设施园艺技术进展与趋势

杨其长QichangYang中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture(IEDA),[e-mail]设施园艺技术进展与趋势Currentsituationanddevelopmenttrendofprotectedhorticulture报告提纲设施园艺概念国际技术进展国内技术进展发展趋势一、设施园艺概念WhatisProtectedHorticulture？设施园艺（ProtectedHorticulture）：是利用工程技术手段和工业化生产方式，为园艺作物提供适宜的生长环境，使其在最经济的生长空间内，获得最高的产量、品质和经济效益的一种高效农业。设施园艺概念设施园艺特点环境相对可控。可进行反季节、周年连续生产；单位面积产出率高。设施蔬菜单产可达露地2-10倍，植物工厂甚至达40倍以上；现代技术高度集成。综合运用材料工程、环境控制、机械工程、机器人、微电子与互联网等高新技术；高投入、高产出。连栋温室投入300-700元/m2，产出黄瓜、西红柿30-120kg/m2，玫瑰200-340支/m2。单株遗传潜力不断挖掘Greenhouse(2-10times)Plantfactorywithartificiallight(40times)Verticalfarming(1000times)单位土地资源利用率成倍提高设施园艺的高效生产特征，使其已经成为当今世界各国现代农业的重要标志，是农业发展中最具有活力的新兴产业之一。由于设施园艺能大幅度地提高单产、增加总产，并能从根本上提高农产品质量，目前已经成为周年向人们提供大量绿色农产品最为理想的生产方式。二、国际技术进展UnitesStates8,425haCanada2,286haMexico11,759haSpain52,170haFrance9,620haItaly26,500haGreece4,670haTurkey39,284haHolland10,370haPoland7,560haChina3,130,000ha(2015)S.Korea57,444haJapan49,049haTotalGreenhouseAreasinMajorGreenhouseProductionCountriesintheWorld世界设施园艺面积分布（MuratK.,2014)Israel12,900ha地中海西北欧东亚北美设施（温室）结构逐渐形成与其所在区域气候特征相适应的型式；设施单体大型化趋势日益明显，单栋温室规模不断增大；机械化、自动化与智能化配套技术广泛应用，劳动生产效率显著提升；植物工厂高技术产业逐渐得到重视，正成为都市蔬菜生产的重要手段。主要技术进展荷兰、北京、西班牙三地气候比较封闭0200400600800-100102030平均温度（℃）北京荷兰（阿姆斯特丹）太阳总辐射强度（MJ/m2·月）加温(白天／夜晚)加温（夜晚）不加温连续通风间歇通风荷兰1设施结构与区域气候相适应结构特点：骨架材料尽可能减少遮光；覆盖材料应具有一定的保温性能-玻璃（保温＋透光）带防虫网的天窗温室光照重要性：1%原则（荷兰）作物透光减少1%对产量影响生菜0.8%萝卜1%黄瓜0.7-1%西红柿0.7-1%玫瑰花0.8-1%菊花0.6%一品红0.5-0.7%垂叶榕0.6%减少透光1%将减少1%的产量灰尘往往影响透光10%左右，清洗机械因此得到广泛使用。温室覆盖表面清洗机械-增加透光屋顶清洗机械（飞机）02004006008001000-100102030平均温度（℃）北京以色列（特拉维夫）西班牙（阿尔梅里亚）太阳总辐射强度（MJ/m2·月）地中海沿岸国家（以色列、西班牙、土耳其等)加温（夜晚）连续通风间歇通风降温不加温结构特点：结构高大，适宜于自然通风，覆盖材料以塑料膜为主（通风＋降温）Integrationofhighpressurefogging自然通风（辅助强制通风）+喷雾降温Ventilationaloneisnotsufficientformaintainingdesiredgreenhouseclimateyearround•Uselessenergy(NaturalVentilation)•LimitationHardtocontrol0200400600800-20-100102030平均温度（℃）北京加拿大（安大略地区）太阳总辐射强度（MJ/m2·月）太阳总辐射强度（MJ/m2·月）北美地区（美国、加拿大、墨西哥等）加温(白天／夜晚)加温（夜晚）不加温连续通风间歇通风加热LiquidfoaminsulatedGreenhouseControlgreenhouse•Liquidfoamreducedheatlossduringthenight(whenitwasused)by50%.•Whenitisusedinsummerforshading,itreducedhightemperaturestressandfruitdisordersingreenhousevegetableproduction.•FundedbyOGVG,SunarcofCanada,UnionGasandAAFCMIIprogram.采用双层膜+液态泡沫填充进行夜晚保温（减少能耗50%）双层充气保温0200400600800-100102030平均温度（℃）北京日本（东京）太阳总辐射强度（MJ/m2·月）东亚（日本、韩国等)加温(白天／夜晚)加温（夜晚）不加温连续通风间歇通风降温日本温室结构(透光+内部保温）全開半開全閉屋顶全开放型温室设施结构大型化具有投资省、土地利用率高、环境稳定、便于机械化作业和规模化经营等优势。世界温室大型化趋势日益明显。荷兰1975年单栋1.0公顷以下温室占90%，到2005年单栋2公顷以上已占60%以上（1.0公顷占90%)。温室单体面积不断增加，甚至出现单栋超过10公顷以上。大型化、规模化、连片化趋势日益明显。2设施结构日趋大型化,单栋温室规模不断增大0.1ha0.1-0.250.25-0.50.5-0.750.75-11-1.51.5-22-33ha01000200030004000500060007000800090001000011000120001）温室日趋大型化与规模化荷兰单体温室面积变化趋势（1970-2005）早期（20世纪50年代以前）双坡面与单坡面玻璃温室（单体面积小，环境控制与栽培技术落后）早期的连栋玻璃温室（1950年代）（结构简陋、低矮，加温方式落后，栽培技术水平低，产量不高：番茄仅7.7Kg/m2）荷兰Westland温室群（小规模逐渐合并扩大）早期现在集中连片的52公顷番茄温室（荷兰RoyalPride公司）番茄温室（52公顷）内部集中连片的沙漠温室（美国亚利桑那州，140公顷）亚利桑那温室及其栽培系统（日产番茄600吨）3机械化、自动化与智能化装备技术广泛应用，劳动生产率显著提升设施作物生长发育对环境与营养需求的定量关系（数字化模型构建）与控制技术取得进展；温室生产机械化、智能化管理技术快速发展（劳动生产率较高，人均管理面积达4000-5000m2，我国约为1000m2左右）；设施栽培管理逐渐走向现代化（营养液栽培、环境自动控制、计算机管理，甚至机器人得到应用等）。人工模拟环境与控制3.1设施作物环境与营养定量需求规律的探明及控制技术发展，产量大幅度提高矿质营养学说以“矿质营养学说”为理论基础的植物营养需求（16种元素）及其“营养液栽培技术”应用；以“人工模拟/创造植物生态环境（温、光、湿、气等）”为理论基础的“人工模拟环境与控制技术”的突破。水空气水大量元素微量元素必需元素生态系统模型数据采集系统基于模型的温室智能化控制技术的应用动态数据库实测值模拟值对比值温室作物27Oct26Oct28Oct29Oct30Oct1Nov2Nov3NovALLALLALLStressDetector#17#17onDuty!ShanyRayTechnologiesLtd.Numberofdaysanalyzed:7Numberofalarms:4DANGER!DANGER!MyComputerLPS#14LPS#17LPS#26LPS#99AlarmDiary9:00-12:00AirVPD2kPa12:00-15:00LeafT34CAirVPD4kPa15:00-16:00AirVPD2kPaTest#1negativeSSRR以作物群落最大生产量为目标函数，构建环境与营养需求模型，实现温室智能化控制与管理。（荷兰TOMSIM，以色列TOMGRO模型）植物对话（SPA,SpeakPlantApproachtoEnvironmentandNutrientControl）技术（西医技术）生理诊断（脉搏）与优化管理温室温度红外立体监测技术（环境诊断）根际环境调控空气环境调控智能化综合环境调控光环境调控番茄产量已达100公斤/平方米以上，黄瓜产量达80-120公斤/平方米（1950年7.7公斤/平方米；1980年29公斤/平方米，荷兰）；中国产量10-30kg/m2单产水平不断提高蔬菜自动采收系统（荷兰）3.2机械化、自动化与智能化装备技术广泛应用，劳动生产率显著提升1）育苗产业高度自动化2）机器人（机械手）广泛应用移栽机械手机器人管理机器人打叶、整枝管理机械手植保管理（蓟马等去除）被动式诱虫主动式诱虫机器人收获3）营养液栽培技术得到普及营养液栽培（无土栽培）技术的广泛应用使作物根际环境与营养管理由不可控到相对可控，甚至达到水肥管理的精准化调控。基质的工业化与标准化生产，以及水肥一体化是营养液栽培技术突破关键。岩棉工厂化与标准化栽培系统工厂化水耕栽培系统叶菜多层立体栽培技术创新18layers4植物工厂高技术产业得到重视15layers日本从耕地、劳动力、食物安全等战略需求出发，大力发展植物工厂，目前规模已达250座以上。美国从发展都市农业、强调蔬菜本地化（Localization)出发，把植物工厂作为重点发展，芝加哥、纽约等大城市建立了多个植物工厂基地。芝加哥叶菜工厂纽瓦克Aerofarms荷兰从事植物工厂的代表性单位芬洛的BrightBox研究中心VitroPlus（蕨类）PhilipsPlantlabPriva荷兰以LED光源与植物工厂装备为研发重点，尤其是飞利浦等公司投入大量经费进行植物工厂光源研发，推动了植物工厂发展。三、国内技术进展1.031224.3583.81183.27274.15344.33394.2410.90100200300400500198219881992199620022006201020132015设施园艺面积（×104ha）年份初级发展阶段探索发展阶段快速发展阶段1、设施园艺产业发展迅速30多年间，设施园艺产业取得快速发展，设施面积从1981年的0.72万公顷发展到2015年的410.9万公顷。设施蔬菜人均占有量从2.5Kg（1981）增长到190Kg（2015)。冬季蔬菜1980年代现在日光温室连栋温室设施主要结构型式塑料拱棚(DatafromChinaAgricultureYearbook,2015,MOA)Tunnel300.473.1%ChineseSolarGreenhouse105.125.6%Multi-spangreenhouse5.41.3%(Lowtunnelandawning97.923.8%)设施面积主要构成（104ha）HeatstorageHeatReleaseTinsideStructureofChineseSolarGreenhouse(CSG)Thermalquilt(orStrawmat)BackroofNorthwallCover(Plasticfilm)onsouthsurfaceHeatR