我国智能设施园艺技术突破之路在何方

2018 年01 月  总第272 期 37设施园艺（Protected Horticulture）是通过一定的工程技术手段，局部改善或创造作物生长发育的适宜环境条件，实现作物周年连续生产的一种高效农业。设施园艺的显著特征是以现代装备为支撑，作物生长的温度、湿度、光照、CO2以及营养液等环境要素均可由计算机进行智能化管控，作物生产管理过程也可由相应的智能机械装备进行省力化作业，实现智能化生产。国际智能设施园艺技术进展20世纪70年代以来，随着现代工业向农业的渗透，荷兰、以色列、美国和日本等国设施园艺技术不断创新，智能化管控水平不断提升，黄瓜、西红柿单产已达 60-120kg/m2。文 | 杨其长  中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所  研究员 我国智能设施园艺技术突破之路在何方？设施园艺的显著特征是以现代装备为支撑，作物生长的温度、湿度、光照、CO2以及营养液等环境要素均可由计算机进行智能化管控，作物生产管理过程也可由相应的智能机械装备进行省力化作业，实现智能化生产。近些年来虽然我国智能设施园艺技术取得了快速发展，但与荷兰、日本、以色列等发达国家相比，仍有较大差距。必须加大研发力度，迎头赶上。PART04中国农村科技 CHINA RURAL SCIENCE & TECHNOLOGY38/ 封面专题COVER REPORT可与植物对话技术快速发展。 多年来，荷兰、以色列和美国等国积极探索设施园艺的智能化管控，通过对作物发育与环境、营养定量关系的长期研究，构建了番茄、黄瓜等作物模型TOMSIM、TOMGRO等，荷兰、以色列等国相继开发出以环境、营养与生理信息为基础、以最大生物量为目标函数的智能决策系统，美国还率先提出可与植物对话的技术 SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)，通过生物与环境传感器进行植物生理生态信息的获取，并与各种决策模型相结合，实现对植物生产过程的智能化管控。节能与新能源技术创新备受关注。 对化石能源的依赖是发达国家设施园艺的重要特征，荷兰全国12%的天然气、日本每年100万吨石油用于温室增温，节能需求迫切。荷兰以大幅提高覆盖材料透光率和太阳能利用为目标，研发出一种叫zigzag的板材，利用反射光的二次利用，透光率达93%95%；开发出屋顶清洗机械以增加透光率；荷兰、德国等积极探索浅层地能调温技术，利用土壤作为冷热源，与热泵结合进行夏季降温、冬季采暖，节能达 65% 70%；为减少人工补光能耗，欧美、日本等采用 LED 替代高压钠灯，节能 50% 以上。智能机械与机器人技术发展迅速。 随着温室单体规模的不断扩大、劳动力成本的持续上升，机械化与自动化技术发展迅速。美国最早开发出育苗穴盘播种一体化装备，荷兰、丹麦等研发出以岩棉基质为核心的营养液栽培技术，日本、荷兰等开发出蔬菜定植、移栽、收获、分级包装等工厂化成套机械。近年来，温室管理机器人研发极为活跃，黄瓜与番茄采收机器人、搬运机器人、种苗嫁接机器人、植保机器人、种苗移栽与整枝机械手等不断推出，机器人正进入应用阶段。植物工厂技术创新深受关注。 植物工厂作为环境高度可控、产能倍增的高效生产方式，受到世界各国的广泛关注。日本、荷兰、美国等从战略需求出发积极开展植物工厂技术创新，在植物 LED 光源创制、立体栽培以及智能化管控等方面取得了重要进展。荷兰飞利浦公司开发出多款植物 LED 光源，美国 Aerofarms 公司研发出雾培植物工厂，日本松下、三菱等探索完全由机械手操作的植物工厂，美国 NASA 甚至研究在太空采用植物工厂技术实现宇航员食物的自给。我国智能设施园艺技术发展经过 30 多年的快速发展，尤其是“九五”以来通过国家一系列重大项目的立项支持，我国智能设施园艺技术不断取得突破。节能型设施结构创新取得重要进展。 通过引进消化吸收再创新，智能连栋温室研发制造能力得到显著提升，温室各项环境与营养要素可以实现智能化管控；节能日光温室结构、材料、栽培以及配套装备等关键技术不断取得突破，实现了在北纬34-42度区域冬季不加温条件下进行果菜类作物的生产，年节约标准煤 4 亿吨以上。智能环控与装备水平不断提升。 针对不同气候特征和作物需求，成功研制出温室湿帘风机降温、遮阳保温、采暖通风等环控技术装备及其智能化管控系统，研发出播种、育苗、嫁接、肥水一体化管控等作业机具，并突破了日光温室热能主动蓄放与控制等新技术，设施智能环控与装备技术水平2018 年01 月  总第272 期 39经过30多年的快速发展，尤其是“九五”以来通过国家一系列重大项目的立项支持，我国智能设施园艺技术不断取得突破。进一步提升。智能植物工厂技术取得重要突破。 通过自主创新，先后突破植物工厂 LED 光源创制、光温耦合环境调控、营养液循环与控制以及基于物联网的智能化管控等关键技术，实现了植物工厂成套装备的完全国产化，显著提升我国在该领域的国际地位。国内外差距及突破重点何在虽然中国智能设施园艺技术取得了快速发展，但与荷兰、日本、以色列等发达国家相比，仍有较大差距。具体表现：一是设施单体规模小。 我国 98% 以上的设施仍是面积仅为 300m2-600m2的日光温室或中小拱棚，具有自主产权的大型化智能温室技术亟待突破。二是机械化、智能化水平仍较低。 我国设施园艺机械化率仅为30%左右，无土栽培占比不到1%，劳动生产率低。三是产量低、品质难以保障。 黄瓜、番茄产量一般仅为10-15kg/m2，药肥用量大、品质不易保障；四是智能植物工厂产业化水平仍较低，智慧化管控、智能装备技术亟待突破。为加快我国智能设施园艺发展，进一步缩小与发达国家技术差距。今后一段时期，我们需紧紧围绕设施园艺对智能化技术的迫切需求，重点在以下几个方向率先突破：一是中国特色的节能大温室创制。 智能化设施园艺的关键技术瓶颈是温室的大型化。因此，亟待开展基于我国气候特征的大型连栋温室保温与蓄热等关键技术研究，创制出低成本、零化石能耗的大型智能连栋温室。二是基于模型的温室 SPA 智能管控技术研究。以作物最大生产量为目标函数，构建环境与营养管理模型，研发出温室 SPA 智能化控制技术装备。三是设施园艺智能机械与装备研发。 突破设施园艺全程机械化及其智能装备技术，重点攻克种苗嫁接机器人、移栽机械手、栽培管理机械手以及水肥智能管控等关键技术。四是垂直智慧植物工厂关键技术研究。 攻克超高层（20层以上）垂直智慧植物工厂关键技术装备，研发植物工厂智慧管控机械手、机器人等。