中国设施园艺装备技术发展现状与未来研究方向

第 33 卷 第 24 期 农 业 工 程 学 报 Vol.33 No.24 2017 年 12 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2017 1 中国设施园艺装备技术发展现状与未来研究方向齐 飞，魏晓明，张跃峰 （1. 农业部规划设计研究院，北京 100125； 2. 农业部农业设施结构工程重点实验室，北京 100125） 摘 要： 近年来，中国设施园艺装备产业得到了跨越式发展，一个完备的技术体系正在逐步建立。受设施环境-作物交互影响机理缺乏、设施-设备匹配性差等因素的制约，中国设施园艺装备在稳定性、智能化等方面与国际先进水平仍存在较大差距，制约了产业效益水平和劳动生产效率的提升。有必要对中国设施园艺装备技术进行一个系统总结，为下一步产业的技术研发指明方向。该文在准确把握中国设施园艺装备技术发展现状的基础上，从种苗装备、生产装备、物流装备、管理装备等 4 个环节入手，将中国设施园艺装备技术与国际发达国家的水平进行了比对，并找出了相关差距。研究得出了中国设施园艺装备技术发展中存在的技术研发系统性持续性不够、与装备匹配的农艺参数积累缺乏、装备的整体性和工程性亟需提高等问题，明确了区域化园艺作物生长机理、北方日光温室结构与装备升级、全产业链自动化作业、园艺信息化智能化管理、非耕地基地化与城镇化装备等未来重点研发的方向，提出了制定设施园艺装备技术创新发展规划、实施设施园艺技术促进与产业促进的“全面赶超”计划、创新以激发协同研发活力的体制机制、强化技术推广服务体系建设等政策建议，从而为指导中国设施园艺装备技术的革新提供借鉴。 关键词：温室；装备；技术；设施园艺；发展现状；重点研究方向 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.001 中图分类号：S62 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2017) -24-0001-09 齐 飞，魏晓明，张跃峰. 中国设施园艺装备技术发展 现状与未来研究方向J. 农业工程学报，2017， 33(24)：19. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.001 http:/www.tcsae.org Qi Fei, Wei Xiaoming, Zhang Yuefeng. Development status and future research emphase on greenhouse horticultural equipment and its relative technology in ChinaJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 1 9. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.001 http:/www.tcsae.org 0 引 言从当前现代农业发展的要求看，“设施园艺”不仅是创造人工环境进行生产的过程，而应以整个产业链为基础、从实现使用价值的全过程出发，在广义上定义为：设施园艺是为农产品商品化各阶段提供最适宜环境和条件, 以摆脱自然环境和传统生产条件的束缚，从而获得高产、优质、高效农产品的现代农业经营活动，具有高投入、高产出、高效益的特点1-2。设施园艺技术主要由生物、环境、工程 3 部分组成，将具有明显工程特点、特别是装备（含设施）特征的技术统称为“装备技术”，即那些在不同层次上具有完整功能、直接或间接通过装备发挥效用的“设备、工艺、材料”，包括“种苗装备技术、生产装备技术、物流装备技术、管理装备技术” 4方面3。 中国设施园艺技术经过多年发展已全面突破并渐成体系，成为实现农业现代化的重要技术手段。 30 多年来，科研项目及成果数量近 700 项4，一个庞大、独立、融合多学科及多门类科学知识的技术体系正在形成。作为主要载体的装备技术也取得长足进步，中国已基本建立起立足本土的装备研发、生产、服务体系，除部分信息化收稿日期：2016-11-02 修订日期：2017-12-11 基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFD0701500 ） 作者简介：齐 飞，总工程师、研究员，主要从事温室结构、设备、材料和产业发展方面的研究。Email ：qf2008188.com 高技术装备外，全面替代进口。从历史和现实看，中国现代设施园艺装备是在引进基础上通过跨越式发展而来，受设施环境- 作物交互影响机理研究缺乏、设施 -设备匹配性差、装备制造业整体水平低等因素的影响，在装备质量、技术含量、信息化、智能化方面与世界先进水平还存在差距，需在“十三五”找准方向、协同攻关、重点突破。 1 国内外设施园艺装备技术发展现状与比较 1.1 总体发展现状 中国现代设施园艺装备技术发展始于 20 世纪 90 年代中期。整体上看，无论单项技术还是装备集成都与发达国家存在较大差距。 2012 年中国设施园艺机械化水平仅为 32.45%5、2014 年蔬菜机械化综合水平约 20%，按农业机械化发展阶段理论划分6，处于发展初级阶段。各作业环节发展也不均衡，如机耕、机灌施肥环节机械化率超过 50%，但环境调控、机播、机收等环节，机械化率仍较低5。 从全球看，荷兰、美国、以色列等国的设施园艺已处在产业升级期，规模基本稳定，但新装备配置速度和装备升级加快，集成再创新成为亮点7，而中国仍处在设施园艺高速发展期，装备技术研发积累不足、先进装备推广应用速度落后于温室工程建设速度，因此距世界先进国家的差距依然较大。但装备技术发展的空间和潜力也很大，成为“十三五”乃至以后时期内技术创新的目标和重点。 综合研究 农业工程学报（http:/www.tcsae.org ） 2017 年 21.2 种苗装备技术 种苗装备主要由籽种生产加工装备和种苗生产装备2 部分组成。籽种生产加工装备包括育种、种子检验、种子加工（清选、分级、干燥、消毒、包衣等）装备，种苗生产装备包括种子处理、穴盘播种、嫁接繁育、移苗等装备技术。 发达国家在育种技术和商品化方面一直占据领先地位，因此在装备技术方面已很完善，如种子处理和播种装备方面也已较为普及，目前研发重点在嫁接、移苗 2方面，其中移苗技术产业化较快，但嫁接技术在效率上还有待提高。国外连栋温室蔬菜种苗广泛采用自动化生产线，荷兰使用精量播种、嫁接、岩棉种苗生产线和机具，开发出穴盘输送、岩棉块搬运铺放等物料搬运装备，构成自动化生产体系，实现了高效、省力、自动化生产8。 中国设施种苗装备研发起步于 20 世纪 80 年代末，至今初步形成了较完整的装备研发与生产体系，具有了一定的研发生产经验9。但装备产品在技术含量和生产效果上还存在缺陷，如针对中小农户使用的播种机缺乏、播种效率和精度上还有待提高10，嫁接机也存在低效、性价比不佳的情况11-14，穴盘苗分选移栽机距离产业化应用仍存在种苗质量识别、专用手爪开发等技术瓶颈需要突破15-19。在实际生产应用中，仅播种、覆土、基质填装等部分环节实现了机械化，但距种苗全程自动化生产的要求，仍存在较大差距。 1.3 生产装备技术 生产装备主要由设计、建造、环境调控、栽培、资源利用等 5 大类相关的设备技术组成。其中设计类包括工艺、建筑、结构、水、电、暖；建造类包括骨架、围护、施工机具；环境调控类包括增温、降温、调光、调湿、调气、保温；栽培类包括耕整、种植槽、施肥、植保装备；资源利用类包括可再生能源、废弃物利用、空间利用装备等。 发达国家结合各自气候特征、经济水平、种植习惯开发出了诸如 Venlo 连栋温室20-21、管架塑料大棚、充气膜温室等适合各自国情的设施类型，形成了精准化的设计理论工具，如荷兰开发了 Classim、 Kaspro 等模拟软件，对 Venlo 温室温光性能提升和结构优化起到了重要推动作用22-23，荷兰国家应用科学研究院（Netherlands Organisation for Applied Science Research, TNO）开发了CASTA 温室结构计算软件供荷兰统一使用。日本农业食品产业技术综合研究机构(National Agriculture and Food Research Organization, NARO)、大学开发了超低成本并可抵御 50m/s 风载的连栋管架塑料大棚。发达国家还不断推出新的装备，如荷兰开发了减反射玻璃（anti-relection, AR）使透光率提高 6%8%，散射光玻璃提高作物产量10%左右24；在节能上除已开发的浅层地热能、中空玻璃保温、 热电联产 （combined heat and power, CHP ）技术外，在光伏温室结构形式25-27、光伏布置方式对作物影响28-30和下一代半封闭（semi-closed ）温室31-32的研究方面也取得较好进展，经统计可将温室每年每平方米天然气能耗由 40 m3降低到 8 m3。 中国连栋温室最早由国外引进，设施装备主要参照荷兰、美国等模式，目前基本实现国产化，但在结构设计理论、重要部件生产方面仍依赖国外。如中国至今未正式颁布连栋温室的设计规范，温室企业也参照荷兰、美国等国的规范进行设计；中国许多环境调控设备实现了国产化33-34，但在设备间协同发挥以及栽培设备的匹配上，仍不尽人意。中国日光温室已超过 70 万 hm2，在装备上形成了不少具有鲜明特色和生产效用的产品35-39，在光热传递机理研究40-45、温室结构标准化46-48、设施装备工程化方面取得了很多成果。但从产业发展的角度来看，95%以上设施简陋、 装备水平低、 环境调控及防灾能力差、劳动强度高；在结构方面种类繁多，缺乏规范，类型达20 多种49，致使很多地方日光温室建筑、结构形式不合理，严重制约了保温蓄热性能的发挥，造成了大量的资源浪费和经济损失50-53；日光温室自动化程度较低，大部分温室缺少环境调控和自动化操作设备54，单位面积劳动生产率仅为日本的 1/20、美国的 1/4055，温室番茄年产 1015 kg/m2，黄瓜 1520 kg/m2，为国际先进水平的 1/5 1/456，目前还面临着成本升高、土地紧缺、比较效益降低、产品安全问题突出的挑战。近年来，中国温室研发人员也开展针对性的研究，不断开发新型日光温室结构形式57-60，来改变以上存在的问题。 1.4 物流装备技术 物流装备主要由内部输送、分级分选、清洗、包装、储藏保鲜、商品追溯等 6 大类相关设备组成。其中内部输送类包括苗床、天车、室内叉车；分级分选类包括分级、分选装备；清洗类包括洗净、杀菌装备等；包装类包括包装材料、机械装备；储藏保鲜类包括预冷、储藏、保鲜装备；商品追溯类包括条码、射频识别装置、数据库、商品标识等。 发达国家十分重视物流装备的研发，将其作为设施园艺商品化的最重要环节之一。荷兰 20 世纪 50 年代起就有专门的研发企业，几乎与温室同步。以最常用的输送设备为例，美国、荷兰等国利用物流输送系统节约了30%的人工费用61。荷兰盆花生产各环节均由输送带、自动搬运轨道、苗床天车和叉车等有机连接，构成了内部物流体系，大大提高了效率，减轻了劳动强度62，如Walking Plant System 使人工减少 60%、空间使用率提高20%。装备应用极大提高了劳动生产效率，自动化则大幅减少了劳力、降低了操作失误；更重要的是，主要环节的自动化，为信息化提供了条件，在荷兰，生产管理软件应用达到 100%。 中国在设施园艺自动化物流装备的研发上基本处于起步阶段，清洗、分级、包装、追溯也大多采用通用设备，针对性不强，这主要受经营规模的影响和农产品价格的限制。近年来随着劳动力成本上升和规模效益的驱动，国内自动化物流装备的研发逐步开始，但只被极少数高档花卉温室采用。适合日光温室和连栋塑料大棚的简易小型省力化物流设备，需求日益旺盛，但缺乏相应技术标准来进行规范。 第 24 期 齐 飞等：中国设施园艺装备技术发展现状与未来研究方向 3 1.5 管理装备技术 管理装备主要由信息化管理、安全生产、现场检测、设施维护等 4 大类相关设备组成。其中信息化管理类包括软件（环境、综合、运营等），硬件（传感器、远程传输装备、ID 识别装备）；安全生产类包括工程防疫、安全应急；现场检测类包括水体、气体、土壤、农药残留检测装备；设施维护类包括清洗、维修更换装备等。 发达国家基于提质、节本、安全的目的，非常重视管理装备技术研发，特别是在综合管理信息化、操作维护自动化、省力化方面优势明显。如荷兰 PRIVA 公司在20世纪 70年代中期就开发出第 1 套用于花卉栽培的管理专家系统；国外盆花生产中，专家系统通过视觉系统、传感器自动监测盆花的生长状况和环境状况，分析各类相关数据，判断长势，自动调控肥水、补光、通风等，操作人员只进行监视管理。 中国在栽培管理系统方面也有一定的开发与研究63-65，但仍处于初级阶段。在其他装备技术方面，中国正处于研发逐步完善、应用局部推进的阶段。 2 中国设施园艺装备技术发展中存在的问题 2.1 技术研发系统性和持续性不够 受立项制度影响，中国自“十五”开展大规模、全方位的设施园艺科技攻关以后，立项数目、经费总额开始逐年下降，目前规模也很小。事实上，中国第一次科研高潮是以模仿为主要技术路线，成果是直接面对应用的“壳”，而非系统的技术产品。受体制影响，创新主要集中在科研机构和大学，科研行为主要以经费为导向，而不是产业需求，加之中国设施园艺装备企业整体科研素质和实力弱，绝大多数从仿造中起步，原创性技术成果十分有限66，即使在设施园艺长期的快速发展中，创新的系统性、持续性始终没有根本提高，而多是“倒逼式”的发展或为避免“查重”而采取换汤不换药的立项模式，那些尚未摸清规律的技术难题始终得不到彻底解决，客观上形成了低水平的“恶性循环”。 2.2 与装备匹配的农艺参数缺乏长期的积累 设施园艺由农机农艺融合而起源，发挥技术潜力更有赖于农机农艺的耦合提升，在科研起步期，曾出现“重硬件、轻软件”的状况，随后又出现了“重软件、轻硬件”的现象，农艺人员在缺乏对硬件了解的情况下单纯研究作物栽培67，各类科研成果难以衔接，针对不同气候、区域、装备的农艺参数始终没有形成权威性的结果，获得的作物生长模型尚未在不同条件下得到广泛的检验和应用68，直接造成了装备研发针对性弱、产出长期徘徊不前、信息化管理装备只有硬件而缺乏“头脑”（针对特定作物和环境的控制策略）等问题。根本上讲，装备服务于植物生长，要实现在特定设施装备条件下最大限度发挥生物潜能的最终目标，就需要长期的“生物 -环境”大数据支撑，这又恰恰是中国所欠缺的。 2.3 装备的整体性和工程性亟需提高 从中国设施园艺装备技术的内容上看，研发应用已呈现出全面、完整的形态，某些单项技术、装备、材料也具有了一定的质量水平和国际竞争力，但从完整的生产系统看，装备的整体性有待加强，工程性还很不足。装备整体性主要受设计理论、装备质量影响，在装备配套的科学性、合理性上还没有实现功能最优、效益最佳的整体优化状态；装备的工程性主要体现在装备的成熟性、实用性、稳定性和可操作性上，中国在动力、环境调控、信息化和自动化装备方面，还存在着效率发挥不足、质量不稳、操作安全性不高、维护困难等问题。此外，特定工程系统中不同装备的技术成熟度也不均衡。 2.4 系统化的前瞻性研究还未展开 与中国农业发展一样，设施园艺也面临着成本、效益、质量、生态、土地、劳动力等方面的挑战，实现由大国向强国转变的任务越来越紧迫和艰巨，因此要尽早建立适应未来要求的技术支撑体系，以适应中国设施园艺现代化的新要求，特别是针对日光温室升级换代、连栋温室高效高产、低碳材料与装备等方面的技术需要及早部署研究。但从目前项目布局和科技计划看，这些内容或没有得到重视或在进行小范围的局部攻关，系统化的研究布局尚未形成，前瞻性的研究体系还没有得到完全确立。 3 未来重点研究方向 3.1 中国区域化园艺作物生长机理的长期协同研究 以加强设施园艺装备技术研发基础理论和实践依据为目标，以果菜、叶菜、果树为试验对象，组织中国不同典型气候区域的研发单位开展针对连栋温室、北方日光温室、南方连栋塑料大棚的“装备- 环境 -生理”长期观测研究，通过全国联网的实时传输系统和定期的专家联席会议机制，逐步建立中国不同区域相关设施装备下温、光、水、肥、气等主要环境因子组合模式与作物产量及品质的关系，为完善中国设施装备条件下的生长模型提供长期、权威的基础数据支撑，也为各类装备的改进、研发提供量化的机理性指导。 3.2 北方日光温室升级换代工程技术研究 为进一步提高日光温室资源利用率、土地产出率、劳动生产率，以新设施、新材料、新装备为重点，开展适应不同区域的节地、节能、节劳动力、四季兼用的日光温室标准化新结构和栽培模式，使土地利用率、单位产量、人均管理规模得到显著提高。通过此项研究，也为实现其他 2 个近远期目标打好基础，一是为解决日光温室日益严重的性能下降问题，为其改造重建提供技术支撑和装备条件；二是为着手研发 10 a 后日光温室的全面换代产品提供技术经验和装备配套模式。 3.3 全产业链自动化关键技术与装备研究 以温室生产集约化、精细化、规模化、高效化为目标，以番茄、黄瓜等大宗果菜为对象，瞄准世界先进水平，研究从籽种、生产到物流的全产业链自动化生产装备，如育苗生产研发集成基质处理、消毒、填料、播种、催芽、转运、移苗等技术装备；生产环节集成建造、环农业工程学报（http:/www.tcsae.org ） 2017 年 4境控制、营养管理、植保、采收、低碳装备等等，以信息化为管理手段，在中小规模上实现作物的优质高产指标（如番茄稳产达到 75 kg/m2以上）；同时探索小规模新型“鱼菜共生”系统的技术模式。该前瞻性研究的重点是通过国产装备的研发集成实现设施整体功能最优，不仅为各类高新技术在其他低端设施上的应用提供有针对性的借鉴，也为在基本定量的前提下实现商业化的高效生产打下良好基础。 3.4 设施园艺信息化智能化装备技术研究 以改造传统装备运行方式和管理模式为目标，以全面提高生产效率、效益、竞争力为目的，研发针对规模化设施园艺生产的信息化管理软件（环境、栽培、能源、行为），开发基于区域性的设施园艺云计算数据库（环境、成本、产量为重点），使软件和云计算平台实现规模以上生产的商业化运行。深入研究物联网技术在设施园艺上的应用，形成具有针对性的控制策略、传输策略与管理策略。开发设施园艺智能装备技术和产品，如植保、内部运输、巡检、采收、货物管理等机器人，实现重点智能装备的样机研制和运行数据积累，为未来商业化开发打好基础。 3.5 非耕地基地化与城镇化装备技术研究 以优化种植业空间结构、增加耕地储备、创新设施园艺发展方式为目标，在小规模非耕地利用研究的基础上，通过延伸技术链条、放大技术空间，使设施园艺非耕地技术向大规模扩展，将“生产”技术全面扩展到“生活、生态”技术方面，以装备技术为主线、以低碳循环为特色，实现 2 个空间维度的技术应用，一是形成城镇边缘非耕地“半岛式”大规模生产基地；二是建设与城镇分离的“孤岛式”设施园艺城镇。该研究主要是借鉴以色列发展设施园艺的经验，通过水资源高效利用、无土栽培技术的全面使用、基础设施的配套，在非耕地大规模利用的前提下，实现设施园艺生产经营的规模化、效益化、持续化。 4 意见和建议 4.1 制订设施园艺装备技术创新发展规划 中国设施园艺装备研发不系统、不持续的问题由来已久，其他问题也与此相关，虽然 2011 年出台了第一个全国设施农业“十二五”发展规划，但侧重于产业，技术支撑的问题涉及很少。在中国设施园艺规模已居世界首位、作用凸显的形势下，应尽早制定设施园艺装备技术创新发展规划（ 2016 2025），以指导中国全领域、全行业科技创新工作。规划重点是要立足农业发展的新形势、新矛盾，以中国由设施园艺大国向强国转变为目标，对重点研究领域、重要技术装备、重大研究项目进行科学规划，结合科技管理体制改革的新要求，对体制机制创新、保障体系建设进行安排，特别对那些长期存在的“短板”问题，要建立长期支持的重点扶持计划，保障设施园艺装备科技创新合理有序、持续健康发展。 4.2 实施设施园艺“全面赶超”发展计划 通过综合性发展计划在短时间内提升设施园艺产业的发展质量和水平是许多国家的成功经验。如 2011 年荷兰农业部制定的“Kas als energiebron ” 计划69，日本 2009年推出的植物工厂基础技术研究基地事业和植物工厂实证、展示和研修事业70、 2014 年推出的次世代设施园艺推进事业71等。中国也应针对整个设施园艺产业的薄弱环节、长期短板和国家现代农业发展的阶段性要求，从装备技术提升、节能减排、经营效益等方面，制订综合性的技术促进和产业促进“全面赶超”计划，从技术、资金、人才、政策等多方面为设施园艺在短期内实现适度的跨越式发展提供新契机、新动力。 4.3 创新体制机制激发协同主体研发活力 以激发设施园艺装备技术创新主体活力、发挥不同层次创新主体作用为目标，通过财税政策引导、技术推广平台建设、知识产权保护等措施，逐步形成科研院校关注基础共性技术、企业积极投身应用技术研发推广的局面。如设立装备技术研发促进基金，通过少量的政府投入拉动更大规模的社会研发资金；又如设立政府监管下的成果“先使用，后付费”技术推广机制，政府出资向产权单位担保，在一定期限内免费让企业使用，到期再支付转让金等。此外，还要在立项、研发、应用上推动协作机制，鼓励农机/ 农艺、企业 /院校、专家 /用户、国内 /国外深度融合、长期协作，通过这种以生产实践检验结果来确定技术成果价值的方式鼓励真正的创新者、合作者，促进装备技术价值的真正实现。 4.4 强化设施园艺技术推广服务体系建设 调研中发现，中国农技推广队伍中缺少设施园艺装备技术人员，直接造成了许多不当技术设备的使用，影响到种植者效益。为确保装备技术能更有效地应用于生产实践，应进一步优化技术推广与服务体系，本着公益、市场相结合的方针，在公益性推广部门中，通过增加人员数量、强化培训等方式，提高推广的科学性、及时性；同时，通过市场化手段，建立社会化的推广服务体系，调动企业、科研、教学机构的积极性，吸引其广泛参与，最终形成层次分明、分工协作、推广到位、服务及时、充满活力的技术推广服务体系。 5 结 论 随着中国温室园艺面积的快速增长，现有设施装备技术体系在技术含量、稳定性、信息化、智能化等方面的不足，导致的对产业瓶颈制约作用越来越明显，影响了产业整体效益水平和劳动生产效率的提升。本文按照温室生产所涉及的种苗、生产、物流、管理 4 个环节入手，对中国设施园艺装备技术发展现状进行了分析，并于国际设施园艺发达国家的水平进行了比对，找出了在种苗全程自动化生产、温室结构标准化和设施设备工程化、室内智能物流输送技术研发和栽培管理系统开发等方面存在的差距。进而明确了设施园艺装备产业发展中存在的技术研发系统性和持续性不够、与装备匹配的农第 24 期 齐 飞等：中国设施园艺装备技术发展现状与未来研究方向 5 艺参数缺乏长期积累、装备整体性和工程性亟需提高、系统化前瞻性研究还未展开等问题。针对性的提出包括：区域化园艺作物生长机理、北方日光温室结构与装备升级、全产业链自动化作业、园艺信息化智能化管理、非耕地基地化与城镇化装备等未来重点研发的方向，以及制定设施园艺装备技术创新发展规划、实施设施园艺技术促进与产业促进的“全面赶超”计划、创新以激发协同研发活力的体制机制、强化技术推广服务体系建设等政策建议，供科研单位、政府部门未来计划和政策的制定提供参考，为指导中国设施园艺装备技术的革新、切实发挥装备技术对设施园艺产业健康、持续发展的重要支撑作用，提供借鉴和保障。 参 考 文 献 1 郭世荣，孙锦，束胜，等. 国外设施园艺产业概况、特点及趋势分析J. 南京农业大学学报， 2012， 35(5)： 4352. 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