草莓全程生產機械化技術與裝備研究進展

劉繼展 吳 碩

(江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，鎮江 212013)

0 引言

草莓的生長環境適應性很強，在世界范圍內，從熱帶到北極圈附近均可栽培種植。目前，已有100多個國家和地區種植草莓，在世界小漿果生產中草莓產量居于首位。中國作為世界草莓第一生產國，2018年草莓種植面積占世界的29.8%，而產量則占世界總產量的35.6%，總產值已超過600億元[1-2]。

草莓生長周期長、生產管理環節眾多，以鮮食為主。目前，草莓生產機械化水平總體偏低，對人工的依賴非常嚴重，實現草莓機械化生產已成為各國研究重點。草莓具有獨特的植物學特征和栽培要求，且在全球不同國家和地區，其栽培模式、經營規模等也差異很大，因此其生產機械化技術與裝備也各具特點。

本文在分析我國草莓種植技術現狀的基礎上，對我國和發達國家的草莓生產機械化技術與裝備的研究進展進行概述，針對現有技術問題提出我國草莓生產機械化技術與裝備的發展方向，以期為我國草莓產業的機械化、現代化發展提供參考。

1 草莓產業現狀

1.1 草莓種植分布與規模

據聯合國糧農組織數據，全球草莓的種植規模和產量呈不斷增長狀態，2018年全球草莓總種植面積達37.24萬hm2，總產量達888.71萬t，與1961年相比種植面積增長了2.96倍，產量則增長了10倍以上。

世界上最大的草莓產區分別為亞洲、歐洲和北美地區，草莓種植面積居前列的國家依次為中國、波蘭、俄羅斯、美國、西班牙和日本，而產量最大的國家則依次為中國、美國、西班牙、俄羅斯、波蘭和日本。其中中、美兩國的總產量占世界產量的近1/2。單產水平美國最高，超過65 kg/m2，遠遠超過其他國家和世界平均水平。

我國草莓種植從20世紀80年代開始進入高速發展階段，2018年我國草莓總種植面積和總產量分別達13萬hm2和340萬t，單產水平(26.67 kg/m2)亦高出世界平均水平(22.39 kg/m2)，但與美國、西班牙、日本等國相比仍有差距。

我國草莓種植規模和產量最大的省份包括山東省、江蘇省、遼寧省、河北省、安徽省等(圖1)。安徽省、江蘇省、山東省的草莓種植規模最大，超過或接近1.8萬hm2；山東省、江蘇省、安徽省、河北省、遼寧省產量分別達到69、46、46、44、42萬t(圖2)。安徽省長豐、遼寧省東港、江蘇省東海、江蘇省句容、江蘇省常州羅溪鎮、浙江省奉化尚田鎮、云南省永仁、上海市青浦趙屯鎮、河南省中牟等已形成了全國主要的草莓種植基地[3]。

1.2 草莓種植模式

歐美和日韓的草莓生產具有不同特色。歐美普遍以露地壟栽草莓的大規模、產業化種植為主，而日本、韓國等東亞國家由于土地資源緊張和高端化、精品化種植策略，其草莓栽培主要以溫室促成栽培為主。

中國地域遼闊，草莓栽培分布很廣，種植模式多種多樣，主要包含平地栽培、高壟栽培、高架栽培和其他立體栽培方式。20世紀80年代以前，我國草莓以露地栽培為主；20世紀90年代以后普遍采用小拱棚半促成栽培、普通大棚與日光溫室促成栽培。

1.2.1平地栽培

平地栽培一般指平地畦栽與行栽，該種植模式下，草莓均匐地生長，果實與土壤接觸，灌水或降雨后易積水，且光照不佳，易污染葉片或果實，果實易感灰霉病，果實著色較差，從而影響果實品質。同時彎腰或趴伏從事農事操作的強度過大、費事費力，因而便于田間管理，透氣性和光照條件更好的高壟栽培已逐漸成為主流，更加省力化、減少連作障礙和清潔、高效的高架栽培正在快速發展。

1.2.2高壟栽培

高壟栽培是把栽培行做成一定高度的壟，作物種在壟上的一項栽培方式[4]。高壟栽培具有土壤保溫性好、通風透氣節水、便于田間管理、降低病害發生、提高果實產量和品質等優點。由于高壟栽培的水肥調控、草莓品質、經濟等突出優勢，在生產中得到了廣泛運用，成為目前的草莓主流種植模式，面積達90%以上。

不同草莓品種都有相應的起壟規范(圖3)，以寧玉草莓為例，標準的壟體規格為壟寬連溝為100 cm，壟高35 cm，壟面寬60 cm[5]。但在實際種植起壟過程中，農戶會結合草莓品種和場地規格進行調整。根據鎮江市左湖村草莓種植散戶、江蘇省農科院溧水草莓基地和金壇市一號農場等實地調研，其起壟規格存在一定差異，如圖4所示。

1.2.3高架栽培

高架栽培是通過在溫室大棚內建造具有一定高度和寬度的高架栽培床，將栽培基質均勻攤鋪在栽培床內，草莓置于高架栽培床上進行栽培。該技術最先由日本研究推廣，將草莓栽植管理高度提高到適宜人工作業的高度，以便于園藝操作，大大降低了勞動強度[6]。且離地高架立體基質栽培，有效地利用了溫室空間和避免了土傳病蟲害的危害，草莓根系生長好，有益于草莓的增產、農民增收，符合未來草莓產業的發展趨勢，已成為目前大力推廣的省力化栽培技術[7]。

草莓高架栽培床主要由栽培架和栽培槽(栽培袋)組成，栽培架支撐在地面上，栽培槽固定安裝在栽培架上，不同區域的草莓高架栽培技術規程略有不同。以安徽省為例，其栽培架高度要求為1.2 m左右，栽培架間距離不得小于0.8 m；栽培槽主要有兩種形式：由塑料板壓制而成的U型槽；由無紡布(或紗網)和黑色塑料膜(防滲膜)構成的W型或U型栽培槽，裝好珍珠巖、蛭石、草炭等混合基質后，塑料膜和無紡布之間留5～10 cm空隙作為排水通道。栽培槽上口的寬度為20～40 cm[8-9]，如圖5所示。

1.2.4其他種植模式

(1)A字架多層栽培是由支架和栽培槽組成，支架采用不銹鋼、角鋼等制作成“A”字形，兩邊脊上分別安裝3層或4層半圓形PVC材質的栽培槽，每條栽培槽基質表面沿草莓植株近旁鋪設滴灌帶或配置營養液循環系統。該栽培模式結構緊湊，多層種植的土地利用率和產量較高(圖6a)。

(2)H型架雙層栽培是設立高架進行直立上下雙層栽培的模式(圖6b)，上層栽培槽距地面150 cm左右，下層栽培槽距地面85 cm左右，以雙行栽培為主，可實現滴灌水肥一體化。該模式的優點是進一步提高了大棚空間利用率，有效提高產量。但是，其上層環境條件好，而下層的積溫、光照強度均較弱，造成草莓生長弱、果實著色差、味道淡、產量低。因此，生產中多采用上層種植草莓、下層種植喜陰耐涼的食用菌等套種方式，食用菌呼吸代謝產生的二氧化碳可以供給草莓進行光合作用，而草莓的光合作用又為食用菌的生長補充了新鮮氧氣，使溫室內部形成氣體內循環，兩者互為補充，相得益彰，既減少了溫室的放風時間，最大限度地利用太陽能和溫室空間，又大大地提高了生產效率[10]。

(3)管道式栽培由若干根管道間隔排列組成蔬菜栽培管道(圖6c)，管道上開設用于栽種的定植孔，通過根部水培或氣霧培進行作物生產。多用PVC管材為管道，由于其建造成本不高、管理方便、并可搭建不同立體架型，使草莓的管道種植模式在各地不斷涌現。

(4)立柱式栽培采用環保型塑料栽培缽，經立柱串連而成(圖6d)，營養液從上端逐一滲入下一層，經液管回收循環利用。立柱上栽培缽可自由旋轉，使草莓均勻采光。此種栽培模式可充分利用溫室空間，顯著提高單位面積的草莓產量。

1.3 草莓種植管理

草莓是典型的勞動密集型產業，設施促成栽培的草莓從9月秧苗定植到翌年5月采收完成，生長周期長達7～8個月，大量的管理操作和精細的處理程序使其產生較高的人工成本，從定植、植保、授粉、打葉到收獲采摘作業環節眾多(圖7)。同時，高壟栽培需要大量勞動力在狹小壟溝內長時間彎腰或下蹲勞作，勞動強度極大。而高架和管道等無土栽培，盡管將人工從彎腰或下蹲作業中解脫出來，但由于栽培由地面向空中轉移，各類常規地面土地耕整及植株管理作業機械均無法適用，種植管理更依賴于人工。

2 草莓種植機械化技術現狀

歐美國家普遍以露地壟栽為主，其草莓生產作業裝備，無論耕整、移栽、植保、授粉、收獲、田間轉運等，均以大型化為主。而中國、日本、韓國等東亞國家土地資源緊張，草莓生產以精益種植管理為主，各類生產作業裝備以溫室的小型化機器為主。不同地區和國家的草莓生產機械化具有明顯的特色。

2.1 耕整與基質管理機械

2.1.1我國耕整與基質管理機械

目前在寬度6 m及以上的塑料大棚和日光溫室中，微耕機或手扶式拖拉機加裝耕整地機械的使用率較高，但現有耕整機械并非針對草莓研發，其開溝深度、起壟高度達不到草莓種植農藝要求，且開溝起壟穩定性差，需要人工完成溝壟整形[11]。董新民[12]開展了設施草莓起壟機的起壟刀具、起壟成型板的創新設計工作(圖8)，通過在起壟刀與開溝刀之間添加螺旋刀，把開溝、起壟后的土往中間輸送，增大開溝起壟的土量，同時輔以仿壟型的成型板，使壟的成型效果更好。市場也逐步出現了其他新型草莓起壟機，如YT8-K30型草莓開溝起壟精整機取得了良好的試驗與示范效果[13]。

在草莓高壟栽培中，可在栽植前噴上除草劑和殺蟲劑，再將壟面和壟溝覆蓋上黑色薄膜，起到保水、保濕、促進根系發育、清潔防菌病等作用。我國已經有成熟的中大型機引鋪膜機，機型有開溝鋪膜機、開溝鋪膜播種機、起壟鋪膜機等，同時手扶式噴藥鋪膜機、小型鋪膜機[14]也陸續出現，但適用于溫室高壟草莓生產的專用小型鋪膜機還未見相關報道。

草莓的高架無土栽培得到了快速發展，立體設施內基質連續多茬栽培易導致連作障礙，基質的定期更換或消毒是基質栽培中的重要管理環節。筆者針對高架無土栽培的基質攤填多環節、大強度作業，設計了集基質運送、箱內出料、雙側分料落料和均勻攤填為一體的高架栽培基質自動移動攤鋪機和配套的基質自動挖料上料機(圖9)，可實現高架自適應的雙側基質精量攤鋪作業[15]。

由于傳統化學消毒手段對人員和環境副作用大[16]，物理消毒受到了重視。常澤輝等[17]提出一種新型聚光回熱式太陽能土壤滅蟲除菌裝置(圖10a)，利用太陽能加熱流動空氣對栽培基質進行消毒，但存在受季節及天氣等自然條件影響的問題。卓杰強等[18]研制了無土栽培基質蒸汽消毒機(圖10b)，采用臺式作業方式，基質裝入消毒箱罐體，由燃油蒸汽發生器產生的120～200℃高溫蒸汽對罐體內基質進行高溫消毒處理，同時攪拌葉片對基質進行攪拌。試驗表明消毒15 min的滅菌率達到99%。我國也開發了土壤火焰消毒機，配置9～12個燃燒器。經試驗表明，其土壤病原菌、線蟲及蟲卵等殺滅率達85%以上[19]。王振躍等[20]研究發現，利用500 W微波發生器處理10 min對5 cm土層深度內的細菌和線蟲殺滅效果最佳，殺滅率分別為74.15%和70.17%。薛曉莉等[21]通過微納米曝氣技術將臭氧與水高效混合成高濃度的臭氧水，從而達到對土壤殺菌消毒的目的，但還停留在實驗室階段。

2.1.2國外耕整與基質管理機械

起壟、覆膜是各類農田種植中應用廣泛的機械設備，但草莓栽培要求起高度300 mm以上的高壟，對設備提出了特殊要求。美國Kennoco制造公司開發配套的系列草莓高壟耕整機械和高壟覆膜機械(圖11)，可實現高壟緊實的塑形，壟體可使用多季。而日本PLUS Y’S 公司的手扶式草莓起壟機，僅108 kg，最大輸出功率達到4.725 kW，結構緊湊，適合于設施草莓種植的高壟開筑。

國外土壤、基質消毒主要采用蒸汽消毒、火焰消毒、微波消毒、臭氧消毒等方式(圖12)，Ferrari Costruzioni Meccaniche公司開發的綜合蒸汽消毒機，蒸汽流量可達到120 kg/(m2·h)。德國MSD公司生產的moeschle系列蒸汽發生器可根據實際作業需要，將蒸汽流量控制在1.0～25.0 m3/h。意大利MINGOZZI集團旗下的Pirodiserbo公司開發了系列火焰土壤消毒裝備，可在溫室大棚作業，處理時間2 s以上即可達到土樣24 h后無細菌生成的目標[22]。德國車荷恩赫農業機械公司研制的6 000 W微波滅蟲犁，可消滅50 cm土層深度內的害蟲[23]。TAKAYAMA等[24]開發了一種用于土壤消毒的臭氧生成系統，通過將臭氧注入到土壤中，減少土壤中的致病菌。

2.2 草莓秧苗移栽機械

2.2.1草莓秧苗的特點

草莓育苗是利用匍匐莖扦插得到幼苗，按照育苗生產環境，主要分為裸根苗、缽苗、穴盤苗。穴盤育苗可有效促進草莓苗的根系發育，提高草莓的栽培質量，其苗成活率高、大小一致、質量相等，規格已經趨于標準化，且成本適中，已經得到逐步推廣[25]。由于扦插的匍匐莖植株較大，目前草莓育苗盤多采用32孔110 mm深的育苗盤育苗，4行8列，單穴孔為四棱錐臺形，臺上表面尺寸為60 mm×60 mm，下表面尺寸為20 mm×20 mm。

設施冬季促成栽培的草莓苗育苗期達到50～70 d，穴盤草莓苗坨和植株尺寸分別達到100 mm和200 mm以上，大大超出常規蔬菜苗(圖13)。同時，農藝上要求草莓苗定植于高架或者高壟時需弓背朝外，以保證草莓在高架或者高壟兩側懸垂生長，從而滿足光照、通風和收獲等需要。因此，草莓秧苗移栽機械需要滿足其超大苗坨和弓背向外特性的特殊要求。

2.2.2我國草莓秧苗移栽機械

我國移栽機研發發展很快，目前薯類、油菜、甜葉菊、煙草、甘藍、西蘭花、洋蔥、番茄等各類秧苗半自動移栽機均已投入市場，但現有機型均無法解決草莓超大苗與弓背朝外的移栽問題[26]。許春林等[27]進行了全自動草莓缽苗移栽機的設計與試驗，但所開發機型亦僅適用缽深為40 mm的草莓苗，且無法實現秧苗定向。

筆者團隊針對草莓移栽的特殊要求進行了原理創新，分別與定向扦插育苗和“先栽后灌”的農藝改革相配合，先后研發了小型化高架[28]和高壟[29]草莓苗自主移栽機(圖14)，突破超大苗坨定向移栽、高架/高壟自動導航、一插式自動換盤等技術，實現了高架雙側四行和高壟雙行的無人駕駛草莓穴盤苗自主移栽作業，平均移栽成功率達到95%，移栽的株距、行距、行直線度均顯著高于人工作業。

2.2.3國外草莓秧苗移栽機械

新西蘭大學GUTIERREZ等[30]研發了一種針對草莓裸根苗的移栽機，但未考慮草莓苗的大苗移栽和弓背定向移栽的特殊性和挑戰性。Kennoco等公司的機械式草莓苗移栽機(圖15a)，主要解決田間移栽中大量苗盤的攜帶和有序輸送，再由后部乘坐的多名勞動力手工取苗和完成在壟上的移栽。該移栽機需和高壟打孔機配合使用。

Driscolls公司、Plantel公司和Solex公司合作推出了加州首臺草莓苗移栽機(圖15b)，在意大利Checchi e Magli辣椒苗移栽機型的基礎上改進而來，可跨3壟移栽，價格達12萬美元。該移栽機作業需配19個人工，包括駕駛、苗盤搬運裝載、12個投苗手和5個移栽檢查人，可以替代100個人工的移栽作業[31]。

2.3 草莓植保機械

2.3.1草莓栽培的常見病蟲害

設施草莓從生長到坐果結束一般需要260 d左右，其全階段病蟲害頻繁發生，需要大量施藥，特別在設施高溫高濕環境下，存在加劇這種情況的風險[32]。草莓設施栽培常見的病蟲害有白粉病、灰霉病、輪斑病、葉斑病、紅蜘蛛、蚜蟲和盲椿象等，其主要感染草莓葉和果[33-34]，需要在漫長的生長周期內進行頻繁施藥。

2.3.2草莓植株的特點

草莓植株葉柄上密生呈螺旋狀排列的葉片，葉柄從根莖處先豎直生長，再向四周延伸生長形成匐匍莖，草莓植株之間連在一起，草莓三出復葉的葉寬且喜平生長，冠層濃密郁閉，上下層疊遮擋(圖16)，施藥難以打透、下層背面著藥不佳，且高壓、強風力易造成草莓花序的大量吹落，嚴重影響后期座果率。同時保證草莓植株的施藥均勻性與花序無損性，并有效提高藥液的利用率，成為草莓植保機械設計的核心問題。

2.3.3我國草莓植保機械

賈衛東等[35]設計了具有遙控/自適應行走雙模態的智能溫室噴霧機(圖17a)，施藥效果良好。李良等[36]融合變量施藥技術設計了溫室軌道施藥機器人，提高了溫室施藥的效率和穩定性。但目前實際草莓生產中仍主要采用硫磺熏蒸“防抑”[37]結合背負式施藥器、高壓手推打藥機等機具作業“治理”的方式，植保效果欠佳且人身安全、植株花序損傷問題突出。

臭氧可有效殺滅細菌病毒等微生物、有機化學合成物以及生命力較弱的昆蟲及蟲卵，但是對于密封大棚臭氧氣體大量灌入作業成本過高而難以實施，而臭氧噴霧器的出現有效克服了這一缺點。采用水分子電解代替傳統的電暈放電臭氧發生方式，臭氧功能水破壞害蟲或細菌的粘膜和呼吸系統，可廣泛應用于草莓、蔬菜等的病害防控(圖17b)。目前由我國生產的這類裝備銷往南美、西歐和北美地區，在我國草莓種植中的應用推廣則剛剛起步[38]。

筆者團隊對輔助氣流場中草莓葉片的運動特性及其對霧滴沉積的影響進行研究發現，適當施藥風筒傾角、輔助氣流速度下葉片的高頻、高幅振動狀態，會給直徑較小霧滴帶來良好的正反面均勻的沉積效果和冠層穿透性[39]?；谠摍C理，開發了遙控式小型側傾霧化微風送施藥機(圖17c)[40]，噴筒位于兩行草莓植株的中央上方，通過側傾和微風助噴施，有效擾動葉片從而提高葉片背面著藥率和上下層的噴施均勻性，同時避免對花蕊的可能損傷。試驗表明該機可有效滿足草莓植株的均勻施藥需要，在風速6～8 m/s和噴筒側傾角30°下施藥效果最佳，且藥液耗量僅為0.5 L/min。

2.3.4國外草莓植保機械

歐美地區是大田規模化草莓種植，通用性的大型噴桿噴霧施藥機也適用于草莓的施藥作業，但是垂直向下噴施的方式仍存在霧滴穿透性不佳，下層、背面難以有效著藥問題[41](圖18a)。為此，冠層側向施藥，即從草莓行的兩側進行噴施的方式得到了普及應用，改進的側噴式噴桿噴霧施藥機及類似結構相繼應用于高壟及高架草莓的施藥。康奈爾大學于2007年開發了包括5個噴頭的弧形改進結構，沿草莓冠層的側面和上部同時噴施，有效提高了3維冠層的穿透性和噴施均勻性[42](圖18b)。此外，也陸續出現了各種側向風送草莓施藥機型(圖18c、18d)。

挪威生命科學大學對拖拉機前裝隧道式施藥在有、無簾幕草莓植株冠層的霧滴飄移進行了比較[43-44]。美國佛羅里達大學應用壓力施藥器開展了草莓冠層結構、噴頭類型和噴施量對霧滴穿透性影響的研究[45]。在美國加州，牽引式“bug-vac”真空吸蟲機在草莓植保中得到應用(圖19a)[46-47]。加州大學蒙特利縣合作推廣部試驗了靜電施藥機的蟲害防治效果，發現其效果優于傳統施藥機和真空吸蟲機[48-49]。英國MiCRON公司則開發了Flexidome草莓施藥機(圖19b)，用于草莓的行間除草，其圓頂式旋轉施藥方式特別適合于在壟溝內施藥而避免對柔嫩果實的損傷[50]。目前由于化學農藥對人員和環境的副作用，生物防治劑替代普通殺蟲劑研究工作也在逐漸受到重視[51]。

2.4 草莓授粉機械

2.4.1草莓授粉的特點

授粉是農作物結成果實的必經過程，草莓授粉具有一定的特殊性：草莓具有二歧聚傘花序以及雌雄同株兩性花特征，雄蕊螺旋狀排列在花托上，花期短，花粉少且難收集，不同級次花序的雄蕊與雌蕊的發育成熟情況也不同(圖20)。不同的草莓品種會表現出親和與不親和兩種相反的自交性，自交不親和的草莓品種需要異花授粉，而即使自交親和的草莓品種，其異花授粉所帶來的雜交優勢，也有助于草莓產量與質量的提高。

2.4.2我國草莓授粉機械

目前草莓實際生產中主要采用蜂群授粉方式，但設施冬季低溫環境和施藥環境下蜂群授粉會出現漏授乃至停授的現象，大大影響授粉效果[52]。常見的先收集花粉再鼓風噴粉或懸濁液的手段難以滿足草莓花期短、花粉少且難收集的特征[53]。常見的“大風”漫授、機械振動授粉易損傷花序，也不適用于草莓具有二歧聚傘花序以及雌雄同株兩性花特征，更未考慮草莓異花授粉的雜交優勢[54-55]。目前市場上尚無草莓專用授粉機械。

胡佳羽等[56]提出了一種草莓人工授粉器方案，使用時先將花粉罩罩住草莓的花朵，利用轉動的毛刷輕輕地抖動花朵，并形成微風，從而吹動花粉在花粉罩內飄動，完成人工授粉。筆者團隊提出了一種機器人化的氣力微仰溫室草莓授粉方案，通過氣力微仰的雙行草莓錯開吹送和自適應的著粉行先增濕、后加溫吹粉，實現自動異花授粉移動作業[57]。吳燕等[58]提出了一種用于草莓設施栽培的無人機授粉方案，采用無人機飛行的靜電采粉和裙擺狀纖維絲組旋轉授粉方式。但上述方案尚未形成相應裝備。SHI等[59]在小型多旋翼無人機上加裝導流板，將無人機的下旋氣流引導向前方實現番茄的氣力輔助授粉試驗(圖21)，進行了溫室無人機授粉的探索，但對草莓的適應性有待驗證，且無人機在設施環境下自主作業問題也有待解決。

2.4.3國外草莓授粉機械

目前，國外面向大田、果園的無人機一致性授粉已投入應用，同時圍繞花序個體目標的精準授粉，以地面機器人和機器蜂兩大方向展開研究。美國西維吉尼亞大學設計了一款末端多個棉頭粉刷進行自花授粉的黑莓授粉機器人Bramble Bee(圖22a)[60]。CHECHETKA等[61]仿照蜜蜂授粉原理，通過微型無人機與新型復合粉刷材料的結合，設計并完成了百合花的室內授粉試驗(圖22b)。但是POTTS等[62]從工作效率與經濟性不佳，以及可能對自然生物多樣性造成干擾等角度對機器蜂授粉提出了擔憂，而地面授粉機器人也面臨相同的問題。

目前針對草莓嬌嫩的二歧聚散花序和異花授粉需要的專用授粉機械研究仍然偏少。京都大學提出了一種超聲壓力輻射式授粉機的技術方案(圖23)，基于3D相機對草莓花進行識別和定位，由超聲波振動花序完成授粉，并通過試驗初步證實了其可行性[63-64]。

2.5 草莓采收機械

2.5.1草莓采收的特點

草莓莓果小葉大，冠層遮擋嚴重，且相比于其他水果更加嬌嫩。草莓采收期長，且不同的栽培形式，其采收期差異很大，露地栽培在5月上旬至6月上旬；促成栽培為12月中下旬至翌年2月中旬；半促成栽培為3月上旬至4月下旬，且同一批次草莓的果序不同，其成熟期也不盡相同。這些都給草莓機械化采收造成困難。

采收是草莓種植生產中勞動力耗費最大的環節。特別是地面栽培，同時采后的裝箱、田間搬運也有很多的工作量(圖24)[65]。

2.5.2我國草莓采收機械

目前我國草莓的收獲通常由人工提籃完成，或采后就地裝入包裝盒，進入銷售環節。而機器人化的草莓采摘已成為當前的重點研究方向。謝志勇等[66]、張鐵中等[67]分別基于彩色模型和神經網絡提出了草莓快速識別分割算法。張凱良等[68]以高壟栽培模式下的草莓為研究對象，提出了基于機器視覺與激光發生器的草莓采摘位置定位方法。國家農業智能裝備工程技術研究中心、中國農業大學、西北農林科技大學等主要針對高架草莓開展了采摘機器人整機系統的研究。國家農業智能裝備工程技術研究中心的草莓采摘機器人樣機，以剪叉升降機配置商用機械臂和剪刀式末端執行器，采用遠近景組合視覺方式完成果實識別和定位(圖25a)[69]；中國農業大學“采摘童1號”草莓采摘機器人樣機，采用3直動直角坐標機械臂和夾剪一體式末端執行器進行細長果梗的夾持剪斷(圖25b)[70-72]；西北農林科技大學則利用多關節機械臂搭載近景相機和剪刀式末端執行器進行采摘(圖25c)[73]?？臻g定位平均誤差為4.82 mm，末端執行器對定位后的草莓進行采摘，成功率為95%，目前均處于實驗室開發階段。

2.5.3國外草莓采收機械

大幅減輕勞動者的強度和減少勞動力的數量，已成為草莓生產經營者的頭等大事。國外對草莓采收裝備開發目前主要有兩類模式：①采收輔助裝備，避免勞動者的彎腰采摘，減輕長時間作業的疲勞。美國PBZ LLC公司開發了一款草莓采摘助手(圖26a)，采摘者趴在機器上，其額頭、腹部和腿均放在支撐板上，其面部和手完全自由，可以在機器前行時觀察草莓行并完成采摘。采摘者可以通過腳踏板控制車速。該機可以同時帶6箱草莓，采摘者無需每箱采滿放置行邊再來收集搬運[74]。同類型結構多行的采摘助手也已經投入應用(圖26b)。②全自主的草莓采摘機器人研發，得到了科研單位、草莓生產者和相關組織、企業的普遍關注。針對大田多壟多行的草莓采摘機器人研發在美國及部分歐洲國家受到了重視。Harvest CROO Robotics公司開發了多行草莓采摘機器人(圖27a)，可同時完成十幾行草莓的采收，基于GPS導航，由相機的旋轉獲得草莓冠層的立體圖像，進而由手爪完成采摘。但目前其采凈率偏低、速度也大大低于人工，仍難以滿足實際生產需求[75-77]。西班牙Agrobot公司和美國大型農場主合作，已推出了SW 6010草莓采摘機器人樣機(圖27b)，能夠適應傳統的高壟。該機應用超聲導航，具有多只機械手爪同時作業，應用了AGvision機器視覺系統實現草莓果實的實時識別定位和采摘標準判定，果實采后被放在輸送帶上送至包裝區，完成即刻的分揀和包裝[78-79]。

主要應用于設施環境的小型草莓采摘機器人研發在日本發展很快，在歐洲、美國也得到了開展。NAOSHI等[80-81]開發了基于高架栽培模式的草莓采摘機器人，該機器人在完成果實識別與成熟度計算后，進行了果實切割點定位即果梗信息提取定位，并通過氣吸式草莓釆摘機械手完成采摘動作。HAYASHI等[82]設計了基于視覺系統的草莓采摘機器人并進行了溫室實地試驗，通過視覺系統獲取草莓三維信息并評判果實品質等級，該機器人單個草莓采摘耗時11.5 s。日本國家農業與食品研究組織(NARO)針對高架栽培開發的草莓采摘機器人樣機(圖28a)，作業速度達到9 s采摘1個，能采到約60%的草莓果實，其由雙相機獲得果實的立體圖像并完成顏色測量和成熟度判斷[83]。Shibuya Seiki公司研發了新一代草莓采摘機器人(圖28b)，該機器人是日本國家農業與食品研究組織(NARO)所研發草莓采摘機器人的商業版，通過三維立體攝像系統捕捉草莓的顏色來最終確定是否成熟，然后通過機械臂剪切后裝進框中，整個剪切過程只需要8 s[84-85]。宇都宮大學針對日本草莓出口的無損、保鮮需要，開發了一款水培草莓采摘機器人(圖28c)，可識別定位成熟草莓并剪斷果梗和夾持果梗放入膠囊容器，來實現安全無損的保鮮移送[86]。

在加州草莓協會資助下開發的壟栽草莓采摘機器人(圖29a)，使用了立體相機實現草莓果實的識別定位和成熟度判別，并用三指夾持草莓完成采摘。但試驗也發現枝葉的遮擋使果實難以被發現和被采到，草莓果實易傷，同時目前機器人成本仍然過高[87]。比利時Octinion公司針對高架草莓開發了Rubion采摘機器人(圖29b)，通過激光檢測成熟草莓果實并從下向上完成采摘[88]，可以實現高架草莓的采摘、同步分級入箱，理論上可以在16 h完成11 500個草莓果實的采摘。挪威生命科學大學與Noronn公司基于Saga Robotics公司開發的Thorvald多功能平臺(圖29c)[89]，推出了草莓采摘機器人概念機，搭載5關節機械臂和RGB-D相機，并開發了纜索驅動的包裹切割式末端執行器，也采用從下向上的動作方式。無接觸地吸入果實并剪斷果梗，田間試驗的采摘成功率超過50%，平均效率達10.6 s采摘1個。該單位也開發了直角坐標機械臂替代5關節機械臂的草莓采摘機器人，并完成了田間試驗[90]。

2.6 草莓田間轉運機械

田間的果箱轉運，特別是大田塊大規模種植生產中，是一個勞動量極大的環節。美國GK設備公司開發的大型草莓果箱轉運機(圖30a)，采用遙控操作方式，可沿壟溝行走，可完成多果箱的田間搬運，適合于高壟的規模化采收輔助作業[91]。在日本，Japan Research Institute, Ltd.開發了My Donkey多功能農業機器人(圖30b)，實現草莓承接、轉運和產量測定，該機器人可以檢測高壟并實現自動沿壟的防撞行走，并檢測使用者從而實現自動隨同的配合作業[92]。同時，ANJOM等[93]使用機械灰箱模型在線預測果箱運輸請求時間，以改進草莓采摘援助的調度轉運效率。

3 我國草莓生產機械化發展分析

3.1 草莓生產機械化的現實基礎

(1)經營規模偏小：我國的草莓總產量高居世界首位，但經營規模偏小，除少量連片萬畝種植基地以外，種植主體仍為家庭散戶。草莓經營規模以0.13～0.33 hm2為主，規?；N植較少。大量散戶的分布零散、小規模種植，對草莓作業機械的成本和利用率提出了更高要求。

(2)鮮食比例大：發達國家的加工用草莓產量占比較高，如北美70%的草莓用于鮮食，而30%用于加工草莓醬、草莓汁等飲料、食品。而盡管我國也有少數加工型草莓專用品種和栽培技術的研究，但草莓種植主要面向鮮食市場。鮮食、加工型用果的品種、特性、栽培、管理均存在極大的差異，對機械化作業的應用提出了不同的要求。

(3)栽培模式和技術水平多樣：我國地域遼闊、露地栽培、保護地栽培和拱棚、塑料大棚、日光溫室、智能溫室的栽培方式多樣，高壟、高架等栽培模式眾多且規格不一，給機械化作業帶來了極大挑戰。同時，種植標準化、水肥一體化、環境的物聯智能控制、熊蜂授粉等技術逐步獲得了應用，但各地區和不同種植戶主體之間的技術水平差異較大。

3.2 草莓生產機械化發展目標

針對鮮食草莓的特點、栽培管理要求和我國以較小規模的設施栽培為主的生產方式，以及生產中農藝差異大、標準化欠缺的現狀，目前我國草莓生產作業裝備的發展目標，應立足于強化“農藝-草莓特性-作業原理”基礎研究，進而通過智能化技術手段的賦能，實現滿足我國草莓生產作業的小型化、模塊化、全電化、輕簡化裝備的需要。

(1)小型低成本：我國草莓種植普遍以各類日光溫室、塑料大棚為主，入門窄、肩高低、壟行間距小、單體規模小，適宜大力發展小型化、非乘坐式作業機型，進而有效降低裝備成本，從而適應我國散戶經營的需求和保證其產業化前景。

(2)一機多能：由于草莓長達半年以上的長季節種植和多茬管理作業特點，特別針對較小規模經營的需要，基于高壟或高架行進的通用底盤和統一接口，開發各類作業模塊，實現多種作業部件的模塊化更換掛接，“一機多能”滿足長種植期內多輪次頻繁更換部件管理作業的需要。

(3)綠色電動化：針對設施栽培的半封閉環境和草莓種植綠色無污染的要求，同時根據設施栽培的電力補充便捷性和避免風雨、暴曬、大溫差等苛刻環境條件的優勢，以及機身傳動簡化小型化和低負載的需要和優勢，需大力發展易控和無尾氣排放的全電動作業設備。

(4)輕簡智能化：溫室大棚狹小空間和高架、高壟的狹窄通道，使小型化草莓管理作業裝備難以應用傳統的駕駛操控方式，根據技術成熟度和生產實際需要，以架間、壟上無人作業和一端遙控調頭、中途便捷補苗補藥補粉等極少量人工介入有機結合，實現最少勞力、最低強度的輕簡操控作業。

3.3 草莓生產裝備與技術發展展望

3.3.1與農藝的深度融合

農藝-農機融合已成為我國農業機械科研和農機化工程的主題，在廣義上，與農業經營模式、宜機化改造、栽培模式、栽培管理規范、品種-株型等的全方位深度融合，將有望推動草莓生產機械化實快速發展：

(1)與經營模式深度融合：經營體制決定生產規模，規?；瘞順藴驶娃r機裝備的高利用率和產投比，成為發展的客觀要求，我國專業合作社的快速發展將帶來新的契機。同時，傳統經營方式正快速被電商化運營以及直播帶貨等生產-銷售零距離的新型模式所取代(圖31)，既為草莓種植的機械化帶來了契機，也對作業精準化、綠色生態化等提出了更高的要求。

(2)與宜機化改造深度融合：宜機化已成為推進農業生產全面機械化的重點突破口[94]，農業農村部出臺的《關于加快推進設施種植機械化發展的意見》明確提出，制修訂溫室建造標準，明確滿足農機作業條件的空間結構、出入口、內部通道等尺寸；加快老舊種植設施的宜機化改造，依照農機通行和室內作業條件，改造出入口、骨架、室內通道等，以滿足機械通行作業需求[95]。設施的宜機化改造與設施內農機裝備的創新設計相輔相成，將成為推動草莓等設施種植機械化的引擎。

(3)與栽培模式深度融合：草莓的種植模式在我國呈現多樣化，平地畦栽已日漸被高壟栽培所代替，而高架栽培、箱式栽培、立柱栽培、管道栽培等均得到了發展。今后對于草莓種植模式的選擇，除了清潔、高產以外，將更加側重優質化和宜機化。如草莓的高架栽培，將把高架設施建造標準化、架間道路硬化和離地無土栽培的草莓甜度、口感等品控緊密結合，從而實現低耗、綠色、高效的目標。

(4)與栽培管理規范深度融合：草莓種植管理的環節眾多、周期長，其全程機械化的實施與栽培管理的農藝方式和前、中、后的配套緊密相關。草莓種植管理全面機械化的實現，必須從新的視角出發，將機械化方案的設計與栽培管理農藝改革深度融合，以移栽為例，大力發展扦插育苗的機械化定向技術或新的機械化優質育苗技術方案，進一步通過廣泛的田間試驗驗證“先栽后灌”的生產效果和確定“先栽后灌”的具體農藝處理。該類針對草莓的農藝-農機配套技術有望成為草莓種植重大推廣技術。

(5)與品種-株型深度融合：草莓苗的移栽、梳果打葉、授粉、收獲等機械化作業過程中，其損傷、脫落、腐爛等的發生均取決于直接的力學作用效應或其后的持續老化、劣變等生理過程。因此，開展基于草莓植株及不同器官的力學特性、耐損生理的草莓品種培育研究，具有重要的創新意義和生產價值。而氣助施藥、授粉的低量、低損和高效，則在草莓闊葉喜平特征下，與草莓的株型特征與培育、草莓葉片的藥液親水附著性等緊密相關，值得進一步深入研究。

3.3.2信息化

信息化已貫穿于農業生產的各個方面，未來的現代化草莓生產也必將基于信息化-機械化的全面融合而呈現全新的農業面貌。信息化解決生產、運輸、銷售直至消費端信息的獲取、反饋、分析處理、決策和全程的信息管理，機械化則實現面向消費端的全程綠色、高效、無損作業：

(1)無人化的自主監測作業：無人化農業、無人化農場已成為熱點和農業現代化發展的目標，而無人化農業實現的基本要素是信息化與無人化機械裝備的全面互聯互通。草莓無人化生產溫室，將基于多傳感物聯的土壤肥力、作物長勢、病蟲害、生長期等監測和花、果、病蟲害部位的精準識別定位，實現全程無人干預的自主灌溉施肥、精準施藥、授粉、采收、轉運、包裝等作業。

(2)品質的全程動態溯源：面向農產品安全的溯源已逐步展開，但現有溯源偏于種植中有限靜態信息的呈現。草莓的可靠溯源是其電商和直播帶貨的品質信任度保證，不僅需要品種、土質、水質、氣候等條件信息，更需要機械化管理作業全程的有機肥與化學肥料的投入、病蟲害的發生與物理防治/生態防治/化學防治方式、采收/運輸/包裝的處理與化學/生態保鮮方式等動態、量化信息，甚至各環節視頻的呈現。品質的全程動態溯源依賴于信息化與機械化技術的深度共融。

3.3.3休閑化

當前，各種農業新業態正在全國各地大力快速發展，其中“旅游+”農業新業態已成為各地農業的亮點，都市休閑農業新業態正成為我國農業的龐大藍海產業。各類草莓采摘園和以游客采摘體驗為主的休閑農業模式廣泛出現，成為其業態的主要形式。

但是，盡管各地呈現極高的草莓采摘體驗發展熱度，但目前的發展也存在諸多局限：

(1)仍以采摘的傳統農事體驗為主，盈利則以采摘計費為主，三產深度融合不足，與現代化農業生產脫節，業態發展水平和效益水平受限。

(2)采摘體驗感受不佳，采摘業態模式雷同，陷入低水平競爭，缺乏草莓采摘智慧化裝備與技術的支持。

國內外陸續開展了草莓采摘機器人的研究，但均側重自主作業的功能實現，而與游客的采摘參與體驗差距較大。

智慧農業的迅猛發展正成為現代農業的主旋律，智慧與資本兩種要素相結合引領中國正進入“智本農業時代”，泛人工智能技術更有望推動農業進入一個完全嶄新的時代。打破單一面向生產作業的局限，將機器人技術、跨視覺-語音-云計算-云服務的泛人工智能技術等與休閑農業發展深度融合，推動草莓園互動導覽機器人、智慧駕乘草莓采摘車、語音操控采摘機器人等智慧沉浸體驗技術研究，全面提升游客的參與度、互動性，提高游客的停留周期和消費意愿，擴展休閑服務內容和消費模式，將使“旅游+”農業新業態從目前較低水平實現跨越式提升。