福建省設施農業智能化研究進展

王 濤，鄭回勇，陳永快，雷錦桂，黃語燕，吳寶意

(1.福建省農業科學院數字所， 福建 福州 350003；2.福建省農業科學院， 福建 福州 350003)

設施農業不同于傳統的露地農業栽培，是一種現代化的可控農業，通過人為手段進行調控，為作物提供適宜的溫度、光照、水分、肥料、空氣等，培育壯苗，降低或隔絕病蟲害侵染，保證農作物的正常生產，從而提高產量、降低生產周期、提高經濟效益?？偟膩碚f，設施農業是一種高投入、高產出、高能耗的產業[1]。

從結構上來看，主要有拱棚、塑料大棚、日光溫室、單棟溫室、連棟溫室等幾種類型；骨架結構材料主要以竹、木、鋼、鋼筋混凝土、鋁合金、玻璃鋼、塑鋼復合及多元無機復合等材料；覆蓋材料主要以塑料薄膜、玻璃、PC板、玻璃鋼等為主[2]。拱棚和塑料大棚建造成本較低，能基本達到保溫以及隔離蟲害、鳥害等功能，還能得到政府一定的建造補貼，深受農戶喜愛，是目前福建省使用面積最廣的設施農業大棚。日光溫室、單棟溫室、連棟溫室由于建造初期投入成本較高，主要是大型農業企業、高校以及科研單位等應用較多。

在20世紀的70年代末及80年代初經我國科研人員的不斷努力，相繼出現了塑料大棚和溫室大棚[3]。20世紀90年代，我國開始引進學習荷蘭、日本、美國、以色列等國外先進的溫室及配套栽培技術，開始生產反季節農作物，并延長作物生長周期[4]。經過近30年的發展，我國設施農業生產面積躍居世界第一，溫室建造及大棚生產技術等取得很大的進展。隨著科技的不斷發展，目前設施農業不斷朝著自動化、智能化、信息化方向發展。

1 福建省設施農業智能化發展現狀

我國是一個農業大國，人均資源相對不足，要在有限的資源條件下，滿足人民日益增長的對農副產品的需求，必須要走高效農業發展之路。福建省是我國土地面積較小的省份之一，全省土地面積占全國土地面積的1.3%，位居全國第23位，是個農業相對不發達地區。福建是一個多山的省份，丘陵山地較多，平地較少，且地形較復雜，夏季及秋季受臺風影響較大。據2012年福建省農業工作會議報告，2011年福建省新建各種設施農業大棚1 400 hm2，帶動新建各類設施農業大棚10 826.67 hm2。

雖然福建省設施農業發展十分迅速，但依然存在一些問題，主要是保溫為目的的簡易大棚，科技含量較高的現代化日光溫室、連棟溫室有一定的發展，但主要用于花卉栽培以及設施育苗，真正應用于蔬菜生產幾乎沒有。在智能化方面，目前設施農業環境控制水平較低，用于耕作、栽培和收獲等環節的設施裝備較少，機械化水平低，勞動用工量較大，隨著人工成本逐年上升，導致生產成本不斷增加(目前福州市大棚作業員一天人工成本約120元)，產品競爭力下降，因此發展智能化設施農業勢在必行。要大力發展福建省智能化設施農業，必須從科技入手，結合傳統農業栽培技術與計算機高新技術，從技術上解決溫室環境實時監控系統、水肥一體化系統、專家軟件系統、無土栽培系統等，開發適于福建省作物的生產栽培管理控制系統，促進福建省智能化設施農業發展。

智能化設施農業是集結現代農業工程技術、信息化技術、農業栽培技術、環境工程技術和自動化生產技術等應用于農業生產領域。智能化、信息化、自動化在設施農業生產上主要體現：(1)在設施大棚內，用不同功能的傳感器探測頭準確采集大棚內光、溫、水、肥、氣等相關環境因子以及作物生長發育情況、棚內病蟲害程度等參數，轉換成電子數字信號后傳回計算機，通過大量數據和專家經驗等所整合而成的專家系統，根據不同作物生長所需的最佳環境條件，由計算機自動發出指令，使有關裝置設備等進行相應運作，將室內的環境因子(光、溫、水、肥、氣)調整為作物最佳的生長環境，保證作物的正常生產[5]。(2)吸式播種機進行半機械化播種，播種前在穴盤內裝好一半左右的育苗基質，隨后將種子平鋪在種子盤中，開啟種子氣吸機，種子吸入播種槽下方，對準穴盤的各穴進行按壓，氣吸機退壓后，種子均勻灑落在穴盤中，最后在種子上方在覆蓋一層基質，即完成了一盤的播種工作，整個流程需時30～40 s，比起傳統的人工播種尤其是128孔的穴盤，大大節省了勞動時間[6]。(3)植物工廠是近幾年興起的一種在完全密閉可控的環境下采用人工光源與營養液栽培技術相結合進行工廠化生產的方式。由于系統密閉，不受或很少受到外界環境的影響，人工投入相對較少，主要是用于分栽葉菜類作物，采收包裝以及模組模塊的清理上，但能源消耗較大，建設與運行成本較高[7]。(4)半自動嫁接機，將接穗和砧木分別置于嫁接機的兩側，基本實現接穗和砧木切削、接合、嫁接夾固定，排苗作業的自動化、程序化[8]。目前嫁接機可以應用于茄果類(番茄、茄子、辣椒)和瓜類(西瓜、黃瓜、甜瓜等)，嫁接成活率85%～90%。(5)智能化農業機器人是未來農業發展的一個重要方向，可以替代農民從事繁重的體力勞動，在惡劣的環境條件(暴雨、臺風等)下進行持續的勞動，從事整地、播種、定植、噴藥、采收以及農產品分級包裝等，大大節省勞動力，提高農業生產效率[9]。

2 設施農業智能化的主要組成部分

2.1 設施農業物聯網

物聯網，別名“物物相連的互聯網”，是通過信息傳感設備(射頻識別、全球定位系統、遙感、無線傳感器等)在互聯網或移動網絡等通信網絡下，按約定協議把物品與互聯網互聯起來，實現信息的感知、采集、傳輸以及智能處理，構建成一套能夠實現智能管理的網絡[10-12]。物聯網從技術架構上可以分為感知層、網絡層和應用層[13]。農業物聯網目前主要應用于設施大棚環境因子實時采集及智能調控、作物病蟲害遠程診斷、水肥一體化自動灌溉和農田環境實時監測等方面[14]。2010年的《政府工作報告》中,將“加快物聯網的研發應用”明確納入重點產業振興計劃，隨后，物聯網正式為列為中國五大新興戰略產業之一[15]。近年來，在我國專家學者不懈努力下，物聯網研究發展快速，將物聯網應用于農業的相關研究也取得很大的進展。郭佑民等[16]研發了一種基于ZigBee技術的設施大棚種植監測系統，能夠準確采集大棚內的環境參數，解決了目前有線傳輸帶來的成本高、布線復雜、布線過程中對農作物造成的傷害。孫燕等[17]基于物聯網技術研制了實時在線監控的自動節水灌溉系統，采用無線數據的傳輸和控制，更準確地掌握農作物的生長環境，更精確地進行灌溉，更有效的節約了勞動力。王曉蓉等[18]運用物聯網技術實現對日光溫室黃瓜的生長環境(空氣和土壤溫濕度、白粉病發病狀況)進行了實時監測和采集，建立日光溫室黃瓜白粉病預警模型，對農業生產上防治黃瓜白粉病有一定的指導意義。

2.2 溫室智能控制系統

溫室智能控制系統是通過傳感器對溫度、濕度、CO2濃度和光照強度等進行實時監控、采集數據，并將數據在無線或有線環境下傳送到手機電腦等設備，對大棚內的風機、水簾、遮陽網、側膜、天窗等進行控制，把溫室內的環境因子控制在農作物生長最適宜的范圍內，降低農業生產風險，提高經濟效益[19-21]。溫室智能控制從農業物聯網的技術架構上來看，屬于應用層，是在溫室環境因子采集好的基礎下實現操作應用，是智能溫室生產的重要組成部分，也是目前國內外學者在數字農業研究的主要方向之一。崔錦輝等[22]在智能溫室進行薄皮甜瓜生產試驗，結果表明：應用智能控溫機的農戶在薄皮甜瓜產量上明顯優于不應用智能控溫機的農戶，生產效益顯著提高。秦琳琳等[23]基于分布式CAN總線的硬件系統，設計了一套溫室大棚智能監控系統，實現溫室內相關環境數據的實時采集與設備控制，該系統數據能夠穩定傳輸，可靠的進行溫室內環境調控。屈毅等[24]基于物聯網技術設計了一套溫室智能監測系統，可實時遠程獲取溫室內部溫度、濕度等相關環境數據，以數據的形式傳遞給用戶，同時對采集數據的進行智能處理、為相應控制系統提供控制信號，自動調整設施大棚內環境因子，為植物生長提供適宜環境。

2.3 農業專家系統

僅依靠物聯網技術在設施農業上的應用，在目前設施大棚內簡單自動化的基礎上，增加了可監控及可操控性，還算不上真正意義的智能化農業。農業專家系統是一種匯集了大量農業專門知識與經驗而成的計算機系統，是在一個或多個農業專家提供特定領域的相關知識和經驗的基礎上，用計算機模擬專家的思維，根據已有的知識庫進行推理判斷，為農業生產中所出現的問題提供專家式的解決方案[25-26]。近年來，國內學者立足本地，在專家系統上進行了深入研究，建成各種設施農業栽培管理及病蟲害防治等方面的專家系統[27]。福建農林大學的潘錦山早在2007年就構建了一套基于ASP.NET的柚豐產、優質無公害栽培專家系統[28]。姚天明[29]建立一套栽培知識庫，通過對性狀選擇、圖片識別和數據分析，能夠識別蘋果的品種、苗木、病蟲害等,并進一步提出診斷結果和栽培建議。林瀟等[30]針對江西省水稻蟲害的特點和特征，建立了一套專家知識本體庫，開發出水稻蟲害診斷系統，集診斷、防治和查詢多種功能于一體,對南方紅壤丘陵區水稻蟲害的診斷和防治具有很好的應用價值。

3 福建省農科院在智能化溫室上的應用實踐

福建省農業科學院中以示范農場位于福州市晉安區新店鎮埔垱村，由以色列工貿部及Maagad企業和福建農科院共同合作，農場總投資8 000萬元，涵蓋蔬菜、水產、養禽、養牛等多方面的智能農業設施生產[31]。

在設施農業作物栽培方面，2013年10月引進以色列先進的設備及技術，在埔垱建成3 500 m2的玻璃溫室大棚，并通過消化吸收以色列先進技術，在農科院福清漁溪基地，建成超過10 000 m2的智能溫室，吸引來自全省各地的科研、高校以及企業前來觀摩學習[32]。

在智能溫室內，以葉菜類、茄果類及瓜果類為主要栽培對象，采用高效的無土栽培(基質和營養液NFT栽培)，以水肥一體化技術為依托，不僅徹底解決露地環境下的土傳病害，而且還有效減少病蟲害基數，有效提高農產品質量和產量。溫室采用目前國內先進結構，通過物聯網技術，實現溫室內環境因子的實時監控，工作人員通過相應數據信息對天窗、風機、側膜、遮陽網、噴霧等環控設備進行簡易操作，初步實現溫室環境的數字化控制。

4 福建省設施農業智能化的不足及展望

4.1 智能化設施農業投資成本高

設施農業是一種高投入、高產出、高能耗的產業，因此前期投入的大棚建造費、水電能耗費、環控設備費、工作人員薪酬以及種子種苗、有機肥、農藥等材料費每一筆都是不小的開支，雖然福建省對農業補貼的財政支出逐年增加，但目前仍存在投入不足的問題。福建省設施農業投入基本上由企業和農戶自籌，這是目前福建省還是以塑料薄膜簡易大棚為主的原因，前期投入小、見效快、基本達到保溫防寒的效果，是絕大多數農戶經濟所能夠承受起的范圍內。

以閩南經濟較發達的廈門市為例，政府對設施農業發展重視，財政支出力度大，充分發揮政府引導作用，并建立了廈門如意種苗、廈門百利種苗等農業龍頭企業、廈門中科生物股份有限公司等高新農業企業等帶動當地農業，促進農業穩健發展。但也存在部分縣市對設施農業重視程度不高，資金投入不大，設施農業發展困難[33]。

4.2 設施農業智能化、產業化水平較低

除了部分經濟基礎能力較強的企業已經逐步向現代設施農業轉型，開始采用無土栽培技術、水肥一體化系統、基于物聯網技術的實時監控等高新技術，但絕大多數農業合作社、個體農戶等還是以簡易的竹木或鋼架設施大棚下采用土壤栽培，沒有標準化農產品生產技術、生產標準化宣傳及推廣力度不足、采后保鮮及銷售渠道等也有沒相應的標準化，由此增加了農民的勞動量，對病蟲害等進行胡亂用藥，農戶知識水平低，對目前現有的技術標準很難完全接受，難以真正實現福建省設施農業標準化、產業化生產。

4.3 設施農業智能化研究技術落后、人才匱乏

自福建農林大學2005年創辦設施農業科學與工程專業以來[34],至今已經培養了13屆的相關專業人才，福建省設施農業發展已經有相對充足的人才，目前遍布全省科研院所、高校和企業，但在結合機械、信息等高新科技行業的相關人才相對空缺較大，結合農業物聯網、農業相應機械設備等方面的研究與應用相對較少，這也是目前制約福建省設施農業智能化發展的重要原因之一。

4.4 智能化在福建省設施農業應用上的展望

隨著科技發展的日新月異，農業生產已漸漸擺脫了“面朝黃土背朝天”“農業生產又苦又累又臟”在世人眼里的認識，植物工廠作為目前設施農業的高級階段代表之一，“穿著西裝來種菜”的農業生產方式已逐漸進入世人的眼中。

改革開放以來，我國十分重視農業發展，自2004年至2018年已連續十五年發布以“三農”(農業、農村、農民)為主題的中央一號文件，在農業科研、生產等方面投入了大量的資金與優惠政策，2018年2月福建省政府發布《福建省人民政府辦公廳關于加快推進數字農業發展七條措施的通知》，對智能化數字農業的發展十分重視，首屆數字中國建設峰于4月在福州召開。在科研人員的不懈努力下，針對福建省的氣候及地理環境，不斷引進吸收國內外先進的農業技術，在設施大棚建造、無土栽培、農業機械化應用、農業物聯網技術等方面已有了長足的發展，但也僅僅稱得上數字農業，遠沒達到智能農業的標準。

設施農業智能化的實現，需要結合農業、機械工程、計算機信息等多個多學科的共同合作努力，正如前文所說，目前還存在投資成本高、標準化及產業化水平較低、設施農業智能化研究技術落后、人才匱乏等問題，需要政府、高校、科研院所及企業的共同合作，政府在農業補貼和優惠政策上加大力度，落實到位；高校及科研院所加大科研和人才培養力度，為企業提供更多有關方面的高層次優秀人才和先進生產技術，從而促進設施農業智能化的健康快速發展。