河北省設施農業物聯網+發展現狀

劉云，崔曉瑋，楊陽，曹巖坡，梁玉芹*

（1.河北省農林科學院經濟作物研究所，河北 石家莊 050051；2.元氏縣北褚鎮人民政府，河北 元氏 051134）

近年來，隨著人們對蔬菜質量要求日漸提高、種類需求多樣化，應用物聯網管理系統的智能溫室農業大棚得到了迅速發展。設施農業[1]能夠在一定程度上擺脫農業生產對自然環境的依賴，是傳統農業向現代化集約型農業轉變的有效方式，是實現農業現代化的必由之路[2]。當前農業設施主要是塑料大棚、日光溫室和一些連棟溫室，還有少量先進工程技術的智能溫室等。我國設施農業的規模有限，管理較為混亂，溫室內種植主要依靠人工耕作和經驗管理，造成了一定的資源浪費。目前物聯網在農業技術中的應用主要集中在設施農業的環境感知、農業環境系統監測、自動控制等方面，依靠物聯網與設施農業相結合能夠促進資源的合理利用，更加科學、有效、精準地調控農業設施環境。

1 國外設施農業的發展現狀

設施農業快速發展成為現代農業發展的象征。設施農業發展比較先進的國家有荷蘭、日本、以色列、美國等，這些國家投入大量資金發展設施農業[1，2]，因此設施農業發展較快，綜合水平較高。

荷蘭是擁有玻璃溫室最多、最先進的國家，實現了現代農業的高度自動化發展，其玻璃溫室能夠科學地自動調控溫室內的溫度、濕度、光照和水肥等條件。20 世紀初到1950 年[3]，荷蘭設施農業是以矮墻單坡面、雙坡面和簡單木架支撐的玻璃溫室技術為主，只能勉強滿足植物過冬的基本溫度需求；1951 年到20 世紀80 年代末，溫室大棚的覆蓋材料、設施的結構材料、環境控制和配套體系迅速發展，研發出無土栽培、溫室模擬氣候等技術并廣泛應用，溫室鋼架支撐結構得到發展[4]，透光度大幅提升，作物產量和品質明顯提高；20 世紀80 年代末至今，以設施農業可持續發展理念為目標，重點關注綠色、低能耗和多功能等方面，研究出了設施農業太陽能發電技術，為溫室農業的發展節省了能源。

日本組培環境調控和封閉式育苗技術取得先進成果。由于受到勞動力和人口老齡化的沖擊，日本設施農業的發展方向與其他國家不同，更加注重小型溫室機械的研發，發展立體化種植等技術；更加注重環境綜合調控系統，能有效實現設施農業管理的自動化，根據參數對植物的水、肥、光、熱等進行自動化控制，發揮精細控制的優勢[3]。

以色列地處沙漠地帶，因地制宜發展設施農業，設施園藝生產水平較高，滴灌技術以及品種的開發和培育均處于世界領先水平，主要是種植溫室花卉和蔬菜以供出口[2]。以色列的節水灌溉設備發展較為完善。

高峰等[5]通過剖析設施農業的內涵和特征，回顧國外設施農業的發展歷程，分析了國外設施農業的發展現狀，其認為荷蘭、以色列、美國和日本等設施農業比較發達的國家，已經在環境調控、肥水管理等方面進行了全面系統的研究，并形成了完整的設施體系和配套技術。通過提升設施農業物聯網監測系統水平，建立配套的管理體系和設備，能夠提高設施農業的經濟效益。

2 國內設施農業的發展現狀

根據農業部農業機械化管理司的統計數據，2016年全國設施農業總面積為208 萬hm2，其中連棟溫室面積5.17 萬hm2、日光溫室面積66.15 萬hm2、塑料大棚面積136.96 萬hm2[6～9]，大多數設施較為簡易，北方地區以日光溫室為主，也是我國特有的傳統溫室類型，設施規模較小，科技水平較低[6]，不便于機械操作和環境因子的調控。栽培管理主要靠人工經驗管理，沒有達到指標化、科學化生產管理的要求，散戶很少使用大數據監控管理，主要原因是投入成本較高、農民文化水平較低、對大數據管理系統不會操作等。我國現有的農用機械外形規格和結構較大，難以在日光溫室中進行操作，致使多數設施農業機械配套水平不高，人力勞動強度大，工作效率低。我國的設施農業機械化程度與國外相比差距較大。

隨著我國信息技術的進步，物聯網逐漸越來越廣泛地應用到設施農業中。通過物聯網監控系統，能夠對溫室環境進行遠程監測和控制，改變傳統農業種植方式，有利于農業現代化發展。物聯網與設施農業相結合，可以監測空氣濕度、溫度和CO2濃度以及土壤水分等參數，實現農作物生長的自動化管理，解放勞動力。我國的物聯網+設施農業主要集中在智能監測和自動控制等方面[7]。而物聯網技術的應用主要依賴于傳感器的精密感知能力，但國產傳感器準確度不高，易受到外界環境的干擾，損耗較快，成本高，實際利用率較低。散戶和企業引用物聯網技術，一方面受到高成本的限制，另一方面數據的精準度不高也很難有效對溫室環境進行控制，造成雖然購買了物聯網設備和技術卻閑置報廢的現象，很難將物聯網技術實際運用到設施農業中。

3 河北省設施農業的發展現狀及存在主要問題

3.1 發展現狀

蔬菜產業是河北省農業的重點支柱產業，京津冀協同下的農業區域布局劃分使得河北省作為京津“菜籃子”的地位日益提高，發展潛力巨大。20 世紀80年代以來，河北省設施農業發展迅速，生產規模不斷擴大，2016 年河北省設施農業總面積為 21.6 萬hm2[8～10]，其中，連棟溫室0.04 萬hm2，日光溫室8.26 萬hm2，塑料棚13.3 hm2。

河北省設施農業發展以分散農戶經營為主，土地集約化程度較低，限制了機械化程度較高的設施農業的發展，生產規模普遍較小，大型合作社數量少，產業化程度不高。該省應用最多的小型溫室一般占地667 m2，實際使用面積400 m2。溫室多為單坡面；后墻、側墻一般是土質或者磚混結構；骨架為金屬結構；覆蓋材料多為塑料薄膜，也有用玻璃[11]、PC 板等；保溫材料主要使用草簾和特殊保溫材料制作的保溫被。

散戶應用的溫室多為自行建造，沒有成型的標準體系，投入少，墻體厚度大，占地面積廣，土地利用率低，應用限制條件較多。而采用磚混結構、鋼骨架支撐、用塑料薄膜和保溫被做保溫材料建造的溫室，投入較多，一般在10 萬元以上，增收、增產效果會更好[12]。

河北省南北跨度大、地形地貌多樣，因此形成的農業設施類型較多，常見的類型有塑料大棚、日光溫室、中小拱棚。近年來日光溫室發展迅速，其作為一種封閉式反季節的栽培模式，對溫度、濕度、光照和水肥藥精準度要求較高，生產條件具有一定的局限性。同時，該省大部分地區設施環境控制能力差、科技化程度低，蔬菜生產仍以粗放式的人工勞作為主，農藥和化肥的使用缺乏統一標準，加上從業者文化水平、管理水平和科技創新能力較低，導致河北省設施農業智慧化、科技化程度較低。

3.2 主要問題

3.2.1 綜合管理技術、機械化水平低 目前，河北省缺乏設施農業的專業技術人員，數字化、智能化系統相關組件主要依賴進口，核心技術受制于人。市面上的大數據監控設備精準度低，很難達到物聯網+設施農業相結合進行科學管理的預期效果。溫室大棚冬季達到預期溫度存在一定困難，增溫設備成本較高。土壤檢測以及濕度和溫度控制不夠準確，河北省的溫室內灌溉方式[13]多采用漫灌，少數使用滴灌技術，水資源利用率較低；微灌設備還不完善，滴灌的堵塞、抗老化問題未得到有效解決，且制造水平低，灌水均勻度差。溫室自動控制系統還屬于起步階段，溫室的栽培方式落后，以人工為主，機械化水平低[14]；設施內環境調控以人工經驗判斷為主，對溫室環境如光照、溫濕度、土壤肥力等無法進行實時監測，缺乏對種植環境的全面掌握。有的合作社或農業園區的農業設施雖然在溫度、濕度等控制方面已實現智能化，但仍然缺乏有效的技術支撐，包括智能化農業的設計及環境調控技術，主要技術以國外引進為主，對于溫室內升溫、降溫等環境調控設備處于零散使用狀態，調控能力弱，缺乏切實可行的技術標準，不能形成集溫度、濕度、光照、CO2濃度、水肥調控等綜合環境自動監測和控制系統。大多數的溫室控制系統需要從國外引進，不僅維護、運行成本高，且缺乏相應的優化軟件，優化升級仍需要從國外再購買相應的服務。我國對于這方面的研發投入不夠重視，溫室農業的優勢沒有充分發揮出來。

3.2.2 溫室結構單一 河北省地貌復雜多樣，西為太行山地，北為燕山山地、張北高原，其余為河北平原。高原和山區的光照條件好，但冬季往往易遭受低溫凍害[13]，因此在溫室設施建設過程中要考慮到采光和保溫的問題。河北省年平均氣溫12 ℃以上，0 ℃以上積溫為 4 800～5 200 ℃，無霜凍期 190～205 d[7]。設施農業生產面積廣闊，但應用的溫室多為簡易型，沒有根據相應的地形和環境氣候進行溫室設施的優化與改善。而溫室結構直接影響到溫室生產的經濟效益。在我國北方地區尤其是河北，應加強溫室保溫性能研究，以減少冬季的熱能耗[15]，提高冬季溫室的保溫能力，保證溫室作物生產的溫度。

3.2.3 人才缺乏 我國物聯網+設施農業技術[16]發展迅速，但與發達國家相比仍存在較大差距。表現在我國農業物聯網技術專業人才缺乏，設計、制造型人才缺失嚴重，大部分農民的文化水平較低，習慣于傳統生產方式，對農業物聯網技術的接受和操作能力有限。想要更好地推廣物聯網+設施農業的發展，科研機構、高校或企業要加大軟件技術設計、硬件設備的設計和制造等人才的培養力度，同時定期組織和開展科技下鄉、技術培訓等活動，從而提高勞動者的科學文化素質，并通過示范引導逐步推進物聯網+設施農業的應用。

3.2.4 科技服務滯后 對于智慧農業的發展，基層農技推廣人員的技術支撐尤為重要。但是，河北省缺乏具有豐富指導經驗的基層農技人員，現有的農技推廣人員對農業標準化、信息化、智能化生產等方面缺乏系統化學習和新知識的及時更新。另外，農業生產以一家一戶分散經營為主，接納新技術的能力差異較大，導致先進農業技術的推廣到位率和成果轉化效率較低。

3.2.5 品牌建設優勢弱 河北省設施農業生產以單個企業或農戶分散經營為主，對新的生產技術和市場動態掌握不及時，專業化組織能力、品牌建設優勢和產品市場競爭力較弱，銷售方式以零售和個體經銷商收購為主，難以形成規模經濟，使得品牌產品和支柱產業不能迅速適應市場競爭而較好的抵御自然和市場的雙重風險。

3.3 河北省溫室應用發展方向

2019 年河北省蔬菜產量為5 474.51 萬t，占全國蔬菜總產量的7.59%，其中設施蔬菜播種面積為224.67 千hm2。2019 年全省通過發展高端設施蔬菜和建設環京津基地，加強了蔬菜特優區建設，蔬菜周年供應能力和設施化水平顯著提高，蔬菜特色化、品牌化和高端化發展取得重大突破[17]。

河北省溫室農業的生產效益一般是大田農業的數倍[18]，但其利用效益還有很大的開發潛力；目前當地的溫室應用管理水平比較落后，管理效益提升空間巨大，可以從以下幾個重點方面入手：

3.3.1 優化溫室大棚結構，研發小型溫室設備 完善小型溫室的節能、保溫技術，提高小型溫室產品的時令性，改善溫室結構，提高土地利用率。目前溫室大棚的卷簾有些已經改成電動卷簾，實現了自動機械化控制。大棚結構的門比較矮小，僅容1 人出入，這樣設計的優點是有利于大棚保暖，但同時存在農業種植只能通過人工操作、一些小型機械很難在大棚內作業的缺點。因此，需要優化大棚的結構設置，并且需根據大棚的條件研發相應的小型機械設備，實現機械化生產[16]。

3.3.2 提升綜合管理技術水平 楊冬霞等[19]認為，應利用工業的全面質量管理思想，形成規模經濟和標準化管理，實現真正的農業產業化。研發和推廣小型溫室環境監測技術，提高檢測設備的準確度，推廣應用方便、操作簡單的環境監測儀器。同時，通過多種途徑提升相關管理人員的技術能力，增強其農業管理能力的專業素養[14]。將物聯網與設施農業相結合，通過大數據對設施農業進行統計、監測和管理，實現產品質量和產量的雙提高。

3.3.3 推廣節水設備，促進資源節約利用 河北省水資源匱乏，每年平均超用水量為46.3 億m3[20]，而蔬菜生產需水量大，因此必須推廣節水灌溉設備，推廣滴灌-微噴水肥藥一體化技術，在節約用水的同時針對病蟲害進行施藥防治。達到水、肥、藥的一體化綜合管理，提高效率，實現農業良性循環[21]。加強溫室品種的培育和引進轉化，進一步推廣適用于溫室生產的綜合栽培管理技術，加強宣傳培訓力度。

3.3.4 統一規劃，合理布局 根據河北省設施農業發展現狀、自然資源條件和經濟發展水平等因素，對不同立地條件的設施農業進行統一科學規劃，建立區域特色設施農業體系，為推進河北省設施農業發展提供強有力的保障。

4 展望

溫室技術的發展使得農業生產在一定程度上降低了對自然環境條件的依賴。隨著我國設施農業經濟的不斷發展，針對設施農業的研究越來越多。河北省設施農業面積廣闊，作為京津冀“菜籃子”的蔬菜生產大省，需要不斷提高設施農業種植技術。簡易溫室由于制造簡單、價格低廉很受農民青睞，但簡易溫室抵御自然災害能力差，結構較為低矮，小型機械作業困難，不利于農業現代化發展。而因地制宜優化溫室結構，在發展特色蔬菜栽培的同時，適度發展高標準的溫室，普及相應的綜合管理技術，研發相應的專業機械設施，推廣節能節水的灌溉方式等。將物聯網[22]與設施農業相結合，通過系統精確監測，專家遠程指導，種植者遠程調控，精確管理溫室內的溫度、濕度、土壤濕度等參數，讓溫室蔬菜更高質、更高產，這也是未來設施農業發展的大趨勢。