农业装备技术状况及趋势

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引言

设施农业作为现代农业的重要组成部分，其综合集成了农业生物技术、农业机械与建筑工程技术、环境控制技术、信息技术和管理技术等多领域科学技术，是以此进行集约化种植业生产和养殖业生产的农业生产方式，实现了农业的高产、高效和优质生产。设施农业是在非传统农业生产环境条件下进行的，它突破了自然气候和季节性制约，真正实现了周年生产、全年供应，从而进一步大大提高了种植业的单位面积产量，也使养殖业个体生产量得到大幅度增长［1］。设施农业装备的研发与应用极大地推动了现代农业的发展，但目前我国设施装备的技术含量还不是很高。因此，设施农业装备技术的发展对我国设施农业整体水平的提升尤为重要。

1设施农业装备技术概述

1.1设施农业概念

设施农业的概念分为狭义和广义概念，其中狭义的设施农业是指以最小的资源投入，在可控的条件下，按照动植物生长发育所要求的最佳环境进行的动植物生长。而广义的设施农业从产业链角度出发，是指为农产品商品各阶段提供最适宜环境条件，以摆脱自然环境和传统生产条件的束缚，获得高产、优质和高效农产品的现代农业生产活动。设施农业具有技术装备化、过程科学化、方式集约化和管理现代化的特点。设施农业产业链的特征是，目标商品化→途径全程化→环境可控化→效益全面化。现代设施农业包括设施园艺、设施畜牧和设施水产。

1.2温室大棚装备

温室大棚的分类级别可分为两种，一种是根据其用途可以分为生产性温室、科研教育温室和商业温室。而另一种是按照覆盖材料、温室性能和其他方式进行分类。其中按照覆盖材料可将温室分为玻璃温室、塑料薄膜温室、PC板温室、复合覆盖温室和玻璃钢温室;按温室性能可分为连栋温室、日光温室、塑料大棚、中小拱棚和遮阴棚;按其他方式可分为加温温室、不加温温室、简易温室、智能温室、金属结构温室和其他结构温室等。设施农业机械作为农业机械中的重要份额，在农业机械化发展中起着举足轻重的作用。做好设施农业机械的安全生产，有效预防和减少农机安全生产事故的发生，不仅是农机部门服务于现代农业安全发展的职能体现，也是推进设施农业机械整体水平，提高现代农业综合发展实力的需要，对现代农业的发展都将起着积极促进作用［2-3］。我国“农业设施”发展有其独特的特点，最为广泛使用的是日光温室和塑料大棚。特别是日光温室和简易土温室，是我国独有的一种设施生产方式。尽管有许多不尽如人意之处，但是在现阶段为缓解北方地区周年蔬菜供应起到了重要的作用。据统计数据显示，北京2011年温室大棚建成面积2.17万hm2(32.5万亩)，预计到2012年底将建成温室大棚达2.33万hm2(35万亩)。就设施机械化问题来说，受“农业设施”整体结构的限制，一般节能型日光温室面积不足666.7m2(1亩)，南北跨度8～10m，长度60m。横向种植，南端空间高度在50～80cm，北端有60～80cm通道。在这个空间里实现省力化种植操作的难度较大，正所谓“螺丝壳里作道场”。蔬菜作物的机械化在露地生产中都还没有得到广泛应用，如果加上空间限制，使用设施机械化设备难度更大。没有国外先进经验可以借鉴，也无适应的设备可供选择，这就是我国设施机械化面临的难题。从农机农艺结合角度看，设施这一农艺是已经确定的，只有设备适应设施环境，别无选择。尽管这样，由于农民需求迫切，因此部分设备将就而生，不是应运而生，这就给使用带来了不便和仍有诸多问题需要研究。

2设施环境调控装备技术

设施栽培是在一定的空间范围内进行的，因此生产者对环境的干预、控制和调节能力与影响，比露地栽培要大得多。目前国内主要的调节手段主要是加温、降温、保温、通风换气、补光、调湿和二氧化碳施肥等方面。环境调控能力是温室性能的重要指标，对产品的品质、产量起着决定性作用。调控设备主要类型包括通风换气设备、保温设备、加温降温设备、补光设备、CO2施肥设备和监测控制设备。

2.1通风换气

设施环境通风的目的在于:①排除设施内的余热，使室内的环境温度保持在适于植物生长的范围内;②排除余湿，使室内环境相对湿度保持在适于植物生长的范围内;③调整空气成分，排去有害气体，提高室内空气中CO2的含量，使作物生长环境良好。设施环境中常见的通风方法:①自然通风。指在温室等设施的适当位置设置窗户，靠热压和风压作用进行通风，并可以通过调节窗户的开度来调节通风量。自然通风开关窗的机械设备:卷膜开窗系统和齿条开窗系统。②机械通风。依靠风机产生的压力强迫空气在设施内流动。

2.2保温设备

保温设备的作用是加强温室保温能力。常用的保温设备有日光温室保温被、草帘、卷被帘机、连栋温室保温幕以及其他形式的内设保温。不同设备具有各自特点，如草帘保温效果好，价格低廉，但自身质量大、防水性差。保温被具有质量小、易卷放、防水性好的特点。而卷被机总体上具有高效、节省劳力、价格高和装配要求高的特点。而不同类型的卷被机之间也存在差异，见表1。目前设施保温设备存在主要问题是新型高精度、高可靠度电机及多用途系统亟待开发。

2.3降温设备

设施内常见降温方式有湿帘降温、遮阳降温、弥雾降温和空调降温。①湿帘降温是农业建筑中最普遍采用的夏季降温方法，采用该方法组成的降温系统称为湿帘－风机降温系统。由湿帘箱、循环水系统、轴流风机和控制系统4部分组成，湿帘由箱体、湿帘、布水管和集水器组成。目前湿帘采用的材料有白杨木细刨花、瓦楞纸和聚氯乙烯等。②遮阳降温是通过在温室内部或温室屋面上方设置遮阳网，减少进入温室内热量，达到降低室内温度目的。③弥雾降温是在温室内部设置雾化喷头，在高温低湿状态时喷雾，进行短暂的蒸发降温。是直接将水以雾状喷在温室的空中，因为雾粒的直径非常小，只有10μm，所以可在空气中直接汽化。雾粒汽化时吸收热量，降低温室内空气温度，其降温速度快，蒸发效率高，温度分布均匀，是蒸发降温的最好形式。喷雾降温系统由水过滤装置、高压水泵、高压管道和旋芯式喷头组成。④空调降温常见于观光温室、花卉市场等商业温室中，多采用空调机组与风机盘管组合应用的方式。

2.4加温设备

设施加温方式常见的为热水蒸气加温，即通过散热器、锅炉和管路等设备产生的热水蒸汽对设施环境进行加温。热风加温是利用热风炉和送风管等对循环空气进行加温以达到整体加温的目的。其他加温方式还有电热线加温、红外热源加温等。图1为几种加温设备在实际中的应用。

2.5其他环境调控设备

随着物理农业装备等新兴技术的不断研制与开发，一系列环境调控设备在设施环境内也得到了广泛应用，其中常见的有CO2施肥设备、金属卤灯、荧光灯、低压钠灯、LED补光灯、环境监测与控制设备和物理调控装备技术等。温室是密闭或半密闭系统，空气流动性小，与外界交换少，常造成温室内作物正常生长发育所需要的CO2匮乏，尤其在早春、秋末以及冬季由于温室通风少，温室内CO2浓度可能下降到220mLm3，甚至更低。目前CO2的施肥源主要有CO2燃烧发生器、化学反应生成法、利用微生物分解有机物产生CO2、高压瓶装CO2以及固体颗粒气肥等。

3设施生产配套装备技术

3.1生产配套装备概览

生产配套装置主要包括耕作装置、植保装置、工厂化育苗装置、无土栽培系统和灌溉装置等。根据设施的具体建造形式、用途等的不同，所采用的配套装置也有所差异。从目前国内总体形势看，设施装备不配套、技术研发不足;设施生产机械化程度低、专用农机具及装备短缺;设施及配套设备的设计、建造与不同作物设施生产的农艺要求结合不够紧密等是目前制约国内设施生产配套技术发展应用的主要问题。3.2耕作设备设施耕作设备主要包括微耕机、铧式犁和旋耕机等。微耕机主要用于进行犁耕、旋耕、开沟、作畦、起垄和喷药等作业，部分机具还具有覆膜、播种等功能。铧式犁主要用于犁耕作业。旋耕机可一次完成耕耙作业，其特点是切土、碎土能力强，耕后地表平整，土壤松碎细软，土肥混合能力好。

3.3植保设备

设施内采用的植保设备可根据防控方式分为物理防控和化学防控。常见的物理防控设备有频振式杀虫灯、紫外灯、高速气流吸虫机、土壤连作障碍电处理机、温室电除雾防病促生系统、食用菌空气电净化促蕾防病系统、声波助长仪和温室病害臭氧防治机等。化学防控中多采用喷雾机、弥雾机、超低量喷雾机、烟雾机和喷粉机等，其类型的选择主要是根据防控的目的而定。同时静电喷雾技术已经开始得到广泛应用，并取得了良好的效果。

3.4工厂化育苗设备

工厂化育苗设备大致由基质加装系统、压穴系统、播种系统、灌溉系统和控制系统5部分组成［4］。播种装置是育苗播种设备的关键部件，目前，应用于工厂化育苗成套设备中播种装置的分类国内并没有统一的标准，根据播种原理不同可分为吸附式(如吸针式、滚筒吸孔式)和磁性播种机两种。国内常用的是吸针式播种器，利用真空负压吸附的原理可实现单粒种子的精确播种。吸针式播种器可通过调节吸针间距及吸针孔径适应不同规格穴盘及不同大小种子的播种，同时可一次播种穴盘一排，也有的可一次播种一个穴盘，该种播种器最适宜播种丸粒化的种子。育苗成套设备通过电、气、液综合控制，可顺序完成基质装填、压穴、播种、二次覆基质、喷淋灌溉等工序，形成完整的流水线作业。

3.5无土栽培系统

无土栽培具有提高作物的产量与品质、减少农药用量、产品洁净卫生、节水节肥省工和利用非可耕地生产蔬菜等。设施内目前使用较多的无土栽培方式有水培、雾培和箱式基质栽培3种。水培又称营养液栽培，其特点是完全不需要土壤，而是将植物生长所需的各种营养配成营养液供作物利用。雾培是让植物的根系离开了基质与水，把植物的根系完全置于气雾环境下进行生长发育的一种新型栽培模式，它通过雾化的水气满足植物根系对水肥的需求，并具有最充足的氧气与最自由伸展的空间，使根系在毫无阻力的情况下生长。它具有比其他任何一种耕作方法生长更快、管理更方便和投工更小的特点［5］。

3.6灌溉施肥设备

灌溉施肥是通过施肥装置将溶解好的肥液注入到灌溉系统中，使肥料随灌溉水一起输送到田间的一种先进施肥方式，是精确施肥与精确灌溉相结合的产物。灌溉施肥的主要优点是施肥均匀、准确，可以稳定且高精度地控制灌水量、施肥量和施肥时间等参数，从而提高了水和肥的利用效率，有效地减轻了土壤和环境污染［6-7］。灌溉施肥系统主要由传感部分、混肥设备和控制器3部分组成。具体灌溉施肥设备示意图见图2。设施中最常用的灌溉方式是滴灌和喷灌，移动式喷灌是育苗中常用的灌溉方式，而潮汐灌溉多用于先进的盆花栽培设施中。

3.7采收物流装备

对果蔬、花卉采用机械化采收装置，不仅可以提高劳动效率、降低工人劳动强度，同时可以降低采收过程中的损失率，提高商品品质。在设施环境中物流环节主要起到苗床输送、生长期作物输送、成品作物输送和生产物料输送等作用，可以达到省工省时、降低劳动强度的目的。

3.8产后处理装备

花卉、蔬菜等园艺产品的分级、清洗和包装等工作是产品商品化的必要基础。农产品转化成为商品所采取的一系列措施的总称，包括采收、挑选、修整、清洗、涂被、包装、预冷、贮藏、运输和销售等。果蔬采后会涉及无损伤检测技术、果实分级的机械化与自动化技术、贮藏库的现代设备等。目前国内外采用的先进贮藏保鲜技术包括天然果蔬保鲜剂的应用、利用调压技术贮藏、臭氧及负氧离子保鲜、利用生物技术保鲜、静电场处理贮藏、低剂量辐射处理保鲜以及细胞水结构化气调保鲜等。

4设施装备技术发展趋势

随着设施装备技术水平的不断提升，对其的要求也在不断提高，其发展趋势将出现以下特点:①自动化水平快速提升;②机械化范围日益扩展;③节能化需求更加迫切;④环境调控更加精准;⑤物理增产技术顺势发展。