蔬菜全程機械化生產(chǎn)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
作者: 姚森 時間: 2024-03-28
發(fā)展全程機械化對蔬菜規(guī)?；?、標準化生產(chǎn)起著至關重要的作用。本文總結了國內外在蔬菜耕整地播種育苗、移栽、田間管理、收獲和采后分級環(huán)節(jié)的機械裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向，明確了我國蔬菜全程機械化未來發(fā)展趨勢：加強基礎理論的研究；農(nóng)機與農(nóng)藝結合發(fā)展：優(yōu)化農(nóng)機結構，降低生產(chǎn)成本；發(fā)展大型農(nóng)場，配套大型智能農(nóng)業(yè)機具；發(fā)展都市農(nóng)業(yè)，構建生態(tài)城市。
近些年，我國蔬菜種植面積逐年上升，2018年達2043.9萬hm2，位居世界第一。但我國蔬菜生產(chǎn)全程機械化程度低，裝備體系不健全，所需勞動量大，其中收獲和采后加工環(huán)節(jié)的用工量占到了蔬菜生產(chǎn)總用工量的60%以上(姚森等，2019),導致蔬菜生產(chǎn)效率低，成本高，可持續(xù)生產(chǎn)受到限制。
傳統(tǒng)的蔬菜機械化生產(chǎn)是指在生產(chǎn)過程中某個環(huán)節(jié)使用機械作業(yè)，而機械化缺失環(huán)節(jié)依然作業(yè)效率低、用工量大，并且直接影響下一個環(huán)節(jié)的機械化作業(yè)效果，并不能降低生產(chǎn)成本，因此實現(xiàn)蔬菜全程機械化生產(chǎn)是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的必由之路。
國外在蔬菜全程機械化生產(chǎn)裝備方面研究時間較長，技術已趨于穩(wěn)定成熟，但都是大型農(nóng)業(yè)機械裝備，不適用于我國蔬菜生產(chǎn)模式，難以直接引進使用。我國蔬菜生產(chǎn)機械裝備研究起步較晚，機械化未能覆蓋所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)，耕整地、播種施肥、移栽和田間管理等環(huán)節(jié)已有成熟機型可供推廣應用，但收獲環(huán)節(jié)的機械目前還處于理論試驗階段，生產(chǎn)上推廣應用很少。本文總結了國內外耕整地、播種施肥、移栽、田間管理、收獲和采后加工環(huán)節(jié)的蔬菜生產(chǎn)機械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并由此提出我國蔬菜全程機械化生產(chǎn)目前面臨的問題和未來發(fā)展方向。
一、耕整地技術與裝備
耕整地機械裝備主要用于耕地起壟、松土開溝、雜草掩埋、施肥播種等作業(yè)，既有單項作業(yè)機具，如開溝機、起壟機、施肥機等，也有復合型作業(yè)機具。復合型作業(yè)機具能一次完成多項作業(yè)，具有作業(yè)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。
1.1 國外耕整地機械裝備特點
一是耕整地環(huán)節(jié)的機械裝備已經(jīng)向多類型、系列化方向發(fā)展，如日本松山株式會社的耕整機械包括了50多個系列200多個類型，其耕深、幅寬和配套動力均可由農(nóng)戶自由選擇，小橋工會株式會社僅驅動耙產(chǎn)品則有30多個系列100多個類型：是向著大型、幅寬、高效、聯(lián)合方向發(fā)展，尤其是聯(lián)合作業(yè)機具可有效提高作業(yè)效率，如美國的帶圈齒耙2310型耕耘機作業(yè)寬度可達5.72~13.95m(陳玉華等，2018)；三是將微電腦技術、電子技術、通訊技術和自動控制技術等高新技術應用在耕整地機械上，實現(xiàn)了機械裝備智能化和自動化。
1.2 國內耕整地機械裝備特點
1.2.1 大中小型機具共存，小型機具占主導
目前我國大中型機具主要在新疆、內蒙古、東北等地域遼闊的地區(qū)推廣使用，東北地區(qū)推廣應用的530大型液壓翻轉型，配備100kW的拖拉機使用，工作幅寬1.5m，作業(yè)效率可達50hm2.h-1，能夠滿足大型農(nóng)場生產(chǎn)需求。而在我國的山區(qū)、丘陵等區(qū)域，小型耕整地機具如微耕機、小型耕地機，以及與手扶拖拉機和小功率拖拉機配套的小型耕整機具仍被廣泛應用。小型耕整地機械裝備具有生產(chǎn)成本低、能耗低、作業(yè)質量好、可靠性高等優(yōu)點，但同時也存在智能化和自動化程度低、生產(chǎn)效率低、所需勞動量大等不足。
1.2.2聯(lián)合作業(yè)機械發(fā)展迅速
單一的耕整地機存在作業(yè)效率低、農(nóng)機使用復雜等缺點，因此需要研發(fā)聯(lián)合作業(yè)機械。目前我國的聯(lián)合作業(yè)機械具有除茬、旋耕、深耕、起壟、施肥、鎮(zhèn)壓、播種等作業(yè)功能，根據(jù)不同作物生產(chǎn)需求可選擇任意幾種功能集成的聯(lián)合作業(yè)機械裝備。由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研發(fā)的蔬菜整地播種復式作業(yè)機，可一次性完成深松耕、起壟、播種、施肥、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)。該機具采用多種形式刀片復合耕作的方式，碎土性和耕深一致性好；利用模塊化播種裝置在作業(yè)時可根據(jù)需要調節(jié)播種行數(shù)和行距，解決了目前播種深度一致性、播量均勻性的問題(肖宏儒等，2019)。由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所果蔬茶收獲創(chuàng)新團隊研制出的西芹種植一體機，能夠一次性完成起壟、壓實、覆膜、打孔、播種、蓋沙等作業(yè)，作業(yè)效率高、種植效果佳(梅松等，2018)。
1.2.3 智能化、自動化耕整地機械裝備逐步發(fā)展
隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，設施農(nóng)業(yè)、工廠農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機具已不能滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)需求，相關農(nóng)業(yè)機械也逐漸向智能化、自動化、精細化方向發(fā)展。如于志成(2017)在傳統(tǒng)的耕整地機械上研發(fā)了水平自動調節(jié)技術，當水田復式整地機在不平的地面工作時，其工作部件會自動進行水平調節(jié)，有效避免了旋耕部件隨著拖拉機的運作左搖右晃而影響作業(yè)效果。
二、播種技術與裝備
播種育苗是決定蔬菜產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)之一，傳統(tǒng)人工播種存在勞動強度大、效率低、浪費多的問題，因此機械化播種是蔬菜高效生產(chǎn)的必由之路。
2.1 國外播種機械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
2.1.1 大型播種機械復合一體化作業(yè)
國外的播種機械以大型聯(lián)合作業(yè)機具為主，同時向復合一體化作業(yè)方向發(fā)展。如德國哈西亞公司的大型氣吸式播種機，能一次性完成開溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓、覆土、噴藥等作業(yè)：德國的AMAZONE公司研發(fā)的ED系列精量播種機，最大工作幅寬可達12m，工作效率極高(梁寶忠等，2009)。
2.1.2 氣力播種機械氣道穩(wěn)定結構優(yōu)化
為了進步提高播種穩(wěn)定性和落種效率，國外以氣力播種作為研究重點。利用風扇氣流實現(xiàn)快速播種，解決了種子不能及時定點入土的難題。為了解決氣力播種機械結構難題，國外學者研發(fā)了氣道穩(wěn)定和結構優(yōu)化等關鍵技術，如法國MONOSEM研發(fā)的NGPlus氣吸式播種機，采用了多種先進的氣道結構、加工工藝和新材料，具有播種精度高和使用壽命長等優(yōu)點(胡童等，2018)。
2.1.3 精量播種機械智能化
為了提高播種機械的播種精密度，國外將智能控制技術應用于播種機械上，利用電子技術、計算機技術和傳感器技術等核心技術，解決了精量播種的難題。智能控制技術能夠實時監(jiān)測排種器的作業(yè)情況，精量控制播種并記錄播種數(shù)量。如由4G智能顯控終端、采集單元、圖像采集單元等9個單元構成的智能播種云監(jiān)控系統(tǒng)，采用模塊化設計，結合農(nóng)機管家云平臺，可應用于作業(yè)監(jiān)管、播種檢測、播種監(jiān)控等不同場景(李道亮和楊昊，2018；杜岳峰等，2019；張漫等，2020)。
2.2 國內播種機械化研究現(xiàn)狀及趨勢
2.2.1 小型播種機械向復合一體化方向發(fā)展
小型機具生產(chǎn)成本低、能耗小，相對于人工作業(yè)效率高，被我國農(nóng)戶廣為接受。但單一的播種機械也存在作業(yè)效率偏低、購機成本較高等缺點，而復合一體化的播種機械在進行播種的同時，還能進行苗床整備和施肥等，具有作業(yè)效率高、購置成本低等優(yōu)點，因此我國需要重點研制復合一體化的小型播種機械。
2.2.2 播種機械向高強度、高精度和通用性強方向發(fā)展
我國現(xiàn)有材料和工藝導致播種機械存在著可靠性低的問題，尤其是在仿形限深機構方面，工藝精度低、材料剛度差，工作可靠性得不到保證，因此提高工藝精度、加強材料剛度是提升播種機作業(yè)可靠性的重要措施。國內播種機械產(chǎn)品齊全、機型種類繁多，排種器結構及樣式也多種多樣，導致種機械的通用性差，若每個生產(chǎn)企業(yè)都有特定的標準，則零部件不易跨企業(yè)置換。目前我國己建立《播種機行業(yè)標準》和《播種機質量評價技術規(guī)范》等相關標準，對播種機械的生產(chǎn)進行了標準規(guī)范，以提高播種機具的通用性。
2.2.3 播種機具向智能化方向發(fā)展
目前我國播種機具多數(shù)處于半自動化階段，需要人機協(xié)作才能完成播種作業(yè)，針對該問題，我國開始研制智能化播種機具(孟鵬祥，2016；李道亮和楊昊，2018)。如吉林農(nóng)業(yè)大學設計了播種深度自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用Flex彎曲傳感器來檢測播種單體的對地壓力，以兩塊單片機分別作為信號采集器和播深控制器，用nRF2401無線通信模塊實現(xiàn)信號采集器和播深控制器的傳輸，從而精確控制播種深度(朱龍圖，2017)。
三、移栽技術與裝備
利用移栽裝備可減少移栽勞動量，保證秧苗的整齊度，也便于收獲裝備的應用。全自動栽植是蔬菜移栽機械的發(fā)展方向(吳傳云等，2021)。
3.1 國外移栽機械研究現(xiàn)狀及趨勢
3.1.1移栽裝備桿機構
移栽裝備的插秧部件根據(jù)機構類型可分為3種：滑道機構、桿機構和回旋機構(于曉旭等，2014)?；罊C構是國際上最早的插秧部件結構，其結構復雜、成本高、效率低，目前的移栽機械很少使用此機構。而桿機構是利用曲柄搖桿結構將秧苗插入土中，其結構簡單、成本低、效率高，現(xiàn)多數(shù)移栽機均使用此結構。但桿機構也存在工作振幅大、工作速度低等問題，因此國外開始將工作振幅小、生產(chǎn)程度低、可高速作業(yè)的回旋機構作為研究重點。如日本發(fā)明的前插回轉式行星輪系分插機構，其工作部件的振幅是曲柄搖桿機構的1/4，工作效率提高了一倍(包春江和李寶，2004)。
3.1.2 多功能移栽機具
移栽前后的施肥澆水等作業(yè)是影響秧苗存活率的關鍵措施。在移栽機械上加入側深施肥裝備，可減少1/3的施肥量，同時可以避免施肥過多而引起的土壤板結和下流水體富營養(yǎng)化等問題；在移栽機械上加上穴注水裝置，可提高秧苗的成活率，節(jié)約用水量。
3.1.3 移栽機器手
半自動、全自動移栽機械的研制已經(jīng)成為了各國的研究重點，但全自動移栽裝備無法精確完成分秧、秧苗識別等復雜動作，因此國外已開始對移栽機器手進行研究，將機電一體化技術、機器人技術等應用于移栽機械上，能夠一次性完成分秧、輸送、栽植等復雜動作(蔣卓華，2017；楊啟志等，2018)。3.2 國內移栽機械研究現(xiàn)狀及趨勢
3.2.1 研發(fā)符合我國農(nóng)藝要求的移栽機械
國外對移栽機械的技術及原理的研究已經(jīng)很成熟，國內在借鑒其經(jīng)驗和成果的同時將適合我國農(nóng)藝要求作為移栽機械的研究重點。如研發(fā)變行距移栽機(蔡金平 等，2020)，改變秧苗的抓取形式，改變抓秧與秧門的相對位置等。
3.2.2研發(fā)高速自走底盤
在未來，高速取苗是移栽機的關鍵指標之一(王超 等，2021)，而高速取苗需要配套高速行走，只有實現(xiàn)高速，才能大幅度提高作業(yè)效率，滿足未來大型農(nóng)場種植要求。速度高、噪音小、負載能力和越野能力強、駕駛方便輕松的高速自走式底盤是移栽機未來的研發(fā)目標。
3.2.3研發(fā)移栽機器人
隨著工業(yè)機器人的技術發(fā)展和廣泛應用，智能機器人也將進入農(nóng)業(yè)領域，移栽機器人已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的熱門課題之一。南京農(nóng)業(yè)大學利用MATLAB軟件對移栽機械臂進行了運動學分析，求出了移栽機械臂的運動學方程，并得到其運動的正解和逆解，為移栽機器人的研制奠定了基礎(李建剛，2009；胡飛等，2012)。齊源職業(yè)技術學院為提高移栽機苗夾的設計進度和強度，利用ANSYS軟件對移裁機械臂進行有限元分析和虛擬仿真分析，為機械臂的設計提供了理論依據(jù)(王國棟和靳峰峰，2016)。國立中興大學研發(fā)的穴盤苗移栽機器人，對機器人的動作進行了規(guī)劃，為移栽機器人后續(xù)設計奠定了基礎(付強和胡軍，2019)。浙江大學和沈陽農(nóng)業(yè)大學對溫室移栽機器人的視覺系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和抓取系統(tǒng)進行深入研究，設計了基于PLC的機械手運動控制系統(tǒng)(任燁，2007；張詩等，2007)。
四、田間管理技術與裝備
田間管理環(huán)節(jié)包括灌溉和植保等作業(yè)，可為蔬菜提供良好的生長環(huán)境，對蔬菜的生長起到促進和控制作用。
4.1 國內外灌溉機械研究現(xiàn)狀及趨勢
目前國外灌溉機械研究發(fā)展趨勢：一是節(jié)能型，如美國改進低壓孔出流裝置，獲得一種低能耗精準灌溉法，有效節(jié)省了能源和水資源。二是提高噴水性能。如日本采用特殊聚乙烯材料制作的新型多孔管，利用激光技術進行精準打孔，噴水孔徑均勻，噴水性能適宜且穩(wěn)定。
我國目前噴灌裝備以小型噴灌機和手持式管道噴灌機居多，產(chǎn)品品類齊全，但一些產(chǎn)品的性能不穩(wěn)定，無法長時間使用。而大型噴灌機械和自動化噴灌機械研究較少，多數(shù)為國外引進后改用，無法與我國作物種植標準相適應。因此我國灌溉機械的發(fā)展趨勢：一是加強對灌溉結構的設計與優(yōu)化，提高灌溉設備的穩(wěn)定性；二是實現(xiàn)灌溉設備的多功能化、系列化與多元化，以滿足不同的灌溉需求；三是加強國有灌溉設備的研發(fā)，使其能夠適應我國作物農(nóng)藝標準作業(yè)；四是發(fā)展節(jié)能灌溉技術，將自動化與信息化技術嫁接在灌溉設備上。
4.2 國內外植保機械研究現(xiàn)狀及趨勢
國外植保噴藥機械以減少施藥量，提高施藥質量和減少農(nóng)藥對作物、環(huán)境的影響為研究重點，如噴桿平衡系統(tǒng)、靜電噴霧技術、農(nóng)藥回收技術、不同氣流下的噴霧效果、無人機噴藥技術等。國外在物理植保方面，已經(jīng)研究出成熟的除草機具及物理捕蟲燈等。常規(guī)除草機具雖能完成除草作業(yè)，但效果不穩(wěn)定，對栽培不規(guī)則和種植密度大的作物力不從心，因此國外將除草機器人作為研究重點，利用機器人技術的視覺系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)和自動判斷系統(tǒng)等對田間的雜草進行識別后拔除。
我國在植保噴藥機具上的研究較發(fā)達國家落后40~50年，目前我國噴藥機具多為背負式和手扶式，存在型號單一、作業(yè)效率低、噴頭研制相對落后、農(nóng)藥利用率低、加工精度低、對操作者損害大等問題(李蜀予和張清林，2019)，因此我國植保噴藥機具研究趨勢：一是研制不同類型的噴藥機具，以滿足不同作物、不同時期的作業(yè)需求，保證病蟲害的適時防治和應急防治。二是加大力度研制自走式噴藥機具，大幅度提高作業(yè)效率，且避免危害操作者的健康安全。三是研制精密噴藥噴頭，避免農(nóng)藥的浪費，減少對環(huán)境的污染。四是發(fā)展無人機噴藥技術。無人機作業(yè)效率高，生產(chǎn)成本低，可忽略地形的影響而完成噴藥作業(yè)(張悅等，2020)。
機械除草也是我國植保研究的重點，生產(chǎn)上應用的手扶式除草機和旋耕除草機多為半機械化作業(yè)裝備，作業(yè)所需勞動強度大、生產(chǎn)效率和自動化程度低，不能滿足目前蔬菜生產(chǎn)需求。因此在除草機械設備研發(fā)方面，除草機器人是研究重點。西南大學工程技術學院提出一種基于機器視覺的果園噴藥除草機器人視覺系統(tǒng)，解決了噴藥除草機器人在圖像高運動噪音干擾及光照條件變化干擾的果園環(huán)境下的雜草識別問題，并提高了果園噴藥除草機器人視覺系統(tǒng)的圖像分割可靠性及識別精度(呂沐華和丁珠玉，2021)。黑龍江八一農(nóng)墾大學根據(jù)除草機器人的工作原理，以西門子PLC為控制核心，研發(fā)了一種高效節(jié)能、安全可靠的除草機器人，經(jīng)過可行性驗證，除草效果良好，工作效率較高(田生容等，2020)。
五、收獲技術與裝備
在蔬菜生產(chǎn)過程中，收獲環(huán)節(jié)的勞動量占總勞動量的40%左右，目前我國蔬菜收獲基本依靠人工作業(yè)，因此也導致蔬菜生產(chǎn)所需勞動量大、生產(chǎn)成本高。蔬菜屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)機械化收獲將在很大程度上減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。蔬菜根據(jù)收獲方式和機械化程度的不同可分為葉類蔬菜(雞毛菜、菠菜等)、結球類蔬菜(甘藍、大白菜等)、根莖類蔬菜(胡蘿卜、甘薯等)和果類蔬菜(黃瓜、番茄等)等。
5.1 國外蔬菜收獲機械研究現(xiàn)狀
國外對蔬菜收獲機械的研究時間較長，很多蔬菜種類已經(jīng)有了成熟的收獲機型，如對于葉類蔬菜，有意大利 HORTECH 公司研發(fā)的RAPIDSL型自走式生菜收獲機，韓國播藍特蔬菜公司設計研發(fā)的MT-200葉菜小型收割收獲機等；對于結球類蔬菜，有美國研發(fā)的甘藍聯(lián)合收獲機，日本研發(fā)的自走式單行甘藍收獲機等；對于根莖類蔬菜，有美國Horia研制的牽引式胡蘿卜收獲機，丹麥ASAUIFT生產(chǎn)的COMBIMINI胡蘿卜聯(lián)合收獲機等(楊薇等，2014):對于果類蔬菜，有美國研發(fā)的CM全自動自走式番茄收獲機等。但國外的蔬菜收獲機械多為大型聯(lián)合作業(yè)機械，并不適合在我國進行拍廣，同時其價格昂貴，導致生產(chǎn)成本增大。
5.2 國內蔬菜收獲機械研究現(xiàn)狀及趨勢
雖然我國蔬菜收獲關鍵技術及機械研究起步較晚，但近年來蔬菜高效生產(chǎn)和收獲作業(yè)裝備越來越受到關注。
5.2.1 葉類蔬菜收獲機械由小型半自動式向自走式方向發(fā)展
葉類蔬菜因長勢整齊、有規(guī)律，較易研制收獲機具，但目前葉類蔬菜的收獲機具均為小型手扶式，作業(yè)勞動量依然較大，因此需要研制自走式收獲機。目前我國已有農(nóng)機研究團隊研制出了部分葉類蔬菜的收獲機械。例如，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所設計的雞毛菜有序收獲機，能夠對菠菜、小白菜等細葉類蔬菜進行有序收獲，具備作業(yè)效率高、損傷率低等優(yōu)點，能一定程度上降低勞動者的工作強度，為后續(xù)研究自走式有序收獲機奠定了基礎(劉東，2019)；研發(fā)的蘆蒿收獲機結構小巧簡單，適應性強，作業(yè)效率相當于人工的10倍左右，適用于我國蘆蒿種植現(xiàn)狀(劉東等，2019)。
5.2.2 結球類蔬菜收獲機械由理論試驗階段向商業(yè)化方向發(fā)展
我國對結球類蔬菜收獲機具的研究較少，目前大多處于理論和試驗階段。浙江大學研發(fā)的履帶自走式甘藍收獲機基本能滿足甘藍的機械化收獲要求，但試驗過程中仍存在作業(yè)效率較低且損失率較高的問題，未能達到人工采收標準(杜冬冬，2017)。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所果蔬茶團隊研發(fā)的4GCB-2型自走式甘藍收獲機，也基本具備收獲甘藍的能力，但對甘藍的外形尺寸要求較高，無法適用于長勢不規(guī)則、偏倒的甘藍。
5.2.3 根莖類蔬菜收獲機械向智能化方向發(fā)展
關于根莖類蔬菜的機械化收獲研究較多，技術相對較成熟，部分機型能夠商業(yè)化，一定程度上滿足了市場需求。青島農(nóng)業(yè)大學設計的自走式胡蘿卜聯(lián)合收獲機，在田間試驗中收凈率為98.2%，損傷率為2.5%,生產(chǎn)效率為0.11hm2·h(王家勝和尚書旗，2012)。中國農(nóng)業(yè)大學針對馬鈴薯收獲機收獲效果不佳、損傷率高等問題，設計了一種低位鋪放雙重緩沖馬鈴薯收獲機，該機械采用振動輸送分離、雙重緩沖減速和低位鋪放減損等工藝，將馬鈴薯、土壤、雜質有效分離，實現(xiàn)了高效率、低損傷的收獲目標(魏忠彩等，2019)。目前國內根莖類蔬菜收獲機械正向著智能化方向發(fā)展，如山東省農(nóng)業(yè)機械科學院針對根莖類蔬菜收獲機自動化程度低、對行能力差、損傷率高等問題，以4UGS2型雙行甘薯收獲機為研究對象，開發(fā)了自動對行系統(tǒng)，提高了甘薯收獲機的準確率和自動化水平，降低了甘薯損傷率和漏挖率，為蔬菜收獲機的自動對行設計提供了參考(李濤等，2019)。
5.2.4 果類蔬菜機械化收獲向機械手方向發(fā)展 果類蔬菜因生長狀況復雜，使得機械化收獲極其困難，尤其是攀緣類瓜果豆蔬菜，如豇豆、菜豆、絲瓜等，幾乎無法使用機械收獲。因此果類蔬菜機械化收獲研究主要著重在機械手采摘方向，如中國農(nóng)業(yè)大學設計的溫室智能黃瓜收獲機，可利用傳感器識別黃瓜的成熟度，再利用控制器控制刀具將黃瓜的瓜柄切斷，實現(xiàn)機械化收獲，為果類蔬菜的機械化收獲提供了參考(楊振宇等，2014)。
六、采后加工技術與裝備
6.1 國內外蔬菜清洗設備研究現(xiàn)狀
清洗是蔬菜采后加工的關鍵步驟之一，直接影響蔬菜產(chǎn)品質量。蔬菜的清洗主要是為了清除蔬菜表面的泥沙、蟲卵等雜質，以及蔬菜表面的化學殘留，為后續(xù)的直接食用或加工提供優(yōu)質、干凈的菜源。
國外對蔬菜清洗設備的研究時間較長，已經(jīng)形成了完善的蔬菜加工體系，在材料、工藝和結構上都具有創(chuàng)新技術。國外的蔬菜清洗機設備研究一是以專用的清洗裝備為主，一套設備只對一種特定的蔬菜進行作業(yè)，如專門針對生菜的框式生菜清洗離心脫水生產(chǎn)線，其清洗效果好、針對性強且對生菜沒有任何損害；二是以生產(chǎn)線為主，具有自動化程度高、工藝完善、作業(yè)效率高等優(yōu)點，如Pulsta系列蔬菜清洗生產(chǎn)線，使用水射、噴灑和氣浴等方式，對蔬菜進行全方位的清洗，作業(yè)過程全程自動化，能夠有效降低勞動量，同時避免人工操作的污染(李佳偉等，2017)。
而我國的清洗裝備以通用設備為主，一套設備能完成多種蔬菜的清洗作業(yè)，適用面廣，減少了機具的購買成本，但專用性不強，導致對蔬菜的清洗效果不夠理想，容易在清洗過程中對蔬菜造成損傷(馬雪飛等，2018)。如北京恒日工程機械有限公司生產(chǎn)的高壓氣泡清洗機，通過采用高壓氣泡、高壓水流、噴淋等方式，能夠對葉、莖、根類蔬菜和顆粒狀水果等進行清洗作業(yè)。同時我國蔬菜清洗裝置以單一、小型裝備為主，自動化程度相對較低，有的葉菜清洗機在使用過程中還需要人工使用毛刷對葉菜根部進行清洗，作業(yè)效率低，生產(chǎn)成本高。
6.2 國內蔬菜分級設備研究現(xiàn)狀及趨勢
我國蔬菜分級技術相對落后，分級方法比較單一，分級依據(jù)多集中在顏色、形狀和質量上，如番茄、馬鈴薯等，而且很多蔬菜沒有科學的分級標準和方法，還處于人工檢測分級階段(初僑等：2015)。此外，我國蔬菜信息采集技術還比較落后，蔬菜分級指標無法準確識別，不同地區(qū)種植的蔬菜成熟狀態(tài)并不一致，蔬菜品質等級難以劃分，導致蔬菜機械化分級尤其困難。因此，我國需深入研究不同蔬菜的分級標準和方法，為蔬菜機械分級提供理論依據(jù)；同時需要對信息采集進行深入研究，加強蔬菜信息高精確采集的能力。
七、發(fā)展趨勢7
目前我國的農(nóng)業(yè)機械還處于初級研究階段，國外蔬菜生產(chǎn)機械化已經(jīng)很成熟，但相關機械體型較大，國內難以直接引進并使用，而國內的相關機械比較單一、零散，沒有配套的機械裝備生產(chǎn)鏈。蔬菜全程機械化生產(chǎn)仍有待深入研究發(fā)展。
7.1 加強基礎理論的研究
探索不同學科理論對機械設計的影響，得到最適合作業(yè)機具的理論基礎，如利用運動學、動力學、能量守恒等方法計算理論參數(shù)，利用ANSYS、Solidworks等軟件對機具的設計進行仿真模擬分析；總結其他領域經(jīng)驗應用于農(nóng)業(yè)機械裝備設計理念，如仿生學領域的抗阻穿山甲理論在耕整地機械設計上的應用，航空領域的無人機在農(nóng)業(yè)植保方面的應用，計算機領域在智慧農(nóng)業(yè)上的應用等。
7.2 農(nóng)機與農(nóng)藝融合發(fā)展
首先根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)藝標準和農(nóng)機現(xiàn)狀，設計一套適合大部分地區(qū)種植的農(nóng)藝標準，將農(nóng)機和農(nóng)藝充分結合，加速農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展。如針對甘藍的生產(chǎn)，可將南方地區(qū)的甘藍種植農(nóng)藝標準統(tǒng)一，再針對此農(nóng)藝標準進行全程機械裝備的研究開發(fā)，實現(xiàn)規(guī)模化全程機械化生產(chǎn)。
7.3優(yōu)化農(nóng)機結構，降低生產(chǎn)成本
在農(nóng)機設計過程中，應當考慮購買者的承受能力，在保證機械作業(yè)效果的前提下，盡量簡化機械結構，降低生產(chǎn)成本。如在保證動力的情況下，盡量選擇小型發(fā)動機，利用仿真軟件優(yōu)化其結構性能；在保證性能合格的情況下，選擇價格低、質量小的材料；探索不同的傳動方式，選擇生產(chǎn)成本低、結構簡單、使用方便的傳動方式等。
7.4 發(fā)展大型農(nóng)場，研發(fā)配套的大型智能農(nóng)業(yè)機具
政府鼓勵承包農(nóng)村荒廢土地，建立大型農(nóng)場，依靠科學技術和農(nóng)業(yè)機械技術將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉變?yōu)楝F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，研發(fā)智能農(nóng)業(yè)機具，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)出實現(xiàn)最大化。
7.5 發(fā)展都市農(nóng)業(yè)，構建生態(tài)城市
發(fā)展都市農(nóng)業(yè)既可充分利用城市土地，增大種植面積，又可構建生態(tài)城市，滿足城市居民的綠色需求。發(fā)展都市化農(nóng)業(yè)要求研發(fā)推廣智能化農(nóng)業(yè)機械、生產(chǎn)，如建設無人生菜水培工廠、垂直農(nóng)業(yè)工廠等。在都市農(nóng)業(yè)的機械化設計過程中，可以更多地應用智能設備，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉變?yōu)楣I(yè)生產(chǎn)模式，實現(xiàn)全自動生產(chǎn)模式。
文章來源：中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所
近些年，我國蔬菜種植面積逐年上升，2018年達2043.9萬hm2，位居世界第一。但我國蔬菜生產(chǎn)全程機械化程度低，裝備體系不健全，所需勞動量大，其中收獲和采后加工環(huán)節(jié)的用工量占到了蔬菜生產(chǎn)總用工量的60%以上(姚森等，2019),導致蔬菜生產(chǎn)效率低，成本高，可持續(xù)生產(chǎn)受到限制。
傳統(tǒng)的蔬菜機械化生產(chǎn)是指在生產(chǎn)過程中某個環(huán)節(jié)使用機械作業(yè)，而機械化缺失環(huán)節(jié)依然作業(yè)效率低、用工量大，并且直接影響下一個環(huán)節(jié)的機械化作業(yè)效果，并不能降低生產(chǎn)成本，因此實現(xiàn)蔬菜全程機械化生產(chǎn)是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的必由之路。
國外在蔬菜全程機械化生產(chǎn)裝備方面研究時間較長，技術已趨于穩(wěn)定成熟，但都是大型農(nóng)業(yè)機械裝備，不適用于我國蔬菜生產(chǎn)模式，難以直接引進使用。我國蔬菜生產(chǎn)機械裝備研究起步較晚，機械化未能覆蓋所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)，耕整地、播種施肥、移栽和田間管理等環(huán)節(jié)已有成熟機型可供推廣應用，但收獲環(huán)節(jié)的機械目前還處于理論試驗階段，生產(chǎn)上推廣應用很少。本文總結了國內外耕整地、播種施肥、移栽、田間管理、收獲和采后加工環(huán)節(jié)的蔬菜生產(chǎn)機械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并由此提出我國蔬菜全程機械化生產(chǎn)目前面臨的問題和未來發(fā)展方向。
一、耕整地技術與裝備
耕整地機械裝備主要用于耕地起壟、松土開溝、雜草掩埋、施肥播種等作業(yè)，既有單項作業(yè)機具，如開溝機、起壟機、施肥機等，也有復合型作業(yè)機具。復合型作業(yè)機具能一次完成多項作業(yè)，具有作業(yè)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。
1.1 國外耕整地機械裝備特點
一是耕整地環(huán)節(jié)的機械裝備已經(jīng)向多類型、系列化方向發(fā)展，如日本松山株式會社的耕整機械包括了50多個系列200多個類型，其耕深、幅寬和配套動力均可由農(nóng)戶自由選擇，小橋工會株式會社僅驅動耙產(chǎn)品則有30多個系列100多個類型：是向著大型、幅寬、高效、聯(lián)合方向發(fā)展，尤其是聯(lián)合作業(yè)機具可有效提高作業(yè)效率，如美國的帶圈齒耙2310型耕耘機作業(yè)寬度可達5.72~13.95m(陳玉華等，2018)；三是將微電腦技術、電子技術、通訊技術和自動控制技術等高新技術應用在耕整地機械上，實現(xiàn)了機械裝備智能化和自動化。
1.2 國內耕整地機械裝備特點
1.2.1 大中小型機具共存，小型機具占主導
目前我國大中型機具主要在新疆、內蒙古、東北等地域遼闊的地區(qū)推廣使用，東北地區(qū)推廣應用的530大型液壓翻轉型，配備100kW的拖拉機使用，工作幅寬1.5m，作業(yè)效率可達50hm2.h-1，能夠滿足大型農(nóng)場生產(chǎn)需求。而在我國的山區(qū)、丘陵等區(qū)域，小型耕整地機具如微耕機、小型耕地機，以及與手扶拖拉機和小功率拖拉機配套的小型耕整機具仍被廣泛應用。小型耕整地機械裝備具有生產(chǎn)成本低、能耗低、作業(yè)質量好、可靠性高等優(yōu)點，但同時也存在智能化和自動化程度低、生產(chǎn)效率低、所需勞動量大等不足。
1.2.2聯(lián)合作業(yè)機械發(fā)展迅速
單一的耕整地機存在作業(yè)效率低、農(nóng)機使用復雜等缺點，因此需要研發(fā)聯(lián)合作業(yè)機械。目前我國的聯(lián)合作業(yè)機械具有除茬、旋耕、深耕、起壟、施肥、鎮(zhèn)壓、播種等作業(yè)功能，根據(jù)不同作物生產(chǎn)需求可選擇任意幾種功能集成的聯(lián)合作業(yè)機械裝備。由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研發(fā)的蔬菜整地播種復式作業(yè)機，可一次性完成深松耕、起壟、播種、施肥、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)。該機具采用多種形式刀片復合耕作的方式，碎土性和耕深一致性好；利用模塊化播種裝置在作業(yè)時可根據(jù)需要調節(jié)播種行數(shù)和行距，解決了目前播種深度一致性、播量均勻性的問題(肖宏儒等，2019)。由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所果蔬茶收獲創(chuàng)新團隊研制出的西芹種植一體機，能夠一次性完成起壟、壓實、覆膜、打孔、播種、蓋沙等作業(yè)，作業(yè)效率高、種植效果佳(梅松等，2018)。
1.2.3 智能化、自動化耕整地機械裝備逐步發(fā)展
隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，設施農(nóng)業(yè)、工廠農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機具已不能滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)需求，相關農(nóng)業(yè)機械也逐漸向智能化、自動化、精細化方向發(fā)展。如于志成(2017)在傳統(tǒng)的耕整地機械上研發(fā)了水平自動調節(jié)技術，當水田復式整地機在不平的地面工作時，其工作部件會自動進行水平調節(jié)，有效避免了旋耕部件隨著拖拉機的運作左搖右晃而影響作業(yè)效果。
二、播種技術與裝備
播種育苗是決定蔬菜產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)之一，傳統(tǒng)人工播種存在勞動強度大、效率低、浪費多的問題，因此機械化播種是蔬菜高效生產(chǎn)的必由之路。
2.1 國外播種機械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
2.1.1 大型播種機械復合一體化作業(yè)
國外的播種機械以大型聯(lián)合作業(yè)機具為主，同時向復合一體化作業(yè)方向發(fā)展。如德國哈西亞公司的大型氣吸式播種機，能一次性完成開溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓、覆土、噴藥等作業(yè)：德國的AMAZONE公司研發(fā)的ED系列精量播種機，最大工作幅寬可達12m，工作效率極高(梁寶忠等，2009)。
2.1.2 氣力播種機械氣道穩(wěn)定結構優(yōu)化
為了進步提高播種穩(wěn)定性和落種效率，國外以氣力播種作為研究重點。利用風扇氣流實現(xiàn)快速播種，解決了種子不能及時定點入土的難題。為了解決氣力播種機械結構難題，國外學者研發(fā)了氣道穩(wěn)定和結構優(yōu)化等關鍵技術，如法國MONOSEM研發(fā)的NGPlus氣吸式播種機，采用了多種先進的氣道結構、加工工藝和新材料，具有播種精度高和使用壽命長等優(yōu)點(胡童等，2018)。
2.1.3 精量播種機械智能化
為了提高播種機械的播種精密度，國外將智能控制技術應用于播種機械上，利用電子技術、計算機技術和傳感器技術等核心技術，解決了精量播種的難題。智能控制技術能夠實時監(jiān)測排種器的作業(yè)情況，精量控制播種并記錄播種數(shù)量。如由4G智能顯控終端、采集單元、圖像采集單元等9個單元構成的智能播種云監(jiān)控系統(tǒng)，采用模塊化設計，結合農(nóng)機管家云平臺，可應用于作業(yè)監(jiān)管、播種檢測、播種監(jiān)控等不同場景(李道亮和楊昊，2018；杜岳峰等，2019；張漫等，2020)。
2.2 國內播種機械化研究現(xiàn)狀及趨勢
2.2.1 小型播種機械向復合一體化方向發(fā)展
小型機具生產(chǎn)成本低、能耗小，相對于人工作業(yè)效率高，被我國農(nóng)戶廣為接受。但單一的播種機械也存在作業(yè)效率偏低、購機成本較高等缺點，而復合一體化的播種機械在進行播種的同時，還能進行苗床整備和施肥等，具有作業(yè)效率高、購置成本低等優(yōu)點，因此我國需要重點研制復合一體化的小型播種機械。
2.2.2 播種機械向高強度、高精度和通用性強方向發(fā)展
我國現(xiàn)有材料和工藝導致播種機械存在著可靠性低的問題，尤其是在仿形限深機構方面，工藝精度低、材料剛度差，工作可靠性得不到保證，因此提高工藝精度、加強材料剛度是提升播種機作業(yè)可靠性的重要措施。國內播種機械產(chǎn)品齊全、機型種類繁多，排種器結構及樣式也多種多樣，導致種機械的通用性差，若每個生產(chǎn)企業(yè)都有特定的標準，則零部件不易跨企業(yè)置換。目前我國己建立《播種機行業(yè)標準》和《播種機質量評價技術規(guī)范》等相關標準，對播種機械的生產(chǎn)進行了標準規(guī)范，以提高播種機具的通用性。
2.2.3 播種機具向智能化方向發(fā)展
目前我國播種機具多數(shù)處于半自動化階段，需要人機協(xié)作才能完成播種作業(yè)，針對該問題，我國開始研制智能化播種機具(孟鵬祥，2016；李道亮和楊昊，2018)。如吉林農(nóng)業(yè)大學設計了播種深度自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用Flex彎曲傳感器來檢測播種單體的對地壓力，以兩塊單片機分別作為信號采集器和播深控制器，用nRF2401無線通信模塊實現(xiàn)信號采集器和播深控制器的傳輸，從而精確控制播種深度(朱龍圖，2017)。
三、移栽技術與裝備
利用移栽裝備可減少移栽勞動量，保證秧苗的整齊度，也便于收獲裝備的應用。全自動栽植是蔬菜移栽機械的發(fā)展方向(吳傳云等，2021)。
3.1 國外移栽機械研究現(xiàn)狀及趨勢
3.1.1移栽裝備桿機構
移栽裝備的插秧部件根據(jù)機構類型可分為3種：滑道機構、桿機構和回旋機構(于曉旭等，2014)?；罊C構是國際上最早的插秧部件結構，其結構復雜、成本高、效率低，目前的移栽機械很少使用此機構。而桿機構是利用曲柄搖桿結構將秧苗插入土中，其結構簡單、成本低、效率高，現(xiàn)多數(shù)移栽機均使用此結構。但桿機構也存在工作振幅大、工作速度低等問題，因此國外開始將工作振幅小、生產(chǎn)程度低、可高速作業(yè)的回旋機構作為研究重點。如日本發(fā)明的前插回轉式行星輪系分插機構，其工作部件的振幅是曲柄搖桿機構的1/4，工作效率提高了一倍(包春江和李寶，2004)。
3.1.2 多功能移栽機具
移栽前后的施肥澆水等作業(yè)是影響秧苗存活率的關鍵措施。在移栽機械上加入側深施肥裝備，可減少1/3的施肥量，同時可以避免施肥過多而引起的土壤板結和下流水體富營養(yǎng)化等問題；在移栽機械上加上穴注水裝置，可提高秧苗的成活率，節(jié)約用水量。
3.1.3 移栽機器手
半自動、全自動移栽機械的研制已經(jīng)成為了各國的研究重點，但全自動移栽裝備無法精確完成分秧、秧苗識別等復雜動作，因此國外已開始對移栽機器手進行研究，將機電一體化技術、機器人技術等應用于移栽機械上，能夠一次性完成分秧、輸送、栽植等復雜動作(蔣卓華，2017；楊啟志等，2018)。3.2 國內移栽機械研究現(xiàn)狀及趨勢
3.2.1 研發(fā)符合我國農(nóng)藝要求的移栽機械
國外對移栽機械的技術及原理的研究已經(jīng)很成熟，國內在借鑒其經(jīng)驗和成果的同時將適合我國農(nóng)藝要求作為移栽機械的研究重點。如研發(fā)變行距移栽機(蔡金平 等，2020)，改變秧苗的抓取形式，改變抓秧與秧門的相對位置等。
3.2.2研發(fā)高速自走底盤
在未來，高速取苗是移栽機的關鍵指標之一(王超 等，2021)，而高速取苗需要配套高速行走，只有實現(xiàn)高速，才能大幅度提高作業(yè)效率，滿足未來大型農(nóng)場種植要求。速度高、噪音小、負載能力和越野能力強、駕駛方便輕松的高速自走式底盤是移栽機未來的研發(fā)目標。
3.2.3研發(fā)移栽機器人
隨著工業(yè)機器人的技術發(fā)展和廣泛應用，智能機器人也將進入農(nóng)業(yè)領域，移栽機器人已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的熱門課題之一。南京農(nóng)業(yè)大學利用MATLAB軟件對移栽機械臂進行了運動學分析，求出了移栽機械臂的運動學方程，并得到其運動的正解和逆解，為移栽機器人的研制奠定了基礎(李建剛，2009；胡飛等，2012)。齊源職業(yè)技術學院為提高移栽機苗夾的設計進度和強度，利用ANSYS軟件對移裁機械臂進行有限元分析和虛擬仿真分析，為機械臂的設計提供了理論依據(jù)(王國棟和靳峰峰，2016)。國立中興大學研發(fā)的穴盤苗移栽機器人，對機器人的動作進行了規(guī)劃，為移栽機器人后續(xù)設計奠定了基礎(付強和胡軍，2019)。浙江大學和沈陽農(nóng)業(yè)大學對溫室移栽機器人的視覺系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和抓取系統(tǒng)進行深入研究，設計了基于PLC的機械手運動控制系統(tǒng)(任燁，2007；張詩等，2007)。
四、田間管理技術與裝備
田間管理環(huán)節(jié)包括灌溉和植保等作業(yè)，可為蔬菜提供良好的生長環(huán)境，對蔬菜的生長起到促進和控制作用。
4.1 國內外灌溉機械研究現(xiàn)狀及趨勢
目前國外灌溉機械研究發(fā)展趨勢：一是節(jié)能型，如美國改進低壓孔出流裝置，獲得一種低能耗精準灌溉法，有效節(jié)省了能源和水資源。二是提高噴水性能。如日本采用特殊聚乙烯材料制作的新型多孔管，利用激光技術進行精準打孔，噴水孔徑均勻，噴水性能適宜且穩(wěn)定。
我國目前噴灌裝備以小型噴灌機和手持式管道噴灌機居多，產(chǎn)品品類齊全，但一些產(chǎn)品的性能不穩(wěn)定，無法長時間使用。而大型噴灌機械和自動化噴灌機械研究較少，多數(shù)為國外引進后改用，無法與我國作物種植標準相適應。因此我國灌溉機械的發(fā)展趨勢：一是加強對灌溉結構的設計與優(yōu)化，提高灌溉設備的穩(wěn)定性；二是實現(xiàn)灌溉設備的多功能化、系列化與多元化，以滿足不同的灌溉需求；三是加強國有灌溉設備的研發(fā)，使其能夠適應我國作物農(nóng)藝標準作業(yè)；四是發(fā)展節(jié)能灌溉技術，將自動化與信息化技術嫁接在灌溉設備上。
4.2 國內外植保機械研究現(xiàn)狀及趨勢
國外植保噴藥機械以減少施藥量，提高施藥質量和減少農(nóng)藥對作物、環(huán)境的影響為研究重點，如噴桿平衡系統(tǒng)、靜電噴霧技術、農(nóng)藥回收技術、不同氣流下的噴霧效果、無人機噴藥技術等。國外在物理植保方面，已經(jīng)研究出成熟的除草機具及物理捕蟲燈等。常規(guī)除草機具雖能完成除草作業(yè)，但效果不穩(wěn)定，對栽培不規(guī)則和種植密度大的作物力不從心，因此國外將除草機器人作為研究重點，利用機器人技術的視覺系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)和自動判斷系統(tǒng)等對田間的雜草進行識別后拔除。
我國在植保噴藥機具上的研究較發(fā)達國家落后40~50年，目前我國噴藥機具多為背負式和手扶式，存在型號單一、作業(yè)效率低、噴頭研制相對落后、農(nóng)藥利用率低、加工精度低、對操作者損害大等問題(李蜀予和張清林，2019)，因此我國植保噴藥機具研究趨勢：一是研制不同類型的噴藥機具，以滿足不同作物、不同時期的作業(yè)需求，保證病蟲害的適時防治和應急防治。二是加大力度研制自走式噴藥機具，大幅度提高作業(yè)效率，且避免危害操作者的健康安全。三是研制精密噴藥噴頭，避免農(nóng)藥的浪費，減少對環(huán)境的污染。四是發(fā)展無人機噴藥技術。無人機作業(yè)效率高，生產(chǎn)成本低，可忽略地形的影響而完成噴藥作業(yè)(張悅等，2020)。
機械除草也是我國植保研究的重點，生產(chǎn)上應用的手扶式除草機和旋耕除草機多為半機械化作業(yè)裝備，作業(yè)所需勞動強度大、生產(chǎn)效率和自動化程度低，不能滿足目前蔬菜生產(chǎn)需求。因此在除草機械設備研發(fā)方面，除草機器人是研究重點。西南大學工程技術學院提出一種基于機器視覺的果園噴藥除草機器人視覺系統(tǒng)，解決了噴藥除草機器人在圖像高運動噪音干擾及光照條件變化干擾的果園環(huán)境下的雜草識別問題，并提高了果園噴藥除草機器人視覺系統(tǒng)的圖像分割可靠性及識別精度(呂沐華和丁珠玉，2021)。黑龍江八一農(nóng)墾大學根據(jù)除草機器人的工作原理，以西門子PLC為控制核心，研發(fā)了一種高效節(jié)能、安全可靠的除草機器人，經(jīng)過可行性驗證，除草效果良好，工作效率較高(田生容等，2020)。
五、收獲技術與裝備
在蔬菜生產(chǎn)過程中，收獲環(huán)節(jié)的勞動量占總勞動量的40%左右，目前我國蔬菜收獲基本依靠人工作業(yè)，因此也導致蔬菜生產(chǎn)所需勞動量大、生產(chǎn)成本高。蔬菜屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)機械化收獲將在很大程度上減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。蔬菜根據(jù)收獲方式和機械化程度的不同可分為葉類蔬菜(雞毛菜、菠菜等)、結球類蔬菜(甘藍、大白菜等)、根莖類蔬菜(胡蘿卜、甘薯等)和果類蔬菜(黃瓜、番茄等)等。
5.1 國外蔬菜收獲機械研究現(xiàn)狀
國外對蔬菜收獲機械的研究時間較長，很多蔬菜種類已經(jīng)有了成熟的收獲機型，如對于葉類蔬菜，有意大利 HORTECH 公司研發(fā)的RAPIDSL型自走式生菜收獲機，韓國播藍特蔬菜公司設計研發(fā)的MT-200葉菜小型收割收獲機等；對于結球類蔬菜，有美國研發(fā)的甘藍聯(lián)合收獲機，日本研發(fā)的自走式單行甘藍收獲機等；對于根莖類蔬菜，有美國Horia研制的牽引式胡蘿卜收獲機，丹麥ASAUIFT生產(chǎn)的COMBIMINI胡蘿卜聯(lián)合收獲機等(楊薇等，2014):對于果類蔬菜，有美國研發(fā)的CM全自動自走式番茄收獲機等。但國外的蔬菜收獲機械多為大型聯(lián)合作業(yè)機械，并不適合在我國進行拍廣，同時其價格昂貴，導致生產(chǎn)成本增大。
5.2 國內蔬菜收獲機械研究現(xiàn)狀及趨勢
雖然我國蔬菜收獲關鍵技術及機械研究起步較晚，但近年來蔬菜高效生產(chǎn)和收獲作業(yè)裝備越來越受到關注。
5.2.1 葉類蔬菜收獲機械由小型半自動式向自走式方向發(fā)展
葉類蔬菜因長勢整齊、有規(guī)律，較易研制收獲機具，但目前葉類蔬菜的收獲機具均為小型手扶式，作業(yè)勞動量依然較大，因此需要研制自走式收獲機。目前我國已有農(nóng)機研究團隊研制出了部分葉類蔬菜的收獲機械。例如，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所設計的雞毛菜有序收獲機，能夠對菠菜、小白菜等細葉類蔬菜進行有序收獲，具備作業(yè)效率高、損傷率低等優(yōu)點，能一定程度上降低勞動者的工作強度，為后續(xù)研究自走式有序收獲機奠定了基礎(劉東，2019)；研發(fā)的蘆蒿收獲機結構小巧簡單，適應性強，作業(yè)效率相當于人工的10倍左右，適用于我國蘆蒿種植現(xiàn)狀(劉東等，2019)。
5.2.2 結球類蔬菜收獲機械由理論試驗階段向商業(yè)化方向發(fā)展
我國對結球類蔬菜收獲機具的研究較少，目前大多處于理論和試驗階段。浙江大學研發(fā)的履帶自走式甘藍收獲機基本能滿足甘藍的機械化收獲要求，但試驗過程中仍存在作業(yè)效率較低且損失率較高的問題，未能達到人工采收標準(杜冬冬，2017)。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所果蔬茶團隊研發(fā)的4GCB-2型自走式甘藍收獲機，也基本具備收獲甘藍的能力，但對甘藍的外形尺寸要求較高，無法適用于長勢不規(guī)則、偏倒的甘藍。
5.2.3 根莖類蔬菜收獲機械向智能化方向發(fā)展
關于根莖類蔬菜的機械化收獲研究較多，技術相對較成熟，部分機型能夠商業(yè)化，一定程度上滿足了市場需求。青島農(nóng)業(yè)大學設計的自走式胡蘿卜聯(lián)合收獲機，在田間試驗中收凈率為98.2%，損傷率為2.5%,生產(chǎn)效率為0.11hm2·h(王家勝和尚書旗，2012)。中國農(nóng)業(yè)大學針對馬鈴薯收獲機收獲效果不佳、損傷率高等問題，設計了一種低位鋪放雙重緩沖馬鈴薯收獲機，該機械采用振動輸送分離、雙重緩沖減速和低位鋪放減損等工藝，將馬鈴薯、土壤、雜質有效分離，實現(xiàn)了高效率、低損傷的收獲目標(魏忠彩等，2019)。目前國內根莖類蔬菜收獲機械正向著智能化方向發(fā)展，如山東省農(nóng)業(yè)機械科學院針對根莖類蔬菜收獲機自動化程度低、對行能力差、損傷率高等問題，以4UGS2型雙行甘薯收獲機為研究對象，開發(fā)了自動對行系統(tǒng)，提高了甘薯收獲機的準確率和自動化水平，降低了甘薯損傷率和漏挖率，為蔬菜收獲機的自動對行設計提供了參考(李濤等，2019)。
5.2.4 果類蔬菜機械化收獲向機械手方向發(fā)展 果類蔬菜因生長狀況復雜，使得機械化收獲極其困難，尤其是攀緣類瓜果豆蔬菜，如豇豆、菜豆、絲瓜等，幾乎無法使用機械收獲。因此果類蔬菜機械化收獲研究主要著重在機械手采摘方向，如中國農(nóng)業(yè)大學設計的溫室智能黃瓜收獲機，可利用傳感器識別黃瓜的成熟度，再利用控制器控制刀具將黃瓜的瓜柄切斷，實現(xiàn)機械化收獲，為果類蔬菜的機械化收獲提供了參考(楊振宇等，2014)。
六、采后加工技術與裝備
6.1 國內外蔬菜清洗設備研究現(xiàn)狀
清洗是蔬菜采后加工的關鍵步驟之一，直接影響蔬菜產(chǎn)品質量。蔬菜的清洗主要是為了清除蔬菜表面的泥沙、蟲卵等雜質，以及蔬菜表面的化學殘留，為后續(xù)的直接食用或加工提供優(yōu)質、干凈的菜源。
國外對蔬菜清洗設備的研究時間較長，已經(jīng)形成了完善的蔬菜加工體系，在材料、工藝和結構上都具有創(chuàng)新技術。國外的蔬菜清洗機設備研究一是以專用的清洗裝備為主，一套設備只對一種特定的蔬菜進行作業(yè)，如專門針對生菜的框式生菜清洗離心脫水生產(chǎn)線，其清洗效果好、針對性強且對生菜沒有任何損害；二是以生產(chǎn)線為主，具有自動化程度高、工藝完善、作業(yè)效率高等優(yōu)點，如Pulsta系列蔬菜清洗生產(chǎn)線，使用水射、噴灑和氣浴等方式，對蔬菜進行全方位的清洗，作業(yè)過程全程自動化，能夠有效降低勞動量，同時避免人工操作的污染(李佳偉等，2017)。
而我國的清洗裝備以通用設備為主，一套設備能完成多種蔬菜的清洗作業(yè)，適用面廣，減少了機具的購買成本，但專用性不強，導致對蔬菜的清洗效果不夠理想，容易在清洗過程中對蔬菜造成損傷(馬雪飛等，2018)。如北京恒日工程機械有限公司生產(chǎn)的高壓氣泡清洗機，通過采用高壓氣泡、高壓水流、噴淋等方式，能夠對葉、莖、根類蔬菜和顆粒狀水果等進行清洗作業(yè)。同時我國蔬菜清洗裝置以單一、小型裝備為主，自動化程度相對較低，有的葉菜清洗機在使用過程中還需要人工使用毛刷對葉菜根部進行清洗，作業(yè)效率低，生產(chǎn)成本高。
6.2 國內蔬菜分級設備研究現(xiàn)狀及趨勢
我國蔬菜分級技術相對落后，分級方法比較單一，分級依據(jù)多集中在顏色、形狀和質量上，如番茄、馬鈴薯等，而且很多蔬菜沒有科學的分級標準和方法，還處于人工檢測分級階段(初僑等：2015)。此外，我國蔬菜信息采集技術還比較落后，蔬菜分級指標無法準確識別，不同地區(qū)種植的蔬菜成熟狀態(tài)并不一致，蔬菜品質等級難以劃分，導致蔬菜機械化分級尤其困難。因此，我國需深入研究不同蔬菜的分級標準和方法，為蔬菜機械分級提供理論依據(jù)；同時需要對信息采集進行深入研究，加強蔬菜信息高精確采集的能力。
七、發(fā)展趨勢7
目前我國的農(nóng)業(yè)機械還處于初級研究階段，國外蔬菜生產(chǎn)機械化已經(jīng)很成熟，但相關機械體型較大，國內難以直接引進并使用，而國內的相關機械比較單一、零散，沒有配套的機械裝備生產(chǎn)鏈。蔬菜全程機械化生產(chǎn)仍有待深入研究發(fā)展。
7.1 加強基礎理論的研究
探索不同學科理論對機械設計的影響，得到最適合作業(yè)機具的理論基礎，如利用運動學、動力學、能量守恒等方法計算理論參數(shù)，利用ANSYS、Solidworks等軟件對機具的設計進行仿真模擬分析；總結其他領域經(jīng)驗應用于農(nóng)業(yè)機械裝備設計理念，如仿生學領域的抗阻穿山甲理論在耕整地機械設計上的應用，航空領域的無人機在農(nóng)業(yè)植保方面的應用，計算機領域在智慧農(nóng)業(yè)上的應用等。
7.2 農(nóng)機與農(nóng)藝融合發(fā)展
首先根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)藝標準和農(nóng)機現(xiàn)狀，設計一套適合大部分地區(qū)種植的農(nóng)藝標準，將農(nóng)機和農(nóng)藝充分結合，加速農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展。如針對甘藍的生產(chǎn)，可將南方地區(qū)的甘藍種植農(nóng)藝標準統(tǒng)一，再針對此農(nóng)藝標準進行全程機械裝備的研究開發(fā)，實現(xiàn)規(guī)模化全程機械化生產(chǎn)。
7.3優(yōu)化農(nóng)機結構，降低生產(chǎn)成本
在農(nóng)機設計過程中，應當考慮購買者的承受能力，在保證機械作業(yè)效果的前提下，盡量簡化機械結構，降低生產(chǎn)成本。如在保證動力的情況下，盡量選擇小型發(fā)動機，利用仿真軟件優(yōu)化其結構性能；在保證性能合格的情況下，選擇價格低、質量小的材料；探索不同的傳動方式，選擇生產(chǎn)成本低、結構簡單、使用方便的傳動方式等。
7.4 發(fā)展大型農(nóng)場，研發(fā)配套的大型智能農(nóng)業(yè)機具
政府鼓勵承包農(nóng)村荒廢土地，建立大型農(nóng)場，依靠科學技術和農(nóng)業(yè)機械技術將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉變?yōu)楝F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，研發(fā)智能農(nóng)業(yè)機具，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)出實現(xiàn)最大化。
7.5 發(fā)展都市農(nóng)業(yè)，構建生態(tài)城市
發(fā)展都市農(nóng)業(yè)既可充分利用城市土地，增大種植面積，又可構建生態(tài)城市，滿足城市居民的綠色需求。發(fā)展都市化農(nóng)業(yè)要求研發(fā)推廣智能化農(nóng)業(yè)機械、生產(chǎn)，如建設無人生菜水培工廠、垂直農(nóng)業(yè)工廠等。在都市農(nóng)業(yè)的機械化設計過程中，可以更多地應用智能設備，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉變?yōu)楣I(yè)生產(chǎn)模式，實現(xiàn)全自動生產(chǎn)模式。
文章來源：中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所