辜 松
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,廣州 510642)
2019年中央1號文件指出,“要加快突破農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù),強化創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展,實施農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)行動,培育一批農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略科技創(chuàng)新力量,推動生物種業(yè)、重型農(nóng)機、智慧農(nóng)業(yè)、綠色投入品等領(lǐng)域自主創(chuàng)新;建設(shè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域國家重點實驗室等科技創(chuàng)新平臺基地,打造產(chǎn)學(xué)研深度融合平臺,加強國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、科技創(chuàng)新聯(lián)盟、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)、科技園區(qū)等建設(shè)?!边@為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展提出明確方向和發(fā)展動力。本文針對園藝生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)種苗生產(chǎn)、無土栽培生產(chǎn)相關(guān)的機械化、自動化生產(chǎn)裝備發(fā)展進行分析。
設(shè)施園藝生產(chǎn)通過人工控制作物生長環(huán)境的技術(shù)手段,抵御自然環(huán)境惡劣氣候、土壤污染的影響,營造高效、高產(chǎn)生產(chǎn)模式,已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向之一[1-4]。設(shè)施園藝生產(chǎn)廣泛應(yīng)用于蔬菜與花卉生產(chǎn)中,近年國家投資補助建設(shè)了大批溫室,使得我國溫室種植面積已位居世界第一[2,3]。然而,我國設(shè)施園藝生產(chǎn)主要依靠人工進行生產(chǎn)作業(yè),這種模式難以適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn),勞動強度大,生產(chǎn)效率低,人工成本高,產(chǎn)出效益不理想[5-7]。因此,在溫室面積大幅提高的形勢下,生產(chǎn)作業(yè)裝備必須相輔相成并行推進,而適合我國國情的設(shè)施園藝自動化生產(chǎn)裝備技術(shù),是設(shè)施園藝規(guī)模化生產(chǎn)可持續(xù)化發(fā)展的基本技術(shù)保證。
設(shè)施園藝生產(chǎn)裝備開發(fā)的目的不僅僅是實現(xiàn)規(guī)?;咝a(chǎn),也是改善設(shè)施內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境、降低勞動強度、實施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段,并據(jù)此吸引高素質(zhì)人才務(wù)農(nóng),解決農(nóng)業(yè)勞動力緊張問題,提升設(shè)施園藝生產(chǎn)的綜合競爭能力。綜上所述,設(shè)施園藝生產(chǎn)裝備開發(fā)的目的包括:①提高生產(chǎn)作業(yè)生產(chǎn)率,實現(xiàn)規(guī)?;咝б嫔a(chǎn);②減少生產(chǎn)作業(yè)人工量,降低生產(chǎn)人工成本;③改善生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,降低勞動強度,吸引高素質(zhì)人才;④實現(xiàn)生產(chǎn)人員優(yōu)化管理,促進企業(yè)先進技術(shù)的引進與推廣;⑤構(gòu)建規(guī)?;⒆詣踊?、信息化生產(chǎn)模式,實現(xiàn)智能生產(chǎn)與管理,提高企業(yè)的行業(yè)競爭力;⑥實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。
分析設(shè)施園藝自動化生產(chǎn)裝備,必提荷蘭。荷蘭農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件并不理想,日照不充足,年平均氣溫不高,耕地面積有限,上世紀60年代開始借助先進工業(yè)技術(shù)實施資金換空間、拿效益的戰(zhàn)略,經(jīng)過幾十年的努力,在溫室生產(chǎn)栽培技術(shù)與生產(chǎn)作業(yè)技術(shù)及裝備方面走在了世界前列,開發(fā)出基于溫室生產(chǎn)的物流化種苗生產(chǎn)技術(shù)體系(圖1)、物流化盆栽花卉生產(chǎn)體系(圖2)及蔬菜巖棉栽培生產(chǎn)體系(圖3)等,成為世界范圍內(nèi)設(shè)施園藝生產(chǎn)先進技術(shù)的典范[5-8]。
圖1 種苗物流化生產(chǎn)體系
圖2 盆栽花卉物流化生產(chǎn)體系
圖3 溫室蔬菜巖棉栽培生產(chǎn)體系
圖4 設(shè)施園藝生產(chǎn)智能化控制管理系統(tǒng)
荷蘭還在溫室生產(chǎn)中針對種植對象構(gòu)建了栽培管理專家系統(tǒng),實施栽培環(huán)境及肥水施用自動控制,通過視覺、環(huán)境傳感器等在控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中記錄長勢狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)及生產(chǎn)信息,自動監(jiān)測種植對象的生長狀況和環(huán)境狀態(tài)(圖4),除完成生產(chǎn)裝備集成自動控制外,還可進行生產(chǎn)品質(zhì)管理、勞動力管理、成本核算,并實施訂單生產(chǎn),實現(xiàn)設(shè)施園藝種植自動化、信息化、智能化生產(chǎn)[5-8]。另外,荷蘭在水培葉菜生產(chǎn)裝備等其他設(shè)施園藝自動化生產(chǎn)裝備技術(shù)方面也處于先進水平[9-14]。
以色列針對其土地貧瘠和缺水的特點,在設(shè)施園藝生產(chǎn)中經(jīng)歷了大水漫灌、溝灌、噴灌和滴灌幾代灌溉模式,目前,在水溶肥施用技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先水平[15],Netafim公司等建立起一整套成熟的水肥一體化灌溉技術(shù)體系,其滴灌、管路電磁閥、比例施肥器、肥水過濾器及成套施肥機等裝備的技術(shù)水平先進[1,3,4,15]。
美國設(shè)施園藝生產(chǎn)以規(guī)?;?、集約化及機械化著稱,2015年美國溫室面積超過15 hm2的花卉企業(yè)有40家,其中最大一家溫室面積達200 hm2。設(shè)施園藝生產(chǎn)企業(yè)注重以實用和效益為導(dǎo)向選擇技術(shù)裝備,充分利用溫室空間,降低勞動力使用量,提高生產(chǎn)率。美國在自行開發(fā)適合大規(guī)模溫室生產(chǎn)使用的精量播種生產(chǎn)線、基質(zhì)處理裝備及懸吊栽培設(shè)備等作業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,廣泛引進荷蘭等歐洲先進的種苗移植機、物流輸送等技術(shù)裝備,技術(shù)路線則采用了開發(fā)與拿來并用的實用主義模式[16]。
日本在設(shè)施種植作物生長模型、自動嫁接技術(shù)、閉鎖式種苗培育設(shè)施以及植物工廠方面進行了廣泛的研究[17],其國內(nèi)多家大型企業(yè)針對植物工廠進行了生產(chǎn)實踐[18]。在蔬菜種苗生產(chǎn)和芽菜生產(chǎn)方面,日本也嘗試引進荷蘭的物流輸送裝備,建立智能化種苗生產(chǎn)系統(tǒng)與芽菜生產(chǎn)系統(tǒng)。
我國設(shè)施園藝始于蔬菜生產(chǎn),山東省廣泛采用日光溫室種植蔬菜已有30多年的歷史,上世紀90年代其蔬菜種植面積、產(chǎn)量及商品率已居全國前列;江蘇省通過“十五”期間的建設(shè),設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)成為高效農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),2011年設(shè)施園藝面積達耕地面積的12.2%,居全國第一[3];北京與上海等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)通過引進國外先進技術(shù),在城市周邊建起了一批基于現(xiàn)代種植技術(shù)的連棟溫室;福建省、云南省及廣東省等依靠設(shè)施園藝分別進行蔬菜種苗、鮮切花及盆栽花卉生產(chǎn)??v觀我國設(shè)施園藝,有如下生產(chǎn)特點。
從1999年開始,我國設(shè)施園藝面積一直保持世界第一位,占世界總面積85%以上[3],2013年達到187.4萬 hm2[4],2017年超過 370.0萬 hm2[19]。以區(qū)域來看,環(huán)渤海灣及黃淮地區(qū)是我國設(shè)施蔬菜主要產(chǎn)地,占總面積的60%;長江中下游地區(qū)占總面積的 20%;近年來,西北地區(qū)設(shè)施蔬菜發(fā)展迅猛,目前已占總面積的10%[20]。
依據(jù)地理氣候,北方主要為日光溫室,實現(xiàn)越冬及早春果菜生產(chǎn),南方則以塑料大棚及簡易設(shè)施為主,實現(xiàn)冬季果菜、根菜、葉菜生產(chǎn)。2013年我國連棟溫室面積為5.7萬hm2,日光溫室面積為61.2萬 hm2,溫室大棚面積為120.5萬hm2,各類型占比分別為3%、32.7%、64.3%[4],2016年各類型占比分別變化為2.5%、31.7%、65.8%[20]。這說明我國設(shè)施園藝生產(chǎn)中溫室大棚起到?jīng)Q定性作用,占比一直接近2/3。
我國設(shè)施園藝生產(chǎn)由初始單一生產(chǎn)蔬菜和瓜果,已擴展到種植食用菌、中草藥、花卉等多種經(jīng)濟作物領(lǐng)域,但是蔬菜仍占絕對多數(shù),2010年設(shè)施蔬菜面積仍占94.8%,設(shè)施果樹占2.6%,設(shè)施花卉僅占2.5%[1],2014年各占比依次為94.5%、2.3%、3.2%[2]。這說明設(shè)施蔬菜種植面積一直處于95%左右的占比。
國外設(shè)施蔬菜生產(chǎn)葉菜主要集中在生菜、番茄、黃瓜和甜椒幾大類上,但是我國設(shè)施生產(chǎn)的主要蔬菜有生菜、菜心、芥蘭、上海青、黃瓜、甜瓜、番茄、甜椒、尖椒、茄子等,比國外種類多、門類要復(fù)雜。
中國設(shè)施園藝栽培面積雖然位居世界第一,但種植以個體農(nóng)戶小規(guī)模經(jīng)營為主,經(jīng)濟投入能力不足,設(shè)施結(jié)構(gòu)性能差、空間小,機械作業(yè)水平極低,內(nèi)部環(huán)境調(diào)控、播種、移栽、灌溉及生產(chǎn)材料的輸送等生產(chǎn)作業(yè)主要依靠人力完成,勞動強度大、勞動環(huán)境惡劣、勞動生產(chǎn)率低等情況普遍存在[4,7,20]。
從種植收益來看,通常情況下, 花卉的產(chǎn)值在15萬元/hm2以上,蔬菜為9萬~12萬元/hm2[23],因此,設(shè)施花卉生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)施與裝備技術(shù)水平明顯高于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)企業(yè),這種規(guī)律同荷蘭等設(shè)施園藝先進國家的表現(xiàn)一致[5,6]。
近年在國家政策與食品安全因素的推動下,大量非農(nóng)資金強勢進軍設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn),如恒大、碧桂園、京東等超大型企業(yè)均高調(diào)引進國外成套設(shè)備與技術(shù),建立技術(shù)先進的生產(chǎn)基地。超大型企業(yè)的進入為設(shè)施園藝生產(chǎn)帶來了活力,提升了設(shè)施與裝備的技術(shù)水平,帶動了整體技術(shù)裝備的升級換代,是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的推動力,今后需關(guān)注的是其生產(chǎn)的可持續(xù)性。
國內(nèi)一些大型設(shè)施園藝生產(chǎn)企業(yè)引進以荷蘭為首的歐洲先進生產(chǎn)裝備,如荷蘭Visser、TTA等公司的花卉種苗移植機,丹麥Ellegaard的紙缽機,德國Mayer及荷蘭Javo的質(zhì)攪拌機基質(zhì)裝填機[7,8],荷蘭Priva、Hotimax及以色列Netafim的施肥機等,在生產(chǎn)中起到了降低勞動強度、提高生產(chǎn)率、改善作業(yè)質(zhì)量、節(jié)水節(jié)肥量的作用,促進了我國設(shè)施園藝生產(chǎn)技術(shù)水平提高。這些歐洲先進的裝備技術(shù)也為我國設(shè)施生產(chǎn)裝備的開發(fā)提供了非常好的引領(lǐng)作用。
一些大專院校、科研單位及設(shè)施裝備生產(chǎn)企業(yè)圍繞溫室園藝生產(chǎn)各環(huán)節(jié)開展了光溫室環(huán)境控制、輸送裝備、移植裝備、播種裝備、物流輸送裝備、穴盤播種機、攪拌機等方面的研究與開發(fā),推動了國內(nèi)設(shè)施園藝生產(chǎn)的技術(shù)水平的提高[7]。針對國產(chǎn)裝備技術(shù)的研發(fā),一方面使國內(nèi)設(shè)施種植企業(yè)直接受益得到價廉物美的裝備產(chǎn)品,另一方面,可以對國外相應(yīng)產(chǎn)品起到平抑價格的作用,國內(nèi)設(shè)施種植企業(yè)間接收益。
2010年天津濱海國際花卉科技有限公司針對盆栽紅掌,率先在國內(nèi)引入成套荷蘭Codema公司大型苗床輸送物流化生產(chǎn)裝備[7],由此開始我國陸續(xù)以成套或關(guān)鍵裝備形式引進荷蘭Vanzaal、TTA及Visscon等公司的物流化生產(chǎn)裝備,我國部分設(shè)施盆栽花卉、種苗及水培葉菜生產(chǎn)企業(yè)達到了物流化自動生產(chǎn)模式,使我國設(shè)施園藝生產(chǎn)裝備技術(shù)與信息化管理水平提到一個新高度。
2013年開始,北京華農(nóng)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司開始形成國產(chǎn)化大型苗床物流輸送裝備系統(tǒng),基于國產(chǎn)設(shè)備配套個別環(huán)節(jié)荷蘭裝備,先后建成了上海大地園藝種苗有限公司種苗物流化自動生產(chǎn)系統(tǒng)、江蘇溧陽盆栽蝴蝶蘭物流化生產(chǎn)系統(tǒng)、蒙草種苗物流化自動生產(chǎn)系統(tǒng)等,目前已基本實現(xiàn)大型苗床物流化生產(chǎn)系統(tǒng)全套裝備國產(chǎn)化。
上世紀90年代,美國Blackmore及英國Hilton等公司的精量播種機開始引入我國,當(dāng)時美國播種機銷售價格90萬元;2000年以后,荷蘭Visser公司與意大利Mosa等歐洲公司的精量播種機引入我國花卉種植和種苗生產(chǎn)企業(yè),銷售價格為幾十萬元;這期間我國播種機的研發(fā)也進入高潮,幾乎每個省份都有生產(chǎn)廠家,經(jīng)過市場洗禮,涌現(xiàn)出一批作業(yè)質(zhì)量穩(wěn)定、做工優(yōu)良、售后完善的生產(chǎn)企業(yè),其品牌如浙江的賽德林、山東的易博及廣東的綠翔等,它們將穴盤精量播種機的價格降到了10萬元,有些產(chǎn)品更是降到了5萬元以下,穴盤播種機已成為有一定規(guī)模的種苗生產(chǎn)企業(yè)的標配設(shè)備。
中型規(guī)模設(shè)施園藝企業(yè)受困于規(guī)?;a(chǎn)需求、勞動力成本攀升、企業(yè)資金有限多重壓力,部分企業(yè)自行開發(fā)簡易型物流化生產(chǎn)裝置與物流輸送裝置。廣東繽紛園藝公司在小盆栽花卉生產(chǎn)中開發(fā)出基質(zhì)攪拌、基質(zhì)自動裝盆、種苗自動移植及軌道車種苗穴盤及盆栽托盤輸送的設(shè)備;云南云秀花卉有限公司在盆栽玫瑰生產(chǎn)中,開發(fā)出簡易苗床栽培與軌道電動運送裝置。但是,由于物流輸送設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,系統(tǒng)性不強,輸送能力有限,難以適用大規(guī)模生產(chǎn)[7]。
通過引進,一些大型龍頭企業(yè)設(shè)施園藝生產(chǎn)裝備水平已處以國際先進水平;通過“十五”以來國家科研項目的推動,各省構(gòu)建起一批裝備生產(chǎn)水平較高的種苗生產(chǎn)企業(yè)和蔬菜、花卉示范生產(chǎn)基地;但是,中國廣大的溫室大棚、日光溫室種植戶的生產(chǎn)水平極低[21]。目前,設(shè)施園藝整體機械化作業(yè)水平遠低于40%,設(shè)施園藝整體生產(chǎn)裝備發(fā)展仍處于初級階段[22],仍有很長的路要走。
我國大多數(shù)農(nóng)戶建造的塑料大棚和日光溫室普遍沒有環(huán)境調(diào)控裝置,溫、光、水、氣等調(diào)控能力差[20,21],不具備硬件條件;很多設(shè)施園藝種植企業(yè)雖然安裝了環(huán)境調(diào)控設(shè)備,但是管理粗放,仍依靠溫度計觀測溫度,通風(fēng)、加溫、加濕、遮陽等作業(yè)均靠人工控制,未能實施自動檢測、自動集成控制;絕大部分具有先進環(huán)境調(diào)控設(shè)備的溫室雖具備自動調(diào)控硬件條件,但缺少植物生長模型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),軟件條件缺失,未形成的專家栽培管理系統(tǒng)指導(dǎo)功能,調(diào)控效果不精準不對路,內(nèi)部環(huán)境調(diào)控滯后。其結(jié)果導(dǎo)致我國溫室番茄平均年產(chǎn)量達10~15 kg/m2,黃瓜15~20 kg/m2,為國際先進水平的20%~25%[20]。
從目前由國外引進的一些嫁接機、花卉種苗移植機等設(shè)備看,由于栽培模式、生產(chǎn)作業(yè)模式、使用基質(zhì)及穴盤形式等條件的不同,造成國外設(shè)備無法真正用于實際生產(chǎn),國外設(shè)備生產(chǎn)效率難以發(fā)揮出來。
與國外發(fā)達國家相比,我國設(shè)施園藝發(fā)展技術(shù)起點較低,國外技術(shù)引進渠道繁多,多種種植模式并存;我國蔬菜品種多,且設(shè)施生產(chǎn)中未能形成標準化生產(chǎn)農(nóng)藝流程,栽培對象沒有確定的栽培規(guī)范、生產(chǎn)資材。二者造成相應(yīng)裝備開發(fā)困難。
荷蘭實現(xiàn)了設(shè)施園藝高投入、高產(chǎn)出、高收益生產(chǎn),形成設(shè)施園藝領(lǐng)域的主流理念,這種理念在我國設(shè)施園藝領(lǐng)域也是諸多業(yè)者的追求目標。但是,中國設(shè)施園藝生產(chǎn)的特點決定了這個理念難以復(fù)制,其主要阻礙因素是設(shè)施園藝的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)問題。在國際上,由于花卉的效益比蔬菜高,荷蘭溫室58%用于花卉生產(chǎn),其余是蔬菜生產(chǎn);以色列溫室65%分布在南方種植花卉,35%在北方種植蔬菜;美國68.4%溫室進行花卉生產(chǎn),少量種植蔬菜??梢钥闯鲆陨先齻€設(shè)施園藝發(fā)達國家均是效益高的花卉占絕對優(yōu)勢地位[23]。反觀我國,90%以上溫室進行蔬菜生產(chǎn),另外還有3倍于溫室面積的露地也在進行蔬菜生產(chǎn),并且目前我國蔬菜生產(chǎn)總體供給處于過剩狀態(tài)[25],蔬菜價格承受著多重因素壓制,使得設(shè)施蔬菜生產(chǎn)效益更加無法與設(shè)施花卉生產(chǎn)相比[23],因此,設(shè)施園藝在蔬菜生產(chǎn)高占比條件下難以實現(xiàn)高效益。
為解決我國目前設(shè)施園藝生產(chǎn)品種繁多、栽培方法不統(tǒng)一、使用資材類型繁雜,制約設(shè)施生產(chǎn)裝備開發(fā)進程的問題,必須加強農(nóng)機農(nóng)藝融合,加速開展主要設(shè)施園藝生產(chǎn)作物農(nóng)藝生產(chǎn)流程、生產(chǎn)資材規(guī)范的研究與制定工作,為設(shè)施園藝生產(chǎn)裝備開發(fā)提供明確的作業(yè)條件、清晰的技術(shù)要求。
針對作物溫濕度、光照、營養(yǎng)等栽培環(huán)境條件的優(yōu)化,開展細致的植物生長模型基礎(chǔ)研究,為園藝設(shè)施生長環(huán)境自動調(diào)控提供精準可依的控制模型,促進專家栽培管理系統(tǒng)的構(gòu)建,充分利用設(shè)施內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)與水肥供給系統(tǒng)的自動化管控效能,切實提高我國設(shè)施園藝生產(chǎn)的產(chǎn)出水平。
我國連棟溫室占溫室總量不到5%,成本低廉的以蔬菜生產(chǎn)為主的溫室大棚及日光溫室占90%以上,生產(chǎn)蔬菜的廣大設(shè)施種植戶無力承受高價格的自動化裝備。因此,在針對連棟溫室生產(chǎn)研制高性能、高水平、體現(xiàn)我國最高技術(shù)能力的生產(chǎn)裝備同時,應(yīng)該圍繞環(huán)境控制、播種、灌溉、運輸?shù)茸鳂I(yè)環(huán)節(jié),針對溫室大棚及日光溫室生產(chǎn)大力開發(fā)輕簡化設(shè)施生產(chǎn)、輸送設(shè)備與器具,全面提高我國設(shè)施園藝生產(chǎn)的整體作業(yè)技術(shù)水平。
面對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)“調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式”的新要求[22],通過對設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、消費市場的政策引導(dǎo),加速設(shè)施園藝生產(chǎn)向高收益作物方向調(diào)整,改變目前設(shè)施園藝以蔬菜為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),打通設(shè)施園藝在我國難以依托高水平技術(shù)裝備手段實施高投入、高產(chǎn)出、高效益路線的卡脖子環(huán)節(jié),提高設(shè)施園藝生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展能力。
學(xué)習(xí)設(shè)施園藝技術(shù)先進國家荷蘭、以色列及日本等國的經(jīng)驗,在各區(qū)域國家級農(nóng)業(yè)研發(fā)中心設(shè)立設(shè)施園藝開放研究平臺,提供優(yōu)惠條件吸引栽培專家與裝備開發(fā)專家共同進駐,促進農(nóng)機農(nóng)藝融合開發(fā),加速設(shè)施園藝生產(chǎn)高新技術(shù)的孵化速度。