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

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(duì)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(duì)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

2、of controlled environmental agriculture in China Yang Qi-chang Sun Zhong-fu Wei Ling-ling Liu Wen-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

3、of controlled environmental agriculture（CEA）, current research situation and development trend on intelligence management of greenhouse, saving-energy technology, efficient cultivation, plant factory, greenhouse robot and other new technologies were illuminated deeply. Aiming at the existent problem

4、 of controlled environmental agriculture（CEA） in china, the priority research projects , including greenhouse structure optimization, new materials development, date acquisition and intelligent control based on the crop growth model, synthesis technique of efficient cultivation, saving-energy engine

5、ering, efficient using of resource and plant factory, were suggested. Moreover, the suggestions to develop controlled environmental agriculture（CEA） in China were also put forward. Key words: Controlled environmental agriculture（CEA）；Greenhouse management；Plant factory； Efficient cultivation 1 背景和意義

6、1 設(shè)施農(nóng)業(yè)，是在環(huán)境相對(duì)可控條件下，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)（Controlled Environmental 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)”的概念1。所有這些名稱，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

7、對(duì)可控條件下進(jìn)行生產(chǎn)，因而可以完全或部分地?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、

8、沙漠、建筑物屋頂?shù)确强筛厣线M(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(duì)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(duì)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

9、化等原因耕地每年以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(duì)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(duì)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)化升級(jí)和綜合效益的

10、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1/21/4，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1/51/10。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)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。

11、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(duì)設(shè)施的要求，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

12、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(duì)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(jí)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(duì)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

13、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(duì)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，其現(xiàn)代化溫室能根據(jù)作物對(duì)環(huán)境的不同需要，由計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)施內(nèi)的溫、光、水、氣

14、、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5070kg/m2，黃瓜產(chǎn)量達(dá)80100kg/m2，玫瑰產(chǎn)量達(dá)320340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

15、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(duì)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(duì)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(duì)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

16、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?Topological Case-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

17、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ELDARGAL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(duì)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)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

18、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。 基于化石能源日益枯竭、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(duì)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%。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

19、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)部長波向外輻射方面，對(duì)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

20、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?，在熱泵作用下，升溫?550，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610720nm的紅、橙光以及波長400510nm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)艉蜔晒鉄舻龋蚝屑t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-Em

21、itting Diode, LED）技術(shù)的發(fā)展，研制出了針對(duì)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)8090，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(duì)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(duì)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(duì)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

22、System（閉路循環(huán)系統(tǒng)），通過對(duì)栽培系統(tǒng)末端營養(yǎng)液的回收、過濾和消毒，再經(jīng)過對(duì)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(duì)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(duì)環(huán)境的零污染

23、。 （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(duì)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，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)

24、力老齡化、生產(chǎn)成本的急劇上升以及人們對(duì)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

25、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(jí)和省部級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)“塑料大棚高產(chǎn)栽培技

26、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。 “九五”期間，由前國家科委批準(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

27、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)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(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)和新產(chǎn)品。“十一五”期間，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

28、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)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；

29、 (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(duì)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

30、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

31、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(duì)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

32、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

33、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)域全面取得突破，形成具有完全自主知識(shí)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(duì)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(duì)不同氣候區(qū)（如華北、華東、東北、西北、

34、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(duì)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

35、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)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5080%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

36、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(shí)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(duì)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(shí)別技術(shù)、機(jī)器人前行路

37、徑的相對(duì)導(dǎo)航和已知位置點(diǎn)的絕對(duì)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(shí)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)大國向強(qiáng)國邁進(jìn)。 參考文獻(xiàn) 1 汪懋華.設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展與工程科技創(chuàng)新.北京：北京出版社，2000 2 楊其長，張成波. 植物工廠概論. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2005 3 李天來.論設(shè)施園藝在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位及發(fā)展方向.沈陽：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，1-4 4 陳青云.日光溫室的實(shí)踐與理論.北京：上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，343-346

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