鋁在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

張琪

鋁是一種“年輕”的金屬，鋁元素從發(fā)現(xiàn)至今只有一百余年的歷史；鋁又是地殼中含量最為豐富的金屬，同時(shí)還具有質(zhì)量輕、易加工、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等諸多優(yōu)良特性，因此在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)之后不到60年（即1956年），鋁便開始超越銅成為產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的有色金屬，也是僅次于鋼（鐵）產(chǎn)量的第2大金屬材料，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸、電力電子、包裝容器、機(jī)械裝備、耐用消費(fèi)等多個(gè)領(lǐng)域，不但是制造業(yè)發(fā)展的主要基礎(chǔ)材料，同時(shí)也是高新技術(shù)發(fā)展和國防建設(shè)的重要支撐材料。

目前，我國正大力實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，提出的目標(biāo)是：到2035年，鄉(xiāng)村振興取得決定性進(jìn)展，農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化基本實(shí)現(xiàn)[1]。在推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的過程中，一大批先進(jìn)的農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝和生物技術(shù)不斷運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。如植物工廠、噴灌系統(tǒng)、植保無人機(jī)、溫室大棚等設(shè)備設(shè)施的運(yùn)用，大大提升了勞動(dòng)生產(chǎn)率。鋁合金材料在這些新技術(shù)和新產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，運(yùn)用較多的是6XXX系鋁合金型材、管材。6XXX系鋁合金即鋁—鎂—硅系合金，易于擠壓，材料表面品質(zhì)優(yōu)秀，陽極氧化與著色處理效果好，具有中等強(qiáng)度和優(yōu)秀的可焊性、抗蝕性。該系合金是全球銷量最大、應(yīng)用最廣的變形鋁合金，85%以上的建筑及結(jié)構(gòu)鋁材采用該系合金擠壓。

1 植物工廠

植物工廠是一種新興設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，利用LED（發(fā)光二極管）光譜技術(shù)及自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)設(shè)施內(nèi)的光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度及營養(yǎng)液等因素進(jìn)行高精度智能控制，為植物生長提供最適宜的環(huán)境，使農(nóng)作物生產(chǎn)不受或很少受自然條件影響，縮短生產(chǎn)周期并實(shí)現(xiàn)周年連續(xù)生產(chǎn)，減少水和肥料施用量；生產(chǎn)的植物無污染、無農(nóng)藥和重金屬殘留，滿足人們對(duì)高品質(zhì)食品的需求。植物工廠內(nèi)采用6063鋁合金制作的栽培架，通常由4040和4080系列鋁型材與配件安裝而成，無需焊接，便于搭建和拆卸，穩(wěn)固耐用（見圖1）?？筛鶕?jù)不同農(nóng)作物的使用需求，定制鋁型材的規(guī)格、尺寸和樣式。多層立體栽培的模式提升了空間利用率，節(jié)省了寶貴的耕地，其種植面積相當(dāng)于同樣大小耕地的幾倍到幾十倍[2]。

植物工廠于1957年誕生于丹麥，隨后在歐美以及日、韓等國緩慢普及，隨著關(guān)鍵技術(shù)壁壘的突破及政府積極支持植物工廠研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這些發(fā)達(dá)國家已具備較為成熟的技術(shù)。我國一些科研院所在2000年左右開始進(jìn)行試驗(yàn)性生產(chǎn)，受市場(chǎng)前景吸引，近年來一些產(chǎn)業(yè)巨頭已經(jīng)開始進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域提前布局。2015年，京東方在北京大興區(qū)建造植物工廠，占地面積4 160m2，并引入百度人工智能技術(shù)提升生產(chǎn)效率，月產(chǎn)量可達(dá)8萬棵活體蔬菜，蔬菜直供數(shù)家餐飲門店。2016年6月，中國科學(xué)院植物研究所與福建三安集團(tuán)總投資70億元建設(shè)的植物工廠在福建省安溪縣湖頭鎮(zhèn)投產(chǎn)，工廠面積10 000m2，可生產(chǎn)幾十余種蔬菜，日產(chǎn)蔬菜量達(dá)1.8～2.0t，銷往廈門、福州和泉州等地上百家終端用戶。2018年12月，京東與日本三菱化學(xué)控股集團(tuán)在北京市通州區(qū)合作建設(shè)植物工廠，工廠總覆蓋面積11 040m2，預(yù)計(jì)蔬菜年產(chǎn)量達(dá)300t，通過線上京東生鮮以及線下超市進(jìn)行銷售。在各類資本的加持下，我國植物工廠數(shù)量持續(xù)增加，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前中國實(shí)際運(yùn)行且有一定規(guī)模的人工光植物工廠已達(dá)約200余座。

此外，還有許多小的開放型植物工廠，全力打造集生產(chǎn)示范、科普教育、旅游觀光、休閑娛樂為一體的生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展新模式；一些企業(yè)還推出了可移動(dòng)的微型植物工廠，例如鋁合金集裝箱或小型培養(yǎng)架，用于餐廳、酒店、家庭、醫(yī)院、科研單位等場(chǎng)所，滿足觀賞、科普和蔬菜食用等需求，也適用于惡劣的環(huán)境如高原高寒、沙漠地帶，甚至是外太空和地下空間，為更多地區(qū)緩解新鮮蔬菜供給短缺作出了貢獻(xiàn)。除了水培蔬菜以外，洛陽崧田農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司在嵩縣于2020年4月開發(fā)的智能蘑菇房實(shí)現(xiàn)了蘑菇種植工廠化（見圖2）。目前，該項(xiàng)目的1棟智能菇房已建成投產(chǎn)，全部采用鋁合金種植架，未來將建設(shè)3棟標(biāo)準(zhǔn)化智能菇房，全部建成后將成為豫西地區(qū)最大的雙孢蘑菇種植基地。

在全球范圍內(nèi)，植物工廠還面臨著電耗成本、可種植植物種類、產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)量、市場(chǎng)接受度方面的問題。截至2018年底，日本已建成的植物工廠達(dá)到300座以上，為世界之最，但受成本制約，70%不盈利，只能靠政府補(bǔ)助勉強(qiáng)維持，并向國外輸出技術(shù)。目前，我國植物工廠尚處于發(fā)展早期階段，市場(chǎng)供給量較小，但隨著各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，成本得以下降，經(jīng)濟(jì)效益逐步體現(xiàn)，植物工廠的發(fā)展步伐加快，或?qū)⒋龠M(jìn)鋁合金栽培架或栽培箱的需求顯著提升，帶動(dòng)鋁型材的用量將達(dá)到萬噸規(guī)模。

2 噴灌系統(tǒng)

噴灌是一種先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，具有省水、保土、保肥、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效促進(jìn)農(nóng)作物的生長，達(dá)到明顯的增產(chǎn)效果[3]。噴灌系統(tǒng)可分為機(jī)組式和管道式，機(jī)組式為動(dòng)力、管道和噴頭組成一個(gè)機(jī)組，只要田間有一定的水源，就可以移動(dòng)灌溉。按主要組成部分的可移動(dòng)性，管道式分為固定式、半固定式和移動(dòng)式3類。其中，固定管道式噴灌系統(tǒng)的水泵和動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成固定的泵站，輸水干管和支管多埋于地下，管道多采用鋼管、混凝土管、鑄鐵管、塑料管等，適用于灌溉頻繁的經(jīng)濟(jì)作物區(qū)和高產(chǎn)作物地區(qū)；半固定式和移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)的管道和噴頭可以移動(dòng)，適用于灌溉次數(shù)較少的大田作物和小塊地段，要求管道輕便、耐撞耐磨、可經(jīng)受風(fēng)吹日曬，因此常采用塑料軟管和薄壁鋁合金管。

塑料軟管收放容易，造價(jià)相對(duì)較低，但在工作過程中容易造成拖拉損壞，使用壽命較短，一般為2～3年。薄壁鋁合金管具有質(zhì)量輕、工作壓力大、韌性強(qiáng)、耐腐蝕、使用壽命長、水利性能好、安裝使用簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，可用于農(nóng)田噴灌主管道或噴灌支管道（見圖3）。早在20世紀(jì)60年代，薄壁鋁合金管就已經(jīng)被國外一些國家廣泛采用，我國于1979年生產(chǎn)出第一代國產(chǎn)薄壁鋁管系統(tǒng)，目前鋁合金材料已廣泛應(yīng)用于半固定式和移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)。

噴灌系統(tǒng)中采用鋁合金材料的部分包括噴頭、支架、噴灌管（干管、支管、豎管）以及接頭（直通、三通接頭）、連接件、給水栓等附件。噴灌管通常采用采用6系鋁合金，經(jīng)熔鑄—擠壓—拉伸處理，生產(chǎn)出的鋁合金管壁厚0.8～1.5mm，外徑有65mm、76mm、102mm、125mm等規(guī)格，長度6m。接頭、連接件、給水栓等附件采用鑄造的方法生產(chǎn)。

2019年，我國農(nóng)田有效灌溉面積達(dá)到6 800萬公頃，居世界首位。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，噴灌面積達(dá)到400萬公頃，其中，輕小型噴灌機(jī)輸水管道為涂塑軟管，單位灌溉面積成本低，移動(dòng)較為方便，是我國噴灌行業(yè)的主要機(jī)型，灌溉面積約占我國噴灌面積的85%。管道式噴灌系統(tǒng)與之相比具有轉(zhuǎn)移困難的問題，市場(chǎng)份額估計(jì)占10%。大田噴灌半固定式對(duì)鋁合金管的需求為37.5m/公頃，移動(dòng)式需要鋁合金管67.5m/公頃，若以每公頃采用50m鋁管來計(jì)算，長度1m、1.2mm壁厚（含接頭）的鋁合金管重約4kg，鋁需求量約為8萬t。未來，隨著我國噴灌面積的持續(xù)增加，鋁合金管的用量也將得到提升，但增長空間有限。

3 植保無人機(jī)

中國作為農(nóng)業(yè)大國，基本農(nóng)田面積約1.07億公頃，每年需要大量的人員從事農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)，傳統(tǒng)的植保機(jī)械是手動(dòng)背負(fù)式噴霧器，效率低、打藥不均勻、對(duì)人體傷害較大。而植保無人機(jī)通過地面遙控或全球定位系統(tǒng)飛控來噴灑藥劑、種子、粉劑等，其優(yōu)點(diǎn)是噴灑農(nóng)藥效率高，每天可完成作業(yè)面積20公頃左右（見圖4）；旋翼產(chǎn)生向下氣流使藥物對(duì)作物的穿透性更強(qiáng)，防治效果好，同時(shí)可減少20%～40%的農(nóng)藥使用量，節(jié)水90%以上，提高農(nóng)藥利用率30%以上；遠(yuǎn)距離遙控操作施藥，極大地降低了農(nóng)藥對(duì)噴灑作業(yè)人員的危害[4]。

由于地理?xiàng)l件原因，日本是最早將微小型無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國家之一，目前超過60%的水稻田采用無人機(jī)飛防進(jìn)行植保作業(yè)，然而目前我國植保無人機(jī)作業(yè)普及率不足20%。2017年，農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部、民航局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于開展農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼引導(dǎo)植保無人飛機(jī)規(guī)范應(yīng)用試點(diǎn)工作的通知》，截至2020年底全國已有20個(gè)省、自治區(qū)和直轄市啟動(dòng)購置補(bǔ)貼。我國首個(gè)農(nóng)業(yè)無人機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《植保無人飛機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（NY/ T3213—2018）已于2018年6月1日起正式實(shí)施。

在政策支持和規(guī)范引導(dǎo)下，植保無人機(jī)市場(chǎng)在全國就進(jìn)入快速發(fā)展期，中國航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)通航分會(huì)發(fā)布的《2019中國民用無人機(jī)發(fā)展報(bào)告》顯示，截至2019年底，我國共生產(chǎn)各類植保無人機(jī)170多個(gè)品種，保有量超過5.5萬架，作業(yè)面積超過8.5億畝次。植保無人機(jī)質(zhì)量約10～20kg，主要在機(jī)身的噴桿折疊件、U型腳架等結(jié)構(gòu)件采用鋁合金材料，據(jù)測(cè)算，全國植保無人機(jī)累計(jì)用鋁量在250t左右。

隨著智慧農(nóng)業(yè)的推進(jìn)，無人機(jī)配備了推進(jìn)系統(tǒng)、紅外攝像機(jī)、全球定位和導(dǎo)航系統(tǒng)、可編程控制器以及自動(dòng)飛行、避障雷達(dá)等系統(tǒng)，方便農(nóng)民測(cè)繪農(nóng)田、檢查和處理雜草、監(jiān)測(cè)農(nóng)作物健康狀況、管理牲畜、投擲飼料和肥料等，未來在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 溫室大棚

溫室利用采光覆蓋材料和環(huán)境控制設(shè)備，可在冬季或其它不適宜露地植物生長的季節(jié)，為栽培植物的生長發(fā)育提供適宜的環(huán)境條件，目前在生產(chǎn)種植、科研實(shí)驗(yàn)、生態(tài)餐廳、休閑觀光、檢疫隔離、大型室內(nèi)公園中都有應(yīng)用。溫室大棚建造主要采用3種覆蓋材料：陽光板（聚碳酸酯板）、塑料薄膜、玻璃。其中，玻璃溫室由于材料性能穩(wěn)定，使用壽命較長；透光性能最好，適合高光照植物的種植[5]。玻璃溫室的頂部和四周覆蓋材料主要采用鋁型材連接結(jié)構(gòu)。

玻璃溫室的四周覆蓋材料多為雙層中空玻璃、或者單層玻璃，主體骨架為熱鍍鋅鋼管，鋁型材主要用來固定和連接玻璃，這種結(jié)構(gòu)一般分為鋁合金底框、鋁合金壓板和鋁合金蓋板3部分組成，具有使用方便，固定牢固，抗風(fēng)性強(qiáng)，使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)（見圖5）。頂部的型材主要有鋁合金人字梁和鋁合金排水天溝等，相比傳統(tǒng)的鍍鋅鋼板天溝，鋁合金天溝加工精度高，密封性能好，減少散熱，解決漏水問題；遮光面積更小，增加了溫室的采光面積，更利于作物的生長；鋁合金耐腐性強(qiáng)，使用壽命更長；安裝便利，外型美觀。荷蘭的玻璃溫室經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前主要使用鋁合金中空天溝，但該天溝技術(shù)難度大，造價(jià)昂貴，國內(nèi)生產(chǎn)廠家少，國產(chǎn)玻璃溫室大棚目前使用鍍鋅鋼板天溝居多，近幾年國產(chǎn)鋁合金天溝也在逐步推廣使用。

近年來，智能玻璃溫室開始興起，其配備了由計(jì)算機(jī)控制的可移動(dòng)天窗、遮陽系統(tǒng)、保溫、濕窗簾/風(fēng)扇降溫系統(tǒng)、噴滴灌系統(tǒng)或滴灌系統(tǒng)、移動(dòng)苗床等自動(dòng)化設(shè)施[6]，其中灌溉系統(tǒng)及苗床均采用鋁合金材料制造，光伏溫室大棚中也采用了鋁合金邊框組件（見圖6）。

鋁合金型材也廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)備，例如基質(zhì)消毒機(jī)，采用鏡面不銹鋼外殼，鋁合金機(jī)身框架，適用于育苗或栽培的基質(zhì)及土壤消毒，有利的殺死各類雜草、真菌、線蟲等；育苗播種機(jī)，主體采用鋁合金機(jī)身及配件，適用于丸?；ɑ?、蔬菜、煙草、瓜果、藥材、牧草等穴盤育苗種植（見圖7）。霧化機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)的扇葉由鋁合金制造，主要用于畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)、園藝溫室、廠房車間等場(chǎng)合。

除了以上，養(yǎng)殖業(yè)也在逐步推廣應(yīng)用鋁合金材料，如國內(nèi)大型豬廠采用鋁合金欄桿作為圍欄。Hydro與挪威近海水產(chǎn)養(yǎng)殖公司Ecomerden一起，開發(fā)了封閉式近海魚類養(yǎng)殖項(xiàng)目，F(xiàn)inspang工廠將提供鋁合金生產(chǎn)的魚網(wǎng)周圍的浮環(huán)。

5 結(jié)語

科技支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展是大勢(shì)所趨，鋁合金材料在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，將進(jìn)一步推動(dòng)農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。但不可忽視的是，材料方面，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)施中熱鍍鋅鋼材、塑料等材料應(yīng)用廣泛，能滿足大部分需求，輕量化要求相對(duì)于汽車等行業(yè)較低，對(duì)鋁的需求存在一定空間；成本方面，植物工廠、智能玻璃溫室、植保無人機(jī)是資金和技術(shù)密集型投入的產(chǎn)業(yè)，在規(guī)模化的推廣應(yīng)用離不開政府的政策支持和補(bǔ)貼；技術(shù)方面，新興技術(shù)發(fā)展起步晚，與國外相比仍存在技術(shù)上的差距，國內(nèi)配套生產(chǎn)廠家少，限制了進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，鋁合金材料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還有較大的成長空間，預(yù)計(jì)到2025年，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域帶動(dòng)鋁消費(fèi)量達(dá)20萬t規(guī)模左右。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.014

參考文獻(xiàn)

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