農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)狀況及趨勢

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引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其綜合集成了農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械與建筑工程技術(shù)、環(huán)境控制技術(shù)、信息技術(shù)和管理技術(shù)等多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)，是以此進(jìn)行集約化種植業(yè)生產(chǎn)和養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)、高效和優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。設(shè)施農(nóng)業(yè)是在非傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境條件下進(jìn)行的，它突破了自然氣候和季節(jié)性制約，真正實(shí)現(xiàn)了周年生產(chǎn)、全年供應(yīng)，從而進(jìn)一步大大提高了種植業(yè)的單位面積產(chǎn)量，也使養(yǎng)殖業(yè)個體生產(chǎn)量得到大幅度增長［1］。設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)與應(yīng)用極大地推動了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，但目前我國設(shè)施裝備的技術(shù)含量還不是很高。因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的發(fā)展對我國設(shè)施農(nóng)業(yè)整體水平的提升尤為重要。

1設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)概述

1.1設(shè)施農(nóng)業(yè)概念

設(shè)施農(nóng)業(yè)的概念分為狹義和廣義概念，其中狹義的設(shè)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(jìn)行的動植物生長。而廣義的設(shè)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(zhì)和高效農(nóng)產(chǎn)品的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。設(shè)施農(nóng)業(yè)具有技術(shù)裝備化、過程科學(xué)化、方式集約化和管理現(xiàn)代化的特點(diǎn)。設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的特征是，目標(biāo)商品化→途徑全程化→環(huán)境可控化→效益全面化?，F(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)包括設(shè)施園藝、設(shè)施畜牧和設(shè)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(jìn)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(fù)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(jié)構(gòu)溫室和其他結(jié)構(gòu)溫室等。設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械作為農(nóng)業(yè)機(jī)械中的重要份額，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展中起著舉足輕重的作用。做好設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械的安全生產(chǎn)，有效預(yù)防和減少農(nóng)機(jī)安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，不僅是農(nóng)機(jī)部門服務(wù)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)安全發(fā)展的職能體現(xiàn)，也是推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械整體水平，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展實(shí)力的需要，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展都將起著積極促進(jìn)作用［2-3］。我國“農(nóng)業(yè)設(shè)施”發(fā)展有其獨(dú)特的特點(diǎn)，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(dú)有的一種設(shè)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(yīng)起到了重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(yù)計(jì)到2012年底將建成溫室大棚達(dá)2.33萬hm2(35萬畝)。就設(shè)施機(jī)械化問題來說，受“農(nóng)業(yè)設(shè)施”整體結(jié)構(gòu)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(shí)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(jī)械化在露地生產(chǎn)中都還沒有得到廣泛應(yīng)用，如果加上空間限制，使用設(shè)施機(jī)械化設(shè)備難度更大。沒有國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，也無適應(yīng)的設(shè)備可供選擇，這就是我國設(shè)施機(jī)械化面臨的難題。從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合角度看，設(shè)施這一農(nóng)藝是已經(jīng)確定的，只有設(shè)備適應(yīng)設(shè)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(shè)備將就而生，不是應(yīng)運(yùn)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(shè)施環(huán)境調(diào)控裝備技術(shù)

設(shè)施栽培是在一定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行的，因此生產(chǎn)者對環(huán)境的干預(yù)、控制和調(diào)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(diào)節(jié)手段主要是加溫、降溫、保溫、通風(fēng)換氣、補(bǔ)光、調(diào)濕和二氧化碳施肥等方面。環(huán)境調(diào)控能力是溫室性能的重要指標(biāo)，對產(chǎn)品的品質(zhì)、產(chǎn)量起著決定性作用。調(diào)控設(shè)備主要類型包括通風(fēng)換氣設(shè)備、保溫設(shè)備、加溫降溫設(shè)備、補(bǔ)光設(shè)備、CO2施肥設(shè)備和監(jiān)測控制設(shè)備。

2.1通風(fēng)換氣

設(shè)施環(huán)境通風(fēng)的目的在于:①排除設(shè)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(diào)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(shè)施環(huán)境中常見的通風(fēng)方法:①自然通風(fēng)。指在溫室等設(shè)施的適當(dāng)位置設(shè)置窗戶，靠熱壓和風(fēng)壓作用進(jìn)行通風(fēng)，并可以通過調(diào)節(jié)窗戶的開度來調(diào)節(jié)通風(fēng)量。自然通風(fēng)開關(guān)窗的機(jī)械設(shè)備:卷膜開窗系統(tǒng)和齒條開窗系統(tǒng)。②機(jī)械通風(fēng)。依靠風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力強(qiáng)迫空氣在設(shè)施內(nèi)流動。

2.2保溫設(shè)備

保溫設(shè)備的作用是加強(qiáng)溫室保溫能力。常用的保溫設(shè)備有日光溫室保溫被、草簾、卷被簾機(jī)、連棟溫室保溫幕以及其他形式的內(nèi)設(shè)保溫。不同設(shè)備具有各自特點(diǎn)，如草簾保溫效果好，價格低廉，但自身質(zhì)量大、防水性差。保溫被具有質(zhì)量小、易卷放、防水性好的特點(diǎn)。而卷被機(jī)總體上具有高效、節(jié)省勞力、價格高和裝配要求高的特點(diǎn)。而不同類型的卷被機(jī)之間也存在差異，見表1。目前設(shè)施保溫設(shè)備存在主要問題是新型高精度、高可靠度電機(jī)及多用途系統(tǒng)亟待開發(fā)。

2.3降溫設(shè)備

設(shè)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(diào)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(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)。由濕簾箱、循環(huán)水系統(tǒng)、軸流風(fēng)機(jī)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(xì)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(shè)置遮陽網(wǎng)，減少進(jìn)入溫室內(nèi)熱量，達(dá)到降低室內(nèi)溫度目的。③彌霧降溫是在溫室內(nèi)部設(shè)置霧化噴頭，在高溫低濕狀態(tài)時噴霧，進(jìn)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?yàn)殪F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(diào)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(diào)機(jī)組與風(fēng)機(jī)盤管組合應(yīng)用的方式。

2.4加溫設(shè)備

設(shè)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(shè)備產(chǎn)生的熱水蒸汽對設(shè)施環(huán)境進(jìn)行加溫。熱風(fēng)加溫是利用熱風(fēng)爐和送風(fēng)管等對循環(huán)空氣進(jìn)行加溫以達(dá)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。圖1為幾種加溫設(shè)備在實(shí)際中的應(yīng)用。

2.5其他環(huán)境調(diào)控設(shè)備

隨著物理農(nóng)業(yè)裝備等新興技術(shù)的不斷研制與開發(fā)，一系列環(huán)境調(diào)控設(shè)備在設(shè)施環(huán)境內(nèi)也得到了廣泛應(yīng)用，其中常見的有CO2施肥設(shè)備、金屬鹵燈、熒光燈、低壓鈉燈、LED補(bǔ)光燈、環(huán)境監(jiān)測與控制設(shè)備和物理調(diào)控裝備技術(shù)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(fēng)少，溫室內(nèi)CO2濃度可能下降到220mLm3，甚至更低。目前CO2的施肥源主要有CO2燃燒發(fā)生器、化學(xué)反應(yīng)生成法、利用微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生CO2、高壓瓶裝CO2以及固體顆粒氣肥等。

3設(shè)施生產(chǎn)配套裝備技術(shù)

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(shè)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(shè)施裝備不配套、技術(shù)研發(fā)不足;設(shè)施生產(chǎn)機(jī)械化程度低、專用農(nóng)機(jī)具及裝備短缺;設(shè)施及配套設(shè)備的設(shè)計(jì)、建造與不同作物設(shè)施生產(chǎn)的農(nóng)藝要求結(jié)合不夠緊密等是目前制約國內(nèi)設(shè)施生產(chǎn)配套技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的主要問題。3.2耕作設(shè)備設(shè)施耕作設(shè)備主要包括微耕機(jī)、鏵式犁和旋耕機(jī)等。微耕機(jī)主要用于進(jìn)行犁耕、旋耕、開溝、作畦、起壟和噴藥等作業(yè)，部分機(jī)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(jī)可一次完成耕耙作業(yè)，其特點(diǎn)是切土、碎土能力強(qiáng)，耕后地表平整，土壤松碎細(xì)軟，土肥混合能力好。

3.3植保設(shè)備

設(shè)施內(nèi)采用的植保設(shè)備可根據(jù)防控方式分為物理防控和化學(xué)防控。常見的物理防控設(shè)備有頻振式殺蟲燈、紫外燈、高速氣流吸蟲機(jī)、土壤連作障礙電處理機(jī)、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(jī)等。化學(xué)防控中多采用噴霧機(jī)、彌霧機(jī)、超低量噴霧機(jī)、煙霧機(jī)和噴粉機(jī)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(shù)已經(jīng)開始得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。

3.4工廠化育苗設(shè)備

工廠化育苗設(shè)備大致由基質(zhì)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(shè)備的關(guān)鍵部件，目前，應(yīng)用于工廠化育苗成套設(shè)備中播種裝置的分類國內(nèi)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)兩種。國內(nèi)常用的是吸針式播種器，利用真空負(fù)壓吸附的原理可實(shí)現(xiàn)單粒種子的精確播種。吸針式播種器可通過調(diào)節(jié)吸針間距及吸針孔徑適應(yīng)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粒化的種子。育苗成套設(shè)備通過電、氣、液綜合控制，可順序完成基質(zhì)裝填、壓穴、播種、二次覆基質(zhì)、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(zhì)、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(shè)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(zhì)栽培3種。水培又稱營養(yǎng)液栽培，其特點(diǎn)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(zhì)與水，把植物的根系完全置于氣霧環(huán)境下進(jìn)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(diǎn)［5］。

3.6灌溉施肥設(shè)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(jìn)施肥方式，是精確施肥與精確灌溉相結(jié)合的產(chǎn)物。灌溉施肥的主要優(yōu)點(diǎn)是施肥均勻、準(zhǔn)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］。灌溉施肥系統(tǒng)主要由傳感部分、混肥設(shè)備和控制器3部分組成。具體灌溉施肥設(shè)備示意圖見圖2。設(shè)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(jìn)的盆花栽培設(shè)施中。

3.7采收物流裝備

對果蔬、花卉采用機(jī)械化采收裝置，不僅可以提高勞動效率、降低工人勞動強(qiáng)度，同時可以降低采收過程中的損失率，提高商品品質(zhì)。在設(shè)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(dá)到省工省時、降低勞動強(qiáng)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(chǔ)。農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)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(yù)冷、貯藏、運(yùn)輸和銷售等。果蔬采后會涉及無損傷檢測技術(shù)、果實(shí)分級的機(jī)械化與自動化技術(shù)、貯藏庫的現(xiàn)代設(shè)備等。目前國內(nèi)外采用的先進(jìn)貯藏保鮮技術(shù)包括天然果蔬保鮮劑的應(yīng)用、利用調(diào)壓技術(shù)貯藏、臭氧及負(fù)氧離子保鮮、利用生物技術(shù)保鮮、靜電場處理貯藏、低劑量輻射處理保鮮以及細(xì)胞水結(jié)構(gòu)化氣調(diào)保鮮等。

4設(shè)施裝備技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著設(shè)施裝備技術(shù)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(diǎn):①自動化水平快速提升;②機(jī)械化范圍日益擴(kuò)展;③節(jié)能化需求更加迫切;④環(huán)境調(diào)控更加精準(zhǔn);⑤物理增產(chǎn)技術(shù)順勢發(fā)展。