我國智能設施園藝技術突破之路在何方？

文|楊其長 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所 研究員

設施園藝的顯著特征是以現代裝備為支撐，作物生長的溫度、濕度、光照、CO2以及營養液等環境要素均可由計算機進行智能化管控，作物生產管理過程也可由相應的智能機械裝備進行省力化作業，實現智能化生產。近些年來雖然我國智能設施園藝技術取得了快速發展，但與荷蘭、日本、以色列等發達國家相比，仍有較大差距。必須加大研發力度，迎頭趕上。

設施園藝（Protected Horticulture）是通過一定的工程技術手段，局部改善或創造作物生長發育的適宜環境條件，實現作物周年連續生產的一種高效農業。設施園藝的顯著特征是以現代裝備為支撐，作物生長的溫度、濕度、光照、CO2以及營養液等環境要素均可由計算機進行智能化管控，作物生產管理過程也可由相應的智能機械裝備進行省力化作業，實現智能化生產。

國際智能設施園藝技術進展

20世紀70年代以來，隨著現代工業向農業的滲透，荷蘭、以色列、美國和日本等國設施園藝技術不斷創新，智能化管控水平不斷提升，黃瓜、西紅柿單產已達60-120kg/m2。

可與植物對話技術快速發展。多年來，荷蘭、以色列和美國等國積極探索設施園藝的智能化管控，通過對作物發育與環境、營養定量關系的長期研究，構建了番茄、黃瓜等作物模型TOMSIM、TOMGRO等，荷蘭、以色列等國相繼開發出以環境、營養與生理信息為基礎、以最大生物量為目標函數的智能決策系統，美國還率先提出可與植物對話的技術SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)，通過生物與環境傳感器進行植物生理生態信息的獲取，并與各種決策模型相結合，實現對植物生產過程的智能化管控。

節能與新能源技術創新備受關注。對化石能源的依賴是發達國家設施園藝的重要特征，荷蘭全國12%的天然氣、日本每年100萬噸石油用于溫室增溫，節能需求迫切。荷蘭以大幅提高覆蓋材料透光率和太陽能利用為目標，研發出一種叫zigzag的板材，利用反射光的二次利用，透光率達93%-95%；開發出屋頂清洗機械以增加透光率；荷蘭、德國等積極探索淺層地能調溫技術，利用土壤作為冷熱源，與熱泵結合進行夏季降溫、冬季采暖，節能達65%-70%；為減少人工補光能耗，歐美、日本等采用LED替代高壓鈉燈，節能50%以上。

智能機械與機器人技術發展迅速。隨著溫室單體規模的不斷擴大、勞動力成本的持續上升，機械化與自動化技術發展迅速。美國最早開發出育苗穴盤播種一體化裝備，荷蘭、丹麥等研發出以巖棉基質為核心的營養液栽培技術，日本、荷蘭等開發出蔬菜定植、移栽、收獲、分級包裝等工廠化成套機械。近年來，溫室管理機器人研發極為活躍，黃瓜與番茄采收機器人、搬運機器人、種苗嫁接機器人、植保機器人、種苗移栽與整枝機械手等不斷推出，機器人正進入應用階段。

植物工廠技術創新深受關注。植物工廠作為環境高度可控、產能倍增的高效生產方式，受到世界各國的廣泛關注。日本、荷蘭、美國等從戰略需求出發積極開展植物工廠技術創新，在植物LED光源創制、立體栽培以及智能化管控等方面取得了重要進展。荷蘭飛利浦公司開發出多款植物LED光源，美國Aerofarms公司研發出霧培植物工廠，日本松下、三菱等探索完全由機械手操作的植物工廠，美國NASA甚至研究在太空采用植物工廠技術實現宇航員食物的自給。

我國智能設施園藝技術發展

經過30多年的快速發展，尤其是“九五”以來通過國家一系列重大項目的立項支持，我國智能設施園藝技術不斷取得突破。

節能型設施結構創新取得重要進展。通過引進消化吸收再創新，智能連棟溫室研發制造能力得到顯著提升，溫室各項環境與營養要素可以實現智能化管控；節能日光溫室結構、材料、栽培以及配套裝備等關鍵技術不斷取得突破，實現了在北緯34-42度區域冬季不加溫條件下進行果菜類作物的生產，年節約標準煤4億噸以上。

智能環控與裝備水平不斷提升。針對不同氣候特征和作物需求，成功研制出溫室濕簾——風機降溫、遮陽保溫、采暖通風等環控技術裝備及其智能化管控系統，研發出播種、育苗、嫁接、肥水一體化管控等作業機具，并突破了日光溫室熱能主動蓄放與控制等新技術，設施智能環控與裝備技術水平進一步提升。

智能植物工廠技術取得重要突破。通過自主創新，先后突破植物工廠LED光源創制、光——溫耦合環境調控、營養液循環與控制以及基于物聯網的智能化管控等關鍵技術，實現了植物工廠成套裝備的完全國產化，顯著提升我國在該領域的國際地位。

國內外差距及突破重點何在

雖然中國智能設施園藝技術取得了快速發展，但與荷蘭、日本、以色列等發達國家相比，仍有較大差距。具體表現：

一是設施單體規模小。我國98%以上的設施仍是面積僅為300m2-600m2的日光溫室或中小拱棚，具有自主產權的大型化智能溫室技術亟待突破。

二是機械化、智能化水平仍較低。我國設施園藝機械化率僅為30%左右，無土栽培占比不到1%，勞動生產率低。

三是產量低、品質難以保障。黃瓜、番茄產量一般僅為10-15kg/m2，藥肥用量大、品質不易保障；

四是智能植物工廠產業化水平仍較低，智慧化管控、智能裝備技術亟待突破。

為加快我國智能設施園藝發展，進一步縮小與發達國家技術差距。今后一段時期，我們需緊緊圍繞設施園藝對智能化技術的迫切需求，重點在以下幾個方向率先突破：

一是中國特色的節能大溫室創制。智能化設施園藝的關鍵技術瓶頸是溫室的大型化。因此，亟待開展基于我國氣候特征的大型連棟溫室保溫與蓄熱等關鍵技術研究，創制出低成本、零化石能耗的大型智能連棟溫室。

二是基于模型的溫室SPA智能管控技術研究。

以作物最大生產量為目標函數，構建環境與營養管理模型，研發出溫室SPA智能化控制技術裝備。

三是設施園藝智能機械與裝備研發。突破設施園藝全程機械化及其智能裝備技術，重點攻克種苗嫁接機器人、移栽機械手、栽培管理機械手以及水肥智能管控等關鍵技術。

四是垂直智慧植物工廠關鍵技術研究。攻克超高層（20層以上）垂直智慧植物工廠關鍵技術裝備，研發植物工廠智慧管控機械手、機器人等。