设施农业与农业机械化技术

第一章　设施农业与农业机械化技术

第一节　设施农业的基本概念

什么是设施农业？设施农业就是运用现代工业技术成果和方法、用工程建设的手段为农产品生产提供可以人为进行控制和调节的环境和条件，使植物和动物处于最佳的生长状态，使光、热、土地等资源得到最充分的利用，形成农产品的工业化生产和周年生产，从而更加有效地保证农产品的供应，提高农产品质量、生产规模和经济效益，促进农业现代化。主要内容是与集约化种、养殖业相关的园艺设施和畜禽舍的环境创造、环境控制技术及与其配套的各种技术和装备。因此，设施农业又被称为工厂化农业。

设施农业涉及建筑、材料、机械、环境、自动控制、品种、栽培、管理等多种学科和多种系统，是农业现代化的重要组成部分。具有高投入、高技术含量、高品质、高产量、高效益等特点。设施农业主要包括设施栽培和设施养殖，前者的主要设备有各类塑料棚、各类温室、人工气候室及其配套设备；后者主要设施有各种保温、遮阴棚和现代集约饲养的畜禽舍及配套设施设备。

设施农业是农业工程学科领域，是依靠科技形成的高新技术产业，是当今世界最具活力的产业之一，也是世界上各国用以提高新鲜农产品的重要技术措施。

第二节　设施农业发展概况

一、发达国家设施农业的基本情况

二战后的几十年来，设施农业在全球迅速崛起，目前发达国家的设施农业己形成成套技术，完备的设施设备、生产规范、产量的可靠性与质量的保证体系，并在向高层次、高科技和自动化、智能化方向发展，将形成全新的技术体系。

设施农业是科技含量高、高投入、高产出、高效益的集约化生产方式，全世界设施农业面积已达60余万公顷。荷兰、日本、以色列、美国、韩国、西班牙、意大利、法国、加拿大等国家设施农业十分发达，其设施设备标准化程度、种苗技术及规范化栽培技术、植物保护及采后加工商品化技术、新型覆盖材料开发与应用技术、设施综合环境调控及农业机械化技术等有较高的水平，居世界领先地位。

日本、荷兰、美国等发达国家能为温室提供专用的耐低温、高温、高湿，具有多种抗性、优质高产的种苗，在脱毒、快繁等方面有很高的技术水平。荷兰农产品出口额达400亿美元。以色列国以其节水灌溉技术先进而闻名于世，多采用大型塑料温室、全自动控制，计算机智能化温室综合环境控制系统开始普及，利用此系统可准确采集设施内室温、叶温、地温、湿度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速以及作物生长状况等参数，将室内温、光、水、肥、气等诸多因素综合，直接协调到最佳状态，可节能15％～50％，并有节水、节肥、节药的效果。以色列全国有1800多公顷塑料温室，年产10亿枝以上鲜切花，其出口量居世界的第3位。美国、加拿大等国开发了多种小型、轻便、多功能的设施园艺耕作机具、播种育苗装置、灌水施肥装置、通风窗自动开闭的温（湿）度调节装置等。日本、韩国已研制出蔬菜嫁接机器人、无人行走车、施肥机器人等。法、意、德等国大部分设施农业均可进行无土栽培，可向人们提供健康、营养、无公害、无污染的有机食品，营养液可以重复利用，能节省投资、保护生态环境。

二、我国设施农业技术的现状和发展特点

1.现状

我国设施农业的发展历史悠久，近20年来，我国的设施园艺栽培面积已突破210万公顷（2000年），与1980年相比增长了近3000倍，总面积达世界第一；全国人均占有设施面积16平方米，每年人均消费蔬菜量的20％由设施栽培提供。设施园艺的发展基本上解决了我国长期以来蔬菜供应不足的问题，并实现了周年均衡供应，达到了淡季不淡，周年有余的要求。随着我国农业由传统农业向现代农业的转变，农产品由数量型向质量效益型转变，各种现代化装备也在不断地进入设施农业领域。设施生产已从蔬菜扩展到了花卉、瓜果以及畜禽、水产养殖、林木育苗、食用菌、中草药等领域。

目前，我国设施栽培已进入巩固、完善、提高、再发展的比较成熟阶段。设施栽培总体布局趋于合理，多数地区在发展中体现了以节能为中心，低投入、高产出的特色，设施设备的总体水平有了明显提高，设施类型向大型化发展，小型简易设施的比例近20年来下降了28％。设施栽培的技术水平不断提高，专业品种的培育受到重视，设施栽培蔬菜的总产和单产大幅度提高，栽培作物的品种不断扩大和丰富，不但提高了经济效益，也促进了农民增收。设施栽培的科学研究，也得到了国家的重视与支持。

我国设施栽培虽有长足的进步，但也存在以下主要问题：一是总体水平特别是科技水平低；二是设施水平低，抗御严重自然灾害的能力差；三是机械化水平低，其劳动生产率只相当于日本的1/5；四是栽培术不配套。

2.发展特点

20世纪80年代以来，我国设施农业的发展有五大特点：

（1）大型园艺设施的比重明显加大。1999年度，温室和大中棚的比重分别达到26％和34％，与1982年度相比，分别上升了12％和17％，而小拱棚的比重则下降了29％。其原因主要是随着设施园艺的迅速发展，设施蔬菜等超时令、反季节园艺产品的季节差价明显缩小，小型设施的单位面积产出率低、比较效益下滑，收益显著低于大型设施，加上作业不便，劳作强度大，逐步富裕起来的农民也需要改善劳动条件。

（2）节能日光温室发展迅猛，加温温室发展缓慢。加温温室占温室面积的比重，由1982年度的30％下降到1999年度的6％；同期，普通日光温室面积的比重由70％下降到34％，节能日光温室则从无到有，在温室面积中的比重猛增至61％。

（3）以遮阳网覆盖栽培为主的夏季设施园艺快速发展。20世纪80年代后期，国产耐候塑料遮阳网试制成功，首先在蔬菜生产上进行应用研究和示范推广，并迅速在花卉和茶叶生产上推广应用，1999年度遮阳网覆盖栽培面积已达13.7万公顷。

（4）现代化连栋温室发展加速。20世纪70年代末至80年代初，我国从日本、欧美引进的现代化连栋温室，由于使用效果普遍不佳，引进和发展现代化连栋温室开始降温；进入90年代以后，特别是1995年以来，随着创办农业科技示范园区的工作得到各级领导的高度重视，各地发展现代化连栋温室急剧升温，相继大量引进发达国家的现代化连栋温室，同时也带动了国产现代化连栋温室制造业的发展，目前国内现代化连栋温室面积已超过700公顷。

（5）优质高产栽培和无公害生产技术体系开发取得可喜进展。80年代初，我国山西太原曾创造出塑料大棚番茄持续高产的经验，产量达到约25千克/平方米；80年代末90年代初，我国辽宁瓦房店又创造了节能日光温室黄瓜持续高产典型，产量达34.5千克/平方米；90年代中后期，辽宁岫岩节能日光温室番茄单产突破30吨/公顷，山西太谷节能日光温室番茄单产高达34.5吨/公顷；随后河北、山东等地也涌现了一批日光温室蔬菜高产典型。近年来，随着城乡居民生活的小康化，人们的安全、营养、保健意识显著增强，卫生质量成为人们选择消费的第一要素，绿色消费正在成为时尚，社会各界强烈呼吁发展无公害食品，园艺产品无公害生产提上了重要议事日程。各级政府、职能部门高度重视，都在加速推进无公害生产，以蔬菜为重点研究制定并组织实施无公害农产品质量标准和生产技术规程的省份已过半数，农产品安全卫生质量问题可望在3～5年内基本解决。

三、设施农业发展趋势

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，设施农业的发展趋势是提高水平、档次，逐步实现规范化、标准化、系统化，形成具有我国特色的技术和设施体系，重视现有技术和成果的推广应用，形成高新技术产业，实现大规模商品化生产。

（1）与现代工业技术进一步结合，提高硬件质量，增强配套能力。我国设施农业要在建筑结构工程、材料工程和节水节能工程方面进一步发展，在提高主体结构质量的同时，应不断增强配套能力。

（2）设施与设施农业产品生产向标准化发展，包括温室及配套设施性能、结构、设计、安装、建设、使用标准，设施栽培工艺与生产技术规程标准，产品质量与监测技术标准等。

（3）加强采后加工处理技术的研究开发，包括采后清洗、分级、预冷、加工、包装、储藏、运输等过程的工艺技术及配套设施、装备等，提高产品附加值和国际市场竞争力。

（4）与计算机自动控制技术结合。实现光、温、水、肥、气等因素的自动监控和作业机械的自动化控制等。

（5）与信息技术结合，建立以产品、技术和市场等为主要内容的网络化管理、模式化运行、远程服务等。

（6）与生物技术结合，开发出抗逆性强、抗病虫害、耐贮藏和高产的温室作物新品种，全面提高温室作物的产量和品质；利用生物制剂、生物农药、生物肥料等专用生产资料，向精确农业方向发展，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。

第三节　设施农业中的农业机械化技术

设施农业是都市型现代农业的基础，是农民增收的重要支柱产业。随着社会经济的发展，居民对蔬菜的需求越来越大，特别是对于我国日益发展的城市化来说，蔬菜瓜果的供应在农业发展中具有重要的意义。

一、设施农业中采用的现代工业技术

1.机械技术：育苗播种机械、耕作收获机械、灌溉施肥植保机械、传感执行机械、加温通风设备、预冷储藏设备、包装分级机械、运输机械、基质消毒设备等。

2.工程技术：建筑结构工程、材料工程（包括温室骨架材料、覆盖材料、工程塑料）和节水、节能工程等。

3.计算机：与自动控制技术光、温、水、肥、气等因子的自动监控，作业机械的自动化控制等。

4.信息技术：以产品、技术和市场等为主要内容的网络化管理、模式化运行、远程服务等。

5.生物技术：生物制剂、生物农药、生物肥料等专用生产资料的制备与生产。

二、设施农业中的机械化技术所包含的主要内容

设施栽培的机械设备是采用现代设施栽培技术进行生产的“硬件”，是设施农业生产资料的主要部分。设施栽培的机械产品大体可分为：

1.栽培（育苗）用各种棚、室的装配式金属骨架及骨架的附属机械装置，如开窗机、拉幕机、卷帘机等。

2.棚、室内环境控制设备，如各种加温设备、补光设备、机械通风设备、喷雾滴灌设备、CO₂气体施肥设备以及检测和自动控制成套设备等。

3.棚、室内作物栽培（育苗）机械设备和各种作业机械，如小型土壤耕作机具、地膜覆盖机具、种植机具、植保机具、育苗播种成套机械设备、嫁接机具、栽培基质制备机械设备、营养液制备及供给（循环）机械成套设备、平面或立体栽培用基质、盆及固定式可变位支撑架系统设备等。

三、设施栽培的机械设备

设施农业是劳动密集型产业，劳动强度大，要想降低劳动强度，提高设施农业的产量、效益和可持续发展，就必须实现设施机械化。设施农业机械化主要为设施农业的生产提供机械化技术支撑，目前主要有以下内容：

1.机械耕整地技术。园田管理机是设施农业的一种主要作业机械，在设施农业生产的过程中，园田管理是一项农艺要求较为复杂的环节，劳动强度大，占用时间长。农业多功能管理机最大的特点是多功能动力机配上相应的农具，不但能犁耕、旋耕、耙田、整地，还能播种、施肥、中耕、除草、培土、覆膜、喷药和短途运输等，基本能满足温室大棚各项作业的需要，也可作为固定作业的动力，用于抽水、脱粒、磨粉、粉碎饲料等作业。

我国生产的农田管理机品牌很多，配套动力大多在2.2～5.9千瓦之间，其中以4.4千瓦较多。

2.电动卷帘技术。电动卷帘机是随着设施农业的发展而不断发展和完善起来的，解决了人工卷铺草苫所存在的费时、费力的突出问题。电动卷帘机主要有牵引式和双跨悬臂式。利用机械卷帘可在6～10分钟内一次完成60～80米日光温室覆盖物（主要是草苫）的卷铺工作，卷帘机的出现大大降低了农民的劳动强度，节约了工时。采用机械卷帘机卷铺，每天可延长温室光照时间2小时左右，地温和室温明显提高，并且由于卷帘机卷轴的存在，草苫不易被大风吹掀，并可延长草苫使用寿命1～2年。

3.节水灌溉自动施肥技术。温室中主要采用膜下微滴灌等灌溉技术。微滴灌是一种现代化的精细高效节水灌溉技术，具有省水、节能、适应性强等特点，同时由于它灌水可兼施肥（药），还具有提高肥（药）效，促进作物优质高产的效果。

4.现代植物保护技术。设施农业的作物生长环境相对封闭，作物病虫害的发生几率相对大田种植要高得多。世界上多采用静电喷雾和棚内弥雾机械以及飞虫粘贴纸等来控制病虫害，该项技术的发展在我国还处于起步阶段。

5.温室气肥补偿技术。二氧化碳是绿色植物光合作用的主要原料之一，室内二氧化碳浓度日出后随着作物光合作用消耗，浓度急剧下降，继而影响光合作用。温室内补充二氧化碳的方法很多，如燃烧液化石油气、盐酸石灰石法、硝酸石灰石法等，目前最常用的方法是使用二氧化碳发生器，将碳铵与硫酸反应制取二氧化碳。

此外，机械编织草帘技术、补光灯和温度补偿技术、现代物理农业工程技术以及其他设施农业种植现代技术在设施农业中的大量应用，大大提高了现代技术在设施农业中的应用，有效地降低了自然因素对设施内作物的影响，提高了产品品质。