设施园艺论文：设施园艺状况特点及趋向浅析
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本文作者：郭世荣孙锦束胜李晶作者单位：南京农业大学园艺学院
1工业技术植入园艺作物生产，实现了设施园艺生产的自动化
工业技术植入园艺作物生产之中，使设施园艺赋予了工厂化农业的内涵，成为工业化大体系不可分割的部分。温室生产的高投入、高产出、高效率管理模式要求应用大量的高新技术，当前工业领域内的科技成果(如机器人技术等)不断运用于温室园艺配套装备之中，已取得初步成果。国外发达国家一直致力于把自动化技术应用于园艺作物的耕种、施肥、灌溉、病虫害防治、收获以及农产品加工、储藏、保鲜的全过程，可以根据作物生长发育的特点，创造最适宜的温室环境条件，基本摆脱了外界环境条件对作物生产的影响，实现了作物周年生产和均衡上市。目前，这种自动控制技术逐步向智能化、网络化方向发展［31］。20世纪70年代以来，发达国家的设施园艺已具备了设施设备完善、生产技术规范、产量稳定和产品质量安全性强等特点，并且已形成了温室制造、生产资料配套、产品生产、物流等为一体的设施园艺产业体系。目前，日本、美国、荷兰、以色列、韩国、英国开发出的耕耘、移栽、施肥、喷药、蔬菜嫁接、蔬菜水果采摘、育苗移栽、苗盘覆土消毒等机器人装备相对比较成熟，可用于设施园艺生产。温室园艺机器人的使用，不仅大幅提高劳动生产率，改善设施生产劳动环境，而且保证了作业的一致性和均一性［32］。日本、韩国等国研究开发了多种设施园艺耕作机具、播种育苗装备、灌水施肥装备以及自动嫁接装备等，提高了温室管理水平和劳动生产率;荷兰研制温室屋面清洗机械装置，用于清洗屋面灰尘，大幅度提高了温室的透光率［33－34］。另外，荷兰还开发出自动通风窗开闭、温湿度调节装置，被越来越多的温室采用。发达国家在设施园艺产品的采收和后加工过程中，广泛使用包装机具、高效运输装置、盆花转运机械、快速分级系统等设备，提高了园艺农产品的商品性，如荷兰采运、包装设备能同时实现10～20个不同花卉品种的自动分类，X射线可用于分辨盆花茎干的长度和叶色［35］。
2高新技术在设施园艺中的应用，推动了设施园艺向“植物工厂”方向发展
无土栽培、计算机技术、生物技术、产品采后处理、新能源利用等高新技术在设施园艺中的应用，使设施园艺逐步向“植物工厂”方向发展。在美国、日本、英国、奥地利、丹麦等国都建有高度自动化的“植物工厂”，可用来生产蔬菜、花卉和果树，并且一些高附加值的作物如香料、工业原料植物、药用植物、食用菌等也采用“植物工厂”进行生产。目前，“植物工厂”主要用于生菜、菠菜、莴苣、三叶芹、番茄等蔬菜作物的生产，由于充分利用空间，实现立体多层种植，单位面积的栽培效率可提高数倍。如日本在“植物工厂”内利用无土栽培技术和环境自动调控技术，一年内可多茬栽培生菜和菠菜，收获期比露地缩短一半时间，产量可达180kg•m－2左右，为露地栽培的30倍以上［26］。此外，随着人类对太空探索的日益增多，太空农业成为研究的热点，美国宇航局(NASA)在国际空间站上探索“植物工厂”技术，目前已在绿豆、菜豆和马铃薯等作物上获得了成功。
3无土栽培技术的应用使设施园艺发生了巨大变革
20世纪20年代末，无土栽培技术开始应用于设施作物生产，使设施栽培技术产生了一次大的变革。无土栽培打破了作物生产的空间和地域限制，可以在不适合作物生长的荒漠戈壁、滩涂地、海岛、盐碱地、高寒地、阳台屋顶甚至太空进行作物生产;无土栽培改变了设施栽培的传统种植方式，采用营养液或有机基质进行作物生产，可以有效避免设施土壤连作障碍，生产出清洁安全的园艺产品，并且具有省水、省肥、省工等优势，从而成为栽培学领域飞速发展的一门新技术;无土栽培可加速作物生长，提高产量和品质，一般果菜类蔬菜水培的产量为土壤栽培的数倍甚至数十倍，如番茄营养液栽培年产量最高的可达到75kg•m－2，极大提高了园艺作物的生产效率。20世纪70年代初，美国已有400hm2温室采用无土栽培技术生产黄瓜、番茄等。目前，在发达国家的设施园艺生产中，无土栽培占温室总面积的比例荷兰超过70%，加拿大超过50%，比利时达50%，美、日、英、法等国的无土栽培面积达到250～400hm2［36－37］。欧共体明确规定，所有欧共体国家温室作物生产要全部实现无土栽培。
4节能、环保的理念贯穿于设施园艺生产之中
设施园艺是一种高能源消耗、高成本投入、高效率产出的生产方式，其中温室的能源消耗占运行成本的比例较高，减少能耗、提高能源利用效率是设施园艺发达国家开展节能工作的普遍做法。随着能源危机的不断加剧，节能设备已成为温室装备研究和开发的热点之一，而人工补光装置是温室耗能最多的设备之一。日本、荷兰、美国等积极探索温室新型补光光源LED的研究。LED冷光源在满足作物光合作用需求的条件下，与传统钠灯相比具有高光效、长寿等特点，节省能耗达50%以上［38－39］。近年来，由于中东局势不稳定导致能源紧张、CO2排放的限制以及《京都议定书》的执行等原因，欧美发达国家已将节能技术作为温室领域最重要的研究课题。目前在设施园艺节能新材料、新技术和新能源的研究中，主要倾向于对太阳能和储热材料的有效利用。其中，温室相变储热技术就是最具发展前景的节能技术之一［40］，美国和日本等国使用氯化钙、硫酸钠、聚乙二醇和石蜡等相变材料作为墙体储热、地下储热和室内外联合储热系统，试验证明是可行的储热方法，但其工艺和储放热效率等尚需进一步改进［41－42］。一些国家利用浅层地热，在夏季通过把低温冷水源抽到地上，用于温室降温，经过热交换的热量回流到地下，冬季把高温热水源抽上来，只需要稍微加温就可以用于温室增温［43］。另外，通过对温室覆盖材料内侧进行镀膜处理，能够有效阻止长波向室外辐射，减少了热损耗，可以实现节能25%以上。在多余能量回收和利用方面，荷兰瓦赫宁根大学通过覆盖多层光谱选择性吸收的金属材料(SOL-MOXHilite，荷兰)和绝缘塑料薄膜(Ebiral，美国)，研制成一种高效降温－高品位能量产生组合系统，并应用于生产［44］。该技术在高温季节，可以反射作物光合作用不需要的近红外光(NIR)，减轻温室的高热负荷，而收集反射的能量直接或间接地转化成电能，用于温室降温的能耗;荷兰温室通过在玻璃表面喷洒白色涂层，减少夏季进入温室的太阳辐射量，达到降温目的;通过改进温室通风窗口的数量、尺寸、传动方式以及开启的角度也能够使温室达到较理想的降温效果。发达国家在发展设施园艺过程中，把保护环境作为前提条件。进入21世纪，随着人们对生态环境保护和食品安全的日益关注，欧美发达国家在探索温室能源高效利用、生态环境保护等方面进行了大量的研究工作，研制开发出一系列适合于温室安全生产的环境友好型新技术。营养液无土栽培技术在现代温室生产中被广泛使用，然而，大量营养液的废弃给环境带来巨大的压力。欧盟普遍采用营养液闭路循环系统，通过对营养液的回收、过滤、消毒等措施，实现节水21%、节肥34%，提高营养液利用效率，同时大幅度地减少营养液外排污染水源和土壤。在温室病虫害防治方面，开展以生物防治、生态防治和物理防治相结合的综合防治技术的研究与应用［45］。目前，荷兰在温室生物和生态防治综合利用方面处于世界领先地位，如Koppert公司通过释放天敌昆虫，能够对设施蔬菜主要害虫达到良好的防治效果，如粉虱天敌浆角蚜、斑潜蝇天敌潜蝇姬小蜂、蚜虫天敌食蚜瘿蚊［46］，目前这些害虫的天敌已基本实现了商品化。为了提高温室番茄、甜椒等蔬菜作物的质量，禁止使用化学生长激素，荷兰研制驯化出取代传统振荡授粉的雄蜂授粉，这种授粉方式效率高，并且能使作物产量提高20%左右。以色列开发出太阳能杀灭温室土壤病虫害新技术，把灌溉系统安置在翻耕的土壤中，铺上一层薄薄的透明塑料膜，经过夏季高温处理，可杀死地表30cm土壤层中90%～100%的细菌、真菌以及线形蠕虫等。统计分析表明，太阳消毒法可提高设施番茄、洋葱、土豆等农作物产量25%～432%。在新型栽培基质开发利用方面，加拿大、以色列、英国等国研制出替代草炭、岩棉的无土栽培生态型基质，形成与其相配套的设施蔬菜低碳栽培技术体系［47］。目前，低成本、环保型无土栽培基质研发已取得重大进展，并逐步走向产业化、商品化。
5信息化技术和计算机技术应用于设施园艺作物周年生产之中
随着微型计算机、传感器及单片机技术的运用，温室环境控制智能化、网络化管理技术得到较快的发展。设施园艺发达国家研发作物自动化生产管理和环境智能化控制体系，从育苗、定植、栽培、施肥、灌溉等过程全部实现自动化运作，温室环境如温度、光照、湿度、水分、营养、CO2浓度等综合环境因子全部实现计算机智能监控。随着无线网络技术的应用，温室网络化管理技术也得到了较快的发展。美国、日本、荷兰研发出一种基于控制器局域网总线(CAN)和无线传感器网络(WSN)的控制系统，能够对温室内空气温湿度、土壤温湿度以及光照等参数进行自动采集，同时控制风机、暖气、水泵等温室环境调控设备，使温室环境达到农作物生长的最佳环境［48］。通过研究温室作物生长发育与环境、营养之间的定量关系，建立作物生长发育信息化模型，开发出适合不同作物生长发育的温室控制、咨询及管理专家系统。以色列和荷兰开发出番茄和黄瓜等蔬菜作物生育模型和专家系统，包括适用于整枝方式、栽培密度、针对天气和植株生育状况的环境指标、不同生育阶段的水肥指标、病虫害预防和控制技术等。荷兰瓦赫宁根大学通过将作物管理模型与环境控制模型相结合，实现温室环境的智能化管理，大幅度降低了温室系统能耗和运行成本。日本千叶大学利用遥感遥测、人工神经网络、遗传算法、模糊控制策略等智能控制技术，对农产品从产地生长、采收验收、加工、自检自控等所有过程的数据、信息、图像都实现了信息化管理［49］。
6注重温室作物专用品种的选育及其配套技术的研发
现代农业竞争的核心是品种，重视温室栽培作物专用品种的选育是设施园艺发达国家保持温室产业世界竞争力的重要手段。这些国家在搜集保存本国种质资源的同时，还十分重视国外种质资源的搜集、交换和引进，如以色列通过搜集和引进国外花卉、蔬菜、果树品种在设施内进行微咸水灌溉，通过遗传改良、驯化，培育出适合于本国温室生产的专有设施园艺品种。近年来，设施园艺发达国家越来越关注设施作物新品种的外观品质、营养品质、耐贮运等性状的选育，如以色列选育出一种根据客户对体积和色泽要求的无籽西瓜新品种;荷兰种苗公司开发出一些富含钙质、维生素且热量低的“减肥蔬菜”，高氨基酸含量的“营养蔬菜”，具有观赏价值的“花卉蔬菜”等新品种。一些生物技术被广泛用于温室作物新品种的选育，包括细胞组织培养、体细胞杂交、原生质体融合、遗传标记、转基因等技术，在茄子、番茄、甜椒、黄瓜及叶用莴苣等蔬菜作物上培育出一大批优良品种，如德国马普育种研究所将人工合成的吲哚基醋酸基因转入茄子，使冬种茄子与夏种的一样优质;荷兰育成的抗虫蔬菜品种可以大幅度减少蔬菜生产中农药的使用量，既降低了蔬菜产品农药的残留，也降低了蔬菜生产的成本。此外，在开发和选育设施作物新品种的基础上，欧美发达国家非常注重温室新品种配套栽培技术的研究和开发，选育的新品种普遍采用工厂化育苗体系、高效安全生产技术体系和无土栽培技术，利用高新技术使环境因子与栽培模式的规范完美结合，为作物生长提供最佳的环境，保证高产、稳产［50－51］。
国外设施园艺发展趋势分析
1设施环境调控自动化与设施园艺作业机械化程度不断提高
发达国家从事农业人员较少，加上劳动力成本较高，设施园艺生产中非常注重管理水平和劳动生产率的提高，从温室耕作、作物栽培、生长管理、产品采收、包装和运输等过程全部实现机械化控制，温室内温度、光照、湿度等环境调节全部由计算机监控和自动化调控。随着工业技术的不断发展，机器人技术将会广泛应用于设施园艺的生产，实现温室作业精确、高效及省力化。
2温室日趋大型化，环境调控趋于智能化
大型温室设施具有投资省、土地利用率高、便于实行机械化自动管理、实现产业化规模生产、室内环境相对稳定的优点，因此，设施园艺发达的国家如荷兰、加拿大等温室逐渐向大型化方向发展;温室园艺的核心是能够对设施内栽培环境进行有效地控制，创造出适于作物生育的最佳环境条件，因此，未来的人工智能控制系统不仅要做到栽培环境全自动控制，还要与市场、气象站、种苗公司、病虫害测报等相连接，进行产量、产值的预测，为生产者提供更为广泛的信息情报和确切的决策依据。
3设施作物品种更加丰富，市场服务体系更加完善
愈发重视设施作物专用品种的选育，为设施园艺生产提供专用的耐低温、高温、弱光、高湿，具有多种抗性、优质高产的种苗。种苗公司作为品种选育的主体，在种质资源、育苗设备方面具有强大的优势，能够依据市场需求开发设施栽培所需专用品种，并对设施园艺产前、产中、产后提供技术支持和市场信息化服务。
4无土栽培成为现代设施园艺的主要栽培形式
无土栽培技术具有诸多方面的优点，目前全球已有100多个国家将无土栽培技术用于温室生产品质优、商品性好、安全、绿色的园艺产品。随着未来人口数量的不断增长、可耕地面积的日益锐减，无土栽培技术在提高作物产量、拓展土地利用空间以及保护自然生态环境方面具有广阔的应用前景，在设施园艺、观光农业、家庭园艺、植物工厂和太空农业领域也将会拥有广阔的发展前景。
5设施园艺的生态社会功能更加突出
随着人们对农产品安全和生态环境保护的日益关注，温室环境友好、资源高效利用技术得到广泛重视，设施栽培产品及对环境的无污染化成为必然。设施园艺在都市美化绿化、环境保护、园艺健康、休闲观光等方面将会得到蓬勃发展，将在提高社会生态文明和精神文明建设中做出突出的贡献。国外设施园艺蓬勃发展，新材料、新手段、新技术、新模式、新成果不断应用，科技、产量、效益水平不断提高，取得的经验和好的做法值得我国借鉴，有助于我国从设施园艺大国向设施园艺强国转型。
