農業(yè)裝備技術狀況及趨勢

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引言

設施農業(yè)作為現(xiàn)代農業(yè)的重要組成部分，其綜合集成了農業(yè)生物技術、農業(yè)機械與建筑工程技術、環(huán)境控制技術、信息技術和管理技術等多領域科學技術，是以此進行集約化種植業(yè)生產和養(yǎng)殖業(yè)生產的農業(yè)生產方式，實現(xiàn)了農業(yè)的高產、高效和優(yōu)質生產。設施農業(yè)是在非傳統(tǒng)農業(yè)生產環(huán)境條件下進行的，它突破了自然氣候和季節(jié)性制約，真正實現(xiàn)了周年生產、全年供應，從而進一步大大提高了種植業(yè)的單位面積產量，也使養(yǎng)殖業(yè)個體生產量得到大幅度增長［1］。設施農業(yè)裝備的研發(fā)與應用極大地推動了現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展，但目前我國設施裝備的技術含量還不是很高。因此，設施農業(yè)裝備技術的發(fā)展對我國設施農業(yè)整體水平的提升尤為重要。

1設施農業(yè)裝備技術概述

1.1設施農業(yè)概念

設施農業(yè)的概念分為狹義和廣義概念，其中狹義的設施農業(yè)是指以最小的資源投入，在可控的條件下，按照動植物生長發(fā)育所要求的最佳環(huán)境進行的動植物生長。而廣義的設施農業(yè)從產業(yè)鏈角度出發(fā)，是指為農產品商品各階段提供最適宜環(huán)境條件，以擺脫自然環(huán)境和傳統(tǒng)生產條件的束縛，獲得高產、優(yōu)質和高效農產品的現(xiàn)代農業(yè)生產活動。設施農業(yè)具有技術裝備化、過程科學化、方式集約化和管理現(xiàn)代化的特點。設施農業(yè)產業(yè)鏈的特征是，目標商品化→途徑全程化→環(huán)境可控化→效益全面化?，F(xiàn)代設施農業(yè)包括設施園藝、設施畜牧和設施水產。

1.2溫室大棚裝備

溫室大棚的分類級別可分為兩種，一種是根據(jù)其用途可以分為生產性溫室、科研教育溫室和商業(yè)溫室。而另一種是按照覆蓋材料、溫室性能和其他方式進行分類。其中按照覆蓋材料可將溫室分為玻璃溫室、塑料薄膜溫室、PC板溫室、復合覆蓋溫室和玻璃鋼溫室;按溫室性能可分為連棟溫室、日光溫室、塑料大棚、中小拱棚和遮陰棚;按其他方式可分為加溫溫室、不加溫溫室、簡易溫室、智能溫室、金屬結構溫室和其他結構溫室等。設施農業(yè)機械作為農業(yè)機械中的重要份額，在農業(yè)機械化發(fā)展中起著舉足輕重的作用。做好設施農業(yè)機械的安全生產，有效預防和減少農機安全生產事故的發(fā)生，不僅是農機部門服務于現(xiàn)代農業(yè)安全發(fā)展的職能體現(xiàn)，也是推進設施農業(yè)機械整體水平，提高現(xiàn)代農業(yè)綜合發(fā)展實力的需要，對現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展都將起著積極促進作用［2-3］。我國“農業(yè)設施”發(fā)展有其獨特的特點，最為廣泛使用的是日光溫室和塑料大棚。特別是日光溫室和簡易土溫室，是我國獨有的一種設施生產方式。盡管有許多不盡如人意之處，但是在現(xiàn)階段為緩解北方地區(qū)周年蔬菜供應起到了重要的作用。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，北京2011年溫室大棚建成面積2.17萬hm2(32.5萬畝)，預計到2012年底將建成溫室大棚達2.33萬hm2(35萬畝)。就設施機械化問題來說，受“農業(yè)設施”整體結構的限制，一般節(jié)能型日光溫室面積不足666.7m2(1畝)，南北跨度8～10m，長度60m。橫向種植，南端空間高度在50～80cm，北端有60～80cm通道。在這個空間里實現(xiàn)省力化種植操作的難度較大，正所謂“螺絲殼里作道場”。蔬菜作物的機械化在露地生產中都還沒有得到廣泛應用，如果加上空間限制，使用設施機械化設備難度更大。沒有國外先進經驗可以借鑒，也無適應的設備可供選擇，這就是我國設施機械化面臨的難題。從農機農藝結合角度看，設施這一農藝是已經確定的，只有設備適應設施環(huán)境，別無選擇。盡管這樣，由于農民需求迫切，因此部分設備將就而生，不是應運而生，這就給使用帶來了不便和仍有諸多問題需要研究。

2設施環(huán)境調控裝備技術

設施栽培是在一定的空間范圍內進行的，因此生產者對環(huán)境的干預、控制和調節(jié)能力與影響，比露地栽培要大得多。目前國內主要的調節(jié)手段主要是加溫、降溫、保溫、通風換氣、補光、調濕和二氧化碳施肥等方面。環(huán)境調控能力是溫室性能的重要指標，對產品的品質、產量起著決定性作用。調控設備主要類型包括通風換氣設備、保溫設備、加溫降溫設備、補光設備、CO2施肥設備和監(jiān)測控制設備。

2.1通風換氣

設施環(huán)境通風的目的在于:①排除設施內的余熱，使室內的環(huán)境溫度保持在適于植物生長的范圍內;②排除余濕，使室內環(huán)境相對濕度保持在適于植物生長的范圍內;③調整空氣成分，排去有害氣體，提高室內空氣中CO2的含量，使作物生長環(huán)境良好。設施環(huán)境中常見的通風方法:①自然通風。指在溫室等設施的適當位置設置窗戶，靠熱壓和風壓作用進行通風，并可以通過調節(jié)窗戶的開度來調節(jié)通風量。自然通風開關窗的機械設備:卷膜開窗系統(tǒng)和齒條開窗系統(tǒng)。②機械通風。依靠風機產生的壓力強迫空氣在設施內流動。

2.2保溫設備

保溫設備的作用是加強溫室保溫能力。常用的保溫設備有日光溫室保溫被、草簾、卷被簾機、連棟溫室保溫幕以及其他形式的內設保溫。不同設備具有各自特點，如草簾保溫效果好，價格低廉，但自身質量大、防水性差。保溫被具有質量小、易卷放、防水性好的特點。而卷被機總體上具有高效、節(jié)省勞力、價格高和裝配要求高的特點。而不同類型的卷被機之間也存在差異，見表1。目前設施保溫設備存在主要問題是新型高精度、高可靠度電機及多用途系統(tǒng)亟待開發(fā)。

2.3降溫設備

設施內常見降溫方式有濕簾降溫、遮陽降溫、彌霧降溫和空調降溫。①濕簾降溫是農業(yè)建筑中最普遍采用的夏季降溫方法，采用該方法組成的降溫系統(tǒng)稱為濕簾－風機降溫系統(tǒng)。由濕簾箱、循環(huán)水系統(tǒng)、軸流風機和控制系統(tǒng)4部分組成，濕簾由箱體、濕簾、布水管和集水器組成。目前濕簾采用的材料有白楊木細刨花、瓦楞紙和聚氯乙烯等。②遮陽降溫是通過在溫室內部或溫室屋面上方設置遮陽網(wǎng)，減少進入溫室內熱量，達到降低室內溫度目的。③彌霧降溫是在溫室內部設置霧化噴頭，在高溫低濕狀態(tài)時噴霧，進行短暫的蒸發(fā)降溫。是直接將水以霧狀噴在溫室的空中，因為霧粒的直徑非常小，只有10μm，所以可在空氣中直接汽化。霧粒汽化時吸收熱量，降低溫室內空氣溫度，其降溫速度快，蒸發(fā)效率高，溫度分布均勻，是蒸發(fā)降溫的最好形式。噴霧降溫系統(tǒng)由水過濾裝置、高壓水泵、高壓管道和旋芯式噴頭組成。④空調降溫常見于觀光溫室、花卉市場等商業(yè)溫室中，多采用空調機組與風機盤管組合應用的方式。

2.4加溫設備

設施加溫方式常見的為熱水蒸氣加溫，即通過散熱器、鍋爐和管路等設備產生的熱水蒸汽對設施環(huán)境進行加溫。熱風加溫是利用熱風爐和送風管等對循環(huán)空氣進行加溫以達到整體加溫的目的。其他加溫方式還有電熱線加溫、紅外熱源加溫等。圖1為幾種加溫設備在實際中的應用。

2.5其他環(huán)境調控設備

隨著物理農業(yè)裝備等新興技術的不斷研制與開發(fā)，一系列環(huán)境調控設備在設施環(huán)境內也得到了廣泛應用，其中常見的有CO2施肥設備、金屬鹵燈、熒光燈、低壓鈉燈、LED補光燈、環(huán)境監(jiān)測與控制設備和物理調控裝備技術等。溫室是密閉或半密閉系統(tǒng)，空氣流動性小，與外界交換少，常造成溫室內作物正常生長發(fā)育所需要的CO2匱乏，尤其在早春、秋末以及冬季由于溫室通風少，溫室內CO2濃度可能下降到220mLm3，甚至更低。目前CO2的施肥源主要有CO2燃燒發(fā)生器、化學反應生成法、利用微生物分解有機物產生CO2、高壓瓶裝CO2以及固體顆粒氣肥等。

3設施生產配套裝備技術

3.1生產配套裝備概覽

生產配套裝置主要包括耕作裝置、植保裝置、工廠化育苗裝置、無土栽培系統(tǒng)和灌溉裝置等。根據(jù)設施的具體建造形式、用途等的不同，所采用的配套裝置也有所差異。從目前國內總體形勢看，設施裝備不配套、技術研發(fā)不足;設施生產機械化程度低、專用農機具及裝備短缺;設施及配套設備的設計、建造與不同作物設施生產的農藝要求結合不夠緊密等是目前制約國內設施生產配套技術發(fā)展應用的主要問題。3.2耕作設備設施耕作設備主要包括微耕機、鏵式犁和旋耕機等。微耕機主要用于進行犁耕、旋耕、開溝、作畦、起壟和噴藥等作業(yè)，部分機具還具有覆膜、播種等功能。鏵式犁主要用于犁耕作業(yè)。旋耕機可一次完成耕耙作業(yè)，其特點是切土、碎土能力強，耕后地表平整，土壤松碎細軟，土肥混合能力好。

3.3植保設備

設施內采用的植保設備可根據(jù)防控方式分為物理防控和化學防控。常見的物理防控設備有頻振式殺蟲燈、紫外燈、高速氣流吸蟲機、土壤連作障礙電處理機、溫室電除霧防病促生系統(tǒng)、食用菌空氣電凈化促蕾防病系統(tǒng)、聲波助長儀和溫室病害臭氧防治機等?；瘜W防控中多采用噴霧機、彌霧機、超低量噴霧機、煙霧機和噴粉機等，其類型的選擇主要是根據(jù)防控的目的而定。同時靜電噴霧技術已經開始得到廣泛應用，并取得了良好的效果。

3.4工廠化育苗設備

工廠化育苗設備大致由基質加裝系統(tǒng)、壓穴系統(tǒng)、播種系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5部分組成［4］。播種裝置是育苗播種設備的關鍵部件，目前，應用于工廠化育苗成套設備中播種裝置的分類國內并沒有統(tǒng)一的標準，根據(jù)播種原理不同可分為吸附式(如吸針式、滾筒吸孔式)和磁性播種機兩種。國內常用的是吸針式播種器，利用真空負壓吸附的原理可實現(xiàn)單粒種子的精確播種。吸針式播種器可通過調節(jié)吸針間距及吸針孔徑適應不同規(guī)格穴盤及不同大小種子的播種，同時可一次播種穴盤一排，也有的可一次播種一個穴盤，該種播種器最適宜播種丸?；姆N子。育苗成套設備通過電、氣、液綜合控制，可順序完成基質裝填、壓穴、播種、二次覆基質、噴淋灌溉等工序，形成完整的流水線作業(yè)。

3.5無土栽培系統(tǒng)

無土栽培具有提高作物的產量與品質、減少農藥用量、產品潔凈衛(wèi)生、節(jié)水節(jié)肥省工和利用非可耕地生產蔬菜等。設施內目前使用較多的無土栽培方式有水培、霧培和箱式基質栽培3種。水培又稱營養(yǎng)液栽培，其特點是完全不需要土壤，而是將植物生長所需的各種營養(yǎng)配成營養(yǎng)液供作物利用。霧培是讓植物的根系離開了基質與水，把植物的根系完全置于氣霧環(huán)境下進行生長發(fā)育的一種新型栽培模式，它通過霧化的水氣滿足植物根系對水肥的需求，并具有最充足的氧氣與最自由伸展的空間，使根系在毫無阻力的情況下生長。它具有比其他任何一種耕作方法生長更快、管理更方便和投工更小的特點［5］。

3.6灌溉施肥設備

灌溉施肥是通過施肥裝置將溶解好的肥液注入到灌溉系統(tǒng)中，使肥料隨灌溉水一起輸送到田間的一種先進施肥方式，是精確施肥與精確灌溉相結合的產物。灌溉施肥的主要優(yōu)點是施肥均勻、準確，可以穩(wěn)定且高精度地控制灌水量、施肥量和施肥時間等參數(shù)，從而提高了水和肥的利用效率，有效地減輕了土壤和環(huán)境污染［6-7］。灌溉施肥系統(tǒng)主要由傳感部分、混肥設備和控制器3部分組成。具體灌溉施肥設備示意圖見圖2。設施中最常用的灌溉方式是滴灌和噴灌，移動式噴灌是育苗中常用的灌溉方式，而潮汐灌溉多用于先進的盆花栽培設施中。

3.7采收物流裝備

對果蔬、花卉采用機械化采收裝置，不僅可以提高勞動效率、降低工人勞動強度，同時可以降低采收過程中的損失率，提高商品品質。在設施環(huán)境中物流環(huán)節(jié)主要起到苗床輸送、生長期作物輸送、成品作物輸送和生產物料輸送等作用，可以達到省工省時、降低勞動強度的目的。

3.8產后處理裝備

花卉、蔬菜等園藝產品的分級、清洗和包裝等工作是產品商品化的必要基礎。農產品轉化成為商品所采取的一系列措施的總稱，包括采收、挑選、修整、清洗、涂被、包裝、預冷、貯藏、運輸和銷售等。果蔬采后會涉及無損傷檢測技術、果實分級的機械化與自動化技術、貯藏庫的現(xiàn)代設備等。目前國內外采用的先進貯藏保鮮技術包括天然果蔬保鮮劑的應用、利用調壓技術貯藏、臭氧及負氧離子保鮮、利用生物技術保鮮、靜電場處理貯藏、低劑量輻射處理保鮮以及細胞水結構化氣調保鮮等。

4設施裝備技術發(fā)展趨勢

隨著設施裝備技術水平的不斷提升，對其的要求也在不斷提高，其發(fā)展趨勢將出現(xiàn)以下特點:①自動化水平快速提升;②機械化范圍日益擴展;③節(jié)能化需求更加迫切;④環(huán)境調控更加精準;⑤物理增產技術順勢發(fā)展。