北京智能设施农业园区建设实践与思考.pdf

示范园 IMPLEMENT 35 2020 03 农 机 科 技 推 广 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 20 1 7 年 北京市 农 作 物播种 面积 1 2 6 万 h m 2 其 中 设 施 农 业 播 种 面 积 3 6 万 h m 2 占 比 2 8 6 设施农业 总 收入 5 4 5 亿元 占 农业 总 产 值 4 2 0 设施农业产 业 占 京郊农业重要 地 位 北京市都市 现 代 农 业 发 展规 划 提 出 十 三 五期 间 北 京 农 业 将 形 成 70 万 亩 菜田 8 0 万 亩 粮 田 的 农 业 新 格局 设 施农业 在 北 京 农业 中 地 位更 加 重 要 北 京 市 设 施 农 业 包 括 连 栋 温 室 日光 温 室 大 棚 和 小 拱 棚等形 式 冬 季 以 日 光温 室 生 产 为 主 以 蔬菜 为 主要作物 为北京市 冬季蔬菜供应提供重 要保障 但由 于生产环境和农艺限制 北京市设 施农业整体机械 化水 平仅为 3 6 8 远低于粮经 等 产业 劳 动力缺 乏 对 管 理 智能 化 设备 需 求 较 大 等 难 题日益 凸 显 近 几 年 北 京 市 农 业 农 村 局 中 国 农 业 大 学 和 北京农林 科学院等 科 研院所 联 合农机 装 备生产 企 业 各 区 农 机 推 广 站 农 业 生产 园 区 围 绕 农 业 物 联 网 水 肥 一体 化技术 等 开 展 了 大量 的 试验示 范工 作 成 效 显著 北 京 市 农 机 鉴 定 推 广站联 合密云 区 农机 推广站在密云 区建 设 了 北京 市智 能 设 施 农 业 示 范 园 区 集成 配套 1 0 余 种 智 能 化 信 息 化 技 术 通 过 试 验 示 范和宣 传 等方 式 推动 了 设 施 农 业 农 机 智能 化 技 术 在 北 京 市 的 推 广应 用 一 建设架构 北 京 市智 能 设 施 农 业园 区 规 划 占 地 2 8 0 亩 现 有日光 温 室 和 冷 棚 8 1 栋 其 中 重 点 配 套 建 设 1 0 栋 新 型 日 光 温 室 新 型 日 光 温 室 长 1 3 0 m 宽 1 3 m 下 沉 1 2 m 单 栋 面 积 2 5 亩 是 普 通 日光 温 室 的 3 倍 智 能设施农业园 区 建设 包括设施 物 联 网 系 统 环 境调控机构 水肥 一体化系统 生产 监控系统和 综 合 远程管理 云 平 台 五 大 模 块 具 体 内 容 见 图 1 图 1 智能设施农业园区建设架构 1 设施农业物联网 1 气候信息监测 设 施 农 业气候 环 境 主 要监 测 空 气 温 度 空 气 湿 度 光 照 度 和 C O 2 浓 度 三个 参 数 空气温 度 过 高 和 过低 都 会 导 致作 物 不 可逆 转的 物 理 伤 害 造成 作 物 减产甚 至 死 亡 空 气 温 度 的 监 测 可 用来指 导 是 否 需 要 加 温 干 预 空 气 湿 度 过 高 容 易 产 生 病 虫 害 光 照 度和 CO 2 过 低 容易 造 成 作物光 合作 用 不 足 造 成 生 长 缓 慢 和减 产 具 体 参 数介绍 见 表 1 2 土壤信息监测 设施农业 土 壤 环 境 主 要 监测 土壤 温 度 土壤 湿 度 和 土壤 盐 分三个 参 数 土壤 温 度和空 气温度息息相关 灌溉会导致土 壤温度下 降 因 此冬 季 土 壤 温 度较 低 时 不 适 宜 灌 溉 通 过 监 测 土壤 温 度 可指导 灌溉 管 理 土壤 湿 度 是 灌溉 的 主要指标 特别是 果类 蔬菜 对水的需求较大 土 壤 湿 度 的监 测 用 来 保 障 及 时 灌 溉 土 壤 盐 分 的监 测 和 数 据 分 析 可以反 映 出土壤 肥 料 的多 少 用 来 指 北京智能设施农业园区建设实践与思考 北 京 市农 机试 验 鉴 定 推 广站 张传帅 示范园 IMPLEMENT 2020 03 农 机 科 技 推 广 36 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 导施 肥 具 体 参 数 介 绍 见 表 1 表 1 设施农业物联网监测参数 监测参数 监测范围 监测精度 分辨率 特点 空气温度 20 70 0 5 0 1 稳定 成本低 空气湿度 0 100 RH 3 RH 0 1 RH 稳定 成本低 光照度 0 65535Lux 7 1Lux 稳定 成本高 CO 2 浓度 0 2000ppm 5 0 p p m 测量值 3 1ppm 需要定期校准 土壤温度 20 70 0 5 0 1 稳定 成本低 土壤湿度 0 100 2 0 1 稳定 成本高 土壤盐分 0 20ms cm 2 FS 0 01ms cm 较少应用 2 环境调控机构 设施农业 中 空 气 温度 和 土 壤 湿 度 是 最 重 要 的 调 控 参 数 其次 空 气 湿 度 光 照 度 C O 2 浓 度 也 对 蔬 菜 产 量 病 虫 害 和 品 质 有 巨 大 影 响 围 绕 这 些 参 数 产 生 了 众多 环 境 调 控机构 设 备 应 用较 为 广泛的环 境 调控设 备 包 括 卷 帘机 卷 膜 器 水肥 管 理设 备 卷 帘机 卷 膜 器 通 过 控制 器 控制 上卷 下 卷 和 暂 停 卷帘 机 通 常 在 早 晨 太 阳 升 起 温 度 上升 后 打 开 在 傍 晚 温 度 下 降后关 闭 保证 温 室内温 度 卷 膜 器 在 中 午 温 度较高 时 打 开 通风降 温 防 止 高 温 对 蔬 菜 造成 伤 害 并适 当 降低湿 度 在 下 午 温 度下 降 后 关 闭 防 止温 度 过 低 补光 灯 主 要在特 殊天 气 或 者 关键时 期 应 用 保障 蔬菜 生产 京 郊 冬 季 连 日 阴 天 会 造成 蔬菜停 止 生 长 甚 至 死 亡 在 元 旦 春 节 等 关 键 收 获 时 期 适当 的补 光 可 有 效 提高 蔬 菜 产 量 提 前上 市 时 间 空间 电场 可 消除 部 分雾气 降 低 空 气 湿 度 将 空气 中 部 分 水分 进 入 土壤 提 高土壤 湿 度 雾 气 降低 后 提升 光照效 果 提 高 温 室空 气 温 度 并 可 通 过 电 场促 进 蔬 菜 光合 作 用 促 进 生 长 和 降 低 病 虫 害 C O 2 施 放 装 置 可 以 在光照 较 好 光合 作用 较 旺 盛 的 时 候 提 高 C O 2 浓 度 从 而 促 进 蔬 菜 生长 提 高 产 量 循 环风 机可以 提 高 温 室 内 不 同 位 置 温 湿 度 均 匀 性 加 快降 温 和 除 湿 调 控机 构 与 调 控参 数 具体 见 表 2 空 气 温 度 是 影 响 蔬 菜 生 长 产 量 和 经 济 效 益 关键 参 数 其他 调控 空 气 温 度 的设 备 还有加温 灯 电加热设 备 增温 水 循环系统 湿帘 风 机设 备 等 通 过 在 夜 晚 设 施 温 度 较 低 的 时 候 防止 冻 害发 生 促 进 蔬菜生产 较 高 的 温度 也 可 缩 短蔬菜生产 期 早日上市 产 生较 高 经 济 效 益 表 2 设施调控机构与调控参数 调控机构 调控参数 应用情况 卷帘机 空气温度 光照度 应用普遍 卷膜器 空气湿度 空气温度 应用普遍 补光灯 光照度 空气温度 成本较高 普及率较高 空间电场 空气湿度 促生长 降 低病害 效果不明显 普及率低 CO 2 施放装置 CO 2 浓度 成本 较高 较少应用 循环风机 空气温度 空气湿度 普及较低 3 水肥一体化系统 针 对园 区 1 0 栋 日 光温 室 的 灌溉 施 肥需 求 规 划 设 计 了 统一的水 肥一 体化 系统 实 现 园 区 水肥 统 一 管理 精 准 灌 溉 施 肥 的 目 标 水 肥 一 体 化 系 统 包 括 蓄 水 装 置 水 泵 装 置 过 滤 装 置 水肥控制 主机 施肥装置 管道和远程管理 平 台 在 第 一 栋 温 室 耳 房 设 置 水肥 管理 室 房 间 长 8 m 宽 5 m 高 3 m 正下 方 为蓄水 池 房间 内按次 序放置水泵装置 过滤装置 水肥控制 主机 施 肥 装 置 蓄水装置采用蓄水池形式 设计蓄水量 12 0 m 3 园 区水 井距离 比较 远 蓄水 池 保 证灌 溉水 压稳 定 并 大 幅度减 少 灌 溉 地 下 水 中 的 杂 质 蓄水 池沉 淀 杂志定 时 清除 水泵 装 置 为灌溉 施 肥主 要 动 力 采 用 变频水泵 生产 人 员 可 根 据灌 溉 温 室数 量 出水 量 需 求 通 过 控 制 器 调 整 出水 量 和 水 压 过滤装置采 用砂 石 过滤 器 和叠片 过滤 器进行 串 联 两 级 过 滤 砂 石 过 滤 器 对 较 大 杂 质 进行过 滤 叠 片 过 滤器 对 细微 杂质 进 行 过 滤 利用反 冲 洗功 能定 时 清 除 过 滤 器 杂 质 并 通 过 单 独 管 道 排 出 两 级 过 滤 可 防 止 砂 石 杂 质在主 管 道 和 温 室支 管 道 里 沉淀 防 止 杂 质堵 塞 滴灌带 微喷 带 造成 灌 溉 施 肥 不 均 匀 问 题 也 减 少了地下 主 管 道 中 杂 质 沉 淀 造成清理不便 水肥控制 主机是 水肥 一体化 系 统 的 核 心 操 作 界 面较为 鉴 定 可 直接点 击 屏 幕 打开对应 温 室的 灌溉电 磁 阀和 施 肥 泵 可 设 置不同 灌溉 程 序 可 设 置 灌溉 日 期 灌溉 时 间 段 施 肥 时 间段 设备 会在设 置 好的时间段内进 行灌溉和 施 肥 操 作非 常 简 便 施肥装置 由 施肥泵 p H 和 E C 监测仪 搅拌器 和三路施肥通道组成 每路施肥 示范园 IMPLEMENT 37 2020 03 农 机 科 技 推 广 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 可 配 比不 同 肥 料 独 立 的 控 制 单 个 施 肥桶 容 量为 50 0L 最 快 2 5 min 可抽 净 通 过 主 管 道 内 安 装 的 p H 和 E C 传感 器 可 实时监 测配肥情况 远程管 理 平台 包 括 管 理 云 平台 和 手 机 A P P 生 产 人 员 用电 脑 或 者用 手 机 便 可实 现 温 室 灌 溉 施 肥 平台历史 生 产数 据可 作 为管理调整 依 据 水肥 一 体化技 术组 成 装 置 参 数 见 表 3 表 3 水肥一体化技术组成装置参数 装置装备 具体描述 参数 作用 蓄水装置 蓄水池 泵房下 面 具有沉淀泥 沙作业 长 8m 宽 5m 高 3 5m 蓄水量 120m 3 保障灌溉水压稳 定 减少管道泥沙 含量 水泵装置 变频水泵 可调节 出水量 功率 11kW 扬程 44m 流量 47 m 3 h 提供灌溉动力 可 调整出水量和水压 过滤装置 两级过滤 包括 砂石过滤器和叠片 过滤器 配有反冲洗功能 防止管道中杂质沉 淀 堵塞滴灌带 微喷带 水肥控制 主机 操 作 控制平台 配套电磁流量计 电磁流量计量程 14 140m 3 h 远传压力表量程 0 1 6Mpa 可设置 16 种灌溉 程序 灌溉日期 灌溉时间段 施肥 时间段 施肥装置 包括施肥泵 pH 和 EC 监测仪 搅拌器和三路注 肥通道 注肥泵功率 3kW 扬程 450m 流量 12 m 3 h 摆线针轮 搅拌机功率 0 75W 单只肥桶容量 500L 肥料搅拌 肥料监 测及将肥料注入主 管道 管道 包括温室外主管 道 温室内支管道 以及垄上滴灌带 或者微喷带 主管道直径 110mm 深度地 下 1 m 温 室 内 支 管 道 直 径 6 3 m m 滴 灌带 微喷带直径 10mm 输送水肥 远程管理 平台 包括管理云平台 手机 APP 可远程控制设置灌 溉 施肥及查询相 关数据 远程控制灌溉或施 肥 4 生产监控系统 1 视 频 监控 系统 视频监控系统采用球机 可 以远 程调 整 拍 摄 角 度 和 焦 距 一 是 可 实 时查 看 蔬 菜等 作物 的长势 和 病虫 害 情 况 有 助 于 开 展 实 时远 程 病 虫害诊 断 并留 下 不 同 时 期 视 频 和 图 像 资 料 二是可查 看 卷 被 机 卷 帘机 补光 灯等设备 的 运 行 状 态 辅 助 开 展 远程 环 境 调 控 防 止操作 异 常 造成 损 失 2 园区虫情病害测报系统 园区 虫情 病 害 测 报 系统包 括孢子捕 捉 装 置 和 虫 情 测报 装 置 均采用远 程 拍 照 形 式 并 配 套 远 程云平 台 和 手 机 A pp 及 时 预防 农业病害 发生 孢 子捕捉 装置通过光学放大 显 微 镜 定 时 拍 摄 高清 孢子 图片 实 现 实 时监 测园 区 空 气 中 病菌孢 子 浓 度 虫 情 测 报 装置通过诱 虫灯 引 诱 害 虫 具 有 杀 虫 仓 和 烘 干 仓 定 时 将高 清图 像 传 输 到 远程 云 平 台 为 管理 人 员 提 供 决 策 参 考 此 外设备可以定 期 自 动 清 除 害 虫 尸 体 园区 虫 情 病 害 测 报 系 统 实 现 全 程 自 动 化 不需 要人 工 现 场 操 作 3 作物长势监测系统 作物 长势 监 测 系统 采 用 高 精 度 传 感 器 通 过 果 实 茎 秆 和 叶 面 温 度 细 微 变 化 的 监 测 采 集 和 数 据 分 析 可 预 测 作 物短 时间 内 和 不 同 生 长 期 长 势 趋 势 也 能 反映 出 环境 调控 水肥 管理 生产 监 控系 统 及 参 数 介 绍 见 表 4 装置装备 具体描述 参数 作用 视频监控 系统 可远程控制球机 及硬盘录像机 200W 像素 红外距 离 2 4 0 m 水 平 方 向 3 6 0 旋 转 垂 直 方 向 15 90 云台 控制 远程视频监控设施 内蔬菜生长 设备 运行状况 并保存 相关视频 园区虫情 病害测报 系统 远程拍照式孢子 捕捉装置 无 线 传 输 气 体 采 样 流量 120L min 采集 时间 1 160min 可 设置 载玻片规格 5 2 0 7cm 配 套 远 程云平台 便捷查看园区农业 病菌孢子浓度 害 虫数量 及时预防 农业病害发生 远程拍照式虫情 测报装置 太阳能供电 远程 控 制 2 0 W 幼 虫 光 源 主波长 365nm 1200W 工业相机 3 块撞击屏夹角 120 作物长势 监测系统 茎秆直径微变化 茎秆直径量程 5 70mm 分辨率 0 001mm 通过果实 茎秆 叶面温度的监测数 据分析 预测作物 不同生长期长势趋 势 果实直径微变化 直径 15 90mm 分 辨率 0 001mm 叶面温度 叶温 0 50mm 分 辨率 0 01 5 综合远程管理云平台 远 程 管 理 云 平台 建 设 是 实 现 园 区 不 同 自 动 化 设 备 统 一管 理 互 相 支 持的 基础 按 照 功能 划 分 主 要包括 数 据 查询 展 示 设 备控制 和数据处理功能 数据查询 展 示功能 通 过 数 据 图像 和 视 频资 料 多 种 介 质 形 式 便 捷 查 询 实 时 环境 信 息 作 物 长 势信 息 设 备 运 行 状 态 病 虫 害预 报 情 况 设 备 控 制功 能 通 过 平 台 可 控 制 设 施 内 各 环 境 调 控 设备 和 水 肥 管 理 设备 下转 39 页 示范园 IMPLEMENT 39 2020 03 农 机 科 技 推 广 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 上 接 37 页 实现远程操作 降低劳动强度 提 高 工 作 效 率 数 据 处 理 功 能 云 平 台 实 现 大 数 据 存 储功能 可存 储 环 境 信 息 视 频 图 像 设 备 操 控 记 录 等 众 多 信 息 为 数 据查 询 数 据 处 理 和手机 A pp 控制提 供 保 障 远 程 管 理云平 台 控制界面见图 2 图 2 远程管理云平台控制界面 二 设施农业智能化发展思考 1 设施农业智能化仍处于探索阶段 设施农业 智 能 化 技 术应 用 比 例 较 小 处于 试 验 示 范阶段 一 是技 术设 备 可 供选择 的 产 品 少 成本 高 宣 传推广 较 少 农户 对新 型智 能化技术 不 了 解 不 认 可 不 敢 买 二是 技 术 设备与实 际生 产 需 要 存 在 差 距 操 作 要 求 高 故 障 率 高 使 用 寿 命 短 以 及 售后 维 护不 及 时 导 致 经济 效 益 不 够显著 三是 政 策 机制 不健 全 对 智能 化 技 术扶 持 力 度 不够 农 机智能 装 备 作 业 和 购 置 补 贴 缺乏政 策 配 套 阻 碍 了 智 能 化技 术 的 推 广应 用 2 设施农业智能化发展趋势较好 设施农业 由 于环 境 封 闭 易 调 控 单 位 面积产值高 等特 点 更 适 宜 农 机智能 化 技 术应 用 一 是 随 着技 术推 广 应 用 和 迭 代 更 新 稳 定 性 操作 性 不 断 完 善 能更 好 为 农 业 生 产服 务 二是 各 级 政 策 对 农 机智能 化 更 加 重 视 购置 补贴政 策 逐步完善 试 验 示范 逐步增 多 促 进 机 械化向智能 化 发 展 三是 园 区 对 智能 化 技 术认 可 度逐渐 增 高 劳 务 人 员 短 缺 市 场竞争 将 加 剧 倒 逼 园区负 责 人 员改 进 管 理 方 式 引 进 新 技 术 提 升 生 产 机 械 化 智 能 化 水平 进行 了 土 壤 水 分 土 壤 温 度 出 苗 率 株 高 茎 粗 叶 片 数 的 实 际测 试 见 表 1 通过测试对 比 机械 化深松技术有秸秆残茬 覆盖地表地块出 苗率分别 比无秸秆残茬覆盖地表 地 块和复 式 多 功 能 整地 机 进 行 整地作 业的地 块 提 高 6 1 和 1 8 4 作物生 长的 根 系 部 分 2 0 3 0 cm 土 壤水 分分别 比无秸秆残茬覆盖地表地块 和 复式 多功能整地机 进行整地作业的地 块 提高 0 6 和 5 1 作 物生 长 的 根 系 部 分 2 0 3 0 cm 土 壤 温 度 分 别 比无秸秆残茬覆盖地表地块 和复式多功能整 地 机 进 行 整地作业 的地 块 提 高 0 4 和 0 7 四 结论 1 机械深松能有效提高土壤含水量 保证作物 生长 机 械 深松 是用 机 械 进行 超 过 一般 耕 作 深度 的 松土 作 业 实 质 是只 松土 不 翻 土 上 下 土 层 不 乱 的 条件 下 保持 原有植被覆盖地表 能够减少地表 径 流 秸 秆 残 茬 覆 盖地 表 相 当 于给 地 表 盖 了 一 层 被 子 从 而减少 土 壤 水 分的蒸发 在作 物遇到 阶段性干 旱 时 及 时供 给作物水 分 促 进 作物生 长 保证 粮 食产 量 和品 质 2 创造了适宜的土壤孔隙度 提高地温 机械 深松技术 是用专 用 的深松铲松 土 深松深度可 达 3 0 3 5 c m 打 破了 犁 底 层 加 深 耕 层 在 耕 作 层 形 成 鼠 道 从 而 增 加 了土 壤 的 孔 隙 度 利 于 好 气 微 生 物 活动和养分的分 解 使气 体交换较好 吸热性增 强 提 高 地 温 利 于 出 苗 和 作 物 生 长 3 机械深松能够减少机械作业次数 节本增 效 秋 季实施机械 化深松技术 的 地块 春季 可 以 直 接 用 免 耕 播 种 机 进 行播 种 作业 大 大节省 了 作业 时 间和 工作 强 度 同常 规 耕 作 技 术 相比 具 有 明 显 的 节 本 增效 优 势 它 完全 改变 了 传 统 的 耕 作 方 式 不 再 进行 整 地 作 业 这样 既可 减 少 作 业 次 数 节 省 人 力物力和 燃 料 又 减 少废 气的 排 放 4 机械深松可以使秸秆还田 进行免耕播种作 业 保护 性耕作 的 核 心技术 就 是 秸 秆还 田 免耕播 种 秸秆残茬覆 盖地表 地块 可 以进行深松 免 耕 播 种 作 业 秸秆 还 田 可 以 减 少 秸秆 焚 烧 是防 治 雾 霾的有 效 途 径