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设施农业栽培学第一章概述设施农业属高投入高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业。是利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业、环境安全型农业生产、有机农业的必由之路，同时也是农产品打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。设施农业从种类上分，主要包括设施园艺和设施养殖两大部分。设施养殖主要有水产养殖和畜牧养殖两大类。一、设施农业的发展历史公元前4世纪欧洲已有著作记述植物被种在保护地上生长；15~16世纪，英国、荷兰、法国和日本等国家就开始建造简易的温室，栽培时令蔬菜或小水果；17~18世纪，法国、英国、荷兰等国家已出现玻璃温室；19世纪初，英国学者开始大量研究温室屋面的坡度对进光量的影响以及温室加温设备问题，英国、荷兰、法国等国家出现了双屋面玻璃温室；19世纪后期，温室栽培技术从欧洲传入美洲及世界各地，中国、日本、朝鲜等国家开始建造单屋面温室。20世纪60年代。美国成功研制无土栽培技术。使温室栽培技术产生一次大变革。2005年前后，物理植保技术的出现及其集成技术防病效果的认可和中国蔬菜对外出口频遭相关贸易国的绿色壁垒以及国内频现的食品安全问题。在这种形势下我国农业科学家提出了环境安全型温室的概念。环境安全型温室是一种物理植保技术、环境控制技术、生物防治技术为核心的，能够不使用农药或其他化学品就能防治植物病虫害，并能保障植物避免恶劣气候和生理性障碍的封闭型植物养育设施。环境安全型温室主要分为物理植保型温室和环境控制型温室两大类。前者着重于植物全生育期病虫害的物理防治设施配置。后者则是病虫害、生理障碍、生长环境调控都加以控制的温室。物理植保型温室主要以物理植保技术集成体系为植保设施核心设计而成，即土壤病虫害防治设计为土壤电处理模式、地上部分的气传病害防治设置为空间电场防治模式、飞翔类害虫的防治设置为色、光双诱电捕杀与防虫网结合模式、红蜘蛛等螨类为生物防治模式或称紫苏防螨模式。环境控制型温室是在物理植保型温室的基础上，再辅以温度、光照、二氧化碳浓度调控模式的温室，这类温室不仅能确保植物生长期病虫害的无农药化防治还能够确保连阴天或极端恶劣气候条件下仍能生长或保苗保秧。生长环境辅助设施包括热风炉或土壤加温线或湿帘、空间电场发生系统、补光灯、二氧化碳增施系统，其中，空间电场发生系统除了预防气传病害以外还具有植物光合作用的调控功能，可增强植物在低光照环境中的光合作用强度。二、设施园艺的主要类型及其优缺点设施园艺按技术类别一般分为玻璃/PC（聚碳酸酯Polycarbonate）板连栋温室（塑料连栋温室）、日光温室、塑料大棚、小拱棚（遮阳棚）四类。①玻璃/PC板连栋温室具有自动化、智能化、机械化程度高的特点，缺点一次性投资大，对技术和管理水平要求高、能耗大。②日光温室的优点有采光性和保温性能好、取材方便、造价适中、节能效果明显，适合小型机械作业。缺点在于环境的调控能力和抗御自然灾害的能力较差。③塑料大棚安装拆卸简便，通风透光效果好，使用年限较长，棚内立柱过多，不宜进行机械化操作，防灾能力弱，一般不用它做越冬生产。④小拱棚（遮阳棚）的特点是投资少，作业方便，管理非常省事。其缺点是不宜使用各种装备设施，并且劳动强度大，抗灾能力差，增产效果不显著。主要用于种植蔬菜、瓜果和食用菌等。三、设施养殖的主要类型及其优缺点设施养殖主要有水产养殖和畜牧养殖两大类。①水产养殖按技术分类有围网养殖和网箱养殖技术。在水产养殖方面，围网养殖和网箱养殖技术已经得到普遍应用。网箱养殖具有节省土地、可充分利用水域资源、设备简单、管理方便、效益高和机动灵活等优点。安徽的水产养殖较多使用的是网箱和增氧机。②在畜牧养殖方面，大型养殖场或养殖试验示范基地的养殖设施主要是开放（敞）式和有窗式，封闭式养殖主要以农户分散经营为主。四、设施农业主要材料与设备1、园艺设施建造材料玻璃/PC板连栋温室以透明玻璃或PC板为覆盖材料的温室，这类温室的骨架为镀锌钢管，门窗框架、屋脊为铝合金轻型钢材；塑料连栋温室以钢架结构的为主；钢架大棚，采用钢管搭建大棚，目前普遍用连接件代替焊接技术来固定钢管；竹木大棚，用竹片或竹竿做骨架，每个骨架用水泥柱或木桩做支柱；小拱棚、遮阳棚多用竹木做骨架，以塑料薄膜和稻草等其他材料简单搭盖。2、园艺设施主要设备物理植保技术装备包括温室电除雾防病促生系统、土壤连作障碍电处理机、臭氧病虫害防治、色光双诱电杀虫灯、防虫网；物理增产技术装备包括利用空间电场生物效应制造的空间电场光合作用促进系统、烟气净化二氧化碳气肥机、补光灯、滴灌系统等；耕耙机械装置包括微耕机、微滴灌装置；喷雾植保机械包括机动和手动施药器具；温室设施外使用的机械装备有草苫（保温被）卷帘机、卷膜器等。3、设施养殖主要设备畜禽养殖，环境安全型畜禽舍是建设重点，其中的防疫装备包括空间电场防疫系统、等离子体灭菌除臭系统，而生产辅助设备土要有喂料机、喷淋设备、风机、冷水帘以及粪便处理设备等，大型养牛场还配备了自动挤奶、杀菌、冷藏等设备。大型鸡、鸭、鹅饲养场还配备有自动孵化设备；水产养殖，目前应用最普遍的是利用聚乙烯网片制作的网箱，配备的设备主要是增氧机。五、设施建造成本与效益比较1、设施建造成本玻璃温室的投资成本在800~1000元/平方米；PC板温室的造价在1000~1200元/平方米；塑料连栋温室以钢架结构的为主，造价在100~140元/平方米；日光温室按建筑材料不同，造价在40~120元/平方米不等；钢管大棚造价25~40元/平方米。竹木大棚的造价在10~15元/平方米；小拱棚、遮阳棚造价平均5元/平方米。2、效益比较山东省设施栽培平均效益是露地栽培的5倍以上。日光温室纯收入10000元左右。塑料大棚纯收入为3000元左右。六、设施农业发展的方向1、设施标准化、大型化发达国家根据当地的自然条件、农业资源情况、气候和栽培特点等因素，设计适合当地条件，能充分利用太阳辐射的标准型设施、装置及构件，实现了农业设施的系列化和标准化。与此同时．为了节省材料、降低成本，提高采光率、栽培效益及经济效益，发达国家的生产型温室不断向大型化方向发展。此外，连栋温室得到普遍推广，温室的室高在4.5m以上。温室空间扩大后．可进行立体栽培，便于机械化作业。2、作业机械化设施内生产管理的机械化是设施农业的重要方面。发达国家已经在设施农业中广泛使用小型、轻便、多功能、高性能的设施园艺耕作机械、播种育苗装置、灌溉施肥装置以及自动嫁接装置等，普遍实现了播种、育苗、定植、管理、收获、包装、运输等作业的机械化。3、设施环境监控自动化、智能化、网络化美国开发了能够辨别秧苗质量并能分拣的温室移苗作业机器人；日本开发了可行走的耕耘施肥机器人、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。柑橘和葡萄收获机器人等。目前，无线传感器网络技术、现代通信技术、智能控制技术、计算机视觉技术和空间技术等不断应用于设施农业领域，这些技术的有机整合，使得设施环境监控系统朝着自动化、智能化和网络化方向发展。设施管理水平不断提高。4、温室覆盖材料多样化北欧国家多用玻璃，法国等南欧国家多用塑料，美国多用聚乙烯膜双层覆盖，日本多应用聚氯乙烯膜。总之，温室覆盖材料呈多样化特点，且材料的保温、透光、遮阳、光谱选择性能渐趋完善。5、生产体系专业化、产业化、国际化在设施农业发达的国家，设施农业生产完全走专业化、产业化、国际化发展道路。这主要体现在：①温室围绕市场需要生产，温室产品的商品化率非常高。②采用规范有序的市场经营模式，以市场为导向和生产的拉力源，形成完整的体系。③种苗专用，栽培产品多样化与特色化。④设施农业生产迈入国际化的市场体系。⑤形成健全的市场销售体系。6、农业生产工厂化美国、法国、日本等一些发达国家对工厂化农业给予了高度的关注，一直在研究“工厂化农业”成套技术。目前，荷兰、奥地利、英国、挪威、伊朗、希腊、利比亚、美国和日本等国家均建有植物工厂，利用植物工厂主要生产莴、番茄、菠菜、药材和牧草等。需要指出的是，对于工厂化农业，以下2个问题亟待解决：①营养液及养殖用水的净化处理及重复利用。解决思路是建立循环水系统，实现封闭式内循环生产。②降低设施、设备成本及能量消耗。第二章设施栽培人工补光技术光照是影响作物生长的重要环境因素之一。温室栽培时，由于受覆盖物透光率的影响，普通玻璃的透光率一般为90％~92％，塑料薄膜的透光率只有85％~90％，温室内的自然光照条件要比露地差。另外，在冬季和早春季节，日照时问短，温室的光照度较弱；南方地区在阴雨连绵的季节里，温室内的光照度仅为2000Lx左右。光照不足，影响作物的光合作用，导致作物生长受抑，从而严重影响作物的生长。人工补光是提高作物对光照的需求，采用人工光源改善温室的光照条件，调节对作物的光照。人工补光是提高温室生产水平的一项新技术，对温室产业的发展有着重要的意义。一、作物对光能的利用生理辐射，指在辐射光谱中，能被植物叶片吸收光能而进行光合作用的那部分辐射。不同的补光光源，其生理辐射特性不同。在光源的可见光光谱380nm~760nm中，植物吸收的光能约占生理辐射光能的60％~65％。其中，主要是波长为610nm~720nm的红、橙光辐射，植物吸收的光能约占生理辐射光能的55％左右。红、橙光的光合作用最强，具有最大的光谱活性，用富含红、橙光的光源进行人工补光，在适宜的光照时数下，会使植物的发育显著加速，引起植物较早开花、结实。其次是波长为400nm~510nm的蓝、紫光辐射，植物吸收的光能约占生理辐射光能的8％左右。蓝、紫光具有特殊的生理作用，对于植物的化学成分有较强的影响，用富于蓝、紫光的光源进行人工补光，可延迟植物开花，使以获取营养器官为目的的植物充分生长。植物对波长为510~610nm的黄、绿光辐射，吸收的光能很少。所以，通常把波长范围在610~720nm和400~510nm两波段的辐射能称为有效生理辐射能，而不同波段有效生理辐射能占可见光波段总辐射能的比例则称为有效生理辐射比率，通过这些指标来评价人工补光的效果。二、人工补光光源及其生理辐射特性用于温室人工补光的光源，必须具备一般植物（特别是栽培植物）必需的光谱成分（光质）和一定的功率（光量），且应经济耐用、使用方便。目前，用于温室人工补光的光源根据其使用及性能，大致可分为三类。普通光源新型光源专用光源1、普通光源（1）白炽灯依靠高温钨丝发射连续光谱。其辐射光谱大部分是红外线，红外辐射的能量可达总能量的80％~90％，而红、橙光部分约占总辐射的10％~20％，蓝、紫光部分所占比例很少，几乎不含紫外线。因此，白炽灯的生理辐射量很少，能被植物吸收进行光合作用的光能更少，仅占全部辐射光能的10％左右。而白炽灯所辐射的大量红外线转化为热能，会使温室内的温度和植物的体温升高。（2）荧光灯灯管内壁覆盖了一层荧光物质，由紫外线激发荧光物质而发光。根据荧光物质的不同，有蓝光荧光灯、绿光荧光灯、红光荧光灯、白光荧光灯、日光荧光灯以及卤素粉荧光灯和稀土元素粉荧光灯等。可根据栽培植物所需的光质选择相应的荧光灯。荧光灯的光谱成分中无红外线，其光谱能量分布红、橙光占44％~45％，绿、黄光占39％，蓝、紫光占16％。生理辐射量所占比例较大，能被植物吸收的光能约占辐射光能的75％~80％，是较适于植物补充光照的人工补光光源，目前使用较为普遍。2、新型光源◇高压钠灯光谱能量分布红、橙光占39％~40％，绿、黄光占51％~52％，蓝、紫光占9％。因含有较多的红、橙光，补光效率较高，适宜于温室叶菜类作物的补光。◇日色镝灯又称生物效应灯，是新型的金属卤化物放电灯。其光谱能量分布为红、橙光占22％~23％，绿、黄光占38％~39％，蓝、紫光占38％~39％。日色镝灯虽蓝、紫光比红、橙光强，但光谱能量分布近似日光，具有光效高、显色性好、寿命长等特点，是较理想的人工补光光源。3、专用光源这类光源是专为植物光照而开发的。如华东电子股份公司生产的植物生长灯，这种灯