我国设施种植业从机械化到智能化的发展及思考.pdf

nullnull 中国农机化学报 nullnullnullnull年 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 我国设施种植业从机械化到智能化的发展及思考 null 陈 蕾 null null 聂 莹 null null 赵 继 春 null null nullnull 北京 市农林科学院 北京市 nullnullnullnullnullnull nullnull 北京市农村远程信息服务 工程技术研究中心 北京市 nullnullnullnullnullnull 摘 要 设施农业是现代农业主要发展方向 对推动乡村全 面振兴和农业农村现代化具有十分重要的意义 通过分析近年 来我国设施种植业类型 规模 产业布局 配套设施情况 从机械化 信息化和智能化三方面总结我国设施种植业阶段性特 征 阐述各阶段的技术研究及应用情况 针对目前存在的配套装备应用参差不齐 技术创新驱动较弱 产业布局分散等发 展短板 结合数字技术应用需求 提出精准补短提质增效 聚焦关键技术突破 实现规模化发展 加速数字化转型等促进设 施种植业发展的对策建议 为设施种植业高质量发展提供技术支持 关键词 设施种植 机械化 信息化 智能化 传感器 物联网 中图分类号 nullnullnullnull nullnullnull nullnull 文献 标识码 null nullnull 文章编号 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 陈蕾 聂 莹 赵继春 null我国设施种植业从机械化到智能化的发展及思考 null null中国农机化学报 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull 收 稿 日期 nullnullnullnull年 null月 nullnull日 nullnull 修回 日期 nullnullnullnull年 null月 null日 null 基金 项目 现代农业产业技术体系北京市数字农业创新团队项目 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 北京市财政改革与发展项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 第一 作者 陈蕾 女 nullnullnullnull年生 江 西全南人 硕士 高级农艺师 研究方向为农业信息技术 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 通讯 作者 赵继春 男 nullnullnullnull年生 河 北承德人 博士 副研究员 研究方向为农业信息技术 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull null nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 引 言 设施 农业作为现代农业的显著标志 null 是一 种高 投入 高产出 劳动力和资金 技术密集型产业 null nullnull 是 农业 科技成果的合集与转化 对实施全面乡村振兴 推 动农业转型发展 实现农业农村现代化具有重要意义 参考已有学者观点 广义的设施农业包括设施种植业 和设施养殖业 狭义的设施农业泛指设施种植业 null 设施 种植业在种植蔬菜 水果 花卉常规设施作物基础 上 扩展至香料 药用植物 食用菌 观赏植物等高附加 值作物 国内外技术研究和应用主要集中在物联网技 术 null nullnull 综合 环境采集和控制技术 null nullnull 自动 化控制技 术 null nullnullnull 作物 生长监测技术 nullnull nullnullnull 水肥 一体化滴灌技 第 nullnull卷 null 第 nullnull期 nullnullnullnull年 nullnull月 中国农机化学报 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 第 nullnull期 陈 蕾 等 我国设施种植业从机械化到智能化的发展及思考 nullnull 术 nullnull nullnullnull 等方 面 植物工厂 nullnull 和相 关智慧农业装备研 发 null nullnull 也逐渐 成为该领域的热点 国外设施种植业在 耕整 种植环节机械化作业普及程度较高 nullnull 在采 摘 包装 运输环节已实现大规模自动化作业 nullnull nullnullnull 环境 因 子协同监测 温室管理机器人和高度集成化的信息 技术日趋成熟并市场化应用 nullnull 与之 相比 我国设施 种植业起步较晚 在硬件产品使用性能 控制系统稳定 性与科学性 智能设备协调性 以及外部应用环境 行 业管理服务规范等方面存在差距 关注设施种植业高质量发展已成为共识 本文通 过分析我国设施种植业机械化到智能化的变迁过程 阶段性特征 依托乡村振兴战略提出设施种植业发展 的对策建议 为设施种植业朝着绿色 优质 高效 智慧 方向发展提供思路 nullnull 设施种植业发展现状 nullnullnullnull 设施 类型 我国设施种植业以塑料大棚 日光温室和连栋温 室为主要类型 null 塑料 大棚主要通过卷膜调节棚内温 湿度 一般不进行越冬种植 是建造简易实用 投入较 低 易于操作的拱形设施结构 作为国内普遍适用棚 型 其建设的高效性 实用性和可持续性得到广大农户 的肯定 nullnull 约占 我国设施种植业面积的 nullnullnull nullnull 日 光温 室为我国独具特色的农业设施产物 日间通过后 墙吸收日照辐射蓄热 夜间释放后墙蓄热层热量升高 室内气温 实现我国北纬 nullnullnull 左右 区域在冬季不加温状 态下也能进行作物生产 一般配备电动卷帘机用来保 温隔热 是我国北方设施种植业的主体 约占我国设施 种植业面积的 nullnullnull nullnull 连栋 温室是一种规模较大 建 造成本高 形成连跨的单体温室 内部配有栽培床 湿 帘风机系统 内外遮阳系统 开窗系统 补光系统等设 备 整体机械化程度高 可以实现设施种植业高效 精 准管理 在我国 连栋温室数量和规模最小 仅占设施 种植业面积的 nullnull nullnull 我国 设施种植业设施类型呈现区域差异性发展 在设施种植业发达的山东寿光 寿光市 nullnullnullnull 年统 计年 鉴 显示 nullnullnullnull 年设 施蔬菜总面积为 nullnullnullnullnullnullnull null 其中 塑 料大棚面积为 nullnullnullnullnullnullnull null 占比 nullnullnull 日光 温室面积为 nullnullnullnullnullnull null 占比 nullnullnull 连栋 温室面积仅为 nullnullnullnullnullnull null 占比 nullnull 塑料 大 棚 生 产 优 势 明 显 高 于 全 国 平 均 水 平 nullnullnull 而温 室规模却低于全国 nullnullnull 在重 点发展宜机 化 智能化高效设施的北京 北京统计年鉴 nullnullnullnull 显 示 nullnullnullnull 年设 施种植业总面积为 nullnullnullnullnullnullnull null 其中 塑料 大棚面积为 nullnullnullnullnullnullnull null 占比 nullnullnull 温室 面积 含日光 温室和连栋温室 为 nullnullnullnullnullnullnull null 占比 nullnullnull 技术 含量 高的温 室 与 规 模 化 的 塑 料 大 棚 生 产 基 本 实 现 均 衡 发展 nullnullnullnull 设施 规模 我国设施种植业规模整体呈升中有降趋势 参考 中国农业统计资料 中国农业工业机械年鉴和地区统 计年鉴 从全局看 nullnullnullnull nullnullnullnull 年的 nullnull 年间 设施种植 业面积年增率为 nullnullnullnull nullnullnullnull 年设 施种植业规模达到 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 的顶 峰后开始逐年缩减 nullnullnullnull 年规 模降 至 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 如图 null 所 示 从局部看 山东寿光设 施蔬 菜 规 模 nullnullnullnull 年 为 nullnullnullnullnullnullnull null 相 比 nullnullnullnull 年 nullnullnullnullnullnullnull null 略有 缩减 北京设施种植业面积自 nullnullnullnull 年 达到 nullnullnullnullnullnullnull null 后也 逐年缩减 nullnullnullnull 年降 至 nullnullnullnullnullnullnull null 图 null null 我国设施种植面积发展规模 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 综合 考虑缩减原因有 null 方面 一是设施种植业属 于劳动密集型产业 受人工成本 用地成本 物资成本 环境成本上升 以及设施产能增加带来的销售价格下 降等综合因素影响 制约设施种植业的发展 二是设 施种植业机械化 智能化程度偏低 机器换人 进度缓 慢 设施种植业装备落后限制其扩大发展 三是设施 种植业内部正在进行自我优化 淘汰落后设施 处于产 业优化 作业结构与空间调整过程中 四是政府进一 步严格设施种植业农用地管理 引导设施种植业科学 合理布局和发展 nullnullnullnull 设施 产业布局 设施种植业产业布局逐渐呈现出规模化 聚集化趋 势 nullnullnullnull 年末 江 苏 山东 辽宁和河北 null 省设施种植业 面积分别达到 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null 如图 null 所 示 属于东部地区的江苏 山东和河北三省 设施种植业面积占全国总面积的 nullnullnullnullnull 属于 环渤海 圈的山 东 河北和辽宁三省面积占全国总面积的 nullnullnullnullnull 属于西部地区的甘肃 陕 西 内蒙古三省面积 增幅较快 特别是甘肃省增幅达到 nullnullnullnullnull 相反 属 于东 北地区的辽宁面积大幅缩减 降幅达 nullnullnullnullnull 设施 种植业发达省份产业集群化特色明显 江苏 设施种植面积占全国首位 离不开微耕机 起垄覆膜 机 育 苗 移 栽 机 田 园 管 理 机 等 设 施 农 机 的 大 力 推 nullnull 中国农机化学报 nullnullnullnull年 广 nullnull 设施 农业产业园 三产融合示范园 智能化植 物工厂的建设为无土栽培 精准农业提供契机 在连云 港 徐州 淮安等苏北地区形成庞大的高效设施农业产 业群 甘肃起步虽晚但面积增幅最快 逐步构建起产 业化发展格局 基本形成以河西走廊灌区 沿黄灌区为 核心的日光温室蔬菜优势带 以陇东南 河西走廊部分 市为主的塑料大棚蔬菜优势带 建成 nullnull 多个以设施蔬 菜生产为主的农业高科技示范园 区 棚膜栽培 日光 温室节能技术 无土栽培技术得到广泛应用 nullnull 局部 地 区设施种植产业化发展也对周边地区产生强烈辐射 带动作用 nullnull 山东 寿光蔬菜产业集群 河北南和产业 集群均对当地设施种植业规模发展起到促进作用 图 null null 部分省设施种植业规模变化 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 设施 配套设备 我国设施种植业配套设备技术研发得到快速发 展 依托数字信号传输 电流模拟信息传输等有线通 信和 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 等无 线通讯技术 湿帘风机 自动喷 雾降温机 水肥一体机 移栽机 微耕机 育苗设备 环 境因子监控设备和视频图像监控设备 以及远程管理 平台在实际生产过程中逐渐得到大范围推广应用 nullnull 受设 施种植业生产机械及配套设备没有完全纳入农机 购置补贴 金融贷款难度大 农业保险范围小 设备操 作要求高 使用故障率高 售后维护不及时等因素影 响 相关设施设备配套不到位 制约机械化水平 智能 化水平快速提升 nullnull 设施种植业发展阶段 农业 信息技术的快速发展倒逼设施种植业转型升 级 推动机械化 信息化 智能化进一步交叉融合应用 我国设施种植业机械化正处于逐步普及阶段 信息化 正处于加速发展阶段 智能化正处于起步和关键技术 单个突破阶段 它们既依次递进 有序依存 又相互交 叠 融合渗透 设施种植业机械化是信息化 智能化发 展的基础和载体 信息化是机械化的升级和智能化的 引擎 起着承上启下的作用 智能化引领信息化和机 械化的未来发展方向 在研究和应用方面三者又具有 明显区别 如图 null 所示 图 null null 设施种植业阶段性特征 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 技术 支撑不同 设施种植业机械化以动力设 备 石化能源等物理实体为支撑 信息化以计算机 传 感器 互联网及相应的软硬件设备为支撑 智能化以海 量数据 机器学习 神经网络 人工智能算法和自然语 言处理技术为支撑 null 应用模式不同 设施种植业机械化主要通过 宜机设备研发 升级改造和扩大数量规模来提高设施 作业能力 提升农业生产效率 信息化主要依托物联 网 通过软件版本升级和系统集成的方式实现信息赋 能 对农业生产进行数据监测和问题诊断 进而提升农 业生产率 智能化通过人工智能 区块链技术应用 在 高度信息化基础上 突出数据和算法保障 赋予装备迭 代学习和智能思考能力 对农业生产进行趋势预测和 智能决策 以智能迭代进化的方式改进设施种植业生 产方式 提升农业生产率 null 主要应用对象不同 设施种植业机械化的对 象主要为塑料大棚 日光温室 信息化的对象主要为 日光温室 连栋温室 通过温 光 水 肥等生产信息获 取 传输 处理 使农民或农用机械设备在特定时间 特 定地点采取特定方式工作 实现生产过程透明化 标准 化 集约化 智能化的对象主要是连栋温室 通过不断 提高环境单因子控制水平 作物综合生产环境等多因 子动态智能控制水平 实现农业生产 无人化 提高农 产品品质和产量 nullnull 设施种植业研究和应用进展 nullnullnullnull 机械 化研究和应用进展 近年来 微耕机 旋耕机 起垄覆膜一体机 卷帘 机 移栽机 轨道采运车等小型农机已陆续在设施种植 业中应用 初步覆盖耕整 种植 管理 采运等全部作业 第 nullnull期 陈 蕾 等 我国设施种植业从机械化到智能化的发展及思考 nullnull 生产 环节 图 null 微滴灌装置 电子除雾防病 频振式 电子灭虫灯等物理 绿色防控技术装备的应用 在减少 人工劳动时间 劳动强度和农资物力投入 提高土地利 用率和农产品产量的同时 降低化学农药危害 为提高 农业核心竞争力 实现设施农业规模化 绿色生产提供 有力支撑 图 null null 设施种植业各生产环节使用机具种类 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 在设 施种植业机械化进程中 机械化水平低已经 成为制约设施种植业发展的瓶颈之一 nullnull 种植 环节 受移栽设备结构较复杂 开发成本较高等因素影响 迄 今为止未见有成批推广使用的移栽机机型 目前应用 较为广泛的为半自动移栽机 nullnull 在采 运环节 设施种 植业机械化采摘 产后处理是最大瓶颈 设施种植业 蔬菜品种繁多 包括叶菜类 果菜类等 农机农艺结合 程度弱限制机械化作业水平提升 目前智能采摘设施 研发仍处于初级阶段 局限于个别种类的蔬菜 且可行 性 适用性还有待验证 在水肥环节 国产滴灌水肥一 体化装备研究已相对成熟 设备种类和型号较多 但受 农机补贴配套政策缺乏 示范推广应用落实不到位等 因素影响 水肥一体装备未能普及应用 在环控环节 我国塑料大棚面积占比基数大 塑料大棚环控更多依 靠通风设备或人工作业 环控环节的机械化作业水平 难以提升 设施种植业规模最大的江苏 设施蔬菜在种植 采 运 加