山西省日光溫室番茄宜機化生產(chǎn)可行性研究

薛 平， 李 明， 王 捷， 劉家濤， 閆運凱

（1.山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西 太原 030002； 2.長治學(xué)院生命科學(xué)系，山西 長治 046000）

0 引言

日光溫室是山西省保障蔬菜冬春供給，調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要設(shè)施。截至2022 年底，山西省日光溫室總面積4.69 萬hm2，為推動設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻。日光溫室蔬菜生產(chǎn)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，受勞動力供給水平影響顯著。隨著山西省經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)村人口老齡化突出、農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)移人口市民化進程加快，山西省設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)也將遭受勞動力不足和用工成本升高的沖擊。《山西省“十四五”設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出，2025 年全省設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積提升至9.33萬hm2，機械化率達到50%以上。

傳統(tǒng)日光溫室蔬菜一般采用南北壟向，壟間距較小，導(dǎo)致農(nóng)機裝備難以進入作物壟間進行作業(yè)。即使在農(nóng)機裝備能夠進入壟間作業(yè)的條件下，農(nóng)機裝備需要在壟間循環(huán)往復(fù)進出，嚴(yán)重影響了其作業(yè)效率[1]。針對此問題，國內(nèi)研究人員建議在加大壟間距的基礎(chǔ)上將蔬菜栽培壟向改為與日光溫室走向平行的“東西壟向”，以番茄生產(chǎn)為例，研究結(jié)果表明，該模式不僅可以提高機械化水平、節(jié)省勞動力，而且番茄產(chǎn)量基本不受影響，部分研究認(rèn)為東西壟向模式下番茄產(chǎn)量還略有增加[2-7]。

山西省關(guān)于日光溫室機械化生產(chǎn)研究起步較晚，上述模式在山西省典型日光溫室中的應(yīng)用效果還不明確。此外，目前農(nóng)業(yè)機械化的節(jié)本增效主要從節(jié)約勞動力角度進行評價，但在生產(chǎn)實際中很多裝備應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在降低勞動強度方面，目前還沒有相應(yīng)的評價指標(biāo)。而且在實際生產(chǎn)中，經(jīng)濟效益是決定上述技術(shù)模式能否順利推廣應(yīng)用的關(guān)鍵要素。如果前期巨大的農(nóng)機投資無法帶來顯著的經(jīng)濟效益，基于東西壟向的日光溫室機械化生產(chǎn)模式將難以被農(nóng)民接受，并且難以推廣。由于相關(guān)研究較少，農(nóng)民對應(yīng)用機械化生產(chǎn)模式還抱觀望態(tài)度，積極性不高。

針對上述問題，山西省農(nóng)機發(fā)展中心聯(lián)合山西省祁縣農(nóng)機部門開展了相關(guān)合作研究，在研究基于東西壟向的日光溫室機械化生產(chǎn)模式對日光溫室番茄生產(chǎn)影響的基礎(chǔ)上，提出以綜合人工消耗量作為農(nóng)機裝備節(jié)省勞動力的綜合指標(biāo)，并在綜合考慮農(nóng)機投資、運行成本和勞動力節(jié)約的基礎(chǔ)上對宜機化栽培模式的經(jīng)濟可行性進行分析，全面驗證宜機化栽培模式在山西省日光溫室番茄生產(chǎn)的可行性，為山西省日光溫室機械化水平的提升提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 日光溫室與試驗設(shè)計

試驗于2022 年8 月5 日—12 月8 日在山西省晉中市祁縣東觀鎮(zhèn)榆林村設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化示范區(qū)日光溫室（北緯37.36°，東經(jīng)112.45°）內(nèi)進行。該溫室為柔性圍護日光溫室，使用保溫被覆蓋后墻替代傳統(tǒng)后墻。溫室坐北朝南，東西長100 m；南北跨度為20 m，脊高7 m，如圖1 所示。

圖1 日光溫室結(jié)構(gòu)及宜機化壟型布置Fig.1 Structure of sunlight greenhouse and suitable mechanized ridge layout

試驗溫室采用壟栽模式種植番茄，番茄品種為1302 紅果。試驗溫室劃分為東西兩部分。其中，溫室東部為對照區(qū)，東西長30 m，采用傳統(tǒng)溝畦栽培模式（以下簡稱傳統(tǒng)栽培模式），溝畦為南北方向，溝寬70 cm，深20 cm。該模式下番茄栽培密度為3.3 棵/m2，栽培面積為0.05 hm2。傳統(tǒng)栽培模式下，耕整地、環(huán)境調(diào)節(jié)和施藥環(huán)節(jié)已經(jīng)實現(xiàn)機械化，起壟-覆膜-鋪滴灌帶、移栽、灌溉和運輸環(huán)節(jié)則采用人工作業(yè)。

溫室西部為試驗區(qū)，東西長70 m，采用宜機化栽培模式。該模式下栽培壟為東西走向。參考宋衛(wèi)堂等[8]提出的宜機化壟型參數(shù)，確定壟高15 cm，壟溝、壟底和壟面寬度分別為80、80 和60 cm，壟上作物行距35 cm、株距40 cm。栽培密度與傳統(tǒng)栽培模式相同，栽培面積為0.12 hm2。該模式下，耕整地、環(huán)境調(diào)節(jié)和施藥環(huán)節(jié)采用與傳統(tǒng)栽培模式相同的作業(yè)方式，在起壟-覆膜-鋪滴灌帶、移栽、灌溉和運輸環(huán)節(jié)分別配置起壟覆膜機、移栽機、灌溉施肥機和運輸車進行作業(yè)。受試驗場地的影響，所購置農(nóng)機僅在試驗區(qū)內(nèi)應(yīng)用，未實現(xiàn)規(guī)模化作業(yè)。

1.2 成本核算

為準(zhǔn)確評估未來規(guī)模化作業(yè)條件下宜機化作業(yè)模式的農(nóng)機購置和使用成本，根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機械化總站《2022 年設(shè)施蔬菜機械化生產(chǎn)先進模式材料匯編》相關(guān)案例，假設(shè)實際條件下1 臺（套）起壟覆膜機、移栽機和灌溉施肥的適宜作業(yè)面積為3.33 hm2，1臺運輸車的適宜作業(yè)面積為1.67 hm2，計算上述新購置農(nóng)機的購置成本和使用成本，如表1 所示[9]。

表1 宜機化栽培模式新增農(nóng)業(yè)機械配置、報廢年限及成本Tab.1 New agricultural machinery in mechanized cultivation mode and its life and cost

1.3 綜合人工消耗量

農(nóng)機裝備應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在減少勞動時間和降低勞動強度。從節(jié)省勞動力的角度，應(yīng)同時從上述兩方面進行考察。如多功能作業(yè)平臺作為采收的輔助裝備，不僅可以縮短勞動時間，還能顯著降低果實運輸?shù)膭趧訌姸取Ｒ虼耍瑸樵u估農(nóng)機作業(yè)對勞動強度的降低效果，根據(jù)心率增加指數(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的勞動強度等級進行劃分，并定義綜合人工消耗量（Pw,c）為勞動時間（tw，工日）和心率增加指數(shù)（h）的乘積，然后據(jù)此對設(shè)施園藝各環(huán)節(jié)的勞動量進行分析。

1.4 差額凈現(xiàn)值

根據(jù)工程經(jīng)濟學(xué)原理，采用宜機化栽培模式替代傳統(tǒng)栽培模式可看作差額投資項目，其差額凈現(xiàn)值（ΔNPV）可根據(jù)式（2）計算。

式中CIm,t、COm,t——第t年宜機化栽培模式下的現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流出，元/hm2

CIl,t、COl,t——第t年傳統(tǒng)栽培模式下的現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流出，元/hm2

i——基準(zhǔn)折現(xiàn)率，根據(jù)《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)（第3 版）》，i可取6%

若兩種栽培模式下在產(chǎn)量及農(nóng)資等方面投入不變，僅在農(nóng)機投資、運行和勞動力方面有差異，式（2）可改為

式中COlw,t、COmw,t——第t年傳統(tǒng)栽培模式下的勞動力成本，元/hm2，為勞動者作業(yè)時間和用工價格的乘積

COmi,t、COmo,t——第t年宜機化栽培模式下的農(nóng)機投資和運行成本，元/hm2

1.5 測定方法

試驗期間番茄產(chǎn)量采用全部稱質(zhì)量方式統(tǒng)計，人工消耗量通過實測勞動者勞動時間和機械作業(yè)時間測定。上述指標(biāo)分別換算為公頃產(chǎn)量和公頃人工消耗量用于進一步分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同栽培模式下植株生長指標(biāo)與產(chǎn)量

在南北栽培條件下，南側(cè)植株陰面采光較差，同時還會對北側(cè)植株產(chǎn)生遮擋，進而影響作物的正常生長。因此，東西壟向模式下番茄產(chǎn)量從南到北依次降低，但番茄總產(chǎn)量與南北壟向并沒有顯著下降，甚至略有升高[2,7]。李治國等[1]在北京市日光溫室中對比了宜機化和傳統(tǒng)栽培模式下番茄栽培情況，發(fā)現(xiàn)在密度相同條件下兩種栽培模式的番茄產(chǎn)量和品質(zhì)沒有顯著性差異，進一步提高宜機化栽培模式的密度，可將產(chǎn)量提高10%，但果型偏小。楊雨松等[4]研究了沈陽市日光溫室內(nèi)不同壟向?qū)Ψ旬a(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)東西壟向基質(zhì)栽培和土壤栽培番茄的最終收獲產(chǎn)量高于南北壟向。唐佳寧等[6]針對遼寧省北票市日光溫室的研究發(fā)現(xiàn)，采用大壟東西壟向栽培的番茄產(chǎn)量高于南北栽培，并且品質(zhì)有一定程度提升。在本研究中，試驗日光溫室宜機化栽培模式下的番茄產(chǎn)量為131.3 t/hm2，較傳統(tǒng)栽培模式高7%，與上述研究結(jié)果相一致。

綜合現(xiàn)有研究和本試驗結(jié)果，宜機化栽培模式下番茄產(chǎn)量雖優(yōu)于傳統(tǒng)栽培模式，但在實際生產(chǎn)中需要進一步完善宜機化栽培管理模式，為保障高產(chǎn)提供支撐。

2.2 機械化水平評價與人工節(jié)約分析

根據(jù)實際應(yīng)用情況，宜機化栽培模式使祁縣試驗日光溫室在移栽、植株調(diào)整與采收、施藥和運輸?shù)确矫鎸崿F(xiàn)了機械化。根據(jù)農(nóng)業(yè)機械化水平評價方法NY/T 1408.6—2016《農(nóng)業(yè)機械化水平評價第 6 部分：設(shè)施農(nóng)業(yè)》，試驗溫室的機械化水平由38.5%上升到73.3%[10]。

由于目前農(nóng)機裝備的無人化作業(yè)程度較低，在作業(yè)過程中需要使用人工輔助。試驗日光溫室在宜機化栽培模式和傳統(tǒng)栽培模式下栽培1 茬作物的人工消耗量分別為80.40 和193.50 工日/hm2，如表2 所示。在現(xiàn)有栽培基礎(chǔ)上，采用宜機化栽培模式每茬可節(jié)約人工113.1 工日/hm2，節(jié)省勞動力成本11 310 元/hm2（當(dāng)?shù)厝斯すべY為100 元/工日）。

表2 宜機化栽培模式下機械臺班、人工消耗量及人工節(jié)省量Tab.2 Consumption of device shift and labor under mechanized cultivation mode and labor saving quantity

2.3 綜合人工消耗量

在宜機化栽培模式下，農(nóng)機作業(yè)需要與勞動人員配合使用。農(nóng)機的應(yīng)用主要體現(xiàn)在減少勞動時間和降低勞動強度。如運輸環(huán)節(jié)，采用運輸機械不僅可提高農(nóng)資或果實的搬運效率，減少勞動時間，還能顯著降低該過程的勞動強度，使更多體弱勞動者參與生產(chǎn)，為降低勞動力成本奠定了良好基礎(chǔ)。因此，從節(jié)省勞動力的角度，應(yīng)同時從上述兩方面進行考察。

根據(jù)走訪調(diào)研，日光溫室蔬菜生產(chǎn)過程中的勞動強度可劃分為輕勞動、中等勞動和重勞動，相應(yīng)心跳增加指數(shù)分別為1.15、1.40 和1.70，如表3 所示。在傳統(tǒng)栽培模式和宜機化栽培模式下綜合人工消耗量分別為315.24 和92.46 工日/hm2，則采用宜機化栽培模式可節(jié)省綜合人工消耗量70.6%，勞動強度降低明顯，有助于應(yīng)對農(nóng)業(yè)人口老齡化對設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的沖擊。

表3 傳統(tǒng)栽培和宜機化栽培模式下工人勞動強度、勞動者心率增加指數(shù)和綜合人工消耗量Tab.3 Labor intensity，index of increased heart rate and integrated labor consumption under mechanized and traditional cultivation modes

2.4 經(jīng)濟可行性

宜機化栽培模式下人工消耗量大幅降低，其人工成本較傳統(tǒng)栽培模式有顯著下降。楊冬艷等[5]對寧夏回族自治區(qū)日光溫室早春茬西瓜+秋冬茬番茄機械化生產(chǎn)模式的勞動力成本進行了核算，發(fā)現(xiàn)宜機化栽培模式下人工成本較傳統(tǒng)栽培模式節(jié)省37 500 元/hm2，人工成本投入減少8.1%。於鋒等[11]研究表明，使用宜機化栽培模式替代傳統(tǒng)設(shè)施蔬菜種植模式可使設(shè)施韭菜生產(chǎn)節(jié)省人工125.25 工日/hm2，減少用工成本7 185元/hm2；設(shè)施芹菜生產(chǎn)節(jié)省179.25 工日/hm2，減少用工成本13 275 元/hm2；設(shè)施茄子、辣椒生產(chǎn)節(jié)省94.5 工日/hm2，減少用工成本5 055 元/hm2。但上述研究沒有考慮農(nóng)機購置和運行對宜機化栽培模式成本的影響。

根據(jù)工程經(jīng)濟學(xué)原理，宜機化栽培模式和傳統(tǒng)栽培模式可看作互斥方案，并采用ΔNPV作為評價宜機化栽培模式經(jīng)濟可行性的指標(biāo)。首先，根據(jù)現(xiàn)有研究及本研究測試結(jié)果，宜機化栽培模式下番茄產(chǎn)量優(yōu)于傳統(tǒng)栽培模式。從保守角度出發(fā)，可認(rèn)為栽培模式不影響農(nóng)戶的種植收入，兩個方案在現(xiàn)金流入方面沒有差異。其次，從現(xiàn)金流出角度出發(fā)，兩種栽培模式下所消耗的肥料等農(nóng)資基本不變，但宜機化栽培模式增加了農(nóng)機投資成本和運行成本，節(jié)約了一定的勞動力成本。

考慮到新增農(nóng)機裝備最長報廢年限為10 年，可作為上述互斥方案的壽命期。由于起壟覆膜機、灌溉施肥機和電動運輸車的報廢年限為5 年，宜機化栽培模式需要在項目開始和第5 年購置起壟覆膜機、灌溉施肥機和電動運輸車。移栽機僅需在項目開始時購置即可。綜合以上分析，宜機化栽培模式相較于傳統(tǒng)栽培模式下的農(nóng)機投資、運行成本及勞動力節(jié)約如表4 所示。

表4 項目壽命期內(nèi)宜機化栽培模式的農(nóng)機購置、運行成本和勞動力節(jié)約Tab.4 Investment and operation cost of agricultural machinery，labor saving under mechanized cultivation mode during project life

根據(jù)工程經(jīng)濟學(xué)原理，ΔNPV＞0 則使用宜機化栽培模式替代傳統(tǒng)栽培模式在經(jīng)濟上可行，ΔNPV越大，其經(jīng)濟可行性越高。根據(jù)式（3），宜機化栽培模式和傳統(tǒng)栽培模式下的差額凈現(xiàn)值為29 281 元/hm2，使用宜機化栽培模式替代傳統(tǒng)栽培模式可行。

為進一步探討農(nóng)機購置成本和勞動力成本對ΔNPV的影響，研究了農(nóng)機購置成本和勞動力成本對ΔNPV的敏感性分析，如圖2 所示。

圖2 差額凈現(xiàn)值（ΔNPV）敏感性分析Fig.2 Sensitive analysis of change in net present value （ΔNPV）

根據(jù)分析結(jié)果，農(nóng)機購置成本和勞動力成本對差額凈現(xiàn)值有顯著影響。隨著未來農(nóng)村人口減少和老齡化進程的加速，勞動成本逐年升高，宜機化栽培模式的財務(wù)可行性進一步提高。因此，在山西省推廣使用宜機化栽培模式對解決設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)勞動力不足的問題有非常積極的意義。與此相反，農(nóng)機購置價格升高會顯著降低宜機化栽培模式的財務(wù)可行性。因此，一方面需要對農(nóng)機進行適當(dāng)補貼，避免因為農(nóng)機價格過高而阻礙宜機化栽培模式的推廣；另一方面，還要進行規(guī)模化種植，通過合理配置農(nóng)機數(shù)量來降低單位面積農(nóng)機購置成本保持較低水平，充分發(fā)揮農(nóng)機作業(yè)優(yōu)勢，為推進設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)機械化水平奠定經(jīng)濟基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

本研究選取山西省祁縣日光溫室對宜機化栽培模式進行驗證和經(jīng)濟分析，得出以下結(jié)論。

（1）在宜機化栽培模式下祁縣日光溫室的機械化水平由38.5%上升到73.3%，節(jié)約人工113.10 工日/hm2，節(jié)省勞動力成本11 310 元/hm2。

（2）宜機化栽培模式下勞動者綜合人工消耗量下降70.6%，勞動強度也得到了顯著下降。

（3）將宜機化栽培模式和傳統(tǒng)栽培模式作為互斥項目，宜機化栽培模式在產(chǎn)量不變條件下的差額凈現(xiàn)值為29 281 元/hm2，具有較強的經(jīng)濟可行性。

（4）根據(jù)敏感性分析，ΔNPV隨勞動力成本和農(nóng)機購置成本的升高而分別上升和下降，表明采用宜機化栽培模式有助于提高山西省設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)機械化水平、應(yīng)對未來農(nóng)業(yè)人口短缺和勞動力成本升高帶來的挑戰(zhàn)。