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農機論文發表我國溫室農業設施裝備技術發展現狀及建議

職稱驛站所屬分類:農業經濟科學論文發布時間:2019-09-29 09:56:12瀏覽:1

現代化溫室設施裝備發展狀況是設施農業工程發展水平的重要體現,是實現農產品生產高產、高效、高品質的有效保障,也是我國現代都市型農業發展的關注重點。我國農業設施裝備雖經歷近30年跌宕起伏的發展,但仍存在許多問題。因此,總結國外先進的農業設施裝備的發展與研究狀況,綜述目前國內溫室設施裝備的發展存在若干問題并提出幾點建議。

   摘要:現代化溫室設施裝備發展狀況是設施農業工程發展水平的重要體現,是實現農產品生產高產、高效、高品質的有效保障,也是我國現代都市型農業發展的關注重點。我國農業設施裝備雖經歷近30年跌宕起伏的發展,但仍存在許多問題。因此,總結國外先進的農業設施裝備的發展與研究狀況,綜述目前國內溫室設施裝備的發展存在若干問題并提出幾點建議。

  關鍵詞:現代化溫室設施裝備;發展現狀;建議

  中圖分類號:S625 文獻標志碼: A 文章編號:1002-1302(2019)14-0013-05

農民科技培訓

  《農民科技培訓》雜志是面向廣大農民和農業工作者的國家一級農業科普類期刊,國內外公開發行。由中華人民共和國農業部主管,農業部農民科技教育培訓中心、中央農業廣播電視學校主辦。

  現代化溫室設施農業是一種高投入、高技術含量、高產出的農業,它是通過應用工程技術手段和工業化生產模式,為作物的生長營造一個可控制的、適宜的生育條件和環境條件,以保證在有限的空間內使用最小化勞動強度,最低化生產投入,獲得最高產能、最優的品質及最佳的效益[1-3]。而現代化溫室設施機械化是提高整個農業生產效率的關鍵,對提高農業生產效率和農產品品質起到至關重要的作用。因此,溫室設施機械化是未來農業發展的主導方向。溫室農業設施裝備主要包括滴灌設備、濕簾風機降溫系統、內遮陽系統、外遮陽系統、補光設備、加溫設備、CO2補氣系統、環流風機通風系統、頂噴淋系統及其他機械設備(穴盤播種設備、采摘運輸設備、果蔬清洗分檢設備、包裝機械),這些為設施農業的生產作業帶來了便捷性與高效性[4]。

  1 當前國外溫室設施裝備技術發展現狀與趨勢

  設施農業裝備具有機械化科技含量高、自動化程度高、高投入、高效率、高產出的特點,因而在國外得到了迅速發展。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、墨西哥等在農業設施裝備技術發展方面作出了杰出貢獻。

  以色列的滴灌技術與溫室設備材料品質均屬世界一流水平,尤其是滴灌技術的應用,利用高效、節水灌溉系統將土壤鹽漬化控制到最低水平[5-8];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[9]。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與應用也逐漸受人們的關注[10-12]。美國在溫室結構上主要采用大型連棟溫室,栽培設施中在綜合環境控制技術方面取得了巨大成效,尤其是高壓霧化降溫方面[13],加濕系統以及濕簾降溫系統取得世界一流水平[14]。在移苗機器人研發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[15-16]。另外,在環境因子采集過程及溫室灌溉方面,不斷改進傳感器技術,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[17]。日本在設施農業發展上也投入了大量的人力、物力、財力,并密切關注國外先進溫室結構和設施裝備的發展,通過引進、消化、吸收國外先進技術,溫室設施設備研究取得了巨大成效[18-20]。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,高度集成化的工業技術廣泛應用于設施農業,配套的設施裝備種類齊全、技術較成熟[21-22]。其中,溫室通風系統普遍采用電機驅動的機械通風,從而實現溫室內空氣快速地自由流通,進而調節和控制溫室內的溫度和濕度[23]。另外,他們向全球50多個國家提供了溫室計算機控制系統技術服務。可根據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[24-28]等產生植物生長所需因素的設備,并通過計算機控制系統,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,并對設施內各種作物進行多因素監測與調控,從而為作物提供最佳的生長環境[29-30]。另外,國外溫室播種、育苗、收獲等機械化作業普及率很高[31-34],作物產品采摘后的清洗、分級、包裝、預冷等實現了自動化作業[35-37],溫室內病蟲害防治、自動檢測與鑒定設備[38-40]、溫室管理機器人以及其他現代化設施裝置日趨成熟并市場化開發和應用[41-42]。

  2 國內溫室設施裝備技術發展狀況

  相對國外先進的農業設施裝備技術,國內溫室設施裝備技術起步較晚,但發展迅速。溫室結構硬件上,連棟溫室技術發展日趨成熟,西北型單、雙跨日光溫室以及遼寧型日光溫室結構的調整及優化得到了良好的效應,配套設施研究取得較大進展,如濕簾降溫設備、水肥機、供熱升溫設備、通風系統、育苗設備以及溫室內環境因子調控系統等在溫室實際生產實踐中成熟應用,并取得良好的經濟、社會和生態效益,為我國溫室設施工程、農業產業化的推進和發展作出了巨大貢獻[43]。

  2.1 移栽機

  近年來,我國農業生產朝著規模化發展,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,自動化移栽設備需求日顯迫切。在歐美等發達國家移栽設備已較廣泛地應用于農業生產[44],而我國移栽機研究起步較晚,又因為移栽設備結構較復雜、開發成本較高,在國內的發展受到了一定限制,至今為止未見有成批推廣使用的移栽機機型。近幾年,半自動移栽機發展較快,應用較廣泛。但半自動移栽機作業時須配備人員較多,作業效率不高,機械化效益不夠突出。因此,全自動移栽設備逐漸引起學者的關注,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,綜合一組優化的維數參數,并提出一種全局綜合性能指標,設計出一種采用雙自由度并聯轉換結構和氣動機械手的高速插秧機[45];高國華等設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[46];楊振宇等為提高移栽缽苗的成活率,采用單目視覺技術調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[47-48];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[49]。

  2.2 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鍵環節之一。20世紀70年代,我國逐步開始研究精密穴盤播種技術,初期由于國內穴盤育苗設備存在機械化效率和播種精度不高等問題。為解決該問題,農業農村部與科學技術部先后將穴盤育種列入國家重點項目,并要求各地農業機械化研究單位和生產企業及時跟進。經過多年努力,結合自身需求并借鑒國外先進技術,最終研制出多種多樣的精密穴盤育苗播種機[50]。胡建平等開發了一款磁吸式穴盤精密播種機,實現了300盤/h的播種效率[51]。張石平等采用振動機構的激振作用,用吸種盤吸種以實現1粒/穴的精密播種質量[52]。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合的方法,設計出一套自動穴盤精量播種機[53]。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,根據激光傳感器檢測定位,設計出一種穴盤基質打孔與播種的便攜式蔬菜穴盤自動播種機[54]。

  2.3 灌溉施肥機

  以往溫室大棚內灌溉施肥大多采用溝灌、漫灌,導致水資源利用率低,工人作業強度大,土壤養分流失等。另外,溫室內長期濕度較大給整個大棚環境帶來了危害,并誘發一些病害[55]。滴灌施肥技術在現代農業生產中逐步受到業界人士的青睞。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。楊仁全等對國內外現有灌溉施肥技術的現狀進行調研,并開發出一套實用可靠的高精密灌溉施肥機系統[56]。孫宜田等采用營養液混合的模糊控制器,并利用LabVIEW開發出一套智能水肥藥一體化設備,解決了混肥精度不高的問題[57]。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進行優化,并取得了顯著效果[58-59]。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,設計出一種水和肥料集成營養液的調節和控制裝備,試驗結果表明該設備調節速度快、響應精度高[60]。房俊龍等針對當前國內大多水肥機設備內部簡單混肥、監測管理不到位、自動化程度不夠高、穩定性不強等問題,提出一種通用灌溉施肥結構和可配置智能控制器,并利用傳感技術、自動控制技術信息采集與處理技術,實現灌溉施肥從傳統模式到智能模式的切換[61]。李堅等針對一些規模較小、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值建立關系模型,設計出一種基于施肥器的小型灌溉施肥機,該設計造價成本低廉、實用方便,為日光溫室作物栽培標準化管理奠定了基礎[62]。

  2.4 通風降溫設備

  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,目前國內普遍采用內、外遮陽網進行降溫,即室外采用黑色聚乙烯遮陽網將陽光擋在室外,減少熱量累積;室內采用鋁箔保溫網膜,夏季起到隔熱、冬季起到保溫的效果[63]。但在高溫的夏季,僅依靠天窗、側窗、通風排氣扇、遮陽網等降溫措施,降溫效果并不理想。為保證植物能夠在適宜環境下正常生長,目前溫室普遍安裝了噴霧降溫和濕簾風機2種降溫設備。另外,國內許多學者對2種降溫設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。周偉等考慮到作物和環境的相互作用,對采用天窗、外遮陽、內噴霧降溫措施進行組合試驗,并利用流體力學(CFD)中穩態方法仿真模擬了Venlo型溫室不同的降溫效果,為溫室作物系統環境控制策略的定制提供了科學依據[64];Lin等從節能、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,并成功將該設備推廣至溫室大棚降溫[65];吳霞等針對人工噴霧降溫存在的問題,設計了一套枸杞育苗的自動噴霧降溫設備,通過溫濕度傳感器實時采集信息并反饋至控制器,自動調節枸杞育苗溫室內的溫濕度,不僅準確地控制了溫室內的溫濕度,還大大降低了人工成本[66]。胥芳等為了提高溫室夏季降溫環境性能,提出一種基于計算流體力學(CFD)的溫室濕簾風機系統的降溫環境優化設計方法,建立了溫室長度、濕簾面積、風機速度等參數的擬合結果,為Venlo型溫室濕簾風機系統的設計提供了可靠的理論依據[67];張樹閣等考慮到濕簾風機安裝高度對夏季溫室內氣溫的影響,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[68]。

  2.5 微型耕作機

  高產、高效的自動化生產是當前人們追求的目標。結合我國溫室、大棚等農業生產環境的特征,當前微型耕作機不僅可實現耕作,還可以實現施肥、灌溉、除草等功能,其體積小、質量輕、單價低、使用便捷等優點越來越受到業界人士的青睞。因此,國內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,提出一種根據作業阻力自動換擋的2檔自動變速器結構,并通過樣機試驗證明了變數器自動換擋功能與換擋的穩定性[69]。王元杰等針對溫室內耕作機械存在操作不靈便,作業人員勞動強度大,設備污染嚴重等問題,對整機驅動系統進行了細致研究,設計了一種適用于溫室大棚耕犁作業的微型電動耕作機,樣機試驗證明了整機設計滿足要求[70-71]。曾晨等為了提高微耕機變速箱的傳統性能和放耕效率,針對變速箱主要參數進行設計,建立了多軸式微耕機變速箱的優化設計模型,并用NSGA-2算法求解優化模型[72]。高輝松等根據設施農業的環境特點,設計電動微耕機結構形式及傳動系參數,開發溫室大棚用供取電系統和單輸入三輸出變頻調速系統,研制一種溫室大棚專用的電動微耕機系統,并通過試驗論證其經濟性能遠高于同功率的汽油微耕機[73]。

  2.6 其他溫室設施裝備

  隨著設施農業發展,機械化裝備日益健全。曹崢勇等針對傳統簡易施藥機易造成人員中毒、藥液噴灑過多造成環境污染等問題,設計了3自由度噴霧機器人控制系統,實現了對黃瓜植株對靶作業,試驗結果表明該設計具有較高的實用性[74]。李東星在曹崢勇研究[74]的基礎上研發了一種無軌道自走式并自適應升降噴桿施藥系統,實現了溫室施藥的無人化、機械化、自動化、精準化[75]。傳統依靠化學植保法維持農場日常生產,逐漸無法滿足現代農業生產節能和環保的要求。另外,隨生活品質的提升,人們對無公害、綠色環保的農產品品質不斷提出了更高的要求。因此,越來越多的物理植保設備逐漸被開發和應用。常澤輝等針對傳統土壤滅蟲除菌的化學消毒法帶來的環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[76]。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[77]。另外,在農產品產后處理中,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層式系統控制方案,研發了一套黃瓜采摘機器人系統,并在溫室內成功進行了各項性能測試[78]。果蔬產后分級、清洗、包裝等工作是產品商品化的必要基礎。魏忠彩等針對機械化收割、清洗、分揀、分級等機械化作業造成馬鈴薯損傷問題,進一步總結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,對后期開發和研究馬鈴薯收獲、清洗、分級等倉儲設備具有重要的指導意義[79]。隨著消費者對易腐食品純正口味、長保質期的追求,食品包裝設備技術正演變為一種市場趨勢[80]。高德等綜合考慮果蔬呼吸與薄膜透氣2個相互交叉動態過程,采用臭氧果蔬保鮮技術,有效延長青水蜜桃與油豆角等果蔬2周以上的保鮮期[81-82]。

  3 國內溫室設施裝備發展存在問題與建議

  3.1 存在問題

  我國在設施農業方面給予了高度重視與巨大投入,開發了許多滿足客戶需求的產品,也發明創造了許多新裝備、新設施,國內溫室設施裝備自動化水平得到了大幅度提升,作物生產的產量與品質也得到了提高,設施農業生產的規模也日趨龐大。但與國外設施農業發達國家相比,我國設施農業裝備的發展還存在許多問題:第一,部分機械設施裝備直接從國外原樣引進或是仿制,對設備內在工作機理未進行深入的消化和吸收,或是根據不同地區、場合以及一些外界環境因素進行相應的設計和改造,導致溫室設施產品使用性能達不到國外預期的水平。另外,國內溫室農業產品自動化采收,產后分級、清洗及包裝等自動化裝備的相關研究也相對較少,技術仍不夠成熟,市場推廣面不強。國內溫室內部自動化生產的物流裝備的應用仍是空白。第二,部分自主研發的新裝備的機械工藝較粗糙,體型較笨重,產品生產設計還不能實現從設備整體協調工作的節能、環保及耐用等方面進行綜合考慮。材料配件抗老化、穩定性等性能遠低于國外水平,從而在設備整體使用性能上達不到國外先進水平。另外,農業設施裝備產品標準化程度不高,產品配件之間通用性與可替換性不強,某種程度上影響了設施農業裝備的發展。第三,不僅在溫室硬件設施裝備與農業發達國家存在一定差距,已開發的自動化環境控制系統軟件也不夠完善,穩定性與科學性也須進一步提高。國內少數設施裝備較完善的大型溫室,硬件設施設備配置較高,但生產管理和設備運行水平仍不及國外。溫室內各個設施裝備運作與調控模式很大程度上仍依靠人工經驗管理,半機械化操作,設備智能化協調性較差,未能充分發揮各個裝備的協調性作用,在一定程度上影響了設施設備的發展。第四,設施農業裝備產業大環境不夠健全。產業支持、稅收、科研等政策上未獲得與涉農產業同等的待遇,從而制約了該產業的發展步伐。人才培養起步較遲,中、高層實用性人才稀缺,實戰經驗普遍存在不足。另外,行業管理規范性不足,缺乏引導行業發展的作用,盲目追求低水平“示范”“低質-低價”等[50],導致溫室設施裝備產品開發與發展的道路更加曲折漫長。

  3.2 解決問題的幾點建議

  首先,設施裝備產品在研發上不能僅考慮到工藝性能與伺服性能指標,還應注重節能、環保等方面的設計與研發,特別是太陽能、風能及地熱能等新型能源、資源的利用。另外,基礎性學科研究工作須要加強,如溫室設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的同時,須要消化、吸收國外先進技術與工藝,并根據我國溫室的現實需求進行相應的改進、升級,最終成為適合國內使用的產品。對于溫室內生產線生產、植保、產品產后處理等自動化設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域已經成熟應用的自動化裝備,根據農場現場環境需求進行適當改造,進一步推廣至農場的應用。再次,注重從業人員實踐技能培訓,提高從業人員技能素質。我國與農業發達國家差距的本質在于人才的差距。政府和農業有關職能部門應重視人才隊伍培養,尤其是懂農機與農藝的復合型人才以及溫室綜合性管理人才的發展和培養。最后,進一步提升對農業設施設備發展相關的政策扶持力度。一方面減免設施設備購置稅收,并加大設施設備購置上的補貼力度,緩解消費者的經濟負擔,促進設備推廣;另一方面政府應加大對設施設備科研開發的支持力度,積極協調組織科研單位、高等院校以及生產企業三者在技術創新上的對接與耦合,高度集成化、協同三者的資源優勢,凝聚攻堅力量攻克技術難題,爭取早日開發出實用性強、適合我國農業溫室生產的全套自動化生產裝備。

  4 結語

  隨著科技日新月異的發展,推動了農業設施裝備向更高層次邁進,以滿足設施農業自動化、智能化的要求。我國在農業設施裝備方面應該加大步伐,在積極引進國外先進技術的同時,注重消化、吸收國外先進科技,結合國情、國力以及我國各地區的氣候特點,建立具有我國特色的溫室結構、規模及完整的裝備體系,逐步縮小與農業發達國家的差距。

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《農機論文發表我國溫室農業設施裝備技術發展現狀及建議》

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