天津市設施蔬菜種植智能化技術裝備應用現狀

關鍵詞：設施蔬菜；種植智能化；技術裝備；設施農業；天津市

0 引言

設施農業是一種高投入、高技術含量、高產出的農業形式，它是通過應用現代工程技術手段和工業化生產管理模式，為農作物的生長營造一個可控制的、適宜的環境條件，以保證其在有限的舒適生長環境內健康成長，獲得較高產能、優良品質及最佳經濟效益。蔬菜已經成為人們日常不可或缺生活必需品，露地種植已經不能滿足消費者日益提高的對蔬菜品種多樣化的需求，設施種植利用設施農業裝備擺脫傳統農業的束縛，打破農產品的季節性生產，實現反季節周年產出，進一步滿足了市場多元化、多層次的消費需求。

現代化設施農業機械化智能化技術，是解決設施生產較高勞動力成本制約發展的關鍵，對提高農業生產效率和農產品品質起到至關重要的作用。設施農業裝備主要包含卷簾、濕簾風機、加溫、補光、CO2增施、通風及微滴灌噴淋等基礎設備，以及旋耕起壟覆膜設備、施肥設備、育苗設備、播種移栽設備、水肥一體化設備和采摘運輸設備等其他生產機械設備。智能化設施農業裝備的應用為設施農業生產帶來了更高的便捷性與高效性，是設施農業產業高質量發展的重要技術支撐。2022年1月，農業農村部頒布的《“十四五”全國農業機械化發展規劃》明確指出，到2025年設施農業、畜牧養殖、水產養殖和農產品初加工機械化率總體達到50%以上，“機械化+”全面應用于農業機械化管理、作業監測與服務。這對設施農業機械化、信息化、智能化技術及裝備的研究與應用提出了新發展目標。

1 國內外現狀與發展趨勢

1.1 國外情況

設施農業裝備具有機械化科技含量高、自動化程度高、投入高、效率高和產出高的顯著特點，在國外發展迅速[1]。如以色列、美國、法國、日本和荷蘭等國家在設施農業裝備技術研發方面起步較早，處于領先地位。以色列全年降水稀少，自然環境的制約促進了當地節水農業的發展，其在高效微滴灌技術、水肥技術的研究與應用上國際領先。美國設施農業實現了產業化、規模化生產，設施蔬菜種植呈現生產區域化、布局專業化和服務社會化的特點，設施蔬菜機械化生產程度較高，溫室結構多采用大型連棟溫室，選種、耕整地、播種、收獲乃至加工都實現了機械化作業，在環境控制技術方面取得了較大成效，也在嘗試將農業機器人應用于生產過程中[2]。日本設施農業總量不大，但小型化、輕便化、精細化和智能化特色鮮明，蔬菜種植采用先進的栽培技術，機械化作業率較高，尤其是蔬菜移栽機率先向高性能、低油耗、自動化和智能化方向發展，由于生產模式相似度高對我國的影響較大，洋馬、久保田、井關公司生產的蔬菜移栽機已率先進入中國市場[3]。荷蘭設施農業發展僅次于美國，位居世界第2位，蔬菜和花卉產量穩居世界前列，主要為大型連棟智能化溫室，溫室內的溫度、濕度、光照、CO2、水肥供給和排液等日常管理幾乎全部由計算機系統控制完成，真正做到全自動、智能化，蔬菜種植的產量和質量較高[4]。國外設施農業將高度集成化的工業技術應用于生產，在播種、育苗、環境控制和收獲等配套設施農業裝備上種類齊全，自動化程度高、技術成熟度好、普及率較高，采摘后的清洗、分級、包裝和預冷產后初加工裝備也實現了自動化作業，溫室內病蟲害防治、自動檢測、管理機器人應用智能技術的現代化溫室裝備日趨成熟并向市場化和商品化邁進。

1.2 國內情況

我國是農業大國，設施蔬菜產業經過30多年的發展取得了巨大成就，設施蔬菜規模逐年增加。在“菜籃子”工程推動下，初步形成了小型便捷、低碳節能、功能復式的低成本獨具特色的發展道路，但同時也存在著技術水平低、勞動強度大、生產效率低、經濟效益不高，以及缺乏規模化、標準化的種植和服務體系等問題，制約了我國設施蔬菜產業的可持續健康發展。相對國外先進的設施裝備技術，國內設施農業裝備技術研發起步較晚，但由于市場需求大，起點高，發展迅速。在不斷優化溫室設施結構的同時，溫室配套裝備如卷簾機、濕簾降溫、水肥一體化設備、通風系統及環境調控系統都應用了信息化、智能化技術，在實際生產中取得了良好的經濟、社會和生態效益，但在產前、產中、產后生產環節的專用農機裝備的研發與應用還處于初級階段。

設施蔬菜種植是典型的精耕細作方式，工序繁多、農藝復雜，主要包括土地耕整、播種、育苗、移栽、田間管理和收獲等關鍵生產環節，對作業機具的要求偏高。目前，設施耕整地機械大多由大田農機具改進，在動力、功能和適應性上都有欠缺，導致作業效果差，小型化、輕簡化、智能化及以清潔能源為動力的集旋耕、起壟、施肥、覆膜和鋪滴灌帶功能的復式作業機械的研究是現階段的重點。設施蔬菜播種機有線播、條播、精量播種等多種方式，但不同蔬菜種子機械化作業時需更換播種器，改變行進速度，導致機械通用性差，增加了作業時間、作業成本和勞動強度，應加強自動化技術在播種器上的應用研究，逐步提高播種精度、播種速度和應用范圍，逐步實現精量播種。隨著蔬菜品種和面積的不斷增加，育苗播種、嫁接、移栽的人工成本已成為農戶的沉重負擔，蔬菜育苗、移栽、嫁接技術研究開發成本較高、加之結構工藝復雜，精度要求高一直受到限制，隨著材料、加工和信息化技術的不斷進步，自動化、智能化、集約化的育苗設備、全自動移栽機、嫁接機器人已經從研發階段逐步轉入了實際生產應用階段。設施農業生產中環境控制尤為重要，通過自動化技術手段控制溫室內溫度、濕度、光照等環境因素，打破氣候對蔬菜生長的制約，提供良好的生長環境，確保品質和產量，物聯網環境控制系統的應用，可根據傳感器采集的信息，通過響應的邏輯判斷和運算，控制濕簾風機、遮陽幕、通風口等設備，實現自動化控制溫室環境，這項技術已經在設施育苗和高端蔬菜種植中得以廣泛應用[5]。蔬菜食用部分的幾何形態和物理特性各不相同，收獲機械大多是專用型，如用于收割采摘和挖取蔬菜可食用部分，并進行裝運、清理、分級和包裝的機械[6]。在整個蔬菜種植中，收獲作業約占總作業量的40%，但收獲環節的機械化程度仍處于較低水平[7]。目前研究和應用比較廣泛的蔬菜收獲機大體可分為根莖類、果菜類和葉菜類3種機型，一般應用于大田蔬菜種植，如辣椒、甘藍、蘿卜等，國內多個科研院所都有從事基于視覺系統、傳感器等自動化技術的設施蔬菜收獲機械的研究，但僅限于實驗室概念設備，未見應用于實際生產中。

2 天津市設施蔬菜種植智能化技術應用現狀

2.1 基本情況

隨著社會與經濟的發展，蔬菜在我國居民食品消費中所占的比例持續增加，全國蔬菜人均占有量581kg/年，相當于人均每天消費1.59kg蔬菜。2022年，天津市蔬菜播種面積5.55萬hm2，產量256.53萬t，設施農業種植面積1.88萬hm2，其中，日光溫室面積0.84萬hm2、塑料大棚面積0.68萬hm2、保暖式大棚（有保溫被覆蓋的塑料大棚）面積0.21萬hm2及中小棚面積0.15萬hm2。設施蔬菜種植在穩定菜籃子供給、調優產業結構、保障質量安全及促進農民增收等方面取得了較好的成績[7]。天津市設施蔬菜種植主要特征：一是種植品種多、總量少，主要種植品種以西紅柿、白菜、黃瓜、芹菜、辣椒和蘿卜等為主在1.20萬hm2左右，其他如香菜、油菜、韭菜等種植面積每年也能保持在0.07萬hm2；二是涉及區域廣泛，但不成規模，10個涉農區都有設施蔬菜種植且品種齊全；三是種植品種不統一、農藝要求不統一、管理方式不統一；四是設施結構老化、差異化較大，不適宜農業機械作業。

2.2 應用現狀

通過走訪靜海區、薊州區、武清區、寶坻區、寧河區和西青區等主要涉農區的蔬菜種植合作社、種植大戶和農機合作社等設施蔬菜主要生產者，組織農機科研、生產、流通和推廣部門科技人員座談和發放調查問卷等方式，對天津市設施蔬菜種植機械化、智能化農機裝備的科研開發、生產流通、市場應用情況進行了初步調查。

2.2.1 科研開發方面

天津市承擔農業機械化裝備整機及零部件研發與教學工作的機構主要為天津市農業中心系統相關部門、各專業院校、科技型農業機械生產企業等。隨著我國信息化技術和機械加工能力的不斷提高，在設施蔬菜領域的裝備研究方向多為信息化、智能化的技術裝備，如天津理工大學吳艷娟團隊研究的依托大蒜播種機蒜瓣芽根辯識控制系統的大蒜精量播種機、李霞團隊研究的智能除草機器人和基于智慧物聯網技術的水肥一體化技術；天津農學院單慧勇團隊研究的設施溫室環境光氣耦合智能調控系統；天津商業大學吳子健團隊研究的田間快檢技術等。這些科研成果都處于國內領先的技術水平，但成果存在脫離實際生產需求，不能滿足現實生產環境和農藝要求等諸多實際應用問題，成果的轉化尚需要一段時間。

2.2.2 生產流通方面

據天津市農機鑒定部門統計，天津市農機生產企業產品涉及17個大類31個小類60余品目，可謂品類豐富。本研究對4家從事智能化裝備研究和1家從事智慧農業精準決策方案研究的企業進行了走訪調查。天津易鼎豐動力科技有限公司致力于農業機械裝備的智能化控制、智能駕駛及提高安全性和整車（機）能效等技術方向，在天津市新一代人工智能科技重大專項項目智能無人系統深度強化學習控制算法的研發與應用支持下，組建了覆蓋控制核心硬件、智能作業核心算法、農機電動化解決方案、農業作業機器人架構和農業遠程數據平臺等方向的農機裝備電動化+智能化開發體系，研發的智能增程式無人駕駛電動拖拉機，融合了目前較先進的電動技術、無人駕駛技術和精準農業技術，可用于在連棟溫室內作業。科芯（天津）生態農業科技有限公司將基于傳感器、人工智能、物聯網、大數據和芯片應用技術應用于農業種植領域，研發團隊堅持自主創新，首次提出AIPA（智慧決策型的精準農業）技術體系，已在山西省、河北省等地建有多個試驗示范園區，并于2022年在天津市西青區種植園區落地示范。沃達爾（天津）股份有限公司和天宸北斗衛星導航技術（天津）有限公司主要生產智能灌溉裝備和北斗導航設備，但產品主要應用于大田作物的生產。天津藍威科技發展有限公司以蔬菜缽苗高速全自動移栽機及配套育苗缽盤研發為基礎，開發相關智能農業裝備，是近幾年斬露頭角的應用信息化、智能化技術解決農業生產難題的科技新型企業，但還處于起步發展階段，產品應用較少。

天津市農機流通企業中只有少數幾家銷售蔬菜機械產品，但都不作為長期的經營品種。從事農機作業的農機合作社主體159家，作業服務覆蓋糧食生產的全程作業環節，但對蔬菜種植特別是設施蔬菜的生產服務幾乎為零。

2.2.3 市場應用方面

天津市目前的設施蔬菜種植以日光溫室和塑料大棚為主，多采用傳統的南北向種植模式，為滿足近年來逐漸興起的休閑娛樂采摘和蔬菜配送服務的需求，設施園區蔬菜種植種類多樣化，品種多，茬口多，甚至同一溫室種植不同蔬菜，造成無法進行機械化作業。設施蔬菜種植除卷簾機應用普及以外，耕、種、管和收4個重要環節中，只有在耕整地和田間管理環節機械化程度較高。耕整地環節多采用傳統微耕機和大棚王拖拉機進行旋耕、起壟、施肥和鋪設滴灌帶作業。播種環節中部分具有一定規模的育苗企業采用集約化育苗設備，直播蔬菜中線播技術和氣吸式精量播種逐漸被種植戶接受。田間管理環節中的通風、CO2增施、水肥一體化設備和灌溉設備相對于其他環節設備的智能化程度高，配置的智能控制器利用傳感技術、自動控制信息采集與處理技術，實現了灌溉技術從傳統的漫灌、溝灌到智能模式的轉化，多應用于設施蔬菜育苗和高附加值的產品生產中。收獲技術是蔬菜機械化生產的難點和堵點，部分蔬菜在露地種植中機械化收獲相對成熟，設施溫室內的收獲機械受環境影響在研究和生產上困難重重，在南方市場日漸興起的葉菜收獲機械可實現小青菜的地上地下無序收獲，對于北方傳統習慣，其工作效率和損失率的缺陷還不能被種植戶接受，但基于農村勞動力減少和蔬菜需求日益增長的問題，急需通過研究蔬菜的物理特性，優化機構設計，應用智能技術，開發適合設施蔬菜種植模式的收獲機械，對實現蔬菜種植全程機械化具有十分重要的意義[8]。

3 存在問題

設施蔬菜產業已經成為蔬菜產業的主流，經過多年的發展已經在生產技術和應用水平上有較大提升，但由于蔬菜種植周期短、勞動力投入多、儲存運輸難、損耗大及貨架期短，相對于大田作物機械化、智能化發展滯后，與世界先進水平相比，還有較大差距[9]。

3.1 生產基礎設施老舊，配套不完善

我國設施蔬菜園區在設計上忽視了機械化作業的要求，普遍存在路難走、門難進、邊難耕和頭難掉的現象，不利于機械化作業[10]。天津市用于蔬菜種植的設施農業園區以日光溫室為主，結構傳統，溫室以跨度8～10m、長度60～90m為主，不能滿足農業機械進出及智能裝置的使用條件要求[11-12]。溫室后墻以磚墻和土墻修建，面積、方向和內部結構不同，保溫性能不穩定，多數塑料大棚中間都有立柱，種植方式以南北向種植果菜居多，造成機具作業空間小、障礙多，制約了農機作業優越性的發揮，遠遠不能滿足新型農機裝備應用的硬件條件，并且大部分園區不具備農資貯藏、農機存放等輔助廠房設施，缺少發展空間。

3.2 農機農藝融合度差

設施蔬菜一般采用的是精耕細作的生產方式，蔬菜品類繁多、種子大小形狀各異、食用部分根莖葉果都有、種植模式花樣繁多且管理要求復雜。實現農機化作業既要滿足耕作條件，又要滿足作物生長的農藝要求，以目前市場上的設施蔬菜作業機具的作業功能和質量尚不能完全滿足蔬菜生長所需，種植農藝和機械化生產方式在集成度、系統性上不能匹配。

3.3 各環節機械裝備產品數量和發展水平不均衡

設施蔬菜種植在向規模化、標準化、機械化和智能化快速轉型的過程中，裝備總量在不斷增加，但總體機械化水平不高。耕整地、施肥灌溉環節機械化水平偏高，種植、收獲環節機械化水平偏低，各環節總體上智能化水平不高，雖然在部分環節實現機械化、自動化作業，但智能化僅體現在灌溉施肥和環境控制的環節[13]。

3.4 市場與需求對接不緊密

由于政府對設施蔬菜種植的政策扶持，越來越多的科研院所和農機企業將目光對準了設施蔬菜種植機械的研發，推出了一批設施蔬菜種植新機具，但市場推廣差強人意。另一方面，由于人工成本的不斷攀升，農民對新技術和新裝備的需求提高，卻苦于沒有信息渠道，加之蔬菜種植從業者年齡偏大，管理觀念比較傳統，對新技術、新裝備接受能力差，對新的成本投入（機具購置）、種植模式改變（南北向種植改東西向種植）、機具作業效果滿意度上都有抵觸情緒，影響了企業和農戶之間的溝通。

4 對策措施

目前，國外蔬菜全程機械化研究日趨穩定成熟，我國還處于初級研究階段，單一、零散、不配套的現狀影響了設施蔬菜全程機械化、智能化技術的研究與應用，急需引進國外先進技術和管理經驗，消化吸收再集成創新，走出一條適合我國農業的蔬菜全程機械化之路[14]。

4.1 積極推進規模化經營、標準化生產

隨著社會經濟的發展，設施蔬菜產業的不斷擴大，為保障設施蔬菜產品的產量和品質，必須積極推進設施蔬菜種植的規模化、標準化、機械化生產。積極推進相關部門制定農業設施的建設標準、機械化生產的作業標準和規范，加強標準化生產的宣傳，擴大科學生產模式和技術裝備的試驗示范，提高種植戶的科學素養，逐步引導設施園區實現規模化經營和標準化生產，對提高設施蔬菜智能農業裝備的應用起到積極的推動作用。

4.2 提高蔬菜種植管理水平，促進農機農藝融合

溫室結構、硬件條件、農機裝備水平和種植農藝要求都是影響農業機械化的主要因素。提高蔬菜種植的科學管理水平，促進農機農藝融合，推廣宜機化設施溫室建設和改造、加快東西向種植模式的研究和試驗、選擇適宜機器化作業的蔬菜品種、探索農機農藝融合的田間管理技術及研發復合型智能化設施農業裝備，不斷提高農機裝備的作業效率和效果，滿足設施蔬菜種植的需求。

4.3 廣泛開展科普宣傳，完善社會化服務體系

解決好科研成果和市場應用“最后一公里”的對接問題，農機與農藝技術人員聯合對設施蔬菜種植經濟適用的技術設備進行試驗選型，利用科技下鄉服務開展技術宣傳和培訓，編撰科普材料，建立科技示范戶，廣泛開展先進技術和成熟農機裝備的宣傳，主動引進先進智能農機裝備在設施蔬菜種植關鍵環節進行試驗示范，逐步擴大技術應用輻射面。積極探索設施蔬菜種植社會化服務方式，鼓勵農機合作社優先購置蔬菜種植關鍵環節作業機具開展社會化服務。

4.4 加大設施蔬菜扶持政策，增強發展動力

加快設施蔬菜產業發展，離不開強有力的扶持政策加以推動。財政資金應向技術含量高、生產效果好的設施蔬菜裝備研究傾斜，加大對先進智能農機裝備的科技創新支持力度，解決蔬菜機械化卡脖子的問題[11]。積極引導金融資金和社會資本，充分調動不同市場主體發展設施蔬菜產業，建立完善的資金投入保障制度，形成多渠道的投入格局和保障機制[15]。

5 結束語

面對我國對設施蔬菜需求量不斷增加的問題，設施農業機械化、智能化生產是保障設施蔬菜種植的重要技術手段。農業農村部聯合國家發展改革委、財政部、自然資源部印發的《全國現代設施農業建設規劃（2023—2030年）》明確建設以節能宜機為主的現代設施種植業等4個方面重點任務，到2030年設施蔬菜產量占蔬菜總產量比例達到40%，設施種植機械化率達到60%。重點推進園區基礎設施一體化開發、因地制宜選擇適宜生產設施、完善生產配套設施、建設標準化基質廠和信息化與智能作業裝備。未來，應加大對蔬菜種植關鍵環節機具的研發試驗推廣，在小型化、輕量化發展的同時增加自動化、智能化技術的應用，不斷優化技術，升級產品，擴大應用范圍，提高天津市設施蔬菜高效優質生產，保障設施蔬菜產業綠色健康發展。