溫室大棚技術及其智能化發展前景

孫銘璇

(南京農業大學，南京 210095)

0 引言

隨著經濟社會的發展和勞動技術的革新，我國農業生產由分散自營農戶逐漸向集約化、專門化方向發展，在全國各地形成了具有特定規模的、集中生產并輸出的一系列農產品基地。山東省壽光市作為全國最大的蔬菜集散中心，有中國菜都的美稱。壽光最南端的三元朱村，是全國冬暖式蔬菜大棚的發祥地，該村在鄉村振興戰略的帶領下，完成了中國北方蔬菜種植的“綠色革命”，保障了寒冬時期蔬菜品種的供應。

信息和通信技術的發展促進了各產業的智能化，也推動了農業生產的智能化。利用現代物聯設備整合并分析作物及其周圍的環境參數，對精準施肥、精確灌溉等操作有重要意義。

以三元朱村為例，對現階段溫室大棚技術及其蘊含的種植科學做出總結，介紹一系列智慧農業技術，規劃未來溫室大棚智能化、精確化的發展模式，并結合現實問題給予反思和總結，以期對農業集約化、智能化的發展提出建議。

1 溫室大棚

1.1 溫室大棚的概述

溫室大棚是為防止糧食因寒冷極端天氣導致減產而建造的，具有增溫保濕性能，適合部分地區特別是北方地區農業生產屋面墻體設施。溫室大棚是設施農業技術中性能最為完善的一種，其發明對蔬菜的越冬生產具有重要意義。

溫室大棚的起源與發展可追溯到公元前500年左右。據《論語》記載，為培養非當季作物，古人搭建了一系列“屋廡”，生火增加屋內溫度，同時引流泉水灌溉。此技術傳承歷代，“大棚”的雛形也不斷得到優化[1]。我國現代化的溫室大棚結構出現在20世紀50年代的北方地區。大棚技術的發展對于我國部分地區特別是北方城市冬季蔬菜供應起到重要作用，溫室大棚技術自發明以來也得到不斷的革新和推廣，在當今社會仍發揮著重要作用。

1.2 溫室大棚建造技術

溫室大棚根據建造大致分為高效節能型日光溫室、塑料溫室、單棟溫室、連棟溫室等多種類型。不同的溫室建造所用的材料、原理及其功能和適用范圍也有所不同。三元朱村的冬暖式溫室大棚經歷了第一代到第五代的模式發展。據調研，第一代大棚棚體用麥穰和泥垛成或兩側樹木板中間用半濕土夯筑而成，種植面積約333.5 m2；第二代蔬菜大棚的棚體為水泥立柱與竹竿棚架結構，整個大棚成全封閉狀態，種植面積約533.6 m2；第三代蔬菜大棚的棚體為鋼筋骨架結構，可安裝自動卷簾機，種植面積約800.4 m2；第四代蔬菜大棚具有半地下、大跨度等特點，種植面積約1 200.6 m2；時至今日，第五代溫室大棚正向著現代化、智能化的方向發展。

1.3 溫室大棚農業種植技術

大棚中的蔬菜種植仍要符合作物栽培學的原理和植物生產的規律。大棚由于其特殊的環境，需要對溫度、光照、水分、地熱、通風條件、氣體濃度及病蟲害等外界條件給予重視，必要時要進行恰當的人工調控。

溫室大棚建造的目的是為了提高作物生長的環境溫度，防止植物遭受寒冷的逆境脅迫。要提高溫室大棚的溫度，應利用物理方法增加棚膜的透光性并及時補修棚膜破洞，下雪后及時清除棚膜上的積雪，定期清掃灰塵?？梢杂貌萆簧w住大棚，因為草苫是一種熱的不良導體，可以減少棚內的熱量散失。采用貼磚、空心保溫墻的方法提高棚內的保溫性能。必要時還可以在棚內增設臨時熱源。為保持棚內地熱溫度，可以覆蓋地膜，提高地表溫度和濕度。

大棚內溫度和光照獲取要合理規劃，達到均衡。如采用雙層膜覆蓋可以提高大棚的保溫性能，但吸光效果會被削弱50%左右。采用透光性好的薄膜、增加棚高等方法，可以有效提高棚內植株的采光效果。

CO2濃度高有利于提高植物光合作用強度，促進有機物的積累。增施CO2氣體，可用有機堆肥法、有機物的燃燒，必要時可用CO2鋼瓶向大棚內注入CO2。

溫室的溫濕度高，更加適合害蟲的生長，地表溫度較低，植物傷口愈合變慢，因此溫室中病蟲害的防治尤為重要。溫室中要增加通風、合理控制溫濕度及地熱、控制室內的酸堿環境以阻斷病蟲害的增生，對病蟲害進行生態防治。根據蔬菜生長的各個周期需要的營養物質進行針對性施肥，在種植前對土壤進行翻耕晾曬，用紫外線進行殺菌。控制溫度并適當增加室內CO2濃度，對病蟲害進行農業防治。

2 智慧農業

2.1 智慧農業概述

信息和通信技術的發展，推動了農業生產的智能化。智慧農業利用計算機技術的原理解決問題，所依托的主要是大數據實驗平臺和物聯網技術。大數據平臺技術主要按照數據挖掘、大數據平臺與算法、行業實戰數據分析三個層次構建。大數據平臺技術主要實現數據的軟件支撐，物聯網實驗平臺則實現數據的硬件挖掘。物聯網技術以關聯的硬件資源為核心，包括物聯網感知層、網絡層和應用層這三層的體系結構[2]。

智慧農業是隨著互聯網技術的興起逐漸發展起來的一種農業生產模式。智慧農業的興起得益于物聯網和農業系統的應用。近年來隨著大數據、人工智能等前端技術的發展和普及，智慧農業向著更加精準的數字化、信息化方向發展。具體表現在對作物生長參數如莖稈高度、葉面積等的精確檢測，對室內環境如溫度、濕度、CO2濃度的準確測量和成像顯示，精確灌溉、精確施肥的智能調控設備。智慧農業未來的發展不僅將持續革新其信息技術和儀器設備，而且要融入先進的管理經營模式，向著技術的信息化，管理能力的成熟化邁進。

2.2 農業物聯網

物聯網技術通俗而講就是“萬物互聯”，通過各種信息傳感器、紅外感應器、射頻識別技術等裝備，實時采集和連接各種相關要素，實現物與物之間、物與人之間、人與人之間的泛在連接[3]。

農業物聯網技術就是在作物生長范圍內安裝各類傳感設備，通過協議將農業環境與網絡相連接，對傳感器采集的各種信息進行數據分析和整理，發布在軟件端，并提供相關的解決措施，實現對作物生長狀況的實時監控[4]。

農業物聯網技術具體涉及無線網絡傳輸、RFID技術和傳感器。無線網絡指Wi-Fi技術，它將各種傳感器設備和局域網相連，實現了數據的無線網絡傳輸。RFID技術通過對接收信號頻率的處理，實現數據分析，并將處理的數據傳到云端，實現對數據信息的控制。傳感器網絡是物聯網的核心技術，通過傳感器可以檢測作物各項指標，用于信息的交換和傳輸。

2.3 精準農業與傳感技術

無線傳感器網絡對于精準農業的發展有重要作用。傳感器是精確測量各項理化參數的專用工具，它的工作原理主要是將被測量的物理量通過處理轉化為不同程度的電信號，再通過顯示界面呈現出精確的物理指標。因為傳感器的敏感性高、信號捕捉連續，所以其具有人工無法達到的速度和精確度。

目前我國的農業生產，正從粗放型向精細化方向轉變。精細化的農業生產將會降低生產投入成本，且能夠大大提高產量。要達到精確施肥、灌溉，就需要精確的測量系統和灌溉設施，則必須利用傳感技術。

傳感器根據功能可以大致劃分為生命指標傳感器和環境指標傳感器[5]。生命指標傳感器主要用來測定株高、葉面積、光合速率(代謝強度)、植株體內元素含量等植株個體信息。環境指標傳感器主要測定的是植株所處環境中的光照強度、CO2濃度、溫度等環境信息。測定生命信息可以對植株各個時期的生命特征做數字化處理，進而分析其生長狀況；測定環境信息了解環境變化，保證作物生長在最優環境中。

2.4 作物栽培中的智能化

精確測定指標后，要對作物進行高效精細的耕作栽培。農業技術的各個環節如開溝、施肥、鋤草、烘干等過程都已逐步實現機械化和自動化。要進一步提高生產效率，減少水土流失和因過度施肥下的浪費，必需要發展精確施肥技術。精確施肥是將不同空間單元的產量數據與其他多層數據(土壤理化性質、病蟲草害、氣候等)的疊合分析為依據，以作物生長模型、作物營養專家系統為支持，以高產、優質、環保為目的的變量處方施肥理論和技術。精確施肥是信息技術(RS，GIS，GPS)、生物技術、機械技術和化工技術的優化組合。由于北方水資源分布不均，不同土壤分布地表含水量也不盡相同，作物種植中要做到根據實際情況的精確灌溉。

3 智能溫室

以三元朱村為例，目前大棚已經基本實現規?；?。未來三元朱村的溫室大棚將朝著智能化的方向發展，打造智能化溫室大棚生產基地。大棚特殊的生態環境也更加要求傳感技術的靈敏和種植機器的先進性。

3.1 溫室智慧農業中的傳感器技術

智慧溫室中應配備的環境指標傳感器包括CO2傳感器、光照強度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等[6]。由于部分封閉性，溫室中的這幾項環境指標的測量均有重要意義。精確測量光照和CO2，可估算此時植株的光合作用強度；對溫度和濕度的測量，可了解植株此時蒸騰作用、呼吸作用、光合作用等各項生理活動。

3.2 智能溫室中的設施藍圖

以三元朱村為例，北方的智能溫室需結合農業物聯網和傳感技術，安裝精確測定的傳感器，動態監測植株生理和環境指標，將動態數據繪制到終端顯示器，專業人員可實時查看各區域的環境情況。

精準測定后要做到對應的精確耕作。土壤內布局肥料管道和供水管道，管道閥門實現自動化控制，連接環境傳感系統，專業人員設置好環境指標適宜范圍，管道智能監控并給予適當調節，部分更加精細的指標由人工和機器共同控制，實現對作物的精確施肥和精確灌溉。

作物栽培方式符合生態規范，利用食物鏈能量傳遞和物質循環功能，嘗試應用魚菜共生、桑基魚塘等循環種養模式，實現資源節約和環境友好。

智慧溫室不僅要求儀器設備的智能化，管理經營模式的成熟高效也很重要。農業規?；?，各部門配有專業的栽培管理、加工、物流等多環節的專職管理人員，實現各環節高效有序進行。

4 現存的問題與反思

通過對三元朱村調研，發現大棚已經實現五代革新。其中一號大棚內有生態立體種植、魚菜共生、A字形、C字形架勢栽培等種植方式。村內大棚整齊且規?；@著。但在目前的生產過程中，大棚內并無傳感器等智能設備，部分溫室內甚至無任何機械化設施，僅由溫室薄膜和田地構成。經調研座談可知，目前大棚仍處于個體化生產模式，每家每戶擁有兩三個溫室大棚，各戶獨立耕作自負盈虧，存在大棚內技術參差不齊的現象。

微觀上，個體經營可一定程度提高個人的生產積極性；宏觀上，小規模下的競爭也可推動技術革新。而且，三元朱村當前土地流轉正處于二輪承包時期，二輪承包延期30年到期之前可能暫時無法實現耕地的集中。據當地農戶反映，自負盈虧、各自種植是目前較好的一種農產品經營方式。例如，農業種植本身有其靈活性和環境多變性特征，不定時需要人員照看以及對成熟作物的采摘。若農業規?；髽I化，管理上大概率會按照工作時間實行，在時間段內耕種，可能會造成耕種最佳時期的錯過或者管理的混亂。諸如此類問題，在技術達不到準確高效的前提下，暫時難以解決。

5 結語

三元朱村作為冬暖式蔬菜大棚的發源地，其溫室大棚技術已經完成第一代到第五代的革新，目前正朝著自動化、精細化、智能化的方向發展。溫室大棚中溫濕度、空氣濃度及各物質占比、光照強度、病蟲害等需結合溫室特點進行調控，智慧農業中的物聯網、傳感器等技術可以更加精確地完成測控。但要想實現規模化、智能化的溫室大棚農產品基地的革命性改革，仍需要管理、工程、互聯網、栽培育種等各個行業的技術進步和專業人士的共同努力。