基于“农艺-农机-设施”融合的设施番茄机械化生产技术模式构建与验证＊

宋卫堂，李 明，宋坚利，王平智（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 10008；2.农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 10008；.中国农业大学理学院，北京 10019）

设施蔬菜生产体系是一个半封闭式生态系统。设施蔬菜为该系统内核；设施结构、栽培模式以及环境调控为系统内层，与蔬菜生长密切相关，是促进设施蔬菜高效生产的直接推动力；机械化、自动化以及智能化为系统外层，虽然不直接作用于蔬菜，但却能通过提升设施结构、栽培模式以及环境调控的工作效率来推动蔬菜的高效生产，同样是设施蔬菜生产体系的重要组成部分[1]。近年来中国城镇化和老龄化进程加速，设施园艺产业劳动力供给不足的问题越发突出，人力成本持续升高，严重影响了产业的可持续发展，亟需开展“机器换人”工作，降低生产中的劳动力数量和劳动强度，提升生产效率。但目前设施蔬菜生产的机械化水平较低，导致机械化要素无法有效作用于栽培管理和环境调控，对手工劳动的依赖非常严重。

上述问题的产生可归因于“机不好用、无机可用、无好机用、用不好机”等“四机”问题，即现有设施蔬菜作业装备大多是由大田机具改制或引进国外装备而来，存在着作业质量和效率不高，在某些作业环节还缺乏适宜农机装备等问题。此外，中国现有的设施蔬菜生产设施在其设计建造之初和农艺措施的形成之初，基本没有考虑农机装备的作业需求，这更限制了设施蔬菜农机装备的作业效率，降低作业质量。基于上述分析，宋卫堂和李明[2]提出了以“农机-农艺-设施”深度融合提高设施蔬菜机械化水平的思想，从农机研发、农艺和设施协调等角度消除制约设施蔬菜机械化生产的要素，快速提升设施蔬菜的机械化水平。具体方法可归结为以下三个步骤：第一步，在调研现有农机装备作业参数的基础上构建以“大垄距+宽沟窄畦”为特征的宜机化、标准化的栽培模式，消除农艺措施对农机作业的限制；第二步，筛选、研发适宜的农机装备，从耕整地、起垄覆膜、移栽到田间管理等全程实现“有机可用、有好机用”的目的，尽可能实现“机器换人”；第三步，改造、建造宜机化的园艺设施结构，使得农机装备能够顺利进出、高效作业，消除设施对农机作业的限制，进一步提高农机作业的便利性。因此，国家大宗蔬菜产业技术体系“耕种与田间管理机械化”团队与银川、温州、赤峰、唐山等综合试验站联合开展研究，探索构建了塑料大棚和日光温室番茄机械化生产的技术模式，并进行了验证。

塑料大棚番茄机械化生产技术模式构建与验证

塑料大棚番茄宜机化模式构建

根据番茄栽培作业环节调研现有农机装备作业参数，并据此构建了以“大垄距+宽沟窄畦”为特征的番茄宜机化栽培工艺，即将垄间距由现在的1.3～1.4 m 扩大到1.6～1.8 m，形成大垄距；在大垄距的前提下把畦面缩小、垄沟加宽，形成宽沟窄畦。2020 年12 月7 日在江苏大学召开的第一届农机农艺融合研讨会上，来自全国的设施栽培、农机研发、农机企业、技术推广等多领域的专家进行了研讨，推荐了如下番茄栽培的垄形参数：相邻两畦中心距180 cm，畦面高度15～20 cm，垄底宽度80 cm，垄顶宽度60 cm，垄沟宽度100 cm；栽培模式是一垄种植两行，垄上行距30～45 cm，株距根据株数的需要进行调整。以8 m 跨度塑料大棚为例，作物栽培垄布置如图1 所示。

图1 8 m 跨度塑料大棚中番茄等果类蔬菜的宜机化栽培示意图/mm

农机装备筛选、改制与研发

为实现主要作业环节“机器换人”，降低劳动强度，提高生产效率和作业质量，通过市场调研，对农机装备进行了筛选（表1），形成了机具配套方案。在实践中发现，使用常规起垄覆膜铺滴灌带一体机作业时，由于垄顶为平面，常常发生滴灌带浇水时垄沟积水现象（图2a），并且滴灌带的铺设位置距离植株根部较远，会造成水、肥的浪费。为此，团队联合无锡悦田农业机械科技有限公司对YT10 系列多功能田园管理机进行了优化改制（图2b），使机器起垄时在垄面中间位置上开出一条宽30 cm、深1～2 cm 的凹槽，并将两根滴灌带铺放于凹槽两侧（图2c），很好地解决了垄沟积水、水肥浪费的问题。

图2 悦田YT10 系列多功能田园管理机的改进优化/cm

表1 主要机械化作业环节及推荐机型

针对塑料大棚物流运输装备缺乏、植保装备主要靠人工背负且存在农药污染人体风险等问题，本团队研发了履带式多功能作业平台，以及“人机分离”式喷雾机。其中，多功能作业平台能够辅助人工进行打杈、吊蔓等植株管理，同时还能辅助采收，即工人站在平台上进行果蔬采摘，果实放置于平台上，并由平台将果实运送出去。这样就可以解决因为大棚长度较长，适宜物流装备缺乏而造成的高强度搬运作业问题，提高工人作业效率、减轻劳动强度。另外，大棚是一个相对密闭的环境，在大棚里喷洒农药，微米级的雾滴会弥散在大棚内部，由于处于无风环境，雾滴难以飘散，会在空气中弥散，易对人体造成危害。“人机分离”式喷雾机，就是使用上述多功能作业平台作为载具，将喷雾系统固定在平台上，同时加装了远程视频系统，作业人员在棚外通过观看屏幕就可以遥控施药作业。这样既降低了劳动强度，提高了作业效率，又可有效防止农药对施药人员的危害。

宜机化的塑料大棚设计

针对现有塑料大棚进出口狭小、室内空间有限的问题，本团队根据农机装备作业的空间需求，综合考虑标准钢管长度、塑料大棚构造要求、土地利用效率等的基础上，设计了一种宜机化塑料大棚。该大棚骨架由两根8.0 m 长标准钢管构成，跨度9.5 m，脊高4.5 m，肩高2.2 m，同时在山墙两侧设置了平拉门，方便农机进出（图3～4）。采用上述宜机化栽培模式，室内可栽种5 垄番茄。根据行业标准NY/T 1086.6-2016《农业机械化水平评价 第六部分：设施农业》，对采用机械化技术模式后能够达到的技术水平进行评价，塑料大棚番茄生产全程机械化率可从45% 提高到88%。

图3 9.5 m 跨度宜机化塑料大棚设计图/mm

图4 温州试验站的宜机化塑料大棚实景

日光温室番茄机械化生产技术模式的构建与验证

日光温室番茄宜机化模式构建

传统日光温室作物栽培垄向多为南北向，不利于农机装备作业。为此，本团队提出将作物栽培垄向由南北向改为东西向[3]，形成了以“大垄距+宽沟窄畦+东西向”为特征的日光温室茄果类蔬菜宜机化栽培参数，即垄底宽80 cm，垄面宽60 cm，垄沟宽100～120 cm，垄高10～20 cm（图5）。以跨度8.0 m 日光温室为例，跨度方向栽培垄布置模式如图6 所示。

图5 日光温室中番茄、辣椒、茄子、黄瓜等茄果类蔬菜宜机化栽培参数/cm

图6 8 m 跨度日光温室栽培垄示意图/mm

农机装备筛选、改制与研究开发

在采用东西垄向生产的日光温室中，主要机械化作业环节的推荐机型与塑料大棚相同（表1），利用尽可能少的机型来满足多种设施园艺的需求。经过近几年的生产实践验证，推荐机型具有良好的作业效果和比较可靠的性能。

宜机化日光温室改造与设计

对于新建温室，需要进行宜机化设计。即首先根据日光温室宜机化栽培模式，综合考虑温室结构受力特性和日光温室构造要求，确定日光温室的合理跨度，以及主体结构参数，兼顾宜机化栽培下的日光温室土地利用效率；然后根据农机装备作业需求，确定前屋面底角处关键节点的最低高度，再按照日光温室前屋面曲线设计方法确定前屋面曲线，消除传统日光温室前屋面空间狭小对农机作业的限制；最后，传统日光温室出入口狭小，不利于农机装备进出，需要设计相应的进出口。对于已建成的、现有质量较好的日光温室，为避免浪费，一般可将靠近东山墙或西山墙的第一榀或第二榀温室骨架断开，形成一个高度和宽度都约2 m 的缺口，作为农机装备的进出口。根据行业标准NY/T 1086.6-2016《农业机械化水平评价 第六部分：设施农业》以及实际应用验证，该日光温室番茄生产机械化技术模式可使全程机械化率从33% 提高到72%。

宽沟窄畦宜机化栽培模式行距动态调节技术

在示范设施番茄的机械化生产技术模式过程中，“宽沟窄畦”栽培模式也出现了一些新问题。日光温室中，同一垄内北侧行相较于南侧行果实偏小、产量偏低；北侧行的叶片有黄化早衰现象。塑料大棚中，同一垄两行中间的叶片有黄化早衰现象。产生这种现象的原因是由于垄内两行之间光照不足、通风不良。为此，本团队从工程技术角度，提出了两项可用于改善垄内行间光照条件的技术。一是日光温室和塑料大棚采用散光膜进行覆盖，太阳光经过散光膜发生散射，会有部分光线进入行间，改善光照环境[4]；二是“动态行距”技术，当农机不进入垄沟时，垄上两行茎蔓之间的距离变大，当农机要进入垄沟时，垄上两行茎蔓之间的距离变小，也就是同一垄上两行植株茎蔓之间的距离，要随着农机是否进入垄沟，进行动态改变。为实现“动态行距”，设计了一种行距调整机构，植株正常生长状态下，人或者农机具不进入行间，两行打开利于植株采光和行间通风（图7a），当人或者农机具要进入行间时，两行收拢（图7b）。

图7 果菜行距动态调整机构示意图

“动态行距+散射光”也许能有效改善“宽沟窄畦”栽培模式下行间的光照不足和通风不良的问题；塑料大棚的“大垄距+宽沟窄畦+动态行距”与日光温室的“东西垄向+大垄距+宽沟窄畦+动态行距”，也许将是推动设施蔬菜生产机械化水平提升的关键农艺技术。

致谢

衷心感谢本领域专家、综合试验站以及农机装备企业给予的大力支持和帮助。