設施農業(yè)：推動現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的重要力量

【關鍵詞】設施農業(yè) 設施種植設施養(yǎng)殖 設施水產

【中圖分類號】F327 【 文獻標識碼】A

設施農業(yè)是推動農業(yè)現(xiàn)代化、保障國家糧食安全的關鍵力量

農業(yè)強國是社會主義現(xiàn)代化強國的根基。黨的二十大報告指出：“樹立大食物觀，發(fā)展設施農業(yè)，構建多元化食物供給體系。”設施農業(yè)作為一種高效的現(xiàn)代農業(yè)生產方式，具有顯著的生產優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，是推動農業(yè)現(xiàn)代化、保障國家糧食安全的關鍵力量。發(fā)展設施農業(yè)，能夠突破傳統(tǒng)農業(yè)對自然條件的依賴，實現(xiàn)農業(yè)生產的可控性、高效性和可持續(xù)性，從而大幅提升農業(yè)綜合生產能力。此外，還能促進農業(yè)提質增效、帶動農民增收，對于推進鄉(xiāng)村全面振興具有重要意義。

設施農業(yè)是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的重要標志，其發(fā)展水平體現(xiàn)了一個國家農業(yè)現(xiàn)代化的程度。設施農業(yè)最早于20世紀中葉在荷蘭與以色列興起，這兩個國家率先在溫室栽培、家禽養(yǎng)殖等領域開展技術研發(fā)與實踐應用，在全球范圍樹立起行業(yè)典范。20世紀后期，我國開始逐步引入這些先進技術，并在此基礎上積極開展技術消化、吸收及創(chuàng)新工作，持續(xù)探索契合我國農業(yè)發(fā)展需求的設施模式。起初，設施農業(yè)主要集中于溫室種植和初步工廠化養(yǎng)殖。自20 世紀60 年代北京紅星農場嘗試工廠化養(yǎng)豬開始，設施農業(yè)逐漸受到重視。改革開放后，“菜籃子工程”啟動，設施農業(yè)進一步拓展至蔬菜和畜禽養(yǎng)殖領域。進入新世紀以來，隨著機械化、信息化和智能化技術的不斷推廣與應用，我國設施農業(yè)取得了巨大進步。

在設施農業(yè)的發(fā)展進程中，種植、養(yǎng)殖和水產三大板塊各具特色且相互促進。設施種植方面，溫室和大棚的應用極大改善了作物生長環(huán)境，實現(xiàn)果蔬、花卉等經濟作物的全年連續(xù)生產。通過精準調控環(huán)境溫度、濕度及光照等，不斷提升作物產量和品質。設施養(yǎng)殖方面，以家畜規(guī)模化和標準化為切入點，逐步從傳統(tǒng)散養(yǎng)模式轉變?yōu)橹悄芑⒛K化養(yǎng)殖體系，提升了動物福利，有效降低了生產成本和疫病風險。水產養(yǎng)殖逐步從家庭式、小規(guī)模生產向企業(yè)化、規(guī)模化、集約化模式轉變。2022年5月，全球首艘10萬噸級智慧漁業(yè)大型養(yǎng)殖工船“國信1 號”交付運營，標志著我國設施養(yǎng)殖技術實現(xiàn)了從理論到實踐的重大突破。

我國設施農業(yè)的發(fā)展離不開政府的高度重視，多項政策陸續(xù)出臺，為設施農業(yè)發(fā)展提供堅實的制度保障。近年來，中央文件多次強調發(fā)展設施農業(yè)的重要意義，明確要求按照因地制宜的原則推廣塑料大棚、日光溫室、連棟溫室等設施，并大力支持水肥一體化、環(huán)境控制智能化等關鍵技術的研發(fā)和應用。從《現(xiàn)代設施畜牧建設專項實施方案（2023—2030 年）》將設施農業(yè)發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略高度，到《全國現(xiàn)代設施農業(yè)建設規(guī)劃（2023—2030 年）》明確設施農業(yè)未來的發(fā)展方向，再到《全國智慧農業(yè)行動計劃（2024—2028 年）》指出要以智能裝備提升農業(yè)生產效率，政策的持續(xù)加碼推動農業(yè)由傳統(tǒng)粗放型向高效、綠色、智能型轉變。

我國設施農業(yè)的發(fā)展離不開科技創(chuàng)新的持續(xù)驅動，以信息化、智能化為核心的智慧農業(yè)模式讓農業(yè)生產從過去的“看天吃飯”逐漸轉變?yōu)槿缃竦摹爸於薄＝柚锫?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術，農業(yè)生產全過程實現(xiàn)精準調控和智能管理，為不同區(qū)域的設施農業(yè)提供定制化解決方案。從數(shù)字溫室、智能水肥一體化系統(tǒng)到精準種植管理平臺，信息技術正以革命性變革推動農業(yè)朝著綠色循環(huán)、低碳環(huán)保和高效生產的方向發(fā)展，助力農業(yè)現(xiàn)代化邁向新高度。與此同時，關鍵設備和基礎設施建設的不斷升級，全面提升自動化與機械化水平，在保障生產效率的同時，為勞動力轉型和農業(yè)轉移人口市民化創(chuàng)造有利條件，促進城鄉(xiāng)要素的高效流動與配置。當前，我國設施農業(yè)正處于從數(shù)量擴張向質量提升轉變的關鍵時期。在政策扶持、技術進步和市場需求的多重作用下，我國設施農業(yè)有望進一步發(fā)展成為綠色、智能、高效的農業(yè)生產體系，為加快建設農業(yè)強國奠定堅實基礎。

我國設施農業(yè)發(fā)展取得重要進展

近年來，隨著我國科技的不斷進步，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術在設施農業(yè)中的廣泛應用取得顯著成效，智能化技術的應用能夠有效提升生產效率，降低資源浪費，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。當前，智能化技術正在推動農業(yè)生產方式的根本性變革，尤其是在智能養(yǎng)殖、智能種植和智能水產等多個領域的創(chuàng)新應用，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

新技術在設施種養(yǎng)殖業(yè)的全面應用。一是養(yǎng)殖業(yè)的數(shù)字化升級。以生豬養(yǎng)殖為例，通過引入智能感知與精準監(jiān)測技術，實現(xiàn)從種豬選育、仔豬管理到商品豬出欄的全流程數(shù)字化管理，顯著提升了生產效率和動物福利水平。智能系統(tǒng)通過多維度數(shù)據(jù)采集與分析，能夠精確跟蹤豬只的健康狀況與成長過程，并實時監(jiān)控環(huán)境變化。在異常狀態(tài)監(jiān)測方面，智能化系統(tǒng)通過結合接觸式與非接觸式傳感器，可以實時采集生豬體溫、運動量等生理數(shù)據(jù)，并通過紅外熱成像與行為分析技術監(jiān)控豬群的健康狀況，實現(xiàn)全天候的異常狀態(tài)監(jiān)測，提前識別潛在疾病，有效降低疾病擴散和養(yǎng)殖損失。智能化系統(tǒng)對養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的精準采集與智能分析使得養(yǎng)殖業(yè)實現(xiàn)從人工管理向數(shù)字化、精準化、智能化的全面轉型，推動我國養(yǎng)殖業(yè)朝著更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展。

二是種植業(yè)的智能化進步。傳統(tǒng)種植業(yè)生產模式面臨環(huán)境控制的不穩(wěn)定、資源浪費、生產效率低等問題。近年來，我國科研人員通過技術攻關，突破了多項關鍵技術，推動了設施種植的智能化升級。低功耗、低成本的小型化農業(yè)傳感器的廣泛應用，使對土壤、氣象、設備工況等多個變量的實時監(jiān)控成為可能；借助無線傳感網(wǎng)絡，光照、溫度、濕度、氣體濃度等重要環(huán)境參數(shù)得以實現(xiàn)高效采集與精準傳輸，為設施生產的精準調控提供了科學依據(jù)。此外，智能感知技術還在表型參數(shù)的感知方面取得了突破。通過自主研發(fā)的巡檢機器人搭載高分辨率相機、三維激光掃描儀、紅外熱成像相機等設備，成功克服了由于環(huán)境復雜性帶來的數(shù)據(jù)缺失、遮擋和混淆等問題，實現(xiàn)了作物全生長周期中的株高、莖直徑、葉面積等生長參數(shù)的精準提取，為植物生長調控模型提供了數(shù)據(jù)支撐。多源數(shù)據(jù)分析的持續(xù)優(yōu)化顯著提高了設施農業(yè)的智能化水平，為綠色農業(yè)的發(fā)展提供了強大的技術支撐。

三是水產養(yǎng)殖的智能化改造。我國水產養(yǎng)殖業(yè)長期面臨環(huán)境復雜、資源利用低效等問題。近年來，我國水產養(yǎng)殖業(yè)在智能化設施改造與技術創(chuàng)新方面取得了突破，工船養(yǎng)殖模式的創(chuàng)制構建了安全高效的深遠海工業(yè)化養(yǎng)殖生產體系。新一代大型養(yǎng)殖工船集成了水下立體測量、數(shù)據(jù)分析、智能決策與智能控制等先進模型算法，成功攻克了增氧、投喂、換水等多個關鍵環(huán)節(jié)的耦合調控技術，提升了水產養(yǎng)殖的單位產出效率與環(huán)境適應性。在工廠化養(yǎng)殖方面，工廠化魚菜共生系統(tǒng)因生長周期異步和多參數(shù)耦合難度大，面臨著氮轉化吸收利用率較低等產業(yè)發(fā)展瓶頸。對此，我國科研人員研發(fā)了魚類氮脅迫指示器，結合三維空間行為學信息與水質數(shù)據(jù)，構建了魚類運動特征參數(shù)和氮素濃度的多因子耦合模型，實現(xiàn)了養(yǎng)殖水體氮脅迫快速響應與預警，系統(tǒng)精度超過92%，為高效水產養(yǎng)殖提供了有力保障，促進了我國魚菜共生產業(yè)發(fā)展。

新成果在設施種養(yǎng)殖業(yè)的全面創(chuàng)新。一是智能精準飼喂與環(huán)境調控技術的優(yōu)化。例如，在生豬養(yǎng)殖中，飼料成本占總成本的60% 左右，如何提高飼料利用率并降低成本是亟待解決的難題。智能精準飼喂技術通過數(shù)字化調控網(wǎng)絡，為養(yǎng)殖場提供基于豬只生長階段和體況的實時飼料調整策略，使得養(yǎng)殖場能夠避免浪費，確保豬只健康成長。環(huán)境控制技術的不斷進步，可以將養(yǎng)殖環(huán)境的管理提升到全過程的精細化管理。分布式傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)測環(huán)境中的溫濕度、氨氣濃度等參數(shù)，系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)自動調節(jié)通風、溫控與凈化設備，從而保持豬舍舒適度并降低呼吸道疾病的風險。在極端氣候條件下，系統(tǒng)能夠自動啟動風機、濕簾或噴霧裝置，以保證豬只的舒適度，并平衡能耗。

二是智能決策與精準調控模型的創(chuàng)新。智能決策模型的發(fā)展，促使環(huán)境、水肥與能耗調控更為精準。通過“數(shù)據(jù)—機理—經驗”耦合的設施作物生長調控模型，科研團隊成功破解了智能決策中“智慧大腦”缺失的問題。該模型綜合考慮溫度、光照、水分、氣體及肥料等多種因素對作物生長的協(xié)同影響，建立精確預測模型，提升光合速率等指標的預測精度。此外，針對水肥調控，研發(fā)動態(tài)數(shù)學解析與修正算法，優(yōu)化水肥灌溉的決策，解決傳統(tǒng)灌溉過程中水分流失與偏差問題，為精準管理提供理論依據(jù)。在環(huán)境調控方面，科研團隊通過對作物的光合速率和莖直徑等變化的分析，深入探討環(huán)境因子與作物微變化之間的關系，為精準調控提供了科學依據(jù)。

三是魚類生長與行為精準測量及跟蹤技術的創(chuàng)新。在水產養(yǎng)殖領域，傳統(tǒng)的魚類生長與行為測量依賴人工干預，不僅周期長且精度有限。為此，科研人員利用計算機視覺技術，突破了小目標跨域識別和無損計數(shù)的技術瓶頸，開發(fā)了水下無接觸精準測量技術。這一技術能夠實時、無干擾地在水下環(huán)境中測量魚類的體長、體重等指標，極大提升了測量精度，并為養(yǎng)殖管理提供科學數(shù)據(jù)支持。與此同時，科研團隊創(chuàng)新研發(fā)了水下多魚類目標行為連續(xù)跟蹤技術，突破了復雜水下環(huán)境中的技術瓶頸。通過優(yōu)化目標檢測與跟蹤算法，結合對抗訓練機制，提升魚類行為連續(xù)跟蹤的精度，為養(yǎng)殖效益的提升提供強有力的技術支持。

新模式在設施種養(yǎng)殖業(yè)的全面發(fā)展。一是數(shù)字孿生與智慧化管理的全面應用。隨著智能技術的不斷進步，農業(yè)管理模式正經歷深刻變革。數(shù)字孿生技術的應用，能夠讓養(yǎng)殖企業(yè)精確掌握各類數(shù)據(jù)并進行實時調整，提升養(yǎng)殖效率、減少風險，并實現(xiàn)養(yǎng)殖過程的精細化管理。未來，智慧牧場將進一步拓展產業(yè)鏈條，從選種、育種到市場銷售形成閉環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，提升生產效率并促進可持續(xù)發(fā)展。

二是精準投喂與環(huán)境調控技術的全面集成。精準投喂技術是提升水產養(yǎng)殖效率、促進魚類健康生長的重要手段。科研團隊為深遠海和工廠化設施養(yǎng)殖開發(fā)了仿真養(yǎng)殖系統(tǒng)，結合低緯聲學特征的攝食行為識別技術和光流場能量累積模型，構建了精準投喂閉環(huán)控制模型。該模型能夠實時監(jiān)控魚類的攝食行為，并根據(jù)魚類生長情況精確調整飼料投放量，從而提高飼料利用率并減少浪費。同時，科研人員對環(huán)境調控模型進行深入研究，涵蓋水質管理、流速調控等方面，為水產養(yǎng)殖提供穩(wěn)定的水質和良好的環(huán)境條件。精準投喂與環(huán)境調控技術的集成應用，不僅提升了養(yǎng)殖的自動化和精準化水平，而且推動了行業(yè)現(xiàn)代化建設，為水產養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展提供了有力的技術保障。

三是設施農業(yè)組態(tài)平臺集成與應用。為降低設施農牧漁業(yè)管控系統(tǒng)的開發(fā)成本，提高模型普適性水平，科研團隊提出基于工業(yè)組態(tài)的設施農牧漁業(yè)公共組態(tài)平臺開發(fā)，實現(xiàn)0 代碼、超快速管控系統(tǒng)部署及模型的嵌入式應用，以及從“經驗驅動”到“數(shù)據(jù)決策”的模型智能決策應用。農業(yè)組態(tài)技術作為現(xiàn)代農業(yè)智能化轉型的核心工具，其意義體現(xiàn)在對傳統(tǒng)生產模式的系統(tǒng)性革新，通過模型數(shù)據(jù)驅動決策，構建全要素聯(lián)動機制。組態(tài)系統(tǒng)通過設施農業(yè)生產模型庫，將農藝知識轉化為可復制的數(shù)字化模板。組態(tài)技術通過0代碼操作界面，使普通農民經過簡單培訓即可完成復雜環(huán)境調控軟件搭建，將設施管控模型嵌入到應用，實現(xiàn)生產過程的智能化管控。設施農業(yè)組態(tài)平臺可實現(xiàn)一屏掌控“耕、種、管、收”的快速0 代碼開發(fā)與智能化應用。

設施農業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與對策

盡管我國在設施農業(yè)領域取得了顯著進展，但在核心技術、管理模式及體制機制方面仍面臨一些挑戰(zhàn)。

設施養(yǎng)殖方面，我國在飼料轉化率等核心生產指標上與農業(yè)發(fā)達國家相比還存在一定差距。這反映出種質資源利用率、飼料資源利用率、勞動效率以及數(shù)字化管理水平上的不足。在技術層面，我國雖已實現(xiàn)了環(huán)境控制設備（如風機等）的國產化，但核心控制模塊仍依賴進口。這不僅增加了生產成本，更制約了自主創(chuàng)新能力的提升。現(xiàn)有的環(huán)境調控模型多基于單因素設計，未能充分考慮多種環(huán)境參數(shù)的綜合影響，養(yǎng)殖機器人和智能化管理系統(tǒng)的智能化水平有限，難以支撐無人化養(yǎng)殖管理體系建設。

設施種植方面，我國是全球設施農業(yè)面積最大的國家，但在生產效能和技術水平方面，與荷蘭、日本、以色列等設施農業(yè)強國相比仍存在一定差距。在基礎設施方面，我國仍以塑料大棚等中小型溫室為主，大型連棟溫室等高土地利用效率、低能耗、高水平機械化智能化的設施占比較低。在關鍵技術研發(fā)方面，我國尚未建立成熟的設施果蔬生長發(fā)育規(guī)律機理過程模型，基礎研究相對薄弱。在數(shù)據(jù)積累與智能調控方面，相較荷蘭、以色列等國家長達40 多年的生產數(shù)據(jù)積累，我國存在系統(tǒng)性的生產數(shù)據(jù)缺失問題，導致數(shù)據(jù)驅動的智能調控算法發(fā)展相對滯后。

設施漁業(yè)方面，我國在模型算法與養(yǎng)殖裝備的系統(tǒng)集成方面仍面臨挑戰(zhàn)。當前模型算法的研發(fā)多基于理論假設和單一環(huán)境參數(shù)，未能充分結合實際養(yǎng)殖裝備的技術特性及復雜多變的生產環(huán)境條件。具體表現(xiàn)為：在表型測量中，現(xiàn)有模型算法對動態(tài)光照、水質波動及魚群行為等復雜場景的適應性不足；在養(yǎng)殖投喂中，投喂系列模型算法與裝備的集成度較低，導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性欠佳。此外，我國設施漁業(yè)的系統(tǒng)化模型算法研究仍顯薄弱，雖已初步開發(fā)了涵蓋表型測量、投喂管理及環(huán)境控制等環(huán)節(jié)的系列算法，但各技術模塊間缺乏深度融合，多源數(shù)據(jù)的協(xié)同挖掘不足，“信息孤島”現(xiàn)象較為突出，制約了整體系統(tǒng)的智能化水平提升。

管理模式方面，當前智能裝備的購置和維護成本較高、整體信息化管理水平偏低，生產過程中大量環(huán)節(jié)仍依賴人工操作，效率低下且易產生操作誤差。更值得關注的是，行業(yè)缺乏統(tǒng)一的建設標準和管理規(guī)范，各地養(yǎng)殖場在設施配置、運營流程等方面存在顯著差異，制約產業(yè)的規(guī)模化和標準化發(fā)展進程。此外，產業(yè)鏈上下游信息機制不健全，生產、加工、銷售等環(huán)節(jié)之間存在明顯的信息壁壘。這不僅造成資源配置效率低下，而且加劇市場供需波動，影響產業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。這些問題反映出我國設施農業(yè)在管理現(xiàn)代化和產業(yè)協(xié)同方面仍有較大提升空間。

為應對當前設施農業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，亟需系統(tǒng)構建跨領域協(xié)同創(chuàng)新的設施農業(yè)發(fā)展體系。應融合農業(yè)、生物、機械、電子、控制、計算機等多領域的科技力量，組建創(chuàng)新聯(lián)盟、創(chuàng)新聯(lián)合體等產業(yè)創(chuàng)新平臺，重點突破關鍵核心技術的自主研發(fā)。在體制機制創(chuàng)新方面，應進一步完善政產學研用合作機制，通過政策引導和資金支持，打通從科研攻關到產業(yè)推廣的完整鏈條。重視示范基地建設和人才培養(yǎng)，通過建立智慧生產示范基地，開展多層次的技術培訓和實踐交流，切實提升從業(yè)者的智能化管控體系。在技術創(chuàng)新路徑方面，應采取科教單位生產研發(fā)、企業(yè)實際應用驗證的協(xié)同模式，整合數(shù)據(jù)采集、智能裝備、數(shù)字平臺等關鍵要素，構建覆蓋生產全過程的智能化管控體系。同時，應加快構建標準化生產體系，推動規(guī)模化發(fā)展，通過政策扶持、技術創(chuàng)新和人才培養(yǎng)等多維度協(xié)同推進，加強政產學研用聚力協(xié)同，全面提升設施農業(yè)的產業(yè)競爭力、資源利用效率和綠色發(fā)展水平，為智能化技術應用提供全方位的制度保障。

當前，我國設施農業(yè)正處于轉型關鍵期，其發(fā)展呈現(xiàn)技術深度化、產業(yè)鏈協(xié)同化、綠色低碳化、主體多元化等顯著特征。隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術的深度應用，傳統(tǒng)依賴經驗的農業(yè)生產模式正向數(shù)據(jù)驅動的智能化方向轉變。通過建立多源數(shù)據(jù)實時采集分析系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對農業(yè)生產全過程的精準監(jiān)測與智能調控，顯著提升資源利用效率和管理精細化水平。當前亟需突破五大關鍵技術領域：高效綜合防控與凈化技術、復雜環(huán)境適應性裝備技術、低能耗智能管控技術、精準水肥環(huán)境調控系統(tǒng)以及全生命周期精準智能管控技術。這些關鍵技術的突破，能夠有效解決設施農業(yè)面臨的環(huán)境適應性差、管理粗放、能耗高等問題，推動實現(xiàn)產量與品質的雙提升，為設施農業(yè)高質量發(fā)展提供堅實的技術支撐。

總體而言，設施農業(yè)的發(fā)展歷程充分彰顯了我國農業(yè)技術自強不息的精神品格。從最初對國外技術的引進模仿，到如今部分裝備實現(xiàn)自主創(chuàng)新，設施農業(yè)正逐步成為現(xiàn)代農業(yè)高質量發(fā)展的重要支柱和保障國家糧食安全的重要手段。隨著智慧農業(yè)、綠色循環(huán)農業(yè)和數(shù)字技術的深度融合，設施農業(yè)在保持穩(wěn)健增長的同時，以更加集約、智能、環(huán)保的模式繼續(xù)引領農業(yè)轉型升級，為推進鄉(xiāng)村全面振興和建設農業(yè)強國提供源源不斷的動力。

【注：本文系農業(yè)農村部資助項目階段性研究成果】

【參考文獻】

①何勇等：《智慧農業(yè)》，北京：科學出版社，2023 年。

②劉羽飛、何勇、劉飛等：《農業(yè)傳感器技術在我國的應用和市場：現(xiàn)狀與未來展望》，《浙江大學學報（農業(yè)與生命科學版）》，2023年第3期。

責編/ 銀冰瑤 美編/ 楊玲玲