我國智能設施園藝技術突破之路在何方？

文|楊其長 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 研究員

設施園藝的顯著特征是以現(xiàn)代裝備為支撐，作物生長的溫度、濕度、光照、CO2以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素均可由計算機進行智能化管控，作物生產(chǎn)管理過程也可由相應的智能機械裝備進行省力化作業(yè)，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。近些年來雖然我國智能設施園藝技術取得了快速發(fā)展，但與荷蘭、日本、以色列等發(fā)達國家相比，仍有較大差距。必須加大研發(fā)力度，迎頭趕上。

設施園藝（Protected Horticulture）是通過一定的工程技術手段，局部改善或創(chuàng)造作物生長發(fā)育的適宜環(huán)境條件，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的一種高效農(nóng)業(yè)。設施園藝的顯著特征是以現(xiàn)代裝備為支撐，作物生長的溫度、濕度、光照、CO2以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素均可由計算機進行智能化管控，作物生產(chǎn)管理過程也可由相應的智能機械裝備進行省力化作業(yè)，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

國際智能設施園藝技術進展

20世紀70年代以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)向農(nóng)業(yè)的滲透，荷蘭、以色列、美國和日本等國設施園藝技術不斷創(chuàng)新，智能化管控水平不斷提升，黃瓜、西紅柿單產(chǎn)已達60-120kg/m2。

可與植物對話技術快速發(fā)展。多年來，荷蘭、以色列和美國等國積極探索設施園藝的智能化管控，通過對作物發(fā)育與環(huán)境、營養(yǎng)定量關系的長期研究，構建了番茄、黃瓜等作物模型TOMSIM、TOMGRO等，荷蘭、以色列等國相繼開發(fā)出以環(huán)境、營養(yǎng)與生理信息為基礎、以最大生物量為目標函數(shù)的智能決策系統(tǒng)，美國還率先提出可與植物對話的技術SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)，通過生物與環(huán)境傳感器進行植物生理生態(tài)信息的獲取，并與各種決策模型相結合，實現(xiàn)對植物生產(chǎn)過程的智能化管控。

節(jié)能與新能源技術創(chuàng)新備受關注。對化石能源的依賴是發(fā)達國家設施園藝的重要特征，荷蘭全國12%的天然氣、日本每年100萬噸石油用于溫室增溫，節(jié)能需求迫切。荷蘭以大幅提高覆蓋材料透光率和太陽能利用為目標，研發(fā)出一種叫zigzag的板材，利用反射光的二次利用，透光率達93%-95%；開發(fā)出屋頂清洗機械以增加透光率；荷蘭、德國等積極探索淺層地能調(diào)溫技術，利用土壤作為冷熱源，與熱泵結合進行夏季降溫、冬季采暖，節(jié)能達65%-70%；為減少人工補光能耗，歐美、日本等采用LED替代高壓鈉燈，節(jié)能50%以上。

智能機械與機器人技術發(fā)展迅速。隨著溫室單體規(guī)模的不斷擴大、勞動力成本的持續(xù)上升，機械化與自動化技術發(fā)展迅速。美國最早開發(fā)出育苗穴盤播種一體化裝備，荷蘭、丹麥等研發(fā)出以巖棉基質(zhì)為核心的營養(yǎng)液栽培技術，日本、荷蘭等開發(fā)出蔬菜定植、移栽、收獲、分級包裝等工廠化成套機械。近年來，溫室管理機器人研發(fā)極為活躍，黃瓜與番茄采收機器人、搬運機器人、種苗嫁接機器人、植保機器人、種苗移栽與整枝機械手等不斷推出，機器人正進入應用階段。

植物工廠技術創(chuàng)新深受關注。植物工廠作為環(huán)境高度可控、產(chǎn)能倍增的高效生產(chǎn)方式，受到世界各國的廣泛關注。日本、荷蘭、美國等從戰(zhàn)略需求出發(fā)積極開展植物工廠技術創(chuàng)新，在植物LED光源創(chuàng)制、立體栽培以及智能化管控等方面取得了重要進展。荷蘭飛利浦公司開發(fā)出多款植物LED光源，美國Aerofarms公司研發(fā)出霧培植物工廠，日本松下、三菱等探索完全由機械手操作的植物工廠，美國NASA甚至研究在太空采用植物工廠技術實現(xiàn)宇航員食物的自給。

我國智能設施園藝技術發(fā)展

經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，尤其是“九五”以來通過國家一系列重大項目的立項支持，我國智能設施園藝技術不斷取得突破。

節(jié)能型設施結構創(chuàng)新取得重要進展。通過引進消化吸收再創(chuàng)新，智能連棟溫室研發(fā)制造能力得到顯著提升，溫室各項環(huán)境與營養(yǎng)要素可以實現(xiàn)智能化管控；節(jié)能日光溫室結構、材料、栽培以及配套裝備等關鍵技術不斷取得突破，實現(xiàn)了在北緯34-42度區(qū)域冬季不加溫條件下進行果菜類作物的生產(chǎn)，年節(jié)約標準煤4億噸以上。

智能環(huán)控與裝備水平不斷提升。針對不同氣候特征和作物需求，成功研制出溫室濕簾——風機降溫、遮陽保溫、采暖通風等環(huán)控技術裝備及其智能化管控系統(tǒng)，研發(fā)出播種、育苗、嫁接、肥水一體化管控等作業(yè)機具，并突破了日光溫室熱能主動蓄放與控制等新技術，設施智能環(huán)控與裝備技術水平進一步提升。

智能植物工廠技術取得重要突破。通過自主創(chuàng)新，先后突破植物工廠LED光源創(chuàng)制、光——溫耦合環(huán)境調(diào)控、營養(yǎng)液循環(huán)與控制以及基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化管控等關鍵技術，實現(xiàn)了植物工廠成套裝備的完全國產(chǎn)化，顯著提升我國在該領域的國際地位。

國內(nèi)外差距及突破重點何在

雖然中國智能設施園藝技術取得了快速發(fā)展，但與荷蘭、日本、以色列等發(fā)達國家相比，仍有較大差距。具體表現(xiàn)：

一是設施單體規(guī)模小。我國98%以上的設施仍是面積僅為300m2-600m2的日光溫室或中小拱棚，具有自主產(chǎn)權的大型化智能溫室技術亟待突破。

二是機械化、智能化水平仍較低。我國設施園藝機械化率僅為30%左右，無土栽培占比不到1%，勞動生產(chǎn)率低。

三是產(chǎn)量低、品質(zhì)難以保障。黃瓜、番茄產(chǎn)量一般僅為10-15kg/m2，藥肥用量大、品質(zhì)不易保障；

四是智能植物工廠產(chǎn)業(yè)化水平仍較低，智慧化管控、智能裝備技術亟待突破。

為加快我國智能設施園藝發(fā)展，進一步縮小與發(fā)達國家技術差距。今后一段時期，我們需緊緊圍繞設施園藝對智能化技術的迫切需求，重點在以下幾個方向率先突破：

一是中國特色的節(jié)能大溫室創(chuàng)制。智能化設施園藝的關鍵技術瓶頸是溫室的大型化。因此，亟待開展基于我國氣候特征的大型連棟溫室保溫與蓄熱等關鍵技術研究，創(chuàng)制出低成本、零化石能耗的大型智能連棟溫室。

二是基于模型的溫室SPA智能管控技術研究。

以作物最大生產(chǎn)量為目標函數(shù)，構建環(huán)境與營養(yǎng)管理模型，研發(fā)出溫室SPA智能化控制技術裝備。

三是設施園藝智能機械與裝備研發(fā)。突破設施園藝全程機械化及其智能裝備技術，重點攻克種苗嫁接機器人、移栽機械手、栽培管理機械手以及水肥智能管控等關鍵技術。

四是垂直智慧植物工廠關鍵技術研究。攻克超高層（20層以上）垂直智慧植物工廠關鍵技術裝備，研發(fā)植物工廠智慧管控機械手、機器人等。