西北地區設施農業研究現狀及存在的問題

李 俊 李建明* 曹 凱 趙志華 張大龍 徐 菲 杜宏斌蔣學琴

（1西北農林科技大學園藝學院，農業部西北設施園藝工程重點實驗室，陜西楊凌 712100；2石河子大學農學院，新疆石河子 832003；3寧夏回族自治區銀川市農業局，寧夏銀川 750004）

西北地區是我國設施農業產業發展的優勢地區。大力發展設施農業可以克服干旱半干旱、水資源缺乏、溫差大、冬季嚴寒干燥及土地沙化嚴重等不利的自然環境帶來的影響，對于提升西北地區農業生產能力、自然災害抵御能力，提高資源的利用率、勞動生產率等均具有重要作用。同時，西北地區地域生態類型多樣，周年氣候多變，對設施農業的發展提出了許多新的技術問題，開展符合西北不同氣候環境條件設施農業技術研究對我國開發西北，保障全國食品供給具有一定意義。

1 西北地區設施農業發展現狀

1.1 西北地區設施農業的主要類型與面積

根據西北地區的氣候特點，采用的設施類型主要是具有區域特色自主研制開發的西北節能日光溫室（李建明和鄒志榮，2004；王宏麗 等，2008）。在西北地區，土質墻體保溫蓄熱性能好，是現有西北節能日光溫室中應用最多的墻體，約占所有日光溫室的95%（楊建軍 等，2009）。到2011年底，我國設施農業面積超過400萬hm2，西北地區設施農業總面積逾40萬hm2，其中80%左右是節能日光溫室和大棚，陜西設施農業總面積14.33萬hm2，其中日光溫室5.33萬hm2；寧夏設施農業總面積8.05萬hm2，其中日光溫室面積3.45萬hm2，拱棚逾4萬hm2；甘肅設施農業總面積8.80萬hm2，其中日光溫室3.86萬hm2，大拱棚4.95萬hm2；新疆設施農業總面積7.60萬hm2；青海設施農業總面積約1.33萬hm2。

1.2 西北地區設施農業栽培作物與效益

陜西省是西北地區農業發展最大的省，主要種植秋冬茬及早春茬番茄、辣椒、甜瓜、西瓜及黃瓜等作物，日光溫室平均每667 m2產值約3萬元，大中拱棚每667 m2產值1萬元左右。寧夏設施農業主要種植秋冬茬及冬春茬的番茄、黃瓜及茄子等作物，日光溫室平均每667 m2產值約2萬元 ，大中拱棚每667 m2產值0.8萬元左右（張雪艷 等，2011）。新疆設施農業從過去的以蔬菜栽培為主向早春茬西瓜、甜瓜、葡萄等瓜果發展，設施農業平均每667 m2產值1萬元以上（中國農業機械化信息網，2012）。甘肅省設施農業主要種植冬春茬及早春茬黃瓜、茄子及番茄等作物，日光溫室平均每667 m2產值1萬～5萬元（邱仲華，2011）。青海省設施農業主要種植早春茬及秋冬茬的小白菜、黃瓜及番茄等作物，設施農業平均每667 m2產值1萬～3萬元（張小青，2012）。

1.3 西北地區設施農業生產經營的主要模式

① 園區化、集約化模式：政府主導建園，組建集團公司管理，承包給農戶經營。如陜北、甘肅及寧夏等市縣農業園區不僅規模大，效益好，而且成為設施農業先進技術的推廣基地。②果蔬專業合作社模式：通過工商資本、民間資本等社會資本投入到設施農業，進而推動西北地區設施農業果蔬專業合作社的發展，形成了“公司+合作社+農戶”的經營模式（張杰 等，2012）。③ 龍頭企業帶動模式：采用“龍頭企業+基地+農戶”模式，龍頭企業對農戶生產的農產品一次性收購，雙方不簽訂合同，自由買賣，價格隨行就市。④ 家庭農場經營模式：設施農業發展中新興的一種模式，目前在陜西榆林靖邊縣、綏德縣出現以家庭適度規模經營為主的庭院經濟，對設施農業多元化的發展起到促進作用，不過規模相對較小，處于起步階段。

1.4 現代農業園區建設步伐加快

截至2012年上半年，陜西、甘肅、寧夏等省區各類農業園區已經達到1 000個以上，現代農業園已經形成規模，達到500個以上。以陜西省為例，2011年底，以菜、畜、果等為重點的各類產業園區發展到1 185個，其中省級農業園區達到150個，培育了楊凌、延安、長安、富平等具有示范推廣作用的國家級現代農業園區（中國政府網，2012）。

1.5 沙化地區設施農業的發展

2010年以來，寧夏沙區設施農業面積發展到0.67萬hm2，帶動了沙化地區的農業產業。在甘肅省民勤縣沙區，2011年全縣設施農業0.44萬hm2，每667 m2日光溫室均產值達到12 015元，棚內純收入達到8 679元。在新疆，以戈壁土為基礎，通過添加一定量的有機質形成少土栽培基質，用作蔬菜、果樹、花卉等的栽培，目前戈壁設施少土栽培已輻射到喀什、和田、阿克蘇、吐魯番及阿勒泰等多個縣市 （鳳凰網，2012）。

1.6 無土栽培技術在溫室中廣泛應用

以基質和營養液栽培作物的無土栽培技術近年來已經在西北地區日光溫室中廣泛應用（杜中平，2011），特別是水肥一體化的無土栽培的興起，大大降低了有機蔬菜在生長過程中病蟲害的發生，保護了生態環境，減輕了土壤污染，防止了連作障礙，向人們提供了營養、健康、安全無公害的綠色食品（胡建，2012；吉佩峰，2012）。

1.7 精細農業在設施農業中的發展

隨著科技的發展，以地理信息系統GIS為代表的農業技術在設施農業上大力興起（劉璐 等，2012），另外計算機自動控制技術、全球定位系統GPS及遙感技術RS也相繼應用于農業生產中。實現了設施農業水肥一體化及環境的科學管理（呂烈武和郭彬，2008）。

2 西北地區設施農業研究的主要內容

2.1 日光溫室中新能源的應用研究

2.1.1 光伏發電日光溫室應用研究 光伏發電日光溫室是采用光伏電池組件作為屋面覆蓋材料，部分替代傳統的玻璃和PC板，實現溫室作物生產與光伏發電的有機結合（鮑順淑 等，2008；魏曉明 等，2011）。在陜西安塞縣、楊凌示范區陜西省設施農業工程研究中心對日光溫室中光伏系統的應用進行模擬測試，使光伏發電日光溫室集研究、示范、節能為一體，研究其對溫室能源利用、作物生長期發育及產量的影響。

2.1.2 風能、地熱能及生物質能等可再生能源的綜合利用及開發 風能在設施養殖中的作用主要是提水作業和發電，而在設施栽培中應用較少；地熱能主要是淺層地熱能的開發利用，采用地源熱泵技術，冬季可以供給溫室熱量，夏季可以制冷使溫室降溫，但是地源熱泵的利用目前處在初探階段（孫先鵬 等，2012）。生物質能在設施農業中的應用主要是“秸稈反應堆”工程技術。研究表明外置式秸稈反應堆能有效改善越冬茬番茄栽培過程中日光溫室內的環境條件，緩解晴天日光溫室內CO2的虧缺，增加番茄的凈光合速率和水分利用率，最終提高產量和經濟效益（卞中華 等，2012；張靜 等，2012）。

2.2 新型日光溫室的設計研究

2012年，西北農林科技大學設施農業工程課題組研制開發了多種新型日光溫室。① 雙層幕日光溫室：采用雙層骨架，外層為普通日光溫室骨架，承受溫室所有的荷載；內部為單層輕骨架，承受內部保溫被荷載。② 山地日光溫室：黃土高原主要采用山地日光溫室，墻體依靠山體，墻體為無限厚度。③ 集雨日光溫室：墻體采用相變砌塊磚，后墻是普通粘土墻，在溫室的一面山墻修筑蓄水池。④ 可變采光角日光溫室：可變采光傾角溫室前屋面傾角為60°，機動屋面的傾角可以在25°～34°之間連續變化。⑤ 異質夾土后墻日光溫室：墻體為兩邊砌塊結構中間異質夾心結構，在后墻內部設計通風通道，通過機械動力通風達到蓄熱和放熱的功能。⑥ 相變后墻日光溫室：墻體為空心砌塊，然后在空心砌塊內部填充復合相變材料，進而達到相變蓄熱的功能；另外也可以在后墻內側墻壁上安裝PE管材，然后將相變材料充入PE管材內部。⑦ 非對稱雙層內保溫溫室：利用傳統日光溫室的后墻體，采用背靠背式，在背面設置陰棚，陰棚跨度小于陽棚跨度。陰陽棚的墻體采用磚和混凝土建造，陰棚結構設計與陽棚相似，均通過雙層膜覆蓋起到保溫作用。⑧ 大跨度雙層內保溫塑料大棚：大棚跨度為14～20 m，外層高度3.8～5.4 m，內層高度為3.0～4.2 m，長度為60～100 m，單體占地面積為840～2 000 m2。大棚兩端采用24灰磚墻體結構建造，內外兩層均為鋼骨架結構，并覆蓋塑料薄膜，在內外兩層骨架間覆蓋自動保溫被系統（李建明，2012）。

2.3 日光溫室保溫性能的優化

2.3.1 日光溫室跨度的優化 西北農林科技大學對陜西關中地區冬春茬種植番茄的8、10 m和12 m三種跨度西北型日光溫室的光照、溫度、熱流等環境參數進行測試，結果表明跨度為10 m時溫室的平均氣溫最高，番茄長勢最好（劉玉鳳 等，2012）。宋明軍和趙鵬（2006）對甘肅省河西走廊地區日光溫室跨度進行了優化，設計建造了跨度為10 m的西北型節能日光溫室，比其他跨度的溫室保溫性能更佳。

2.3.2 日光溫室土墻厚度的優化 楊建軍等（2009）對陜西、新疆、甘肅和寧夏各省區目前比較流行的日光溫室土質墻體進行了研究。根據測試的環境溫度、保溫蓄熱性能、土地利用率及建造成本得出日光溫室土質墻體的最佳厚度分別為：陜西楊凌地區1.0 m，新疆塔城地區1.4 m，甘肅白銀地區1.3 m，寧夏銀川地區1.5 m。

2.4 相變材料在日光溫室墻體中的應用

陜西省設施農業工程研究中心研究表明，選用石蠟與硬脂酸正丁酯按質量比為5∶5制成的復合相變材料，通過在溫室內栽培番茄試驗，相變溫室中番茄的生長狀況明顯優于普通溫室（王宏麗 等，2011）。另有研究表明，真空吸附硬脂酸正丁酯/聚苯乙烯定型相變蓄熱材料的相變溫度合適、相變潛熱大、熱穩定性好，適合用于溫室低溫相變蓄熱材料（王宏麗 等，2010）。

2.5 抗鹽堿技術逐步形成

西北地區由于降水量少，設施農業缺少雨水的淋溶，導致鹽堿地普遍存在。目前主要通過土壤改良、育種、施用外源物質等方法來緩解鹽堿脅迫等逆境對植物的傷害。施用外源物質是一種有效、簡便的方法，目前研究較多的外源物質是多胺中的亞精胺（胡曉輝 等，2009；金春燕 等，2010；李俊 等，2012a）。

2.6 亞低溫對溫室作物影響的研究

在我國西北地區大部分日光溫室為了節約生產成本，基本無人工加溫設備，導致日光溫室冬春茬蔬菜生長經常處于亞低溫脅迫下。增施一定量的鉀肥能提高番茄抵抗亞低溫脅迫能力，有利于番茄植株的生長和果實品質的提高（秦文利和李春杰，2007）；亞低溫下，番茄開花坐果期以蒸騰蒸發量的100%補充灌溉有利于提高植株的抗寒性（李建明 等，2010；李俊 等，2012b）。

2.7 水肥一體化技術

近年來，水肥一體化技術在西北日光溫室中應用較廣泛。它將灌溉和施肥融為一體，土壤水分和肥力達到最大化利用，實現設施農業的可持續發展。通過水鉀耦合、水氮耦合及水磷耦合的試驗，建立水肥耦合模型，合理進行水肥調控，充分利用水肥耦合技術，不僅能提高水肥利用效率，而且有利于番茄、甜瓜的生長發育，以及產量和品質的提高。

2.8 溫室作物蒸騰模型的研究

以溫室番茄和甜瓜為例，研究了溫室內氣象環境因子、植株生理特性、土壤水分對作物蒸騰耗水量的影響，并且建立蒸騰量預測模型，模型可以較好地模擬各水分條件下番茄和甜瓜的蒸騰耗水量，具有重要推廣應用價值（陳新明 等，2007；劉浩 等，2011；姚勇哲 等，2012）。

3 西北地區設施農業存在的問題與建議

3.1 低成本與高土地利用率設施大棚的研究

我國北方大部分地區的日光溫室墻體都是以磚墻和土墻為主，磚墻結構成本為300元·m-2左右，土墻結構成本為150～200元·m-2，以磚墻或者機器夯實的土墻為主的日光溫室后墻占地面積小，溫室之間的土地可以種植露地蔬菜，土地利用率高，但是成本高；而以推土機挖掘夯實的土墻由于其跨度較大，后墻較高，導致后墻的厚度遠遠大于磚墻，其占地面積增大，溫室之間的空余土地少，基本不能種植露地蔬菜，雖然成本低，但是土地利用率降低。西北地區節能日光溫室和我國北方其他地區一樣，大部分是采用大厚度墻體溫室，特別是部分地縣大量推廣山東厚土墻大跨度下沉式日光溫室，后墻為土墻，用挖掘機夯實，墻體呈梯形狀，厚度為5～8 m，而整個日光溫室的跨度為8～14 m，日光溫室之間的露地面積很小，基本不適宜種植露地蔬菜，因此導致日光溫室生產土地利用率僅為40%左右，這使日光溫室的土地利用率大大降低。因此，既要兼顧建造成本又要考慮土地利用率，低成本與高土地利用率設施大棚的研究勢在必行。相關科技人員應該因地制宜，研制適合本地區的設施大棚，建立低成本溫室大棚的研發機構，研制出包括低成本的承重材料、保溫覆蓋材料和薄而保溫的墻體；另外可以大力推廣非對稱雙層內保溫溫室及大跨度雙層內保溫塑料大棚（李建明，2012）。

3.2 自動化與機械化技術研究

我國北方地區的節能日光溫室與國外的連棟溫室相比較，一般面積較小，內部操作空間有限，基本上沒有機械設備，生產基本靠手工操作，而與之相矛盾的是勞動力成本逐年上升；自動化控制系統的開發應用也較少，如通風系統、除濕系統、水肥一體化系統及打藥除草系統缺乏。所以環境調節、生產過程調節、病蟲害防治及管理自動化與機械化迫在眉睫，要立足實際，在現有規模的基礎上，各類溫室大棚均要增加技術含量，添置自動化裝備，著力搞好技術配套，提高裝備水平。加快研發適合本地區的專門的農業機械化設備，培訓專門的操作人員，加大設施農業裝備的科技創新、研發和推廣，研制出一整套溫、光、水、氣、肥自動化控制設備。

3.3 生產管理技術體系的系統化

農業生產過程即作物從播種到果實成熟，是一個系統化的過程，農民沒有把溫室作物的生產過程與環境管理很好地結合起來，如在施肥的同時，沒有考慮溫度對肥料吸收的影響；在施藥的同時沒有考慮藥劑對植物的影響；在加溫的同時沒有考慮濕度、CO2濃度對植物的影響。因而易導致施肥、灌溉、施藥、通風降溫、加溫等管理措施不合理，脫離生產實際，投入和產出不成正比。因此，政府應加快生產管理技術體系的制定，完善已有的相關體系，可以參照先進的工業生產管理體系制定農業生產管理體系，使其生產管理技術體系系統化。

3.4 專業化人才的培養

近年來，設施農業專業化人才短缺的狀況與設施農業的迅猛發展之間的矛盾日益突出，雖然廣大的農業科技者掌握著較為先進的栽培技術，但是大多數農戶僅憑現有的技術或者經驗進行溫室生產，直接影響溫室規模化及產業化發展的水平。因此，必須加大有關設施農業方面的專業化人才培養，發揮科研院所、大專院校的作用，通過提高設施農業教育比重、聯合培養、委托培養等方式，強化科技創新人才的培養，加大對基層生產管理和操作人員的培訓；通過技術培訓和示范，引導、幫助農民掌握并運用先進的設施農業技術。

3.5 農業園區建設步伐加快，但是創新力度不夠，區域特色不明顯

截至2012年上半年，陜西、甘肅、寧夏等省區國家級現代農業園區建設良好，例如陜西目前已經建成省級以上農業園區150多個。但是在農業園區實用技術的推廣、產品科技含量的提高、產業升級的帶動作用不明顯；許多園區沒有深入的探索創新的實質內容，部分園區定位不準，示范效果欠佳、人才短缺，進而導致園區創新能力較弱。要建立一批國家級設施農業機械化示范區，示范、引導設施農業向標準化、規模化發展。

西北地區是我國設施農業產業發展的優勢地區，設施農業產業已經成為當地農業產業最具活力的產業之一，要保持設施農業產業穩定快速長足的發展，農業科技者還有很長的路要走。必須堅持走產業化、信息化道路，通過調整溫室結構、種植結構，不斷提高設施農業產品的附加值，整合資源品牌，發展綠色、無公害、有機蔬菜生產，進一步增強市場競爭力，使之成為西北地區種植業中的支柱產業。

鮑順淑，楊其長，聞婧，肖駿．2008．太陽能光伏發電系統在植物工廠中的應用初探．中國農業科技導報，10（5）：71-74．

卞中華，王玉，胡曉輝，鄒志榮，張靜．2012．外置式秸稈反應堆對日光溫室內部環境及番茄光合特性的影響．西北農林科技大學學報：自然科學版，40（2）：136-142．

陳新明，蔡煥杰，李紅星，王健，杜文娟．2007．溫室大棚內作物蒸發蒸騰量計算．應用生態學報，18（2）：317-321.

杜中平．2011．青海日光溫室有機生態型無土栽培黃瓜品比試驗．北方園藝，（13）：57-58．

鳳凰網．2012．我區戈壁設施無土栽培技術達到國內領先水平．http：//news.ifeng.com/gundong/detail_2012_05/30/14899436_0.shtml．

胡建．2012．現代設施農業現狀與發展趨勢分析．農機化研究，（7）：245-248．

胡曉輝，杜靈娟，鄒志榮．2009．Spd浸種對鹽脅迫下番茄（Solanum lycopersicum）幼苗的保護效應．生態學報，29（9）：5152-5157．

吉佩峰．2012．有機蔬菜水肥一體化無土栽培技術．中國蔬菜，（13）：50-53．

金春燕，孫錦，郭世榮．2010．外源亞精胺對Ca（NO3）2脅迫下黃瓜幼苗生長和活性氧代謝的影響．西北植物學報，30（8）：1627-1633．

李建明，鄒志榮．2004．西北地區設施農業研究現狀與發展趨勢//趙尊練．園藝學進展（第六輯）．西安：陜西科學技術出版社：730-734．

李建明，王平，李江．2010．灌溉量對亞低溫下溫室番茄生理生化與品質的影響．農業工程學報，26（2）：129-134．

李建明．2012．大跨度雙層內保溫塑料大棚的特點與應用．西北園藝，（2）：6-7．

李俊，李建明，胡曉輝，李之凱，王詩夢．2012a．亞精胺浸種對番茄幼苗抗鹽堿的生理特性研究．西北植物學報，32（9）：1788-1795．

李俊，李建明，胡曉輝，張大龍，徐菲，趙志華，宋丹．2012b．亞低溫及鉀肥對溫室番茄光合作用和品質的影響．西北植物學報，32（12）：2471-2478．

劉浩，段愛旺，孫景生，劉祖貴．2011．基于Penman-Monteith 方程的日光溫室番茄蒸騰量估算模型．農業工程學報，27（9）：208-213．

劉璐，梁軼，柏秦鳳，賀文麗，尚小寧．2012．基于GIS技術的陜西省設施農業越冬期低溫凍害精細化風險區劃——以涇陽縣為例．中國農學通報，28（18）：302-305．

劉玉鳳，鄒志榮，蔣國振．2012．跨度對日光溫室氣溫和番茄生長的影響及模擬分析．西北農林科技大學學報：自然科學版，40（1）：204-209．

呂烈武，郭彬．2008．精準農業的研究應用現狀及其在我國的發展方向． 現代農業科技，（21）：338-339．

秦文利，李春杰．2007．增施鉀肥對日光溫室番茄產量和品質的影響．中國土壤與肥料，（1）：44-47．

邱仲華．2011．關于甘肅省設施農業“十二五”發展規劃的思考．農業工程技術（溫室園藝），（3）：27．

宋明軍，趙鵬．2006．西北XB-GV 型大跨度日光溫室設計建造及實踐．農業工程技術（溫室園藝），（7）： 16-18．

孫先鵬，鄒志榮，郭康權，李建明．2012．可再生能源在我國設施農業中的應用．北方園藝，（11）：46-50．

王宏麗，鄒志榮，周長吉．2008．西北地區設施園藝發展現狀與對策探析．上海交通大學學報：農業科學版，26（5）：377-381.

王宏麗，王朋，鄒志榮．2010．硬脂酸正丁酯/聚苯乙烯定形相變材料實驗．太陽能學報，31（11）：1471-1474．

王宏麗，李曉野，鄒志榮．2011．相變蓄熱砌塊墻體在日光溫室中的應用效果．農業工程學報，27（5）：253-257．

魏曉明，周長吉，丁小明，魯少尉，曹楠．2011．光伏發電溫室的現狀及技術前景研究．中國農業工程學會2011年學術年會論文集．重慶：西南大學出版社．

楊建軍，鄒志榮，張智，王云冰，張志新，燕飛．2009．西北地區日光溫室土墻厚度及其保溫性的優化．農業工程學報，25（8）：180-185．

姚勇哲，李建明，張榮，孫三杰，陳凱利．2012．溫室番茄蒸騰量與其影響因子的相關分析及模型模擬．應用生態學報，23（7）：1869-1874．

張杰，佟龍發，黃斐．2012．惠民果蔬發展設施農業園區的調查．農業開發與裝備，（2）：62-63．

張靜，卞中華，王玉，鄒志榮．2012．外置式秸稈反應堆對日光溫室番茄生長發育的影響．北方園藝，（18）：66-69．

張小青．2012．對發展青海設施農業的思考．青海農林科技，（2）：38-40．

張雪艷，高艷明，葉林，李建設．2011．淺析寧夏設施園藝發展現狀、問題與對策．農業科學研究，32（1）：53-57．

中國農業機械化信息網．2012．新疆設施農業效益凸現．http：//www.amic.agri.gov.cn/nxtwebfreamwork/ztzl/js_ssny/detail.jsp?articleId=89180.

中國政府網．2012．陜西省實現省級現代農業園區涉農縣區全覆蓋．http：//www.gov.cn/gzdt/2012-09/18/content_2226977.htm.