中國設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略.doc

1、中國設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略摘要：本文以設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展背景分析為基礎(chǔ)，介紹了目前國際上在溫室智能化管理、節(jié)能與新能源利用、高效栽培、植物工廠和溫室機(jī)器人等設(shè)施農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，對我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究現(xiàn)狀和問題進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。針對目前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)存在的問題，提出了今后應(yīng)重點(diǎn)在溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新型材料開發(fā)、基于作物生長模型的溫室數(shù)據(jù)采集與智能化控制、溫室高效生產(chǎn)綜合配套技術(shù)、溫室節(jié)能與資源高效利用以及植物工廠等方面進(jìn)行優(yōu)先研究的發(fā)展戰(zhàn)略和建議。關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室管理植物工廠資源高效利用The research situation and development strategy of con

2、trolled environmental agriculture in ChinaYang Qi-changSun Zhong-fuWei Ling-ling LiuWen-ke Bao Shun-shu Cheng Rui-feng（ Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081 ）Abstract: Based on the background analysis ofcontroll

3、ed environmental agriculture（ CEA ） , currentresearch situation and development trend on intelligencemanagement of greenhouse, saving-energy technology,efficient cultivation, plant factory, greenhouse robot andother new technologies were illuminated deeply. Aiming atthe existent problem of controlle

4、d environmentalagriculture （ CEA ） in china, the priority research projects ,including greenhouse structure optimization, new materialsdevelopment, date acquisition and intelligent control basedon the crop growth model, synthesis technique of efficientcultivation, saving-energy engineering, efficien

5、t using ofresource and plant factory, were suggested. Moreover, thesuggestions to develop controlled environmentalagriculture （ CEA ） in China were also put forward.Key words: Controlled environmental agriculture（CEA ）；Greenhouse management；Plant factory；Efficient cultivation1 背景和意義 1設(shè)施農(nóng)業(yè)，是在環(huán)境相對可控條件

6、下，采用工程技術(shù)手段，進(jìn)行動(dòng)植物高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式。雖然設(shè)施農(nóng)業(yè)涵蓋設(shè)施種植、設(shè)施養(yǎng)殖和設(shè)施食用菌等產(chǎn)業(yè)，但更多的情況下人們常常特指設(shè)施種植業(yè)。在國際的稱謂上，歐洲、日本等通常使用“設(shè)施農(nóng)業(yè)（Protected Agriculture）”這一概念，美國等通常使用“可控環(huán)境農(nóng)業(yè)（ControlledEnvironmental Agriculture）”一詞，我國在“九五”期間曾經(jīng)使用過“工廠化農(nóng)業(yè) (Industrialized Agriculture) 1”。的所概有念這些名稱，約定俗成，只是文字表達(dá)上的差異，其實(shí)內(nèi)容是基本一致的。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)是在環(huán)境相對可控條件下進(jìn)行生產(chǎn)，因而可以完

7、全或部分地?cái)[脫自然條件的束縛，使生物種性與遺傳潛力得以充分發(fā)揮，達(dá)到提高資源利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)率和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的目的。20 世紀(jì) 60 年代以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)向農(nóng)業(yè)的滲透，設(shè)施農(nóng)業(yè)在荷蘭、日本和以色列等一些發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展，并形成了強(qiáng)大的支柱產(chǎn)業(yè)。目前，這些國家在設(shè)施農(nóng)業(yè)優(yōu)良品種的選育、新材料開發(fā)、 環(huán)境控制、高效栽培及其配套系統(tǒng)等方面均形成了完整的技術(shù)體系2 。我國是一個(gè)人均資源極度匱乏的國家，資源與人口的現(xiàn)實(shí)壓力決定了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走資源節(jié)約型可持續(xù)發(fā)展之路。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為資源高效利用型產(chǎn)業(yè)，不但可以充分挖掘作物遺傳潛力， 大幅度地提高產(chǎn)量， 而且還可實(shí)現(xiàn)在鹽堿地、戈壁、沙漠、建筑物屋頂?shù)?/p>

8、非可耕地上進(jìn)行生產(chǎn)，提高土地資源、水資源和光熱資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和可持續(xù)發(fā)展。因此，大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)對緩解我國人口資源壓力、 實(shí)現(xiàn)由農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，是十分必要的。首先，設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展有利于我國資源的優(yōu)化配置和高效利用，緩解由于人口增長、資源短缺與人們消費(fèi)水平日益增長所產(chǎn)生的供需矛盾。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，人口多，耕地少，人均資源相對不足，農(nóng)業(yè)發(fā)展正面臨著耕地日益減少、人口不斷增長和社會(huì)總需求不斷增加的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前我國的人均耕地約為0.08 公頃，僅為世界平均水平的 1/3 ，人均水資源也只有世界平均水平的 1/4 ，而且人口還以每年 1.7 的速度遞增， 由于城市化等

9、原因耕地每年以 450 萬畝遞減，荒漠化以每年2460 平方公里擴(kuò)展 3 。“民以食為天”，要在有限的人均資源條件下，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對農(nóng)副產(chǎn)品的需求，必須走高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展之路。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)是在環(huán)境相對可控的條件下進(jìn)行生產(chǎn)，在一定程度上克服了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以解決的限制因素，使資源各要素能得到優(yōu)化配置和高效利用，單位土地面積的生產(chǎn)能力可得到成倍乃至數(shù)十倍的提高。有關(guān)資料顯示，我國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)以不到 3% 的種植業(yè)土地， 獲得了 20% 左右的種植業(yè)總產(chǎn)值 4 。因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展將是今后解決我國人口增加、資源短缺、人們消費(fèi)日益增長矛盾的有效途徑。其次，設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展有利于我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)整體水平的優(yōu)

10、化升級和綜合效益的提高。改革開放以來，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)取得了長足的發(fā)展，僅設(shè)施栽培面積即從1981 年的 0.72 萬公項(xiàng)發(fā)展到2007 年的 300多萬公項(xiàng)，居世界首位；但與發(fā)達(dá)國家相比，我國 90% 以上的設(shè)施仍為簡易型結(jié)構(gòu)，環(huán)境調(diào)控能力差、綜合配套技術(shù)不完善、專用品種缺乏、勞動(dòng)生產(chǎn)率和土地利用率較低的現(xiàn)象仍較為突出，單位面積產(chǎn)量僅為發(fā)達(dá)國家的1/2 1/4 ，勞動(dòng)生產(chǎn)率按人均管理面積計(jì)算也僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家的 1/5 1/10 。我國雖擁有約 3000 公頃具有一定環(huán)控能力的大型連棟溫室，但有 400 公頃左右為進(jìn)口產(chǎn)品 ,國產(chǎn)溫室的一些關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備，如覆蓋材料、遮陽（防蟲）網(wǎng)、環(huán)境控制、節(jié)

11、水灌溉以及配套栽培系統(tǒng)等也都部分或全部依賴進(jìn)口5 。因此 ，要徹底改變我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀，必須加大設(shè)施農(nóng)業(yè)整體裝備水平與關(guān)鍵配套技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)力度，形成具有中國特色的設(shè)施結(jié)構(gòu)型式和配套技術(shù)體系，提升設(shè)施農(nóng)業(yè)的綜合效益。第三，設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展有利于提升我國溫室產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力，加快國產(chǎn)化進(jìn)程，帶動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來，隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，引進(jìn)國外設(shè)施、品種和配套技術(shù)的進(jìn)程也明顯加快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國 1995 以來引進(jìn)國外的大型連棟溫室數(shù)量在 360 公頃以上， 約占全部引進(jìn)總量的90% 以上。實(shí)踐證明， 引進(jìn)溫室并不適合我國國情，如從荷蘭引進(jìn)的玻璃溫室無法滿足全年生產(chǎn)對設(shè)施的要求

12、，除降溫性能差外，冬季耗能大、運(yùn)行費(fèi)用高等問題也很突出，這是由于荷蘭緯度高、光照弱、冬暖夏涼的氣候特點(diǎn)所決定的，溫室設(shè)計(jì)主要考慮采光好、封閉嚴(yán)和利于自然通風(fēng)，對保溫性能和機(jī)械通風(fēng)降溫考慮較少，這一特點(diǎn)僅適合于我國極少量地區(qū)，絕大部分地區(qū)均不適宜；以色列因光照好，氣候溫和，溫室多用單層塑料膜覆蓋，我國北方地區(qū)引進(jìn)后冬季采暖能耗極大，運(yùn)行費(fèi)用較高，效益普遍較差。由于氣候適用性差， 許多地方引進(jìn)的溫室成為無法使用的“超級塑料大棚”6因。此，我國應(yīng)在引進(jìn)消化國外先進(jìn)溫室技術(shù)的基礎(chǔ)上，著力加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力的建設(shè)，針對不同氣候區(qū)的特點(diǎn)，研究開發(fā)出能耗低、 環(huán)境控制水平高、 配套設(shè)施完善、適宜我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水

13、平的國產(chǎn)化溫室設(shè)施，同時(shí)結(jié)合育種及栽培管理技術(shù)的研究與開發(fā)，逐步使我國設(shè)施農(nóng)業(yè)形成完善的配套技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的全面國產(chǎn)化。綜上所述，大力開展自主創(chuàng)新研究，提升我國設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備和配套技術(shù)水平，不僅有利于提高我國有限資源的利用效率，緩解由于人口增長、 資源短缺和消費(fèi)日益增長的矛盾；而且對我國設(shè)施農(nóng)業(yè)整體水平的提高、國產(chǎn)化進(jìn)程的加快以及國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高效發(fā)展都具有十分重要的意義7 。2 國際發(fā)展趨勢20 世紀(jì) 60 年代以來，隨著現(xiàn)代工程、新型材料和微電子技術(shù)向農(nóng)業(yè)的滲透，設(shè)施農(nóng)業(yè)在荷蘭、以色列和日本等一些發(fā)達(dá)國家得到迅速發(fā)展。目前，這些國家在設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備和配套技術(shù)方面均形成了完整的體系，

14、其現(xiàn)代化溫室能根據(jù)作物對環(huán)境的不同需要，由計(jì)算機(jī)對設(shè)施內(nèi)的溫、光、水、氣、肥等因子進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測和調(diào)控，并可實(shí)現(xiàn)溫室作物全天候、周年性的高效生產(chǎn)， 荷蘭溫室西紅柿的產(chǎn)量達(dá)到了 50 70kg/m2 ，黃瓜產(chǎn)量達(dá) 80 100kg/m2 ，玫瑰產(chǎn)量達(dá) 320 340 枝/m2 。同時(shí)，在設(shè)施農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)的綜合配套技術(shù)方面也得到了快速發(fā)展，無土栽培技術(shù)已被廣泛使用，溫室節(jié)能技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測與控制技術(shù)、 CO2 施肥技術(shù)、熊蜂授粉技術(shù)、病蟲害綜合防治技術(shù)、節(jié)水灌溉技術(shù)以及智能化管理與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面也得到了快速發(fā)展 8-11 。主要技術(shù)發(fā)展趨勢如下：（ 1）溫室管理的數(shù)字化、智能化是目前國際設(shè)施農(nóng)業(yè)研究與

15、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的主要方向。在詳盡研究作物生理與環(huán)境互作關(guān)系的基礎(chǔ)上，形成作物從苗期到成熟階段不同生育時(shí)期與環(huán)境關(guān)系的量化指標(biāo)體系和控制模型，實(shí)現(xiàn)對設(shè)施內(nèi)溫度、濕度、光照、水分、營養(yǎng)、 CO2 濃度等綜合環(huán)境因子的自動(dòng)監(jiān)測與調(diào)控，已經(jīng)成為當(dāng)前國際上設(shè)施農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)。目前，有兩個(gè)主要研究方向值得關(guān)注：一是溫室作物高效生產(chǎn)管理模型的研究。通過多年對溫室作物生理信息與環(huán)境、營養(yǎng)之間定量規(guī)律的研究，建立作物數(shù)字化模型，為溫室精準(zhǔn)化管理提供理論依據(jù)12 ，13 。如荷蘭通過多年的研究，開發(fā)出了Tomsim （番茄）、Hotsim （黃瓜） 等模型， 對包括整枝方式、栽培密度、基于天氣和植株生育狀況的環(huán)境管理

16、指標(biāo)、不同生育階段的水肥管理指標(biāo)、病蟲害預(yù)防和控制技術(shù)等進(jìn)行了量化；美國和荷蘭專家共同推出的Tomgro 番茄管理模型，也已得到廣泛應(yīng)用 14 。日本農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)出的MetBroker系統(tǒng)和山武股份公司開發(fā)的拓?fù)浒咐Ｐ头?TopologicalCase-Based Modeling:簡稱 TCBM) ，形成的作物模型已成功用于溫室番茄的管理；二是基于Web 的溫室數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)。通過環(huán)境、生理、營養(yǎng)等生物物理傳感器的開發(fā)，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊控制策略等智能控制技術(shù)、Internet 在數(shù)據(jù)傳輸與控制方面的應(yīng)用等，開發(fā)出基于Web 的溫室數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。荷蘭

17、瓦赫寧根大學(xué)通過將作物管理模型與環(huán)境控制模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)溫室的智能化管理，大幅度降低了系統(tǒng)能耗和運(yùn)行費(fèi)用6 。日本千葉大學(xué)利用遙感技術(shù)和圖象檢測裝置測定植物群落的生長狀況，從而實(shí)現(xiàn)溫室的智能化管理與控制。以色列ELDAR GAL 公司研制出了能同時(shí)采集數(shù)十個(gè)植物生理和環(huán)境信息的監(jiān)測儀，通過與專家系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)對植物環(huán)境的精確調(diào)控。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，溫室的智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)， 可以觀察、遙控 50km 以外溫室內(nèi)的溫、 光、氣、水等環(huán)境因子狀況。日本明星電氣公司開發(fā)的農(nóng)業(yè)氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可同時(shí)連續(xù)檢測15 種環(huán)境要素 ,并將測量數(shù)據(jù)實(shí)

18、時(shí)連接到計(jì)算機(jī)或因特網(wǎng)上，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和調(diào)控。美國加里福尼亞大學(xué)和康奈爾大學(xué)還研制出了溫室生產(chǎn)SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)智能化技術(shù)，即將進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段14-15 。（ 2）溫室節(jié)能與新能源應(yīng)用研究受到普遍重視?；诨茉慈找婵萁?、溫室氣體（CO2 ）限制排放等原因，歐美等發(fā)達(dá)國家目前在溫室領(lǐng)域最重要的研究課題是節(jié)能。多年來，這些國家的溫室產(chǎn)業(yè)對化石燃料（天然氣和石油等）的依賴較大，在日本每生產(chǎn)一根黃瓜需耗燃油60ml ，一個(gè)（型200 ）番茄需耗油85ml ，荷蘭每年1.1 萬公頃溫室消耗的天然氣約占全國總用氣量的12%

19、 。近年來， 隨著京都議定書的執(zhí)行，一些發(fā)達(dá)國家正在積極研究溫室產(chǎn)業(yè)具體的CO2 減排措施。如荷蘭規(guī)定，到2010 年，將以1980 年（100% ）為參照減少溫室行業(yè)65% 化石燃料的使用，到 2020 年，將基本不用化石燃料。因此，這些國家紛紛投入大量的科研經(jīng)費(fèi)用于節(jié)能和新能源技術(shù)的研究。其主要進(jìn)展包括：第一，大幅度提高覆蓋材料的透光率、增加太陽能的入射量。例如，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)開發(fā)了一種叫Zigzag 的板材，利用反射光的二次利用，透光率可達(dá)89% ，最高達(dá)到93% 95%17 。一些國家還開發(fā)出了溫室屋頂清洗機(jī)械裝置，用于清洗屋頂?shù)幕覊m，增加溫室的透光率；第二，在防止溫室內(nèi)部長波向外輻

20、射方面，對溫室覆蓋材料的內(nèi)側(cè)進(jìn)行鍍膜處理，以阻止長波向外輻射，減少熱損耗，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能 25% 以上；第三，在熱能的多用途利用和余熱回收方面，盡可能減少熱損耗。如溫室鍋爐的煙筒普遍裝有余熱回收系統(tǒng)，熱回收效率可達(dá) 75% 以上 18 ；第四，淺層地能的利用。利用土壤作為蓄熱源，夏季把低溫冷源抽到地上，用于溫室降溫，把經(jīng)過熱交換的熱量打到地下，貯存起來；冬季把貯存的高溫?zé)嵩闯樯蟻恚跓岜米饔孟?，升溫?45 50，這樣只需要稍許加溫就可以用于溫室采暖，節(jié)能幅度達(dá) 65% 70% ；第五，節(jié)能光源 LED 的應(yīng)用。植物并非利用太陽光的全部成分來進(jìn)行光合作用， 而是以波長 610 720nm 的紅、

21、橙光以及波長 400 510nm 的藍(lán)、紫光為主要吸收峰值區(qū)域。以往的人工光源，如高壓鈉燈、金屬鹵素?zé)艉蜔晒鉄舻?，因含有紅外和遠(yuǎn)紅外等發(fā)熱光譜成分，能耗大，運(yùn)行成本高。近年來，隨著發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode, LED）技術(shù)的發(fā)展，研制出了針對植物需求的單色LED （如波峰為450nm 的藍(lán)光、波峰為 660nm 的紅光等）及其組合光源，光能利用率可達(dá) 80 90 ，節(jié)能效果極為顯著，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在溫室補(bǔ)光、組培、育苗以及植物工廠等領(lǐng)域的應(yīng)用19 。（ 3）溫室環(huán)境友好、 資源高效利用技術(shù)得到廣泛關(guān)注。由于對資源高效利用和環(huán)境保護(hù)的關(guān)注，一些發(fā)達(dá)國家近年來投入大量的精力

22、進(jìn)行溫室精確施肥、雨水收集、水資源和營養(yǎng)液的循環(huán)利用以及對土壤、大氣的保護(hù)等相關(guān)技術(shù)的研究，盡量減少資源的浪費(fèi)和對環(huán)境的破壞。在無土栽培營養(yǎng)液的閉路循環(huán)技術(shù)方面，歐盟規(guī)定 2000 年以后所有的溫室無土栽培必須采用 Closed System （閉路循環(huán)系統(tǒng)） ，通過對栽培系統(tǒng)末端營養(yǎng)液的回收、過濾和消毒，再經(jīng)過對營養(yǎng)液成分的檢測與補(bǔ)充，又重新回到溫室循環(huán)使用。目前，荷蘭 Venlo 型溫室的閉路循環(huán)系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)節(jié)水21% 、節(jié)肥 34% ，而且還大幅度地減少了溫室生產(chǎn)對周邊環(huán)境的污染；在雨水收集利用方面，通過溫室天溝與輸水管路的連接，將雨水收集到溫室附近的蓄水池中， 再通過過濾、 凈化等措

23、施，用于溫室的灌溉。 據(jù)荷蘭統(tǒng)計(jì)， 每公頃溫室配備的貯水罐 （池）容積約 1500m3 ，可解決 75% 溫室作物的灌溉用水；在病蟲害防治方面，通過采用生物防治和物理防治手段相結(jié)合的方式進(jìn)行綜合防控，盡量減少化學(xué)藥劑的使用，實(shí)現(xiàn)蔬菜自身的品質(zhì)安全和對環(huán)境的零污染。（ 4）植物工廠高技術(shù)研究逐漸受到重視。植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)的高精度控制實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)對植物生育過程的溫度、濕度、光照、 CO2 濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行全天候控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。植物工廠可實(shí)現(xiàn)一年多茬次栽培，生菜、菠菜等葉菜類作物的栽培周期較露地可縮短 1/41/2

24、 ，產(chǎn)量可達(dá) 150t/1000m2 ，為露地栽培的 1020 倍。近年來， 由于土地資源的限制以及人類開發(fā)太空的考慮，日本、美國、以色列、荷蘭等國積極進(jìn)行植物工廠高技術(shù)的研究與探索， 美國 NASA 甚至研究在太空采用人工光植物生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)宇航員食物的自給。日本政府基于本國農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力老齡化、生產(chǎn)成本的急劇上升以及人們對安全食品需求的考慮，多年來積極開展節(jié)能、環(huán)保、安全型植物工廠的研究與開發(fā)，并通過政策與資金扶持，大大地推動(dòng)了植物工廠高技術(shù)的發(fā)展 20 。（ 5）溫室管理機(jī)器人研究已經(jīng)進(jìn)入中試階段。20 世紀(jì) 80 年代中期以來 , 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展 , 特別是工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)圖像

25、處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟 , 以日本、荷蘭、英國和美國為代表的一些西方發(fā)達(dá)國家，在溫室管理機(jī)器人的研究方面進(jìn)行了大量的探索 , 試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的機(jī)器人 , 如番茄采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、黃瓜收獲機(jī)器人、西瓜收獲機(jī)器人、甘藍(lán)采摘機(jī)器人、蘑菇采摘機(jī)器人以及噴藥、嫁接、搬運(yùn)機(jī)器人等， 一批溫室管理機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入中試階段21-24 。3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及存在的問題我國設(shè)施農(nóng)業(yè)科研工作起步于20 世紀(jì) 80 年代初的“六五”期間，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，取得了數(shù)百項(xiàng)國家級和省部級科研成果，為進(jìn)一步發(fā)展積累了豐富的成果和人才隊(duì)伍。“六五”期間，由農(nóng)業(yè)部開始立項(xiàng)設(shè)立“熱浸鍍鋅鋼管裝配式

26、塑料大棚研究設(shè)計(jì)”和“自然光照人工氣候室研究”兩個(gè)課題，分別對塑料大棚的骨架結(jié)構(gòu)與定型化設(shè)計(jì)、自然光照人工氣候室環(huán)境機(jī)理與調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了探索，并對半可控環(huán)境下蔬菜育苗技術(shù)改革進(jìn)行了系統(tǒng)研究，初步探討了工廠化育苗的可行性?！捌呶濉逼陂g，農(nóng)業(yè)部設(shè)立了“設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)研究”研究項(xiàng)目，分別對“塑料大棚高產(chǎn)栽培技術(shù)”、 “地?zé)釡厥以耘嗉夹g(shù)”、“無土栽培設(shè)施及配套技術(shù)”三個(gè)專題進(jìn)行了深入研究。 “八五”期間，農(nóng)業(yè)部繼續(xù)設(shè)立“設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)研究”項(xiàng)目，分別就“日光溫室結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化及高產(chǎn)栽培技術(shù)”、“工廠化育苗設(shè)施及配套技術(shù)”和“高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低成本的蔬菜無土栽培技術(shù)”等三個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究?！熬盼濉逼陂g，由

27、前國家科委批準(zhǔn)啟動(dòng)的“工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程”項(xiàng)目，第一次正式提出了“工廠化農(nóng)業(yè)”的概念。該項(xiàng)目分別在北京、上海、廣東、遼寧、浙江等地實(shí)施，在不同類型區(qū)國產(chǎn)化溫室的研制與開發(fā)、溫室高產(chǎn)綜合配套技術(shù)的研究與設(shè)備開發(fā)、新品種選育、種植工藝、采后處理加工及產(chǎn)品檢測等方面取得了較大的進(jìn)展。同時(shí)，通過規(guī)范化栽培技術(shù)的攻關(guān)研究， 高效節(jié)能溫室番茄、 黃瓜單產(chǎn)取得了 1.8 萬公斤以上的水平 25 ，26 。“十五”期間，可控環(huán)境農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究正式列入國家“ 863”計(jì)劃，成為“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)”主題中的重要專題，相繼開展了“可控環(huán)境下主要蔬菜作物優(yōu)質(zhì)高效和無公害全季節(jié)生產(chǎn)技術(shù)”、“可控環(huán)境農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)

28、控制系統(tǒng)研究”、 “可控環(huán)境下蔬菜生育障礙防治技術(shù)與配套產(chǎn)品”、“可控環(huán)境園藝作物動(dòng)態(tài)生長模擬與優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)技術(shù)”等方面的研究， 并獲得了一批具有我國知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)和新產(chǎn)品?！笆晃濉逼陂g，國家設(shè)立了科技支撐計(jì)劃“綠色環(huán)控設(shè)施農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化示范”、“現(xiàn)代高效設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究與示范”、“設(shè)施農(nóng)業(yè)配套關(guān)鍵技術(shù)裝備研究開發(fā)”、863“基于模型的日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化與數(shù)字化設(shè)計(jì)”、 973“設(shè)施農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)研究”等一系列項(xiàng)目， 目前正在進(jìn)行具體實(shí)施過程中。所有這些，為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了人才、技術(shù)、基地與物質(zhì)儲(chǔ)備。但是，隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，所面臨的問題也極為突出，主要表現(xiàn)

29、為：(1) 連作障礙已經(jīng)成為影響我國設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤資源持續(xù)高效利用的重要瓶頸。隨著設(shè)施作物栽培年限的增加，由于大量使用化肥以及重茬栽培，加上土壤管理措施不當(dāng)，常引起土壤微生物種群的改變、土壤結(jié)構(gòu)的破壞和次生鹽漬化以及養(yǎng)分障礙的發(fā)生，造成土壤質(zhì)量退化、病蟲害頻繁發(fā)生以及藥劑的過量施用，嚴(yán)重影響了產(chǎn)地環(huán)境和園藝產(chǎn)品的質(zhì)量33 ；(2) 設(shè)施資源利用率不高，嚴(yán)重影響我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的持續(xù)高效發(fā)展。與設(shè)施農(nóng)業(yè)密切相關(guān)的資源要素包括土地、水和能源，這些都是我國的緊缺資源，長期以來設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多偏重于獲得高產(chǎn)、高效，不惜投入大量的資源，肥料、能源和水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)單位面積水資源的利用率僅為以色列的

30、1/51/6 ，而且肥料利用率更低，不僅造成資源浪費(fèi)，還會(huì)引起面源污染，嚴(yán)重影響我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的持續(xù)高效發(fā)展34 ；(3) 設(shè)施作物與環(huán)境之間的交互作用機(jī)理研究薄弱，影響智能化管理與控制技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用效果。由于在環(huán)境因子對作物生理生化、生長發(fā)育的影響、作物生長模型等方面研究不夠深入，缺乏有效的環(huán)境管理模型，環(huán)境控制技術(shù)智能化水平低，嚴(yán)重影響現(xiàn)代信息與控制技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用效果和管理水平；(4) 設(shè)施無土栽培技術(shù)研究薄弱，影響我國設(shè)施作物生產(chǎn)管理技術(shù)水平的提高。荷蘭等發(fā)達(dá)國家通常采用無土栽培技術(shù)來克服溫室土壤栽培的連作障礙。由于我國無土栽培起步較晚，相關(guān)的基礎(chǔ)研究不夠深入，無土栽培在作

31、物產(chǎn)量上的優(yōu)勢不明顯，導(dǎo)致目前我國無土栽培面積僅占溫室大棚面積的千分之一，設(shè)施無土栽培基礎(chǔ)研究薄弱以及配套裝備缺乏，嚴(yán)重影響了我國設(shè)施作物生產(chǎn)管理技術(shù)水平的提高35 。(5) 設(shè)施園藝作物病蟲害發(fā)生頻繁，防治藥劑的施用不盡合理，園藝產(chǎn)出品和環(huán)境污染嚴(yán)重。與露地生態(tài)系統(tǒng)相比，棚室環(huán)境中具有溫差大、高濕和弱光等特點(diǎn)，我國的節(jié)能型日光溫室和塑料大棚，棚室優(yōu)化環(huán)境能力有限，病蟲害易于發(fā)生。據(jù)估計(jì)，我國常年發(fā)生的重要設(shè)施園藝作物病蟲害多達(dá)百種以上，而造成嚴(yán)重危害的約 50 余種，產(chǎn)量損失超過 25 ，防治設(shè)施園藝作物病蟲害藥劑的不合理施用，也嚴(yán)重污染了園藝產(chǎn)出品和生態(tài)環(huán)境。（ 6）智能化水平低，限制了我

32、國設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的步伐。我國目前絕大多數(shù)溫室設(shè)施缺乏自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，特別是缺乏針對性強(qiáng)、與生產(chǎn)緊密結(jié)合的商品化控制管理軟件。另外，數(shù)據(jù)傳感器類型少，價(jià)錢昂貴，且多采用進(jìn)口產(chǎn)品。上述問題限制了我國設(shè)施農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展的步伐36-38 。4 發(fā)展戰(zhàn)略與優(yōu)先領(lǐng)域（ 1）發(fā)展戰(zhàn)略將緊緊圍繞設(shè)施農(nóng)業(yè)學(xué)科發(fā)展和國家需求，以大幅度提高資源利用效率、單位土地產(chǎn)出率和可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，在設(shè)施新品種選育、新材料開發(fā)、節(jié)能工程、環(huán)境模擬與智能控制、營養(yǎng)液栽培、植物工廠以及管理機(jī)器人等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破，形成具有中國特色的設(shè)施結(jié)構(gòu)類型和配套技術(shù)體系。在短期內(nèi)，將在作物與溫、光、水、氣、肥等環(huán)境因子交互作用規(guī)律與

33、仿真模型的研究方面，在以清潔能源為主體的環(huán)境調(diào)控裝備研制，溫室自動(dòng)檢測與控制系統(tǒng)軟硬件開發(fā)，無土栽培營養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)，溫室管理機(jī)器人的試驗(yàn)研究以及植物工廠的開發(fā)等方面取得重要進(jìn)展；在中期內(nèi)，將會(huì)在溫室作物新品種的選育，節(jié)能覆蓋新型材料的開發(fā)，淺層地能和太陽能等新型清潔能源的開發(fā)，無土栽培配套系統(tǒng)，基于 WEB 的溫室數(shù)據(jù)采集與智能控制系統(tǒng)成套裝置，以及溫室管理機(jī)器人的應(yīng)用以及植物工廠的推廣等方面取得重點(diǎn)突破，初步形成我國設(shè)施農(nóng)業(yè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化體系；在中長期階段，將會(huì)在溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化，覆蓋材料和關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化，節(jié)能工程， 無土栽培配套系統(tǒng)， 環(huán)境模擬與控制，機(jī)器人技術(shù)與植物工廠等領(lǐng)域全面取得突

34、破，形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，總體技術(shù)達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平。（ 2）優(yōu)先領(lǐng)域針對當(dāng)前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)存在的突出問題，從國家設(shè)施農(nóng)業(yè)的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略需求出發(fā)，在一些共性和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域率先取得突破。預(yù)計(jì)在未來一段時(shí)期內(nèi)取得優(yōu)先突破的領(lǐng)域包括： 溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新型材料的研究與開發(fā)。針對不同氣候區(qū)（如華北、 華東、東北、西北、華南等）各自的氣候、資源與環(huán)境特點(diǎn)，構(gòu)建氣候模型，進(jìn)行不同區(qū)域的國產(chǎn)化溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與配套產(chǎn)品開發(fā)；在新型材料的研究與開發(fā)上，重點(diǎn)攻克塑料薄膜抗老化、防霧滴、長壽和保溫等技術(shù)難題；重點(diǎn)開展具有中國特色的節(jié)能日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與配套技術(shù)開發(fā)，解決土地利用率低、環(huán)境調(diào)控能力弱

35、以及栽培系統(tǒng)配套等關(guān)鍵問題； 基于作物模型的溫室數(shù)據(jù)采集與智能化控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)。重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)施環(huán)境下主要作物與溫、光、水、氣、肥等環(huán)境因子交互作用規(guī)律的研究，探索不同作物對環(huán)境響應(yīng)的定量關(guān)系；同時(shí)，運(yùn)用虛擬技術(shù)構(gòu)建主要作物生長發(fā)育的動(dòng)態(tài)模擬模型，開發(fā)出基于作物模型和環(huán)境模型的溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；通過先進(jìn)適用的溫室無線傳感節(jié)點(diǎn)、無線控制節(jié)點(diǎn)、無線匯聚節(jié)點(diǎn)、優(yōu)化控制站點(diǎn)的建立，以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件技術(shù)、無線測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)，建立基于 WEB 的溫室數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程診斷與環(huán)境控制的智能管理系統(tǒng)； 溫室高效生產(chǎn)綜合配套技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備的研制與開發(fā)。著重進(jìn)行溫室專用栽培新品種的選育、無土栽培高效生產(chǎn)

36、關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)施的研制、 工廠化育苗配套設(shè)施、 微灌施肥技術(shù)、病蟲害綜合防治技術(shù)、 熊蜂授粉技術(shù)、 CO2 施肥和無公害蔬菜采后處理、加工與儲(chǔ)藏保鮮關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備的研制與開發(fā)，使溫室作物產(chǎn)量比現(xiàn)有水平提高 50 80%27-30 ； 溫室節(jié)能與資源高效利用技術(shù)的研究。以節(jié)能為目標(biāo)，研究溫室光溫環(huán)境控制的節(jié)能模式與工程手段，開發(fā)出以淺層地能和太陽能等清潔能源為主體的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)；開發(fā)出具有節(jié)能、節(jié)水、節(jié)藥、節(jié)肥功能、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的溫室配套裝備，如節(jié)能型加溫、降溫設(shè)備以及營養(yǎng)液閉路循環(huán)系統(tǒng)等；研究以 LED 為代表的新型節(jié)能人工光源系統(tǒng)等，源源不斷地為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)支撐； 植物

37、工廠高技術(shù)的研究與開發(fā)。以設(shè)施工程、環(huán)境控制以及無土栽培等技術(shù)為基礎(chǔ)，研制出一批我國自行設(shè)計(jì)制造的“低成本、節(jié)能、高效”植物工廠，以滿足國內(nèi)外市場對高端園藝產(chǎn)品的需求，實(shí)現(xiàn)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)高技術(shù)的國產(chǎn)化2，31 ， 32 ； 溫室管理機(jī)器人的研究與開發(fā)。進(jìn)行溫室管理機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，如基于機(jī)器視覺的果實(shí)圖像信息快速獲取與生物信息模式識別技術(shù)、機(jī)器人前行路徑的相對導(dǎo)航和已知位置點(diǎn)的絕對導(dǎo)航控制等技術(shù)的開發(fā)，逐步使溫室管理機(jī)器人進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用。通過上述研究的開展，逐步使我國設(shè)施農(nóng)業(yè)形成完備的技術(shù)體系，不僅在高新技術(shù)領(lǐng)域擁有自己的自主知識產(chǎn)權(quán)，而且在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域形成系統(tǒng)配套的完善體系，實(shí)現(xiàn)由設(shè)施農(nóng)業(yè)大國向

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