設施農(nóng)業(yè)裝備技術分析
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1.1設施農(nóng)業(yè)概念
設施農(nóng)業(yè)的概念分為狹義和廣義概念，其中狹義的設施農(nóng)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(nóng)業(yè)從產(chǎn)業(yè)鏈角度出發(fā)，是指為農(nóng)產(chǎn)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(chǎn)條件的束縛，獲得高產(chǎn)、優(yōu)質和高效農(nóng)產(chǎn)品的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。設施農(nóng)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(nóng)業(yè)產(chǎn)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。現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)包括設施園藝、設施畜牧和設施水產(chǎn)。
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(chǎn)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(nóng)業(yè)機械作為農(nóng)業(yè)機械中的重要份額，在農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展中起著舉足輕重的作用。做好設施農(nóng)業(yè)機械的安全生產(chǎn)，有效預防和減少農(nóng)機安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，不僅是農(nóng)機部門服務于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)安全發(fā)展的職能體現(xiàn)，也是推進設施農(nóng)業(yè)機械整體水平，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展實力的需要，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展都將起著積極促進作用［2-3］。我國“農(nóng)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(chǎn)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(nóng)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(chǎn)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(jīng)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(nóng)機農(nóng)藝結合角度看，設施這一農(nóng)藝是已經(jīng)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(nóng)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(nèi)進行的，因此生產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)品的品質、產(chǎn)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(nèi)的余熱，使室內(nèi)的環(huán)境溫度保持在適于植物生長的范圍內(nèi);②排除余濕，使室內(nèi)環(huán)境相對濕度保持在適于植物生長的范圍內(nèi);③調整空氣成分，排去有害氣體，提高室內(nèi)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(chǎn)生的壓力強迫空氣在設施內(nèi)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(nèi)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。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(nèi)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(nóng)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(nèi)部或溫室屋面上方設置遮陽網(wǎng)，減少進入溫室內(nèi)熱量，達到降低室內(nèi)溫度目的。③彌霧降溫是在溫室內(nèi)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(nèi)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(chǎn)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。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(nóng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)CO2濃度可能下降到220mLm3，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(chǎn)生CO2、高壓瓶裝CO2以及固體顆粒氣肥等。
3設施生產(chǎn)配套裝備技術
3.1生產(chǎn)配套裝備概覽
生產(chǎn)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(nèi)總體形勢看，設施裝備不配套、技術研發(fā)不足;設施生產(chǎn)機械化程度低、專用農(nóng)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(chǎn)的農(nóng)藝要求結合不夠緊密等是目前制約國內(nèi)設施生產(chǎn)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(nèi)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。化學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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)量與品質、減少農(nóng)藥用量、產(chǎn)品潔凈衛(wèi)生、節(jié)水節(jié)肥省工和利用非可耕地生產(chǎn)蔬菜等。設施內(nèi)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(chǎn)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］。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(chǎn)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(chǎn)后處理裝備
花卉、蔬菜等園藝產(chǎn)品的分級、清洗和包裝等工作是產(chǎn)品商品化的必要基礎。農(nóng)產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)技術順勢發(fā)展。
