草莓全程生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

劉繼展 吳 碩

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

草莓的生長(zhǎng)環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，在世界范圍內(nèi)，從熱帶到北極圈附近均可栽培種植。目前，已有100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)種植草莓，在世界小漿果生產(chǎn)中草莓產(chǎn)量居于首位。中國(guó)作為世界草莓第一生產(chǎn)國(guó)，2018年草莓種植面積占世界的29.8%，而產(chǎn)量則占世界總產(chǎn)量的35.6%，總產(chǎn)值已超過(guò)600億元[1-2]。

草莓生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)眾多，以鮮食為主。目前，草莓生產(chǎn)機(jī)械化水平總體偏低，對(duì)人工的依賴非常嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)草莓機(jī)械化生產(chǎn)已成為各國(guó)研究重點(diǎn)。草莓具有獨(dú)特的植物學(xué)特征和栽培要求，且在全球不同國(guó)家和地區(qū)，其栽培模式、經(jīng)營(yíng)規(guī)模等也差異很大，因此其生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備也各具特點(diǎn)。

本文在分析我國(guó)草莓種植技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家的草莓生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題提出我國(guó)草莓生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備的發(fā)展方向，以期為我國(guó)草莓產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化、現(xiàn)代化發(fā)展提供參考。

1 草莓產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

1.1 草莓種植分布與規(guī)模

據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)，全球草莓的種植規(guī)模和產(chǎn)量呈不斷增長(zhǎng)狀態(tài)，2018年全球草莓總種植面積達(dá)37.24萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)888.71萬(wàn)t，與1961年相比種植面積增長(zhǎng)了2.96倍，產(chǎn)量則增長(zhǎng)了10倍以上。

世界上最大的草莓產(chǎn)區(qū)分別為亞洲、歐洲和北美地區(qū)，草莓種植面積居前列的國(guó)家依次為中國(guó)、波蘭、俄羅斯、美國(guó)、西班牙和日本，而產(chǎn)量最大的國(guó)家則依次為中國(guó)、美國(guó)、西班牙、俄羅斯、波蘭和日本。其中中、美兩國(guó)的總產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的近1/2。單產(chǎn)水平美國(guó)最高，超過(guò)65 kg/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家和世界平均水平。

我國(guó)草莓種植從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)入高速發(fā)展階段，2018年我國(guó)草莓總種植面積和總產(chǎn)量分別達(dá)13萬(wàn)hm2和340萬(wàn)t，單產(chǎn)水平(26.67 kg/m2)亦高出世界平均水平(22.39 kg/m2)，但與美國(guó)、西班牙、日本等國(guó)相比仍有差距。

我國(guó)草莓種植規(guī)模和產(chǎn)量最大的省份包括山東省、江蘇省、遼寧省、河北省、安徽省等(圖1)。安徽省、江蘇省、山東省的草莓種植規(guī)模最大，超過(guò)或接近1.8萬(wàn)hm2；山東省、江蘇省、安徽省、河北省、遼寧省產(chǎn)量分別達(dá)到69、46、46、44、42萬(wàn)t(圖2)。安徽省長(zhǎng)豐、遼寧省東港、江蘇省東海、江蘇省句容、江蘇省常州羅溪鎮(zhèn)、浙江省奉化尚田鎮(zhèn)、云南省永仁、上海市青浦趙屯鎮(zhèn)、河南省中牟等已形成了全國(guó)主要的草莓種植基地[3]。

1.2 草莓種植模式

歐美和日韓的草莓生產(chǎn)具有不同特色。歐美普遍以露地壟栽草莓的大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化種植為主，而日本、韓國(guó)等東亞國(guó)家由于土地資源緊張和高端化、精品化種植策略，其草莓栽培主要以溫室促成栽培為主。

中國(guó)地域遼闊，草莓栽培分布很廣，種植模式多種多樣，主要包含平地栽培、高壟栽培、高架栽培和其他立體栽培方式。20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)草莓以露地栽培為主；20世紀(jì)90年代以后普遍采用小拱棚半促成栽培、普通大棚與日光溫室促成栽培。

1.2.1平地栽培

平地栽培一般指平地畦栽與行栽，該種植模式下，草莓均匐地生長(zhǎng)，果實(shí)與土壤接觸，灌水或降雨后易積水，且光照不佳，易污染葉片或果實(shí)，果實(shí)易感灰霉病，果實(shí)著色較差，從而影響果實(shí)品質(zhì)。同時(shí)彎腰或趴伏從事農(nóng)事操作的強(qiáng)度過(guò)大、費(fèi)事費(fèi)力，因而便于田間管理，透氣性和光照條件更好的高壟栽培已逐漸成為主流，更加省力化、減少連作障礙和清潔、高效的高架栽培正在快速發(fā)展。

1.2.2高壟栽培

高壟栽培是把栽培行做成一定高度的壟，作物種在壟上的一項(xiàng)栽培方式[4]。高壟栽培具有土壤保溫性好、通風(fēng)透氣節(jié)水、便于田間管理、降低病害發(fā)生、提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。由于高壟栽培的水肥調(diào)控、草莓品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)等突出優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)中得到了廣泛運(yùn)用，成為目前的草莓主流種植模式，面積達(dá)90%以上。

不同草莓品種都有相應(yīng)的起壟規(guī)范(圖3)，以寧玉草莓為例，標(biāo)準(zhǔn)的壟體規(guī)格為壟寬連溝為100 cm，壟高35 cm，壟面寬60 cm[5]。但在實(shí)際種植起壟過(guò)程中，農(nóng)戶會(huì)結(jié)合草莓品種和場(chǎng)地規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)鎮(zhèn)江市左湖村草莓種植散戶、江蘇省農(nóng)科院溧水草莓基地和金壇市一號(hào)農(nóng)場(chǎng)等實(shí)地調(diào)研，其起壟規(guī)格存在一定差異，如圖4所示。

1.2.3高架栽培

高架栽培是通過(guò)在溫室大棚內(nèi)建造具有一定高度和寬度的高架栽培床，將栽培基質(zhì)均勻攤鋪在栽培床內(nèi)，草莓置于高架栽培床上進(jìn)行栽培。該技術(shù)最先由日本研究推廣，將草莓栽植管理高度提高到適宜人工作業(yè)的高度，以便于園藝操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度[6]。且離地高架立體基質(zhì)栽培，有效地利用了溫室空間和避免了土傳病蟲(chóng)害的危害，草莓根系生長(zhǎng)好，有益于草莓的增產(chǎn)、農(nóng)民增收，符合未來(lái)草莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，已成為目前大力推廣的省力化栽培技術(shù)[7]。

草莓高架栽培床主要由栽培架和栽培槽(栽培袋)組成，栽培架支撐在地面上，栽培槽固定安裝在栽培架上，不同區(qū)域的草莓高架栽培技術(shù)規(guī)程略有不同。以安徽省為例，其栽培架高度要求為1.2 m左右，栽培架間距離不得小于0.8 m；栽培槽主要有兩種形式：由塑料板壓制而成的U型槽；由無(wú)紡布(或紗網(wǎng))和黑色塑料膜(防滲膜)構(gòu)成的W型或U型栽培槽，裝好珍珠巖、蛭石、草炭等混合基質(zhì)后，塑料膜和無(wú)紡布之間留5～10 cm空隙作為排水通道。栽培槽上口的寬度為20～40 cm[8-9]，如圖5所示。

1.2.4其他種植模式

(1)A字架多層栽培是由支架和栽培槽組成，支架采用不銹鋼、角鋼等制作成“A”字形，兩邊脊上分別安裝3層或4層半圓形PVC材質(zhì)的栽培槽，每條栽培槽基質(zhì)表面沿草莓植株近旁鋪設(shè)滴灌帶或配置營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。該栽培模式結(jié)構(gòu)緊湊，多層種植的土地利用率和產(chǎn)量較高(圖6a)。

(2)H型架雙層栽培是設(shè)立高架進(jìn)行直立上下雙層栽培的模式(圖6b)，上層栽培槽距地面150 cm左右，下層栽培槽距地面85 cm左右，以雙行栽培為主，可實(shí)現(xiàn)滴灌水肥一體化。該模式的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)一步提高了大棚空間利用率，有效提高產(chǎn)量。但是，其上層環(huán)境條件好，而下層的積溫、光照強(qiáng)度均較弱，造成草莓生長(zhǎng)弱、果實(shí)著色差、味道淡、產(chǎn)量低。因此，生產(chǎn)中多采用上層種植草莓、下層種植喜陰耐涼的食用菌等套種方式，食用菌呼吸代謝產(chǎn)生的二氧化碳可以供給草莓進(jìn)行光合作用，而草莓的光合作用又為食用菌的生長(zhǎng)補(bǔ)充了新鮮氧氣，使溫室內(nèi)部形成氣體內(nèi)循環(huán)，兩者互為補(bǔ)充，相得益彰，既減少了溫室的放風(fēng)時(shí)間，最大限度地利用太陽(yáng)能和溫室空間，又大大地提高了生產(chǎn)效率[10]。

(3)管道式栽培由若干根管道間隔排列組成蔬菜栽培管道(圖6c)，管道上開(kāi)設(shè)用于栽種的定植孔，通過(guò)根部水培或氣霧培進(jìn)行作物生產(chǎn)。多用PVC管材為管道，由于其建造成本不高、管理方便、并可搭建不同立體架型，使草莓的管道種植模式在各地不斷涌現(xiàn)。

(4)立柱式栽培采用環(huán)保型塑料栽培缽，經(jīng)立柱串連而成(圖6d)，營(yíng)養(yǎng)液從上端逐一滲入下一層，經(jīng)液管回收循環(huán)利用。立柱上栽培缽可自由旋轉(zhuǎn)，使草莓均勻采光。此種栽培模式可充分利用溫室空間，顯著提高單位面積的草莓產(chǎn)量。

1.3 草莓種植管理

草莓是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，設(shè)施促成栽培的草莓從9月秧苗定植到翌年5月采收完成，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月，大量的管理操作和精細(xì)的處理程序使其產(chǎn)生較高的人工成本，從定植、植保、授粉、打葉到收獲采摘作業(yè)環(huán)節(jié)眾多(圖7)。同時(shí)，高壟栽培需要大量勞動(dòng)力在狹小壟溝內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間彎腰或下蹲勞作，勞動(dòng)強(qiáng)度極大。而高架和管道等無(wú)土栽培，盡管將人工從彎腰或下蹲作業(yè)中解脫出來(lái)，但由于栽培由地面向空中轉(zhuǎn)移，各類常規(guī)地面土地耕整及植株管理作業(yè)機(jī)械均無(wú)法適用，種植管理更依賴于人工。

2 草莓種植機(jī)械化技術(shù)現(xiàn)狀

歐美國(guó)家普遍以露地壟栽為主，其草莓生產(chǎn)作業(yè)裝備，無(wú)論耕整、移栽、植保、授粉、收獲、田間轉(zhuǎn)運(yùn)等，均以大型化為主。而中國(guó)、日本、韓國(guó)等東亞國(guó)家土地資源緊張，草莓生產(chǎn)以精益種植管理為主，各類生產(chǎn)作業(yè)裝備以溫室的小型化機(jī)器為主。不同地區(qū)和國(guó)家的草莓生產(chǎn)機(jī)械化具有明顯的特色。

2.1 耕整與基質(zhì)管理機(jī)械

2.1.1我國(guó)耕整與基質(zhì)管理機(jī)械

目前在寬度6 m及以上的塑料大棚和日光溫室中，微耕機(jī)或手扶式拖拉機(jī)加裝耕整地機(jī)械的使用率較高，但現(xiàn)有耕整機(jī)械并非針對(duì)草莓研發(fā)，其開(kāi)溝深度、起壟高度達(dá)不到草莓種植農(nóng)藝要求，且開(kāi)溝起壟穩(wěn)定性差，需要人工完成溝壟整形[11]。董新民[12]開(kāi)展了設(shè)施草莓起壟機(jī)的起壟刀具、起壟成型板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作(圖8)，通過(guò)在起壟刀與開(kāi)溝刀之間添加螺旋刀，把開(kāi)溝、起壟后的土往中間輸送，增大開(kāi)溝起壟的土量，同時(shí)輔以仿壟型的成型板，使壟的成型效果更好。市場(chǎng)也逐步出現(xiàn)了其他新型草莓起壟機(jī)，如YT8-K30型草莓開(kāi)溝起壟精整機(jī)取得了良好的試驗(yàn)與示范效果[13]。

在草莓高壟栽培中，可在栽植前噴上除草劑和殺蟲(chóng)劑，再將壟面和壟溝覆蓋上黑色薄膜，起到保水、保濕、促進(jìn)根系發(fā)育、清潔防菌病等作用。我國(guó)已經(jīng)有成熟的中大型機(jī)引鋪膜機(jī)，機(jī)型有開(kāi)溝鋪膜機(jī)、開(kāi)溝鋪膜播種機(jī)、起壟鋪膜機(jī)等，同時(shí)手扶式噴藥鋪膜機(jī)、小型鋪膜機(jī)[14]也陸續(xù)出現(xiàn)，但適用于溫室高壟草莓生產(chǎn)的專用小型鋪膜機(jī)還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

草莓的高架無(wú)土栽培得到了快速發(fā)展，立體設(shè)施內(nèi)基質(zhì)連續(xù)多茬栽培易導(dǎo)致連作障礙，基質(zhì)的定期更換或消毒是基質(zhì)栽培中的重要管理環(huán)節(jié)。筆者針對(duì)高架無(wú)土栽培的基質(zhì)攤填多環(huán)節(jié)、大強(qiáng)度作業(yè)，設(shè)計(jì)了集基質(zhì)運(yùn)送、箱內(nèi)出料、雙側(cè)分料落料和均勻攤填為一體的高架栽培基質(zhì)自動(dòng)移動(dòng)攤鋪機(jī)和配套的基質(zhì)自動(dòng)挖料上料機(jī)(圖9)，可實(shí)現(xiàn)高架自適應(yīng)的雙側(cè)基質(zhì)精量攤鋪?zhàn)鳂I(yè)[15]。

由于傳統(tǒng)化學(xué)消毒手段對(duì)人員和環(huán)境副作用大[16]，物理消毒受到了重視。常澤輝等[17]提出一種新型聚光回?zé)崾教?yáng)能土壤滅蟲(chóng)除菌裝置(圖10a)，利用太陽(yáng)能加熱流動(dòng)空氣對(duì)栽培基質(zhì)進(jìn)行消毒，但存在受季節(jié)及天氣等自然條件影響的問(wèn)題。卓杰強(qiáng)等[18]研制了無(wú)土栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)(圖10b)，采用臺(tái)式作業(yè)方式，基質(zhì)裝入消毒箱罐體，由燃油蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的120～200℃高溫蒸汽對(duì)罐體內(nèi)基質(zhì)進(jìn)行高溫消毒處理，同時(shí)攪拌葉片對(duì)基質(zhì)進(jìn)行攪拌。試驗(yàn)表明消毒15 min的滅菌率達(dá)到99%。我國(guó)也開(kāi)發(fā)了土壤火焰消毒機(jī)，配置9～12個(gè)燃燒器。經(jīng)試驗(yàn)表明，其土壤病原菌、線蟲(chóng)及蟲(chóng)卵等殺滅率達(dá)85%以上[19]。王振躍等[20]研究發(fā)現(xiàn)，利用500 W微波發(fā)生器處理10 min對(duì)5 cm土層深度內(nèi)的細(xì)菌和線蟲(chóng)殺滅效果最佳，殺滅率分別為74.15%和70.17%。薛曉莉等[21]通過(guò)微納米曝氣技術(shù)將臭氧與水高效混合成高濃度的臭氧水，從而達(dá)到對(duì)土壤殺菌消毒的目的，但還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

2.1.2國(guó)外耕整與基質(zhì)管理機(jī)械

起壟、覆膜是各類農(nóng)田種植中應(yīng)用廣泛的機(jī)械設(shè)備，但草莓栽培要求起高度300 mm以上的高壟，對(duì)設(shè)備提出了特殊要求。美國(guó)Kennoco制造公司開(kāi)發(fā)配套的系列草莓高壟耕整機(jī)械和高壟覆膜機(jī)械(圖11)，可實(shí)現(xiàn)高壟緊實(shí)的塑形，壟體可使用多季。而日本PLUS Y’S 公司的手扶式草莓起壟機(jī)，僅108 kg，最大輸出功率達(dá)到4.725 kW，結(jié)構(gòu)緊湊，適合于設(shè)施草莓種植的高壟開(kāi)筑。

國(guó)外土壤、基質(zhì)消毒主要采用蒸汽消毒、火焰消毒、微波消毒、臭氧消毒等方式(圖12)，F(xiàn)errari Costruzioni Meccaniche公司開(kāi)發(fā)的綜合蒸汽消毒機(jī)，蒸汽流量可達(dá)到120 kg/(m2·h)。德國(guó)MSD公司生產(chǎn)的moeschle系列蒸汽發(fā)生器可根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要，將蒸汽流量控制在1.0～25.0 m3/h。意大利MINGOZZI集團(tuán)旗下的Pirodiserbo公司開(kāi)發(fā)了系列火焰土壤消毒裝備，可在溫室大棚作業(yè)，處理時(shí)間2 s以上即可達(dá)到土樣24 h后無(wú)細(xì)菌生成的目標(biāo)[22]。德國(guó)車(chē)荷恩赫農(nóng)業(yè)機(jī)械公司研制的6 000 W微波滅蟲(chóng)犁，可消滅50 cm土層深度內(nèi)的害蟲(chóng)[23]。TAKAYAMA等[24]開(kāi)發(fā)了一種用于土壤消毒的臭氧生成系統(tǒng)，通過(guò)將臭氧注入到土壤中，減少土壤中的致病菌。

2.2 草莓秧苗移栽機(jī)械

2.2.1草莓秧苗的特點(diǎn)

草莓育苗是利用匍匐莖扦插得到幼苗，按照育苗生產(chǎn)環(huán)境，主要分為裸根苗、缽苗、穴盤(pán)苗。穴盤(pán)育苗可有效促進(jìn)草莓苗的根系發(fā)育，提高草莓的栽培質(zhì)量，其苗成活率高、大小一致、質(zhì)量相等，規(guī)格已經(jīng)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，且成本適中，已經(jīng)得到逐步推廣[25]。由于扦插的匍匐莖植株較大，目前草莓育苗盤(pán)多采用32孔110 mm深的育苗盤(pán)育苗，4行8列，單穴孔為四棱錐臺(tái)形，臺(tái)上表面尺寸為60 mm×60 mm，下表面尺寸為20 mm×20 mm。

設(shè)施冬季促成栽培的草莓苗育苗期達(dá)到50～70 d，穴盤(pán)草莓苗坨和植株尺寸分別達(dá)到100 mm和200 mm以上，大大超出常規(guī)蔬菜苗(圖13)。同時(shí)，農(nóng)藝上要求草莓苗定植于高架或者高壟時(shí)需弓背朝外，以保證草莓在高架或者高壟兩側(cè)懸垂生長(zhǎng)，從而滿足光照、通風(fēng)和收獲等需要。因此，草莓秧苗移栽機(jī)械需要滿足其超大苗坨和弓背向外特性的特殊要求。

2.2.2我國(guó)草莓秧苗移栽機(jī)械

我國(guó)移栽機(jī)研發(fā)發(fā)展很快，目前薯類、油菜、甜葉菊、煙草、甘藍(lán)、西蘭花、洋蔥、番茄等各類秧苗半自動(dòng)移栽機(jī)均已投入市場(chǎng)，但現(xiàn)有機(jī)型均無(wú)法解決草莓超大苗與弓背朝外的移栽問(wèn)題[26]。許春林等[27]進(jìn)行了全自動(dòng)草莓缽苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，但所開(kāi)發(fā)機(jī)型亦僅適用缽深為40 mm的草莓苗，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)秧苗定向。

筆者團(tuán)隊(duì)針對(duì)草莓移栽的特殊要求進(jìn)行了原理創(chuàng)新，分別與定向扦插育苗和“先栽后灌”的農(nóng)藝改革相配合，先后研發(fā)了小型化高架[28]和高壟[29]草莓苗自主移栽機(jī)(圖14)，突破超大苗坨定向移栽、高架/高壟自動(dòng)導(dǎo)航、一插式自動(dòng)換盤(pán)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高架雙側(cè)四行和高壟雙行的無(wú)人駕駛草莓穴盤(pán)苗自主移栽作業(yè)，平均移栽成功率達(dá)到95%，移栽的株距、行距、行直線度均顯著高于人工作業(yè)。

2.2.3國(guó)外草莓秧苗移栽機(jī)械

新西蘭大學(xué)GUTIERREZ等[30]研發(fā)了一種針對(duì)草莓裸根苗的移栽機(jī)，但未考慮草莓苗的大苗移栽和弓背定向移栽的特殊性和挑戰(zhàn)性。Kennoco等公司的機(jī)械式草莓苗移栽機(jī)(圖15a)，主要解決田間移栽中大量苗盤(pán)的攜帶和有序輸送，再由后部乘坐的多名勞動(dòng)力手工取苗和完成在壟上的移栽。該移栽機(jī)需和高壟打孔機(jī)配合使用。

Driscolls公司、Plantel公司和Solex公司合作推出了加州首臺(tái)草莓苗移栽機(jī)(圖15b)，在意大利Checchi e Magli辣椒苗移栽機(jī)型的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，可跨3壟移栽，價(jià)格達(dá)12萬(wàn)美元。該移栽機(jī)作業(yè)需配19個(gè)人工，包括駕駛、苗盤(pán)搬運(yùn)裝載、12個(gè)投苗手和5個(gè)移栽檢查人，可以替代100個(gè)人工的移栽作業(yè)[31]。

2.3 草莓植保機(jī)械

2.3.1草莓栽培的常見(jiàn)病蟲(chóng)害

設(shè)施草莓從生長(zhǎng)到坐果結(jié)束一般需要260 d左右，其全階段病蟲(chóng)害頻繁發(fā)生，需要大量施藥，特別在設(shè)施高溫高濕環(huán)境下，存在加劇這種情況的風(fēng)險(xiǎn)[32]。草莓設(shè)施栽培常見(jiàn)的病蟲(chóng)害有白粉病、灰霉病、輪斑病、葉斑病、紅蜘蛛、蚜蟲(chóng)和盲椿象等，其主要感染草莓葉和果[33-34]，需要在漫長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期內(nèi)進(jìn)行頻繁施藥。

2.3.2草莓植株的特點(diǎn)

草莓植株葉柄上密生呈螺旋狀排列的葉片，葉柄從根莖處先豎直生長(zhǎng)，再向四周延伸生長(zhǎng)形成匐匍莖，草莓植株之間連在一起，草莓三出復(fù)葉的葉寬且喜平生長(zhǎng)，冠層濃密郁閉，上下層疊遮擋(圖16)，施藥難以打透、下層背面著藥不佳，且高壓、強(qiáng)風(fēng)力易造成草莓花序的大量吹落，嚴(yán)重影響后期座果率。同時(shí)保證草莓植株的施藥均勻性與花序無(wú)損性，并有效提高藥液的利用率，成為草莓植保機(jī)械設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。

2.3.3我國(guó)草莓植保機(jī)械

賈衛(wèi)東等[35]設(shè)計(jì)了具有遙控/自適應(yīng)行走雙模態(tài)的智能溫室噴霧機(jī)(圖17a)，施藥效果良好。李良等[36]融合變量施藥技術(shù)設(shè)計(jì)了溫室軌道施藥機(jī)器人，提高了溫室施藥的效率和穩(wěn)定性。但目前實(shí)際草莓生產(chǎn)中仍主要采用硫磺熏蒸“防抑”[37]結(jié)合背負(fù)式施藥器、高壓手推打藥機(jī)等機(jī)具作業(yè)“治理”的方式，植保效果欠佳且人身安全、植株花序損傷問(wèn)題突出。

臭氧可有效殺滅細(xì)菌病毒等微生物、有機(jī)化學(xué)合成物以及生命力較弱的昆蟲(chóng)及蟲(chóng)卵，但是對(duì)于密封大棚臭氧氣體大量灌入作業(yè)成本過(guò)高而難以實(shí)施，而臭氧噴霧器的出現(xiàn)有效克服了這一缺點(diǎn)。采用水分子電解代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電暈放電臭氧發(fā)生方式，臭氧功能水破壞害蟲(chóng)或細(xì)菌的粘膜和呼吸系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于草莓、蔬菜等的病害防控(圖17b)。目前由我國(guó)生產(chǎn)的這類裝備銷(xiāo)往南美、西歐和北美地區(qū)，在我國(guó)草莓種植中的應(yīng)用推廣則剛剛起步[38]。

筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)輔助氣流場(chǎng)中草莓葉片的運(yùn)動(dòng)特性及其對(duì)霧滴沉積的影響進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)施藥風(fēng)筒傾角、輔助氣流速度下葉片的高頻、高幅振動(dòng)狀態(tài)，會(huì)給直徑較小霧滴帶來(lái)良好的正反面均勻的沉積效果和冠層穿透性[39]?；谠摍C(jī)理，開(kāi)發(fā)了遙控式小型側(cè)傾霧化微風(fēng)送施藥機(jī)(圖17c)[40]，噴筒位于兩行草莓植株的中央上方，通過(guò)側(cè)傾和微風(fēng)助噴施，有效擾動(dòng)葉片從而提高葉片背面著藥率和上下層的噴施均勻性，同時(shí)避免對(duì)花蕊的可能損傷。試驗(yàn)表明該機(jī)可有效滿足草莓植株的均勻施藥需要，在風(fēng)速6～8 m/s和噴筒側(cè)傾角30°下施藥效果最佳，且藥液耗量?jī)H為0.5 L/min。

2.3.4國(guó)外草莓植保機(jī)械

歐美地區(qū)是大田規(guī)?；葺N植，通用性的大型噴桿噴霧施藥機(jī)也適用于草莓的施藥作業(yè)，但是垂直向下噴施的方式仍存在霧滴穿透性不佳，下層、背面難以有效著藥問(wèn)題[41](圖18a)。為此，冠層側(cè)向施藥，即從草莓行的兩側(cè)進(jìn)行噴施的方式得到了普及應(yīng)用，改進(jìn)的側(cè)噴式噴桿噴霧施藥機(jī)及類似結(jié)構(gòu)相繼應(yīng)用于高壟及高架草莓的施藥?？的螤柎髮W(xué)于2007年開(kāi)發(fā)了包括5個(gè)噴頭的弧形改進(jìn)結(jié)構(gòu)，沿草莓冠層的側(cè)面和上部同時(shí)噴施，有效提高了3維冠層的穿透性和噴施均勻性[42](圖18b)。此外，也陸續(xù)出現(xiàn)了各種側(cè)向風(fēng)送草莓施藥機(jī)型(圖18c、18d)。

挪威生命科學(xué)大學(xué)對(duì)拖拉機(jī)前裝隧道式施藥在有、無(wú)簾幕草莓植株冠層的霧滴飄移進(jìn)行了比較[43-44]。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)應(yīng)用壓力施藥器開(kāi)展了草莓冠層結(jié)構(gòu)、噴頭類型和噴施量對(duì)霧滴穿透性影響的研究[45]。在美國(guó)加州，牽引式“bug-vac”真空吸蟲(chóng)機(jī)在草莓植保中得到應(yīng)用(圖19a)[46-47]。加州大學(xué)蒙特利縣合作推廣部試驗(yàn)了靜電施藥機(jī)的蟲(chóng)害防治效果，發(fā)現(xiàn)其效果優(yōu)于傳統(tǒng)施藥機(jī)和真空吸蟲(chóng)機(jī)[48-49]。英國(guó)MiCRON公司則開(kāi)發(fā)了Flexidome草莓施藥機(jī)(圖19b)，用于草莓的行間除草，其圓頂式旋轉(zhuǎn)施藥方式特別適合于在壟溝內(nèi)施藥而避免對(duì)柔嫩果實(shí)的損傷[50]。目前由于化學(xué)農(nóng)藥對(duì)人員和環(huán)境的副作用，生物防治劑替代普通殺蟲(chóng)劑研究工作也在逐漸受到重視[51]。

2.4 草莓授粉機(jī)械

2.4.1草莓授粉的特點(diǎn)

授粉是農(nóng)作物結(jié)成果實(shí)的必經(jīng)過(guò)程，草莓授粉具有一定的特殊性：草莓具有二歧聚傘花序以及雌雄同株兩性花特征，雄蕊螺旋狀排列在花托上，花期短，花粉少且難收集，不同級(jí)次花序的雄蕊與雌蕊的發(fā)育成熟情況也不同(圖20)。不同的草莓品種會(huì)表現(xiàn)出親和與不親和兩種相反的自交性，自交不親和的草莓品種需要異花授粉，而即使自交親和的草莓品種，其異花授粉所帶來(lái)的雜交優(yōu)勢(shì)，也有助于草莓產(chǎn)量與質(zhì)量的提高。

2.4.2我國(guó)草莓授粉機(jī)械

目前草莓實(shí)際生產(chǎn)中主要采用蜂群授粉方式，但設(shè)施冬季低溫環(huán)境和施藥環(huán)境下蜂群授粉會(huì)出現(xiàn)漏授乃至停授的現(xiàn)象，大大影響授粉效果[52]。常見(jiàn)的先收集花粉再鼓風(fēng)噴粉或懸濁液的手段難以滿足草莓花期短、花粉少且難收集的特征[53]。常見(jiàn)的“大風(fēng)”漫授、機(jī)械振動(dòng)授粉易損傷花序，也不適用于草莓具有二歧聚傘花序以及雌雄同株兩性花特征，更未考慮草莓異花授粉的雜交優(yōu)勢(shì)[54-55]。目前市場(chǎng)上尚無(wú)草莓專用授粉機(jī)械。

胡佳羽等[56]提出了一種草莓人工授粉器方案，使用時(shí)先將花粉罩罩住草莓的花朵，利用轉(zhuǎn)動(dòng)的毛刷輕輕地抖動(dòng)花朵，并形成微風(fēng)，從而吹動(dòng)花粉在花粉罩內(nèi)飄動(dòng)，完成人工授粉。筆者團(tuán)隊(duì)提出了一種機(jī)器人化的氣力微仰溫室草莓授粉方案，通過(guò)氣力微仰的雙行草莓錯(cuò)開(kāi)吹送和自適應(yīng)的著粉行先增濕、后加溫吹粉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)異花授粉移動(dòng)作業(yè)[57]。吳燕等[58]提出了一種用于草莓設(shè)施栽培的無(wú)人機(jī)授粉方案，采用無(wú)人機(jī)飛行的靜電采粉和裙擺狀纖維絲組旋轉(zhuǎn)授粉方式。但上述方案尚未形成相應(yīng)裝備。SHI等[59]在小型多旋翼無(wú)人機(jī)上加裝導(dǎo)流板，將無(wú)人機(jī)的下旋氣流引導(dǎo)向前方實(shí)現(xiàn)番茄的氣力輔助授粉試驗(yàn)(圖21)，進(jìn)行了溫室無(wú)人機(jī)授粉的探索，但對(duì)草莓的適應(yīng)性有待驗(yàn)證，且無(wú)人機(jī)在設(shè)施環(huán)境下自主作業(yè)問(wèn)題也有待解決。

2.4.3國(guó)外草莓授粉機(jī)械

目前，國(guó)外面向大田、果園的無(wú)人機(jī)一致性授粉已投入應(yīng)用，同時(shí)圍繞花序個(gè)體目標(biāo)的精準(zhǔn)授粉，以地面機(jī)器人和機(jī)器蜂兩大方向展開(kāi)研究。美國(guó)西維吉尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)了一款末端多個(gè)棉頭粉刷進(jìn)行自花授粉的黑莓授粉機(jī)器人Bramble Bee(圖22a)[60]。CHECHETKA等[61]仿照蜜蜂授粉原理，通過(guò)微型無(wú)人機(jī)與新型復(fù)合粉刷材料的結(jié)合，設(shè)計(jì)并完成了百合花的室內(nèi)授粉試驗(yàn)(圖22b)。但是POTTS等[62]從工作效率與經(jīng)濟(jì)性不佳，以及可能對(duì)自然生物多樣性造成干擾等角度對(duì)機(jī)器蜂授粉提出了擔(dān)憂，而地面授粉機(jī)器人也面臨相同的問(wèn)題。

目前針對(duì)草莓?huà)赡鄣亩缇凵⒒ㄐ蚝彤惢ㄊ诜坌枰膶Ｓ檬诜蹤C(jī)械研究仍然偏少。京都大學(xué)提出了一種超聲壓力輻射式授粉機(jī)的技術(shù)方案(圖23)，基于3D相機(jī)對(duì)草莓花進(jìn)行識(shí)別和定位，由超聲波振動(dòng)花序完成授粉，并通過(guò)試驗(yàn)初步證實(shí)了其可行性[63-64]。

2.5 草莓采收機(jī)械

2.5.1草莓采收的特點(diǎn)

草莓莓果小葉大，冠層遮擋嚴(yán)重，且相比于其他水果更加?jì)赡?。草莓采收期長(zhǎng)，且不同的栽培形式，其采收期差異很大，露地栽培在5月上旬至6月上旬；促成栽培為12月中下旬至翌年2月中旬；半促成栽培為3月上旬至4月下旬，且同一批次草莓的果序不同，其成熟期也不盡相同。這些都給草莓機(jī)械化采收造成困難。

采收是草莓種植生產(chǎn)中勞動(dòng)力耗費(fèi)最大的環(huán)節(jié)。特別是地面栽培，同時(shí)采后的裝箱、田間搬運(yùn)也有很多的工作量(圖24)[65]。

2.5.2我國(guó)草莓采收機(jī)械

目前我國(guó)草莓的收獲通常由人工提籃完成，或采后就地裝入包裝盒，進(jìn)入銷(xiāo)售環(huán)節(jié)。而機(jī)器人化的草莓采摘已成為當(dāng)前的重點(diǎn)研究方向。謝志勇等[66]、張鐵中等[67]分別基于彩色模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了草莓快速識(shí)別分割算法。張凱良等[68]以高壟栽培模式下的草莓為研究對(duì)象，提出了基于機(jī)器視覺(jué)與激光發(fā)生器的草莓采摘位置定位方法。國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)等主要針對(duì)高架草莓開(kāi)展了采摘機(jī)器人整機(jī)系統(tǒng)的研究。國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的草莓采摘機(jī)器人樣機(jī)，以剪叉升降機(jī)配置商用機(jī)械臂和剪刀式末端執(zhí)行器，采用遠(yuǎn)近景組合視覺(jué)方式完成果實(shí)識(shí)別和定位(圖25a)[69]；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)“采摘童1號(hào)”草莓采摘機(jī)器人樣機(jī)，采用3直動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)械臂和夾剪一體式末端執(zhí)行器進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)果梗的夾持剪斷(圖25b)[70-72]；西北農(nóng)林科技大學(xué)則利用多關(guān)節(jié)機(jī)械臂搭載近景相機(jī)和剪刀式末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘(圖25c)[73]。空間定位平均誤差為4.82 mm，末端執(zhí)行器對(duì)定位后的草莓進(jìn)行采摘，成功率為95%，目前均處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段。

2.5.3國(guó)外草莓采收機(jī)械

大幅減輕勞動(dòng)者的強(qiáng)度和減少勞動(dòng)力的數(shù)量，已成為草莓生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者的頭等大事。國(guó)外對(duì)草莓采收裝備開(kāi)發(fā)目前主要有兩類模式：①采收輔助裝備，避免勞動(dòng)者的彎腰采摘，減輕長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的疲勞。美國(guó)PBZ LLC公司開(kāi)發(fā)了一款草莓采摘助手(圖26a)，采摘者趴在機(jī)器上，其額頭、腹部和腿均放在支撐板上，其面部和手完全自由，可以在機(jī)器前行時(shí)觀察草莓行并完成采摘。采摘者可以通過(guò)腳踏板控制車(chē)速。該機(jī)可以同時(shí)帶6箱草莓，采摘者無(wú)需每箱采滿放置行邊再來(lái)收集搬運(yùn)[74]。同類型結(jié)構(gòu)多行的采摘助手也已經(jīng)投入應(yīng)用(圖26b)。②全自主的草莓采摘機(jī)器人研發(fā)，得到了科研單位、草莓生產(chǎn)者和相關(guān)組織、企業(yè)的普遍關(guān)注。針對(duì)大田多壟多行的草莓采摘機(jī)器人研發(fā)在美國(guó)及部分歐洲國(guó)家受到了重視。Harvest CROO Robotics公司開(kāi)發(fā)了多行草莓采摘機(jī)器人(圖27a)，可同時(shí)完成十幾行草莓的采收，基于GPS導(dǎo)航，由相機(jī)的旋轉(zhuǎn)獲得草莓冠層的立體圖像，進(jìn)而由手爪完成采摘。但目前其采凈率偏低、速度也大大低于人工，仍難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求[75-77]。西班牙Agrobot公司和美國(guó)大型農(nóng)場(chǎng)主合作，已推出了SW 6010草莓采摘機(jī)器人樣機(jī)(圖27b)，能夠適應(yīng)傳統(tǒng)的高壟。該機(jī)應(yīng)用超聲導(dǎo)航，具有多只機(jī)械手爪同時(shí)作業(yè)，應(yīng)用了AGvision機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)草莓果實(shí)的實(shí)時(shí)識(shí)別定位和采摘標(biāo)準(zhǔn)判定，果實(shí)采后被放在輸送帶上送至包裝區(qū)，完成即刻的分揀和包裝[78-79]。

主要應(yīng)用于設(shè)施環(huán)境的小型草莓采摘機(jī)器人研發(fā)在日本發(fā)展很快，在歐洲、美國(guó)也得到了開(kāi)展。NAOSHI等[80-81]開(kāi)發(fā)了基于高架栽培模式的草莓采摘機(jī)器人，該機(jī)器人在完成果實(shí)識(shí)別與成熟度計(jì)算后，進(jìn)行了果實(shí)切割點(diǎn)定位即果梗信息提取定位，并通過(guò)氣吸式草莓釆摘機(jī)械手完成采摘?jiǎng)幼鳌AYASHI等[82]設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)系統(tǒng)的草莓采摘機(jī)器人并進(jìn)行了溫室實(shí)地試驗(yàn)，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)獲取草莓三維信息并評(píng)判果實(shí)品質(zhì)等級(jí)，該機(jī)器人單個(gè)草莓采摘耗時(shí)11.5 s。日本國(guó)家農(nóng)業(yè)與食品研究組織(NARO)針對(duì)高架栽培開(kāi)發(fā)的草莓采摘機(jī)器人樣機(jī)(圖28a)，作業(yè)速度達(dá)到9 s采摘1個(gè)，能采到約60%的草莓果實(shí)，其由雙相機(jī)獲得果實(shí)的立體圖像并完成顏色測(cè)量和成熟度判斷[83]。Shibuya Seiki公司研發(fā)了新一代草莓采摘機(jī)器人(圖28b)，該機(jī)器人是日本國(guó)家農(nóng)業(yè)與食品研究組織(NARO)所研發(fā)草莓采摘機(jī)器人的商業(yè)版，通過(guò)三維立體攝像系統(tǒng)捕捉草莓的顏色來(lái)最終確定是否成熟，然后通過(guò)機(jī)械臂剪切后裝進(jìn)框中，整個(gè)剪切過(guò)程只需要8 s[84-85]。宇都宮大學(xué)針對(duì)日本草莓出口的無(wú)損、保鮮需要，開(kāi)發(fā)了一款水培草莓采摘機(jī)器人(圖28c)，可識(shí)別定位成熟草莓并剪斷果梗和夾持果梗放入膠囊容器，來(lái)實(shí)現(xiàn)安全無(wú)損的保鮮移送[86]。

在加州草莓協(xié)會(huì)資助下開(kāi)發(fā)的壟栽草莓采摘機(jī)器人(圖29a)，使用了立體相機(jī)實(shí)現(xiàn)草莓果實(shí)的識(shí)別定位和成熟度判別，并用三指夾持草莓完成采摘。但試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)枝葉的遮擋使果實(shí)難以被發(fā)現(xiàn)和被采到，草莓果實(shí)易傷，同時(shí)目前機(jī)器人成本仍然過(guò)高[87]。比利時(shí)Octinion公司針對(duì)高架草莓開(kāi)發(fā)了Rubion采摘機(jī)器人(圖29b)，通過(guò)激光檢測(cè)成熟草莓果實(shí)并從下向上完成采摘[88]，可以實(shí)現(xiàn)高架草莓的采摘、同步分級(jí)入箱，理論上可以在16 h完成11 500個(gè)草莓果實(shí)的采摘。挪威生命科學(xué)大學(xué)與Noronn公司基于Saga Robotics公司開(kāi)發(fā)的Thorvald多功能平臺(tái)(圖29c)[89]，推出了草莓采摘機(jī)器人概念機(jī)，搭載5關(guān)節(jié)機(jī)械臂和RGB-D相機(jī)，并開(kāi)發(fā)了纜索驅(qū)動(dòng)的包裹切割式末端執(zhí)行器，也采用從下向上的動(dòng)作方式。無(wú)接觸地吸入果實(shí)并剪斷果梗，田間試驗(yàn)的采摘成功率超過(guò)50%，平均效率達(dá)10.6 s采摘1個(gè)。該單位也開(kāi)發(fā)了直角坐標(biāo)機(jī)械臂替代5關(guān)節(jié)機(jī)械臂的草莓采摘機(jī)器人，并完成了田間試驗(yàn)[90]。

2.6 草莓田間轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械

田間的果箱轉(zhuǎn)運(yùn)，特別是大田塊大規(guī)模種植生產(chǎn)中，是一個(gè)勞動(dòng)量極大的環(huán)節(jié)。美國(guó)GK設(shè)備公司開(kāi)發(fā)的大型草莓果箱轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)(圖30a)，采用遙控操作方式，可沿壟溝行走，可完成多果箱的田間搬運(yùn)，適合于高壟的規(guī)?；墒蛰o助作業(yè)[91]。在日本，Japan Research Institute, Ltd.開(kāi)發(fā)了My Donkey多功能農(nóng)業(yè)機(jī)器人(圖30b)，實(shí)現(xiàn)草莓承接、轉(zhuǎn)運(yùn)和產(chǎn)量測(cè)定，該機(jī)器人可以檢測(cè)高壟并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沿壟的防撞行走，并檢測(cè)使用者從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隨同的配合作業(yè)[92]。同時(shí)，ANJOM等[93]使用機(jī)械灰箱模型在線預(yù)測(cè)果箱運(yùn)輸請(qǐng)求時(shí)間，以改進(jìn)草莓采摘援助的調(diào)度轉(zhuǎn)運(yùn)效率。

3 我國(guó)草莓生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展分析

3.1 草莓生產(chǎn)機(jī)械化的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)

(1)經(jīng)營(yíng)規(guī)模偏小：我國(guó)的草莓總產(chǎn)量高居世界首位，但經(jīng)營(yíng)規(guī)模偏小，除少量連片萬(wàn)畝種植基地以外，種植主體仍為家庭散戶。草莓經(jīng)營(yíng)規(guī)模以0.13～0.33 hm2為主，規(guī)?；N植較少。大量散戶的分布零散、小規(guī)模種植，對(duì)草莓作業(yè)機(jī)械的成本和利用率提出了更高要求。

(2)鮮食比例大：發(fā)達(dá)國(guó)家的加工用草莓產(chǎn)量占比較高，如北美70%的草莓用于鮮食，而30%用于加工草莓醬、草莓汁等飲料、食品。而盡管我國(guó)也有少數(shù)加工型草莓專用品種和栽培技術(shù)的研究，但草莓種植主要面向鮮食市場(chǎng)。鮮食、加工型用果的品種、特性、栽培、管理均存在極大的差異，對(duì)機(jī)械化作業(yè)的應(yīng)用提出了不同的要求。

(3)栽培模式和技術(shù)水平多樣：我國(guó)地域遼闊、露地栽培、保護(hù)地栽培和拱棚、塑料大棚、日光溫室、智能溫室的栽培方式多樣，高壟、高架等栽培模式眾多且規(guī)格不一，給機(jī)械化作業(yè)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。同時(shí)，種植標(biāo)準(zhǔn)化、水肥一體化、環(huán)境的物聯(lián)智能控制、熊蜂授粉等技術(shù)逐步獲得了應(yīng)用，但各地區(qū)和不同種植戶主體之間的技術(shù)水平差異較大。

3.2 草莓生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展目標(biāo)

針對(duì)鮮食草莓的特點(diǎn)、栽培管理要求和我國(guó)以較小規(guī)模的設(shè)施栽培為主的生產(chǎn)方式，以及生產(chǎn)中農(nóng)藝差異大、標(biāo)準(zhǔn)化欠缺的現(xiàn)狀，目前我國(guó)草莓生產(chǎn)作業(yè)裝備的發(fā)展目標(biāo)，應(yīng)立足于強(qiáng)化“農(nóng)藝-草莓特性-作業(yè)原理”基礎(chǔ)研究，進(jìn)而通過(guò)智能化技術(shù)手段的賦能，實(shí)現(xiàn)滿足我國(guó)草莓生產(chǎn)作業(yè)的小型化、模塊化、全電化、輕簡(jiǎn)化裝備的需要。

(1)小型低成本：我國(guó)草莓種植普遍以各類日光溫室、塑料大棚為主，入門(mén)窄、肩高低、壟行間距小、單體規(guī)模小，適宜大力發(fā)展小型化、非乘坐式作業(yè)機(jī)型，進(jìn)而有效降低裝備成本，從而適應(yīng)我國(guó)散戶經(jīng)營(yíng)的需求和保證其產(chǎn)業(yè)化前景。

(2)一機(jī)多能：由于草莓長(zhǎng)達(dá)半年以上的長(zhǎng)季節(jié)種植和多茬管理作業(yè)特點(diǎn)，特別針對(duì)較小規(guī)模經(jīng)營(yíng)的需要，基于高壟或高架行進(jìn)的通用底盤(pán)和統(tǒng)一接口，開(kāi)發(fā)各類作業(yè)模塊，實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)部件的模塊化更換掛接，“一機(jī)多能”滿足長(zhǎng)種植期內(nèi)多輪次頻繁更換部件管理作業(yè)的需要。

(3)綠色電動(dòng)化：針對(duì)設(shè)施栽培的半封閉環(huán)境和草莓種植綠色無(wú)污染的要求，同時(shí)根據(jù)設(shè)施栽培的電力補(bǔ)充便捷性和避免風(fēng)雨、暴曬、大溫差等苛刻環(huán)境條件的優(yōu)勢(shì)，以及機(jī)身傳動(dòng)簡(jiǎn)化小型化和低負(fù)載的需要和優(yōu)勢(shì)，需大力發(fā)展易控和無(wú)尾氣排放的全電動(dòng)作業(yè)設(shè)備。

(4)輕簡(jiǎn)智能化：溫室大棚狹小空間和高架、高壟的狹窄通道，使小型化草莓管理作業(yè)裝備難以應(yīng)用傳統(tǒng)的駕駛操控方式，根據(jù)技術(shù)成熟度和生產(chǎn)實(shí)際需要，以架間、壟上無(wú)人作業(yè)和一端遙控調(diào)頭、中途便捷補(bǔ)苗補(bǔ)藥補(bǔ)粉等極少量人工介入有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最少勞力、最低強(qiáng)度的輕簡(jiǎn)操控作業(yè)。

3.3 草莓生產(chǎn)裝備與技術(shù)發(fā)展展望

3.3.1與農(nóng)藝的深度融合

農(nóng)藝-農(nóng)機(jī)融合已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械科研和農(nóng)機(jī)化工程的主題，在廣義上，與農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式、宜機(jī)化改造、栽培模式、栽培管理規(guī)范、品種-株型等的全方位深度融合，將有望推動(dòng)草莓生產(chǎn)機(jī)械化實(shí)快速發(fā)展：

(1)與經(jīng)營(yíng)模式深度融合：經(jīng)營(yíng)體制決定生產(chǎn)規(guī)模，規(guī)模化帶來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化和農(nóng)機(jī)裝備的高利用率和產(chǎn)投比，成為發(fā)展的客觀要求，我國(guó)專業(yè)合作社的快速發(fā)展將帶來(lái)新的契機(jī)。同時(shí)，傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)方式正快速被電商化運(yùn)營(yíng)以及直播帶貨等生產(chǎn)-銷(xiāo)售零距離的新型模式所取代(圖31)，既為草莓種植的機(jī)械化帶來(lái)了契機(jī)，也對(duì)作業(yè)精準(zhǔn)化、綠色生態(tài)化等提出了更高的要求。

(2)與宜機(jī)化改造深度融合：宜機(jī)化已成為推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面機(jī)械化的重點(diǎn)突破口[94]，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)的《關(guān)于加快推進(jìn)設(shè)施種植機(jī)械化發(fā)展的意見(jiàn)》明確提出，制修訂溫室建造標(biāo)準(zhǔn)，明確滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)條件的空間結(jié)構(gòu)、出入口、內(nèi)部通道等尺寸；加快老舊種植設(shè)施的宜機(jī)化改造，依照農(nóng)機(jī)通行和室內(nèi)作業(yè)條件，改造出入口、骨架、室內(nèi)通道等，以滿足機(jī)械通行作業(yè)需求[95]。設(shè)施的宜機(jī)化改造與設(shè)施內(nèi)農(nóng)機(jī)裝備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)相輔相成，將成為推動(dòng)草莓等設(shè)施種植機(jī)械化的引擎。

(3)與栽培模式深度融合：草莓的種植模式在我國(guó)呈現(xiàn)多樣化，平地畦栽已日漸被高壟栽培所代替，而高架栽培、箱式栽培、立柱栽培、管道栽培等均得到了發(fā)展。今后對(duì)于草莓種植模式的選擇，除了清潔、高產(chǎn)以外，將更加側(cè)重優(yōu)質(zhì)化和宜機(jī)化。如草莓的高架栽培，將把高架設(shè)施建造標(biāo)準(zhǔn)化、架間道路硬化和離地?zé)o土栽培的草莓甜度、口感等品控緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)低耗、綠色、高效的目標(biāo)。

(4)與栽培管理規(guī)范深度融合：草莓種植管理的環(huán)節(jié)眾多、周期長(zhǎng)，其全程機(jī)械化的實(shí)施與栽培管理的農(nóng)藝方式和前、中、后的配套緊密相關(guān)。草莓種植管理全面機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)，必須從新的視角出發(fā)，將機(jī)械化方案的設(shè)計(jì)與栽培管理農(nóng)藝改革深度融合，以移栽為例，大力發(fā)展扦插育苗的機(jī)械化定向技術(shù)或新的機(jī)械化優(yōu)質(zhì)育苗技術(shù)方案，進(jìn)一步通過(guò)廣泛的田間試驗(yàn)驗(yàn)證“先栽后灌”的生產(chǎn)效果和確定“先栽后灌”的具體農(nóng)藝處理。該類針對(duì)草莓的農(nóng)藝-農(nóng)機(jī)配套技術(shù)有望成為草莓種植重大推廣技術(shù)。

(5)與品種-株型深度融合：草莓苗的移栽、梳果打葉、授粉、收獲等機(jī)械化作業(yè)過(guò)程中，其損傷、脫落、腐爛等的發(fā)生均取決于直接的力學(xué)作用效應(yīng)或其后的持續(xù)老化、劣變等生理過(guò)程。因此，開(kāi)展基于草莓植株及不同器官的力學(xué)特性、耐損生理的草莓品種培育研究，具有重要的創(chuàng)新意義和生產(chǎn)價(jià)值。而氣助施藥、授粉的低量、低損和高效，則在草莓闊葉喜平特征下，與草莓的株型特征與培育、草莓葉片的藥液親水附著性等緊密相關(guān)，值得進(jìn)一步深入研究。

3.3.2信息化

信息化已貫穿于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，未來(lái)的現(xiàn)代化草莓生產(chǎn)也必將基于信息化-機(jī)械化的全面融合而呈現(xiàn)全新的農(nóng)業(yè)面貌。信息化解決生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷(xiāo)售直至消費(fèi)端信息的獲取、反饋、分析處理、決策和全程的信息管理，機(jī)械化則實(shí)現(xiàn)面向消費(fèi)端的全程綠色、高效、無(wú)損作業(yè)：

(1)無(wú)人化的自主監(jiān)測(cè)作業(yè)：無(wú)人化農(nóng)業(yè)、無(wú)人化農(nóng)場(chǎng)已成為熱點(diǎn)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的目標(biāo)，而無(wú)人化農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)的基本要素是信息化與無(wú)人化機(jī)械裝備的全面互聯(lián)互通。草莓無(wú)人化生產(chǎn)溫室，將基于多傳感物聯(lián)的土壤肥力、作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害、生長(zhǎng)期等監(jiān)測(cè)和花、果、病蟲(chóng)害部位的精準(zhǔn)識(shí)別定位，實(shí)現(xiàn)全程無(wú)人干預(yù)的自主灌溉施肥、精準(zhǔn)施藥、授粉、采收、轉(zhuǎn)運(yùn)、包裝等作業(yè)。

(2)品質(zhì)的全程動(dòng)態(tài)溯源：面向農(nóng)產(chǎn)品安全的溯源已逐步展開(kāi)，但現(xiàn)有溯源偏于種植中有限靜態(tài)信息的呈現(xiàn)。草莓的可靠溯源是其電商和直播帶貨的品質(zhì)信任度保證，不僅需要品種、土質(zhì)、水質(zhì)、氣候等條件信息，更需要機(jī)械化管理作業(yè)全程的有機(jī)肥與化學(xué)肥料的投入、病蟲(chóng)害的發(fā)生與物理防治/生態(tài)防治/化學(xué)防治方式、采收/運(yùn)輸/包裝的處理與化學(xué)/生態(tài)保鮮方式等動(dòng)態(tài)、量化信息，甚至各環(huán)節(jié)視頻的呈現(xiàn)。品質(zhì)的全程動(dòng)態(tài)溯源依賴于信息化與機(jī)械化技術(shù)的深度共融。

3.3.3休閑化

當(dāng)前，各種農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)正在全國(guó)各地大力快速發(fā)展，其中“旅游+”農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)已成為各地農(nóng)業(yè)的亮點(diǎn)，都市休閑農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)正成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的龐大藍(lán)海產(chǎn)業(yè)。各類草莓采摘園和以游客采摘體驗(yàn)為主的休閑農(nóng)業(yè)模式廣泛出現(xiàn)，成為其業(yè)態(tài)的主要形式。

但是，盡管各地呈現(xiàn)極高的草莓采摘體驗(yàn)發(fā)展熱度，但目前的發(fā)展也存在諸多局限：

(1)仍以采摘的傳統(tǒng)農(nóng)事體驗(yàn)為主，盈利則以采摘計(jì)費(fèi)為主，三產(chǎn)深度融合不足，與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脫節(jié)，業(yè)態(tài)發(fā)展水平和效益水平受限。

(2)采摘體驗(yàn)感受不佳，采摘業(yè)態(tài)模式雷同，陷入低水平競(jìng)爭(zhēng)，缺乏草莓采摘智慧化裝備與技術(shù)的支持。

國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開(kāi)展了草莓采摘機(jī)器人的研究，但均側(cè)重自主作業(yè)的功能實(shí)現(xiàn)，而與游客的采摘參與體驗(yàn)差距較大。

智慧農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展正成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主旋律，智慧與資本兩種要素相結(jié)合引領(lǐng)中國(guó)正進(jìn)入“智本農(nóng)業(yè)時(shí)代”，泛人工智能技術(shù)更有望推動(dòng)農(nóng)業(yè)進(jìn)入一個(gè)完全嶄新的時(shí)代。打破單一面向生產(chǎn)作業(yè)的局限，將機(jī)器人技術(shù)、跨視覺(jué)-語(yǔ)音-云計(jì)算-云服務(wù)的泛人工智能技術(shù)等與休閑農(nóng)業(yè)發(fā)展深度融合，推動(dòng)草莓園互動(dòng)導(dǎo)覽機(jī)器人、智慧駕乘草莓采摘車(chē)、語(yǔ)音操控采摘機(jī)器人等智慧沉浸體驗(yàn)技術(shù)研究，全面提升游客的參與度、互動(dòng)性，提高游客的停留周期和消費(fèi)意愿，擴(kuò)展休閑服務(wù)內(nèi)容和消費(fèi)模式，將使“旅游+”農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)從目前較低水平實(shí)現(xiàn)跨越式提升。