溫室大棚技術及其智能化發(fā)展前景

孫銘璇

(南京農(nóng)業(yè)大學，南京 210095)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和勞動技術的革新，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由分散自營農(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)略的帶領下，完成了中國北方蔬菜種植的“綠色革命”，保障了寒冬時期蔬菜品種的供應。

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

以三元朱村為例，對現(xiàn)階段溫室大棚技術及其蘊含的種植科學做出總結，介紹一系列智慧農(nóng)業(yè)技術，規(guī)劃未來溫室大棚智能化、精確化的發(fā)展模式，并結合現(xiàn)實問題給予反思和總結，以期對農(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)屋面墻體設施。溫室大棚是設施農(nóng)業(yè)技術中性能最為完善的一種，其發(fā)明對蔬菜的越冬生產(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)非當季作物，古人搭建了一系列“屋廡”，生火增加屋內(nèi)溫度，同時引流泉水灌溉。此技術傳承歷代，“大棚”的雛形也不斷得到優(yōu)化[1]。我國現(xiàn)代化的溫室大棚結構出現(xiàn)在20世紀50年代的北方地區(qū)。大棚技術的發(fā)展對于我國部分地區(qū)特別是北方城市冬季蔬菜供應起到重要作用，溫室大棚技術自發(fā)明以來也得到不斷的革新和推廣，在當今社會仍發(fā)揮著重要作用。

1.2 溫室大棚建造技術

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構，整個大棚成全封閉狀態(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構，可安裝自動卷簾機，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，種植面積約1 200.6 m2；時至今日，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

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

溫室大棚建造的目的是為了提高作物生長的環(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，應利用物理方法增加棚膜的透光性并及時補修棚膜破洞，下雪后及時清除棚膜上的積雪，定期清掃灰塵。可以用草苫蓋住大棚，因為草苫是一種熱的不良導體，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。必要時還可以在棚內(nèi)增設臨時熱源。為保持棚內(nèi)地熱溫度，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度，促進有機物的積累。增施CO2氣體，可用有機堆肥法、有機物的燃燒，必要時可用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，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、合理控制溫濕度及地熱、控制室內(nèi)的酸堿環(huán)境以阻斷病蟲害的增生，對病蟲害進行生態(tài)防治。根據(jù)蔬菜生長的各個周期需要的營養(yǎng)物質(zhì)進行針對性施肥，在種植前對土壤進行翻耕晾曬，用紫外線進行殺菌。控制溫度并適當增加室內(nèi)CO2濃度，對病蟲害進行農(nóng)業(yè)防治。

2 智慧農(nóng)業(yè)

2.1 智慧農(nóng)業(yè)概述

信息和通信技術的發(fā)展，推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化。智慧農(nóng)業(yè)利用計算機技術的原理解決問題，所依托的主要是大數(shù)據(jù)實驗平臺和物聯(lián)網(wǎng)技術。大數(shù)據(jù)平臺技術主要按照數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)平臺與算法、行業(yè)實戰(zhàn)數(shù)據(jù)分析三個層次構建。大數(shù)據(jù)平臺技術主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的軟件支撐，物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺則實現(xiàn)數(shù)據(jù)的硬件挖掘。物聯(lián)網(wǎng)技術以關聯(lián)的硬件資源為核心，包括物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡層和應用層這三層的體系結構[2]。

智慧農(nóng)業(yè)是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的興起逐漸發(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)的應用。近年來隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等前端技術的發(fā)展和普及，智慧農(nóng)業(yè)向著更加精準的數(shù)字化、信息化方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在對作物生長參數(shù)如莖稈高度、葉面積等的精確檢測，對室內(nèi)環(huán)境如溫度、濕度、CO2濃度的準確測量和成像顯示，精確灌溉、精確施肥的智能調(diào)控設備。智慧農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展不僅將持續(xù)革新其信息技術和儀器設備，而且要融入先進的管理經(jīng)營模式，向著技術的信息化，管理能力的成熟化邁進。

2.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)技術通俗而講就是“萬物互聯(lián)”，通過各種信息傳感器、紅外感應器、射頻識別技術等裝備，實時采集和連接各種相關要素，實現(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)技術就是在作物生長范圍內(nèi)安裝各類傳感設備，通過協(xié)議將農(nóng)業(yè)環(huán)境與網(wǎng)絡相連接，對傳感器采集的各種信息進行數(shù)據(jù)分析和整理，發(fā)布在軟件端，并提供相關的解決措施，實現(xiàn)對作物生長狀況的實時監(jiān)控[4]。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術具體涉及無線網(wǎng)絡傳輸、RFID技術和傳感器。無線網(wǎng)絡指Wi-Fi技術，它將各種傳感器設備和局域網(wǎng)相連，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡傳輸。RFID技術通過對接收信號頻率的處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，并將處理的數(shù)據(jù)傳到云端，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的控制。傳感器網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術，通過傳感器可以檢測作物各項指標，用于信息的交換和傳輸。

2.3 精準農(nóng)業(yè)與傳感技術

無線傳感器網(wǎng)絡對于精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重要作用。傳感器是精確測量各項理化參數(shù)的專用工具，它的工作原理主要是將被測量的物理量通過處理轉化為不同程度的電信號，再通過顯示界面呈現(xiàn)出精確的物理指標。因為傳感器的敏感性高、信號捕捉連續(xù)，所以其具有人工無法達到的速度和精確度。

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

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

2.4 作物栽培中的智能化

精確測定指標后，要對作物進行高效精細的耕作栽培。農(nóng)業(yè)技術的各個環(huán)節(jié)如開溝、施肥、鋤草、烘干等過程都已逐步實現(xiàn)機械化和自動化。要進一步提高生產(chǎn)效率，減少水土流失和因過度施肥下的浪費，必需要發(fā)展精確施肥技術。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)，以作物生長模型、作物營養(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。精確施肥是信息技術(RS，GIS，GPS)、生物技術、機械技術和化工技術的優(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)基本實現(xiàn)規(guī)模化。未來三元朱村的溫室大棚將朝著智能化的方向發(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的靈敏和種植機器的先進性。

3.1 溫室智慧農(nóng)業(yè)中的傳感器技術

智慧溫室中應配備的環(huán)境指標傳感器包括CO2傳感器、光照強度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等[6]。由于部分封閉性，溫室中的這幾項環(huán)境指標的測量均有重要意義。精確測量光照和CO2，可估算此時植株的光合作用強度；對溫度和濕度的測量，可了解植株此時蒸騰作用、呼吸作用、光合作用等各項生理活動。

3.2 智能溫室中的設施藍圖

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

精準測定后要做到對應的精確耕作。土壤內(nèi)布局肥料管道和供水管道，管道閥門實現(xiàn)自動化控制，連接環(huán)境傳感系統(tǒng)，專業(yè)人員設置好環(huán)境指標適宜范圍，管道智能監(jiān)控并給予適當調(diào)節(jié)，部分更加精細的指標由人工和機器共同控制，實現(xiàn)對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，嘗試應用魚菜共生、桑基魚塘等循環(huán)種養(yǎng)模式，實現(xiàn)資源節(jié)約和環(huán)境友好。

智慧溫室不僅要求儀器設備的智能化，管理經(jīng)營模式的成熟高效也很重要。農(nóng)業(yè)規(guī)模化后，各部門配有專業(yè)的栽培管理、加工、物流等多環(huán)節(jié)的專職管理人員，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)高效有序進行。

4 現(xiàn)存的問題與反思

通過對三元朱村調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大棚已經(jīng)實現(xiàn)五代革新。其中一號大棚內(nèi)有生態(tài)立體種植、魚菜共生、A字形、C字形架勢栽培等種植方式。村內(nèi)大棚整齊且規(guī)模化顯著。但在目前的生產(chǎn)過程中，大棚內(nèi)并無傳感器等智能設備，部分溫室內(nèi)甚至無任何機械化設施，僅由溫室薄膜和田地構成。經(jīng)調(diào)研座談可知，目前大棚仍處于個體化生產(chǎn)模式，每家每戶擁有兩三個溫室大棚，各戶獨立耕作自負盈虧，存在大棚內(nèi)技術參差不齊的現(xiàn)象。

微觀上，個體經(jīng)營可一定程度提高個人的生產(chǎn)積極性；宏觀上，小規(guī)模下的競爭也可推動技術革新。而且，三元朱村當前土地流轉正處于二輪承包時期，二輪承包延期30年到期之前可能暫時無法實現(xiàn)耕地的集中。據(jù)當?shù)剞r(nóng)戶反映，自負盈虧、各自種植是目前較好的一種農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)營方式。例如，農(nóng)業(yè)種植本身有其靈活性和環(huán)境多變性特征，不定時需要人員照看以及對成熟作物的采摘。若農(nóng)業(yè)規(guī)模化企業(yè)化，管理上大概率會按照工作時間實行，在時間段內(nèi)耕種，可能會造成耕種最佳時期的錯過或者管理的混亂。諸如此類問題，在技術達不到準確高效的前提下，暫時難以解決。

5 結語

三元朱村作為冬暖式蔬菜大棚的發(fā)源地，其溫室大棚技術已經(jīng)完成第一代到第五代的革新，目前正朝著自動化、精細化、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、光照強度、病蟲害等需結合溫室特點進行調(diào)控，智慧農(nóng)業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術可以更加精確地完成測控。但要想實現(xiàn)規(guī)模化、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)、栽培育種等各個行業(yè)的技術進步和專業(yè)人士的共同努力。