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蔬菜全程机械化生产研究现状及发展趋势
作者: 姚森 时间: 2024-03-28
发展全程机械化对蔬菜规模化、标准化生产起着至关重要的作用。本文总结了国内外在蔬菜耕整地播种育苗、移栽、田间管理、收获和采后分级环节的机械装备研究现状及发展方向，明确了我国蔬菜全程机械化未来发展趋势：加强基础理论的研究；农机与农艺结合发展：优化农机结构，降低生产成本；发展大型农场，配套大型智能农业机具；发展都市农业，构建生态城市。
近些年，我国蔬菜种植面积逐年上升，2018年达2043.9万hm2，位居世界第一。但我国蔬菜生产全程机械化程度低，装备体系不健全，所需劳动量大，其中收获和采后加工环节的用工量占到了蔬菜生产总用工量的60%以上(姚森等，2019),导致蔬菜生产效率低，成本高，可持续生产受到限制。
传统的蔬菜机械化生产是指在生产过程中某个环节使用机械作业，而机械化缺失环节依然作业效率低、用工量大，并且直接影响下一个环节的机械化作业效果，并不能降低生产成本，因此实现蔬菜全程机械化生产是提高生产效率、降低生产成本的必由之路。
国外在蔬菜全程机械化生产装备方面研究时间较长，技术已趋于稳定成熟，但都是大型农业机械装备，不适用于我国蔬菜生产模式，难以直接引进使用。我国蔬菜生产机械装备研究起步较晚，机械化未能覆盖所有生产环节，耕整地、播种施肥、移栽和田间管理等环节已有成熟机型可供推广应用，但收获环节的机械目前还处于理论试验阶段，生产上推广应用很少。本文总结了国内外耕整地、播种施肥、移栽、田间管理、收获和采后加工环节的蔬菜生产机械研究现状及发展趋势，并由此提出我国蔬菜全程机械化生产目前面临的问题和未来发展方向。
一、耕整地技术与装备
耕整地机械装备主要用于耕地起垄、松土开沟、杂草掩埋、施肥播种等作业，既有单项作业机具，如开沟机、起垄机、施肥机等，也有复合型作业机具。复合型作业机具能一次完成多项作业，具有作业效率高、生产成本低等优点。
1.1 国外耕整地机械装备特点
一是耕整地环节的机械装备已经向多类型、系列化方向发展，如日本松山株式会社的耕整机械包括了50多个系列200多个类型，其耕深、幅宽和配套动力均可由农户自由选择，小桥工会株式会社仅驱动耙产品则有30多个系列100多个类型：是向着大型、幅宽、高效、联合方向发展，尤其是联合作业机具可有效提高作业效率，如美国的带圈齿耙2310型耕耘机作业宽度可达5.72~13.95m(陈玉华等，2018)；三是将微电脑技术、电子技术、通讯技术和自动控制技术等高新技术应用在耕整地机械上，实现了机械装备智能化和自动化。
1.2 国内耕整地机械装备特点
1.2.1 大中小型机具共存，小型机具占主导
目前我国大中型机具主要在新疆、内蒙古、东北等地域辽阔的地区推广使用，东北地区推广应用的530大型液压翻转型，配备100kW的拖拉机使用，工作幅宽1.5m，作业效率可达50hm2.h-1，能够满足大型农场生产需求。而在我国的山区、丘陵等区域，小型耕整地机具如微耕机、小型耕地机，以及与手扶拖拉机和小功率拖拉机配套的小型耕整机具仍被广泛应用。小型耕整地机械装备具有生产成本低、能耗低、作业质量好、可靠性高等优点，但同时也存在智能化和自动化程度低、生产效率低、所需劳动量大等不足。
1.2.2联合作业机械发展迅速
单一的耕整地机存在作业效率低、农机使用复杂等缺点，因此需要研发联合作业机械。目前我国的联合作业机械具有除茬、旋耕、深耕、起垄、施肥、镇压、播种等作业功能，根据不同作物生产需求可选择任意几种功能集成的联合作业机械装备。由农业农村部南京农业机械化研究所研发的蔬菜整地播种复式作业机，可一次性完成深松耕、起垄、播种、施肥、覆土镇压等作业。该机具采用多种形式刀片复合耕作的方式，碎土性和耕深一致性好；利用模块化播种装置在作业时可根据需要调节播种行数和行距，解决了目前播种深度一致性、播量均匀性的问题(肖宏儒等，2019)。由农业农村部南京农业机械化研究所果蔬茶收获创新团队研制出的西芹种植一体机，能够一次性完成起垄、压实、覆膜、打孔、播种、盖沙等作业，作业效率高、种植效果佳(梅松等，2018)。
1.2.3 智能化、自动化耕整地机械装备逐步发展
随着现代农业的高速发展，设施农业、工厂农业、都市农业陆续出现，传统的农业机具已不能满足现有的生产需求，相关农业机械也逐渐向智能化、自动化、精细化方向发展。如于志成(2017)在传统的耕整地机械上研发了水平自动调节技术，当水田复式整地机在不平的地面工作时，其工作部件会自动进行水平调节，有效避免了旋耕部件随着拖拉机的运作左摇右晃而影响作业效果。
二、播种技术与装备
播种育苗是决定蔬菜产量的重要环节之一，传统人工播种存在劳动强度大、效率低、浪费多的问题，因此机械化播种是蔬菜高效生产的必由之路。
2.1 国外播种机械研究现状及发展趋势
2.1.1 大型播种机械复合一体化作业
国外的播种机械以大型联合作业机具为主，同时向复合一体化作业方向发展。如德国哈西亚公司的大型气吸式播种机，能一次性完成开沟、施肥、播种、镇压、覆土、喷药等作业：德国的AMAZONE公司研发的ED系列精量播种机，最大工作幅宽可达12m，工作效率极高(梁宝忠等，2009)。
2.1.2 气力播种机械气道稳定结构优化
为了进步提高播种稳定性和落种效率，国外以气力播种作为研究重点。利用风扇气流实现快速播种，解决了种子不能及时定点入土的难题。为了解决气力播种机械结构难题，国外学者研发了气道稳定和结构优化等关键技术，如法国MONOSEM研发的NGPlus气吸式播种机，采用了多种先进的气道结构、加工工艺和新材料，具有播种精度高和使用寿命长等优点(胡童等，2018)。
2.1.3 精量播种机械智能化
为了提高播种机械的播种精密度，国外将智能控制技术应用于播种机械上，利用电子技术、计算机技术和传感器技术等核心技术，解决了精量播种的难题。智能控制技术能够实时监测排种器的作业情况，精量控制播种并记录播种数量。如由4G智能显控终端、采集单元、图像采集单元等9个单元构成的智能播种云监控系统，采用模块化设计，结合农机管家云平台，可应用于作业监管、播种检测、播种监控等不同场景(李道亮和杨昊，2018；杜岳峰等，2019；张漫等，2020)。
2.2 国内播种机械化研究现状及趋势
2.2.1 小型播种机械向复合一体化方向发展
小型机具生产成本低、能耗小，相对于人工作业效率高，被我国农户广为接受。但单一的播种机械也存在作业效率偏低、购机成本较高等缺点，而复合一体化的播种机械在进行播种的同时，还能进行苗床整备和施肥等，具有作业效率高、购置成本低等优点，因此我国需要重点研制复合一体化的小型播种机械。
2.2.2 播种机械向高强度、高精度和通用性强方向发展
我国现有材料和工艺导致播种机械存在着可靠性低的问题，尤其是在仿形限深机构方面，工艺精度低、材料刚度差，工作可靠性得不到保证，因此提高工艺精度、加强材料刚度是提升播种机作业可靠性的重要措施。国内播种机械产品齐全、机型种类繁多，排种器结构及样式也多种多样，导致种机械的通用性差，若每个生产企业都有特定的标准，则零部件不易跨企业置换。目前我国己建立《播种机行业标准》和《播种机质量评价技术规范》等相关标准，对播种机械的生产进行了标准规范，以提高播种机具的通用性。
2.2.3 播种机具向智能化方向发展
目前我国播种机具多数处于半自动化阶段，需要人机协作才能完成播种作业，针对该问题，我国开始研制智能化播种机具(孟鹏祥，2016；李道亮和杨昊，2018)。如吉林农业大学设计了播种深度自动控制系统，该系统用Flex弯曲传感器来检测播种单体的对地压力，以两块单片机分别作为信号采集器和播深控制器，用nRF2401无线通信模块实现信号采集器和播深控制器的传输，从而精确控制播种深度(朱龙图，2017)。
三、移栽技术与装备
利用移栽装备可减少移栽劳动量，保证秧苗的整齐度，也便于收获装备的应用。全自动栽植是蔬菜移栽机械的发展方向(吴传云等，2021)。
3.1 国外移栽机械研究现状及趋势
3.1.1移栽装备杆机构
移栽装备的插秧部件根据机构类型可分为3种：滑道机构、杆机构和回旋机构(于晓旭等，2014)。滑道机构是国际上最早的插秧部件结构，其结构复杂、成本高、效率低，目前的移栽机械很少使用此机构。而杆机构是利用曲柄摇杆结构将秧苗插入土中，其结构简单、成本低、效率高，现多数移栽机均使用此结构。但杆机构也存在工作振幅大、工作速度低等问题，因此国外开始将工作振幅小、生产程度低、可高速作业的回旋机构作为研究重点。如日本发明的前插回转式行星轮系分插机构，其工作部件的振幅是曲柄摇杆机构的1/4，工作效率提高了一倍(包春江和李宝，2004)。
3.1.2 多功能移栽机具
移栽前后的施肥浇水等作业是影响秧苗存活率的关键措施。在移栽机械上加入侧深施肥装备，可减少1/3的施肥量，同时可以避免施肥过多而引起的土壤板结和下流水体富营养化等问题；在移栽机械上加上穴注水装置，可提高秧苗的成活率，节约用水量。
3.1.3 移栽机器手
半自动、全自动移栽机械的研制已经成为了各国的研究重点，但全自动移栽装备无法精确完成分秧、秧苗识别等复杂动作，因此国外已开始对移栽机器手进行研究，将机电一体化技术、机器人技术等应用于移栽机械上，能够一次性完成分秧、输送、栽植等复杂动作(蒋卓华，2017；杨启志等，2018)。3.2 国内移栽机械研究现状及趋势
3.2.1 研发符合我国农艺要求的移栽机械
国外对移栽机械的技术及原理的研究已经很成熟，国内在借鉴其经验和成果的同时将适合我国农艺要求作为移栽机械的研究重点。如研发变行距移栽机(蔡金平 等，2020)，改变秧苗的抓取形式，改变抓秧与秧门的相对位置等。
3.2.2研发高速自走底盘
在未来，高速取苗是移栽机的关键指标之一(王超 等，2021)，而高速取苗需要配套高速行走，只有实现高速，才能大幅度提高作业效率，满足未来大型农场种植要求。速度高、噪音小、负载能力和越野能力强、驾驶方便轻松的高速自走式底盘是移栽机未来的研发目标。
3.2.3研发移栽机器人
随着工业机器人的技术发展和广泛应用，智能机器人也将进入农业领域，移栽机器人已经成为农业生产的热门课题之一。南京农业大学利用MATLAB软件对移栽机械臂进行了运动学分析，求出了移栽机械臂的运动学方程，并得到其运动的正解和逆解，为移栽机器人的研制奠定了基础(李建刚，2009；胡飞等，2012)。齐源职业技术学院为提高移栽机苗夹的设计进度和强度，利用ANSYS软件对移裁机械臂进行有限元分析和虚拟仿真分析，为机械臂的设计提供了理论依据(王国栋和靳峰峰，2016)。国立中兴大学研发的穴盘苗移栽机器人，对机器人的动作进行了规划，为移栽机器人后续设计奠定了基础(付强和胡军，2019)。浙江大学和沈阳农业大学对温室移栽机器人的视觉系统、输送系统、控制系统和抓取系统进行深入研究，设计了基于PLC的机械手运动控制系统(任烨，2007；张诗等，2007)。
四、田间管理技术与装备
田间管理环节包括灌溉和植保等作业，可为蔬菜提供良好的生长环境，对蔬菜的生长起到促进和控制作用。
4.1 国内外灌溉机械研究现状及趋势
目前国外灌溉机械研究发展趋势：一是节能型，如美国改进低压孔出流装置，获得一种低能耗精准灌溉法，有效节省了能源和水资源。二是提高喷水性能。如日本采用特殊聚乙烯材料制作的新型多孔管，利用激光技术进行精准打孔，喷水孔径均匀，喷水性能适宜且稳定。
我国目前喷灌装备以小型喷灌机和手持式管道喷灌机居多，产品品类齐全，但一些产品的性能不稳定，无法长时间使用。而大型喷灌机械和自动化喷灌机械研究较少，多数为国外引进后改用，无法与我国作物种植标准相适应。因此我国灌溉机械的发展趋势：一是加强对灌溉结构的设计与优化，提高灌溉设备的稳定性；二是实现灌溉设备的多功能化、系列化与多元化，以满足不同的灌溉需求；三是加强国有灌溉设备的研发，使其能够适应我国作物农艺标准作业；四是发展节能灌溉技术，将自动化与信息化技术嫁接在灌溉设备上。
4.2 国内外植保机械研究现状及趋势
国外植保喷药机械以减少施药量，提高施药质量和减少农药对作物、环境的影响为研究重点，如喷杆平衡系统、静电喷雾技术、农药回收技术、不同气流下的喷雾效果、无人机喷药技术等。国外在物理植保方面，已经研究出成熟的除草机具及物理捕虫灯等。常规除草机具虽能完成除草作业，但效果不稳定，对栽培不规则和种植密度大的作物力不从心，因此国外将除草机器人作为研究重点，利用机器人技术的视觉系统、触觉系统和自动判断系统等对田间的杂草进行识别后拔除。
我国在植保喷药机具上的研究较发达国家落后40~50年，目前我国喷药机具多为背负式和手扶式，存在型号单一、作业效率低、喷头研制相对落后、农药利用率低、加工精度低、对操作者损害大等问题(李蜀予和张清林，2019)，因此我国植保喷药机具研究趋势：一是研制不同类型的喷药机具，以满足不同作物、不同时期的作业需求，保证病虫害的适时防治和应急防治。二是加大力度研制自走式喷药机具，大幅度提高作业效率，且避免危害操作者的健康安全。三是研制精密喷药喷头，避免农药的浪费，减少对环境的污染。四是发展无人机喷药技术。无人机作业效率高，生产成本低，可忽略地形的影响而完成喷药作业(张悦等，2020)。
机械除草也是我国植保研究的重点，生产上应用的手扶式除草机和旋耕除草机多为半机械化作业装备，作业所需劳动强度大、生产效率和自动化程度低，不能满足目前蔬菜生产需求。因此在除草机械设备研发方面，除草机器人是研究重点。西南大学工程技术学院提出一种基于机器视觉的果园喷药除草机器人视觉系统，解决了喷药除草机器人在图像高运动噪音干扰及光照条件变化干扰的果园环境下的杂草识别问题，并提高了果园喷药除草机器人视觉系统的图像分割可靠性及识别精度(吕沐华和丁珠玉，2021)。黑龙江八一农垦大学根据除草机器人的工作原理，以西门子PLC为控制核心，研发了一种高效节能、安全可靠的除草机器人，经过可行性验证，除草效果良好，工作效率较高(田生容等，2020)。
五、收获技术与装备
在蔬菜生产过程中，收获环节的劳动量占总劳动量的40%左右，目前我国蔬菜收获基本依靠人工作业，因此也导致蔬菜生产所需劳动量大、生产成本高。蔬菜属于劳动密集型产业，实现机械化收获将在很大程度上减少生产成本，提高生产效率。蔬菜根据收获方式和机械化程度的不同可分为叶类蔬菜(鸡毛菜、菠菜等)、结球类蔬菜(甘蓝、大白菜等)、根茎类蔬菜(胡萝卜、甘薯等)和果类蔬菜(黄瓜、番茄等)等。
5.1 国外蔬菜收获机械研究现状
国外对蔬菜收获机械的研究时间较长，很多蔬菜种类已经有了成熟的收获机型，如对于叶类蔬菜，有意大利 HORTECH 公司研发的RAPIDSL型自走式生菜收获机，韩国播蓝特蔬菜公司设计研发的MT-200叶菜小型收割收获机等；对于结球类蔬菜，有美国研发的甘蓝联合收获机，日本研发的自走式单行甘蓝收获机等；对于根茎类蔬菜，有美国Horia研制的牵引式胡萝卜收获机，丹麦ASAUIFT生产的COMBIMINI胡萝卜联合收获机等(杨薇等，2014):对于果类蔬菜，有美国研发的CM全自动自走式番茄收获机等。但国外的蔬菜收获机械多为大型联合作业机械，并不适合在我国进行拍广，同时其价格昂贵，导致生产成本增大。
5.2 国内蔬菜收获机械研究现状及趋势
虽然我国蔬菜收获关键技术及机械研究起步较晚，但近年来蔬菜高效生产和收获作业装备越来越受到关注。
5.2.1 叶类蔬菜收获机械由小型半自动式向自走式方向发展
叶类蔬菜因长势整齐、有规律，较易研制收获机具，但目前叶类蔬菜的收获机具均为小型手扶式，作业劳动量依然较大，因此需要研制自走式收获机。目前我国已有农机研究团队研制出了部分叶类蔬菜的收获机械。例如，农业农村部南京农业机械化研究所设计的鸡毛菜有序收获机，能够对菠菜、小白菜等细叶类蔬菜进行有序收获，具备作业效率高、损伤率低等优点，能一定程度上降低劳动者的工作强度，为后续研究自走式有序收获机奠定了基础(刘东，2019)；研发的芦蒿收获机结构小巧简单，适应性强，作业效率相当于人工的10倍左右，适用于我国芦蒿种植现状(刘东等，2019)。
5.2.2 结球类蔬菜收获机械由理论试验阶段向商业化方向发展
我国对结球类蔬菜收获机具的研究较少，目前大多处于理论和试验阶段。浙江大学研发的履带自走式甘蓝收获机基本能满足甘蓝的机械化收获要求，但试验过程中仍存在作业效率较低且损失率较高的问题，未能达到人工采收标准(杜冬冬，2017)。农业农村部南京农业机械化研究所果蔬茶团队研发的4GCB-2型自走式甘蓝收获机，也基本具备收获甘蓝的能力，但对甘蓝的外形尺寸要求较高，无法适用于长势不规则、偏倒的甘蓝。
5.2.3 根茎类蔬菜收获机械向智能化方向发展
关于根茎类蔬菜的机械化收获研究较多，技术相对较成熟，部分机型能够商业化，一定程度上满足了市场需求。青岛农业大学设计的自走式胡萝卜联合收获机，在田间试验中收净率为98.2%，损伤率为2.5%,生产效率为0.11hm2·h(王家胜和尚书旗，2012)。中国农业大学针对马铃薯收获机收获效果不佳、损伤率高等问题，设计了一种低位铺放双重缓冲马铃薯收获机，该机械采用振动输送分离、双重缓冲减速和低位铺放减损等工艺，将马铃薯、土壤、杂质有效分离，实现了高效率、低损伤的收获目标(魏忠彩等，2019)。目前国内根茎类蔬菜收获机械正向着智能化方向发展，如山东省农业机械科学院针对根茎类蔬菜收获机自动化程度低、对行能力差、损伤率高等问题，以4UGS2型双行甘薯收获机为研究对象，开发了自动对行系统，提高了甘薯收获机的准确率和自动化水平，降低了甘薯损伤率和漏挖率，为蔬菜收获机的自动对行设计提供了参考(李涛等，2019)。
5.2.4 果类蔬菜机械化收获向机械手方向发展 果类蔬菜因生长状况复杂，使得机械化收获极其困难，尤其是攀缘类瓜果豆蔬菜，如豇豆、菜豆、丝瓜等，几乎无法使用机械收获。因此果类蔬菜机械化收获研究主要着重在机械手采摘方向，如中国农业大学设计的温室智能黄瓜收获机，可利用传感器识别黄瓜的成熟度，再利用控制器控制刀具将黄瓜的瓜柄切断，实现机械化收获，为果类蔬菜的机械化收获提供了参考(杨振宇等，2014)。
六、采后加工技术与装备
6.1 国内外蔬菜清洗设备研究现状
清洗是蔬菜采后加工的关键步骤之一，直接影响蔬菜产品质量。蔬菜的清洗主要是为了清除蔬菜表面的泥沙、虫卵等杂质，以及蔬菜表面的化学残留，为后续的直接食用或加工提供优质、干净的菜源。
国外对蔬菜清洗设备的研究时间较长，已经形成了完善的蔬菜加工体系，在材料、工艺和结构上都具有创新技术。国外的蔬菜清洗机设备研究一是以专用的清洗装备为主，一套设备只对一种特定的蔬菜进行作业，如专门针对生菜的框式生菜清洗离心脱水生产线，其清洗效果好、针对性强且对生菜没有任何损害；二是以生产线为主，具有自动化程度高、工艺完善、作业效率高等优点，如Pulsta系列蔬菜清洗生产线，使用水射、喷洒和气浴等方式，对蔬菜进行全方位的清洗，作业过程全程自动化，能够有效降低劳动量，同时避免人工操作的污染(李佳伟等，2017)。
而我国的清洗装备以通用设备为主，一套设备能完成多种蔬菜的清洗作业，适用面广，减少了机具的购买成本，但专用性不强，导致对蔬菜的清洗效果不够理想，容易在清洗过程中对蔬菜造成损伤(马雪飞等，2018)。如北京恒日工程机械有限公司生产的高压气泡清洗机，通过采用高压气泡、高压水流、喷淋等方式，能够对叶、茎、根类蔬菜和颗粒状水果等进行清洗作业。同时我国蔬菜清洗装置以单一、小型装备为主，自动化程度相对较低，有的叶菜清洗机在使用过程中还需要人工使用毛刷对叶菜根部进行清洗，作业效率低，生产成本高。
6.2 国内蔬菜分级设备研究现状及趋势
我国蔬菜分级技术相对落后，分级方法比较单一，分级依据多集中在颜色、形状和质量上，如番茄、马铃薯等，而且很多蔬菜没有科学的分级标准和方法，还处于人工检测分级阶段(初侨等：2015)。此外，我国蔬菜信息采集技术还比较落后，蔬菜分级指标无法准确识别，不同地区种植的蔬菜成熟状态并不一致，蔬菜品质等级难以划分，导致蔬菜机械化分级尤其困难。因此，我国需深入研究不同蔬菜的分级标准和方法，为蔬菜机械分级提供理论依据；同时需要对信息采集进行深入研究，加强蔬菜信息高精确采集的能力。
七、发展趋势7
目前我国的农业机械还处于初级研究阶段，国外蔬菜生产机械化已经很成熟，但相关机械体型较大，国内难以直接引进并使用，而国内的相关机械比较单一、零散，没有配套的机械装备生产链。蔬菜全程机械化生产仍有待深入研究发展。
7.1 加强基础理论的研究
探索不同学科理论对机械设计的影响，得到最适合作业机具的理论基础，如利用运动学、动力学、能量守恒等方法计算理论参数，利用ANSYS、Solidworks等软件对机具的设计进行仿真模拟分析；总结其他领域经验应用于农业机械装备设计理念，如仿生学领域的抗阻穿山甲理论在耕整地机械设计上的应用，航空领域的无人机在农业植保方面的应用，计算机领域在智慧农业上的应用等。
7.2 农机与农艺融合发展
首先根据现有的农艺标准和农机现状，设计一套适合大部分地区种植的农艺标准，将农机和农艺充分结合，加速农业机械化的发展。如针对甘蓝的生产，可将南方地区的甘蓝种植农艺标准统一，再针对此农艺标准进行全程机械装备的研究开发，实现规模化全程机械化生产。
7.3优化农机结构，降低生产成本
在农机设计过程中，应当考虑购买者的承受能力，在保证机械作业效果的前提下，尽量简化机械结构，降低生产成本。如在保证动力的情况下，尽量选择小型发动机，利用仿真软件优化其结构性能；在保证性能合格的情况下，选择价格低、质量小的材料；探索不同的传动方式，选择生产成本低、结构简单、使用方便的传动方式等。
7.4 发展大型农场，研发配套的大型智能农业机具
政府鼓励承包农村荒废土地，建立大型农场，依靠科学技术和农业机械技术将传统农业生产模式转变为现代化农业生产模式，研发智能农业机具，提高农业生产效率，降低农业生产成本，使农业产出实现最大化。
7.5 发展都市农业，构建生态城市
发展都市农业既可充分利用城市土地，增大种植面积，又可构建生态城市，满足城市居民的绿色需求。发展都市化农业要求研发推广智能化农业机械、生产，如建设无人生菜水培工厂、垂直农业工厂等。在都市农业的机械化设计过程中，可以更多地应用智能设备，将农业生产转变为工业生产模式，实现全自动生产模式。
文章来源：中国农业科学院都市农业研究所
近些年，我国蔬菜种植面积逐年上升，2018年达2043.9万hm2，位居世界第一。但我国蔬菜生产全程机械化程度低，装备体系不健全，所需劳动量大，其中收获和采后加工环节的用工量占到了蔬菜生产总用工量的60%以上(姚森等，2019),导致蔬菜生产效率低，成本高，可持续生产受到限制。
传统的蔬菜机械化生产是指在生产过程中某个环节使用机械作业，而机械化缺失环节依然作业效率低、用工量大，并且直接影响下一个环节的机械化作业效果，并不能降低生产成本，因此实现蔬菜全程机械化生产是提高生产效率、降低生产成本的必由之路。
国外在蔬菜全程机械化生产装备方面研究时间较长，技术已趋于稳定成熟，但都是大型农业机械装备，不适用于我国蔬菜生产模式，难以直接引进使用。我国蔬菜生产机械装备研究起步较晚，机械化未能覆盖所有生产环节，耕整地、播种施肥、移栽和田间管理等环节已有成熟机型可供推广应用，但收获环节的机械目前还处于理论试验阶段，生产上推广应用很少。本文总结了国内外耕整地、播种施肥、移栽、田间管理、收获和采后加工环节的蔬菜生产机械研究现状及发展趋势，并由此提出我国蔬菜全程机械化生产目前面临的问题和未来发展方向。
一、耕整地技术与装备
耕整地机械装备主要用于耕地起垄、松土开沟、杂草掩埋、施肥播种等作业，既有单项作业机具，如开沟机、起垄机、施肥机等，也有复合型作业机具。复合型作业机具能一次完成多项作业，具有作业效率高、生产成本低等优点。
1.1 国外耕整地机械装备特点
一是耕整地环节的机械装备已经向多类型、系列化方向发展，如日本松山株式会社的耕整机械包括了50多个系列200多个类型，其耕深、幅宽和配套动力均可由农户自由选择，小桥工会株式会社仅驱动耙产品则有30多个系列100多个类型：是向着大型、幅宽、高效、联合方向发展，尤其是联合作业机具可有效提高作业效率，如美国的带圈齿耙2310型耕耘机作业宽度可达5.72~13.95m(陈玉华等，2018)；三是将微电脑技术、电子技术、通讯技术和自动控制技术等高新技术应用在耕整地机械上，实现了机械装备智能化和自动化。
1.2 国内耕整地机械装备特点
1.2.1 大中小型机具共存，小型机具占主导
目前我国大中型机具主要在新疆、内蒙古、东北等地域辽阔的地区推广使用，东北地区推广应用的530大型液压翻转型，配备100kW的拖拉机使用，工作幅宽1.5m，作业效率可达50hm2.h-1，能够满足大型农场生产需求。而在我国的山区、丘陵等区域，小型耕整地机具如微耕机、小型耕地机，以及与手扶拖拉机和小功率拖拉机配套的小型耕整机具仍被广泛应用。小型耕整地机械装备具有生产成本低、能耗低、作业质量好、可靠性高等优点，但同时也存在智能化和自动化程度低、生产效率低、所需劳动量大等不足。
1.2.2联合作业机械发展迅速
单一的耕整地机存在作业效率低、农机使用复杂等缺点，因此需要研发联合作业机械。目前我国的联合作业机械具有除茬、旋耕、深耕、起垄、施肥、镇压、播种等作业功能，根据不同作物生产需求可选择任意几种功能集成的联合作业机械装备。由农业农村部南京农业机械化研究所研发的蔬菜整地播种复式作业机，可一次性完成深松耕、起垄、播种、施肥、覆土镇压等作业。该机具采用多种形式刀片复合耕作的方式，碎土性和耕深一致性好；利用模块化播种装置在作业时可根据需要调节播种行数和行距，解决了目前播种深度一致性、播量均匀性的问题(肖宏儒等，2019)。由农业农村部南京农业机械化研究所果蔬茶收获创新团队研制出的西芹种植一体机，能够一次性完成起垄、压实、覆膜、打孔、播种、盖沙等作业，作业效率高、种植效果佳(梅松等，2018)。
1.2.3 智能化、自动化耕整地机械装备逐步发展
随着现代农业的高速发展，设施农业、工厂农业、都市农业陆续出现，传统的农业机具已不能满足现有的生产需求，相关农业机械也逐渐向智能化、自动化、精细化方向发展。如于志成(2017)在传统的耕整地机械上研发了水平自动调节技术，当水田复式整地机在不平的地面工作时，其工作部件会自动进行水平调节，有效避免了旋耕部件随着拖拉机的运作左摇右晃而影响作业效果。
二、播种技术与装备
播种育苗是决定蔬菜产量的重要环节之一，传统人工播种存在劳动强度大、效率低、浪费多的问题，因此机械化播种是蔬菜高效生产的必由之路。
2.1 国外播种机械研究现状及发展趋势
2.1.1 大型播种机械复合一体化作业
国外的播种机械以大型联合作业机具为主，同时向复合一体化作业方向发展。如德国哈西亚公司的大型气吸式播种机，能一次性完成开沟、施肥、播种、镇压、覆土、喷药等作业：德国的AMAZONE公司研发的ED系列精量播种机，最大工作幅宽可达12m，工作效率极高(梁宝忠等，2009)。
2.1.2 气力播种机械气道稳定结构优化
为了进步提高播种稳定性和落种效率，国外以气力播种作为研究重点。利用风扇气流实现快速播种，解决了种子不能及时定点入土的难题。为了解决气力播种机械结构难题，国外学者研发了气道稳定和结构优化等关键技术，如法国MONOSEM研发的NGPlus气吸式播种机，采用了多种先进的气道结构、加工工艺和新材料，具有播种精度高和使用寿命长等优点(胡童等，2018)。
2.1.3 精量播种机械智能化
为了提高播种机械的播种精密度，国外将智能控制技术应用于播种机械上，利用电子技术、计算机技术和传感器技术等核心技术，解决了精量播种的难题。智能控制技术能够实时监测排种器的作业情况，精量控制播种并记录播种数量。如由4G智能显控终端、采集单元、图像采集单元等9个单元构成的智能播种云监控系统，采用模块化设计，结合农机管家云平台，可应用于作业监管、播种检测、播种监控等不同场景(李道亮和杨昊，2018；杜岳峰等，2019；张漫等，2020)。
2.2 国内播种机械化研究现状及趋势
2.2.1 小型播种机械向复合一体化方向发展
小型机具生产成本低、能耗小，相对于人工作业效率高，被我国农户广为接受。但单一的播种机械也存在作业效率偏低、购机成本较高等缺点，而复合一体化的播种机械在进行播种的同时，还能进行苗床整备和施肥等，具有作业效率高、购置成本低等优点，因此我国需要重点研制复合一体化的小型播种机械。
2.2.2 播种机械向高强度、高精度和通用性强方向发展
我国现有材料和工艺导致播种机械存在着可靠性低的问题，尤其是在仿形限深机构方面，工艺精度低、材料刚度差，工作可靠性得不到保证，因此提高工艺精度、加强材料刚度是提升播种机作业可靠性的重要措施。国内播种机械产品齐全、机型种类繁多，排种器结构及样式也多种多样，导致种机械的通用性差，若每个生产企业都有特定的标准，则零部件不易跨企业置换。目前我国己建立《播种机行业标准》和《播种机质量评价技术规范》等相关标准，对播种机械的生产进行了标准规范，以提高播种机具的通用性。
2.2.3 播种机具向智能化方向发展
目前我国播种机具多数处于半自动化阶段，需要人机协作才能完成播种作业，针对该问题，我国开始研制智能化播种机具(孟鹏祥，2016；李道亮和杨昊，2018)。如吉林农业大学设计了播种深度自动控制系统，该系统用Flex弯曲传感器来检测播种单体的对地压力，以两块单片机分别作为信号采集器和播深控制器，用nRF2401无线通信模块实现信号采集器和播深控制器的传输，从而精确控制播种深度(朱龙图，2017)。
三、移栽技术与装备
利用移栽装备可减少移栽劳动量，保证秧苗的整齐度，也便于收获装备的应用。全自动栽植是蔬菜移栽机械的发展方向(吴传云等，2021)。
3.1 国外移栽机械研究现状及趋势
3.1.1移栽装备杆机构
移栽装备的插秧部件根据机构类型可分为3种：滑道机构、杆机构和回旋机构(于晓旭等，2014)。滑道机构是国际上最早的插秧部件结构，其结构复杂、成本高、效率低，目前的移栽机械很少使用此机构。而杆机构是利用曲柄摇杆结构将秧苗插入土中，其结构简单、成本低、效率高，现多数移栽机均使用此结构。但杆机构也存在工作振幅大、工作速度低等问题，因此国外开始将工作振幅小、生产程度低、可高速作业的回旋机构作为研究重点。如日本发明的前插回转式行星轮系分插机构，其工作部件的振幅是曲柄摇杆机构的1/4，工作效率提高了一倍(包春江和李宝，2004)。
3.1.2 多功能移栽机具
移栽前后的施肥浇水等作业是影响秧苗存活率的关键措施。在移栽机械上加入侧深施肥装备，可减少1/3的施肥量，同时可以避免施肥过多而引起的土壤板结和下流水体富营养化等问题；在移栽机械上加上穴注水装置，可提高秧苗的成活率，节约用水量。
3.1.3 移栽机器手
半自动、全自动移栽机械的研制已经成为了各国的研究重点，但全自动移栽装备无法精确完成分秧、秧苗识别等复杂动作，因此国外已开始对移栽机器手进行研究，将机电一体化技术、机器人技术等应用于移栽机械上，能够一次性完成分秧、输送、栽植等复杂动作(蒋卓华，2017；杨启志等，2018)。3.2 国内移栽机械研究现状及趋势
3.2.1 研发符合我国农艺要求的移栽机械
国外对移栽机械的技术及原理的研究已经很成熟，国内在借鉴其经验和成果的同时将适合我国农艺要求作为移栽机械的研究重点。如研发变行距移栽机(蔡金平 等，2020)，改变秧苗的抓取形式，改变抓秧与秧门的相对位置等。
3.2.2研发高速自走底盘
在未来，高速取苗是移栽机的关键指标之一(王超 等，2021)，而高速取苗需要配套高速行走，只有实现高速，才能大幅度提高作业效率，满足未来大型农场种植要求。速度高、噪音小、负载能力和越野能力强、驾驶方便轻松的高速自走式底盘是移栽机未来的研发目标。
3.2.3研发移栽机器人
随着工业机器人的技术发展和广泛应用，智能机器人也将进入农业领域，移栽机器人已经成为农业生产的热门课题之一。南京农业大学利用MATLAB软件对移栽机械臂进行了运动学分析，求出了移栽机械臂的运动学方程，并得到其运动的正解和逆解，为移栽机器人的研制奠定了基础(李建刚，2009；胡飞等，2012)。齐源职业技术学院为提高移栽机苗夹的设计进度和强度，利用ANSYS软件对移裁机械臂进行有限元分析和虚拟仿真分析，为机械臂的设计提供了理论依据(王国栋和靳峰峰，2016)。国立中兴大学研发的穴盘苗移栽机器人，对机器人的动作进行了规划，为移栽机器人后续设计奠定了基础(付强和胡军，2019)。浙江大学和沈阳农业大学对温室移栽机器人的视觉系统、输送系统、控制系统和抓取系统进行深入研究，设计了基于PLC的机械手运动控制系统(任烨，2007；张诗等，2007)。
四、田间管理技术与装备
田间管理环节包括灌溉和植保等作业，可为蔬菜提供良好的生长环境，对蔬菜的生长起到促进和控制作用。
4.1 国内外灌溉机械研究现状及趋势
目前国外灌溉机械研究发展趋势：一是节能型，如美国改进低压孔出流装置，获得一种低能耗精准灌溉法，有效节省了能源和水资源。二是提高喷水性能。如日本采用特殊聚乙烯材料制作的新型多孔管，利用激光技术进行精准打孔，喷水孔径均匀，喷水性能适宜且稳定。
我国目前喷灌装备以小型喷灌机和手持式管道喷灌机居多，产品品类齐全，但一些产品的性能不稳定，无法长时间使用。而大型喷灌机械和自动化喷灌机械研究较少，多数为国外引进后改用，无法与我国作物种植标准相适应。因此我国灌溉机械的发展趋势：一是加强对灌溉结构的设计与优化，提高灌溉设备的稳定性；二是实现灌溉设备的多功能化、系列化与多元化，以满足不同的灌溉需求；三是加强国有灌溉设备的研发，使其能够适应我国作物农艺标准作业；四是发展节能灌溉技术，将自动化与信息化技术嫁接在灌溉设备上。
4.2 国内外植保机械研究现状及趋势
国外植保喷药机械以减少施药量，提高施药质量和减少农药对作物、环境的影响为研究重点，如喷杆平衡系统、静电喷雾技术、农药回收技术、不同气流下的喷雾效果、无人机喷药技术等。国外在物理植保方面，已经研究出成熟的除草机具及物理捕虫灯等。常规除草机具虽能完成除草作业，但效果不稳定，对栽培不规则和种植密度大的作物力不从心，因此国外将除草机器人作为研究重点，利用机器人技术的视觉系统、触觉系统和自动判断系统等对田间的杂草进行识别后拔除。
我国在植保喷药机具上的研究较发达国家落后40~50年，目前我国喷药机具多为背负式和手扶式，存在型号单一、作业效率低、喷头研制相对落后、农药利用率低、加工精度低、对操作者损害大等问题(李蜀予和张清林，2019)，因此我国植保喷药机具研究趋势：一是研制不同类型的喷药机具，以满足不同作物、不同时期的作业需求，保证病虫害的适时防治和应急防治。二是加大力度研制自走式喷药机具，大幅度提高作业效率，且避免危害操作者的健康安全。三是研制精密喷药喷头，避免农药的浪费，减少对环境的污染。四是发展无人机喷药技术。无人机作业效率高，生产成本低，可忽略地形的影响而完成喷药作业(张悦等，2020)。
机械除草也是我国植保研究的重点，生产上应用的手扶式除草机和旋耕除草机多为半机械化作业装备，作业所需劳动强度大、生产效率和自动化程度低，不能满足目前蔬菜生产需求。因此在除草机械设备研发方面，除草机器人是研究重点。西南大学工程技术学院提出一种基于机器视觉的果园喷药除草机器人视觉系统，解决了喷药除草机器人在图像高运动噪音干扰及光照条件变化干扰的果园环境下的杂草识别问题，并提高了果园喷药除草机器人视觉系统的图像分割可靠性及识别精度(吕沐华和丁珠玉，2021)。黑龙江八一农垦大学根据除草机器人的工作原理，以西门子PLC为控制核心，研发了一种高效节能、安全可靠的除草机器人，经过可行性验证，除草效果良好，工作效率较高(田生容等，2020)。
五、收获技术与装备
在蔬菜生产过程中，收获环节的劳动量占总劳动量的40%左右，目前我国蔬菜收获基本依靠人工作业，因此也导致蔬菜生产所需劳动量大、生产成本高。蔬菜属于劳动密集型产业，实现机械化收获将在很大程度上减少生产成本，提高生产效率。蔬菜根据收获方式和机械化程度的不同可分为叶类蔬菜(鸡毛菜、菠菜等)、结球类蔬菜(甘蓝、大白菜等)、根茎类蔬菜(胡萝卜、甘薯等)和果类蔬菜(黄瓜、番茄等)等。
5.1 国外蔬菜收获机械研究现状
国外对蔬菜收获机械的研究时间较长，很多蔬菜种类已经有了成熟的收获机型，如对于叶类蔬菜，有意大利 HORTECH 公司研发的RAPIDSL型自走式生菜收获机，韩国播蓝特蔬菜公司设计研发的MT-200叶菜小型收割收获机等；对于结球类蔬菜，有美国研发的甘蓝联合收获机，日本研发的自走式单行甘蓝收获机等；对于根茎类蔬菜，有美国Horia研制的牵引式胡萝卜收获机，丹麦ASAUIFT生产的COMBIMINI胡萝卜联合收获机等(杨薇等，2014):对于果类蔬菜，有美国研发的CM全自动自走式番茄收获机等。但国外的蔬菜收获机械多为大型联合作业机械，并不适合在我国进行拍广，同时其价格昂贵，导致生产成本增大。
5.2 国内蔬菜收获机械研究现状及趋势
虽然我国蔬菜收获关键技术及机械研究起步较晚，但近年来蔬菜高效生产和收获作业装备越来越受到关注。
5.2.1 叶类蔬菜收获机械由小型半自动式向自走式方向发展
叶类蔬菜因长势整齐、有规律，较易研制收获机具，但目前叶类蔬菜的收获机具均为小型手扶式，作业劳动量依然较大，因此需要研制自走式收获机。目前我国已有农机研究团队研制出了部分叶类蔬菜的收获机械。例如，农业农村部南京农业机械化研究所设计的鸡毛菜有序收获机，能够对菠菜、小白菜等细叶类蔬菜进行有序收获，具备作业效率高、损伤率低等优点，能一定程度上降低劳动者的工作强度，为后续研究自走式有序收获机奠定了基础(刘东，2019)；研发的芦蒿收获机结构小巧简单，适应性强，作业效率相当于人工的10倍左右，适用于我国芦蒿种植现状(刘东等，2019)。
5.2.2 结球类蔬菜收获机械由理论试验阶段向商业化方向发展
我国对结球类蔬菜收获机具的研究较少，目前大多处于理论和试验阶段。浙江大学研发的履带自走式甘蓝收获机基本能满足甘蓝的机械化收获要求，但试验过程中仍存在作业效率较低且损失率较高的问题，未能达到人工采收标准(杜冬冬，2017)。农业农村部南京农业机械化研究所果蔬茶团队研发的4GCB-2型自走式甘蓝收获机，也基本具备收获甘蓝的能力，但对甘蓝的外形尺寸要求较高，无法适用于长势不规则、偏倒的甘蓝。
5.2.3 根茎类蔬菜收获机械向智能化方向发展
关于根茎类蔬菜的机械化收获研究较多，技术相对较成熟，部分机型能够商业化，一定程度上满足了市场需求。青岛农业大学设计的自走式胡萝卜联合收获机，在田间试验中收净率为98.2%，损伤率为2.5%,生产效率为0.11hm2·h(王家胜和尚书旗，2012)。中国农业大学针对马铃薯收获机收获效果不佳、损伤率高等问题，设计了一种低位铺放双重缓冲马铃薯收获机，该机械采用振动输送分离、双重缓冲减速和低位铺放减损等工艺，将马铃薯、土壤、杂质有效分离，实现了高效率、低损伤的收获目标(魏忠彩等，2019)。目前国内根茎类蔬菜收获机械正向着智能化方向发展，如山东省农业机械科学院针对根茎类蔬菜收获机自动化程度低、对行能力差、损伤率高等问题，以4UGS2型双行甘薯收获机为研究对象，开发了自动对行系统，提高了甘薯收获机的准确率和自动化水平，降低了甘薯损伤率和漏挖率，为蔬菜收获机的自动对行设计提供了参考(李涛等，2019)。
5.2.4 果类蔬菜机械化收获向机械手方向发展 果类蔬菜因生长状况复杂，使得机械化收获极其困难，尤其是攀缘类瓜果豆蔬菜，如豇豆、菜豆、丝瓜等，几乎无法使用机械收获。因此果类蔬菜机械化收获研究主要着重在机械手采摘方向，如中国农业大学设计的温室智能黄瓜收获机，可利用传感器识别黄瓜的成熟度，再利用控制器控制刀具将黄瓜的瓜柄切断，实现机械化收获，为果类蔬菜的机械化收获提供了参考(杨振宇等，2014)。
六、采后加工技术与装备
6.1 国内外蔬菜清洗设备研究现状
清洗是蔬菜采后加工的关键步骤之一，直接影响蔬菜产品质量。蔬菜的清洗主要是为了清除蔬菜表面的泥沙、虫卵等杂质，以及蔬菜表面的化学残留，为后续的直接食用或加工提供优质、干净的菜源。
国外对蔬菜清洗设备的研究时间较长，已经形成了完善的蔬菜加工体系，在材料、工艺和结构上都具有创新技术。国外的蔬菜清洗机设备研究一是以专用的清洗装备为主，一套设备只对一种特定的蔬菜进行作业，如专门针对生菜的框式生菜清洗离心脱水生产线，其清洗效果好、针对性强且对生菜没有任何损害；二是以生产线为主，具有自动化程度高、工艺完善、作业效率高等优点，如Pulsta系列蔬菜清洗生产线，使用水射、喷洒和气浴等方式，对蔬菜进行全方位的清洗，作业过程全程自动化，能够有效降低劳动量，同时避免人工操作的污染(李佳伟等，2017)。
而我国的清洗装备以通用设备为主，一套设备能完成多种蔬菜的清洗作业，适用面广，减少了机具的购买成本，但专用性不强，导致对蔬菜的清洗效果不够理想，容易在清洗过程中对蔬菜造成损伤(马雪飞等，2018)。如北京恒日工程机械有限公司生产的高压气泡清洗机，通过采用高压气泡、高压水流、喷淋等方式，能够对叶、茎、根类蔬菜和颗粒状水果等进行清洗作业。同时我国蔬菜清洗装置以单一、小型装备为主，自动化程度相对较低，有的叶菜清洗机在使用过程中还需要人工使用毛刷对叶菜根部进行清洗，作业效率低，生产成本高。
6.2 国内蔬菜分级设备研究现状及趋势
我国蔬菜分级技术相对落后，分级方法比较单一，分级依据多集中在颜色、形状和质量上，如番茄、马铃薯等，而且很多蔬菜没有科学的分级标准和方法，还处于人工检测分级阶段(初侨等：2015)。此外，我国蔬菜信息采集技术还比较落后，蔬菜分级指标无法准确识别，不同地区种植的蔬菜成熟状态并不一致，蔬菜品质等级难以划分，导致蔬菜机械化分级尤其困难。因此，我国需深入研究不同蔬菜的分级标准和方法，为蔬菜机械分级提供理论依据；同时需要对信息采集进行深入研究，加强蔬菜信息高精确采集的能力。
七、发展趋势7
目前我国的农业机械还处于初级研究阶段，国外蔬菜生产机械化已经很成熟，但相关机械体型较大，国内难以直接引进并使用，而国内的相关机械比较单一、零散，没有配套的机械装备生产链。蔬菜全程机械化生产仍有待深入研究发展。
7.1 加强基础理论的研究
探索不同学科理论对机械设计的影响，得到最适合作业机具的理论基础，如利用运动学、动力学、能量守恒等方法计算理论参数，利用ANSYS、Solidworks等软件对机具的设计进行仿真模拟分析；总结其他领域经验应用于农业机械装备设计理念，如仿生学领域的抗阻穿山甲理论在耕整地机械设计上的应用，航空领域的无人机在农业植保方面的应用，计算机领域在智慧农业上的应用等。
7.2 农机与农艺融合发展
首先根据现有的农艺标准和农机现状，设计一套适合大部分地区种植的农艺标准，将农机和农艺充分结合，加速农业机械化的发展。如针对甘蓝的生产，可将南方地区的甘蓝种植农艺标准统一，再针对此农艺标准进行全程机械装备的研究开发，实现规模化全程机械化生产。
7.3优化农机结构，降低生产成本
在农机设计过程中，应当考虑购买者的承受能力，在保证机械作业效果的前提下，尽量简化机械结构，降低生产成本。如在保证动力的情况下，尽量选择小型发动机，利用仿真软件优化其结构性能；在保证性能合格的情况下，选择价格低、质量小的材料；探索不同的传动方式，选择生产成本低、结构简单、使用方便的传动方式等。
7.4 发展大型农场，研发配套的大型智能农业机具
政府鼓励承包农村荒废土地，建立大型农场，依靠科学技术和农业机械技术将传统农业生产模式转变为现代化农业生产模式，研发智能农业机具，提高农业生产效率，降低农业生产成本，使农业产出实现最大化。
7.5 发展都市农业，构建生态城市
发展都市农业既可充分利用城市土地，增大种植面积，又可构建生态城市，满足城市居民的绿色需求。发展都市化农业要求研发推广智能化农业机械、生产，如建设无人生菜水培工厂、垂直农业工厂等。在都市农业的机械化设计过程中，可以更多地应用智能设备，将农业生产转变为工业生产模式，实现全自动生产模式。
文章来源：中国农业科学院都市农业研究所