中国设施农业现状及发展战略.doc

1、中国设施农业现状及发展战略摘要：本文以设施农业的发展背景分析为基础，介绍了目前国际上在温室智能化管理、节能与新能源利用、高效栽培、植物工厂和温室机器人等设施农业关键技术领域的发展趋势，对我国设施农业的研究现状和问题进行了系统阐述。针对目前我国设施农业存在的问题，提出了今后应重点在温室结构优化与新型材料开发、基于作物生长模型的温室数据采集与智能化控制、温室高效生产综合配套技术、温室节能与资源高效利用以及植物工厂等方面进行优先研究的发展战略和建议。关键词：设施农业 温室管理 植物工厂 资源高效利用The research situation and development strategy of

2、controlled environmental agriculture in ChinaYang Qi-chang Sun Zhong-fu Wei Ling-ling Liu Wen-ke Bao Shun-shu Cheng Rui-feng （Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081）Abstract: Based on the background analysis of co

3、ntrolled environmental agriculture（CEA）, current research situation and development trend on intelligence management of greenhouse, saving-energy technology, efficient cultivation, plant factory, greenhouse robot and other new technologies were illuminated deeply. Aiming at the existent problem of c

4、ontrolled environmental agriculture（CEA） in china, the priority research projects , including greenhouse structure optimization, new materials development, date acquisition and intelligent control based on the crop growth model, synthesis technique of efficient cultivation, saving-energy engineering

5、, efficient using of resource and plant factory, were suggested. Moreover, the suggestions to develop controlled environmental agriculture（CEA） in China were also put forward. Key words: Controlled environmental agriculture（CEA）；Greenhouse management；Plant factory； Efficient cultivation1 背景和意义1设施农业，

6、是在环境相对可控条件下，采用工程技术手段，进行动植物高效生产的一种现代农业方式。虽然设施农业涵盖设施种植、设施养殖和设施食用菌等产业，但更多的情况下人们常常特指设施种植业。在国际的称谓上，欧洲、日本等通常使用“设 施农业（Protected Agriculture）” 这一概念，美国等通常使用“可控 环境农业（Controlled Environmental Agriculture）”一词，我国在 “九五”期间曾经使用过“工厂化农业(Industrialized Agriculture)” 的概念1。所有这些名称，约定俗成，只是文字表达上的差异，其实内容是基本一致的。由于设施农业是在环境相对可

7、控条件下进行生产，因而可以完全或部分地摆脱自然条件的束缚，使生物种性与遗传潜力得以充分发挥，达到提高资源利用率、劳动生产率和社会经济效益的目的。20 世纪 60 年代以来，随着现代工业向农业的渗透，设施农业在荷兰、日本和以色列等一些发达国家迅速发展，并形成了强大的支柱产业。目前，这些国家在设施农业优良品种的选育、新材料开发、环境控制、高效栽培及其配套系统等方面均形成了完整的技术体系2。我国是一个人均资源极度匮乏的国家，资源与人口的现实压力决定了我国农业的发展必须走资源节约型可持续发展之路。设施农业作为资源高效利用型产业，不但可以充分挖掘作物遗传潜力，大幅度地提高产量，而且还可实现在盐碱地、戈壁

8、、沙漠、建筑物屋顶等非可耕地上进行生产，提高土地资源、水资源和光热资源的利用效率，实现高产、优质、高效和可持续发展。因此，大力发展设施农业对缓解我国人口资源压力、实现由农业大国向农业强国转变，是十分必要的。首先，设施农业的发展有利于我国资源的优化配置和高效利用，缓解由于人口增长、资源短缺与人们消费水平日益增长所产生的供需矛盾。我国是一个农业大国，人口多，耕地少，人均资源相对不足，农业发展正面临着耕地日益减少、人口不断增长和社会总需求不断增加的严峻挑战。目前我国的人均耕地约为0.08 公顷，仅为世界平均水平的 1/3，人均水资源也只有世界平均水平的 1/4，而且人口还以每年 1.7的速度递增，由

9、于城市化等原因耕地每年以 450 万亩递减，荒漠化以每年 2460平方公里扩展3。 “民以食为天”，要在有限的人均资源条件下，满足人们日益增长的对农副产品的需求，必须走高效农业的发展之路。由于设施农业是在环境相对可控的条件下进行生产，在一定程度上克服了传统农业难以解决的限制因素，使资源各要素能得到优化配置和高效利用，单位土地面积的生产能力可得到成倍乃至数十倍的提高。有关资料显示，我国设施园艺产业以不到 3%的种植业土地，获得了 20%左右的种植业总产值4。因此，设施农业的发展将是今后解决我国人口增加、资源短缺、人们消费日益增长矛盾的有效途径。其次，设施农业的发展有利于我国现代农业整体水平的优化

10、升级和综合效益的提高。改革开放以来，我国设施农业取得了长足的发展，仅设施栽培面积即从 1981 年的 0.72 万公项发展到 2007 年的300 多万公项，居世界首位；但与发达国家相比，我国 90%以上的设施仍为简易型结构，环境调控能力差、综合配套技术不完善、专用品种缺乏、劳动生产率和土地利用率较低的现象仍较为突出，单位面积产量仅为发达国家的 1/21/4，劳动生产率按人均管理面积计算也仅相当于发达国家的1/51/10。我国虽拥有约 3000 公顷具有一定环控能力的大型连栋温室，但有 400 公顷左右为进口产品,国产温室的一些关键技术与设备，如覆盖材料、遮阳（防虫）网、环境控制、节水灌溉以及

11、配套栽培系统等也都部分或全部依赖进口5。因此 ，要彻底改变我国设施农业的现状，必须加大设施农业整体装备水平与关键配套技术的研究与产业化开发力度，形成具有中国特色的设施结构型式和配套技术体系，提升设施农业的综合效益。第三，设施农业的发展有利于提升我国温室产业的自主创新能力，加快国产化进程，带动现代农业的发展。近年来，随着我国设施农业的快速发展，引进国外设施、品种和配套技术的进程也明显加快。据统计，我国 1995 以来引进国外的大型连栋温室数量在 360 公顷以上，约占全部引进总量的 90%以上。实践证明，引进温室并不适合我国国情，如从荷兰引进的玻璃温室无法满足全年生产对设施的要求，除降温性能差外

12、，冬季耗能大、运行费用高等问题也很突出，这是由于荷兰纬度高、光照弱、冬暖夏凉的气候特点所决定的，温室设计主要考虑采光好、封闭严和利于自然通风，对保温性能和机械通风降温考虑较少，这一特点仅适合于我国极少量地区，绝大部分地区均不适宜；以色列因光照好，气候温和，温室多用单层塑料膜覆盖，我国北方地区引进后冬季采暖能耗极大，运行费用较高，效益普遍较差。由于气候适用性差，许多地方引进的温室成为无法使用的“超级塑料大棚”6。因此，我国 应在引进消化国外先进温室技术的基础上，着力加强自主创新能力的建设，针对不同气候区的特点，研究开发出能耗低、环境控制水平高、配套设施完善、适宜我国经济发展水平的国产化温室设施，

13、同时结合育种及栽培管理技术的研究与开发，逐步使我国设施农业形成完善的配套技术体系，实现设施农业技术的全面国产化。综上所述，大力开展自主创新研究，提升我国设施农业装备和配套技术水平，不仅有利于提高我国有限资源的利用效率，缓解由于人口增长、资源短缺和消费日益增长的矛盾；而且对我国设施农业整体水平的提高、国产化进程的加快以及国民经济的持续高效发展都具有十分重要的意义7。2 国际发展趋势20 世纪 60 年代以来，随着现代工程、新型材料和微电子技术向农业的渗透，设施农业在荷兰、以色列和日本等一些发达国家得到迅速发展。目前，这些国家在设施农业装备和配套技术方面均形成了完整的体系，其现代化温室能根据作物对

14、环境的不同需要，由计算机对设施内的温、光、水、气、肥等因子进行自动监测和调控，并可实现温室作物全天候、周年性的高效生产，荷兰温室西红柿的产量达到了5070kg/m2，黄瓜 产量达 80100kg/m2，玫瑰产量达320340 枝/m2。同 时，在设施农业高效生产的综合配套技术方面也得到了快速发展，无土栽培技术已被广泛使用，温室节能技术、环境监测与控制技术、CO2 施肥技术、熊蜂授粉技术、病虫害综合防治技术、节水灌溉技术以及智能化管理与网络技术等方面也得到了快速发展8-11。主要技术发展趋势如下：（1）温室管理的数字化、智能化是目前国际设施农业研究与产业化开发的主要方向。 在详尽研究作物生理与环

15、境互作关系的基础上，形成作物从苗期到成熟阶段不同生育时期与环境关系的量化指标体系和控制模型，实现对设施内温度、湿度、光照、水分、营养、CO2 浓 度等综合 环境因子的自动监测与调控，已经成为当前国际上设施农业研究的热点。目前，有两个主要研究方向值得关注：一是温室作物高效生产管理模型的研究。通过多年对温室作物生理信息与环境、营养之间定量规律的研究，建立作物数字化模型，为温室精准化管理提供理论依据 12，13。如荷兰通过多年的研究，开发出了 Tomsim（番茄）、Hotsim（黄瓜）等模型，对包括整枝方式、栽培密度、基于天气和植株生育状况的环境管理指标、不同生育阶段的水肥管理指标、病虫害预防和控制

16、技术等进行了量化；美国和荷兰专家共同推出的 Tomgro 番茄管理模型，也已得到广泛应用14。日本农业研究中心开发出的 MetBroker 系统和山武股份公司开发的拓扑案例模型法(Topological Case-Based Modeling: 简称 TCBM)，形成的作物模型已成功用于温室番茄的管理；二是基于 Web 的温室数据采集与控制系统软硬件的开发。通过环境、生理、营养等生物物理传感器的开发，以及人工神经网络、遗传算法、模糊控制策略等智能控制技术、Internet 在数据传输与控制方面的应用等，开发出基于 Web的温室数据采集与控制系统。荷兰瓦赫宁根大学通过将作物管理模型与环境控制模型

17、相结合，实现温室的智能化管理，大幅度降低了系统能耗和运行费用6。日本千叶大学利用遥感技术和图象检测装置测定植物群落的生长状况，从而实现温室的智能化管理与控制。以色列 ELDARGAL 公司研制出了能同时采集数十个植物生理和环境信息的监测仪，通过与专家系统结合实现对植物环境的精确调控。随着网络技术的普及，温室的智能化、网络化管理技术也得到了较快的发展。伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观察、遥控 50km 以外温室内的温、光、气、水等环境因子状况。日本明星电气公司开发的农业气象信息网络系统可同时连续检测 15 种环境要素,并将测量数据实时连接到计算机或因特网上，进行远程监测和调控。美国

18、加里福尼亚大学和康奈尔大学还研制出了温室生产 SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)智能化技术，即将进入实际应用阶段14-15。（2）温室节能与新能源应用研究受到普遍重视。基于化石能源日益枯竭、温室气体（CO2）限制排放等原因，欧美等发达国家目前在温室领域最重要的研究课题是节能。多年来，这些国家的温室产业对化石燃料（天然气和石油等）的依赖较大，在日本每生产一根黄瓜需耗燃油 60ml，一个（型 200）番茄需耗油 85ml，荷兰每年 1.1 万公顷温室消耗的天然气约占全国总用气量的 12%。近年来，随着京都议定书的执行，一些发达国家正在积

19、极研究温室产业具体的CO2 减排措施。如荷兰规定，到 2010 年，将以 1980 年（100%）为参照减少温室行业 65%化石燃料的使用，到 2020 年，将基本不用化石燃料。因此，这些国家纷纷投入大量的科研经费用于节能和新能源技术的研究。其主要进展包括：第一，大幅度提高覆盖材料的透光率、增加太阳能的入射量。例如，荷兰瓦赫宁根大学开发了一种叫 Zigzag 的板材，利用反射光的二次利用，透光率可达 89%，最高达到93%95%17。一些国家还开发出了温室屋顶清洗机械装置，用于清洗屋顶的灰尘，增加温室的透光率；第二，在防止温室内部长波向外辐射方面，对温室覆盖材料的内侧进行镀膜处理，以阻止长波向外辐射，减少热损耗，可以实现节能 25%以上；第三，在热能的多用途利用和余热回收方面，尽可能减