近些年，设施园艺的生产装备发展较快，但目前很多机械功能较单一、适应性较差，种植者需要购买多种机器，经济压力较大，而且机器闲置时间较长，不利于设施园艺机械化水平的提高。另外，很多设施园艺机具都是经简单改进后从露地移植到设施内，对园艺设施的适应性较差，并且在作业性能、可靠性、耐久性等方面与国外先进机具还存在较大差距。尤为突出的问题是现有农艺措施和设施结构基本不能或很少能够满足农机装备的运行要求。
基于“农艺-农机-设施”深度融合的设施园艺生产系统设计
设施蔬菜生产系统是一个完整、有机的整体（图 1），组成这个系统的各要素、各部分之间，是相互依存又相互影响、相互促进又相互制约的关系，不能割裂开来。从系统中可以看出，机械化与设施结构、栽培模式之间，存在密切关系。三者之间的关系应该是“农机和设施服务农艺，农艺适应农机和设施”。
基于此，中国农业大学设施园艺工程团队提出了基于“农艺 - 农机 - 设施”深度融合的设施园艺生产系统设计思路，从系统的角度消除农机装备在应用过程中遇到的障碍，提高设施园艺机械化水平，缓解目前劳动力紧张对设施园艺产业的限制。该设计思路主要包含 3 方面内容：首先，构建适宜机械化的标准化栽培模式；然后，筛选适宜的农机装备；最后，设计宜机化的园艺设施。
图 1 设施蔬菜生产系统
探索案例一：提升日光温室蔬菜生产机械化水平的方案
用系统的观点来分析“日光温室蔬菜生产系统”会发现，系统中存在着两对矛盾：农机与设施之间（南北跨度小与机具尺寸大）、农机与农艺之间（南北向种植与机具尺寸大）。正是这两对矛盾，制约了日光温室蔬菜生产系统机械化水平的提高。
表面上看，是设施结构与农机装备之间的矛盾在起作用，即南北跨度小与机具尺寸大。但经深入分析后可知，本质上还是农艺与农机之间的矛盾，也就是“南北向种植”与“机具尺寸大”。如果这对矛盾解决了，设施结构与农机装备之间的矛盾也就迎刃而解；如果这对矛盾不解决，“门难进、边难耕、头难调、效难高”的“四难”问题会依然突出，机械化水平仍然不可能有较大的提高。“南北向种植”与“机具结构尺寸大”这对矛盾，在农机装备这一方不能突破、尺寸不能再缩小的情况下，需要从矛盾体的另一方寻找突破口，即将南北向种植改变为东西向种植。
因此，团队提出了提升日光温室蔬菜生产机械化水平的方案：东西向的栽培技术 + 改进的日光温室 + 适宜的农机装备。通过农艺上改变日光温室的种植垄向、设施上开辟出农机进出通道等技术措施，使得机械设备能够在日光温室中高效率、高质量的完成作业。目前已经在塑料大棚中使用的较为成熟的农机具，完全可以在东西向种植的日光温室中使用（因为日光温室与大棚的跨度差不多，甚至更大），如：铧式犁耕地，旋耕机整地，起垄、覆膜、铺滴灌带作业，移栽机移栽等。而这些作业的机械化，在蔬菜没有采用东西方向种植、没有在设施上为农机具留出进出通道的情况下，是无法实现的。
这种方案的优势在于蔬菜的单位面积产量没有降低；生产过程机械化率可达 72%，几个关键的作业环节都可实现机械化；温室内的土地利用率提高；产量增加，经济效益增加；农机作业质量、作业效率提高；需要人工减少、劳动强度降低；因此，日光温室机械化发展中遇到的主要问题，基本都可以得到解决。
2019 年团队在银川与国家大宗蔬菜产业技术体系银川综合实验站合作的试验结果显示，番茄采用东西垄向土壤栽培模式，一栋 600 m2 的日光温室，旋耕、起垄铺滴灌带、覆膜、移栽环节等机械作业，1 人 4 h可全部完成。而人工作业，起垄需 6人次用时 1 天，移栽需 4人次用时 4 h。仅在起垄、移栽环节，采用机械作业即可节省人工成本 1000 元 /667 m2 以上。
图 2 2019 年宁夏银川的试验情况 图 2 2019 年宁夏银川的试验情况
探索案例二：宜机化塑料大棚的设计
为了提高南方塑料大棚的机械化水平，本团队与国家大宗蔬菜产业技术体系温州综合实验站等单位合作，研发了一种宜机化的塑料大棚。根据《农业机械化水平评价》（NY/T 1086.6-2016），该塑料大棚的机械化水平最高可达 88%，可有效降低劳动强度。具体设计如下。
1.构建适于机械化的标准化栽培模式
如前所述， 如果一味的要求改进农机装备以适应和满足农艺需求，结果是成本高、收效慢。经与国家大宗蔬菜产业技术体系高丽红教授、徐坚研究员等专家共同研究后，我们首先对番茄栽培工艺进行调整，使其能满足现有农机装备的作业需求。针对土壤栽培番茄，首先将垄向设置为沿塑料大棚长度方向，避免农机的频繁掉头；其次，调研可用于大棚作业的农机装备数据，初步确定宜机化垄型尺寸（图 3），确保机具的高效运行；最后，采用适于该垄型的单行定植、双向吊蔓的方式进行栽培（图4）。设定株距 20 cm，种植密度 1600~1700 株 /667 m2。
图3 宜机化垄型 /mm
图 4 番茄栽培模式 /mm
2.筛选适宜农机具
番茄栽培可大致分为耕整地、起垄、移栽和管理等 4 个环节。耕整地环节，适当深翻土壤有助于改善土壤结构及其理化性状，实现增产。目前温州当地旋耕深度较浅，一般在10~20 cm，不利于作物生长。通过对比，选用 60 马力大棚王拖拉机配备无锡悦田农业机械科技有限公司生产的 YTSF-145 型蔬菜深松机进行耕整地，可实现耕深 40 cm 以上。起垄环节，同样选用无锡悦田农业机械科技有限公司生产的YT10-A100 型多功能田园管理机完成相关作业。移栽环节，根据栽培模式要求，选用宝鸡市鼎铎机械有限公司生产的鼎铎 2ZB-2A 型原地调头移植机进行移栽作业。
管理环节，玻璃温室中常见的轨道式运输车难以直接应用。为此，本团队研发了履带式多功能作业平台，替代人工在塑料大棚内进行物料运输，并辅助人工进行植株管理，降低劳动强度（图 5）。另外，该平台还可搭载药箱、喷头等设备，进行远程视频遥控打药，实现“人机分离”式植保，避免农药接触人体而对劳动者健康产生不利影响（图 6）。
图 5 履带式多功能作业平台
图 6 远程遥控式喷药系统
3.设计宜机化塑料大棚
通过农艺调整和筛选农机后，基本可以确定大棚各部位所需的最小空间参数，可据此进行宜机化塑料大棚的设计。（1）为充分利用土地资源，确定了塑料大棚为南北方向。（2）初步设定沿塑料大棚长度方向栽培 5 垄番茄，室内靠近侧墙的垄沟边缘应与塑料大棚的边缘位置留出一定的安全距离，以保证履带式多功能平台能在番茄两侧安全运行。综上，最终确定塑料大棚跨度为9.6 m。（3）为满足人、机作业的高度需求，确定塑料大棚肩高为 2.4 m。并以充分利用钢材为目标，在满足钢管弯曲工艺、屋面排水等构造要求的基础上，确定大棚脊高 4.5 m。（4）增加相关抗风构造，完成宜机化塑料大棚的剖面设计（图7、图 8）。根据验算，将塑料大棚骨架分为单层拱架和双层拱架两种。单层拱架间隔 1 m，每隔两榀单层拱架设置一榀双层拱架。单层拱架由两根 8 m长冷弯钢管（F32×2.5 热浸镀锌钢管）拼接而成；双层拱架是在单层拱架内侧安装一道拱架（F19×1.2 热浸镀锌钢管），两层拱架之间使用双拱卡连接。（5）为了农机装备的进出需求，将塑料大棚山墙设计为双轨道三重推拉门，通过门的来回移动形成所需门洞尺寸。另外，在室内张挂保温幕布，提高塑料大棚保温性能。
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图 7 单层拱架剖面示意图 /mm
图 8 双层拱架剖面示意图 /mm
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