关于国内外设施农业技术研究

关于国内外设施农业技术研究

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设施农业是在环境相对可控的条件下进行生产，在一定程度上克服了传统农业难以解决的限制因素，使资源各要素能得到优化配置和高效利用，单位土地面积的生产能力可得到成倍乃至数十倍的提高。有关资料显示，我国设施园艺产业以不到3%的种植业土地，获得了20%左右的种植业总产值[1]。因此，设施农业的发展不仅是我国国民经济和社会可持续发展所要求的，也是我国人均资源失衡等严峻形势所决定的。

设施农业是指通过采用现代农业工程和机械技术，改变自然环境，为动植物生产提供相对可控甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥等环境条件，从而在一定程度上摆脱对自然环境依赖的有效生产的农业，具有高投入、高技术含量、高品质、高产量、高效益等特点，是一种最有活力的现代农业生产方式。世界各国设施农业的发展证明，科学技术是推动现代设施农业发展的根本动力。生物技术、信息技术、能源技术、新材料技术等高新技术在设施农业中的综合应用，使设施农业成为技术高度密集的产业，向大型化、机械化、自动化和信息化方向发展，有力地促进了现代农业的可持续发展。因此，本研究主要对国内外设施农业技术研究进行综述，希望能对我国这方面的研究工作有所帮助。

随着全球现代工业向农业的渗透，世界各国特别是发达国家把发展设施农业作为现代农业可持续发展的重要措施。在设施园艺研究领域中，各国发展模式正在按照其自身气候与自然条件进行本地化研究，其研究方向可归纳为三大类：第一是相关高新技术支持方面的研究。如环境温度、湿度、CO2浓度、土壤营养成分监控技术；病虫害防治技术、合理肥效控制、能量综合利用技术、无土高效栽培技术、无公害高效栽培技术、产品后处理及深加工技术等。第二是设施农业生产全过程中涉及的相关设备技术的研究，如自动化环境监控设备、温室原料生产设备、育苗播种机械设备、耕作收获机械设备、灌溉施肥植保机械设备、传感执行机械设备、病虫害投放设备、降温加温通风设备、予冷储藏设备、运输机械、基质消毒设备、后处理深加工设备等等。第三是设施农业保障技术的研究，如设施农业网络信息支持系统技术等。

1 设施农业高新技术的研究进展

1.1 无土栽培技术

在设施农业中，无土栽培正在改变着传统种植方式，成为飞速发展的新兴学科。无土栽培以人工制造的作物根系环境取代了土壤环境，可有效解决传统土壤栽培中难以解决的水分、空气、养分的供应矛盾，使作物根系处于最适宜的环境条件，从而充分发挥作物的增产潜力。目前，世界上应用无土栽培技术的国家和地区已达100多个。美国是世界上最早进行无土栽培商业化生产的国家，主要集中在干旱、沙漠地区，主要栽培作物有黄瓜、番茄等蔬菜，无土栽培面积超过2 000平方米。荷兰是无土栽培最发达的国家，其无土栽培面积达4 000平方米，有64％的温室都采用无土栽培技术。日本也是无土栽培较发达的国家，其无土栽培以岩棉培和NFT为主，无土栽培面积约300平方米。中国无土栽培的总面积约为315平方米，仅占其温室面积的万分之一。现在世界上商业性无土栽培是以基质栽培为主，荷兰的基质栽培占无土栽培总面积的90％以上，法国占81％，加拿大占80％，比利时占50％左右，日本各种循环水栽培占80％以上[2]。

1.2 生物防治技术

生物防治作为温室害虫综合治理中的重要措施之一，具有独特的优越之处，如不存在化学杀虫剂的污染、残留和害虫抗药性等问题。随着病害生态防治技术和害虫天敌人工繁育技术的不断发展，设施农业发达的国家利用生物防治技术、生态调控技术防治设施蔬菜病虫害越来越普遍。目前国际上工厂化生产天敌昆虫的公司已有80多家，已经商品化生产的天敌昆虫达130多种。如荷兰Koppert公司，设施蔬菜主要害虫的天敌昆虫如粉虱天敌浆角蚜小蜂、丽蚜小蜂，斑潜蝇天敌潜蝇姬小蜂，蚜虫天敌食蚜瘿蚊以及对许多害虫均有良好控制作用的赤眼蜂、瓢虫、草蛉、捕食螨等在该公司均有商品化的产品。目前发达国家完全通过释放天敌昆虫来控制设施害虫的温室越来越多。如荷兰温室的青椒，其生物防治的商品率已经达到80%~90%。

1.3 自动控制技术

自动控制技术是指对设施内温度、湿度、光照、水分、营养、CO2浓度等综合环境因子的自动监测与调控，这是当前国际上设施农业研究的热点。其中，值得关注的研究成果有：一是温室作物高效生产管理模型的研究。通过对温室作物生理信息与环境、营养之间定量规律的研究，建立作物数字化模型，为温室精准化管理提供理论依据[3]。如荷兰开发出的Tomsim（番茄）、Hotsim（黄瓜）等模型，对包括整枝方式、栽培密度、基于天气和植株生育状况的环境管理指标、不同生育阶段的水肥管理指标、病虫害预防和控制技术等进行了量化，并已得到广泛应用[4]。日本农业研究中心开发出的MetBroker系统和山武股份公司开发的拓扑案例模型法(Topological Case-Based Modeling:简称TCBM)，形成的作物模型已成功用于温室番茄的管理。二是基于Web的温室数据采集与控制系统软硬件的开发。荷兰瓦赫宁根大学通过将作物管理模型与环境控制模型相结合，实现温室的智能化管理，大幅度降低了系统能耗和运行费用[5]。日本千叶大学利用遥感技术和图象检测装置测定植物群落的生长状况，实现了温室的智能化管理与控制。以色列ELDAR－GAL公司研制的能同时采集数十个植物生理和环境信息的监测仪，通过与专家系统结合实现对植物环境的精确调控。

随着网络技术的普及，温室的智能化、网络化管理技术也得到了较快的发展。伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观察、遥控50 km以外温室内的温、光、气、水等环境因子状况。日本明星电气公司开发的农业气象信息网络系统可同时连续检测15种环境要素,并将测量数据实时连接到计算机或因特网上，进行远程监测和调控。美国加里福尼亚大学和康奈尔大学还研制出了温室生产SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)智能化技术，已进入实际应用阶段[6]。

我国围绕“设施农业植物生理生态检测和环境调控系统”、“温室设施配套作业技术装备”、“设施农业嫁接、移钵自动化技术装备”等方面开展了研究和攻关。开发研制出植物生理生态监测系统和基于以太网的温室环境智能化调控系统、移动式无土栽培基质消毒与营养液循环再利用技术装备、土壤消毒设备、温室精确育苗与移植设备、嫁接用大粒种子定向播种机、自动化嫁接复式作业装备和自动化幼苗移钵装备等。自动测量、环境控制和计算机程序化技术已在各国设施农业领域得到广泛应用，从而促进了设施农业高新技术的兴起与发展。

2 设施农业装备技术的研究进展

2.1 温室节能技术

由于能源紧张、CO2排放的限制等原因，欧美等发达国家目前将节能技术作为温室领域最重要的研究课题。发达国家的温室产业基本上都是依赖于消耗天然气和石油发展起来的，每生产10 kg的黄瓜大约需要消耗5 L燃油。近年来，随着《京都议定书》的执行，一些发达国家正在研究如何减排CO2，如荷兰规定，到2010年，将以1980年（100%）为参照减少温室行业65%化石燃料的使用，到2020年，将基本不用化石燃料。因此，

一些国家纷纷投入大量的科研经费用于节能和新能源技术的研究。温室节能技术的主要研究进展包括以下4类技术：

2.1.1 覆盖材料透光技术大幅度提高覆盖材料的透光率、增加太阳光的入射量。例如，荷兰瓦赫宁根大学开发了一种叫zigzag的板材，利用反射光的二次利用，透光率可达89％，最高达到93％～95％。一些国家还开发出了温室屋顶清洗机械装置，用于清洗屋顶的灰尘，增加温室的透光率。此外，对温室覆盖材料的内侧进行镀膜处理，可以阻止温室内部长波向外辐射，减少热损耗，可实现节能25％以上。

2.1.2 热能的多用途利用和余热回收技术如温室锅炉的烟筒普遍装有余热回收系统，热回收效率可达75％以上[7]，尽可能减少热损耗。此外是浅层地能的利用，利用土壤作为蓄热源，夏季把低温冷源抽到地上，用于温室降温，把经过热交换的热量打到地下，冬季把高温热源抽上来，在热泵作用下升温至45～50℃，这样只需要稍许加温就可以用于温室采暖，节能幅度达65％~70％。

2.1.3 温室优化结构技术通过缩小屋脊和扩大温室单栋面积来合理采光和减少热损失。温室结构向高大发展，脊高6 m的新型温室迅速增加，单栋面积也扩大至100 m×200 m，有的达到200 m×200 m以上，大型温室有利于温度稳定及提高光合利用率。荷兰为了提高温室总体密封性能，节约能源，对屋顶铝材结构进行了较大改进，增加了密封胶条，提高了密封性能，有效减少了玻璃由于热涨冷缩发生的破损。

2.1.4 节能光源LED技术随着发光二极管（Light-Emitting Diode,LED）技术的发展，已研制出针对植物需求的单色LED（如波峰为450 nm的蓝光、波峰为660 nm的红光等）及其组合光源，光能利用率可达80％～90％，节能效果极为显著，并已经实现了在温室补光、组培、育苗以及植物工厂等领域的应用[8]。由中国农业科学院环境与可持续发展研究所研究开发的LED光源植物苗工厂，用节能LED光源替代传统的荧光灯光源，并根据植物苗对光环境的要求，进行了系统的研究，构建了国内第一套用人工光源的植物苗工厂。该技术于2008年11月20日通过科技部组织的专家验收。研究成果按照植物苗工厂的技术需求，筛选了特定波长的红光LED 和蓝光LED，选取单色红光660 nmLED和蓝光450 nm LED光源按一定比例进行组合，并开发了相应的LED 光源板及其控制系统，研制出了一套控制参数设置方便、界面可视化程度高、数据处理能力强的光环境控制软件。项目所形成的“LED植物苗工厂及其光环境控制系统”成果已在部分地区植物组织培养、蔬菜与花卉工厂化生产等领域示范应用，显示了广阔的推广前景。

2.2 温室环保技术

环保技术要求人们必须从各方面促使农业的发展与自然界和谐一致。由于对资源高效利用和环境保护的关注，一些发达国家近年来投入大量精力进行温室精确施肥、雨水收集、水资源和营养液的循环利用技术以及对土壤、大气的保护技术研究，尽量减少资源浪费和对环境的破坏。主要研究进展为：一是在无土栽培营养液闭路循环技术方面，欧盟规定2000年之前所有的温室无土栽培系统必须采用闭路循环系统(Closed system)，通过对营养液的回收、过滤、消毒、补充营养等措施，结合新的营养液的补充，又重新回到温室循环使用。该系统可实现节水21％、节肥34％，而且还可以大幅度地减少营养液外排对周边环境的污染，提高营养液利用效率。二是在雨水收集利用方面，通过一系列的管路系统将温室天沟的雨水收集起来，传送到温室附近的蓄水池中，再通过过滤净化等措施，输送到温室进行灌溉，每公顷温室需配备约1 500 m3贮水罐(池)，能够解决75％温室作物的用水。三是在病虫害防治方面，采用生物防治和物理防治手段相结合进行综合防治，尽量减少化学药剂的使用，实现对蔬菜自身和环境的零污染[6]。