劉云，崔曉瑋，楊陽，曹巖坡，梁玉芹*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，河北 石家莊 050051；2.元氏縣北褚鎮(zhèn)人民政府，河北 元氏 051134）

近年來，隨著人們對蔬菜質(zhì)量要求日漸提高、種類需求多樣化，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的智能溫室農(nóng)業(yè)大棚得到了迅速發(fā)展。設(shè)施農(nóng)業(yè)[1]能夠在一定程度上擺脫農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境的依賴，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的有效方式，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必由之路[2]。當前農(nóng)業(yè)設(shè)施主要是塑料大棚、日光溫室和一些連棟溫室，還有少量先進工程技術(shù)的智能溫室等。我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的規(guī)模有限，管理較為混亂，溫室內(nèi)種植主要依靠人工耕作和經(jīng)驗管理，造成了一定的資源浪費。目前物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用主要集中在設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境感知、農(nóng)業(yè)環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測、自動控制等方面，依靠物聯(lián)網(wǎng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合能夠促進資源的合理利用，更加科學(xué)、有效、精準地調(diào)控農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境。

1 國外設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的象征。設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展比較先進的國家有荷蘭、日本、以色列、美國等，這些國家投入大量資金發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)[1，2]，因此設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較快，綜合水平較高。

荷蘭是擁有玻璃溫室最多、最先進的國家，實現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高度自動化發(fā)展，其玻璃溫室能夠科學(xué)地自動調(diào)控溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照和水肥等條件。20 世紀初到1950 年[3]，荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)是以矮墻單坡面、雙坡面和簡單木架支撐的玻璃溫室技術(shù)為主，只能勉強滿足植物過冬的基本溫度需求；1951 年到20 世紀80 年代末，溫室大棚的覆蓋材料、設(shè)施的結(jié)構(gòu)材料、環(huán)境控制和配套體系迅速發(fā)展，研發(fā)出無土栽培、溫室模擬氣候等技術(shù)并廣泛應(yīng)用，溫室鋼架支撐結(jié)構(gòu)得到發(fā)展[4]，透光度大幅提升，作物產(chǎn)量和品質(zhì)明顯提高；20 世紀80 年代末至今，以設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念為目標，重點關(guān)注綠色、低能耗和多功能等方面，研究出了設(shè)施農(nóng)業(yè)太陽能發(fā)電技術(shù)，為溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展節(jié)省了能源。

日本組培環(huán)境調(diào)控和封閉式育苗技術(shù)取得先進成果。由于受到勞動力和人口老齡化的沖擊，日本設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向與其他國家不同，更加注重小型溫室機械的研發(fā)，發(fā)展立體化種植等技術(shù)；更加注重環(huán)境綜合調(diào)控系統(tǒng)，能有效實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)管理的自動化，根據(jù)參數(shù)對植物的水、肥、光、熱等進行自動化控制，發(fā)揮精細控制的優(yōu)勢[3]。

以色列地處沙漠地帶，因地制宜發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，設(shè)施園藝生產(chǎn)水平較高，滴灌技術(shù)以及品種的開發(fā)和培育均處于世界領(lǐng)先水平，主要是種植溫室花卉和蔬菜以供出口[2]。以色列的節(jié)水灌溉設(shè)備發(fā)展較為完善。

高峰等[5]通過剖析設(shè)施農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵和特征，回顧國外設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷程，分析了國外設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，其認為荷蘭、以色列、美國和日本等設(shè)施農(nóng)業(yè)比較發(fā)達的國家，已經(jīng)在環(huán)境調(diào)控、肥水管理等方面進行了全面系統(tǒng)的研究，并形成了完整的設(shè)施體系和配套技術(shù)。通過提升設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)水平，建立配套的管理體系和設(shè)備，能夠提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益。

2 國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機械化管理司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年全國設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積為208 萬hm2，其中連棟溫室面積5.17 萬hm2、日光溫室面積66.15 萬hm2、塑料大棚面積136.96 萬hm2[6～9]，大多數(shù)設(shè)施較為簡易，北方地區(qū)以日光溫室為主，也是我國特有的傳統(tǒng)溫室類型，設(shè)施規(guī)模較小，科技水平較低[6]，不便于機械操作和環(huán)境因子的調(diào)控。栽培管理主要靠人工經(jīng)驗管理，沒有達到指標化、科學(xué)化生產(chǎn)管理的要求，散戶很少使用大數(shù)據(jù)監(jiān)控管理，主要原因是投入成本較高、農(nóng)民文化水平較低、對大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)不會操作等。我國現(xiàn)有的農(nóng)用機械外形規(guī)格和結(jié)構(gòu)較大，難以在日光溫室中進行操作，致使多數(shù)設(shè)施農(nóng)業(yè)機械配套水平不高，人力勞動強度大，工作效率低。我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化程度與國外相比差距較大。

隨著我國信息技術(shù)的進步，物聯(lián)網(wǎng)逐漸越來越廣泛地應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)中。通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)厥噎h(huán)境進行遠程監(jiān)測和控制，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方式，有利于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合，可以監(jiān)測空氣濕度、溫度和CO2濃度以及土壤水分等參數(shù)，實現(xiàn)農(nóng)作物生長的自動化管理，解放勞動力。我國的物聯(lián)網(wǎng)+設(shè)施農(nóng)業(yè)主要集中在智能監(jiān)測和自動控制等方面[7]。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用主要依賴于傳感器的精密感知能力，但國產(chǎn)傳感器準確度不高，易受到外界環(huán)境的干擾，損耗較快，成本高，實際利用率較低。散戶和企業(yè)引用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，一方面受到高成本的限制，另一方面數(shù)據(jù)的精準度不高也很難有效對溫室環(huán)境進行控制，造成雖然購買了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)卻閑置報廢的現(xiàn)象，很難將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實際運用到設(shè)施農(nóng)業(yè)中。

3 河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在主要問題

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

蔬菜產(chǎn)業(yè)是河北省農(nóng)業(yè)的重點支柱產(chǎn)業(yè)，京津冀協(xié)同下的農(nóng)業(yè)區(qū)域布局劃分使得河北省作為京津“菜籃子”的地位日益提高，發(fā)展?jié)摿薮蟆?0 世紀80年代以來，河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，2016 年河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積為 21.6 萬hm2[8～10]，其中，連棟溫室0.04 萬hm2，日光溫室8.26 萬hm2，塑料棚13.3 hm2。

河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展以分散農(nóng)戶經(jīng)營為主，土地集約化程度較低，限制了機械化程度較高的設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模普遍較小，大型合作社數(shù)量少，產(chǎn)業(yè)化程度不高。該省應(yīng)用最多的小型溫室一般占地667 m2，實際使用面積400 m2。溫室多為單坡面；后墻、側(cè)墻一般是土質(zhì)或者磚混結(jié)構(gòu)；骨架為金屬結(jié)構(gòu)；覆蓋材料多為塑料薄膜，也有用玻璃[11]、PC 板等；保溫材料主要使用草簾和特殊保溫材料制作的保溫被。

散戶應(yīng)用的溫室多為自行建造，沒有成型的標準體系，投入少，墻體厚度大，占地面積廣，土地利用率低，應(yīng)用限制條件較多。而采用磚混結(jié)構(gòu)、鋼骨架支撐、用塑料薄膜和保溫被做保溫材料建造的溫室，投入較多，一般在10 萬元以上，增收、增產(chǎn)效果會更好[12]。

河北省南北跨度大、地形地貌多樣，因此形成的農(nóng)業(yè)設(shè)施類型較多，常見的類型有塑料大棚、日光溫室、中小拱棚。近年來日光溫室發(fā)展迅速，其作為一種封閉式反季節(jié)的栽培模式，對溫度、濕度、光照和水肥藥精準度要求較高，生產(chǎn)條件具有一定的局限性。同時，該省大部分地區(qū)設(shè)施環(huán)境控制能力差、科技化程度低，蔬菜生產(chǎn)仍以粗放式的人工勞作為主，農(nóng)藥和化肥的使用缺乏統(tǒng)一標準，加上從業(yè)者文化水平、管理水平和科技創(chuàng)新能力較低，導(dǎo)致河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)智慧化、科技化程度較低。

3.2 主要問題

3.2.1 綜合管理技術(shù)、機械化水平低 目前，河北省缺乏設(shè)施農(nóng)業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員，數(shù)字化、智能化系統(tǒng)相關(guān)組件主要依賴進口，核心技術(shù)受制于人。市面上的大數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備精準度低，很難達到物聯(lián)網(wǎng)+設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合進行科學(xué)管理的預(yù)期效果。溫室大棚冬季達到預(yù)期溫度存在一定困難，增溫設(shè)備成本較高。土壤檢測以及濕度和溫度控制不夠準確，河北省的溫室內(nèi)灌溉方式[13]多采用漫灌，少數(shù)使用滴灌技術(shù)，水資源利用率較低；微灌設(shè)備還不完善，滴灌的堵塞、抗老化問題未得到有效解決，且制造水平低，灌水均勻度差。溫室自動控制系統(tǒng)還屬于起步階段，溫室的栽培方式落后，以人工為主，機械化水平低[14]；設(shè)施內(nèi)環(huán)境調(diào)控以人工經(jīng)驗判斷為主，對溫室環(huán)境如光照、溫濕度、土壤肥力等無法進行實時監(jiān)測，缺乏對種植環(huán)境的全面掌握。有的合作社或農(nóng)業(yè)園區(qū)的農(nóng)業(yè)設(shè)施雖然在溫度、濕度等控制方面已實現(xiàn)智能化，但仍然缺乏有效的技術(shù)支撐，包括智能化農(nóng)業(yè)的設(shè)計及環(huán)境調(diào)控技術(shù)，主要技術(shù)以國外引進為主，對于溫室內(nèi)升溫、降溫等環(huán)境調(diào)控設(shè)備處于零散使用狀態(tài)，調(diào)控能力弱，缺乏切實可行的技術(shù)標準，不能形成集溫度、濕度、光照、CO2濃度、水肥調(diào)控等綜合環(huán)境自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)。大多數(shù)的溫室控制系統(tǒng)需要從國外引進，不僅維護、運行成本高，且缺乏相應(yīng)的優(yōu)化軟件，優(yōu)化升級仍需要從國外再購買相應(yīng)的服務(wù)。我國對于這方面的研發(fā)投入不夠重視，溫室農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢沒有充分發(fā)揮出來。

3.2.2 溫室結(jié)構(gòu)單一 河北省地貌復(fù)雜多樣，西為太行山地，北為燕山山地、張北高原，其余為河北平原。高原和山區(qū)的光照條件好，但冬季往往易遭受低溫凍害[13]，因此在溫室設(shè)施建設(shè)過程中要考慮到采光和保溫的問題。河北省年平均氣溫12 ℃以上，0 ℃以上積溫為 4 800～5 200 ℃，無霜凍期 190～205 d[7]。設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積廣闊，但應(yīng)用的溫室多為簡易型，沒有根據(jù)相應(yīng)的地形和環(huán)境氣候進行溫室設(shè)施的優(yōu)化與改善。而溫室結(jié)構(gòu)直接影響到溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。在我國北方地區(qū)尤其是河北，應(yīng)加強溫室保溫性能研究，以減少冬季的熱能耗[15]，提高冬季溫室的保溫能力，保證溫室作物生產(chǎn)的溫度。

3.2.3 人才缺乏 我國物聯(lián)網(wǎng)+設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)[16]發(fā)展迅速，但與發(fā)達國家相比仍存在較大差距。表現(xiàn)在我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)人才缺乏，設(shè)計、制造型人才缺失嚴重，大部分農(nóng)民的文化水平較低，習(xí)慣于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的接受和操作能力有限。想要更好地推廣物聯(lián)網(wǎng)+設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，科研機構(gòu)、高?；蚱髽I(yè)要加大軟件技術(shù)設(shè)計、硬件設(shè)備的設(shè)計和制造等人才的培養(yǎng)力度，同時定期組織和開展科技下鄉(xiāng)、技術(shù)培訓(xùn)等活動，從而提高勞動者的科學(xué)文化素質(zhì)，并通過示范引導(dǎo)逐步推進物聯(lián)網(wǎng)+設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用。

3.2.4 科技服務(wù)滯后 對于智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，基層農(nóng)技推廣人員的技術(shù)支撐尤為重要。但是，河北省缺乏具有豐富指導(dǎo)經(jīng)驗的基層農(nóng)技人員，現(xiàn)有的農(nóng)技推廣人員對農(nóng)業(yè)標準化、信息化、智能化生產(chǎn)等方面缺乏系統(tǒng)化學(xué)習(xí)和新知識的及時更新。另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以一家一戶分散經(jīng)營為主，接納新技術(shù)的能力差異較大，導(dǎo)致先進農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣到位率和成果轉(zhuǎn)化效率較低。

3.2.5 品牌建設(shè)優(yōu)勢弱 河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以單個企業(yè)或農(nóng)戶分散經(jīng)營為主，對新的生產(chǎn)技術(shù)和市場動態(tài)掌握不及時，專業(yè)化組織能力、品牌建設(shè)優(yōu)勢和產(chǎn)品市場競爭力較弱，銷售方式以零售和個體經(jīng)銷商收購為主，難以形成規(guī)模經(jīng)濟，使得品牌產(chǎn)品和支柱產(chǎn)業(yè)不能迅速適應(yīng)市場競爭而較好的抵御自然和市場的雙重風(fēng)險。

3.3 河北省溫室應(yīng)用發(fā)展方向

2019 年河北省蔬菜產(chǎn)量為5 474.51 萬t，占全國蔬菜總產(chǎn)量的7.59%，其中設(shè)施蔬菜播種面積為224.67 千hm2。2019 年全省通過發(fā)展高端設(shè)施蔬菜和建設(shè)環(huán)京津基地，加強了蔬菜特優(yōu)區(qū)建設(shè)，蔬菜周年供應(yīng)能力和設(shè)施化水平顯著提高，蔬菜特色化、品牌化和高端化發(fā)展取得重大突破[17]。

河北省溫室農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效益一般是大田農(nóng)業(yè)的數(shù)倍[18]，但其利用效益還有很大的開發(fā)潛力；目前當?shù)氐臏厥覒?yīng)用管理水平比較落后，管理效益提升空間巨大，可以從以下幾個重點方面入手：

3.3.1 優(yōu)化溫室大棚結(jié)構(gòu)，研發(fā)小型溫室設(shè)備 完善小型溫室的節(jié)能、保溫技術(shù)，提高小型溫室產(chǎn)品的時令性，改善溫室結(jié)構(gòu)，提高土地利用率。目前溫室大棚的卷簾有些已經(jīng)改成電動卷簾，實現(xiàn)了自動機械化控制。大棚結(jié)構(gòu)的門比較矮小，僅容1 人出入，這樣設(shè)計的優(yōu)點是有利于大棚保暖，但同時存在農(nóng)業(yè)種植只能通過人工操作、一些小型機械很難在大棚內(nèi)作業(yè)的缺點。因此，需要優(yōu)化大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)置，并且需根據(jù)大棚的條件研發(fā)相應(yīng)的小型機械設(shè)備，實現(xiàn)機械化生產(chǎn)[16]。

3.3.2 提升綜合管理技術(shù)水平 楊冬霞等[19]認為，應(yīng)利用工業(yè)的全面質(zhì)量管理思想，形成規(guī)模經(jīng)濟和標準化管理，實現(xiàn)真正的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化。研發(fā)和推廣小型溫室環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，提高檢測設(shè)備的準確度，推廣應(yīng)用方便、操作簡單的環(huán)境監(jiān)測儀器。同時，通過多種途徑提升相關(guān)管理人員的技術(shù)能力，增強其農(nóng)業(yè)管理能力的專業(yè)素養(yǎng)[14]。將物聯(lián)網(wǎng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合，通過大數(shù)據(jù)對設(shè)施農(nóng)業(yè)進行統(tǒng)計、監(jiān)測和管理，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的雙提高。

3.3.3 推廣節(jié)水設(shè)備，促進資源節(jié)約利用 河北省水資源匱乏，每年平均超用水量為46.3 億m3[20]，而蔬菜生產(chǎn)需水量大，因此必須推廣節(jié)水灌溉設(shè)備，推廣滴灌-微噴水肥藥一體化技術(shù)，在節(jié)約用水的同時針對病蟲害進行施藥防治。達到水、肥、藥的一體化綜合管理，提高效率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)良性循環(huán)[21]。加強溫室品種的培育和引進轉(zhuǎn)化，進一步推廣適用于溫室生產(chǎn)的綜合栽培管理技術(shù)，加強宣傳培訓(xùn)力度。

3.3.4 統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局 根據(jù)河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、自然資源條件和經(jīng)濟發(fā)展水平等因素，對不同立地條件的設(shè)施農(nóng)業(yè)進行統(tǒng)一科學(xué)規(guī)劃，建立區(qū)域特色設(shè)施農(nóng)業(yè)體系，為推進河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展提供強有力的保障。

4 展望

溫室技術(shù)的發(fā)展使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在一定程度上降低了對自然環(huán)境條件的依賴。隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，針對設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究越來越多。河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)面積廣闊，作為京津冀“菜籃子”的蔬菜生產(chǎn)大省，需要不斷提高設(shè)施農(nóng)業(yè)種植技術(shù)。簡易溫室由于制造簡單、價格低廉很受農(nóng)民青睞，但簡易溫室抵御自然災(zāi)害能力差，結(jié)構(gòu)較為低矮，小型機械作業(yè)困難，不利于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。而因地制宜優(yōu)化溫室結(jié)構(gòu)，在發(fā)展特色蔬菜栽培的同時，適度發(fā)展高標準的溫室，普及相應(yīng)的綜合管理技術(shù)，研發(fā)相應(yīng)的專業(yè)機械設(shè)施，推廣節(jié)能節(jié)水的灌溉方式等。將物聯(lián)網(wǎng)[22]與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合，通過系統(tǒng)精確監(jiān)測，專家遠程指導(dǎo)，種植者遠程調(diào)控，精確管理溫室內(nèi)的溫度、濕度、土壤濕度等參數(shù)，讓溫室蔬菜更高質(zhì)、更高產(chǎn)，這也是未來設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢。