我國設施種植業從機械化到智能化的發展及思考*

陳蕾，聶瑩，趙繼春

(1. 北京市農林科學院，北京市，100097； 2. 北京市農村遠程信息服務工程技術研究中心，北京市，100097)

0 引言

設施農業作為現代農業的顯著標志[1]，是一種高投入、高產出、勞動力和資金、技術密集型產業[2-3]，是農業科技成果的合集與轉化，對實施全面鄉村振興、推動農業轉型發展、實現農業農村現代化具有重要意義。參考已有學者觀點，廣義的設施農業包括設施種植業和設施養殖業，狹義的設施農業泛指設施種植業[3]。設施種植業在種植蔬菜、水果、花卉常規設施作物基礎上，擴展至香料、藥用植物、食用菌、觀賞植物等高附加值作物。

國內外技術研究和應用主要集中在物聯網技術[4-5]、綜合環境采集和控制技術[6-8]、自動化控制技術[9-10]、作物生長監測技術[11-12]、水肥一體化滴灌技術[13-14]等方面。植物工廠[15]和相關智慧農業裝備研發[8, 16]也逐漸成為該領域的熱點。國外設施種植業在耕整、種植環節機械化作業普及程度較高[17]，在采摘、包裝、運輸環節已實現大規模自動化作業[18-19]。環境因子協同監測、溫室管理機器人和高度集成化的信息技術日趨成熟并市場化應用[20]。與之相比，我國設施種植業起步較晚，在硬件產品使用性能、控制系統穩定性與科學性、智能設備協調性，以及外部應用環境、行業管理服務規范等方面存在差距。

關注設施種植業高質量發展已成為共識，本文通過分析我國設施種植業機械化到智能化的變遷過程、階段性特征，依托鄉村振興戰略提出設施種植業發展的對策建議，為設施種植業朝著綠色、優質、高效、智慧方向發展提供思路。

1 設施種植業發展現狀

1.1 設施類型

我國設施種植業以塑料大棚、日光溫室和連棟溫室為主要類型[3]。塑料大棚主要通過卷膜調節棚內溫濕度，一般不進行越冬種植，是建造簡易實用、投入較低、易于操作的拱形設施結構。作為國內普遍適用棚型，其建設的高效性、實用性和可持續性得到廣大農戶的肯定[21]，約占我國設施種植業面積的66%[22]。日光溫室為我國獨具特色的農業設施產物，日間通過后墻吸收日照輻射蓄熱，夜間釋放后墻蓄熱層熱量升高室內氣溫，實現我國北緯40°左右區域在冬季不加溫狀態下也能進行作物生產，一般配備電動卷簾機用來保溫隔熱，是我國北方設施種植業的主體，約占我國設施種植業面積的31%[22]。連棟溫室是一種規模較大，建造成本高，形成連跨的單體溫室，內部配有栽培床、濕簾風機系統、內外遮陽系統、開窗系統、補光系統等設備，整體機械化程度高，可以實現設施種植業高效、精準管理。在我國，連棟溫室數量和規模最小，僅占設施種植業面積的3%[22]。

我國設施種植業設施類型呈現區域差異性發展。在設施種植業發達的山東壽光，《壽光市2020年統計年鑒》顯示2020年設施蔬菜總面積為27.7 khm2，其中塑料大棚面積為24.0 khm2，占比87%；日光溫室面積為3.5 khm2，占比13%；連棟溫室面積僅為0.2 khm2，占比1%。塑料大棚生產優勢明顯，高于全國平均水平32%，而溫室規模卻低于全國59%。在重點發展宜機化、智能化高效設施的北京，《北京統計年鑒2021》顯示2020年設施種植業總面積為29.0 khm2，其中塑料大棚面積為15.0 khm2，占比52%；溫室面積(含日光溫室和連棟溫室)為14.0 khm2，占比48%。技術含量高的溫室與規模化的塑料大棚生產基本實現均衡發展。

1.2 設施規模

我國設施種植業規模整體呈升中有降趨勢。參考中國農業統計資料、中國農業工業機械年鑒和地區統計年鑒，從全局看，2010—2019年的10年間設施種植業面積年增率為5.6%。2015年設施種植業規模達到2 168.4 khm2的頂峰后開始逐年縮減，2019年規模降至1 854.3 khm2，如圖1所示。從局部看，山東壽光設施蔬菜規模2020年為27.7 khm2，相比2018年28.1 khm2略有縮減。北京設施種植業面積自2015年達到41.1 khm2后也逐年縮減，2020年降至29.0 khm2。

圖1 我國設施種植面積發展規模

綜合考慮縮減原因有4方面：一是設施種植業屬于勞動密集型產業，受人工成本、用地成本、物資成本、環境成本上升，以及設施產能增加帶來的銷售價格下降等綜合因素影響，制約設施種植業的發展。二是設施種植業機械化、智能化程度偏低，“機器換人”進度緩慢，設施種植業裝備落后限制其擴大發展。三是設施種植業內部正在進行自我優化，淘汰落后設施，處于產業優化、作業結構與空間調整過程中。四是政府進一步嚴格設施種植業農用地管理，引導設施種植業科學合理布局和發展。

1.3 設施產業布局

設施種植業產業布局逐漸呈現出規模化、聚集化趨勢。2017年末，江蘇、山東、遼寧和河北4省設施種植業面積分別達到3 614.6、3 170.5、2 322.1、2 135.1 km2，如圖2所示。屬于東部地區的江蘇、山東和河北三省設施種植業面積占全國總面積的42.5%，屬于環渤海圈的山東、河北和遼寧三省面積占全國總面積的46.4%。屬于西部地區的甘肅、陜西、內蒙古三省面積增幅較快，特別是甘肅省增幅達到71.6%。相反，屬于東北地區的遼寧面積大幅縮減，降幅達42.7%。

設施種植業發達省份產業集群化特色明顯。江蘇設施種植面積占全國首位，離不開微耕機、起壟覆膜機、育苗移栽機、田園管理機等設施農機的大力推廣[21]。設施農業產業園、三產融合示范園、智能化植物工廠的建設為無土栽培、精準農業提供契機，在連云港、徐州、淮安等蘇北地區形成龐大的高效設施農業產業群。甘肅起步雖晚但面積增幅最快，逐步構建起產業化發展格局，基本形成以河西走廊灌區、沿黃灌區為核心的日光溫室蔬菜優勢帶，以隴東南、河西走廊部分市為主的塑料大棚蔬菜優勢帶，建成40多個以設施蔬菜生產為主的農業高科技示范園(區)，棚膜栽培、日光溫室節能技術、無土栽培技術得到廣泛應用[23]。局部地區設施種植產業化發展也對周邊地區產生強烈輻射帶動作用[24]，山東壽光蔬菜產業集群、河北南和產業集群均對當地設施種植業規模發展起到促進作用。

圖2 部分省設施種植業規模變化

1.4 設施配套設備

我國設施種植業配套設備技術研發得到快速發展。依托數字信號傳輸、電流模擬信息傳輸等有線通信和ZigBee、WiFi等無線通訊技術，濕簾風機、自動噴霧降溫機、水肥一體機、移栽機、微耕機、育苗設備、環境因子監控設備和視頻圖像監控設備，以及遠程管理平臺在實際生產過程中逐漸得到大范圍推廣應用[25]。受設施種植業生產機械及配套設備沒有完全納入農機購置補貼，金融貸款難度大、農業保險范圍小，設備操作要求高、使用故障率高、售后維護不及時等因素影響，相關設施設備配套不到位，制約機械化水平、智能化水平快速提升。

2 設施種植業發展階段

農業信息技術的快速發展倒逼設施種植業轉型升級，推動機械化、信息化、智能化進一步交叉融合應用。我國設施種植業機械化正處于逐步普及階段，信息化正處于加速發展階段，智能化正處于起步和關鍵技術單個突破階段。它們既依次遞進、有序依存，又相互交疊、融合滲透。設施種植業機械化是信息化、智能化發展的基礎和載體。信息化是機械化的升級和智能化的引擎，起著承上啟下的作用。智能化引領信息化和機械化的未來發展方向。在研究和應用方面三者又具有明顯區別，如圖3所示。

圖3 設施種植業階段性特征

1) 技術支撐不同。設施種植業機械化以動力設備、石化能源等物理實體為支撐；信息化以計算機、傳感器、互聯網及相應的軟硬件設備為支撐；智能化以海量數據、機器學習、神經網絡、人工智能算法和自然語言處理技術為支撐。

2) 應用模式不同。設施種植業機械化主要通過宜機設備研發、升級改造和擴大數量規模來提高設施作業能力，提升農業生產效率。信息化主要依托物聯網，通過軟件版本升級和系統集成的方式實現信息賦能，對農業生產進行數據監測和問題診斷，進而提升農業生產率。智能化通過人工智能、區塊鏈技術應用，在高度信息化基礎上，突出數據和算法保障，賦予裝備迭代學習和智能思考能力，對農業生產進行趨勢預測和智能決策，以智能迭代進化的方式改進設施種植業生產方式，提升農業生產率。

3) 主要應用對象不同。設施種植業機械化的對象主要為塑料大棚、日光溫室。信息化的對象主要為日光溫室、連棟溫室，通過溫、光、水、肥等生產信息獲取、傳輸、處理，使農民或農用機械設備在特定時間、特定地點采取特定方式工作，實現生產過程透明化、標準化、集約化。智能化的對象主要是連棟溫室，通過不斷提高環境單因子控制水平，作物綜合生產環境等多因子動態智能控制水平，實現農業生產“無人化”，提高農產品品質和產量。

3 設施種植業研究和應用進展

3.1 機械化研究和應用進展

近年來，微耕機、旋耕機、起壟覆膜一體機、卷簾機、移栽機、軌道采運車等小型農機已陸續在設施種植業中應用，初步覆蓋耕整、種植、管理、采運等全部作業生產環節(圖4)。微滴灌裝置、電子除霧防病、頻振式電子滅蟲燈等物理、綠色防控技術裝備的應用，在減少人工勞動時間、勞動強度和農資物力投入，提高土地利用率和農產品產量的同時，降低化學農藥危害，為提高農業核心競爭力、實現設施農業規模化、綠色生產提供有力支撐。

圖4 設施種植業各生產環節使用機具種類

在設施種植業機械化進程中，機械化水平低已經成為制約設施種植業發展的瓶頸之一[26]。種植環節受移栽設備結構較復雜、開發成本較高等因素影響，迄今為止未見有成批推廣使用的移栽機機型。目前應用較為廣泛的為半自動移栽機[27]。在采運環節，設施種植業機械化采摘、產后處理是最大瓶頸。設施種植業蔬菜品種繁多，包括葉菜類、果菜類等，農機農藝結合程度弱限制機械化作業水平提升。目前智能采摘設施研發仍處于初級階段，局限于個別種類的蔬菜，且可行性、適用性還有待驗證。在水肥環節，國產滴灌水肥一體化裝備研究已相對成熟，設備種類和型號較多，但受農機補貼配套政策缺乏、示范推廣應用落實不到位等因素影響，水肥一體裝備未能普及應用。在環控環節，我國塑料大棚面積占比基數大，塑料大棚環控更多依靠通風設備或人工作業，環控環節的機械化作業水平難以提升。

設施種植業規模最大的江蘇，設施蔬菜在種植、采運、加工等環節的機械化水平均在15%以下[28]；設施園藝機械作業利用率也僅有30%[21]。根據北京市農業機械化統計年報顯示，2020年北京市設施種植業機械化水平為36.16%，耕整環節機械化率達到95.44%，采運、種植環節機械化占比率僅為1.44%和1.49%。盡管我國2020年設施農業機械化率提升至40.53%[29]，但與2025年設施種植機械化目標還有10%的差距。精量播種、育苗嫁接、移栽、采收與設施內運輸等多環節存在短板，制約設施農業機械化率的整體提升。

3.2 信息化研究和應用進展

我國一大批農業科技創新性企業將消化吸收國外先進技術與國內勞動者使用習慣和市場需求相結合，實現設施種植業信息化技術再創新，自主研發能力和創新能力逐年增強，打破荷蘭、以色列等國家在領域內的國內市場壟斷地位。設施種植業信息化發展以農業遙感數據、氣象數據、環境數據、生長數據、土肥數據為基礎支撐，以物聯網、智能環控、水肥一體化應用技術等現代農業生產技術為技術支撐。通過采集不同傳感器探測數據[7]，獲取作物生長參數[8]，構建日光溫室農機3D作業平臺等技術研發，實現設施種植業多環節機械化和信息化協同作業，有效提升設施種植業信息化水平。設施種植業數據采集與監測管理框架如圖5所示。

我國設施種植業信息化在加速發展的同時，仍有很多環節處于低水平或者單一技術應用狀態，信息技術集成度和全鏈條應用水平有待提高。設施種植業發展模式相對落后，以農戶小規模、散分布經營為主，家庭農場、專業大戶等新型農業經營主體參與設施種植業占比較低、設施經營規模仍偏小，難以發揮規模化、集約化優勢，導致信息化設施配套設備成本較高、應用率較低。標準化程度高的連棟溫室信息化技術和設備應用多，設施相對簡陋的日光溫室和塑料大棚仍多以手工、半機械化操作為主，還處于低水平階段。目前市面上應用較多的卷簾機、加溫設備、通風設備、水肥設備未配備安裝環境感知傳感器，不具備信息接收和發出功能，短期難以實現信息化技術集成應用。

《2021全國縣域農業農村信息化發展水平評價報告》數據顯示，2020年全國設施栽培信息化水平為23.5%，其中在水肥一體化和設施環境監測兩方面應用最為廣泛。與全國其他省市相比，江蘇和吉林的設施栽培信息化水平分別達到43.5%和42.5%，浙江、河南、內蒙古和江西也達到30%以上，超過全國平均水平。設施農業農產品質量安全追溯信息化水平達到29.7%，比去年同期增加1.9%。需要關注的是，《2020全國縣域農業農村信息化發展水平評價報告》顯示，全國2019年仍有32.5%的縣(市、區)設施農業信息技術應用率不足1%。浙江設施栽培信息化率達到41.0%居全國第3，其在農業農村信息化縣均財政投入、鄉村人均財政投入、縣均社會資本投入、鄉村人均社會資本投入4個指標均位列全國第一，且遠高于其他省份投入。

3.3 智能化研究和應用進展

設施種植業智能化進一步推動設施種植業信息化和機械化融合。參照美國、荷蘭、日本、以色列等發達國家設施農業建設經驗，我國設施種植業正從初級信息化操作向高級智能化決策轉變。以信息處理為主的智能化設計與應用是一個知識密集型過程，涉及機械設計、農機農藝、人工智能與知識融合、虛擬現實技術、多領域協同仿真技術等多方面。需協同應用自動化、智能化等信息技術手段，通過集成產品數據管理、作物生命周期管理，研發構建集網絡數據和知識積累為一體的核心處理平臺[19]，實現設施種植業數據高效調用、實時分析決策與智能優化控制。設施種植業智能化協同作業模式框架如圖6所示。

圖6 設施種植業智能化協同作業模式框架

圍繞設施種植業環境智能化調控研究，聚焦環境因子與作業機械智能控制科研與應用，通過不斷提升智能環境調控技術，推動精量播種裝備、環境監測機器人系統[30]、水肥一體化自動灌溉系統[14]、自動對靶噴藥[10]等技術在智能設施種植業領域應用，取得較好的規模化推廣效果。機器視覺分析、AI深度學習、數字控制、無人技術等先進技術也逐漸與設施種植業裝備研發相結合。溫室蘭花移動視覺機器人[12]、設施噴霧機器人[31]、果蔬采摘機器人[32]在作物管理方面均具有較強實用性。

遠程農事作業控制的初級智能管理也已實現并進入推廣應用階段。通過定向數據采集、運行分析，能夠智能識別不同設施作物的生長模型，以及持續自動優化升級的高級智能管理系統也正在研發和試用過程中[33]。部分設施種植業智能示范園區和植物工廠已成效初顯。

北京市密云智能設施農業示范園占地18.67 hm2，單棟新型日光溫室面積約0.17 hm2，為普通日光溫室2～3倍。園區內數字化智能農業管理系統實現作物產量和質量最大化。陜西楊凌智慧農業示范園占地48 hm2，采取荷蘭設施種植裝備與國產新型智能風光薄膜連棟溫室結合模式，集成千余項新技術，針對不同生產品種的不同生產階段逐一構建植物生產模型，對作物日常生產環境采取實時監測和智能化管控。上海奉賢植物工廠單棚占地16.67 hm2，體量為普通連棟玻璃溫室的10倍，確保設施農機裝備無障礙運行。上海崇明中荷現代農業創新園總占地面積131.93 hm2，已建設半封閉溫室26 hm2，引進荷蘭先進的半封閉溫室技術，實現全程智能化控制。

4 存在問題與思考

我國設施種植業在實際生產應用中還存在諸多問題。從機械化到智能化應用角度分析主要有：(1)設施種植業配套裝備應用參差不齊。塑料大棚的環境控制還以人工作業為主，機械化程度低。受種植作物品種各異、基層技術力量薄弱影響，設施種植業機械作業與種植模式、生產方式未能有機結合。(2)技術創新驅動較弱。特別是在種植、采運和遠程管理等環節的關鍵技術突破和設備研發、生產較為滯后。部分機械設備從國外引進或者仿制，未能根據我國實際情況進行適宜性改造和規范性建設，部分產品的使用性能達不到預期水平。(3)產業布局分散、規模小。高標準的設施種植業產業園區、示范應用基地，以及規模化、標準化的溫室數量少，制約智能感知、智能解析、智能控制等技術的集成應用。

《農業機械發展行動方案(2016—2025)》明確指出，重點加強關鍵技術攻關，加速數字化、智能化等先進技術與農業機械制造技術的深度融合。設施種植業需重點突出“機器換人”的理念，以規模化、智能化連棟溫室為引領，以集中連片、裝配信息化設施的高標準日光溫室和塑料大棚為依托，強調網絡分布式存儲環境下獨立智能體間的協同合作，實現集成化、協同化、網絡化和智能化發展。

4.1 精準補短提質增效

設施種植業生產鏈條具有完整性，各構成要素之間相互影響、促進與制約，應根據地域、棚型、土壤、作物品種制定有針對性的機械化生產技術指南和標準，政策、資金、技術、人才協同發力補齊短板，杜絕“木桶效應”。優先從普適性設施種植業生產開始，通過農機農藝協同創新，逐步將農機融入農藝各個環節中，將農機作為不可替代的生產工具。在農事操作、環境控制標準化的基礎上，利用大數據分析和信息技術，進行宜機化設施改造，促進智能農機與種植、采運、環控等生產環節相融合，整體上提升設施種植業機械化、信息化水平。

4.2 聚焦關鍵技術突破

設施種植業涉及生物、環境、工程、信息、電子工業等多學科領域，是生物技術、信息技術、機械裝備、人工智能等多種先進生產力要素與農業生產方式的融合，科研和管理要求越來越高。農業科研、技術人員應進一步開展基于農機農藝相結合的農學與信息科學交叉研究，圍繞作物生命體征信息動態感知、作物生長趨勢預測、光溫水肥耦合與高效環境控制等主題，聚焦算法模型、人工智能等關鍵技術突破，推進機器視覺、機器學習等技術應用。研發具有自主知識產權的高端傳感器、智能化農機裝備等高性能專用設備，推動設施種植業基礎設施和生產裝備智能化改造。推動設施種植業領域數字化變革與智能化應用，為宜機化、智能化提供技術支持，提升行業整體智能化、精準化水平。

4.3 實現規模化發展

發揮規模化設施種植業對周邊農業生產的科技示范和輻射帶動作用。面向新型日光溫室和連棟溫室，在因地制宜、突出特色的基礎上建設具有標桿作用的產業園、產業群，利用區域優勢，結合休閑體驗農業、旅游觀光農業等新業態，打造新樣板，形成品牌效應，促進設施種植業朝規模化、集約化發展。面向塑料大棚和普通日光溫室，在適度規模、科學種植的基礎上推廣“全程機械化+社會化服務”新模式，擴大設施機具補貼范圍，實現生產全過程機械，提升設備共享服務能力。壯大社會化農機服務組織，為小農戶分散經營提供多個層次、多個領域、多種選擇的農業生產經營社會化服務，以標準化、規模化的設施種植業服務提升產業競爭力。

4.4 加速數字化轉型

數字農業發展為設施種植業高質量發展提供強大牽引力。深入實施以軟件工程、大數據分析、數據庫技術為基礎的數字技術集成應用，通過可視化生產、智慧診斷、遠程控制等智能化作物管理平臺集成創新和迭代開發，開展生產環境和作物生長情況的精準化、智慧化監測和控制服務，增強設施種植業生產體系的數字化應用能力。推動設施種植業數字農情建設，聚合科研、生產、經營、管理等多類信息要素，構建集數字抓取、多維分析、智能評價為一體的數字化技術模型和深度學習算法中臺。開展設施種植業重點農產品單品種全鏈條智能數據挖掘和分析，擴大管理方面的數字技術應用范圍和水平，加快數字技術與產業體系深度融合。

5 結語

我國設施種植業正迎來高端、智能時代。在全面實現鄉村振興的進程中，設施種植業高質量發展離不開數字化賦能改造提升。數字化轉換、數字化升級基礎上的精準農業、智能農業將更富有潛力和生命力。關注設施種植業發展，探索未來發展路徑，對克服資源和市場制約，發揮設施農業優勢，延伸設施農業產業鏈，提高國內外市場競爭力，促進我國農業發展、農民增收具有重要意義。