我国设施园艺智能化生产装备发展概况

  设施农业是集工程技术、信息技术、生物技术、环境技术为一体的现代农业生产方式,具有机械与农艺融合、生产自动化与信息化融合的特点,可有效增强农业综合生产能力,抗风险能力和市场竞争力,显著提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率。 

国外设施园艺生产技术的发展现状 

日本 

日本设施园艺生产的主要经验在于集约化、产业化、土地节约型。为提高土地利用率和创造最佳生产环境,在植物工厂技术开发研究方面,日本政府从2008年开始启动植物工厂发展计划,由农林水产省出资1000亿日元、经济贸易工业省出资500亿日元补助科研单位、企业和农户,5年间新增了100多座植物工厂,在闭锁式植物工厂栽培技术方面,日本的技术与理念达到世界领先水平。 

欧洲 

荷兰设施园艺生产技术代表了欧洲的先进水平,其主要经验在于资源节约和资本技术密集规模化、集约化、环境优化控制、周年生产。荷兰耕地资源短缺,以提高土地单位面积产量和发展高附加值的温室园艺作物为主要特色。荷兰温室面积为11000公顷。玻璃温室占温室总面积的99%。荷兰现代化温室蔬菜生产配套设施包括:计算机管理系统、温室加温系统、营养液循环系统、CO2补给系统、灌溉水收集和贮存与水处理系统,蔬菜产品采收大多配套温室内部物流输送系统,包括采摘车、地面链条动力输送线、产品自动分级生产线、采后包装装备等,生产企业还设有产品短期储存预冷系统、保温防寒设备和温室补光设备等。 

荷兰为克服不利生产气候条件、劳动力成本上涨、国际竞争压力等问题,在设施园艺生产方面大力引入工业生产自动化技术,借鉴工业生产线使劳动生产率提高、降低劳动力成本,在温室盆栽花卉、切花、蔬菜生产中,开发研制出种苗自动移植机、机器视觉分级系统、产品包装设备,特别是降低劳动强度、减少用工量的生产资料、提高作业效率的生产资料物流化生产系统。随着设施园艺生产现代化水平的提高,以荷兰为核心涌现出一大批设施园艺现代化生产装备生产厂家,这其中包括荷兰Visser公司和荷兰Flier Systems公司,以生产播种机为主的意大利Mosa公司,以生产基质填充机为主的荷兰Jova公司和德国Mayer公司,以生产织布基质钵的丹麦Ellegaard公司和意大利Techmek公司,以生产盆栽花卉种苗移植机为主的荷兰TTA公司、意大利DaRos公司和意大利TEA公司等,以生产设施园艺生产物流化生产系统的荷兰Codema、Van Zaal公司和WPS公司,以生产蔬菜和切花分级设备为主的荷兰Aweta公司。这些公司的产品不仅在欧洲使用,还销售到世界各地,我国也有引进部分产品。 

北美 

美国设施园艺生产的主要经验在于规模化、机械化、高技术密集型。设施园艺生产方面近年逐渐形成向大、小两个规模方向发展,小规模主要生产特色产品,而大型温室企业主要靠自动化物流与先进的自动化生产和环境控制系统进行规模化生产。 

我国设施农业自动化生产技术的发展现状 

以荷兰为核心的欧洲设施农业生产的现代化发展模式,对我国起到了重要的借鉴作用。目前,国内大专院校科研单位与相关技术开发公司针对现代园艺生产装备系统也进行了技术研究与产品开发。华南农业大学在现代化园艺装备方面进行了多方面的研究和探索,现在开发出2JC-600B型插接式嫁接机、简易型嫁接切削器、嫁接生产线、花卉种苗移植机器人、温室苗床输送物流系统、盆花阵列平台、植物生长无损检测物流输送系统、立体栽培生产线等。中国农业大学率先在国内开发出自动嫁接机、蔬菜水果采摘机器人,并进行了组培工厂自动化生产装备相关研究。东北农业大学进行了瓜类蔬菜全自动嫁接机的相关研究。浙江大学进行了种苗移栽机器人、插接式嫁接机相关研究。浙江理工大学针对插接式嫁接机、蔬菜水果采摘机器人、种苗移栽机器人等方面也进行了相关研究。 

北京华农农业工程技术有限公司开发出温室悬吊式喷淋系统、苗床物流输送系统和盆花阵列平台等盆栽花卉与种苗穴盘自动化输送装备等。北京京鹏环球科技股份有限公司开发了现代植物工厂生产系统、移植机器人、温室内穴盘输送系统等。国家农业智能装备工程技术研究中心开展了蔬菜嫁接机、嫁接切削器、水果蔬菜采摘机器人、水果蔬菜移栽机器人、温室引导运输车等方面的研究与开发。2006年起中国农业科学院对植物工厂技术进行了广泛研究,目前,北京通州、山东寿光、辽宁沈阳、广东珠海、江苏南京等地相继建成了20多座人工光和太阳光利用型植物工厂。 

在国内随着花卉生产规模的不断扩大,园艺生产企业为克服劳动力短缺、人员管理繁杂和提高劳动生产率发挥规模化生产的优势,2011年天津滨海国际花卉科技园区股份有限公司首开先河,整套引进了荷兰Codema集团Hawe公司的盆栽花卉物流化生产系统,北京华农农业工程技术有限公司提供相关配套设备,主体温室采用阵列平台与叉车配合进行温室与作业车间的盆花运送,作业车间上设置二层温室培育区作为成品盆栽花卉缓存区域,采用苗床输送形式运送盆花,作业车间以输送带和苗床输送系统混合运送盆花,实现了30 公顷温室的物流化生产,生产中基质块加工、种苗移植、分级、灌溉和生产物料运送均实现了自动化(图7),年产盆栽花卉可达1000 万盆,天津滨海国际花卉科技园区股份有限公司整套引进入的设备也为国内企业近距离观摩、学习、消化和创新性国产化温室自动化生产装备提供了便利条件。2013年上海大地园艺种苗有限公司基于花卉组培苗生产,依托北京华农农业工程技术有限公司研制开发出温室种苗物流化苗床输送生产系统,其中基质搅拌机、精量播种机、不织布基质钵生产线、种苗移植机、种苗分级系统、苗床清洗设备等分别由荷兰Van Zaal公司、荷兰Flier Systems公司,丹麦Ellegaard公司、德国Mayer公司和意大利Mosa公司引进,2015年项目完成后将实现1.8 公顷温室组培种苗的自动化生产(图8);另外,上海大地园艺种苗有限公司还依托广州实凯机电科技有限公司与苏州恒洁特种工程技术公司研制开发出组培工厂物流化生产系统,在组培工厂净化条件下实现生产物料的自动化运送,项目2015年开始实施,将在2016年完成。以上大型项目的实施将预示着我国设施园艺生产自动化生产技术将进入一个新的水平,将缩小我国设施园艺装备技术与先进国家的差距。  近年来,在北京、天津、上海等城郊型农业中,物联网技术在农业环境数据采集发布调控、设施农业水肥自动化控制等方面应用加快。以国家农业信息化工程技术研究中心为核心的科研机构和研发企业开发了设施物联网综合服务平台、短信息服务和设施环境监测系统等管理信息系统。其中设施物联网综合服务平台包括温室测控系统、温室环境综合调控物联网系统和设施农业综合服务系统,实现了围绕设施农业生产环境监控、肥水一体化控制管理和蔬菜质量安全管理等方面的示范应用。基于物联网技术的智能化生产管理技术的应用大大降低了劳动力成本,提高了资源利用率和农产品产量。 

我国设施农业自动化生产装备发展中存在的问题 

科技成果转化率低 

中国每年产生的农业科技成果6000多项,但转化率只有30%~40%,真正形成规模的不到20%。其原因是科研单位的科技开发与企业实际生產应用脱节,科研产品未能以实际生产条件为依据,评价指标多为科研人员根据经验设定,成果验收条件简单,验收专家不了解实际生产的复杂因素,致使科研成果无法构成生产力。 

自动化装备开发力量不足

 设施农业体系内开发研究方向不均衡,早期多以温室结构为主,近年主要集中在温室环境调节和自动控制方面,对自动化生产装备方面的触及不多,致使目前我国设施农业生产装备技术的开发与应用水平大大落后于先进国家的设施农业装备发展水平,导致国内设施农业生产机械化程度低、劳动强度大、生产率不高,最终表现出设施农业生产人均作业面积低下、单位产出率过低,难以形成国际竞争力。 

内部物流装备开发滞后,影响自动化装备效率的发挥  传统设施农业生产装备主要指栽培作业流程中某个节点作业的自动化生产设备,如基质填充机、播种机、嫁接机、花卉种苗移植机、机器视觉分级装置、花卉包装机等,目前国外设施农业生产装备开发中,引入了工业自动化生产线的理念,在开发节点作业设备的同时,同样重视开发连接这些节点设备的物流化生产物料输送设备,二者的协调发展才能真正实现高效生产。我国目前仅在设施农业节点作业环节上进行了多种设备的开发研制与应用,但是,在连接节点的物流化生产物料输送设备的开发与应用方面重视不够。设施园艺生产中,温室内节点作业设备完成机械作业后,仍然采用人工搬运的方式连接节点作业设备,因此,自动化节点作业装备的效率难以发挥,总体生产效率并没有得到有效提高。 

生产对象栽培模型研究不到位 

近年,我国温室发展迅速,环境控制、水肥灌溉装备与技术得到推广应用,但是,由于对生产作物的最佳栽培模型研究不到位,栽培环境控制与水肥灌溉没有栽培模型可依,仍靠人工管控,生产中难以实现真正的环境与灌溉自动化控制,这使得栽培环境仍未达到作物的最佳环境需求,影响单位面积产出率,导致生产中施肥过量,造成浪费,形成污染。 

发展现代设施农业智能化生产装备的建议 

连栋温室用自动化装备与简易温室用轻简化装备并行开发 

设施农业生产模式转变的核心是实现作业的机械化、管理信息化,目标是大力提高土地产出率、提升人均生产管理面积、降低生产成本和劳动强度,缩小与国外设施农业生产的差距,增强我国设施农业生产的竞争力,因此需要下大力气开发研制智能化生产装备,构建设施农业智能化生产装备体系。另一方面,我国设施农业生产主要以小拱棚、大中棚和日光温室为主,分别占设施总面积的28%、46%和24%,因此,在大力发展连栋温室用自动化装备的同时,还要针对占我国设施面积90%以上的简易温室开发轻简化生产装备,实质性提高我国主要农业设施生产的作业生产率、降低劳动强度、提升人均生产管理面积、降低生产成本。 

依托高附加值作物开发设施园艺生产装备体系 

设施园艺生产流程是一个复杂系统,真正构建一个具有实际生产功能的高效生产装备体系难度相当大,它需要充足资金的投入、持续的技术支持、实际生产对象的检验和不断的改进。因此,构建施园艺生产装备体系应优先针对高附加值作物生产企业,依托企业强劲的资金优势、对智能装备的紧迫需求及实际生产作业流程,推动新产品的开发,构建完善的智能生产装备系统,在智能装备系统改进、完善的基础上,再进一步推动向其它种植作物领域。欧洲的设施园艺智能化生产装备体系开发历程,也是先在附加值高的花卉生产领域首先实现自动化生产后,蔬菜生产领域根据自身需要引入在花卉生产中成熟的自动化生产技术。 

通过行业协会促进设施农业良性发展 

行业协会是设施农业专家与生产企业结合、农业栽培技术与工程技术结合的平台,有利于装备的开发研制需要农业工程技术与农艺技术的结合。通过设施农业行业协会,组织行业专家调查生产中存在的问题与对自动化生产的要求,为新设备研制、新技术开发提供指导性建议,协调与平衡专业设备生产企业的开发与生产,推广新技术新装备,结合智能装备体系的开发,制定栽培生产规范、产品鉴定标准,规范市场上新技术与新产品,促进有序、可持续性发展。  重视开发温室内生产物料物流化输送装备  在大力开发温室节点作业设备的基础上,引进、集成工业生产线技术,开发研制连接节点作业设备的温室内物流化生产物料输送设备,输送、转移完成节点作业的生产物料,真正提高自动化作业装备的生产率、全面减小劳动强度、降低生产成本,提升人均生产管理面积。  加大发展温室生产软件建设力度  加大生产作物栽培模型开发研究力度,构建种植植物的专家栽培系统软件,实现围绕栽培对象的专一的环境调节、机械生产自动化控制软件系统,为植物提供最佳栽培环境,提高水肥利用率,减少过量施肥造成的污染和食品安全问题,降低劳动强度,提高生产率,提升温室生产人均管理面积和单位面积产出率。 

设施农业的智能化生产的发展趋势 

随着农村劳动力向城市转移,以及我国工资水平的不断提高,农业生产到了进行生产模式转换的转折点,设施农业集工程技术、信息技术、生物技术、环境技术为一体,是现代农业生产方式的重要标志之一,在国家提出工业化、城镇化与农业现代化协调同步的形势下,设施农业应两条腿走路,分别针对简易型温室和连栋温室构建相应的生产装备体系。 

针对国内占设施园艺面积最大的大中小棚和日光温室,开发构建轻简化生产装备体系,实现温室环境监测、肥水灌溉智能化管理系统;在节点作业方面,播种环节基本实现机械化作业,部分实现自动嫁接作业,温室内部生产物料实现半自动输送、搬运。提高关键作业环节的生产率,降低劳动强度,显著提高人均生产管理面积与单位面积产出率,降低成本,最终提高经济效益。 

针对连栋温室,实现大部分作业环节的机械化作业,节点作业设备之间实现物流化自动输送作业,温室内部作业整体实现节点作业和输送作业的智能化协调运行,温室内部环境控制与肥水灌溉根据不同作物的栽培系统,实现自动控制与灌溉管理,人工仅完成智能化生产系统的管理、设备维修及个别机械难以完成环节的作业,基本上达到温室内部生产全程机械化作业水平。在部分高水平企业基于物联网技术,实现环境水肥控制系统、作业装备控制系统及生产资源管理系统集成运作生产,达到订单生产、病害预警、栽培速度调控的智能化、高效益生产模式,缩小或达到国际先水平,切实增强我国设施园艺生产在国际上的竞争力。

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