福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化研究進(jìn)展

王 濤，鄭回勇，陳永快，雷錦桂，黃語燕，吳寶意

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字所， 福建 福州 350003；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 福建 福州 350003)

設(shè)施農(nóng)業(yè)不同于傳統(tǒng)的露地農(nóng)業(yè)栽培，是一種現(xiàn)代化的可控農(nóng)業(yè)，通過人為手段進(jìn)行調(diào)控，為作物提供適宜的溫度、光照、水分、肥料、空氣等，培育壯苗，降低或隔絕病蟲害侵染，保證農(nóng)作物的正常生產(chǎn)，從而提高產(chǎn)量、降低生產(chǎn)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益。總的來說，設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種高投入、高產(chǎn)出、高能耗的產(chǎn)業(yè)[1]。

從結(jié)構(gòu)上來看，主要有拱棚、塑料大棚、日光溫室、單棟溫室、連棟溫室等幾種類型；骨架結(jié)構(gòu)材料主要以竹、木、鋼、鋼筋混凝土、鋁合金、玻璃鋼、塑鋼復(fù)合及多元無機復(fù)合等材料；覆蓋材料主要以塑料薄膜、玻璃、PC板、玻璃鋼等為主[2]。拱棚和塑料大棚建造成本較低，能基本達(dá)到保溫以及隔離蟲害、鳥害等功能，還能得到政府一定的建造補貼，深受農(nóng)戶喜愛，是目前福建省使用面積最廣的設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚。日光溫室、單棟溫室、連棟溫室由于建造初期投入成本較高，主要是大型農(nóng)業(yè)企業(yè)、高校以及科研單位等應(yīng)用較多。

在20世紀(jì)的70年代末及80年代初經(jīng)我國科研人員的不斷努力，相繼出現(xiàn)了塑料大棚和溫室大棚[3]。20世紀(jì)90年代，我國開始引進(jìn)學(xué)習(xí)荷蘭、日本、美國、以色列等國外先進(jìn)的溫室及配套栽培技術(shù)，開始生產(chǎn)反季節(jié)農(nóng)作物，并延長作物生長周期[4]。經(jīng)過近30年的發(fā)展，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積躍居世界第一，溫室建造及大棚生產(chǎn)技術(shù)等取得很大的進(jìn)展。隨著科技的不斷發(fā)展，目前設(shè)施農(nóng)業(yè)不斷朝著自動化、智能化、信息化方向發(fā)展。

1 福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，人均資源相對不足，要在有限的資源條件下，滿足人民日益增長的對農(nóng)副產(chǎn)品的需求，必須要走高效農(nóng)業(yè)發(fā)展之路。福建省是我國土地面積較小的省份之一，全省土地面積占全國土地面積的1.3%，位居全國第23位，是個農(nóng)業(yè)相對不發(fā)達(dá)地區(qū)。福建是一個多山的省份，丘陵山地較多，平地較少，且地形較復(fù)雜，夏季及秋季受臺風(fēng)影響較大。據(jù)2012年福建省農(nóng)業(yè)工作會議報告，2011年福建省新建各種設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚1 400 hm2，帶動新建各類設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚10 826.67 hm2。

雖然福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展十分迅速，但依然存在一些問題，主要是保溫為目的的簡易大棚，科技含量較高的現(xiàn)代化日光溫室、連棟溫室有一定的發(fā)展，但主要用于花卉栽培以及設(shè)施育苗，真正應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)幾乎沒有。在智能化方面，目前設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制水平較低，用于耕作、栽培和收獲等環(huán)節(jié)的設(shè)施裝備較少，機械化水平低，勞動用工量較大，隨著人工成本逐年上升，導(dǎo)致生產(chǎn)成本不斷增加(目前福州市大棚作業(yè)員一天人工成本約120元)，產(chǎn)品競爭力下降，因此發(fā)展智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)勢在必行。要大力發(fā)展福建省智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)，必須從科技入手，結(jié)合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與計算機高新技術(shù)，從技術(shù)上解決溫室環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、專家軟件系統(tǒng)、無土栽培系統(tǒng)等，開發(fā)適于福建省作物的生產(chǎn)栽培管理控制系統(tǒng)，促進(jìn)福建省智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展。

智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)是集結(jié)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程技術(shù)、信息化技術(shù)、農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)和自動化生產(chǎn)技術(shù)等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。智能化、信息化、自動化在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要體現(xiàn)：(1)在設(shè)施大棚內(nèi)，用不同功能的傳感器探測頭準(zhǔn)確采集大棚內(nèi)光、溫、水、肥、氣等相關(guān)環(huán)境因子以及作物生長發(fā)育情況、棚內(nèi)病蟲害程度等參數(shù)，轉(zhuǎn)換成電子數(shù)字信號后傳回計算機，通過大量數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗等所整合而成的專家系統(tǒng)，根據(jù)不同作物生長所需的最佳環(huán)境條件，由計算機自動發(fā)出指令，使有關(guān)裝置設(shè)備等進(jìn)行相應(yīng)運作，將室內(nèi)的環(huán)境因子(光、溫、水、肥、氣)調(diào)整為作物最佳的生長環(huán)境，保證作物的正常生產(chǎn)[5]。(2)吸式播種機進(jìn)行半機械化播種，播種前在穴盤內(nèi)裝好一半左右的育苗基質(zhì)，隨后將種子平鋪在種子盤中，開啟種子氣吸機，種子吸入播種槽下方，對準(zhǔn)穴盤的各穴進(jìn)行按壓，氣吸機退壓后，種子均勻灑落在穴盤中，最后在種子上方在覆蓋一層基質(zhì)，即完成了一盤的播種工作，整個流程需時30～40 s，比起傳統(tǒng)的人工播種尤其是128孔的穴盤，大大節(jié)省了勞動時間[6]。(3)植物工廠是近幾年興起的一種在完全密閉可控的環(huán)境下采用人工光源與營養(yǎng)液栽培技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行工廠化生產(chǎn)的方式。由于系統(tǒng)密閉，不受或很少受到外界環(huán)境的影響，人工投入相對較少，主要是用于分栽葉菜類作物，采收包裝以及模組模塊的清理上，但能源消耗較大，建設(shè)與運行成本較高[7]。(4)半自動嫁接機，將接穗和砧木分別置于嫁接機的兩側(cè)，基本實現(xiàn)接穗和砧木切削、接合、嫁接夾固定，排苗作業(yè)的自動化、程序化[8]。目前嫁接機可以應(yīng)用于茄果類(番茄、茄子、辣椒)和瓜類(西瓜、黃瓜、甜瓜等)，嫁接成活率85%～90%。(5)智能化農(nóng)業(yè)機器人是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要方向，可以替代農(nóng)民從事繁重的體力勞動，在惡劣的環(huán)境條件(暴雨、臺風(fēng)等)下進(jìn)行持續(xù)的勞動，從事整地、播種、定植、噴藥、采收以及農(nóng)產(chǎn)品分級包裝等，大大節(jié)省勞動力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[9]。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的主要組成部分

2.1 設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)，別名“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是通過信息傳感設(shè)備(射頻識別、全球定位系統(tǒng)、遙感、無線傳感器等)在互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)絡(luò)等通信網(wǎng)絡(luò)下，按約定協(xié)議把物品與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)起來，實現(xiàn)信息的感知、采集、傳輸以及智能處理，構(gòu)建成一套能夠?qū)崿F(xiàn)智能管理的網(wǎng)絡(luò)[10-12]。物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)架構(gòu)上可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[13]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)目前主要應(yīng)用于設(shè)施大棚環(huán)境因子實時采集及智能調(diào)控、作物病蟲害遠(yuǎn)程診斷、水肥一體化自動灌溉和農(nóng)田環(huán)境實時監(jiān)測等方面[14]。2010年的《政府工作報告》中,將“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”明確納入重點產(chǎn)業(yè)振興計劃，隨后，物聯(lián)網(wǎng)正式為列為中國五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一[15]。近年來，在我國專家學(xué)者不懈努力下，物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展快速，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的相關(guān)研究也取得很大的進(jìn)展。郭佑民等[16]研發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的設(shè)施大棚種植監(jiān)測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確采集大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，解決了目前有線傳輸帶來的成本高、布線復(fù)雜、布線過程中對農(nóng)作物造成的傷害。孫燕等[17]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了實時在線監(jiān)控的自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采用無線數(shù)據(jù)的傳輸和控制，更準(zhǔn)確地掌握農(nóng)作物的生長環(huán)境，更精確地進(jìn)行灌溉，更有效的節(jié)約了勞動力。王曉蓉等[18]運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對日光溫室黃瓜的生長環(huán)境(空氣和土壤溫濕度、白粉病發(fā)病狀況)進(jìn)行了實時監(jiān)測和采集，建立日光溫室黃瓜白粉病預(yù)警模型，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上防治黃瓜白粉病有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 溫室智能控制系統(tǒng)

溫室智能控制系統(tǒng)是通過傳感器對溫度、濕度、CO2濃度和光照強度等進(jìn)行實時監(jiān)控、采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在無線或有線環(huán)境下傳送到手機電腦等設(shè)備，對大棚內(nèi)的風(fēng)機、水簾、遮陽網(wǎng)、側(cè)膜、天窗等進(jìn)行控制，把溫室內(nèi)的環(huán)境因子控制在農(nóng)作物生長最適宜的范圍內(nèi)，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險，提高經(jīng)濟(jì)效益[19-21]。溫室智能控制從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)上來看，屬于應(yīng)用層，是在溫室環(huán)境因子采集好的基礎(chǔ)下實現(xiàn)操作應(yīng)用，是智能溫室生產(chǎn)的重要組成部分，也是目前國內(nèi)外學(xué)者在數(shù)字農(nóng)業(yè)研究的主要方向之一。崔錦輝等[22]在智能溫室進(jìn)行薄皮甜瓜生產(chǎn)試驗，結(jié)果表明：應(yīng)用智能控溫機的農(nóng)戶在薄皮甜瓜產(chǎn)量上明顯優(yōu)于不應(yīng)用智能控溫機的農(nóng)戶，生產(chǎn)效益顯著提高。秦琳琳等[23]基于分布式CAN總線的硬件系統(tǒng)，設(shè)計了一套溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室內(nèi)相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集與設(shè)備控制，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定傳輸，可靠的進(jìn)行溫室內(nèi)環(huán)境調(diào)控。屈毅等[24]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一套溫室智能監(jiān)測系統(tǒng)，可實時遠(yuǎn)程獲取溫室內(nèi)部溫度、濕度等相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)的形式傳遞給用戶，同時對采集數(shù)據(jù)的進(jìn)行智能處理、為相應(yīng)控制系統(tǒng)提供控制信號，自動調(diào)整設(shè)施大棚內(nèi)環(huán)境因子，為植物生長提供適宜環(huán)境。

2.3 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)

僅依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，在目前設(shè)施大棚內(nèi)簡單自動化的基礎(chǔ)上，增加了可監(jiān)控及可操控性，還算不上真正意義的智能化農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是一種匯集了大量農(nóng)業(yè)專門知識與經(jīng)驗而成的計算機系統(tǒng)，是在一個或多個農(nóng)業(yè)專家提供特定領(lǐng)域的相關(guān)知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，用計算機模擬專家的思維，根據(jù)已有的知識庫進(jìn)行推理判斷，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所出現(xiàn)的問題提供專家式的解決方案[25-26]。近年來，國內(nèi)學(xué)者立足本地，在專家系統(tǒng)上進(jìn)行了深入研究，建成各種設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培管理及病蟲害防治等方面的專家系統(tǒng)[27]。福建農(nóng)林大學(xué)的潘錦山早在2007年就構(gòu)建了一套基于ASP.NET的柚豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)無公害栽培專家系統(tǒng)[28]。姚天明[29]建立一套栽培知識庫，通過對性狀選擇、圖片識別和數(shù)據(jù)分析，能夠識別蘋果的品種、苗木、病蟲害等,并進(jìn)一步提出診斷結(jié)果和栽培建議。林瀟等[30]針對江西省水稻蟲害的特點和特征，建立了一套專家知識本體庫，開發(fā)出水稻蟲害診斷系統(tǒng)，集診斷、防治和查詢多種功能于一體,對南方紅壤丘陵區(qū)水稻蟲害的診斷和防治具有很好的應(yīng)用價值。

3 福建省農(nóng)科院在智能化溫室上的應(yīng)用實踐

福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中以示范農(nóng)場位于福州市晉安區(qū)新店鎮(zhèn)埔垱村，由以色列工貿(mào)部及Maagad企業(yè)和福建農(nóng)科院共同合作，農(nóng)場總投資8 000萬元，涵蓋蔬菜、水產(chǎn)、養(yǎng)禽、養(yǎng)牛等多方面的智能農(nóng)業(yè)設(shè)施生產(chǎn)[31]。

在設(shè)施農(nóng)業(yè)作物栽培方面，2013年10月引進(jìn)以色列先進(jìn)的設(shè)備及技術(shù)，在埔垱建成3 500 m2的玻璃溫室大棚，并通過消化吸收以色列先進(jìn)技術(shù)，在農(nóng)科院福清漁溪基地，建成超過10 000 m2的智能溫室，吸引來自全省各地的科研、高校以及企業(yè)前來觀摩學(xué)習(xí)[32]。

在智能溫室內(nèi)，以葉菜類、茄果類及瓜果類為主要栽培對象，采用高效的無土栽培(基質(zhì)和營養(yǎng)液NFT栽培)，以水肥一體化技術(shù)為依托，不僅徹底解決露地環(huán)境下的土傳病害，而且還有效減少病蟲害基數(shù)，有效提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。溫室采用目前國內(nèi)先進(jìn)結(jié)構(gòu)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境因子的實時監(jiān)控，工作人員通過相應(yīng)數(shù)據(jù)信息對天窗、風(fēng)機、側(cè)膜、遮陽網(wǎng)、噴霧等環(huán)控設(shè)備進(jìn)行簡易操作，初步實現(xiàn)溫室環(huán)境的數(shù)字化控制。

4 福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的不足及展望

4.1 智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)投資成本高

設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種高投入、高產(chǎn)出、高能耗的產(chǎn)業(yè)，因此前期投入的大棚建造費、水電能耗費、環(huán)控設(shè)備費、工作人員薪酬以及種子種苗、有機肥、農(nóng)藥等材料費每一筆都是不小的開支，雖然福建省對農(nóng)業(yè)補貼的財政支出逐年增加，但目前仍存在投入不足的問題。福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)投入基本上由企業(yè)和農(nóng)戶自籌，這是目前福建省還是以塑料薄膜簡易大棚為主的原因，前期投入小、見效快、基本達(dá)到保溫防寒的效果，是絕大多數(shù)農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)所能夠承受起的范圍內(nèi)。

以閩南經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的廈門市為例，政府對設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展重視，財政支出力度大，充分發(fā)揮政府引導(dǎo)作用，并建立了廈門如意種苗、廈門百利種苗等農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)、廈門中科生物股份有限公司等高新農(nóng)業(yè)企業(yè)等帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。但也存在部分縣市對設(shè)施農(nóng)業(yè)重視程度不高，資金投入不大，設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展困難[33]。

4.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化、產(chǎn)業(yè)化水平較低

除了部分經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)能力較強的企業(yè)已經(jīng)逐步向現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，開始采用無土栽培技術(shù)、水肥一體化系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實時監(jiān)控等高新技術(shù)，但絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)合作社、個體農(nóng)戶等還是以簡易的竹木或鋼架設(shè)施大棚下采用土壤栽培，沒有標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化宣傳及推廣力度不足、采后保鮮及銷售渠道等也有沒相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化，由此增加了農(nóng)民的勞動量，對病蟲害等進(jìn)行胡亂用藥，農(nóng)戶知識水平低，對目前現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很難完全接受，難以真正實現(xiàn)福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

4.3 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化研究技術(shù)落后、人才匱乏

自福建農(nóng)林大學(xué)2005年創(chuàng)辦設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)以來[34],至今已經(jīng)培養(yǎng)了13屆的相關(guān)專業(yè)人才，福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展已經(jīng)有相對充足的人才，目前遍布全省科研院所、高校和企業(yè)，但在結(jié)合機械、信息等高新科技行業(yè)的相關(guān)人才相對空缺較大，結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)相應(yīng)機械設(shè)備等方面的研究與應(yīng)用相對較少，這也是目前制約福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的重要原因之一。

4.4 智能化在福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用上的展望

隨著科技發(fā)展的日新月異，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已漸漸擺脫了“面朝黃土背朝天”“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)又苦又累又臟”在世人眼里的認(rèn)識，植物工廠作為目前設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級階段代表之一，“穿著西裝來種菜”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已逐漸進(jìn)入世人的眼中。

改革開放以來，我國十分重視農(nóng)業(yè)發(fā)展，自2004年至2018年已連續(xù)十五年發(fā)布以“三農(nóng)”(農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民)為主題的中央一號文件，在農(nóng)業(yè)科研、生產(chǎn)等方面投入了大量的資金與優(yōu)惠政策，2018年2月福建省政府發(fā)布《福建省人民政府辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展七條措施的通知》，對智能化數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展十分重視，首屆數(shù)字中國建設(shè)峰于4月在福州召開。在科研人員的不懈努力下，針對福建省的氣候及地理環(huán)境，不斷引進(jìn)吸收國內(nèi)外先進(jìn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)，在設(shè)施大棚建造、無土栽培、農(nóng)業(yè)機械化應(yīng)用、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等方面已有了長足的發(fā)展，但也僅僅稱得上數(shù)字農(nóng)業(yè)，遠(yuǎn)沒達(dá)到智能農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的實現(xiàn)，需要結(jié)合農(nóng)業(yè)、機械工程、計算機信息等多個多學(xué)科的共同合作努力，正如前文所說，目前還存在投資成本高、標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)化水平較低、設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化研究技術(shù)落后、人才匱乏等問題，需要政府、高校、科研院所及企業(yè)的共同合作，政府在農(nóng)業(yè)補貼和優(yōu)惠政策上加大力度，落實到位；高校及科研院所加大科研和人才培養(yǎng)力度，為企業(yè)提供更多有關(guān)方面的高層次優(yōu)秀人才和先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，從而促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的健康快速發(fā)展。