设施农业温室大棚技术的研究进展

1 温室节能技术由于能源紧张、CO2排放的限制等原因, 欧美等发达国家目前将节能技术作为温室领域最重要的研究课题。发达国家的温

1 温室节能技术

由于能源紧张、CO2排放的限制等原因, 欧美等发达国家目前将节能技术作为温室领域最重要的研究课题。发达国家的温室产业基本上都是依赖于消耗天然气和石油发展起来的, 每生产10 kg的黄瓜大约需要消耗5 L燃油。近年来, 随着《京都议定书》的执行, 一些发达国家正在研究如何减排CO2, 如荷兰规定, 到2010年, 将以1980年 (100%) 为参照减少温室行业65%化石燃料的使用, 到2020年, 将基本不用化石燃料。因此, 一些国家纷纷投入大量的科研经费用于节能和新能源技术的研究。温室节能技术的主要研究进展包括以下4类技术:

1.1 覆盖材料透光技术

大幅度提高覆盖材料的透光率、增加太阳光的入射量。例如, 荷兰瓦赫宁根大学开发了一种叫zigzag的板材, 利用反射光的二次利用, 透光率可达89%, 最高达到93%~95%。一些国家还开发出了温室屋顶清洗机械装置, 用于清洗屋顶的灰尘, 增加温室的透光率。此外, 对温室覆盖材料的内侧进行镀膜处理, 可以阻止温室内部长波向外辐射, 减少热损耗, 可实现节能25%以上。

1.2 热能的多用途利用和余热回收技术

如温室锅炉的烟筒普遍装有余热回收系统, 热回收效率可达75%以上, 尽可能减少热损耗。此外是浅层地能的利用, 利用土壤作为蓄热源, 夏季把低温冷源抽到地上, 用于温室降温, 把经过热交换的热量打到地下, 冬季把高温热源抽上来, 在热泵作用下升温至45~50℃, 这样只需要稍许加温就可以用于温室采暖, 节能幅度达65%~70%。

1.3 温室优化结构技术

通过缩小屋脊和扩大温室单栋面积来合理采光和减少热损失。温室结构向高大发展, 脊高6 m的新型温室迅速增加, 单栋面积也扩大至100 m×200 m, 有的达到200 m×200 m以上, 大型温室有利于温度稳定及提高光合利用率。荷兰为了提高温室总体密封性能, 节约能源, 对屋顶铝材结构进行了较大改进, 增加了密封胶条, 提高了密封性能, 有效减少了玻璃由于热涨冷缩发生的破损。

1.4 节能光源LED技术

随着发光二极管 (LightEmitting Diode, LED) 技术的发展, 已研制出针对植物需求的单色LED (如波峰为450 nm的蓝光、波峰为660nm的红光等) 及其组合光源, 光能利用率可达80%~90%, 节能效果极为显著, 并已经实现了在温室补光、组培、育苗以及植物工厂等领域的应用。由中国农业科学院环境与可持续发展研究所研究开发的LED光源植物苗工厂, 用节能LED光源替代传统的荧光灯光源, 并根据植物苗对光环境的要求, 进行了系统的研究, 构建了国内第一套用人工光源的植物苗工厂。该技术于2008年11月20日通过科技部组织的专家验收。研究成果按照植物苗工厂的技术需求, 筛选了特定波长的红光LED和蓝光LED, 选取单色红光660nm LED和蓝光450 nm LED光源按一定比例进行组合, 并开发了相应的LED光源板及其控制系统, 研制出了一套控制参数设置方便、界面可视化程度高、数据处理能力强的光环境控制软件。项目所形成的“LED植物苗工厂及其光环境控制系统”成果已在部分地区植物组织培养、蔬菜与花卉工厂化生产等领域示范应用, 显示了广阔的推广前景。

2 温室环保技术

环保技术要求人们必须从各方面促使农业的发展与自然界和谐一致。由于对资源高效利用和环境保护的关注, 一些发达国家近年来投入大量精力进行温室精确施肥、雨水收集、水资源和营养液的循环利用技术以及对土壤、大气的保护技术研究, 尽量减少资源浪费和对环境的破坏。主要研究进展为:一是在无土栽培营养液闭路循环技术方面, 欧盟规定2000年之前所有的温室无土栽培系统必须采用闭路循环系统 (Closed system) , 通过对营养液的回收、过滤、消毒、补充营养等措施, 结合新的营养液的补充, 又重新回到温室循环使用。该系统可实现节水21%、节肥34%, 而且还可以大幅度地减少营养液外排对周边环境的污染, 提高营养液利用效率。二是在雨水收集利用方面, 通过一系列的管路系统将温室天沟的雨水收集起来, 传送到温室附近的蓄水池中, 再通过过滤净化等措施, 输送到温室进行灌溉, 每公顷温室需配备约1 500 m3贮水罐 (池) , 能够解决75%温室作物的用水。三是在病虫害防治方面, 采用生物防治和物理防治手段相结合进行综合防治, 尽量减少化学药剂的使用, 实现对蔬菜自身和环境的零污染。

3 温室智能化技术

计算机智能化调控装置采用不同功能的传感器探测头, 能准确采集设施内室温、叶温、地温、室内湿度、土壤含水量、溶液浓度、CO2浓度、风向、风速以及作物生长状况等参数, 并通过数字电路转换后传回计算机, 对数据进行统计分析和智能化处理后显示出来, 再由计算机智能系统根据作物生长所需最佳条件发出指令, 促使有关系统、装置及设备协调运作, 将室内的温、光、水、肥、气等诸因素调到最佳状态, 确保一切生产活动科学、有序、规范、持续地进行。采用智能化温室综合环境控制系统可节能15%~50%, 提高作物抗性。在荷兰, 温室的操作基本上由计算机系统控制。荷兰有五大温室制造公司, 他们不仅在机械化、自动化、产品采后处理方面设备技术水平高, 而且在计算机智能化、温室环境调控方面也居世界领先地位, 配套温室设施出口额占世界贸易的80%。

4 温室工厂化技术

工厂化农业的核心是对设施内栽培环境进行有效的控制, 进行机械化与自动化生产, 营造适于作物生长的最佳环境条件。植物工厂是在全封闭设施内周年进行园艺作物生产的高度自动化控制体系。目前世界比较先进的温室设施及温室自动监控系统是由奥地利Ruttuner教授设计的Complexsystem和日本中央电力研究所推出的蔬菜工厂等。这类植物工厂采取全封闭生产, 人工调控光照, 立体旋转式栽培, 不仅全部采用电脑监控, 而且还利用机器人、机械手进行播种、移栽等工作, 完全摆脱了自然条件的束缚, 真正实现了工厂化农业的数字设计、调控与管理。植物工厂一年中可多茬次栽培, 生菜、菠菜栽培期较露地栽培缩短1/4~1/2, 产量可达150 kg/m2, 为露地栽培的10~20倍。由于土地资源的限制以及人类开发太空资源的考虑, 近年来, 日本、以色列、美国、荷兰等国积极进行植物工厂的研究与探索, 美国NASA已开始研究在太空采用人工光植物工厂技术实现宇航员食物的自给。日本政府基于本国农业劳动力老龄化、成本急剧上升以及人们对安全食品需求的考虑, 多年来大力发展节能、环保、安全型植物工厂的研究与开发, 通过政策与资金方面的扶持, 极大地推动了植物工厂的普及与发展。植物工厂播种、定植、采收、肥水以及温湿度管理等完全由计算机操作、自动化作业, 为工厂化农业发展展现了美好前景。日本、韩国研究开发了瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本研制了可行走的耕耘、施肥机器人, 可完成多项作业的机器人, 能在设施内完成各项作业的无人行走车, 用于组织培养作业的机器人等。目前, 一些国家在设施农业优良品种的选育、新材料开发、环境控制、高效栽培及其配套系统等方面均形成了完整的技术体系。