬菜产业机械化发展处于起步阶段，但已开始加强对设施蔬菜机械装备研发，并取得了一系列的突破与进展，未来我国设施蔬菜机械装备发展应注重以下方面。

4.1 加强自主创新意识，推进科技创新，因地制宜

我国地域辽阔，自然环境存在明显的差异，我们应因地制宜，推广标准化温室设施，北方以节能日光温室为主、南方以塑料大棚为主。研究适宜的设施机械，重点解决设施蔬菜栽培、收获、运输及后加工等环节机械化程度低的问题，增加自主创新能力，研发适合我国设施蔬菜生产的机具。树立和落实新的发展理念，在设施蔬菜机械化发展过程中，加大对基础设施与关键技术装备的研发的投入，加快无人驾驶、图像识别、柔性夹持等技术在设施蔬菜生产过程中的应用，降低劳动强度，减少作业损失。

4.2 推进生产作业机械化、智能化，加快新材料以及农业机器人新技术的应用

目前，我国设施农业规模不断扩大，但总体来说，机械化水平仍旧低下。各地应该充分吸收国内外先进的技术成果与经验，形成自己的品牌效应，让更多的“寿光”模式出现。加大创新投入力度，突破作业产前、产中及产后关键环节装备短缺的短板，推动设施设备与温室结构集成配套，加强生产作业各环节设备之间的协调配套。让机具工作稳定可靠，增强生产效率。推动信息化和机械化融合，结合物联网、新材料、计算机、大数据等先进技术，实现设施蔬菜光、温、水、肥及空气的检测，形成自动化生产，突破关键技术装备的研发与应用。

4.3 提高研产率，提升科技支撑能力，推进标准化生产

我国对于设施蔬菜相关机具研究很多，也取得了一定的成果，但还不能够很好地运用于实际生产中。创新力度不够，没能够形成自己的系列标准，产出率较低，使得成本增加。各科研院所、学校及公司研发部门等应加强最新技术与信息交流与合作，加大科研力度，提高机械化水平。加强设施蔬菜机械作业要求与农艺要求相匹配，提高机械竞争力水平，提高作业质量，加大设施蔬菜生产机械化作业、智能化控制、产品后加工处理、产前预处理等关键技术的研发与投入，加快科技成果转化与推广。

4.4 完善社会服务体系，加强公共服务

政府部门应加大对设施蔬菜产业发展的扶持力度，出台相关的政策发挥积极的引导作用，建立信息共享平台，实现信息的共享。推进农机农艺融合的机械化生产模式，提高生产标准，组织开展生产标准制定、质量检测、技术推广等服务，加强安全管理与监督。加强对操作人员机械操作及农艺要求的培训，加强机械售后服务，开展设施种植机械化发展情况动态监测，加强发展指导。为设施蔬菜机械化发展提供保障。

5 结语

综上所述，我国设施蔬菜机械化、智能化以及标准化研究和推广使用的任务还很艰巨，道路还很漫长。面对我国对设施蔬菜需求量的增加问题，更加高效，保质保量的生产是当务之急，设施蔬菜机械化、智能化生产是主要的发展方向。未来我们应该按照设施蔬菜特定的环境以及设施蔬菜对特定生长环境的需求，加大对设施蔬菜各个作业环节机具的开发，与现代信息技术相结合，小型化、轻量化的同时提高机器自动化、智能化水平，提高作业质量与效率。设计和优化设施蔬菜机械关键部件，借鉴国外的研究，设计适合于我国使用的设施蔬菜机械。