设施茄果类蔬菜高效机械化生产模式，拿走不谢！
江苏地区设施茄果类蔬菜
高效机械化生产模式探索
为实现江苏地区设施蔬菜安全、高效、优质生产建设，本文以农业机械化工程技术与农艺栽培技术融合模式创新为途径，围绕茄果类机械化种植关键环节，进行了机械装备选型和关键实施要点的阐述，探索构建可复制的8m跨连栋大棚茄果类蔬菜高效机械化高效生产技术模式，以推进全省设施茄果类蔬菜种植全程机械化进程。
近年来，江苏省不断调整优化农业产业结构，作为高效农业的蔬菜产业播种面积逐年升高，2016年全省蔬菜播种面积达到143.036万hm，占农作物播种面积的18.63%，蔬菜总产值占种植业总产值的40%以上，蔬菜产业已经发展成为全省优势产业。江苏省以“菜篮子”蔬菜生产基地、设施农业集中区、蔬菜标准园为载体，加快推进设施蔬菜生产持续快速发展，设施蔬菜比重不断提升，但是作为劳动密集型产业，随着城镇化和人口老龄化，劳动力紧缺、劳动成本上涨等问题必然导致蔬菜产业生产成本增加，蔬菜全程机械化尤其是设施蔬菜全程机械化成为蔬菜产业发展亟待解决的问题。
针对蔬菜生产设施以及生产过程中的各个环节，通过设施结构性能提升、智能装备配套、全程机械化研发及示范应用，初步探索出高标准设施内茄果类蔬菜高效机械化生产标准技术及相关机械选配体系。
课题组以8m跨连栋大棚为例进行研究，根据江苏地区风雪载实际情况，对设施结构强度进行校核分析，优化关键受力部件，提升载荷能力。通过模拟分析窗口大小、外界风速对设施内温湿度、气流速度的影响，优化通风结构，降低夏季设施内温湿度。同时，影响蔬菜生长的环境因子主要包括温、光、气、水和土壤五大环境要素，重点选型加温、降温、补光、通风、CO2增施等装备。
➤加温装备——热泵系统热泵
是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，通常是从自然界的空气、水或者土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向生产提供可被利用的高品位热能。由于地表浅层土壤（地下15~400m）的温度基本保持在15℃，可在浅层土壤埋设换热管道（该温室地源热泵系统的埋管深度为90m），在冬季的时候通过水温较低的循环水吸收来浅层土壤的热量，然后利用压缩机组将水温提升至30~45℃，然后输送至温室内的风机盘管向室内供热（图1）。
图 1 温室内风机盘管
➤通风降温装备——风机系统
温室内空气湿度和CO2浓度是影响作物生长的重要因素，通风作为调节空气湿度、CO2浓度、温度的重要手段发挥着不可替代的作用。风机系统利用风机气流作为动力，强制实现温室内外气体交换。通风机是风机通风系统中的主要设备，根据通风原理不同，风机系统可分为进气通风、排气通风、进排气通风三种。以9FJ-900风机为例，如图2所示，扇面直径900mm，扇叶电机转速540r/min，风量32000m3/h，功率0.55kW。
图 2 降温风机系统
➤补光装备——LED补光灯
温室内的光照状况要比露地差得多，一般仅为露地的30%~70%，尤其是在冬季和早春季节，室内光照强度不能满足作物生长的需求。温室中常用钠灯和LED补光灯使用更广泛。以LED补光灯为例，如图3所示，其具有节能型、光谱可调性、良好的点光源性，冷光性以及优良的防潮性等优点，可以对植物近距离照射和对空间的不同位置进行不同波长的逐点照射，可以实现对密集种植作物的低矮位置和分层种植作物的按需补光。
图 3 LED 补光灯
➤空气调节装备——CO2增施机
CO2是植物光合作用的重要原料之一，在温室中使用CO2发生器不仅可明显增加农作物的产量和抗病能力，而且对土壤活性和环境无任何副作用。以CA型CO2发生器为例，如图4所示，使用面积1000m2，CO2产量4.2kg/h。
图 4 CO2 增施机
茄果类蔬菜是指茄科以浆果为产品的蔬菜，主要包括番茄、辣椒和茄子。全程机械化作业流程：精细耕整（深松整地-机械旋耕-起垄做畦-覆盖地膜）-穴盘育苗-机械移栽-田间管理（肥水、植保）-采后运输。
➤精细耕地环节
◆耕整技术流程
蔬菜精细耕整流程：深松整地-机械旋耕-起垄做畦-覆盖地膜。
深松整地 田块一年深翻一次，地表遗留秸秆和粉碎根茬不影响机具作业，一般采用铧式犁、深松机等进行作业，保持耕深120~180mm，打破犁底层，提高土壤紧实度、改善土壤理化性质，确保地表平整，降低起垄时的阻力。
机械旋耕 旋耕层80~160mm，黏性土壤需要多次旋耕，以达到土壤细碎的目的，土壤碎土率需要达到80%以上，以利于起垄作业。
起垄做畦 按照不同蔬菜品种的种植要求，或起垄或高畦，一般垄顶宽700~900mm，垄底宽900~1100mm，起垄的高度以200~300mm为宜，垄面平整，垄沟两侧保持相对平行，以便于后期蔬菜移栽和收获。
◆耕整机械选型
深松、犁耕实施关键要点 作业前必须进行田间清理，确保翻地作业质量，犁耕作业时须保持耕深一致，以180mm为宜，翻垡良好，覆盖严密，土壤松碎，耕向笔直，且要地表平整，土壤适耕条件的土壤含水量为15%~22%。可选用黄海金马354D拖拉机为动力平台，配套江苏省农业科学院农业设施与装备所自主研制的多功能双铧犁，如图5所示，其主要技术参数见表1。
图 5 多功能双铧犁
表 1 多功能双铧犁主要技术参数
旋耕实施关键要点 作业时保持旋耕层深度一致，旋耕层深度合格率≥85%；针对粘性土壤需要经过多次旋耕，以达到土壤细碎的目的，为保证起垄质量，土壤碎土率需要达到80%以上；旋耕后保持地表平整，避免漏耕。可选用江苏省农科院农业设施与装备所联合盐城市盐海拖拉机制造有限公司研发的1GKN-140型旋耕机，如图6所示，其主要技术参数见表2。
图 6 1GKN-140 型旋耕机
表 2 1GKN-140 型旋耕机主要技术参数
起垄、做畦实施关键要点 可选用江苏省农科院农业设施与装备所自主研发的1GVN-125设施蔬菜多功能复式作业机，如图7所示，其具有施肥、深松、旋耕、起垄功能，作业时可在肥料仓加入有机肥，以达到起垄过程中均匀施肥的复合作业。推荐垄型规格，垄顶宽900mm，垄底宽1100mm，垄间距400mm，配套的“大棚王”拖拉机作业时后轮正好位于两垄沟中心线。1GVN-125设施蔬菜多功能复式作业机的主要技术参数见表3。
图 7 1GVN-125 设施蔬菜多功能复式作业机
表 3 1GVN-125 设施蔬菜多功能复式作业机主要技术参数
➤育苗环节
针对茄果类蔬菜种子形状特点，采用针式吸排种技术、单片机自动控制技术、光电传感检测技术、正负压快速切换技术，江苏省农科院农业设施与装备所设计研发了JSZ-2000型穴盘育苗半自动精量播种机，如图8所示。
图 8 JSZ-2000 型穴盘育苗半自动精量播种机
该机型由高频振动喂料种子盘、针式吸排种模块、曲柄摇臂连杆机构、步进皮带穴盘输送机构、气压供给与泵阀系统、光电传感探测，以及单片机可编控制系统组成。针式吸排种关键部件采用模块化设计，以便快速更换不同间隙针头的播种模块与不同孔径针头，适应不同型号穴盘与不同大小种子需求。使用JSZ-2000型穴盘育苗半自动精量播种机，作业时可根据种子形状大小调节最佳吸/排种气压，作业时以丸粒化种子为佳，非丸粒化种子必须保持种子清洁，无细小杂质,针对异形种子播种，可适当调高吸种压力，以减小漏播率为最高作业优先级。其主要技术参数见表4。
表 4 JSZ-2000 型穴盘育苗半自动精量播种机主要技术参数
➤移栽环节
移栽前需要对秧苗适当浇水，以防止散坨不利于移栽；根据蔬菜栽植农艺要求，调节移栽行距、株距以及深度，可适当深栽，以子叶与地面齐平较为合适，太浅则缓苗慢且后期生长弱；根据起垄做畦的规格（垄宽），调节移栽机轮距，使两轮正好位于两垄沟中心位置；控制合理的移栽速度，保证移栽整齐一致。茄果类设施栽培一般采用大小行栽植，小行40~50cm，大行60~80cm，垄高20~30cm，开挖定植沟。可选用井关乘坐式半自动双行移栽机2ZY-2A(PVHR2-E18)，如图9所示。该移栽机可以通过调节倾斜角度，解决垄两侧相对不平等问题；具有自适应垄高特性，作业时不必进行液压升降调整；操作人员乘坐式操作，目测行走轨迹，若有偏离，随时修正。其主要技术参数见表5。
图 9 井关乘坐式半自动双行移栽机 2ZY-2A(PVHR2-E18)
表 5 井关乘坐式半自动双行移栽机 2ZY-2A(PVHR2-E18)主要技术参数
➤田间管理环节
◆肥水一体化技术
肥水一体化设备根据不同蔬菜的灌水要求设计，主要采用微渗灌和微喷灌方式。采用纳米微渗管+主管+肥水系统，首部配套文丘里施肥泵，主管采用PVC管，支管为纳米微渗管，工作水压范围应保持在为0.05~0.10MPa，以达到微渗效果。采用江苏省农业科学院农业设施与装备所研制的蔬菜栽培肥水一体化系统，如图10所示，其工作水压范围应保持在为0.05~0.10MPa，以达到充分微渗效果；肥料使用液态肥，基于文丘里原理的施肥方式，保证了经济性与实用性；支管采用快速接头式安装，蔬菜采收时，可快速整理与收存。该系统主要技术参数见表6。
图 10 蔬菜栽培肥水一体化系统
表 6 蔬菜栽培肥水一体化系统主要技术参数
◆植保环节
贯彻“预防为主，综合防治”植保方针，推广使用绿色防控技术，科学合理使用化学农药，超低量精准施药，保证绿叶蔬菜的安全生产，江苏省农科院农业设施与装备所创新研制了3WYS[1]FP固定管道式常温烟雾系统，采用常温烟雾技术、雾滴弥漫技术、二相流雾化技术及固定管道恒压输送技术，如图11所示，实现人药分离、农药雾滴超细雾化、棚室内均匀弥漫，达到全面无死角的防治效果。该系统工作效率是传统背负式喷雾器的5倍以上，在同等防控效果的前提下可减少化学农药用量50%以上。固定管道式常温烟雾系统作业要点：该系统具备气体管路、液体管路两套系统，固定安装在设施内，通过快速接头与棚室外集成的液泵、空压机、药箱等供液供气装置对接；采用高速气流产生的负压吸入药液，形成烟雾状雾在棚内进行弥漫；开始作业前务必检查确定棚内无人。其主要技术参数见表7。
图 11 3WYS-FP 固定管道式常温烟雾系统
表 7 3WYS-FP 固定管道式常温烟雾系统
➤采后运输环节
江苏省农科院农业设施与装备所联合南京农业大学工学院研制的设施蔬菜省力化田间运输平台，如图14所示，由控制系统、3D体感摄影机、直流无刷电动机、步进电动机等组成，精确实现路径判断和自动跟随。同时，配备电动升降平台，适应不同高度的采摘作业需求。该平台作业可进行农资搬运、农产品搬运、农田清理等作业；可自动跟随、可升降；载重状态下，超30°的坡道严禁行驶；载重状态下最大前进或后退速度能不超过3.5km/h。其主要技术参数见表8。
表 8 设施蔬菜省力化田间运输平台主要技术参数
设施建设标准提升，进一步提升了土地利用率和单位土地产出效益，智能化控制系统的配套，能够营造有利于作物生长的微环境。
茄果类蔬菜高效机械化生产进一步加强农机和农艺的相互融合，涉及设施适生优质品种选育、生产技术集成研究、新型机械装备研制等多方面，同时，受不同区域日照强度、降水程度、区域生产习惯等条件的影响，茄果类高效机械化生产关键技术的相关研究和技术集成还有待进一步完善。
本研究以8m连栋棚温室内茄果类蔬菜为主要实验对象，针对茄果类蔬菜不同生产过程，进行机械配型分析和研究，建立系统的茄果类蔬菜高效机械化的区域技术体系或推广模式，以便实现设施茄果类蔬菜的全程机械化推广示范，实现设施蔬菜生产、节本增效的目的。
作者：陶建平，陆岱鹏，吕晓兰，唐玉新，雷哓晖，陈凯（江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室）