我国设施农业发展现状、存在不足及对策.pdf

骆 飞 徐海斌 左志宇 等 我国设施农业发展现状 存在不足及对策 J 江苏农业科学 2020 48 10 57 62 doi 10 15889 j issn 1002 1302 2020 10 010 我国设施农业发展现状 存在不足及对策 骆 飞 1 徐海斌 1 左志宇 2 3 赵桂东 1 郭小山 1 王丽平 1 1 江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所 江苏淮安 223001 2 江苏大学农业工程研究院 江苏镇江 212013 3 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室 江苏镇江 212013 摘要 设施农业的发展是农业现代化的重要标志 也是现代化农业发展的重要建设任务 我国的设施农业较国外 起步晚 在设施建设 技术研究 装备研发 资金投入等方面都与国外发达国家存在较大差距 为了促进我国设施农业 的快速发展 推动设施农业领域的技术进步 在综述世界设施农业发展现状的基础上 分别从国外和国内 2 个方面总 结设施农业发展的特点 剖析我国设施农业存在的不足 并提出针对性的对策建议 以期为我国设施农业可持续发展 提供一些经验和启示 关键词 设施农业 设施类型 设施作物 栽培技术 发展现状 特点 不足 中图分类号 F323 4 文献标志码 A 文章编号 1002 1302 2020 10 0057 06 收稿日期 2019 05 08 基金 项 目 淮 安 市 农 业 科 学 研 究 院 院 长 科 研 基 金 编 号 HNY201713 江苏省区域现代农业与环境保护协同创新中心项目 编号 48sky00 作者简介 骆 飞 1988 男 江苏连云港人 硕士研究生 助理研 究员 主要从事设施农业结构性能优化及其自动化研究 E mail 36134676 qq com 设施农业 protected agriculture 是指利用新型 生产设备 现代农业工程技术 管理技术调控温室 塑料大棚等保护设施内蔬菜 果树 花卉 鸡鸭 猪 牛等动植物生长的温 光 水 土 气 肥等环境参数 因子 对动植物的生长发育环境进行整体或局部范 围的改善 使动植物生长不受或很少受自然条件制 约 在有限的土地上投入较少的劳动力 建立动植 物周年连续生产系统 实现动植物高效优质生产的 一种现代农业生产方式 1 3 是属于生产可反时令 性 生产可类型多样化的高投入 高产出 高效益产 业 美 国 称 设 施 农 业 为 可 控 环 境 农 业 controlled environmental agriculture 在欧洲及日 本等则称为 设施农业 protected agriculture 而在 我 国 曾 使 用 过 工 厂 化 农 业 industrialized agriculture 的概念 这些名称只是在文字表达上有 所不同 但其实质内涵是一致的 4 随着传感器技 术 通信技术 计算机技术的不断发展 云计算 大 数据 人工智能 物联网等技术在农业生产中得到 越来越多的应用 温室大棚可以通过人工的手段 构建出适宜农作物生长的生产环境 隔绝外部气候 变化的影响 实现农作物的全天候生长 国内外相 关企业与科研机构纷纷投入大量的人力 物力 通 过研发智能温室环境监控系统 降低温室的运营成 本 进而提高温室的综合经济效益 1 世界设施农业发展概况 依据自然气候条件 地理位置 经济水平和饮 食文化等因素 可将世界设施园艺大致划分为亚 洲 地中海沿岸 欧洲 美洲 大洋洲和非洲六大区 域 随着社会经济的不断发展 设施农业整体上呈 现蓬勃发展的趋势 5 7 据 2017 年调查数据显示 全世界设施农业总面 积达到 460 万 hm 2 主要分布在亚洲的中国 韩国和 日本 欧洲的荷兰和阿尔巴利亚 7 8 美洲的美国 墨西哥和委内瑞拉 6 9 非洲的埃塞俄比亚和埃 及 9 10 以及地中海沿岸诸国 其中 亚洲是世界设 施农业发展最快 面积最大的地区 仅中国 日本和 韩国 3 个国家的设施农业面积之和就占世界设施农 业总面积的 82 90 11 16 在设施农业体量上 中国设施农业面积达 370 万 hm 2 居世界第一 约占世界设施农业总面积的 80 意大利紧随其后位于第二 第三 第四分别为 土耳其和韩国 荷兰在人均设施农业温室面积上 位居世界第一 1 1 设施类型 从设施类型上看 有近 292 万 hm 2 的设施农业 类型是塑料大棚 含中小拱棚 占比约为 63 5 75 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 10 期 主要分布在中国 韩国 日本以及地中海延岸诸国 塑料温室类型面积达 130 万 hm 2 左右 占比约为 28 3 在中国的江苏省 辽宁省 山东省等地被广 泛使用 玻璃温室类型面积达 6 万 hm 2 左右 占比约 为 1 2 结构大多为文洛型 venlo 连栋温室 7 主要集中在亚洲的中国 非洲的埃及 地中海沿岸 的土耳其 意大利和西班牙 荷兰及北欧一些国家 其他类型温室面积占比约为 7 1 2 设施作物 从栽培作物看 蔬菜占设施园艺总面积的 85 以上 以番茄 黄瓜 茄子 甜椒等为主 其次为鲜切 花和盆栽花卉 从种植地域分布来看 中国 日本 和地中海沿岸国家主要种植蔬菜 草莓和葡萄 欧 美一些发达国家以高附加值的鲜切花和盆栽花卉 生产为主 如荷兰花卉的生产全部在温室内进行 生产的鲜切花 观赏植物约占世界温室市场的 80 每年出口总额占国际市场花卉贸易的 60 占欧洲市场的 70 17 18 1 3 栽培技术 从栽培技术看 荷兰 美国 日本等发达国家的 设施农业技术处于领先水平 发达国家在设施农 业发展过程中非常重视环境保护和资源循环利用 实现了生态循环农业的经营模式 此外 随着温室 结构优化 设施配套及栽培技术体系完善 能够用 计算机对作物生长发育的各种环境因子进行调控 使设施作物生长不受或很少受自然条件制约 实现 作物周年连续生产供应 产出的温室产品能获得高 产量 高品质 高利润 畅销国际市场 2 国外设施农业发展的特点 2 1 单体温室大型化 温室结构轻简化 建造大型化温室有利于提高土地利用率 方便 机械化作业和产业化生产 提升环境控制稳定性以 及节省投入资金 因此 国外的温室普遍趋向温室 大型化 工厂化 温室结构的轻简化 温室材料的研 究热点也集中于以下 5 个方面 降低设施结构的遮 光面积 提升结构材料的隔热性能 提高温室和连 接部件的密闭性 延长设施温室墙的使用寿命 便 于温室的安装和拆修 美国加利福尼亚州新建造 温室的单体面积都在 1 hm 2 以上 采用无土栽培技 术生产的番茄产量可达 75 kg m 2 荷兰设施类型 大多选用文洛型连栋温室 布局采用平行三段式结 构 单体温室面积在 4 5 hm 2 图 1 温室的北面 为办公管理区 中间区域为操作车间区 南面为作 物栽培区 在每个温室通道安装自动玻璃感应门进 行隔断 并对进出人员执行严格的消毒管理 以预 防和控制病虫害的发生 此外 因铁天沟散热约占 温室散热的 16 荷兰 以色列等普遍采用中空铝 合金骨架代替传统温室的单层铁材质天沟 不仅减 少了设施温室的支撑结构 也降低了支撑结构的遮 85 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 10 期 光面积 还有效增加了设施温室的采光 提升了保 温效果 2 2 温室生产引入工业技术 设施农业自动机械化 美国 荷兰 以色列等发达国家将工业领域的 先进技术嫁接到设施农业生产管理中 使设施农业 被赋予了 工厂化 农业 的内涵 温室生产进入高 投入 高产出 高效率管理模式 并实现了将温室各 环境因子调控成作物生长发育最适宜的条件 基本 摆脱或免受外界环境因素对作物生长的干扰 达到 作物周年生产和均衡上市的目的 目前 以美国 日本 荷兰 以色列为代表的发达国家已具备了设 施农业设备完善 技术规范 产量稳定 质量安全可 靠等特点 也形成了温室研究制造 生产要素聚集 生产资料配套 储藏运输等为一体的设施农业产业 体系 如荷兰研制出温室清洗装置 用于清洗温室 屋面的落灰来提高温室的透光率 19 用智能机器 人取代人工生产管理来改善设施环境 以提升劳动 生产率和保证设施作业的均一性和一致性 20 2 3 设施农业转向低碳节能 绿色环保 国外在发展设施农业过程中 以保护环境 低 碳节能作为前提条件 在探索温室能源高效利用 保护生态环境等方面进行了大量的研究工作 节 能新材料 新技术和新能源的利用是温室领域研究 的热点和难点 其中相变储热技术和太阳能的有效 利用是最具发展前景的节能技术 一些国家通过 对温室的覆盖材料进行镀膜处理来改变材料特性 使其具有阻止长波向外辐射而减少热损耗的特性 来实现节能效果 荷兰瓦赫宁根大学研制出一种 可应用于温室加热降温的太阳能集热器 该集热器 可将储存的多余太阳能转换成电能 从而进行冬季 供暖与夏季降温 节省能源消耗 21 欧盟明确要求 温室作物生产全部采用无土栽培 替代费水 费肥 费工的传统种植方式 可避免土壤连作障碍 生产 出健康安全的农产品 还有一些国家采用营养液 闭路循环系统代替传统的营养液无土栽培技术 通 过对营养液的回收 过滤 消毒等技术手段 实现节 水 30 40 节肥 35 40 大大提高了营养 液的利用效率 也减少了营养液过剩外排造成的面 源污染 22 此外 探索温室新型补光光源 LED 也 是节能设备研制的热点之一 2 4 物联网与农业深度融合 助推 智慧农业 随着互联网 大数据 云平台等技术的普及 温 室环境控制逐步实现智能化 网络化管理 荷兰已 将环境智能控制系统应用于现代设施花卉生产中 可以依据花卉生长阶段对于不同环境因子的需求 利用物联网技术对包括温度 光照 空气 湿度 化 肥等环境因子的多维调控 并结合遥感技术 管理 专家系统 地理信息系统等高新技术对鲜花从移 栽 生长 采收 包装储运 自检自控等流程中的信 息 图像进行信息化管理 实现了鲜花生产的高度 自动化 23 美国 日本 以色列等通过研究温室作 物生长发育与环境 营养之间的定量关系 构建作 物生长发育模型和环境控制信息化模型应用到温 室生产管理中 进一步降低了温室系统能耗和运行 成本 24 日本大力发展植物工厂系统 利用传感器 对温室内的环境因子进行自动化采集和校验 将数 据传输至计算机 手机等终端 实现了生产过程的 自动化 智能化和可视化 25 截至 2016 年底 日本 拥有 254 家植物工厂 其中超过 200 家都为密闭空 间的 人工光型 及 人工光与太阳光并用型 植物 工厂 建立起农作物周年连续产出 3 我国设施农业发展的特点 3 1 因地制宜开发地域性鲜明的设施类型 我国温室结构的发展经过了 4 个时期 20 世 纪 30 年代的雏形时期 其结构的典型特征为一面 坡加立窗 20 世纪 50 年代的改良时期 一面坡日 光温室结构 取消了前立窗 采光角增至 30 后墙 高度降至 0 7 0 8 m 使后屋面坡角增至 26 以 上 20 世纪 70 年代至 90 年代的发展时期 开展了 基于温室的采光理论对不同纬度地区采光屋面形 状和采光面角度进行优化设计 从而确定温室的 建筑参数 代表性的温室结构有 感王式 和 鞍山 型 21 世纪初至今的升级时期 我国各地结合 区域 资源特点因地制宜地对设施农业温室大棚 的结构进行改造升级 形成具有鲜明特征的结构 类型 如蓟春型 连栋型 阴阳型 寿光 7 代等新型 温室 26 28 3 2 设施农业生产规模逐年扩大 我国是一个农业大国和人口大国 由于人均土 地资源的日益匮乏和对农产品的数量与质量的需 求 我国就必须坚定不移地走 设施强农 之路 20 世纪 70 年代 我国设施农业面积仅为 0 7 万 hm 2 到 20 世纪 90 年代末 我国设施农业面积达到 86 7 万 hm 2 绝对面积跃居世界第一 29 30 随着 适合不同地区 不同自然条件的设施技术不断提 95 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 10 期 升 财政资金及外界资本的持续投入 我国设施农 业生产规模逐年扩大 截至 2017 年底 我国设施农 业面积突破了 370 万 hm 2 在短短 20 年间体量翻了 4 5 倍 已成为世界设施农业生产大国 面积和产 量都居世界第一 3 3 设施农业技术装备从引进走向自主研发 20 世纪 70 年代 我国从荷兰 日本 美国 以色 列等国家引进先进的设施装备和配套的环境监控 技术 到 20 世纪 90 年代 我国学者在对国外设施 装备和技术引进 消化 吸收的基础上进行集成创 新 逐步形成了一些自主知识产权的装备技术 并 应用到不同的设施作物生产中 创造了良好的经济 效益 毛罕平等成功设计了植物工厂系统 该系统 由温湿度子系统 光照子系统 加热子系统 灌溉子 系统等多个系统组成 是我国典型的国产化温室测 控系统 31 将互联网 移动通信和嵌入式等技术引 入到设施农业监控系统中 解决了我国地域广阔 气候复杂等因素带来的农业多样性问题 并克服了 农业 最后一公里 的问题 我国设施农业从单一 环境因子的控制研究转向相互作用耦合的多元变 量调节 控制技术从定值开关控制转向多种智能控 制技术 模糊控制技术 神经网络控制 遗传算法 专家控制系统 无线传感及物联网等 的集成融 合 32 国内自主研发的信息管理系统可以实现数 据存储和访问的统一管理 系统的可伸缩性 温室 设备的模块化和产前产中产后管理 3 4 农业公司和公司化的实体发挥带头作用 中共中央连续 15 年 2004 2018 年 的 一号 文件 都以发展农业为主题 在现有的高度行政 放任市场 2 种农业发展模式下 提出了别的模式如 专业合作社 家庭农场 龙头企业等 33 农业公司 和公司化的实体是实现与农民共赢的一种农业发 展模式 其与农民有着共同的发展目的 以利益为 纽带 提高设施农业的效益 以获得更高的经济效 益 34 要想在国际上与土地资源禀赋丰富和农业 高度机械化的国家竞争 我国必须同样依赖规模农 业经济效益 目前 国家政策确实把对未来的主要 希望寄予农业规模化 积极支持家庭农场 专业大 户 专业合作社 农业产业化龙头企业等新型农业 经营主体 以及高标准农田建设等现代农业项目 近年来 随着我国设施农业的发展 农民企业逐步 壮大 出现了越来越多的家庭农场 专业合作社乃 至重点龙头企业 4 我国设施农业不足之处 4 1 设施投入与国外相比有差距 设施水平有待 提高 从数据统计来看 我国多数日光温室为使用者 土法上马建造而成 缺乏科学的理论指导 其投资 不高于 100 元 m 2 以色列现代化塑料温室须投资 500 元 m 2 美国设施温室仅覆盖的聚碳酸酯硬质塑 料板就须要投资 190 元 m 2 35 虽然我国已经出现 一些投入使用的设施环境监控系统 但因国内缺乏 相关的技术规范 各个厂家的产品往往自成一家 相互之间并不兼容 且大多存在价格高 可靠性差 地域匹配率低等弊病 导致设施环境监控系统难以 在全国范围内进行大面积推广 虽然国外发达国 家的温室及环境监控系统自动化与智能化程度较 高 具备先进的科技和完备的生产工艺 也拥有很 高的可靠性 但从国外引进其价格昂贵 后期维护 成本也高 难以在我国市场进行大规模推广应用 对比国外 我国设施配套投入低 日光温室多与土 墙结合 费工费力 不利于机械化作业 但是符合我 国的基本国情和目前广大农村地区的生产力水平 4 2 设施栽培土壤质量低 无土栽培推广应用难 我国一些农业设施温室大棚经过多年耕种后 土壤质量问题已经明显显现 土壤中的亚硝酸盐含 量严重超标 不溶于水的矿物质 如钙 镁等 在土 壤中聚集 从而造成土质变硬板结 农药残留问题 突出 致使微生物含量减少 36 土壤质量的下降 直接影响到设施农业作物的产量和品质 无土栽 培挣脱了土地的束缚 相较于传统土壤种植优势明 显 但因目前无土栽培生产成本较高 配套设施不 健全 经济效益不显著 尚未被农民接受 无土栽 培技术尽管较成熟 但主要还是用在观光农业示范 园以及科学研究上 37 4 3 设施农业人才流入较少 涉农人员水平有待 提高 目前 我国设施农业主要分布在远离城市中心 的农村 这些地区生活和医疗条件较差 交通不便 利 教育资源稀缺 农业生产相对艰苦 工作强度 较大 农业行业利润较低 经营主体前期基于成本 压力也难以承担较高的待遇支付 难以与其他行业 竞争 无法吸引人才就业 年轻人特别是大学毕业 生经过 10 多年的寒窗苦读 再回家去种地或多或少 都有一些不甘心 他们更希望到大城市生活工作 06 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 10 期 经营主体只能降低招工的要求 38 此外 设施农业 监控系统大多都是基于计算机开发设计的 对于从 业人员的专业知识和系统的操作使用有较高的要 求 人员技能欠缺就很难充分发挥农业设施的生产 作用 因此 普遍存在用人难 留人难 人才培养成 本高等问题 特别是管理人才 经营人才和技术人 才的缺乏 直接制约着设施农业的建设和发展 5 对策与建议 5 1 设施农业技术装备优化升级 虽然设施生产作业的机械化 环境调控的自动 化及生产过程的低碳节能是世界范围内设施农业 的发展方向 但是我国现有的设施农业产业应分成 2 个部分发展 一部分是对低档设施温室大棚进行 改造 提档升级 研发特定设施作物种类的专家系 统 并结合物联网技术实现单个温室大棚个性化控 制 另一部分设施产业向国外发达国家学习 尤其 是在我国西北地区拥有广阔的地域 充足的光照资 源 如果能充分利用这些优势 借助相变储热新材 料 热泵 水罐储热 地下空间储热等技术 将设施 农业生产与可再生能源 太阳能 风能等 生产有效 地结合起来 开发出适宜非耕地生产的设施农业结 构类型 低成本 小型化 稳定可靠的环境控制系统 以及智能决策生产管理平台 推动设施农业技术进 一步优化升级 达到设施动植物的种养要求控制满 足最佳生产环境和高产 优质 高效 安全 周年生 产的目的 实现集约化 商品化 产业化 进而有力 地推动我国农业现代化进程 5 2 因地制宜发展简易实用的无土栽培 无土栽培虽然具有十分诱人的广阔发展前景 但不能全盘照搬某一国家或某一区域的生产模式 要考虑到各地方自然资源 生产技术 市场环境等 因素 尽量简化生产技术 降低生产成本 向着实 用 有效 简易的方向发展 便于推广应用 如栽培 基质的选择 应在作大量研究的基础上 探索本地 资源的充分利用 因各地区气候环境差异和居住 人群饮食习惯不同 无土栽培的作物种类和安排作 物生产上市的时间不同 因各地区的水体质量 施 用肥料种类等因素影响 制定的无土栽培营养液配 方也应有所不同 因此 研制配套专用化栽培槽 商品化基质和营养液的自动检测等专用设施 设 备 将特定设施作物品种的无土栽培技术编制成操 作手册 各操作步骤均有 指导 可循 而农民只须 按此 指导 操作即可 5 3 培育新型职业农民和建设人才团队 加大设施农业从业人员培训是提高设施农业 管理水平和技术应用的重要途径 39 坚持把科教 兴农 人才强农作为支撑设施农业发展的重大战 略 鼓励各类涉农科研高校 职业教育学校大力培 养设施农业人才 吸引鼓励广大青年报考设施农业 相关的院校 并以培育和建设技术创新 应用推广 生产管理的人才团队为重点 按照现代设施农业生 产经营要求 建立设施农业技术装备示范基地 生 产管理和系统操作实训基地 委托培养或联合培养 人才孵化基地 构建一支有文化 懂技术 善经营 会管理的专业型人才 复合型设施农业经营人才队 伍 破解人才缺乏问题 为建立和完善设施农业新 技术 新装备推广服务体系提供人才基础 此外 政府部门要结合当地农业特点 工资水平研究出台 政策 对新型农业经营主体给予一定的资金补贴 形成 经营主体 政府 的工资支付模式 提高设施 农业从业人员的收入水平 让从业者进得来 留得 下 干得久 38 5 4 加强政策扶持 引导和监管投入资金的使用 政策扶持是设施农业的根本保证 加快设施 农业发展 必须出台强有力的法规政策加以引导和 推动 40 逐步建立起设施农业管理制度和政策扶持 措施 如设施用地 财政投入 信贷 保险 应急救助 等政策 同时 加大财政资金投入力度 尤其要引 导和撬动金融资金和社会资本进入 充分调动起不 同层次 不同市场主体投身发展设施农业的积极 性 建立和完善资金投入保障制度 从而形成多渠 道 多元化 多层次的投入格局和保障机制 此外 还要加强对资金投入的引导和监管 确保资金使用 的质量 效率 安全 加大科技创新投入力度 重点 支持重大关键技术课题研究 特别是政府资金要向 技术含量高 生产效果好 种养殖户亟需的设施农 业装备倾斜 参考文献 1 陈殿奎 我国大型温室发展概况 J 农业工程学报 2000 16 6 28 2 黄川容 孙朝锋 吴 立 等 基于互联网 的设施农业智慧气象 服务应用与探索 C 第 35 届中国气象学会年会 合肥 中国 气象学会 2018 7 3 蔡保忠 曾福生 农业基础设施的粮食增产效应评估 基于农 业基础设施的类型比较视角 J 农村经济 2018 12 24 30 16 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 10 期 4 朱新华 郭文川 贺卫涛 我国温室设施的现状和发展对策 J 农村能源 2001 3 6 7 5 束 胜 康云艳 王 玉 等 世界设施园艺发展概况 特点及趋 势分析 J 中国蔬菜 2018 7 1 13 6 郭世荣 孙 锦 束 胜 等 国外设施园艺发展概况 特点及趋 势分析 J 南京农业大学学报 2012 35 5 43 52 7 丁小明 魏晓明 李 明 等 世界主要设施园艺国家发展现状 J 农业工程技术 2016 1 22 32 8 Balliu A Sallaku G An overview of current situation and trends in albanian vegetables protected cultivation sector J Acta Horticulturae 2016 1142 449 454 9 Jaimez E Costa M Araque O et al Greenhouses in venezuela current status and development prospects J evista de la Facultad de Agronomia 2015 32 2 145 174 10 Fanos T Belew D A review on production status and consumption pattern of vegetable in Ethiopia J Journal of Biology Agriculture and Healthcare 2015 5 21 82 93 11 麻泽龙 王守强 袁 敏 等 赴以色列学习设施农业先进技术 的思考 J 四川农业与农机 2018 2 7 9 12 Sturm B Marina M oyapoor M et al Dependency of production planning on availability of thermal energy in commercial greenhouses A case study in Germany J Applied Thermal Engineering 2014 71 1 239 247 13 Anda J D Shea H Potential of vertical hydroponic agriculture in Mexico J Sustainability 2017 9 1 140 156 14 Aydog an N G Kidog lu F G l A A survey on the current status of soilless cultivation in Turkey J Acta 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