我国温室农业设施装备技术发展现状及建议

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　　摘要：现代化温室设施装备发展状况是设施农业工程发展水平的重要体现，是实现农产品生产高产、高效、高品质的有效保障，也是我国现代都市型农业发展的关注重点。我国农业设施装备虽经历近30年跌宕起伏的发展，但仍存在许多问题。因此，总结国外先进的农业设施装备的发展与研究状况，综述目前国内温室设施装备的发展存在若干问题并提出几点建议。
　　 关键词：现代化温室设施装备;发展现状;建议
　　 中图分类号：S625   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）14-0013-05
　　 现代化温室设施农业是一种高投入、高技术含量、高产出的农业，它是通过应用工程技术手段和工业化生产模式，为作物的生长营造一个可控制的、适宜的生育条件和环境条件，以保证在有限的空间内使用最小化劳动强度，最低化生产投入，获得最高产能、最优的品质及最佳的效益[1-3]。而现代化温室设施机械化是提高整个农业生产效率的关键，对提高农业生产效率和农产品品质起到至关重要的作用。因此，温室设施机械化是未来农业发展的主导方向。温室农业设施装备主要包括滴灌设备、湿帘风机降温系统、内遮阳系统、外遮阳系统、补光设备、加温设备、CO2补气系统、环流风机通风系统、顶喷淋系统及其他机械设备（穴盘播种设备、采摘运输设备、果蔬清洗分检设备、包装机械），这些为设施农业的生产作业带来了便捷性与高效性[4]。
　　1 当前国外温室设施装备技术发展现状与趋势
　　设施农业装备具有机械化科技含量高、自动化程度高、高投入、高效率、高产出的特点，因而在国外得到了迅速发展。以色列、美国、法国、日本、荷兰、英国、意大利、西班牙、葡萄牙、比利时、墨西哥等在农业设施装备技术发展方面作出了杰出贡献。
　　以色列的滴灌技术与温室设备材料品质均属世界一流水平，尤其是滴灌技术的应用，利用高效、节水灌溉系统将土壤盐渍化控制到最低水平[5-8];覆盖材料普遍采用编织复式聚乙烯薄膜，机械强度高，抗拉、抗冲击、抗老化等功能受到消费者青睐[9]。特别是近年来一些具有光谱选择、降温、杀菌防虫等作用功能膜的开发与应用也逐渐受人们的关注[10-12]。美国在温室结构上主要采用大型连栋温室，栽培设施中在综合环境控制技术方面取得了巨大成效，尤其是高压雾化降温方面[13]，加湿系统以及湿帘降温系统取得世界一流水平[14]。在移苗机器人研发方面也取得了较大突破，其能够识别种苗的好坏，将不好的苗剔除，仅对健壮的种苗进行移栽[15-16]。另外，在环境因子采集过程及温室灌溉方面，不断改进传感器技术，通过传感器精确地确定灌溉时间及运行速率，有效地减小灌溉用水和能源成本、肥料支出以及疾病损失[17]。日本在设施农业发展上也投入了大量的人力、物力、财力，并密切关注国外先进温室结构和设施装备的发展，通过引进、消化、吸收国外先进技术，温室设施设备研究取得了巨大成效[18-20]。荷兰、墨西哥、比利时等是世界上拥有玻璃温室面积较多的国家，高度集成化的工业技术广泛应用于设施农业，配套的设施装备种类齐全、技术较成熟[21-22]。其中，温室通风系统普遍采用電机驱动的机械通风，从而实现温室内空气快速地自由流通，进而调节和控制温室内的温度和湿度[23]。另外，他们向全球50多个国家提供了温室计算机控制系统技术服务。可根据温室植物生长的需求，自动控制卷膜、天窗、湿帘风机、喷雾、加温、补光、CO2浓度[24-28]等产生植物生长所需因素的设备，并通过计算机控制系统，将植物生长所需温度、湿度、二氧化碳浓度、肥料需求量等控制在最佳水平，并对设施内各种作物进行多因素监测与调控，从而为作物提供最佳的生长环境[29-30]。另外，国外温室播种、育苗、收获等机械化作业普及率很高[31-34]，作物产品采摘后的清洗、分级、包装、预冷等实现了自动化作业[35-37]，温室内病虫害防治、自动检测与鉴定设备[38-40]、温室管理机器人以及其他现代化设施装置日趋成熟并市场化开发和应用[41-42]。
　　2 国内温室设施装备技术发展状况
　　相对国外先进的农业设施装备技术，国内温室设施装备技术起步较晚，但发展迅速。温室结构硬件上，连栋温室技术发展日趋成熟，西北型单、双跨日光温室以及辽宁型日光温室结构的调整及优化得到了良好的效应，配套设施研究取得较大进展，如湿帘降温设备、水肥机、供热升温设备、通风系统、育苗设备以及温室内环境因子调控系统等在温室实际生产实践中成熟应用，并取得良好的经济、社会和生态效益，为我国温室设施工程、农业产业化的推进和发展作出了巨大贡献[43]。
　　2.1 移栽机
　　近年来，我国农业生产朝着规模化发展，移栽作物面积不断扩大，移栽作物品种不断增加，随着人工成本不断升高，自动化移栽设备需求日显迫切。在欧美等发达国家移栽设备已较广泛地应用于农业生产[44]，而我国移栽机研究起步较晚，又因为移栽设备结构较复杂、开发成本较高，在国内的发展受到了一定限制，至今为止未见有成批推广使用的移栽机机型。近几年，半自动移栽机发展较快，应用较广泛。但半自动移栽机作业时须配备人员较多，作业效率不高，机械化效益不够突出。因此，全自动移栽设备逐渐引起学者的关注，并开展了一系列研究。Hu等为了提高温室插秧苗插秧的自动化程度和效率，综合一组优化的维数参数，并提出一种全局综合性能指标，设计出一种采用双自由度并联转换结构和气动机械手的高速插秧机[45];高国华等设计了一款斜入式穴盘苗移栽机械手，有效降低了移栽伤苗率[46];杨振宇等为提高移栽钵苗的成活率，采用单目视觉技术调整移栽钵苗叶片问题并获取钵苗移栽适合度信息，试验获得理想的成效[47-48];王跃勇等采用双目立体视觉的定位方法，解决了自动化机械手移栽过程穴盘放置倾斜以及穴盘底部变形引起移栽不理想的问题[49]。
　　2.2 穴盘播种机
　　穴盘育苗是工厂化育苗最普遍采用的形式，而穴盘播种则是育苗的关键环节之一。20世纪70年代，我国逐步开始研究精密穴盘播种技术，初期由于国内穴盘育苗设备存在机械化效率和播种精度不高等问题。为解决该问题，农业农村部与科学技术部先后将穴盘育种列入国家重点项目，并要求各地农业机械化研究单位和生产企业及时跟进。经过多年努力，结合自身需求并借鉴国外先进技术，最终研制出多种多样的精密穴盘育苗播种机[50]。胡建平等开发了一款磁吸式穴盘精密播种机，实现了300盘/h的播种效率[51]。张石平等采用振动机构的激振作用，用吸种盘吸种以实现1粒/穴的精密播种质量[52]。胡志新等考虑到播种机空穴率、多粒率、破碎率等问题，采用压电弹簧和气吸盘相结合的方法，设计出一套自动穴盘精量播种机[53]。朱盘安等考虑到播种机的便携性问题以及中小型大棚温室的客户需求，根据激光传感器检测定位，设计出一种穴盘基质打孔与播种的便携式蔬菜穴盘自动播种机[54]。 　　2.3 灌溉施肥机
　　以往温室大棚内灌溉施肥大多采用沟灌、漫灌，导致水资源利用率低，工人作业强度大，土壤养分流失等。另外，温室内长期湿度较大给整个大棚环境带来了危害，并诱发一些病害[55]。滴灌施肥技术在现代农业生产中逐步受到业界人士的青睐。目前市面上主流滴灌施肥装备大多是从荷兰、以色列等国家进口，而采购设备费用昂贵，实际应用中存在一定局限性，也成为消费者须要考虑的问题。杨仁全等对国内外现有灌溉施肥技术的现状进行调研，并开发出一套实用可靠的高精密灌溉施肥机系统[56]。孙宜田等采用营养液混合的模糊控制器，并利用LabVIEW开发出一套智能水肥药一体化设备，解决了混肥精度不高的问题[57]。刘永华等从吸肥性能角度研究水肥一体化灌溉施肥机，对关键核心部件文丘里吸肥器渐缩角、渐扩角及喉部直径等参数进行优化，并取得了显著效果[58-59]。袁洪波等为提高水、肥料利用率，再增加文丘里装置后，对混合罐2种不同模式进行组合，设计出一种水和肥料集成营养液的调节和控制装备，试验结果表明该设备调节速度快、响应精度高[60]。房俊龙等针对当前国内大多水肥机设备内部简单混肥、监测管理不到位、自动化程度不够高、稳定性不强等问题，提出一种通用灌溉施肥结构和可配置智能控制器，并利用传感技术、自动控制技术信息采集与处理技术，实现灌溉施肥从传统模式到智能模式的切换[61]。李坚等针对一些规模较小、栽培管理有特殊要求的日光温室，以两路母液/一路酸液与EC/pH值建立关系模型，设计出一种基于施肥器的小型灌溉施肥机，该设计造价成本低廉、实用方便，为日光温室作物栽培标准化管理奠定了基础[62]。
　　2.4 通风降温设备
　　大棚温室通风的主要目的是降温，通风分为自然通风与机械通风2种，而这2种通风效果最多只能接近或与室外温度相同。为了能取得较好的降温效果，目前国内普遍采用内、外遮阳网进行降温，即室外采用黑色聚乙烯遮阳网将阳光挡在室外，减少热量累积;室内采用铝箔保温网膜，夏季起到隔热、冬季起到保温的效果[63]。但在高温的夏季，仅依靠天窗、侧窗、通风排气扇、遮阳网等降温措施，降温效果并不理想。为保证植物能够在适宜环境下正常生长，目前温室普遍安装了喷雾降温和湿帘风机2种降温设备。另外，国内许多学者对2种降温设备作了许多细化研究，为温室降温方面的研究提供了许多坚实的科研基础。周伟等考虑到作物和环境的相互作用，对采用天窗、外遮阳、内喷雾降温措施进行组合试验，并利用流体力学（CFD）中稳态方法仿真模拟了Venlo型温室不同的降温效果，为温室作物系统环境控制策略的定制提供了科学依据[64];Lin等从节能、降低损耗的角度考虑，利用洗车泵作为高压水源，将能量贮存于贮能管中，在泵停止运行期间通过释放压缩空气的能量维持喷雾，并成功将该设备推广至温室大棚降温[65];吴霞等针对人工喷雾降温存在的问题，设计了一套枸杞育苗的自动喷雾降温设备，通过温湿度传感器实时采集信息并反馈至控制器，自动调节枸杞育苗温室内的温湿度，不仅准确地控制了温室内的温湿度，还大大降低了人工成本[66]。胥芳等为了提高温室夏季降温环境性能，提出一种基于计算流体力学（CFD）的温室湿帘风机系统的降温环境优化设计方法，建立了温室长度、湿帘面积、风机速度等参数的拟合结果，为Venlo型温室湿帘风机系统的设计提供了可靠的理论依据[67];张树阁等考虑到湿帘风机安装高度对夏季温室内气温的影响，将湿帘风机的安装高度对降温效果进行了对比试验，认为高度不同的作物对湿帘风机安装高度有不同的要求[68]。
　　2.5 微型耕作机
　　高产、高效的自动化生产是当前人们追求的目标。结合我国温室、大棚等农业生产环境的特征，当前微型耕作机不仅可实现耕作，还可以实现施肥、灌溉、除草等功能，其体积小、质量轻、单价低、使用便捷等优点越来越受到业界人士的青睐。因此，国内不少学者对微耕机的操作便捷性、舒适性和拓展功能进行了细致的研究。郝允志等考虑到小型耕耘机的自动化水平与操作舒适性，提出一种根据作业阻力自动换挡的2档自动变速器结构，并通过样机试验证明了变数器自动换挡功能与换挡的稳定性[69]。王元杰等针对温室内耕作机械存在操作不灵便，作业人员劳动强度大，设备污染严重等问题，对整机驱动系统进行了细致研究，设计了一种适用于温室大棚耕犁作业的微型电动耕作机，样机试验证明了整机设计满足要求[70-71]。曾晨等为了提高微耕机变速箱的传统性能和放耕效率，针对变速箱主要参数进行设计，建立了多轴式微耕机变速箱的优化设计模型，并用NSGA-2算法求解优化模型[72]。高辉松等根据设施农业的环境特点，设计电动微耕机结构形式及传动系参数，开发温室大棚用供取电系统和单输入三输出变频调速系统，研制一种温室大棚专用的电动微耕机系统，并通过试验论证其经济性能远高于同功率的汽油微耕机[73]。
　　2.6 其他温室设施装备
　　随着设施农业发展，机械化装备日益健全。曹峥勇等针对传统简易施药机易造成人员中毒、药液喷洒过多造成环境污染等问题，设计了3自由度喷雾机器人控制系统，实现了对黄瓜植株对靶作业，试验结果表明该设计具有较高的实用性[74]。李东星在曹峥勇研究[74]的基础上研发了一种无轨道自走式并自适应升降喷杆施药系统，实现了温室施药的无人化、机械化、自动化、精准化[75]。传统依靠化学植保法维持农场日常生产，逐渐无法满足现代农业生产节能和环保的要求。另外，随生活品質的提升，人们对无公害、绿色环保的农产品品质不断提出了更高的要求。因此，越来越多的物理植保设备逐渐被开发和应用。常泽辉等针对传统土壤灭虫除菌的化学消毒法带来的环境污染及药物残留问题，提出了新型聚光回热式太阳能灭虫除菌装置[76]。隋俊杰提出一种土壤电消毒灭虫原理，并对灭虫机进行应用，为土壤连作障碍提供了有益的探索[77]。另外，在农产品产后处理中，为减轻人工劳动力强度、提高黄瓜采收智能化水平，纪超等提出一种3层式系统控制方案，研发了一套黄瓜采摘机器人系统，并在温室内成功进行了各项性能测试[78]。果蔬产后分级、清洗、包装等工作是产品商品化的必要基础。魏忠彩等针对机械化收割、清洗、分拣、分级等机械化作业造成马铃薯损伤问题，进一步总结分析几种造成损伤的原因，采用抗损伤新材料和高频低振幅振动分离技术，对后期开发和研究马铃薯收获、清洗、分级等仓储设备具有重要的指导意义[79]。随着消费者对易腐食品纯正口味、长保质期的追求，食品包装设备技术正演变为一种市场趋势[80]。高德等综合考虑果蔬呼吸与薄膜透气2个相互交叉动态过程，采用臭氧果蔬保鲜技术，有效延长青水蜜桃与油豆角等果蔬2周以上的保鲜期[81-82]。 　　3 国内温室设施装备发展存在问题与建议
　　3.1 存在问题
　　我国在设施农业方面给予了高度重视与巨大投入，开发了许多满足客户需求的产品，也发明创造了许多新装备、新设施，国内温室设施装备自动化水平得到了大幅度提升，作物生产的产量与品质也得到了提高，设施农业生产的规模也日趋庞大。但与国外设施农业发达国家相比，我国设施农业装备的发展还存在许多问题：第一，部分机械设施装备直接从国外原样引进或是仿制，对设备内在工作机理未进行深入的消化和吸收，或是根据不同地区、场合以及一些外界环境因素进行相应的设计和改造，导致温室设施产品使用性能达不到国外预期的水平。另外，国内温室农业产品自动化采收，产后分级、清洗及包装等自动化装备的相关研究也相对较少，技术仍不够成熟，市场推广面不强。国内温室内部自动化生产的物流装备的应用仍是空白。第二，部分自主研发的新装备的机械工艺较粗糙，体型较笨重，产品生产设计还不能实现从设备整体协调工作的节能、环保及耐用等方面进行综合考虑。材料配件抗老化、稳定性等性能远低于国外水平，从而在设备整体使用性能上达不到国外先进水平。另外，农业设施装备产品标准化程度不高，产品配件之间通用性与可替换性不强，某种程度上影响了设施农业装备的发展。第三，不仅在温室硬件设施装备与农业发达国家存在一定差距，已开发的自动化环境控制系统软件也不够完善，稳定性与科学性也须进一步提高。国内少数设施装备较完善的大型温室，硬件设施设备配置较高，但生产管理和设备运行水平仍不及国外。温室内各个设施装备运作与调控模式很大程度上仍依靠人工经验管理，半机械化操作，设备智能化协调性较差，未能充分发挥各个装备的协调性作用，在一定程度上影响了设施设备的发展。第四，设施农业装备产业大环境不够健全。产业支持、税收、科研等政策上未获得与涉农产业同等的待遇，从而制约了该产业的发展步伐。人才培养起步较迟，中、高层实用性人才稀缺，实战经验普遍存在不足。另外，行业管理规范性不足，缺乏引导行业发展的作用，盲目追求低水平“示范”“低质-低价”等[50]，导致温室设施装备产品开发与发展的道路更加曲折漫长。
　　3.2 解决问题的几点建议
　　首先，设施装备产品在研发上不能仅考虑到工艺性能与伺服性能指标，还应注重节能、环保等方面的设计与研发，特别是太阳能、风能及地热能等新型能源、资源的利用。另外，基础性学科研究工作须要加强，如温室设施装备材料的各项性能研究，包括抗老化、柔韧性、透光、透气等。其次，在引进国外先进技术的同时，须要消化、吸收国外先进技术与工艺，并根据我国温室的现实需求进行相应的改进、升级，最终成为适合国内使用的产品。对于温室内生产线生产、植保、产品产后处理等自动化设施装备的研究仍处于初级阶段，可行性与适用性等研究须要进一步加强。另外，充分利用一些在其他领域已经成熟应用的自动化装备，根据农场现场环境需求进行适当改造，进一步推广至农场的应用。再次，注重从业人员实践技能培训，提高从业人员技能素质。我国与农业发达国家差距的本质在于人才的差距。政府和农业有关职能部门应重视人才队伍培养，尤其是懂农机与农艺的复合型人才以及温室综合性管理人才的发展和培养。最后，进一步提升对农业设施设备发展相关的政策扶持力度。一方面减免设施设备购置税收，并加大设施设备购置上的补贴力度，缓解消费者的经济负担，促进设备推广;另一方面政府应加大对设施设备科研开发的支持力度，积极协调组织科研单位、高等院校以及生产企业三者在技术创新上的对接与耦合，高度集成化、协同三者的资源优势，凝聚攻坚力量攻克技术难题，争取早日开发出实用性强、适合我国农业温室生产的全套自动化生产装备。
　　4 结语
　　随着科技日新月异的发展，推动了农业设施装备向更高层次迈进，以满足设施农业自动化、智能化的要求。我国在农业设施装备方面应该加大步伐，在积极引进国外先进技术的同时，注重消化、吸收国外先进科技，结合国情、国力以及我国各地区的气候特点，建立具有我国特色的温室结构、规模及完整的装备体系，逐步缩小与农业发达国家的差距。
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