江淮地区设施园艺环境调控装备关键技术研究分析与展望

江淮地区设施园艺环境调控装备关键技术研究分析与展望王 高1， 王 川1*， 叶见青2， 张 瑾1 1． 安徽省农业科学院农业工程研究所 ， 安徽合肥 230031; 2． 合肥市日之丰农业发展有限公司 ， 安徽合肥 230031摘要 在介绍江淮地区环境特点和设施园艺建设重要性的基础上 ， 分析了目前设施园艺调控的 3 大因素分别是温度 、通风性和光照 ， 总结环境调控装备关键技术 ， 针对其中难点提出建议和对策 。通过对设施园艺调控关键技术分析研究 ， 进一步提高设施农业的建设水平 ，提高能源利用率 ， 降低生产成本 ， 促进现代农业发展 。关键词 江淮地区 ; 设施园艺 ; 调控装备关键技术中图分类号 S625 文献标识码 A 文章编号 0517 －6611 2017 33 －0221 －02Key Technology Ｒesearch and Prospect of Environmental Ｒegulation Equipment in Protected Horticulture in Jianghuai AreaWANG Gao1， WANG Chuan1*， YE Jian-qing2et al 1． Agricultural Engineering Ｒesearch Institute， Anhui Academy of AgriculturalSciences， Hefei， Anhui 230031; 2． Hefei Ｒizhifeng Agricultural Development Co． ， Ltd． ， Hefei， Anhui 230031Abstract Based on the characteristics and importance of horticultural facilities construction environment in Jianghuai Ｒegion， we analyzed thethree factors of horticultural facilities， which were temperature， ventilation and illumination， and summarized the key technology of environ-ment control equipment． According to the difficulties， suggestions and countermeasures were put forward． Through the analysis and research ofkey technologies of facility horticulture regulation， the construction level of facility agriculture was improved， the energy utilization ratio wasenhanced， the production cost was reduced， and the modern agriculture development was promoted．Key words Jianghuai Area; Facilities horticulture; Key technologies of control equipment基金项目 农机装备应用产业技术体系 。作者简介 王高 1990 ， 男 ， 安徽桐城人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 从事农业机械化工程研究 。* 通讯作者 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 从事农业机械化工程研究 。收稿日期 2017 －09 －30江淮地区是北亚热带气候区向南暖温带气候区的过渡区 ， 光照适宜 ， 热量丰富 ， 降水偏少 ， 雨热同季 。淮河以北的蔬菜设施栽培以日光温室为主 ， 南方地区由于早春多阴雨 、少光照的缘故 ， 不宜发展日光温室 。目前 ， 蔬菜的栽培设施主要采用钢架或竹木结构的塑料棚 ， 还有一些引进国外先进的大型连栋温室或者是国内厂家生产的连栋温室［ 1 －3］。江淮地区园艺设施应以解决夏秋及冬春育苗 、晚秋延迟栽培 、早春提早栽培 、夏季抗高温 、暴雨和加速繁殖等内容为主 。设施园艺环境调控装备 3 大环境因素包括温度 、通风性 、光照 。目前智能化玻璃温室建设中存在安装复杂 、成本高 、保温与通风不能同时保证 、保温性差 、光照不足等问题 。通过解决对光照 、通风性和温度控制或优化等关键问题 ， 进一步提高设施农业的建设水平和内部环境的优化调控水平 ，促进温室建设的标准化 、规范化及对能源利用的多元化 ， 提高能源利用率 ， 降低生产成本 ， 带动设施农业建设水平的进一步提高 ， 对现代农业的发展具有一定的促进意义 。1 设施园艺国内外研究动态随着我国设施园艺业的迅猛发展 ， 我国的农业科技工作者在棚室小气候特征及其调控方面做了很多研究 。贺芳芳等［ 4］基于上海地区荷兰玻璃温室作物层小气候 ，分析秋季 、冬季 、春末夏初的三个季节中 ， 在晴天和阴天的温室温度和湿度的水平 、垂直分布及日变化 ， 黄瓜植物层总辐射的分布特点 。研究发现 ， 上海地区引入的荷兰玻璃温室内形成了一些特殊的湿度高和温差大的小气候 ， 引发一系列的疾病等问题 ， 导致产量和蔬菜质量之间存在差距 。顾寄南 、毛罕平等［ 5 －6］分别在 “温室系统综合动态模型的研究 ”和 “温室环境智能化控制数学模型的研究 ”中提出了一种新的温室环境智能控制的建模思路和方法 ， 建立了温度 、光照和湿度控制模型 ， 并在一个大的系统环境控制和经济分析对温室作物生长的研究 ， 根据光合速率 、环境控制和成本控制 3 者之间的关系模型构建温室综合动态模型 。李萍萍 、毛罕平等［ 7 －9］在 “温室环境控制系统及技术效果分析 ”、“智能温室综合环境子控制的技术效果及合理的环境参数研究 ”和 “温室小气候要素的计算机自动控制效果分析 ”中对自行研制的智能温室环境控制系统进行测试 ， 结果显示温度 、湿度 、光照 、营养液和二氧化碳等各个环境因子控制的技术效果良好 ， 基本达到预期的目的 ， 并明确了各环境参数的合理控制范围 。对于冬季保温 ， 秸秆和纸的使用较早 ， 大棚塑料薄膜覆盖本身灰尘污染比较严重 ， 造成透明度不够 ， 且冬季和春季日照较少 ， 容易造成作物缺光 。鉴于上述原因 ， 需要采取措施人工补光 。在有些地方 ， 用白炽灯或高压钠灯照明 ， 有的使用一些悬挂反射膜来改善光照不足的问题 。棚室内各种环境条件互相影响 、互相制约 ， 必须进行综合调控 ， 才能较好发挥棚室的作用 。目前在环境控制方面 ，我国已引进或自行设计出了各种相关设施 。如胖龙公司引进美国专利技术生产的保利通风窗 ， 具有保温和通风双重功能 。在国外 ， 日本已开始研究利用太阳能及其存储技术 ， 进一步降低了温室的运行费用 。在新型的日光温室中 ， 供暖 、通风 、喷灌等设施消耗的能源均可来自太阳能 。荷兰 、日本的一些大型温室中已开始应用机器人作业［ 10 －13］。2 江淮地区设施园艺环境调控装备关键技术分析设施园艺是一种高投入 、高耗能 、高效益的三高产业 。目前的智能玻璃温室结构设计中 ， 存在着生产安装较为复安徽农业科学 ， Journal of Anhui Agri． Sci．2017， 45 33 221 －222， 242DOI10.13989/ki.0517-6611.2017.33.070杂 、成本高 、冬季保温与通风不能同时保证 、保温性差 、光照不足等缺点 。科研人员为解决江淮地区设施园艺设施温室产业面临问题 ， 主要从如下几点关键技术进行研究分析 。2．1 减反射玻璃技术的研究 减反射玻璃 anti-reflectiveglass 是指玻璃表面的一面或两侧 ， 经过特殊的镀膜处理 ， 透光率超过 80， 反射率小于 3的玻璃［ 14］。它具有对光线近程高透光 、远程反射慢等特点 。在温室中 ， 钢结构屋面投影 ，造成温室遮荫面积大的问题 。在温室研究和应用减反射玻璃技术 ， 通过蚀刻多孔硅结构在玻璃表面形成的技术 ， 改变玻璃表面的透过率和反射率等光学性能 ， 从而缓解温室中遮光区域的影响 。2．2 温室主动采光蓄热技术的研究 针对目前玻璃温室无法形成热交换循环系统的现状 ， 通过对光伏发电峰值阶段的富裕能量运转温室建筑的配套高效储能设备的研究 ， 将温室建筑的富裕能量进行有效的存储和释放 ， 平衡温室热量供应 ， 提高温室建筑的综合性能 。通过人工地调节日光温室采光屋面角度提高进入室内的太阳辐射 ， 通过人工调控风机系统增加后墙的蓄热量［ 15］。2．3 中空式铝合金天沟的研究［ 16］针对目前玻璃温室天沟材料自身重量重 、抗弯能力差 、耐腐蚀性差 、保温性差 、综合成本高等问题 ， 研究玻璃温室抗压能力及保温性能 ， 改进材料制作工艺 ， 运用中空铝合金材料替代原钢制天沟材料 。解决了传统玻璃或阳光板温室天沟处密封不严 、雨水渗漏的难题 ， 将传统的接露槽与雨水天沟合二为一 ， 并通过中空截面增加天沟强度 ， 减小天沟宽度 ， 提高温室采光面积 。2．4 温室风压系数和流量系数耦合模型的研究［ 17］针对温室调节环境重要因素 通风方式 ， 开展温室风压系数和流量系数耦合模型的研究 ， 通过对风压系数 、流量系数分布和变化规律的分析与试验 ， 探讨玻璃温室通风规律与通风方式关系 ， 为通风调节提供理论依据 。2．5 LED 智能补光技术的研究［ 18］针对人工补光投入以实际增收之间的投入产出比例较低的问题 ， 研究作物生长所需有效光谱 ， 建立光谱模型 。以 LED 为补光光源 ， 根据不同光谱模型 ， 智能调节其内部光照环境 。现有 LED 补光系统在环境适宜性监测 、光源控制和植物不同阶段需光量差异性考虑不足 ， 造成红蓝光补光不足和补光过度并存 。针对以上问题提出了一种设施农业智能补光系统 ， 支持定义植物不同生长阶段的需光量 。拟优化温室透光材料 ， 开发利用太阳能光伏温室主动蓄放热结构与系统 ， 改进温室抗压保温工艺 ，构建温室风压系数与流量系数耦合模型 ， 提升通风技术 ， 研发新能源补光装置与应用技术 ， 最终集成设施园艺环境调控智能化系统 。3 设施园艺环境调控关键技术发展建议和对策前人主要通过温度 、通风性和光照等几个因素展开对设施园艺环境调控机制中关键技术的研究 ， 但大部分研究还处在实验阶段 ， 需进一步深入研究并因地适宜地将这些关键技术运用到江淮地区设施园艺的建设当中 。3．1 确定玻璃温室环境调控装备研发重点研究任务 研究调研相关理论依据 ， 围绕现有玻璃温室建设发展政策 ， 针对现存玻璃温室环境调控的主要问题 ， 确定研究方向与领域 。3．2 玻璃温室材料与工艺的改进 运用溶液刻蚀技术在智能温室玻璃表面形成多孔二氧化硅结构 ， 降低玻璃表面的太阳光反射率 ， 提高玻璃透过率 ， 减少遮光面积 ; 运用铝合金材质 ， 采用中空结构 ， 优化改进原钢制天沟 ， 提高玻璃温室承重能力 ， 减少温室热量流失 。3． 3 建立温室主动集能补温体系 通过改进温室设计方法 ， 将温室结构与蓄热补温功能进行分离 ; 利用太阳能光伏发电相配套的温室建筑储能结构与智能储放电构造低耗能的温室储热结构和用电规律 ， 设计配备低能耗储能设备 ， 使得光伏温室的峰值富裕发电量将热能存储于储能结构中 ， 并能够再自然放热或用低能耗设备将热能释放到温室内 ， 实现对温室内环境的调控 。3．4 建立温室通风调节控制体系 通过大量分析与实验 ，建立温室特有的风压系数和流量系数分布和变化规律资料 ，准确计算温室自然通风量 ， 构建自然通风下温室热环境的耦合模型 ， 预测温室空气温度的时空分布规律 ， 形成有效的温室通风调节控制技术 。3．5 建立温室智能光谱补光体系 针对不同作物生长所需光谱 ， 建立光谱模型 ， 设计优化 LED 智能光谱温室 ， 完善其内部光照环境的精准高效调控 ， 从而形成一套完整的 LED智能补光体系 ， 并配备自动化控制设备进行调控 ， 实现玻璃温室的智能高效补光 。3．6 产业化生产 集成玻璃温室材料与工艺的改进 、温室主动集能补温体系 、温室通风调节控制体系 、温室智能光谱补光体系 ， 实现设施园艺环境下可调控的智能玻璃温室产业化 ， 扩大建设规模 ， 示范推广集成技术 。4 小结以新材料 、新技术 、新工艺在温室中的应用和优化为目标 ， 探索和研究江淮地区设施园艺环境调控装备的关键技术 ， 使光照 、温度 、湿度等资源得到合理的配置和利用 。应用高科技 ， 设施园艺产业化前景广阔 。但温室环境及其对作物生长影响的研究是十分复杂的 ， 而且需要考虑大量的不确定因素 。笔者总结了前人在江淮地区园艺设施栽培进展 ， 仅是一些初步的探索性工作 ， 存在许多亟待改进的地方 ， 还有待进一步深入研究 。参考文献［ 1］ 王亚林 ．我省设施园艺生产现状及开发研究方向 ［ J］ ． 安徽农学通报 ，2001， 7 4 46 －47．［ 2］ 王又丰 ， 张义丰 ， 刘录祥 ．淮河流域农业气候资源条件分析 ［ J］ ． 安徽农业科学 ， 2001， 29 3 399 －403．［ 3］ 吴志行 ， 侯喜林 ．对江淮流域蔬菜栽培设施建设的建议 ［ J］ ． 中国蔬菜 ，2000 4 33 －35．［ 4］ 贺芳芳 ．上海地区荷兰玻璃温室中温湿要素之分布特征 ［ J］ ． 上海农业学报 ， 2000， 16 2 17 －22．［ 5］ 顾寄南 ， 毛罕平 ， 李萍萍 ．温室系统综合动态模型的研究 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2001， 17 4 79 －82．［ 6］ 顾寄南 ， 毛罕平 ．温室环境智能化控制数学模型的研究 ［ J］ ． 农业机械学报 ， 2001， 32 6 63 －65．［ 7］ 李萍萍 ， 毛罕平 ， 谢明岗 ， 等 ． 温室环境控制系统及技术效果分析 ［ J］ ．江苏理工大学学报 ， 1998， 19 4 19 －22． 下转第 242 页 222 安徽农业科学 2017 年户和超市通过企业衔接 ， 消除了过多中间商的存在 ， 减少了产品的流通环节和交易费用 ， 提升了产品的新鲜度 ， 使得合江荔枝的销售在四川乃至全国范围物流点快速覆盖成为可能 ; 另一方面 ， 农超对接的实施建立了以市场需求为导向的农产品经营反馈机制 ， 不仅实现产品生产 、加工 、销售一体化经营 ， 为产品生产加工过程中各种生产要素的组合提供了平台 ， 同时 ， 市场向超市的信息反馈为企业提供市场信息 ， 为农户的生产给予引导 。通过生产的标准化 、保鲜技术的改进 、与商超有效衔接 ， 在保证了荔枝品质的前提下 ， 让产品快速到达消费者手里 ， 让消费者认可产品品牌 ， 树立良好的企业形象 。4 农业产业化应关注的问题4．1 建立健全监督机制 ， 保护农户利益 在农业产业化进程中 ， 各地各级政府扶持龙头企业的初衷是带动地方经济的发展 。但是市场经济发展的规律表明 ， 龙头企业带有垄断性 ， 缺乏竞争 从产业卖方来看 ， 基地建设达到一定规模以后 ， 市场上农户提供了大量的鲜活性及收入弹性较小的农产品 ， 在这种情况下 ， 容易导致龙头企业从企业本位利益出发 ，不断挤压农户的利益 。在本案例中 ， 农业企业的经营者与专业合作社的管理人为同一个人 ， 这会导致农户在信息获取和价格制定方面处于不对称状态 ， 客观造成农户处于相对弱势 。而且 ， 一旦市场风险加剧 ， 企业经营阻力增加 ， 违约和毁约会给农户造成更大的经济损失 。因此 ， 在加快推进农业产业化时必然要求建立健全监督机制 ， 保护农户的利益 。4．2 规范市场 ， 减少市场因素给产业化经营主体带来的风险 农业产业化的实质是一个市场化过程 ， 在这个过程中农户 、专业合作社 、农业企业 、消费者的利益分配格局是各方长期博弈均衡的结果 。这种均衡结果的维持是以市场条件不变为基础的 。但市场具有不完备性 ， 这在农业上表现得尤为突出 农业生产要素的低流动性 。对于农户来说 ， 生产要素包括土地 、土地上的人力以及专用生产工具等 ， 这些生产要素具有低流动性 ， 农户由于自然因素或者其他因素造成收成不好 ， 就会承担巨大的损失 ; 对于农业企业来说也是同样的道理 ， 由于农户经营失败 ， 提供不出优质的农产品 ， 就会导致企业专用资产的闲置 ， 影响经营效益 。另外 ， 我国的农产品市场与工业品市场相比 ， 发育较为迟缓 ， 发育水平较低 ， 市场分割严重 ， 一旦自然风险 、市场风险等改变这一均衡 ， 就会破坏市场经济运行的正常秩序 。因此 ， 必须健全市场体系 ， 规范市场秩序 ， 促进农业产业化健康发展 。4．3 加大产业园区基础设施建设力度 ， 发展观光农业 ， 促进增收 发展观光农业一方面可以促进农村产业结构调整 ， 延长农业产业链 ， 带动农民就业 ， 同时还可以促进农村剩余劳动力快速转移 ， 促进农村土地流转 ， 为农业产业化生产提供有利条件 ; 另一方面 ， 观光农业有利于城乡在科技 、医疗 、教育 、信息等方面进行沟通交流 ， 使城市人了解农村文化和农业生产 ， 农村人转变发展观念和提升素质 ， 促进城乡协调发展 ， 从而实现现代农业的健康 、可持续发展 。从现阶段来看 ，合江县凤鸣镇发展荔枝文化观光旅游还有一定的短板 ， 特别是在观光旅游重要的基础设施 交通 、住宿 、餐饮 、供电 、环境治理建设上还有差距 。在强调农业产业化的同时 ， 更要注重生态保护 ， 要将经济效益和生态效益结合起来 ， 因地制宜 ， 合理布局景点 ， 突出地区观光农业的特色 ， 重点开发 “荔枝采摘游 ”“田园观光游 ”“荔枝文化科普 ”等资源 ， 突出乡村地域特色 ， 增强旅游产品内涵 ， 从而增加农业 、农户收益 。参考文献［ 1］ 冯逃 ， 李冬梅 ， 高蜀晋 ． 农业产业形成及可持续发展的实证分析 基于一个村庄的实际案例 ［ J］ ．农业经济问题 ， 2013 7 56 －61．［ 2］ 侯军岐 ．论农业产业化的组织形式与农民利益的保护 ［ J］ ． 农业经济问题 ， 2003， 24 2 51 －54．［ 3］ 雷俊忠 ， 陈文宽 ， 谭静 ． 农业产业化经营中的政府角色与作用 ［ J］ ．农业经济问题 ， 2003， 24 7 41 －44．［ 4］ 谭静 ， 丁海萍 ， 陈文宽 ．农业产业化与科教互动的经济学分析 ［ J］ ． 农村经济与科技 ， 2005， 16 8 4 －5．［ 5］ 范丽霞 ．国际比较视角下的农业产业化经营 ［ J］ ． 技术经济与管理研究 ， 2011 11 101 －104．［ 6］ 张敏 ， 卢向虎 ， 秦富 ． 借鉴发达国家经验 推进农业产业化跨越式发展［ J］ ．农业经济问题 ， 2011 4 4 －8．［ 7］ 李成贵 ． 我国发展现代农业面临的主要问题和政策选择 ［ J］ ． 学习与探索 ， 2007 4 120 －123．［ 8］ 徐邓耀 ．农超对接 、土地流转与农业产业化经营 ［ J］ ．经济与管理 ， 2012，26 11 21 －25．［ 9］ 张润森 ， 施国庆 ， 孔令强 ． 库区农业产业化的阻碍因素及对策研究 以云南省澜沧江里底水电站库区为例 ［ J］ ． 安徽农业科学 ， 2008， 36 14 6038 －6039．［ 10］ 邵腾伟 ， 冉光和 ． 基于劳动力有效利用的农业产业化路径选择 ［ J］ ．系统工程理论与实践 ， 2010， 30 10 1781 －1789．［ 11］ 赵久爽 ， 杨理 ． 县域金融支持农业产业化的制约因素及对策思考 对常德市县域金融支持农业产业化的现状调查 ［ J］ ． 武汉金融 ， 2010 5 50 －51．［ 12］ 张丽华 ， 林善浪 ， 霍佳震 ．农业产业化经营关键因素分析 以广东温氏公司技术管理与内部价格结算为例 ［ J］ ．管理世界 ， 2011 3 83 －91．［ 13］ 徐捷 ． 农业产业化模式探索与比较研究 以天津市为例 ［ J］ ．广东农业科学 ， 2012， 39 3 194 －196．［ 14］ 郭晓鸣 ． 一个农业产业化龙头企业的成功经验及有益启示 四川女皇茧业股份有限公司的调查研究 ［ J］ ．农村经济 ， 2002 5 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪4 －7． 上接第 222 页 ［ 8］ 乐天宇 ， 花慎良 ， 于系民 ．小气候的改善与管理 ［ M］ ．北京 农业出版社 ，1982．［ 9］ 哈南 J J， 霍利 W D， 戈德斯贝里 K L． 温室管理 ［ M］ ． 北京 科学出版社 ， 1984．［ 10］ BOULAＲD T， PAPADAKIS G， KITTAS C， et al． Air flow and associatedsensible heat exchanges in a naturally ventilated greenhouse［ J］ ．Agricul-tural and forest meteorology， 1997， 88 1/2/3/4 111 －119．［ 11］ MISTＲIOTIS A， AＲCIDIACONO C， PICUNO P．Computational analysis ofventilation in greenhouses at zero-and low-wind-speeds［ J］ ． Agriculturaland forest meteorology， 1997， 88 1/2/3/4 121 －135．［ 12］ WANG S， BOULAＲD T， HAXAIＲE Ｒ． Air speed profiles in a naturallyventilated greenhouse with a tomato crop［ J］ ． Agricultural and forest me-teorology， 1999， 96 4 181 －188．［ 13］ TEITEL M， TANNY J．Natural ventilation of greenhouse Experiments andmodel［ J］ ．Agricultural and forest meteorology， 1999， 96 1/2/3 59 －70．［ 14］ 李真一 ．梯度折射率减反射光伏玻璃的研究 ［ D］ ． 青岛 中国海洋大学 ， 2014．［ 15］ 张勇 ， 邹志荣 ．主动采光蓄热倾转屋面日光温室创新结构 ［ J］ ． 农业工程技术 温室园艺 ， 2014 5 44 －45．［ 16］ 张书谦 ， 李景 ， 郑仲权 ． 温室新型节能保温天沟 CN203022240U［ P］ ．2013 －06 －26．［ 17］ 方慧 ， 杨其长 ， 张义 ， 等 ．日光温室热压风压耦合自然通风流量的模拟［ J］ ．中国农业气象 ， 2016， 37 5 531 －537．［ 18］ 陶佰睿 ， 衡文丽 ．基于单片机的温室大棚 LED 智能补光系统设计 ［ J］ ．中国农机化学报 ， 2016， 37 10 181 －184．242 安徽农业科学 2017 年