天津多肉种植联盟

国外设施农业应用及技术动态

阳光蔬菜工厂 2018-05-17 13:10:21


设施农业是采用人工技术手段,改变自然光温条件,创造优化动植物生长的环境因子,使之能够全天候生长的设施工程。设施农业是个新的生产技术体系,它的核心设施就是环境安全型温室、环境安全型畜禽舍、环境安全型菇房。关键技术是能够最大限度利用太阳能的覆盖材料,做到寒冷季节高透明高保温;夏季能够降温防苔;能够将太阳光无用光波转变为适应光合需要的光波;良好的防尘抗污功能等。它根据不同的种养品种需要设计成不同设施类型,同时选择适宜的品种和相应的栽培技术。在国外,伴随着现代农业技术及农业物联网的发展设施农业在技术实现了很多突破,在应用上也有了快速的发展,有很多值得借鉴的经验。



国外技术动态


设施农业历史久远,早在15-16 世纪,英格兰、荷兰、法国、日本等国家就开始建造简易的温室,栽培时令蔬菜或小水果。进入20世纪特别是50年代后,随着现代工业向农业的渗透和微电子技术的应用,设施农业在全球迅速崛起,特别是在美国、荷兰、日本等一些发达国家设施农业迅速发展,形成了一个强大的支柱产业。随着科学技术特别是信息技术、环境工程技术的迅速发展,现代工业向农业的渗透和现代工业技术,包括机械、工程、电子、计算机管理、现代信息、生物等技术的应用,设施农业不断向智能化方向发展。

早在20世纪80年代,美国雨鸟、摩托罗拉等几家公司就合作开发了智能中央计算机灌溉控制系统,开始将计算机应用于温室控制和管理,此后温室计算机控制及管理技术便先是在发达国家得到广泛应用,后来各发展中国家也都纷纷引进、开发出适合自己的系统。20世纪90年代,美国开发的温室计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求,对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控 还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制,以满足生产和市场的需要。目前,美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产,有82%的温室使用计算机进行控制,有67%的农户使用计算机,其中27%的农户还运用了网络技术。目前国际设施种植技术动态主要体现在以下方面:


(1)温室管理的数字化、智能化是目前国际设施农业研究与产业化开发的主要方向。


在详尽研究作物生理与环境互作关系的基础上,形成作物从苗期到成熟阶段不同生育时期与环境关系的量化指标体系和控制模型,实现对设施内温度、湿度、光照、水分、营养、CO2浓度等综合环境因子的自动监测与调控,已经成为当前国际上设施农业研究的热点。


目前,有两个主要研究方向值得关注:一是温室作物高效生产管理模型的研究。通过多年对温室作物生理信息与环境、营养之间定量规律的研究,建立作物数字化模型,为温室精准化管理提供理论依据 。如荷兰通过多年的研究,开发出了Tomsim(番茄)、Hotsim(黄瓜)等模型,对包括整枝方式、栽培密度、基于天气和植株生育状况的环境管理指标、不同生育阶段的水肥管理指标、病虫害预防和控制技术等进行了量化;美国和荷兰专家共同推出的Tomgro番茄管理模型,也已得到广泛应用。日本农业研究中心开发出的MetBroker系统和山武股份公司开发的拓扑案例模型法(Topological Case-Based Modeling: 简称TCBM),形成的作物模型已成功用于温室番茄的管理;二是基于Web的温室数据采集与控制系统软硬件的开发。通过环境、生理、营养等生物物理传感器的开发,以及人工神经网络、遗传算法、模糊控制策略等智能控制技术、Internet在数据传输与控制方面的应用等,开发出基于Web的温室数据采集与控制系统。荷兰瓦赫宁根大学通过将作物管理模型与环境控制模型相结合,实现温室的智能化管理,大幅度降低了系统能耗和运行费用。日本千叶大学利用遥感技术和图象检测装置测定植物群落的生长状况,从而实现温室的智能化管理与控制。以色列ELDAR-GAL公司研制出了能同时采集数十个植物生理和环境信息的监测仪,通过与专家系统结合实现对植物环境的精确调控。随着网络技术的普及,温室的智能化、网络化管理技术也得到了较快的发展。伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术,可以观察、遥控50km以外温室内的温、光、气、水等环境因子状况。日本明星电气公司开发的农业气象信息网络系统可同时连续检测15种环境要素,并将测量数据实时连接到计算机或因特网上,进行远程监测和调控。美国加里福尼亚大学和康奈尔大学还研制出了温室生产SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)智能化技术,即将进入实际应用阶段。 


(2)温室节能与新能源应用研究受到普遍重视。


基于化石能源日益枯竭、温室气体(CO2)限制排放等原因,欧美等发达国家目前在温室领域最重要的研究课题是节能。多年来,这些国家的温室产业对化石燃料(天然气和石油等)的依赖较大,在日本每生产一根黄瓜需耗燃油60ml,一个(L型200g)番茄需耗油 85ml,荷兰每年1.1万公顷温室消耗的天然气约占全国总用气量的12%。近年来,随着《京都议定书》的执行,一些发达国家正在积极研究温室产业具体的CO2减排措施。如荷兰规定,到2010年,将以1980年(100%)为参照减少温室行业65%化石燃料的使用,到2020年,将基本不用化石燃料。因此,这些国家纷纷投入大量的科研经费用于节能和新能源技术的研究。其主要进展包括:


第一,大幅度提高覆盖材料的透光率、增加太阳能的入射量。例如,荷兰瓦赫宁根大学开发了一种叫Zigzag的板材,利用反射光的二次利用,透光率可达89%,最高达到93%~95%[17]。一些国家还开发出了温室屋顶清洗机械装置,用于清洗屋顶的灰尘,增加温室的透光率; 


第二,在防止温室内部长波向外辐射方面,对温室覆盖材料的内侧进行镀膜处理,以阻止长波向外辐射,减少热损耗,可以实现节能25%以上;

第三,在热能的多用途利用和余热回收方面,尽可能减少热损耗。如温室锅炉的烟筒普遍装有余热回收系统,热回收效率可达75%以上;

 

第四,浅层地能的利用。利用土壤作为蓄热源,夏季把低温冷源抽到地上,用于温室降温,把经过热交换的热量打到地下,贮存起来;冬季把贮存的高温热源抽上来,在热泵作用下,升温至45~50℃,这样只需要稍许加温就可以用于温室采暖,节能幅度达65%~70%;


第五,节能光源LED的应用。植物并非利用太阳光的全部成分来进行光合作用,而是以波长610~720nm的红、橙光以及波长400~510nm的蓝、紫光为主要吸收峰值区域。以往的人工光源,如高压钠灯、金属卤素灯和荧光灯等,因含有红外和远红外等发热光谱成分,能耗大,运行成本高。近年来,随着发光二极管(Light-Emitting Diode, LED)技术的发展,研制出了针对植物需求的单色LED(如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等)及其组合光源,光能利用率可达80%~90%,节能效果极为显著,并已经实现了在温室补光、组培、育苗以及植物工厂等领域的应用[19]。


(3)温室环境友好、资源高效利用技术得到广泛关注。


由于对资源高效利用和环境保护的关注,一些发达国家近年来投入大量的精力进行温室精确施肥、雨水收集、水资源和营养液的循环利用以及对土壤、大气的保护等相关技术的研究,尽量减少资源的浪费和对环境的破坏。在无土栽培营养液的闭路循环技术方面,欧盟规定2000年以后所有的温室无土栽培必须采用Closed System(闭路循环系统),通过对栽培系统末端营养液的回收、过滤和消毒,再经过对营养液成分的检测与补充,又重新回到温室循环使用。目前,荷兰Venlo型温室的闭路循环系统不仅能实现节水21%、节肥34%,而且还大幅度地减少了温室生产对周边环境的污染;在雨水收集利用方面,通过温室天沟与输水管路的连接,将雨水收集到温室附近的蓄水池中,再通过过滤、净化等措施,用于温室的灌溉。据荷兰统计,每公顷温室配备的贮水罐(池)容积约1500m3,可解决75%温室作物的灌溉用水;在病虫害防治方面,通过采用生物防治和物理防治手段相结合的方式进行综合防控,尽量减少化学药剂的使用,实现蔬菜自身的品质安全和对环境的零污染。


(4)植物工厂高技术研究逐渐受到重视。


植物工厂是通过设施内的高精度控制实现作物周年连续生产的高效农业系统,是一种由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境要素进行全天候控制,不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。植物工厂可实现一年多茬次栽培,生菜、菠菜等叶菜类作物的栽培周期较露地可缩短1/4~1/2,产量可达150t/1000m2,为露地栽培的10~20倍。近年来,由于土地资源的限制以及人类开发太空的考虑,日本、美国、以色列、荷兰等国积极进行植物工厂高技术的研究与探索,美国NASA甚至研究在太空采用人工光植物生产技术实现宇航员食物的自给。日本政府基于本国农业劳动力老龄化、生产成本的急剧上升以及人们对安全食品需求的考虑,多年来积极开展节能、环保、安全型植物工厂的研究与开发,并通过政策与资金扶持,大大地推动了植物工厂高技术的发展。


(5)温室管理机器人研究已经进入中试阶段。  


 20 世纪80 年代中期以来, 随着电子技术和计算机的发展, 特别是工业机器人、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟, 以日本、荷兰、英国和美国为代表的一些西方发达国家,在温室管理机器人的研究方面进行了大量的探索, 试验成功了多种具有人工智能的机器人, 如番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝采摘机器人、蘑菇采摘机器人以及喷药、嫁接、搬运机器人等,一批温室管理机器人已经进入中试阶段。



国外应用动态


在应用领域设施农业主要包括:设施园艺和设施养殖两大部分。


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,并不断开发模拟控制软件。到80年代中期,已有5 000多台计算机应用于温室,目前荷兰拥有玻璃温室超过1. 2万hm2,占世界的1 /4以上,有85%的温室种植者使用环境控制计算机,种植者只需从软件公司购买温室控制软件,从化学公司购买营养液,即可按照不同作物的特点进行自动控制,从而满足作物生长发育的最适要求。目前,荷兰全国建有1. 2万hm2 现代化自动控制温室,在生产观叶园艺植物的现代化大型自控温室中,盆观植物均放置在栽培床上,从基质搅拌、装钵、定植、栽培、施肥、灌溉、钵体移动全部实现机械运作, 室内温度、光照、湿度、作物生长情况、环境等全部由计算机监控,在计算机智能化、温室环境调控方面也居世界领先地位。


英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。另外,德国已经把“3S”技术(地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感技术RS)应用于温室。与此同时,温室计算机控制和管理技术在亚洲同样得到了极大的发展。


日本在20世纪80年代中期应用于温室中的计算机就达到1 000多台,到1995年达6 000多台,目前农业生产部门中计算机的普及率高达92%。日本还建造了世界上最为先进的植物工厂,采用完全封闭生产、人工补充光照,全部由计算机控制。日本的甜瓜农场应用一种新型的智能计算机系统,对7个温室群进行管理,实现最佳控制。近年来日本还研制了一种遥感温室环境控制系统,将分散的温度群与计算机控制中心联结,从而实现更大范围的温室自动化管理。


以色列用光热资源的优势和节水灌溉技术,主要生产花卉和高档蔬菜,采用大型塑料温室,在作物附近都安装了传感器以测定水、肥状况,利用办公室里的中心计算机通过田间控制器收集和储存全天温室内、外部的温度和湿度数据,通过程序进行数据分析,并可通过引入新数据改变操作程序,很方便地遥控灌溉和施肥,系统还可自动控制卷帘、热屏遮阴系统、加热系统以及灌溉区的流量控制系统,精确可靠,节省人力,原本资源匮乏的以色列现已成为沙漠上的蔬菜出口国。


目前,发达国家设施农业已具备了技术成套、设施设备完善、生产比较规范、产量稳定、质量保证性强等特点,形成了设施制造、环境调节、生产资材为一体的产业体系,能根据动植物生长的最适生态条件在现代化设施内进行四季恒定的环境自动控制,使得不受气候条件影响,实现了周年生产、均衡上市。设施农业智能化是设施农业发展水平的标志和发展的方向。智能化程度越高,设施农业和农业科技发展水平越高。从初级自动化控制向高级智能化转变,从非标准化设施向标准化产品过渡,控制系统从自动化向智能化转变是设施农业发展趋势,突出体现在现代化温室和植物工厂等方面。


现代化温室是荷兰、英国、法国、德国、日本等国家设施农业智能化的主要表现形式。这种温室可以自动控制室内的温度、湿度、灌溉、通风、二氧化碳浓度和光照,每平方米温室一季可产番茄30~50 kg或黄瓜40 kg,或产月季花180枝左右,相当于露地栽培产量10倍以上。当前,现代化温室发展的主要问题是能源消耗大、成本高,因此其发展趋向重点是研究节能措施,如室内采用保温帘、双层玻璃、多层覆盖和利用太阳能等技术措施。有些国家,如美国、日本、意大利等国开始把温室建在适于喜温作物生长的温暖地区,以减少能源消耗。以色列则研究开发电脑自动调温、调湿、调气、调光的温室,用于鸡、鱼等家禽和水产动物的养殖。荷兰设施农业智能化重点是畜牧业生产的自动化程度和标准化,奶牛饲养、挤奶、牛奶的罐装、冷藏及圈养时的喂料、喂水、清圈等过程自动控制;美国的畜禽饲养计算机化也已经相当普遍,正向畜禽生产管理自动化发展,例如管理猪生产的计算机系统中存储着分娩、死亡、生长、出售、食物比例和管理过程中所需的各种数据和信息,它可以分析、预测猪的销售、交配、产仔母猪所需饲料、猪种退化以及最佳良种替代等。


植物工厂是目前智能化最高水平的设施农业,是继温室栽培之后发展的一种高度专业化、现代化的设施农业。植物工厂与温室生产不同点在于,完全摆脱大田生产条件下自然条件和气候的制约,应用近代先进设备,完全由人工控制环境条件,全年均衡供应农产品。


目前,植物工厂在一些发达国家得到了较快发展,初步实现了工厂化生产蔬菜、食用菌和名贵花木等,其设施内部环境因素(如温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等)的调控由过去单因子控制向利用环境、计算机多因子动态控制系统发展,实现了播种、育苗、定植、管理、收获、包装、运输等作业的智能化。美国、荷兰等发达国家,还一直在研究利用“植物工厂”种植小麦、水稻以及进行植物组织培养和快繁、脱毒。由于这种植物工厂的作物生产环境不受外界气候等条件影响,蔬菜如生菜种苗移栽2周后,即可收获,全年收获产品20茬以上,蔬菜年产量是露地栽培的数十倍,是温室栽培的10倍以上。荷兰、美国采用工厂化生产蘑菇,每年可栽培6. 5个周期,每周期只需20 d,产蘑菇25. 27 kg /m2。此外,在植物工厂可实现无土栽培,不用农药,能生产无污染的蔬菜等。

目前,世界上只有30多个植物工厂,由于设备投资大、耗电多(占生产成本一半以上), 如何降低成本和“工厂化”成套技术研究是现在和将来设施农业智能化的发展趋向。



国外经验借鉴


它山之石,可以攻玉。作为具有后发优势的中国,国外发展的先进技术、模式都可借鉴。


重视设施农业的智能化、体系化。设施农业智能化的核心,就是将现代工程技术、生物技术和信息技术综合应用于设施农业,按照动植物生长的要求控制最佳生产环境,实现农产品周年生产、均衡上市、高产出和高效益。设施农业智能化的过程就是设施农业生产自动化、标准化和智能化的过程,智能化的设施农业是技术高度密集的高科技现代农业,是设施农业发展水平高低的标志,是设施农业生产水平先进性的体现、发展的方向。设施农业智能化,使农业生产充分利用自然环境和生物潜能,在大幅提高单产的情况下保证质量和供应的稳定性,具有高产、优质、高效、安全、周年均衡生产的特点,有效地拓展了农业生产的新时空,开创了农业生产的新天地,使反季节农产品能根据市场需求源源不断生产出来,满足社会对农产品特别是反季节、高端产品的不同层次的需求。


通过政策鼓励、示范带动等方式,推动设施农业规模化、标准化、市场化的发展,实现科技与生产、生产与效益的完美结合。例如荷兰政府通过补贴等政策,对农户进行支持,在80-90年代,进行温室栽培的农户总投入中约有50%为政府补贴。我国在贯彻落实现有设施农业扶持政策与补助资金基础上,继续加大财政对农民专业合作经济组织和农业龙头企业的扶持力度,建立设施农业扶持资金,同时,加大信贷支持力度,在不改变农用地用途的前提下,推进土地规模流转,积极鼓励标准化规模养殖,扶持由农户、村级合作经济组织、工商企业等各类投资主体建设的设施农业智能化项目,重点是在完善现有项目的基础上,加快智能化技术和成果的推广应用,新建一批规范化、标准化、系统化的设施农业智能化项目,主要是具有区域特色的智能化高效设施种植项目,符合环评要求且切实做好畜禽粪便等废弃物无害化处理和资源循环利用的畜禽养殖项目和特种、精品水产设施养殖项目,逐步形成具有中国特色的设施农业智能化技术和设施体系,实现大规模商品化生产,形成高新技术产业。


重视关键技术的创新和突破。目前我国种植和养殖生产中广泛使用的是简易设施,如钢架大棚、简易大棚和日光温室,此类设施在技术要求和管理水平上贴近当今农民与农业实际,具有投入低、资金回收快和易于管理等优点,因此在今后很长一段时间里,它们仍是设施农业的主体。但是,这类设施不适合于高度智能化的环境调控,目前对其的环境管理完全依赖于农民个体的栽培经验、技术水平和知识水平。因此,必须针对上述现状,以设施智能化为最终目标,全面部署与之相关的智能化关键技术的研发工作,重点如下:一是设施物理环境因子的信息采集技术;二是设施种植、养殖对象,即生物生产生长过程信息的动态采集与监测技术;三是设施生产整个环节所涉及的生产技术的规范化和标准化技术;四是智能化系统硬件平台技术,特别是通用性、兼容性和可扩展性方面的技术;五是各类(初期可以主栽品种或主要养殖品种为重点)控制模型、管理模型或专家系统的技术,这是这个智能化系统的核心与灵魂,也是设施智能化工作成败的关键所在;六是设施产品从生产、流通到最终消费的整体产业链条的信息化管理技术,即设施产品溯源技术与系统平台技术;七是设施生产管理的智能机器技术,包括施药智能机器技术、采摘智能机器技术等。

 (注:本文内容由启迪农科整理,主要用于行业交流,部分素材来自网络,未做出处注明,若涉及侵权,请联系我们注明或更正。



Copyright © 天津多肉种植联盟@2017