摘要：設施農業的發展是農業現代化的重要標志,也是現代化農業發展的重要建設任務。我國的設施農業較國外起步晚,在設施建設、技術研究、裝備研發、資金投入等方面都與國外發達國家存在較大差距。為了促進我國設施農業的快速發展,推動設施農業領域的技術進步,在綜述世界設施農業發展現狀的基礎上,分別從國外和國內2個方面總結設施農業發展的特點,剖析我國設施農業存在的不足,并提出針對性的對策建議,以期為我國設施農業可持續發展提供一些經驗和啟示。

設施農業(protected agriculture)是指利用新型生產設備、現代農業工程技術、管理技術調控溫室、塑料大棚等保護設施內蔬菜、果樹、花卉、雞鴨、豬牛等動植物生長的溫、光、水、土、氣、肥等環境參數因子,對動植物的生長發育環境進行整體或局部范圍的改善,使動植物生長不受或很少受自然條件制約,在有限的土地上投入較少的勞動力,建立動植物周年連續生產系統,實現動植物高效優質生產的一種現代農業生產方式,是屬于生產可反時令性、生產可類型多樣化的高投入、高產出、高效益產業。

美國稱“設施農業”為“可控環境農業(controlled environmental agriculture)”,在歐洲及日本等則稱為“設施農業(protected agriculture)”,而在我國曾使用過“工廠化農業(industrializedagriculture)”的概念,這些名稱只是在文字表達上有所不同,但其實質內涵是一致的。隨著傳感器技術、通信技術、計算機技術的不斷發展,云計算、大數據、人工智能、物聯網等技術在農業生產中得到越來越多的應用。溫室大棚可以通過人工的手段構建出適宜農作物生長的生產環境,隔絕外部氣候變化的影響,實現農作物的全天候生長。國內外相關企業與科研機構紛紛投入大量的人力、物力,通過研發智能溫室環境監控系統,降低溫室的運營成本,進而提高溫室的綜合經濟效益。

1 世界設施農業發展概況

依據自然氣候條件、地理位置、經濟水平和飲食文化等因素,可將世界設施園藝大致劃分為亞洲、地中海沿岸、歐洲、美洲、大洋洲和非洲六大區域。隨著社會經濟的不斷發展,設施農業整體上呈現蓬勃發展的趨勢。

據2017年調查數據顯示,全世界設施農業總面積達到460萬hm2,主要分布在亞洲的中國、韓國和日本,歐洲的荷蘭和阿爾巴利亞,美洲的美國、墨西哥和委內瑞拉,非洲的埃塞俄比亞和埃及以及地中海沿岸諸國。其中,亞洲是世界設施農業發展最快、面積最大的地區,僅中國、日本和韓國3個國家的設施農業面積之和就占世界設施農業總面積的82.90%。

在設施農業體量上,中國設施農業面積達370萬hm2,居世界第一,約占世界設施農業總面積的80%,意大利緊隨其后位于第二,第三、第四分別為土耳其和韓國。荷蘭在人均設施農業溫室面積上位居世界第一。

1.1設施類型

從設施類型上看,有近292萬hm2的設施農業類型是塑料大棚(含中小拱棚),占比約為63.5%,主要分布在中國、韓國、日本以及地中海延岸諸國;塑料溫室類型面積達130萬hm2左右,占比約為28.3%,在中國的江蘇省、遼寧省、山東省等地被廣泛使用;玻璃溫室類型面積達6萬hm2左右,占比約為1.2%,結構大多為文洛型(venlo)連棟溫室,主要集中在亞洲的中國、非洲的埃及、地中海沿岸的土耳其、意大利和西班牙、荷蘭及北歐一些國家;其他類型溫室面積占比約為7%。

1.2設施作物

從栽培作物看,蔬菜占設施園藝總面積的85%以上,以番茄、黃瓜、茄子、甜椒等為主;其次為鮮切花和盆栽花卉。從種植地域分布來看,中國、日本和地中海沿岸國家主要種植蔬菜、草莓和葡萄,歐美一些發達國家以高附加值的鮮切花和盆栽花卉生產為主,如荷蘭花卉的生產全部在溫室內進行,生產的鮮切花、觀賞植物約占世界溫室市場的80%,每年出口總額占國際市場花卉貿易的60%,占歐洲市場的70%。

1.3栽培技術

從栽培技術看,荷蘭、美國、日本等發達國家的設施農業技術處于領先水平。發達國家在設施農業發展過程中非常重視環境保護和資源循環利用,實現了生態循環農業的經營模式;此外,隨著溫室結構優化、設施配套及栽培技術體系完善,能夠用計算機對作物生長發育的各種環境因子進行調控,使設施作物生長不受或很少受自然條件制約,實現作物周年連續生產供應,產出的溫室產品能獲得高產量、高品質、高利潤,暢銷國際市場。

2 國外設施農業發展的特點

 2.1單體溫室大型化,溫室結構輕簡化

建造大型化溫室有利于提高土地利用率、方便機械化作業和產業化生產、提升環境控制穩定性以及節省投入資金。因此,國外的溫室普遍趨向溫室大型化、工廠化,溫室結構的輕簡化,溫室材料的研究熱點也集中于以下5個方面：降低設施結構的遮光面積;提升結構材料的隔熱性能;提高溫室和連接部件的密閉性;延長設施溫室墻的使用壽命;便于溫室的安裝和拆修。美國加利福尼亞州新建造溫室的單體面積都在1 hm2以上,采用無土栽培技術生產的番茄產量可達75 kg/m2。荷蘭設施類型大多選用文洛型連棟溫室,布局采用平行三段式結構,單體溫室面積在4～5 hm2。溫室的北面為辦公管理區,中間區域為操作車間區,南面為作物栽培區,在每個溫室通道安裝自動玻璃感應門進行隔斷,并對進出人員執行嚴格的消毒管理,以預防和控制病蟲害的發生。此外,因鐵天溝散熱約占溫室散熱的16%,荷蘭、以色列等普遍采用中空鋁合金骨架代替傳統溫室的單層鐵材質天溝,不僅減少了設施溫室的支撐結構,也降低了支撐結構的遮光面積,還有效增加了設施溫室的采光,提升了保溫效果。

2.2溫室生產引入工業技術,設施農業自動機械化

美國、荷蘭、以色列等發達國家將工業領域的先進技術嫁接到設施農業生產管理中,使設施農業被賦予了“工廠化+農業”的內涵,溫室生產進入高投入、高產出、高效率管理模式,并實現了將溫室各環境因子調控成作物生長發育最適宜的條件,基本擺脫或免受外界環境因素對作物生長的干擾,達到作物周年生產和均衡上市的目的。目前,以美國、日本、荷蘭、以色列為代表的發達國家已具備了設施農業設備完善、技術規范、產量穩定、質量安全可靠等特點,也形成了溫室研究制造、生產要素聚集、生產資料配套、儲藏運輸等為一體的設施農業產業體系。如荷蘭研制出溫室清洗裝置,用于清洗溫室屋面的落灰來提高溫室的透光率。用智能機器人取代人工生產管理來改善設施環境,以提升勞動生產率和保證設施作業的均一性和一致性。

2.3設施農業轉向低碳節能、綠色環保

國外在發展設施農業過程中,以保護環境、低碳節能作為前提條件,在探索溫室能源高效利用、保護生態環境等方面進行了大量的研究工作。節能新材料、新技術和新能源的利用是溫室領域研究的熱點和難點,其中相變儲熱技術和太陽能的有效利用是最具發展前景的節能技術。一些國家通過對溫室的覆蓋材料進行鍍膜處理來改變材料特性,使其具有阻止長波向外輻射而減少熱損耗的特性來實現節能效果。荷蘭瓦赫寧根大學研制出一種可應用于溫室加熱降溫的太陽能集熱器,該集熱器可將儲存的多余太陽能轉換成電能,從而進行冬季供暖與夏季降溫,節省能源消耗。歐盟明確要求溫室作物生產全部采用無土栽培,替代費水、費肥、費工的傳統種植方式,可避免土壤連作障礙,生產出健康安全的農產品。還有一些國家采用營養液閉路循環系統代替傳統的營養液無土栽培技術,通過對營養液的回收、過濾、消毒等技術手段,實現節水30%～40%、節肥35%～40%,大大提高了營養液的利用效率,也減少了營養液過剩外排造成的面源污染。此外,探索溫室新型補光光源LED也是節能設備研制的熱點之一。

2.4物聯網與農業深度融合,助推“智慧農業”

隨著互聯網、大數據、云平臺等技術的普及,溫室環境控制逐步實現智能化、網絡化管理。荷蘭已將環境智能控制系統應用于現代設施花卉生產中,可以依據花卉生長階段對于不同環境因子的需求,利用物聯網技術對包括溫度、光照、空氣、濕度、化肥等環境因子的多維調控,并結合遙感技術、管理專家系統、地理信息系統等高新技術對鮮花從移栽、生長、采收、包裝儲運、自檢自控等流程中的信息、圖像進行信息化管理,實現了鮮花生產的高度自動化。美國、日本、以色列等通過研究溫室作物生長發育與環境、營養之間的定量關系,構建作物生長發育模型和環境控制信息化模型應用到溫室生產管理中,進一步降低了溫室系統能耗和運行成本。日本大力發展植物工廠系統,利用傳感器對溫室內的環境因子進行自動化采集和校驗,將數據傳輸至計算機、手機等終端,實現了生產過程的自動化、智能化和可視化。截至2016年底,日本擁有254家植物工廠,其中超過200家都為密閉空間的“人工光型”及“人工光與太陽光并用型”植物工廠,建立起農作物周年連續產出。

3 我國設施農業發展的特點

3.1因地制宜開發地域性鮮明的設施類型

我國溫室結構的發展經過了4個時期：20世紀30年代的雛形時期,其結構的典型特征為一面坡加立窗;20世紀50年代的改良時期,一面坡日光溫室結構,取消了前立窗,采光角增至30°,后墻高度降至0.7～0.8 m,使后屋面坡角增至26°以上;20世紀70年代至90年代的發展時期,開展了基于溫室的采光理論對不同緯度地區采光屋面形狀和采光面角度進行優化設計,從而確定溫室的建筑參數,代表性的溫室結構有“感王式”和“鞍山Ⅰ型”;21世紀初至今的升級時期,我國各地結合區域、資源特點因地制宜地對設施農業溫室大棚的結構進行改造升級,形成具有鮮明特征的結構類型,如薊春型、連棟型、陰陽型、壽光7代等新型溫室。

3.2設施農業生產規模逐年擴大

我國是一個農業大國和人口大國,由于人均土地資源的日益匱乏和對農產品的數量與質量的需求,我國就必須堅定不移地走“設施強農”之路。20世紀70年代,我國設施農業面積僅為0.7萬hm2,到20世紀90年代末,我國設施農業面積達到86.7萬hm2,絕對面積躍居世界第一。隨著適合不同地區、不同自然條件的設施技術不斷提升,財政資金及外界資本的持續投入,我國設施農業生產規模逐年擴大。截至2017年底,我國設施農業面積突破了370萬hm2,在短短20年間體量翻了4～5倍,已成為世界設施農業生產大國,面積和產量都居世界第一。

3.3設施農業技術裝備從引進走向自主研發

20世紀70年代,我國從荷蘭、日本、美國、以色列等國家引進先進的設施裝備和配套的環境監控技術。到20世紀90年代,我國學者在對國外設施裝備和技術引進、消化、吸收的基礎上進行集成創新,逐步形成了一些自主知識產權的裝備技術,并應用到不同的設施作物生產中,創造了良好的經濟效益。毛罕平等成功設計了植物工廠系統,該系統由溫濕度子系統、光照子系統、加熱子系統、灌溉子系統等多個系統組成,是我國典型的國產化溫室測控系統。將互聯網、移動通信和嵌入式等技術引入到設施農業監控系統中,解決了我國地域廣闊、氣候復雜等因素帶來的農業多樣性問題,并克服了農業“最后一公里”的問題。我國設施農業從單一環境因子的控制研究轉向相互作用耦合的多元變量調節,控制技術從定值開關控制轉向多種智能控制技術(模糊控制技術、神經網絡控制、遺傳算法、專家控制系統、無線傳感及物聯網等)的集成融合。國內自主研發的信息管理系統可以實現數據存儲和訪問的統一管理、系統的可伸縮性、溫室設備的模塊化和產前產中產后管理。

3.4農業公司和公司化的實體發揮帶頭作用

中共中央連續15年(2004-2018年)的“一號文件”都以發展農業為主題。在現有的高度行政、放任市場2種農業發展模式下,提出了別的模式如專業合作社、家庭農場、龍頭企業等。農業公司和公司化的實體是實現與農民共贏的一種農業發展模式,其與農民有著共同的發展目的,以利益為紐帶,提高設施農業的效益,以獲得更高的經濟效益。要想在國際上與土地資源稟賦豐富和農業高度機械化的國家競爭,我國必須同樣依賴規模農業經濟效益。目前,國家政策確實把對未來的主要希望寄予農業規模化,積極支持家庭農場、專業大戶、專業合作社、農業產業化龍頭企業等新型農業經營主體,以及高標準農田建設等現代農業項目。近年來,隨著我國設施農業的發展,農民企業逐步壯大,出現了越來越多的家庭農場、專業合作社乃至重點龍頭企業。

4 我國設施農業不足之處

4.1設施投入與國外相比有差距,設施水平有待提高

從數據統計來看,我國多數日光溫室為使用者土法上馬建造而成,缺乏科學的理論指導,其投資不高于100元/m2。以色列現代化塑料溫室須投資500元/m2,美國設施溫室僅覆蓋的聚碳酸酯硬質塑料板就須要投資190元/m2。雖然我國已經出現一些投入使用的設施環境監控系統,但因國內缺乏相關的技術規范,各個廠家的產品往往自成一家,相互之間并不兼容,且大多存在價格高、可靠性差、地域匹配率低等弊病,導致設施環境監控系統難以在全國范圍內進行大面積推廣。雖然國外發達國家的溫室及環境監控系統自動化與智能化程度較高,具備先進的科技和完備的生產工藝,也擁有很高的可靠性,但從國外引進其價格昂貴,后期維護成本也高,難以在我國市場進行大規模推廣應用。對比國外,我國設施配套投入低,日光溫室多與土墻結合,費工費力,不利于機械化作業,但是符合我國的基本國情和目前廣大農村地區的生產力水平。

4.2設施栽培土壤質量低,無土栽培推廣應用難

我國一些農業設施溫室大棚經過多年耕種后,土壤質量問題已經明顯顯現,土壤中的亞硝酸鹽含量嚴重超標,不溶于水的礦物質(如鈣、鎂等)在土壤中聚集,從而造成土質變硬板結,農藥殘留問題突出,致使微生物含量減少。土壤質量的下降,直接影響到設施農業作物的產量和品質。無土栽培掙脫了土地的束縛,相較于傳統土壤種植優勢明顯,但因目前無土栽培生產成本較高,配套設施不健全,經濟效益不顯著,尚未被農民接受。無土栽培技術盡管較成熟,但主要還是用在觀光農業示范園以及科學研究上。

4.3設施農業人才流入較少,涉農人員水平有待提高

目前,我國設施農業主要分布在遠離城市中心的農村,這些地區生活和醫療條件較差、交通不便利、教育資源稀缺。農業生產相對艱苦,工作強度較大,農業行業利潤較低,經營主體前期基于成本壓力也難以承擔較高的待遇支付,難以與其他行業競爭,無法吸引人才就業。年輕人特別是大學畢業生經過10多年的寒窗苦讀,再回家去種地或多或少都有一些不甘心,他們更希望到大城市生活工作,經營主體只能降低招工的要求。此外,設施農業監控系統大多都是基于計算機開發設計的,對于從業人員的專業知識和系統的操作使用有較高的要求,人員技能欠缺就很難充分發揮農業設施的生產作用。因此,普遍存在用人難、留人難、人才培養成本高等問題,特別是管理人才、經營人才和技術人才的缺乏,直接制約著設施農業的建設和發展。

5 對策與建議

5.1設施農業技術裝備優化升級

雖然設施生產作業的機械化、環境調控的自動化及生產過程的低碳節能是世界范圍內設施農業的發展方向,但是我國現有的設施農業產業應分成2個部分發展,一部分是對低檔設施溫室大棚進行改造、提檔升級,研發特定設施作物種類的專家系統,并結合物聯網技術實現單個溫室大棚個性化控制;另一部分設施產業向國外發達國家學習,尤其是在我國西北地區擁有廣闊的地域、充足的光照資源,如果能充分利用這些優勢,借助相變儲熱新材料、熱泵-水罐儲熱、地下空間儲熱等技術,將設施農業生產與可再生能源(太陽能、風能等)生產有效地結合起來,開發出適宜非耕地生產的設施農業結構類型,低成本、小型化、穩定可靠的環境控制系統以及智能決策生產管理平臺,推動設施農業技術進一步優化升級,達到設施動植物的種養要求控制滿足最佳生產環境和高產、優質、高效、安全、周年生產的目的,實現集約化、商品化、產業化,進而有力地推動我國農業現代化進程。

5.2因地制宜發展簡易實用的無土栽培

無土栽培雖然具有十分誘人的廣闊發展前景,但不能全盤照搬某一國家或某一區域的生產模式,要考慮到各地方自然資源、生產技術、市場環境等因素,盡量簡化生產技術,降低生產成本,向著實用、有效、簡易的方向發展,便于推廣應用。如栽培基質的選擇,應在作大量研究的基礎上,探索本地資源的充分利用。因各地區氣候環境差異和居住人群飲食習慣不同,無土栽培的作物種類和安排作物生產上市的時間不同;因各地區的水體質量、施用肥料種類等因素影響,制定的無土栽培營養液配方也應有所不同。因此,研制配套專用化栽培槽、商品化基質和營養液的自動檢測等專用設施、設備,將特定設施作物品種的無土栽培技術編制成操作手冊,各操作步驟均有“指導”可循,而農民只須按此“指導”操作即可。

5.3培育新型職業農民和建設人才團隊

加大設施農業從業人員培訓是提高設施農業管理水平和技術應用的重要途徑。堅持把科教興農、人才強農作為支撐設施農業發展的重大戰略,鼓勵各類涉農科研高校、職業教育學校大力培養設施農業人才,吸引鼓勵廣大青年報考設施農業相關的院校,并以培育和建設技術創新、應用推廣、生產管理的人才團隊為重點,按照現代設施農業生產經營要求,建立設施農業技術裝備示范基地、生產管理和系統操作實訓基地、委托培養或聯合培養人才孵化基地,構建一支有文化、懂技術、善經營、會管理的專業型人才、復合型設施農業經營人才隊伍,破解人才缺乏問題,為建立和完善設施農業新技術、新裝備推廣服務體系提供人才基礎。此外,政府部門要結合當地農業特點、工資水平研究出臺政策,對新型農業經營主體給予一定的資金補貼,形成“經營主體+政府”的工資支付模式,提高設施農業從業人員的收入水平,讓從業者進得來、留得下、干得久。

5.4加強政策扶持,引導和監管投入資金的使用

政策扶持是設施農業的根本保證。加快設施農業發展,必須出臺強有力的法規政策加以引導和推動,逐步建立起設施農業管理制度和政策扶持措施,如設施用地、財政投入、信貸、保險、應急救助等政策。同時,加大財政資金投入力度,尤其要引導和撬動金融資金和社會資本進入,充分調動起不同層次、不同市場主體投身發展設施農業的積極性,建立和完善資金投入保障制度,從而形成多渠道、多元化、多層次的投入格局和保障機制。此外,還要加強對資金投入的引導和監管,確保資金使用的質量、效率、安全。加大科技創新投入力度,重點支持重大關鍵技術課題研究,特別是政府資金要向技術含量高、生產效果好、種養殖戶亟需的設施農業裝備傾斜。