01當前國外溫室設(shè)施裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備具有機械化科技含量高、自動化程度高、高投入、高效率、高產(chǎn)出的特點，因而在國外得到了迅速發(fā)展。以色列、美國、法國、日本、荷蘭、英國、意大利、西班牙、葡萄牙、比利時、墨西哥等在農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備技術(shù)發(fā)展方面作出了杰出貢獻。
以色列的滴灌技術(shù)與溫室設(shè)備材料品質(zhì)均屬世界一流水平，尤其是滴灌技術(shù)的應用，利用高效、節(jié)水灌溉系統(tǒng)將土壤鹽漬化控制到最低水平;覆蓋材料普遍采用編織復式聚乙烯薄膜，機械強度高，抗拉、抗沖擊、抗老化等功能受到消費者青睞。特別是近年來一些具有光譜選擇、降溫、殺菌防蟲等作用功能膜的開發(fā)與應用也逐漸受人們的關(guān)注。美國在溫室結(jié)構(gòu)上主要采用大型連棟溫室，栽培設(shè)施中在綜合環(huán)境控制技術(shù)方面取得了巨大成效，尤其是高壓霧化降溫方面，加濕系統(tǒng)以及濕簾降溫系統(tǒng)取得世界一流水平。在移苗機器人研發(fā)方面也取得了較大突破，其能夠識別種苗的好壞，將不好的苗剔除，僅對健壯的種苗進行移栽。另外，在環(huán)境因子采集過程及溫室灌溉方面，不斷改進傳感器技術(shù)，通過傳感器精確地確定灌溉時間及運行速率，有效地減小灌溉用水和能源成本、肥料支出以及疾病損失。日本在設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展上也投入了大量的人力、物力、財力，并密切關(guān)注國外先進溫室結(jié)構(gòu)和設(shè)施裝備的發(fā)展，通過引進、消化、吸收國外先進技術(shù)，溫室設(shè)施設(shè)備研究取得了巨大成效。荷蘭、墨西哥、比利時等是世界上擁有玻璃溫室面積較多的國家，高度集成化的工業(yè)技術(shù)廣泛應用于設(shè)施農(nóng)業(yè)，配套的設(shè)施裝備種類齊全、技術(shù)較成熟。其中，溫室通風系統(tǒng)普遍采用電機驅(qū)動的機械通風，從而實現(xiàn)溫室內(nèi)空氣快速地自由流通，進而調(diào)節(jié)和控制溫室內(nèi)的溫度和濕度。另外，他們向全球50多個國家提供了溫室計算機控制系統(tǒng)技術(shù)服務?？筛鶕?jù)溫室植物生長的需求，自動控制卷膜、天窗、濕簾風機、噴霧、加溫、補光、CO2濃度等產(chǎn)生植物生長所需因素的設(shè)備，并通過計算機控制系統(tǒng)，將植物生長所需溫度、濕度、二氧化碳濃度、肥料需求量等控制在最佳水平，并對設(shè)施內(nèi)各種作物進行多因素監(jiān)測與調(diào)控，從而為作物提供最佳的生長環(huán)境。另外，國外溫室播種、育苗、收獲等機械化作業(yè)普及率很高，作物產(chǎn)品采摘后的清洗、分級、包裝、預冷等實現(xiàn)了自動化作業(yè)，溫室內(nèi)病蟲害防治、自動檢測與鑒定設(shè)備、溫室管理機器人以及其他現(xiàn)代化設(shè)施裝置日趨成熟并市場化開發(fā)和應用。
02國內(nèi)溫室設(shè)施裝備技術(shù)發(fā)展狀況
相對國外先進的農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備技術(shù)，國內(nèi)溫室設(shè)施裝備技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速。溫室結(jié)構(gòu)硬件上，連棟溫室技術(shù)發(fā)展日趨成熟，西北型單、雙跨日光溫室以及遼寧型日光溫室結(jié)構(gòu)的調(diào)整及優(yōu)化得到了良好的效應，配套設(shè)施研究取得較大進展，如濕簾降溫設(shè)備、水肥機、供熱升溫設(shè)備、通風系統(tǒng)、育苗設(shè)備以及溫室內(nèi)環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)等在溫室實際生產(chǎn)實踐中成熟應用，并取得良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，為我國溫室設(shè)施工程、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的推進和發(fā)展作出了巨大貢獻。
移栽機
近年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)朝著規(guī)?；l(fā)展，移栽作物面積不斷擴大，移栽作物品種不斷增加，隨著人工成本不斷升高，自動化移栽設(shè)備需求日顯迫切。在歐美等發(fā)達國家移栽設(shè)備已較廣泛地應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而我國移栽機研究起步較晚，又因為移栽設(shè)備結(jié)構(gòu)較復雜、開發(fā)成本較高，在國內(nèi)的發(fā)展受到了一定限制，至今為止未見有成批推廣使用的移栽機機型。近幾年，半自動移栽機發(fā)展較快，應用較廣泛。但半自動移栽機作業(yè)時須配備人員較多，作業(yè)效率不高，機械化效益不夠突出。因此，全自動移栽設(shè)備逐漸引起學者的關(guān)注，并開展了一系列研究。Hu等為了提高溫室插秧苗插秧的自動化程度和效率，綜合一組優(yōu)化的維數(shù)參數(shù)，并提出一種全局綜合性能指標，設(shè)計出一種采用雙自由度并聯(lián)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和氣動機械手的高速插秧機;高國華等設(shè)計了一款斜入式穴盤苗移栽機械手，有效降低了移栽傷苗率;楊振宇等為提高移栽缽苗的成活率，采用單目視覺技術(shù)調(diào)整移栽缽苗葉片問題并獲取缽苗移栽適合度信息，試驗獲得理想的成效;王躍勇等采用雙目立體視覺的定位方法，解決了自動化機械手移栽過程穴盤放置傾斜以及穴盤底部變形引起移栽不理想的問題。
穴盤播種機
穴盤育苗是工廠化育苗最普遍采用的形式，而穴盤播種則是育苗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。20世紀70年代，我國逐步開始研究精密穴盤播種技術(shù)，初期由于國內(nèi)穴盤育苗設(shè)備存在機械化效率和播種精度不高等問題。為解決該問題，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部與科學技術(shù)部先后將穴盤育種列入國家重點項目，并要求各地農(nóng)業(yè)機械化研究單位和生產(chǎn)企業(yè)及時跟進。經(jīng)過多年努力，結(jié)合自身需求并借鑒國外先進技術(shù)，最終研制出多種多樣的精密穴盤育苗播種機。胡建平等開發(fā)了一款磁吸式穴盤精密播種機，實現(xiàn)了300盤/h的播種效率。張石平等采用振動機構(gòu)的激振作用，用吸種盤吸種以實現(xiàn)1粒/穴的精密播種質(zhì)量。胡志新等考慮到播種機空穴率、多粒率、破碎率等問題，采用壓電彈簧和氣吸盤相結(jié)合的方法，設(shè)計出一套自動穴盤精量播種機。朱盤安等考慮到播種機的便攜性問題以及中小型大棚溫室的客戶需求，根據(jù)激光傳感器檢測定位，設(shè)計出一種穴盤基質(zhì)打孔與播種的便攜式蔬菜穴盤自動播種機。
灌溉施肥機
以往溫室大棚內(nèi)灌溉施肥大多采用溝灌、漫灌，導致水資源利用率低，工人作業(yè)強度大，土壤養(yǎng)分流失等。另外，溫室內(nèi)長期濕度較大給整個大棚環(huán)境帶來了危害，并誘發(fā)一些病害。滴灌施肥技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐步受到業(yè)界人士的青睞。目前市面上主流滴灌施肥裝備大多是從荷蘭、以色列等國家進口，而采購設(shè)備費用昂貴，實際應用中存在一定局限性，也成為消費者須要考慮的問題。楊仁全等對國內(nèi)外現(xiàn)有灌溉施肥技術(shù)的現(xiàn)狀進行調(diào)研，并開發(fā)出一套實用可靠的高精密灌溉施肥機系統(tǒng)。孫宜田等采用營養(yǎng)液混合的模糊控制器，并利用LabVIEW開發(fā)出一套智能水肥藥一體化設(shè)備，解決了混肥精度不高的問題。劉永華等從吸肥性能角度研究水肥一體化灌溉施肥機，對關(guān)鍵核心部件文丘里吸肥器漸縮角、漸擴角及喉部直徑等參數(shù)進行優(yōu)化，并取得了顯著效果。袁洪波等為提高水、肥料利用率，再增加文丘里裝置后，對混合罐2種不同模式進行組合，設(shè)計出一種水和肥料集成營養(yǎng)液的調(diào)節(jié)和控制裝備，試驗結(jié)果表明該設(shè)備調(diào)節(jié)速度快、響應精度高。房俊龍等針對當前國內(nèi)大多水肥機設(shè)備內(nèi)部簡單混肥、監(jiān)測管理不到位、自動化程度不夠高、穩(wěn)定性不強等問題，提出一種通用灌溉施肥結(jié)構(gòu)和可配置智能控制器，并利用傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)信息采集與處理技術(shù)，實現(xiàn)灌溉施肥從傳統(tǒng)模式到智能模式的切換。李堅等針對一些規(guī)模較小、栽培管理有特殊要求的日光溫室，以兩路母液/一路酸液與EC/pH值建立關(guān)系模型，設(shè)計出一種基于施肥器的小型灌溉施肥機，該設(shè)計造價成本低廉、實用方便，為日光溫室作物栽培標準化管理奠定了基礎(chǔ)。
通風降溫設(shè)備
大棚溫室通風的主要目的是降溫，通風分為自然通風與機械通風2種，而這2種通風效果最多只能接近或與室外溫度相同。為了能取得較好的降溫效果，目前國內(nèi)普遍采用內(nèi)、外遮陽網(wǎng)進行降溫，即室外采用黑色聚乙烯遮陽網(wǎng)將陽光擋在室外，減少熱量累積;室內(nèi)采用鋁箔保溫網(wǎng)膜，夏季起到隔熱、冬季起到保溫的效果。但在高溫的夏季，僅依靠天窗、側(cè)窗、通風排氣扇、遮陽網(wǎng)等降溫措施，降溫效果并不理想。為保證植物能夠在適宜環(huán)境下正常生長，目前溫室普遍安裝了噴霧降溫和濕簾風機2種降溫設(shè)備。另外，國內(nèi)許多學者對2種降溫設(shè)備作了許多細化研究，為溫室降溫方面的研究提供了許多堅實的科研基礎(chǔ)。周偉等考慮到作物和環(huán)境的相互作用，對采用天窗、外遮陽、內(nèi)噴霧降溫措施進行組合試驗，并利用流體力學(CFD)中穩(wěn)態(tài)方法仿真模擬了Venlo型溫室不同的降溫效果，為溫室作物系統(tǒng)環(huán)境控制策略的定制提供了科學依據(jù);Lin等從節(jié)能、降低損耗的角度考慮，利用洗車泵作為高壓水源，將能量貯存于貯能管中，在泵停止運行期間通過釋放壓縮空氣的能量維持噴霧，并成功將該設(shè)備推廣至溫室大棚降溫;吳霞等針對人工噴霧降溫存在的問題，設(shè)計了一套枸杞育苗的自動噴霧降溫設(shè)備，通過溫濕度傳感器實時采集信息并反饋至控制器，自動調(diào)節(jié)枸杞育苗溫室內(nèi)的溫濕度，不僅準確地控制了溫室內(nèi)的溫濕度，還大大降低了人工成本。胥芳等為了提高溫室夏季降溫環(huán)境性能，提出一種基于計算流體力學(CFD)的溫室濕簾風機系統(tǒng)的降溫環(huán)境優(yōu)化設(shè)計方法，建立了溫室長度、濕簾面積、風機速度等參數(shù)的擬合結(jié)果，為Venlo型溫室濕簾風機系統(tǒng)的設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù);張樹閣等考慮到濕簾風機安裝高度對夏季溫室內(nèi)氣溫的影響，將濕簾風機的安裝高度對降溫效果進行了對比試驗，認為高度不同的作物對濕簾風機安裝高度有不同的要求。
微型耕作機
高產(chǎn)、高效的自動化生產(chǎn)是當前人們追求的目標。結(jié)合我國溫室、大棚等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特征，當前微型耕作機不僅可實現(xiàn)耕作，還可以實現(xiàn)施肥、灌溉、除草等功能，其體積小、質(zhì)量輕、單價低、使用便捷等優(yōu)點越來越受到業(yè)界人士的青睞。因此，國內(nèi)不少學者對微耕機的操作便捷性、舒適性和拓展功能進行了細致的研究。郝允志等考慮到小型耕耘機的自動化水平與操作舒適性，提出一種根據(jù)作業(yè)阻力自動換擋的2檔自動變速器結(jié)構(gòu)，并通過樣機試驗證明了變數(shù)器自動換擋功能與換擋的穩(wěn)定性。王元杰等針對溫室內(nèi)耕作機械存在操作不靈便，作業(yè)人員勞動強度大，設(shè)備污染嚴重等問題，對整機驅(qū)動系統(tǒng)進行了細致研究，設(shè)計了一種適用于溫室大棚耕犁作業(yè)的微型電動耕作機，樣機試驗證明了整機設(shè)計滿足要求。曾晨等為了提高微耕機變速箱的傳統(tǒng)性能和放耕效率，針對變速箱主要參數(shù)進行設(shè)計，建立了多軸式微耕機變速箱的優(yōu)化設(shè)計模型，并用NSGA－2算法求解優(yōu)化模型。高輝松等根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境特點，設(shè)計電動微耕機結(jié)構(gòu)形式及傳動系參數(shù)，開發(fā)溫室大棚用供取電系統(tǒng)和單輸入三輸出變頻調(diào)速系統(tǒng)，研制一種溫室大棚專用的電動微耕機系統(tǒng)，并通過試驗論證其經(jīng)濟性能遠高于同功率的汽油微耕機。
其他溫室設(shè)施裝備
隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展，機械化裝備日益健全。曹崢勇等針對傳統(tǒng)簡易施藥機易造成人員中毒、藥液噴灑過多造成環(huán)境污染等問題，設(shè)計了3自由度噴霧機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對黃瓜植株對靶作業(yè)，試驗結(jié)果表明該設(shè)計具有較高的實用性。李東星在曹崢勇研究的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種無軌道自走式并自適應升降噴桿施藥系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室施藥的無人化、機械化、自動化、精準化。傳統(tǒng)依靠化學植保法維持農(nóng)場日常生產(chǎn)，逐漸無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)能和環(huán)保的要求。另外，隨生活品質(zhì)的提升，人們對無公害、綠色環(huán)保的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)不斷提出了更高的要求。因此，越來越多的物理植保設(shè)備逐漸被開發(fā)和應用。常澤輝等針對傳統(tǒng)土壤滅蟲除菌的化學消毒法帶來的環(huán)境污染及藥物殘留問題，提出了新型聚光回熱式太陽能滅蟲除菌裝置。隋俊杰提出一種土壤電消毒滅蟲原理，并對滅蟲機進行應用，為土壤連作障礙提供了有益的探索。另外，在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后處理中，為減輕人工勞動力強度、提高黃瓜采收智能化水平，紀超等提出一種3層式系統(tǒng)控制方案，研發(fā)了一套黃瓜采摘機器人系統(tǒng)，并在溫室內(nèi)成功進行了各項性能測試。果蔬產(chǎn)后分級、清洗、包裝等工作是產(chǎn)品商品化的必要基礎(chǔ)。魏忠彩等針對機械化收割、清洗、分揀、分級等機械化作業(yè)造成馬鈴薯損傷問題，進一步總結(jié)分析幾種造成損傷的原因，采用抗損傷新材料和高頻低振幅振動分離技術(shù)，對后期開發(fā)和研究馬鈴薯收獲、清洗、分級等倉儲設(shè)備具有重要的指導意義。隨著消費者對易腐食品純正口味、長保質(zhì)期的追求，食品包裝設(shè)備技術(shù)正演變?yōu)橐环N市場趨勢。高德等綜合考慮果蔬呼吸與薄膜透氣2個相互交叉動態(tài)過程，采用臭氧果蔬保鮮技術(shù)，有效延長青水蜜桃與油豆角等果蔬2周以上的保鮮期。
03國內(nèi)溫室設(shè)施裝備發(fā)展存在問題與建議
存在問題
我國在設(shè)施農(nóng)業(yè)方面給予了高度重視與巨大投入，開發(fā)了許多滿足客戶需求的產(chǎn)品，也發(fā)明創(chuàng)造了許多新裝備、新設(shè)施，國內(nèi)溫室設(shè)施裝備自動化水平得到了大幅度提升，作物生產(chǎn)的產(chǎn)量與品質(zhì)也得到了提高，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模也日趨龐大。但與國外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展還存在許多問題:第一，部分機械設(shè)施裝備直接從國外原樣引進或是仿制，對設(shè)備內(nèi)在工作機理未進行深入的消化和吸收，或是根據(jù)不同地區(qū)、場合以及一些外界環(huán)境因素進行相應的設(shè)計和改造，導致溫室設(shè)施產(chǎn)品使用性能達不到國外預期的水平。另外，國內(nèi)溫室農(nóng)業(yè)產(chǎn)品自動化采收，產(chǎn)后分級、清洗及包裝等自動化裝備的相關(guān)研究也相對較少，技術(shù)仍不夠成熟，市場推廣面不強。國內(nèi)溫室內(nèi)部自動化生產(chǎn)的物流裝備的應用仍是空白。第二，部分自主研發(fā)的新裝備的機械工藝較粗糙，體型較笨重，產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計還不能實現(xiàn)從設(shè)備整體協(xié)調(diào)工作的節(jié)能、環(huán)保及耐用等方面進行綜合考慮。材料配件抗老化、穩(wěn)定性等性能遠低于國外水平，從而在設(shè)備整體使用性能上達不到國外先進水平。另外，農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備產(chǎn)品標準化程度不高，產(chǎn)品配件之間通用性與可替換性不強，某種程度上影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展。第三，不僅在溫室硬件設(shè)施裝備與農(nóng)業(yè)發(fā)達國家存在一定差距，已開發(fā)的自動化環(huán)境控制系統(tǒng)軟件也不夠完善，穩(wěn)定性與科學性也須進一步提高。國內(nèi)少數(shù)設(shè)施裝備較完善的大型溫室，硬件設(shè)施設(shè)備配置較高，但生產(chǎn)管理和設(shè)備運行水平仍不及國外。溫室內(nèi)各個設(shè)施裝備運作與調(diào)控模式很大程度上仍依靠人工經(jīng)驗管理，半機械化操作，設(shè)備智能化協(xié)調(diào)性較差，未能充分發(fā)揮各個裝備的協(xié)調(diào)性作用，在一定程度上影響了設(shè)施設(shè)備的發(fā)展。第四，設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)大環(huán)境不夠健全。產(chǎn)業(yè)支持、稅收、科研等政策上未獲得與涉農(nóng)產(chǎn)業(yè)同等的待遇，從而制約了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐。人才培養(yǎng)起步較遲，中、高層實用性人才稀缺，實戰(zhàn)經(jīng)驗普遍存在不足。另外，行業(yè)管理規(guī)范性不足，缺乏引導行業(yè)發(fā)展的作用，盲目追求低水平“示范”“低質(zhì)－低價”等，導致溫室設(shè)施裝備產(chǎn)品開發(fā)與發(fā)展的道路更加曲折漫長。
解決問題的幾點建議
首先，設(shè)施裝備產(chǎn)品在研發(fā)上不能僅考慮到工藝性能與伺服性能指標，還應注重節(jié)能、環(huán)保等方面的設(shè)計與研發(fā)，特別是太陽能、風能及地熱能等新型能源、資源的利用。另外，基礎(chǔ)性學科研究工作須要加強，如溫室設(shè)施裝備材料的各項性能研究，包括抗老化、柔韌性、透光、透氣等。其次，在引進國外先進技術(shù)的同時，須要消化、吸收國外先進技術(shù)與工藝，并根據(jù)我國溫室的現(xiàn)實需求進行相應的改進、升級，最終成為適合國內(nèi)使用的產(chǎn)品。對于溫室內(nèi)生產(chǎn)線生產(chǎn)、植保、產(chǎn)品產(chǎn)后處理等自動化設(shè)施裝備的研究仍處于初級階段，可行性與適用性等研究須要進一步加強。另外，充分利用一些在其他領(lǐng)域已經(jīng)成熟應用的自動化裝備，根據(jù)農(nóng)場現(xiàn)場環(huán)境需求進行適當改造，進一步推廣至農(nóng)場的應用。再次，注重從業(yè)人員實踐技能培訓，提高從業(yè)人員技能素質(zhì)。我國與農(nóng)業(yè)發(fā)達國家差距的本質(zhì)在于人才的差距。政府和農(nóng)業(yè)有關(guān)職能部門應重視人才隊伍培養(yǎng)，尤其是懂農(nóng)機與農(nóng)藝的復合型人才以及溫室綜合性管理人才的發(fā)展和培養(yǎng)。最后，進一步提升對農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備發(fā)展相關(guān)的政策扶持力度。一方面減免設(shè)施設(shè)備購置稅收，并加大設(shè)施設(shè)備購置上的補貼力度，緩解消費者的經(jīng)濟負擔，促進設(shè)備推廣;另一方面政府應加大對設(shè)施設(shè)備科研開發(fā)的支持力度，積極協(xié)調(diào)組織科研單位、高等院校以及生產(chǎn)企業(yè)三者在技術(shù)創(chuàng)新上的對接與耦合，高度集成化、協(xié)同三者的資源優(yōu)勢，凝聚攻堅力量攻克技術(shù)難題，爭取早日開發(fā)出實用性強、適合我國農(nóng)業(yè)溫室生產(chǎn)的全套自動化生產(chǎn)裝備。
04結(jié)語
隨著科技日新月異的發(fā)展，推動了農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備向更高層次邁進，以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)自動化、智能化的要求。我國在農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備方面應該加大步伐，在積極引進國外先進技術(shù)的同時，注重消化、吸收國外先進科技，結(jié)合國情、國力以及我國各地區(qū)的氣候特點，建立具有我國特色的溫室結(jié)構(gòu)、規(guī)模及完整的裝備體系，逐步縮小與農(nóng)業(yè)發(fā)達國家的差距。
來源：網(wǎng)絡(luò)，作者：蒲寶山 鄭回勇 黃語燕 吳敬才 / 福建省農(nóng)業(yè)科學院數(shù)字化研究所，內(nèi)容僅供學習參考，如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除。