溫室大棚技術(shù)及其智能化發(fā)展前景

孫銘璇

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京 210095)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和勞動(dòng)技術(shù)的革新，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由分散自營(yíng)農(nóng)戶逐漸向集約化、專門化方向發(fā)展，在全國各地形成了具有特定規(guī)模的、集中生產(chǎn)并輸出的一系列農(nóng)產(chǎn)品基地。山東省壽光市作為全國最大的蔬菜集散中心，有中國菜都的美稱。壽光最南端的三元朱村，是全國冬暖式蔬菜大棚的發(fā)祥地，該村在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的帶領(lǐng)下，完成了中國北方蔬菜種植的“綠色革命”，保障了寒冬時(shí)期蔬菜品種的供應(yīng)。

信息和通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各產(chǎn)業(yè)的智能化，也推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化。利用現(xiàn)代物聯(lián)設(shè)備整合并分析作物及其周圍的環(huán)境參數(shù)，對(duì)精準(zhǔn)施肥、精確灌溉等操作有重要意義。

以三元朱村為例，對(duì)現(xiàn)階段溫室大棚技術(shù)及其蘊(yùn)含的種植科學(xué)做出總結(jié)，介紹一系列智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)，規(guī)劃未來溫室大棚智能化、精確化的發(fā)展模式，并結(jié)合現(xiàn)實(shí)問題給予反思和總結(jié)，以期對(duì)農(nóng)業(yè)集約化、智能化的發(fā)展提出建議。

1 溫室大棚

1.1 溫室大棚的概述

溫室大棚是為防止糧食因寒冷極端天氣導(dǎo)致減產(chǎn)而建造的，具有增溫保濕性能，適合部分地區(qū)特別是北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)屋面墻體設(shè)施。溫室大棚是設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)中性能最為完善的一種，其發(fā)明對(duì)蔬菜的越冬生產(chǎn)具有重要意義。

溫室大棚的起源與發(fā)展可追溯到公元前500年左右。據(jù)《論語》記載，為培養(yǎng)非當(dāng)季作物，古人搭建了一系列“屋廡”，生火增加屋內(nèi)溫度，同時(shí)引流泉水灌溉。此技術(shù)傳承歷代，“大棚”的雛形也不斷得到優(yōu)化[1]。我國現(xiàn)代化的溫室大棚結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代的北方地區(qū)。大棚技術(shù)的發(fā)展對(duì)于我國部分地區(qū)特別是北方城市冬季蔬菜供應(yīng)起到重要作用，溫室大棚技術(shù)自發(fā)明以來也得到不斷的革新和推廣，在當(dāng)今社會(huì)仍發(fā)揮著重要作用。

1.2 溫室大棚建造技術(shù)

溫室大棚根據(jù)建造大致分為高效節(jié)能型日光溫室、塑料溫室、單棟溫室、連棟溫室等多種類型。不同的溫室建造所用的材料、原理及其功能和適用范圍也有所不同。三元朱村的冬暖式溫室大棚經(jīng)歷了第一代到第五代的模式發(fā)展。據(jù)調(diào)研，第一代大棚棚體用麥穰和泥垛成或兩側(cè)樹木板中間用半濕土夯筑而成，種植面積約333.5 m2；第二代蔬菜大棚的棚體為水泥立柱與竹竿棚架結(jié)構(gòu)，整個(gè)大棚成全封閉狀態(tài)，種植面積約533.6 m2；第三代蔬菜大棚的棚體為鋼筋骨架結(jié)構(gòu)，可安裝自動(dòng)卷簾機(jī)，種植面積約800.4 m2；第四代蔬菜大棚具有半地下、大跨度等特點(diǎn)，種植面積約1 200.6 m2；時(shí)至今日，第五代溫室大棚正向著現(xiàn)代化、智能化的方向發(fā)展。

1.3 溫室大棚農(nóng)業(yè)種植技術(shù)

大棚中的蔬菜種植仍要符合作物栽培學(xué)的原理和植物生產(chǎn)的規(guī)律。大棚由于其特殊的環(huán)境，需要對(duì)溫度、光照、水分、地?zé)?、通風(fēng)條件、氣體濃度及病蟲害等外界條件給予重視，必要時(shí)要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)娜斯ふ{(diào)控。

溫室大棚建造的目的是為了提高作物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度，防止植物遭受寒冷的逆境脅迫。要提高溫室大棚的溫度，應(yīng)利用物理方法增加棚膜的透光性并及時(shí)補(bǔ)修棚膜破洞，下雪后及時(shí)清除棚膜上的積雪，定期清掃灰塵?？梢杂貌萆簧w住大棚，因?yàn)椴萆皇且环N熱的不良導(dǎo)體，可以減少棚內(nèi)的熱量散失。采用貼磚、空心保溫墻的方法提高棚內(nèi)的保溫性能。必要時(shí)還可以在棚內(nèi)增設(shè)臨時(shí)熱源。為保持棚內(nèi)地?zé)釡囟?，可以覆蓋地膜，提高地表溫度和濕度。

大棚內(nèi)溫度和光照獲取要合理規(guī)劃，達(dá)到均衡。如采用雙層膜覆蓋可以提高大棚的保溫性能，但吸光效果會(huì)被削弱50%左右。采用透光性好的薄膜、增加棚高等方法，可以有效提高棚內(nèi)植株的采光效果。

CO2濃度高有利于提高植物光合作用強(qiáng)度，促進(jìn)有機(jī)物的積累。增施CO2氣體，可用有機(jī)堆肥法、有機(jī)物的燃燒，必要時(shí)可用CO2鋼瓶向大棚內(nèi)注入CO2。

溫室的溫濕度高，更加適合害蟲的生長(zhǎng)，地表溫度較低，植物傷口愈合變慢，因此溫室中病蟲害的防治尤為重要。溫室中要增加通風(fēng)、合理控制溫濕度及地?zé)?、控制室?nèi)的酸堿環(huán)境以阻斷病蟲害的增生，對(duì)病蟲害進(jìn)行生態(tài)防治。根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)的各個(gè)周期需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性施肥，在種植前對(duì)土壤進(jìn)行翻耕晾曬，用紫外線進(jìn)行殺菌?？刂茰囟炔⑦m當(dāng)增加室內(nèi)CO2濃度，對(duì)病蟲害進(jìn)行農(nóng)業(yè)防治。

2 智慧農(nóng)業(yè)

2.1 智慧農(nóng)業(yè)概述

信息和通信技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化。智慧農(nóng)業(yè)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的原理解決問題，所依托的主要是大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)主要按照數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)平臺(tái)與算法、行業(yè)實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)分析三個(gè)層次構(gòu)建。大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的軟件支撐，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的硬件挖掘。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以關(guān)聯(lián)的硬件資源為核心，包括物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層這三層的體系結(jié)構(gòu)[2]。

智慧農(nóng)業(yè)是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起逐漸發(fā)展起來的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。智慧農(nóng)業(yè)的興起得益于物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用。近年來隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等前端技術(shù)的發(fā)展和普及，智慧農(nóng)業(yè)向著更加精準(zhǔn)的數(shù)字化、信息化方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在對(duì)作物生長(zhǎng)參數(shù)如莖稈高度、葉面積等的精確檢測(cè)，對(duì)室內(nèi)環(huán)境如溫度、濕度、CO2濃度的準(zhǔn)確測(cè)量和成像顯示，精確灌溉、精確施肥的智能調(diào)控設(shè)備。智慧農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展不僅將持續(xù)革新其信息技術(shù)和儀器設(shè)備，而且要融入先進(jìn)的管理經(jīng)營(yíng)模式，向著技術(shù)的信息化，管理能力的成熟化邁進(jìn)。

2.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通俗而講就是“萬物互聯(lián)”，通過各種信息傳感器、紅外感應(yīng)器、射頻識(shí)別技術(shù)等裝備，實(shí)時(shí)采集和連接各種相關(guān)要素，實(shí)現(xiàn)物與物之間、物與人之間、人與人之間的泛在連接[3]。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是在作物生長(zhǎng)范圍內(nèi)安裝各類傳感設(shè)備，通過協(xié)議將農(nóng)業(yè)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)相連接，對(duì)傳感器采集的各種信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和整理，發(fā)布在軟件端，并提供相關(guān)的解決措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具體涉及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、RFID技術(shù)和傳感器。無線網(wǎng)絡(luò)指Wi-Fi技術(shù)，它將各種傳感器設(shè)備和局域網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。RFID技術(shù)通過對(duì)接收信號(hào)頻率的處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，并將處理的數(shù)據(jù)傳到云端，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，通過傳感器可以檢測(cè)作物各項(xiàng)指標(biāo)，用于信息的交換和傳輸。

2.3 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與傳感技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重要作用。傳感器是精確測(cè)量各項(xiàng)理化參數(shù)的專用工具，它的工作原理主要是將被測(cè)量的物理量通過處理轉(zhuǎn)化為不同程度的電信號(hào)，再通過顯示界面呈現(xiàn)出精確的物理指標(biāo)。因?yàn)閭鞲衅鞯拿舾行愿摺⑿盘?hào)捕捉連續(xù)，所以其具有人工無法達(dá)到的速度和精確度。

目前我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，正從粗放型向精細(xì)化方向轉(zhuǎn)變。精細(xì)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將會(huì)降低生產(chǎn)投入成本，且能夠大大提高產(chǎn)量。要達(dá)到精確施肥、灌溉，就需要精確的測(cè)量系統(tǒng)和灌溉設(shè)施，則必須利用傳感技術(shù)。

傳感器根據(jù)功能可以大致劃分為生命指標(biāo)傳感器和環(huán)境指標(biāo)傳感器[5]。生命指標(biāo)傳感器主要用來測(cè)定株高、葉面積、光合速率(代謝強(qiáng)度)、植株體內(nèi)元素含量等植株個(gè)體信息。環(huán)境指標(biāo)傳感器主要測(cè)定的是植株所處環(huán)境中的光照強(qiáng)度、CO2濃度、溫度等環(huán)境信息。測(cè)定生命信息可以對(duì)植株各個(gè)時(shí)期的生命特征做數(shù)字化處理，進(jìn)而分析其生長(zhǎng)狀況；測(cè)定環(huán)境信息了解環(huán)境變化，保證作物生長(zhǎng)在最優(yōu)環(huán)境中。

2.4 作物栽培中的智能化

精確測(cè)定指標(biāo)后，要對(duì)作物進(jìn)行高效精細(xì)的耕作栽培。農(nóng)業(yè)技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)如開溝、施肥、鋤草、烘干等過程都已逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。要進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，減少水土流失和因過度施肥下的浪費(fèi)，必需要發(fā)展精確施肥技術(shù)。精確施肥是將不同空間單元的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與其他多層數(shù)據(jù)(土壤理化性質(zhì)、病蟲草害、氣候等)的疊合分析為依據(jù)，以作物生長(zhǎng)模型、作物營(yíng)養(yǎng)專家系統(tǒng)為支持，以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保為目的的變量處方施肥理論和技術(shù)。精確施肥是信息技術(shù)(RS，GIS，GPS)、生物技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和化工技術(shù)的優(yōu)化組合。由于北方水資源分布不均，不同土壤分布地表含水量也不盡相同，作物種植中要做到根據(jù)實(shí)際情況的精確灌溉。

3 智能溫室

以三元朱村為例，目前大棚已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)規(guī)?；Ｎ磥砣齑宓臏厥掖笈飳⒊悄芑姆较虬l(fā)展，打造智能化溫室大棚生產(chǎn)基地。大棚特殊的生態(tài)環(huán)境也更加要求傳感技術(shù)的靈敏和種植機(jī)器的先進(jìn)性。

3.1 溫室智慧農(nóng)業(yè)中的傳感器技術(shù)

智慧溫室中應(yīng)配備的環(huán)境指標(biāo)傳感器包括CO2傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等[6]。由于部分封閉性，溫室中的這幾項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的測(cè)量均有重要意義。精確測(cè)量光照和CO2，可估算此時(shí)植株的光合作用強(qiáng)度；對(duì)溫度和濕度的測(cè)量，可了解植株此時(shí)蒸騰作用、呼吸作用、光合作用等各項(xiàng)生理活動(dòng)。

3.2 智能溫室中的設(shè)施藍(lán)圖

以三元朱村為例，北方的智能溫室需結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)，安裝精確測(cè)定的傳感器，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植株生理和環(huán)境指標(biāo)，將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)繪制到終端顯示器，專業(yè)人員可實(shí)時(shí)查看各區(qū)域的環(huán)境情況。

精準(zhǔn)測(cè)定后要做到對(duì)應(yīng)的精確耕作。土壤內(nèi)布局肥料管道和供水管道，管道閥門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，連接環(huán)境傳感系統(tǒng)，專業(yè)人員設(shè)置好環(huán)境指標(biāo)適宜范圍，管道智能監(jiān)控并給予適當(dāng)調(diào)節(jié)，部分更加精細(xì)的指標(biāo)由人工和機(jī)器共同控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的精確施肥和精確灌溉。

作物栽培方式符合生態(tài)規(guī)范，利用食物鏈能量傳遞和物質(zhì)循環(huán)功能，嘗試應(yīng)用魚菜共生、?；~塘等循環(huán)種養(yǎng)模式，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約和環(huán)境友好。

智慧溫室不僅要求儀器設(shè)備的智能化，管理經(jīng)營(yíng)模式的成熟高效也很重要。農(nóng)業(yè)規(guī)?；螅鞑块T配有專業(yè)的栽培管理、加工、物流等多環(huán)節(jié)的專職管理人員，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)高效有序進(jìn)行。

4 現(xiàn)存的問題與反思

通過對(duì)三元朱村調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大棚已經(jīng)實(shí)現(xiàn)五代革新。其中一號(hào)大棚內(nèi)有生態(tài)立體種植、魚菜共生、A字形、C字形架勢(shì)栽培等種植方式。村內(nèi)大棚整齊且規(guī)?；@著。但在目前的生產(chǎn)過程中，大棚內(nèi)并無傳感器等智能設(shè)備，部分溫室內(nèi)甚至無任何機(jī)械化設(shè)施，僅由溫室薄膜和田地構(gòu)成。經(jīng)調(diào)研座談可知，目前大棚仍處于個(gè)體化生產(chǎn)模式，每家每戶擁有兩三個(gè)溫室大棚，各戶獨(dú)立耕作自負(fù)盈虧，存在大棚內(nèi)技術(shù)參差不齊的現(xiàn)象。

微觀上，個(gè)體經(jīng)營(yíng)可一定程度提高個(gè)人的生產(chǎn)積極性；宏觀上，小規(guī)模下的競(jìng)爭(zhēng)也可推動(dòng)技術(shù)革新。而且，三元朱村當(dāng)前土地流轉(zhuǎn)正處于二輪承包時(shí)期，二輪承包延期30年到期之前可能暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)耕地的集中。據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶反映，自負(fù)盈虧、各自種植是目前較好的一種農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)營(yíng)方式。例如，農(nóng)業(yè)種植本身有其靈活性和環(huán)境多變性特征，不定時(shí)需要人員照看以及對(duì)成熟作物的采摘。若農(nóng)業(yè)規(guī)?；髽I(yè)化，管理上大概率會(huì)按照工作時(shí)間實(shí)行，在時(shí)間段內(nèi)耕種，可能會(huì)造成耕種最佳時(shí)期的錯(cuò)過或者管理的混亂。諸如此類問題，在技術(shù)達(dá)不到準(zhǔn)確高效的前提下，暫時(shí)難以解決。

5 結(jié)語

三元朱村作為冬暖式蔬菜大棚的發(fā)源地，其溫室大棚技術(shù)已經(jīng)完成第一代到第五代的革新，目前正朝著自動(dòng)化、精細(xì)化、智能化的方向發(fā)展。溫室大棚中溫濕度、空氣濃度及各物質(zhì)占比、光照強(qiáng)度、病蟲害等需結(jié)合溫室特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)控，智慧農(nóng)業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)可以更加精確地完成測(cè)控。但要想實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、智能化的溫室大棚農(nóng)產(chǎn)品基地的革命性改革，仍需要管理、工程、互聯(lián)網(wǎng)、栽培育種等各個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和專業(yè)人士的共同努力。