国内外农业设施的发展现状

国内外农业设施的发展现状 设施栽培是指在外界自然条件不适宜作物生长的季节，采用地膜 覆盖、塑料中小棚、塑料大棚、温室或连栋温室等人工设施及相关联 的加温保温、降温降湿、通风遮光等设备装置，为作物生育创造一个 相对稳定、适宜的环境条件，达到增加产量、改善品质的目的，系属设 施园艺的范畴;是当今世界各国最有活力的新 兴产业之一，是向人们 提供大量无污染新鲜洁净农产品最为有效的栽培或养殖方式，能大幅 度增加农产品的产量并改进提高质量。 自 20 世纪 50 年代以来，世界上许多国家的设施农业得到了很快 的发展，目前 设施农业发达的国家有荷兰、以色列、美国、日本、法国、 西班牙、澳大利亚、英国、加拿大、 韩国等。它 们基本上已实现了技术 配套、设备 完善、生 产规 范化和系统化， 质量的优质，可靠和保证性强， 自动化、智能化等高科技的全新技术体系的设施农业。其中以色列的 灌溉技术，特 别是滴灌技术和设备发展很快处于世界先进水平;日本 的被称为第 4 高技术农业的“植物工厂” ，已在日本普及，其通 过计算 机将温度、湿度、CO:浓 度和肥料控制在最适合蔬菜生长发育的水平; 美国设施专用品种选育研究及其开发的高压雾化降温、加温系统和夏 季降温用的湿帘降温系统处于世界领先地位; 荷兰的设施环境条件自 动控制技术与规范化、定量化栽培技术水平均处于世界的前列;韩国 这几年来， 设施栽培综合环境控制水平有了很大的提高，其中暖房、 换气、灌水、CO:浓度、窗帘的开闭等设施发展很快，已具有较高的水 平。 我国设施栽培历史悠久，但现代设施栽培起步较晚。20 世纪 50 年代末中国出现了塑料棚和日光温室，对解决中国北方冬、春季的蔬 菜供应起到了较大的作用。我国第一栋现代化连栋加温温室是 1977 年在北京卤玉渊潭公社建成的。到了 80 年代后期，特别是 90 年代初， 随着我国市场经济体制的确立以及农业种植结构的调整，设施栽培面 积迅速扩大。据统计，20 世纪末设施栽培面积已达 133.31 万 hrnZ， 占世界设施栽培面积的 50%，居世界之首。20102011 年度我国设施 栽培面积将超过 1“.710 万腼 2，20302031 年度可望达到 200，10 万 hmZ 川。但与发达国家相比，目前我国设施栽培技术的研究水平仍有 一定的距离，存在着基础研究薄弱，应用技术和设施设备不配套等问 题，尤其在温室配套品种及温室设施环境控制技术方面差距更大。2 设施环境性能的研究现状温室的环境性能是衡量温室好坏的重要标 志。国外对 于温室小气候数值模型的研究始于加世纪 60 年代，在早 期主要依据温室热量平衡原理对温室环境进行了模拟，建立模型，模 型多为热环境静态模型，认为温室内气温是边界条件的函数。Takami 等指出早期研究的一个不足之处是植物能量交换及物质交换对环境 的反馈作用并末考虑进去。在此基础上，他提出了确定边界条件的系 统竖直结构， 实现了按小时变化的温室数学模型求解。这一时期温室 模型主要分别从温室结构、方位、室内温度、湿度等方面进行了研究， 从静态模型发展到了动态模型，一幻。从 20 世纪 80 年代开始，许多 学者意识到，单纯地研究温室内环境意义非常有限，于是适用于温室 环境控制的作物模型逐渐出现。同时期，一些学者尝试着把温室物理 模型和作物模型结合起来，以实现在此基础上的经济分析、适时控制 和优化。IlugoChalla 和 GerardP.ABot 为首的 20 多位研究者致力于开 发出一种应用于温室栽培的优化控制系统。20 世纪 90 年代以后，各 国学者开始研究温室的温度场、流场和光照在冠层内的分布等。同时， 许多学者不再把整个温室室内作为研究对象，而是把目光放在同作物 直接作用的局部空间的环境，即所谓的微气候方面。 1.国外状况 世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业， 温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培 管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。 美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和 管理最早、最多的国家之一。美国有发达的设施栽培技术，综合环境 控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境( 气象环 境和栽培环境)进行监测和控制。以花卉温室 为例，温室内监控项目包 括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、 保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、 CO2 浓度、Ec 调节池和回流 管数值、pH 调节池和回流管数值；室外监控 项目包括大气温度、太阳 辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室 专家系统的应用给种植者带 来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同 时也为种植带来了很大方便。 以园艺业著称的荷兰从 20 世纪 80 年代以来就开始全面开发温室 计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。目前，荷兰自动 化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室 1.2 万多 平方米，占世界 1/4 以上，有 85的温室用户使用计算机控制温室环 境。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设 置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量 的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的 数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机 之间的通信。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体， 同时还能够很好地完成温室灌溉和气候的控制和管理。 此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。遥测技术、网络技 术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。控制要求能在远 离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有 几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面 与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其 境之感。 2 国内状况 我国农业计算机的应用开始于 20 世纪 70 年代，80 年代开始应用 于温室控制与管理领域。20 世纪 90 年代初期，中国农业科学院农业 气象研究所和作物花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并 开发了基于 Windows 操作系统的控制软件；90 年代中后期，江 苏理 工大学毛罕平等人研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、 温度、光照、CO2 、施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机 控制系统较为典型的研究成果。在此期间，中国科学院石家庄现代化 研究所、中国农业大学、中国科学院上海植物生理研究所等单位也都 侧重不同领域，研究温室设施的计算机控制与管理技术。 “九五”期间， 国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业(设 施农业)研究项目，并且在项目中加大了计算机 应用研究的力度，其中 “九五”国家重大科技产业 工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接 设 置了“智能型 连栋塑料温室 结构及调控设施的优化设计及实施” 的专 题。 20 世纪 90 年代末，河北职业技术师范学院的闫忠文研制了作物大 棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。中科 院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境DET 系列软 件”和智能温室自 动控制系 统，能够有效地提高作物产量、 缩短生长 期、减小人工操作的盲目性。北京农业大学研制成功“WJG-1”温室环 境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。河南省农科院自动 化控制中心研制了“GCSI 型智能化温室自动控制系统” ，采用上位 机加 PLC 的集散式控制方法， 软件采用智能化模糊算法。中国 农业大 学设计研制的“山东省 济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统” ，实 现了计算机分布式控制。 3 我国温室存在的主要问题 1)科技含量和总体发展水平较低。我国设 施栽培起步晚、基础差， 没有将其作为整体工程问题研究。从设施装备到栽培技术的生产管理 不配套，生产不规范，难以形成大规模商品生产。 2) 我国现有的温室控制系 统仍以控制一个温室为主，没有基于温 室群的控制系统。这样降低了生产管理的效率。 3）温室测控系统的通信仍然采用有线方式。我国温室测控系统的通 信主要有 485 总线以及 CAN 总线等有线方式。 这些有线通信方式不 仅使得温室内的信号线和动力线错综复杂，而且导致系统的可靠性降 低，安装维护工作量变大，同时也不利于农业机器人等移动设备的作 业，难以达到温室生产的“工厂化农业”水平。 4) 缺少基于农业专 家知识的上位机管理系统。我国目前的温室控 制系统中，一些上位机只限于存储采集的历史数据，没有根据农业专 家知识的实时控制管理系