【文章內(nèi)容簡介】 迅速發(fā)展，并形成了強大的支柱產(chǎn)業(yè)。目前，這些國家在設施農(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]。我國是一個人均資源極度匱乏的國家，資源與人口的現(xiàn)實壓力決定了我國農(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，而且還可實現(xiàn)在鹽堿地、戈壁、沙漠、建筑物屋頂?shù)确强筛厣线M行生產(chǎn)，提高土地資源、水資源和光熱資源的利用效率，實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和可持續(xù)發(fā)展。因此，大力發(fā)展設施農(nóng)業(yè)對緩解我國人口資源壓力、實現(xiàn)由農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強國轉(zhuǎn)變，是十分必要的。 首先，設施農(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水平日益增長所產(chǎn)生的供需矛盾。 我國是一個農(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總需求不斷增加的嚴峻挑戰(zhàn)。，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，‰的速度遞增，由于城市化等原因耕地每年以450萬畝遞減，荒漠化以每年2460平方公里擴展[3]?！懊褚允碁樘臁保谟邢薜娜司Y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。由于設施農(nóng)業(yè)是在環(huán)境相對可控的條件下進行生產(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、人們消費日益增長矛盾的有效途徑。 其次，設施農(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)化升級和綜合效益的提高。 改革開放以來，我國設施農(nóng)業(yè)取得了長足的發(fā)展，居世界首位；但與發(fā)達國家相比，我國90%以上的設施仍為簡易型結(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)達國家的1/2～1/4，勞動生產(chǎn)率按人均管理面積計算也僅相當于發(fā)達國家的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公頃左右為進口產(chǎn)品,國產(chǎn)溫室的一些關(guān)鍵技術(shù)與設備，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口[5]。因此 ，要徹底改變我國設施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀，必須加大設施農(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施結(jié)構(gòu)型式和配套技術(shù)體系，提升設施農(nóng)業(yè)的綜合效益。 第三，設施農(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)化進程，帶動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。 近年來，隨著我國設施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，引進國外設施、品種和配套技術(shù)的進程也明顯加快。據(jù)統(tǒng)計，我國1995以來引進國外的大型連棟溫室數(shù)量在360公頃以上，約占全部引進總量的90%以上。實踐證明，引進溫室并不適合我國國情，如從荷蘭引進的玻璃溫室無法滿足全年生產(chǎn)對設施的要求，除降溫性能差外，冬季耗能大、運行費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所決定的，溫室設計主要考慮采光好、封閉嚴和利于自然通風，對保溫性能和機械通風降溫考慮較少，這一特點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)引進后冬季采暖能耗極大，運行費用較高，效益普遍較差。由于氣候適用性差，許多地方引進的溫室成為無法使用的“超級塑料大棚”[6]。因此，我國應在引進消化國外先進溫室技術(shù)的基礎上，著力加強自主創(chuàng)新能力的建設，針對不同氣候區(qū)的特點，研究開發(fā)出能耗低、環(huán)境控制水平高、配套設施完善、適宜我國經(jīng)濟發(fā)展水平的國產(chǎn)化溫室設施，同時結(jié)合育種及栽培管理技術(shù)的研究與開發(fā)，逐步使我國設施農(nóng)業(yè)形成完善的配套技術(shù)體系，實現(xiàn)設施農(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、資源短缺和消費日益增長的矛盾；而且對我國設施農(nóng)業(yè)整體水平的提高、國產(chǎn)化進程的加快以及國民經(jīng)濟的持續(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，設施農(nóng)業(yè)在荷蘭、以色列和日本等一些發(fā)達國家得到迅速發(fā)展。目前，這些國家在設施農(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)作物對環(huán)境的不同需要，由計算機對設施內(nèi)的溫、光、水、氣、肥等因子進行自動監(jiān)測和調(diào)控，并可實現(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)量達到了50～70kg/m2，黃瓜產(chǎn)量達80～100kg/m2，玫瑰產(chǎn)量達320～340枝/m2。同時，在設施農(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)絡技術(shù)等方面也得到了快速發(fā)展[811]。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)系的基礎上，形成作物從苗期到成熟階段不同生育時期與環(huán)境關(guān)系的量化指標體系和控制模型，實現(xiàn)對設施內(nèi)溫度、濕度、光照、水分、營養(yǎng)、CO2濃度等綜合環(huán)境因子的自動監(jiān)測與調(diào)控，已經(jīng)成為當前國際上設施農(nóng)業(yè)研究的熱點。目前，有兩個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)境管理指標、不同生育階段的水肥管理指標、病蟲害預防和控制技術(shù)等進行了量化；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)的拓撲案例模型法(Topological CaseBased 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、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)。荷蘭瓦赫寧根大學通過將作物管理模型與環(huán)境控制模型相結(jié)合，實現(xiàn)溫室的智能化管理，大幅度降低了系統(tǒng)能耗和運行費用[6]。日本千葉大學利用遙感技術(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采集數(shù)十個植物生理和環(huán)境信息的監(jiān)測儀，通過與專家系統(tǒng)結(jié)合實現(xiàn)對植物環(huán)境的精確調(diào)控。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的普及，溫室的智能化、網(wǎng)絡化管理技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。倫敦大學農(nóng)學院研制的溫室計算機遙控技術(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)絡系統(tǒng)可同時連續(xù)檢測15種環(huán)境要素,并將測量數(shù)據(jù)實時連接到計算機或因特網(wǎng)上，進行遠程監(jiān)測和調(diào)控。美國加里福尼亞大學和康奈爾大學還研制出了溫室生產(chǎn)SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)智能化技術(shù)，即將進入實際應用階段[1415]。 （2）溫室節(jié)能與新能源應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（Ｌ型200ｇ）番茄需耗油 85ml，%。近年來，隨著《京都議定書》的執(zhí)行，一些發(fā)達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)費用于節(jié)能和新能源技術(shù)的研究。其主要進展包括： 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89%，最高達到93%～95%[17]。一些國家還開發(fā)出了溫室屋頂清洗機械裝置，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，對溫室覆蓋材料的內(nèi)側(cè)進行鍍膜處理，以阻止長波向外輻射，減少熱損耗，可以實現(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；冬季把貯存的高溫熱源抽上來，在熱泵作用下，升溫至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65%～70%； 第五，節(jié)能光源LED的應用。植物并非利用太陽光的全部成分來進行光合作用，而是以波長610～720nm的紅、橙光以及波長400～510nm的藍、紫光為主要吸收峰值區(qū)域。以往的人工光源，如高壓鈉燈、金屬鹵素燈和熒光燈等，因含有紅外和遠紅外等發(fā)熱光譜成分，能耗大，運行成本高。近年來，隨著發(fā)光二極管（LightEmitting 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的藍光、波峰為660nm的紅光等）及其組合光源，光能利用率可達80％～90％，節(jié)能效果極為顯著，并已經(jīng)實現(xiàn)了在溫室補光、組培、育苗以及植物工廠等領(lǐng)域的應用[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)境保護的關(guān)注，一些發(fā)達國家近年來投入大量的精力進行溫室精確施肥、雨水收集、水資源和營養(yǎng)液的循環(huán)利用以及對土壤、大氣的保護等相關(guān)技術(shù)的研究，盡量減少資源的浪費和對環(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、凈化等措施，用于溫室的灌溉。據(jù)荷蘭統(tǒng)計，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)合的方式進行綜合防控，盡量減少化學藥劑的使用，實現(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。 植物工廠是通過設施內(nèi)的高精度控制實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是一種由計算機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1/4~1/2，產(chǎn)量可達150t/1000m2，為露地栽培的10~20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)實現(xiàn)宇航員食物的自給。日本政府基于本國農(nóng)業(yè)勞動力老齡化、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，大大地推動了植物工廠高技術(shù)的發(fā)展[20]。 （5）溫室管理機器人研究已經(jīng)進入中試階段。 20 世紀80 年代中期以來, 隨著電子技術(shù)和計算機的發(fā)展, 特別是工業(yè)機器人、計算機圖像處理技術(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)達國家，在溫室管理機器人的研究方面進行了大量的探索, 試驗成功了多種具有人工智能的機器人, 如番茄采摘機器人、葡萄采摘機器人、黃瓜收獲機器人、西瓜收獲機器人、甘藍采摘機器人、蘑菇采摘機器人以及噴藥、嫁接、搬運機器人等，一批溫室管理機器人已經(jīng)進入中試階段[2124]。 3國內(nèi)研究現(xiàn)狀及存在的問題 我國設施農(nóng)業(yè)科研工作起步于20世紀80年代初的“六五”期間，經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了數(shù)百項國家級和省部級科研成果，為進一步發(fā)展積累了豐富的成果和人才隊伍。 “六五”期間，由農(nóng)業(yè)部開始立項設立“熱浸鍍鋅鋼管裝配式塑料大棚研究設計”和“自然光照人工氣候室研究”兩個課題，分別對塑料大棚的骨架結(jié)構(gòu)與定型化設計、自然光照人工氣候室環(huán)境機理與調(diào)控技術(shù)進行了探索，并對半可控環(huán)境下蔬菜育苗技術(shù)改革進行了系統(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)部設立了“設施農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)研究”研究項目，分別對“塑料大棚高產(chǎn)栽培技術(shù)”、“地熱溫室栽培技術(shù)”、“無土栽培設施及配套技術(shù)”三個專題進行了深入研究。“八五”期間，農(nóng)業(yè)部繼續(xù)設立“設施農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)研究”項目，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)”等三個方面進行了重點研究。 “九五”期間，由前國家科委批準啟動的“工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程”項目，第一次正式提出了“工廠化農(nóng)業(yè)”的概念。該項目分別在北京、上海、廣東、遼寧、浙江等地實施，在不同類型區(qū)國產(chǎn)化溫室的研制與開發(fā)