設施園藝論文：設施園藝狀況特點及趨向淺析
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本文作者：郭世榮孫錦束勝李晶作者單位：南京農業大學園藝學院
1工業技術植入園藝作物生產，實現了設施園藝生產的自動化
工業技術植入園藝作物生產之中，使設施園藝賦予了工廠化農業的內涵，成為工業化大體系不可分割的部分。溫室生產的高投入、高產出、高效率管理模式要求應用大量的高新技術，當前工業領域內的科技成果(如機器人技術等)不斷運用于溫室園藝配套裝備之中，已取得初步成果。國外發達國家一直致力于把自動化技術應用于園藝作物的耕種、施肥、灌溉、病蟲害防治、收獲以及農產品加工、儲藏、保鮮的全過程，可以根據作物生長發育的特點，創造最適宜的溫室環境條件，基本擺脫了外界環境條件對作物生產的影響，實現了作物周年生產和均衡上市。目前，這種自動控制技術逐步向智能化、網絡化方向發展［31］。20世紀70年代以來，發達國家的設施園藝已具備了設施設備完善、生產技術規范、產量穩定和產品質量安全性強等特點，并且已形成了溫室制造、生產資料配套、產品生產、物流等為一體的設施園藝產業體系。目前，日本、美國、荷蘭、以色列、韓國、英國開發出的耕耘、移栽、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、蔬菜水果采摘、育苗移栽、苗盤覆土消毒等機器人裝備相對比較成熟，可用于設施園藝生產。溫室園藝機器人的使用，不僅大幅提高勞動生產率，改善設施生產勞動環境，而且保證了作業的一致性和均一性［32］。日本、韓國等國研究開發了多種設施園藝耕作機具、播種育苗裝備、灌水施肥裝備以及自動嫁接裝備等，提高了溫室管理水平和勞動生產率;荷蘭研制溫室屋面清洗機械裝置，用于清洗屋面灰塵，大幅度提高了溫室的透光率［33－34］。另外，荷蘭還開發出自動通風窗開閉、溫濕度調節裝置，被越來越多的溫室采用。發達國家在設施園藝產品的采收和后加工過程中，廣泛使用包裝機具、高效運輸裝置、盆花轉運機械、快速分級系統等設備，提高了園藝農產品的商品性，如荷蘭采運、包裝設備能同時實現10～20個不同花卉品種的自動分類，X射線可用于分辨盆花莖干的長度和葉色［35］。
2高新技術在設施園藝中的應用，推動了設施園藝向“植物工廠”方向發展
無土栽培、計算機技術、生物技術、產品采后處理、新能源利用等高新技術在設施園藝中的應用，使設施園藝逐步向“植物工廠”方向發展。在美國、日本、英國、奧地利、丹麥等國都建有高度自動化的“植物工廠”，可用來生產蔬菜、花卉和果樹，并且一些高附加值的作物如香料、工業原料植物、藥用植物、食用菌等也采用“植物工廠”進行生產。目前，“植物工廠”主要用于生菜、菠菜、萵苣、三葉芹、番茄等蔬菜作物的生產，由于充分利用空間，實現立體多層種植，單位面積的栽培效率可提高數倍。如日本在“植物工廠”內利用無土栽培技術和環境自動調控技術，一年內可多茬栽培生菜和菠菜，收獲期比露地縮短一半時間，產量可達180kg•m－2左右，為露地栽培的30倍以上［26］。此外，隨著人類對太空探索的日益增多，太空農業成為研究的熱點，美國宇航局(NASA)在國際空間站上探索“植物工廠”技術，目前已在綠豆、菜豆和馬鈴薯等作物上獲得了成功。
3無土栽培技術的應用使設施園藝發生了巨大變革
20世紀20年代末，無土栽培技術開始應用于設施作物生產，使設施栽培技術產生了一次大的變革。無土栽培打破了作物生產的空間和地域限制，可以在不適合作物生長的荒漠戈壁、灘涂地、海島、鹽堿地、高寒地、陽臺屋頂甚至太空進行作物生產;無土栽培改變了設施栽培的傳統種植方式，采用營養液或有機基質進行作物生產，可以有效避免設施土壤連作障礙，生產出清潔安全的園藝產品，并且具有省水、省肥、省工等優勢，從而成為栽培學領域飛速發展的一門新技術;無土栽培可加速作物生長，提高產量和品質，一般果菜類蔬菜水培的產量為土壤栽培的數倍甚至數十倍，如番茄營養液栽培年產量最高的可達到75kg•m－2，極大提高了園藝作物的生產效率。20世紀70年代初，美國已有400hm2溫室采用無土栽培技術生產黃瓜、番茄等。目前，在發達國家的設施園藝生產中，無土栽培占溫室總面積的比例荷蘭超過70%，加拿大超過50%，比利時達50%，美、日、英、法等國的無土栽培面積達到250～400hm2［36－37］。歐共體明確規定，所有歐共體國家溫室作物生產要全部實現無土栽培。
4節能、環保的理念貫穿于設施園藝生產之中
設施園藝是一種高能源消耗、高成本投入、高效率產出的生產方式，其中溫室的能源消耗占運行成本的比例較高，減少能耗、提高能源利用效率是設施園藝發達國家開展節能工作的普遍做法。隨著能源危機的不斷加劇，節能設備已成為溫室裝備研究和開發的熱點之一，而人工補光裝置是溫室耗能最多的設備之一。日本、荷蘭、美國等積極探索溫室新型補光光源LED的研究。LED冷光源在滿足作物光合作用需求的條件下，與傳統鈉燈相比具有高光效、長壽等特點，節省能耗達50%以上［38－39］。近年來，由于中東局勢不穩定導致能源緊張、CO2排放的限制以及《京都議定書》的執行等原因，歐美發達國家已將節能技術作為溫室領域最重要的研究課題。目前在設施園藝節能新材料、新技術和新能源的研究中，主要傾向于對太陽能和儲熱材料的有效利用。其中，溫室相變儲熱技術就是最具發展前景的節能技術之一［40］，美國和日本等國使用氯化鈣、硫酸鈉、聚乙二醇和石蠟等相變材料作為墻體儲熱、地下儲熱和室內外聯合儲熱系統，試驗證明是可行的儲熱方法，但其工藝和儲放熱效率等尚需進一步改進［41－42］。一些國家利用淺層地熱，在夏季通過把低溫冷水源抽到地上，用于溫室降溫，經過熱交換的熱量回流到地下，冬季把高溫熱水源抽上來，只需要稍微加溫就可以用于溫室增溫［43］。另外，通過對溫室覆蓋材料內側進行鍍膜處理，能夠有效阻止長波向室外輻射，減少了熱損耗，可以實現節能25%以上。在多余能量回收和利用方面，荷蘭瓦赫寧根大學通過覆蓋多層光譜選擇性吸收的金屬材料(SOL-MOXHilite，荷蘭)和絕緣塑料薄膜(Ebiral，美國)，研制成一種高效降溫－高品位能量產生組合系統，并應用于生產［44］。該技術在高溫季節，可以反射作物光合作用不需要的近紅外光(NIR)，減輕溫室的高熱負荷，而收集反射的能量直接或間接地轉化成電能，用于溫室降溫的能耗;荷蘭溫室通過在玻璃表面噴灑白色涂層，減少夏季進入溫室的太陽輻射量，達到降溫目的;通過改進溫室通風窗口的數量、尺寸、傳動方式以及開啟的角度也能夠使溫室達到較理想的降溫效果。發達國家在發展設施園藝過程中，把保護環境作為前提條件。進入21世紀，隨著人們對生態環境保護和食品安全的日益關注，歐美發達國家在探索溫室能源高效利用、生態環境保護等方面進行了大量的研究工作，研制開發出一系列適合于溫室安全生產的環境友好型新技術。營養液無土栽培技術在現代溫室生產中被廣泛使用，然而，大量營養液的廢棄給環境帶來巨大的壓力。歐盟普遍采用營養液閉路循環系統，通過對營養液的回收、過濾、消毒等措施，實現節水21%、節肥34%，提高營養液利用效率，同時大幅度地減少營養液外排污染水源和土壤。在溫室病蟲害防治方面，開展以生物防治、生態防治和物理防治相結合的綜合防治技術的研究與應用［45］。目前，荷蘭在溫室生物和生態防治綜合利用方面處于世界領先地位，如Koppert公司通過釋放天敵昆蟲，能夠對設施蔬菜主要害蟲達到良好的防治效果，如粉虱天敵漿角蚜、斑潛蠅天敵潛蠅姬小蜂、蚜蟲天敵食蚜癭蚊［46］，目前這些害蟲的天敵已基本實現了商品化。為了提高溫室番茄、甜椒等蔬菜作物的質量，禁止使用化學生長激素，荷蘭研制馴化出取代傳統振蕩授粉的雄蜂授粉，這種授粉方式效率高，并且能使作物產量提高20%左右。以色列開發出太陽能殺滅溫室土壤病蟲害新技術，把灌溉系統安置在翻耕的土壤中，鋪上一層薄薄的透明塑料膜，經過夏季高溫處理，可殺死地表30cm土壤層中90%～100%的細菌、真菌以及線形蠕蟲等。統計分析表明，太陽消毒法可提高設施番茄、洋蔥、土豆等農作物產量25%～432%。在新型栽培基質開發利用方面，加拿大、以色列、英國等國研制出替代草炭、巖棉的無土栽培生態型基質，形成與其相配套的設施蔬菜低碳栽培技術體系［47］。目前，低成本、環保型無土栽培基質研發已取得重大進展，并逐步走向產業化、商品化。
5信息化技術和計算機技術應用于設施園藝作物周年生產之中
隨著微型計算機、傳感器及單片機技術的運用，溫室環境控制智能化、網絡化管理技術得到較快的發展。設施園藝發達國家研發作物自動化生產管理和環境智能化控制體系，從育苗、定植、栽培、施肥、灌溉等過程全部實現自動化運作，溫室環境如溫度、光照、濕度、水分、營養、CO2濃度等綜合環境因子全部實現計算機智能監控。隨著無線網絡技術的應用，溫室網絡化管理技術也得到了較快的發展。美國、日本、荷蘭研發出一種基于控制器局域網總線(CAN)和無線傳感器網絡(WSN)的控制系統，能夠對溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度以及光照等參數進行自動采集，同時控制風機、暖氣、水泵等溫室環境調控設備，使溫室環境達到農作物生長的最佳環境［48］。通過研究溫室作物生長發育與環境、營養之間的定量關系，建立作物生長發育信息化模型，開發出適合不同作物生長發育的溫室控制、咨詢及管理專家系統。以色列和荷蘭開發出番茄和黃瓜等蔬菜作物生育模型和專家系統，包括適用于整枝方式、栽培密度、針對天氣和植株生育狀況的環境指標、不同生育階段的水肥指標、病蟲害預防和控制技術等。荷蘭瓦赫寧根大學通過將作物管理模型與環境控制模型相結合，實現溫室環境的智能化管理，大幅度降低了溫室系統能耗和運行成本。日本千葉大學利用遙感遙測、人工神經網絡、遺傳算法、模糊控制策略等智能控制技術，對農產品從產地生長、采收驗收、加工、自檢自控等所有過程的數據、信息、圖像都實現了信息化管理［49］。
6注重溫室作物專用品種的選育及其配套技術的研發
現代農業競爭的核心是品種，重視溫室栽培作物專用品種的選育是設施園藝發達國家保持溫室產業世界競爭力的重要手段。這些國家在搜集保存本國種質資源的同時，還十分重視國外種質資源的搜集、交換和引進，如以色列通過搜集和引進國外花卉、蔬菜、果樹品種在設施內進行微咸水灌溉，通過遺傳改良、馴化，培育出適合于本國溫室生產的專有設施園藝品種。近年來，設施園藝發達國家越來越關注設施作物新品種的外觀品質、營養品質、耐貯運等性狀的選育，如以色列選育出一種根據客戶對體積和色澤要求的無籽西瓜新品種;荷蘭種苗公司開發出一些富含鈣質、維生素且熱量低的“減肥蔬菜”，高氨基酸含量的“營養蔬菜”，具有觀賞價值的“花卉蔬菜”等新品種。一些生物技術被廣泛用于溫室作物新品種的選育，包括細胞組織培養、體細胞雜交、原生質體融合、遺傳標記、轉基因等技術，在茄子、番茄、甜椒、黃瓜及葉用萵苣等蔬菜作物上培育出一大批優良品種，如德國馬普育種研究所將人工合成的吲哚基醋酸基因轉入茄子，使冬種茄子與夏種的一樣優質;荷蘭育成的抗蟲蔬菜品種可以大幅度減少蔬菜生產中農藥的使用量，既降低了蔬菜產品農藥的殘留，也降低了蔬菜生產的成本。此外，在開發和選育設施作物新品種的基礎上，歐美發達國家非常注重溫室新品種配套栽培技術的研究和開發，選育的新品種普遍采用工廠化育苗體系、高效安全生產技術體系和無土栽培技術，利用高新技術使環境因子與栽培模式的規范完美結合，為作物生長提供最佳的環境，保證高產、穩產［50－51］。
國外設施園藝發展趨勢分析
1設施環境調控自動化與設施園藝作業機械化程度不斷提高
發達國家從事農業人員較少，加上勞動力成本較高，設施園藝生產中非常注重管理水平和勞動生產率的提高，從溫室耕作、作物栽培、生長管理、產品采收、包裝和運輸等過程全部實現機械化控制，溫室內溫度、光照、濕度等環境調節全部由計算機監控和自動化調控。隨著工業技術的不斷發展，機器人技術將會廣泛應用于設施園藝的生產，實現溫室作業精確、高效及省力化。
2溫室日趨大型化，環境調控趨于智能化
大型溫室設施具有投資省、土地利用率高、便于實行機械化自動管理、實現產業化規模生產、室內環境相對穩定的優點，因此，設施園藝發達的國家如荷蘭、加拿大等溫室逐漸向大型化方向發展;溫室園藝的核心是能夠對設施內栽培環境進行有效地控制，創造出適于作物生育的最佳環境條件，因此，未來的人工智能控制系統不僅要做到栽培環境全自動控制，還要與市場、氣象站、種苗公司、病蟲害測報等相連接，進行產量、產值的預測，為生產者提供更為廣泛的信息情報和確切的決策依據。
3設施作物品種更加豐富，市場服務體系更加完善
愈發重視設施作物專用品種的選育，為設施園藝生產提供專用的耐低溫、高溫、弱光、高濕，具有多種抗性、優質高產的種苗。種苗公司作為品種選育的主體，在種質資源、育苗設備方面具有強大的優勢，能夠依據市場需求開發設施栽培所需專用品種，并對設施園藝產前、產中、產后提供技術支持和市場信息化服務。
4無土栽培成為現代設施園藝的主要栽培形式
無土栽培技術具有諸多方面的優點，目前全球已有100多個國家將無土栽培技術用于溫室生產品質優、商品性好、安全、綠色的園藝產品。隨著未來人口數量的不斷增長、可耕地面積的日益銳減，無土栽培技術在提高作物產量、拓展土地利用空間以及保護自然生態環境方面具有廣闊的應用前景，在設施園藝、觀光農業、家庭園藝、植物工廠和太空農業領域也將會擁有廣闊的發展前景。
5設施園藝的生態社會功能更加突出
隨著人們對農產品安全和生態環境保護的日益關注，溫室環境友好、資源高效利用技術得到廣泛重視，設施栽培產品及對環境的無污染化成為必然。設施園藝在都市美化綠化、環境保護、園藝健康、休閑觀光等方面將會得到蓬勃發展，將在提高社會生態文明和精神文明建設中做出突出的貢獻。國外設施園藝蓬勃發展，新材料、新手段、新技術、新模式、新成果不斷應用，科技、產量、效益水平不斷提高，取得的經驗和好的做法值得我國借鑒，有助于我國從設施園藝大國向設施園藝強國轉型。
