山西省日光温室番茄宜机化生产可行性研究

2023-10-13刘家涛闫运凯

农业工程 2023年6期

薛平，李明，王捷，刘家涛，闫运凯

（1.山西省农业机械发展中心，山西太原 030002； 2.长治学院生命科学系，山西长治 046000）

0 引言

日光温室是山西省保障蔬菜冬春供给，调节农业产业结构的重要设施。截至2022 年底，山西省日光温室总面积4.69 万hm2，为推动设施农业发展作出了巨大贡献。日光温室蔬菜生产属于劳动密集型产业，受劳动力供给水平影响显著。随着山西省经济发展、农村人口老龄化突出、农业转移人口市民化进程加快，山西省设施园艺产业也将遭受劳动力不足和用工成本升高的冲击。《山西省“十四五”设施农业发展规划》中明确提出，2025 年全省设施农业总面积提升至9.33万hm2，机械化率达到50%以上。

传统日光温室蔬菜一般采用南北垄向，垄间距较小，导致农机装备难以进入作物垄间进行作业。即使在农机装备能够进入垄间作业的条件下，农机装备需要在垄间循环往复进出，严重影响了其作业效率[1]。针对此问题，国内研究人员建议在加大垄间距的基础上将蔬菜栽培垄向改为与日光温室走向平行的“东西垄向”，以番茄生产为例，研究结果表明，该模式不仅可以提高机械化水平、节省劳动力，而且番茄产量基本不受影响，部分研究认为东西垄向模式下番茄产量还略有增加[2-7]。

山西省关于日光温室机械化生产研究起步较晚，上述模式在山西省典型日光温室中的应用效果还不明确。此外，目前农业机械化的节本增效主要从节约劳动力角度进行评价，但在生产实际中很多装备应用效果主要体现在降低劳动强度方面，目前还没有相应的评价指标。而且在实际生产中，经济效益是决定上述技术模式能否顺利推广应用的关键要素。如果前期巨大的农机投资无法带来显著的经济效益，基于东西垄向的日光温室机械化生产模式将难以被农民接受，并且难以推广。由于相关研究较少，农民对应用机械化生产模式还抱观望态度，积极性不高。

针对上述问题，山西省农机发展中心联合山西省祁县农机部门开展了相关合作研究，在研究基于东西垄向的日光温室机械化生产模式对日光温室番茄生产影响的基础上，提出以综合人工消耗量作为农机装备节省劳动力的综合指标，并在综合考虑农机投资、运行成本和劳动力节约的基础上对宜机化栽培模式的经济可行性进行分析，全面验证宜机化栽培模式在山西省日光温室番茄生产的可行性，为山西省日光温室机械化水平的提升提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 日光温室与试验设计

试验于2022 年8 月5 日—12 月8 日在山西省晋中市祁县东观镇榆林村设施农业机械化示范区日光温室（北纬37.36°，东经112.45°）内进行。该温室为柔性围护日光温室，使用保温被覆盖后墙替代传统后墙。温室坐北朝南，东西长100 m；南北跨度为20 m，脊高7 m，如图1 所示。

图1 日光温室结构及宜机化垄型布置Fig.1 Structure of sunlight greenhouse and suitable mechanized ridge layout

试验温室采用垄栽模式种植番茄，番茄品种为1302 红果。试验温室划分为东西两部分。其中，温室东部为对照区，东西长30 m，采用传统沟畦栽培模式（以下简称传统栽培模式），沟畦为南北方向，沟宽70 cm，深20 cm。该模式下番茄栽培密度为3.3 棵/m2，栽培面积为0.05 hm2。传统栽培模式下，耕整地、环境调节和施药环节已经实现机械化，起垄-覆膜-铺滴灌带、移栽、灌溉和运输环节则采用人工作业。

温室西部为试验区，东西长70 m，采用宜机化栽培模式。该模式下栽培垄为东西走向。参考宋卫堂等[8]提出的宜机化垄型参数，确定垄高15 cm，垄沟、垄底和垄面宽度分别为80、80 和60 cm，垄上作物行距35 cm、株距40 cm。栽培密度与传统栽培模式相同，栽培面积为0.12 hm2。该模式下，耕整地、环境调节和施药环节采用与传统栽培模式相同的作业方式，在起垄-覆膜-铺滴灌带、移栽、灌溉和运输环节分别配置起垄覆膜机、移栽机、灌溉施肥机和运输车进行作业。受试验场地的影响，所购置农机仅在试验区内应用，未实现规模化作业。

1.2 成本核算

为准确评估未来规模化作业条件下宜机化作业模式的农机购置和使用成本，根据农业农村部农业机械化总站《2022 年设施蔬菜机械化生产先进模式材料汇编》相关案例，假设实际条件下1 台（套）起垄覆膜机、移栽机和灌溉施肥的适宜作业面积为3.33 hm2，1台运输车的适宜作业面积为1.67 hm2，计算上述新购置农机的购置成本和使用成本，如表1 所示[9]。

表1 宜机化栽培模式新增农业机械配置、报废年限及成本Tab.1 New agricultural machinery in mechanized cultivation mode and its life and cost

1.3 综合人工消耗量

农机装备应用效果主要体现在减少劳动时间和降低劳动强度。从节省劳动力的角度，应同时从上述两方面进行考察。如多功能作业平台作为采收的辅助装备，不仅可以缩短劳动时间，还能显著降低果实运输的劳动强度。因此，为评估农机作业对劳动强度的降低效果，根据心率增加指数对农业生产活动中的劳动强度等级进行划分，并定义综合人工消耗量（Pw,c）为劳动时间（tw，工日）和心率增加指数（h）的乘积，然后据此对设施园艺各环节的劳动量进行分析。

1.4 差额净现值

根据工程经济学原理，采用宜机化栽培模式替代传统栽培模式可看作差额投资项目，其差额净现值（ΔNPV）可根据式（2）计算。

式中CIm,t、COm,t——第t年宜机化栽培模式下的现金流入和现金流出，元/hm2

CIl,t、COl,t——第t年传统栽培模式下的现金流入和现金流出，元/hm2

i——基准折现率，根据《建设项目经济评价方法与参数（第3 版）》，i可取6%

若两种栽培模式下在产量及农资等方面投入不变，仅在农机投资、运行和劳动力方面有差异，式（2）可改为

式中COlw,t、COmw,t——第t年传统栽培模式下的劳动力成本，元/hm2，为劳动者作业时间和用工价格的乘积

COmi,t、COmo,t——第t年宜机化栽培模式下的农机投资和运行成本，元/hm2

1.5 测定方法

试验期间番茄产量采用全部称质量方式统计，人工消耗量通过实测劳动者劳动时间和机械作业时间测定。上述指标分别换算为公顷产量和公顷人工消耗量用于进一步分析。

2 结果与讨论

2.1 不同栽培模式下植株生长指标与产量

在南北栽培条件下，南侧植株阴面采光较差，同时还会对北侧植株产生遮挡，进而影响作物的正常生长。因此，东西垄向模式下番茄产量从南到北依次降低，但番茄总产量与南北垄向并没有显著下降，甚至略有升高[2,7]。李治国等[1]在北京市日光温室中对比了宜机化和传统栽培模式下番茄栽培情况，发现在密度相同条件下两种栽培模式的番茄产量和品质没有显著性差异，进一步提高宜机化栽培模式的密度，可将产量提高10%，但果型偏小。杨雨松等[4]研究了沈阳市日光温室内不同垄向对番茄产量的影响，发现东西垄向基质栽培和土壤栽培番茄的最终收获产量高于南北垄向。唐佳宁等[6]针对辽宁省北票市日光温室的研究发现，采用大垄东西垄向栽培的番茄产量高于南北栽培，并且品质有一定程度提升。在本研究中，试验日光温室宜机化栽培模式下的番茄产量为131.3 t/hm2，较传统栽培模式高7%，与上述研究结果相一致。

综合现有研究和本试验结果，宜机化栽培模式下番茄产量虽优于传统栽培模式，但在实际生产中需要进一步完善宜机化栽培管理模式，为保障高产提供支撑。

2.2 机械化水平评价与人工节约分析

根据实际应用情况，宜机化栽培模式使祁县试验日光温室在移栽、植株调整与采收、施药和运输等方面实现了机械化。根据农业机械化水平评价方法NY/T 1408.6—2016《农业机械化水平评价第 6 部分：设施农业》，试验温室的机械化水平由38.5%上升到73.3%[10]。

由于目前农机装备的无人化作业程度较低，在作业过程中需要使用人工辅助。试验日光温室在宜机化栽培模式和传统栽培模式下栽培1 茬作物的人工消耗量分别为80.40 和193.50 工日/hm2，如表2 所示。在现有栽培基础上，采用宜机化栽培模式每茬可节约人工113.1 工日/hm2，节省劳动力成本11 310 元/hm2（当地人工工资为100 元/工日）。

表2 宜机化栽培模式下机械台班、人工消耗量及人工节省量Tab.2 Consumption of device shift and labor under mechanized cultivation mode and labor saving quantity

2.3 综合人工消耗量

在宜机化栽培模式下，农机作业需要与劳动人员配合使用。农机的应用主要体现在减少劳动时间和降低劳动强度。如运输环节，采用运输机械不仅可提高农资或果实的搬运效率，减少劳动时间，还能显著降低该过程的劳动强度，使更多体弱劳动者参与生产，为降低劳动力成本奠定了良好基础。因此，从节省劳动力的角度，应同时从上述两方面进行考察。

根据走访调研，日光温室蔬菜生产过程中的劳动强度可划分为轻劳动、中等劳动和重劳动，相应心跳增加指数分别为1.15、1.40 和1.70，如表3 所示。在传统栽培模式和宜机化栽培模式下综合人工消耗量分别为315.24 和92.46 工日/hm2，则采用宜机化栽培模式可节省综合人工消耗量70.6%，劳动强度降低明显，有助于应对农业人口老龄化对设施园艺产业产生的冲击。

表3 传统栽培和宜机化栽培模式下工人劳动强度、劳动者心率增加指数和综合人工消耗量Tab.3 Labor intensity，index of increased heart rate and integrated labor consumption under mechanized and traditional cultivation modes

2.4 经济可行性

宜机化栽培模式下人工消耗量大幅降低，其人工成本较传统栽培模式有显著下降。杨冬艳等[5]对宁夏回族自治区日光温室早春茬西瓜+秋冬茬番茄机械化生产模式的劳动力成本进行了核算，发现宜机化栽培模式下人工成本较传统栽培模式节省37 500 元/hm2，人工成本投入减少8.1%。於锋等[11]研究表明，使用宜机化栽培模式替代传统设施蔬菜种植模式可使设施韭菜生产节省人工125.25 工日/hm2，减少用工成本7 185元/hm2；设施芹菜生产节省179.25 工日/hm2，减少用工成本13 275 元/hm2；设施茄子、辣椒生产节省94.5 工日/hm2，减少用工成本5 055 元/hm2。但上述研究没有考虑农机购置和运行对宜机化栽培模式成本的影响。

根据工程经济学原理，宜机化栽培模式和传统栽培模式可看作互斥方案，并采用ΔNPV作为评价宜机化栽培模式经济可行性的指标。首先，根据现有研究及本研究测试结果，宜机化栽培模式下番茄产量优于传统栽培模式。从保守角度出发，可认为栽培模式不影响农户的种植收入，两个方案在现金流入方面没有差异。其次，从现金流出角度出发，两种栽培模式下所消耗的肥料等农资基本不变，但宜机化栽培模式增加了农机投资成本和运行成本，节约了一定的劳动力成本。

考虑到新增农机装备最长报废年限为10 年，可作为上述互斥方案的寿命期。由于起垄覆膜机、灌溉施肥机和电动运输车的报废年限为5 年，宜机化栽培模式需要在项目开始和第5 年购置起垄覆膜机、灌溉施肥机和电动运输车。移栽机仅需在项目开始时购置即可。综合以上分析，宜机化栽培模式相较于传统栽培模式下的农机投资、运行成本及劳动力节约如表4 所示。

表4 项目寿命期内宜机化栽培模式的农机购置、运行成本和劳动力节约Tab.4 Investment and operation cost of agricultural machinery，labor saving under mechanized cultivation mode during project life

根据工程经济学原理，ΔNPV＞0 则使用宜机化栽培模式替代传统栽培模式在经济上可行，ΔNPV越大，其经济可行性越高。根据式（3），宜机化栽培模式和传统栽培模式下的差额净现值为29 281 元/hm2，使用宜机化栽培模式替代传统栽培模式可行。

为进一步探讨农机购置成本和劳动力成本对ΔNPV的影响，研究了农机购置成本和劳动力成本对ΔNPV的敏感性分析，如图2 所示。

图2 差额净现值（ΔNPV）敏感性分析Fig.2 Sensitive analysis of change in net present value （ΔNPV）

根据分析结果，农机购置成本和劳动力成本对差额净现值有显著影响。随着未来农村人口减少和老龄化进程的加速，劳动成本逐年升高，宜机化栽培模式的财务可行性进一步提高。因此，在山西省推广使用宜机化栽培模式对解决设施园艺产业劳动力不足的问题有非常积极的意义。与此相反，农机购置价格升高会显著降低宜机化栽培模式的财务可行性。因此，一方面需要对农机进行适当补贴，避免因为农机价格过高而阻碍宜机化栽培模式的推广；另一方面，还要进行规模化种植，通过合理配置农机数量来降低单位面积农机购置成本保持较低水平，充分发挥农机作业优势，为推进设施园艺产业机械化水平奠定经济基础。