世界工厂化农业的基本现状

1、世界工厂化农业的根本现状1、开展历程与根本现状世界农业设施大体上经历了保护地栽培阳畦、小棚、中棚、塑料大棚、普通温室、现代温室、植物工厂一一由低水平到高科技含量一一的开展阶段,最初期的农业设施只是为了春提早和秋延后栽培,还远谈不到"工厂化",现代的植物工厂能在完全密闭、智能化限制条件下实现按设计工艺流程全天候生产真正实现生产工业化.1. 1主要国家温室类型与生产方式目前大多国家生产上应用的以塑料温室为主,荷兰以玻璃温室为主.荷兰、日本、美国、以色列、法国是世界温室应用最广泛的国家,英国、丹麦等北欧国家气候严寒,冬季不能生产,生产上温室应用并不太多,但研究水平很身.德国的温室

2、主要用于育苗和特种用途植物的生产.大多数国家的温室,骨架材料为钢材和铝合金屋顶.覆盖材料分外覆盖率材料与内覆盖材料,外覆盖材料为各种塑料薄膜、玻璃、玻璃纤维增强聚酯板,美国近年开发出聚碳酸酯板作为覆盖材料；内覆盖材料有保温幕帘冬季或夜间保温、遮阳网或各种降温材料夏降温降湿.国外温室的覆盖材料都有高透光、保温性好、防尘、无滴、抗老化、使用期长等特点,近年来日本、美国开发的功能膜具有光谱选择、降温、杀菌、防虫等特性.目前温室用能源根本以燃油为主,少数用天然气.1.2主要国家温室种植品种概况世界各国的温室主要用于园艺植物的生产,主要种植品种是蔬菜、花卉,其次是特种水果,蔬菜品种中又以果菜类为主,少量

3、以水培方式生产的温室和植物工厂种植叶类蔬菜.温室种植产量最高的每亩可产黄瓜4万公斤,相当于露地生产产量的8倍,以色列创造出每公顷温室每季收获300万支玫瑰的高产量表2列出主要国家温室栽培面积、品种与产量水平.2、生产开展趋势2. 1随着温室技术的开展,温室向大型化方向开展,面积呈扩大趋势,80年代末以来,各国新建温室都是大型现代温室.荷兰提出温室最适宜的面积大小,按每3人单元计算面积为1公顷；日本提出开展单栋面积达5000平方以上的温室,其单栋面积约5000平方米左右的大型温室19771988年只有7座,从1988年开始的8年间新建38座,其中玻璃温室24座；美国1994年以来在南部新建多处大

4、型温室,单栋面积为20公顷；其他国家温室也呈现面积扩大的趁势.2. 2栽培产品多样化除蔬菜、水果和花卉外,一些能产生高附加值的植物如香料、特种植物、工业用原料植物、药用植物、食用菌、其它欣赏植物已成为温室栽培的主要品种.2. 3温室产业向节省能源的地区转移随着市场的一体化和交通运输业的兴旺,农产品的异地销售十分便利,由于能源本钱的不断上升,温室生产很难与露地生产竞争,温室产业向节省能源的地区转移.如在美国,能源危机后,温室开展中央转移到南方,北方只保存了冬季不加温的塑料大棚.1965年俄亥俄洲有240多公顷的温室进行蔬菜生产,占美国温室蔬菜生产的75%,但到1982年仅25%的蔬菜温室保存下来

5、,一共只有64公顷.因此,南方地区生产新鲜农产品供给北方就成为主要来源,冬季50%以上的蔬菜从墨西哥进口.2. 4温室产品特色化以花卉生产为例,由于国际花卉生产布局根本形成,世界各国纷纷走特色和规模化的道路.荷兰凭借其悠久的花卉开展历史,逐渐在花卉种苗、球根、鲜切花、自动化生产方面占有绝对优势,尤其以郁金香为代表的球根花卉,已成为荷兰的象征,切花出口量占世界切花出口量的70%;美国在草花及花坛植物育种、盆花、观叶植物生产方面处于世界领先地位；日本在水气耕技术上占有绝对优势；丹麦盆花自动化生产和成为荷兰的象征,切花出口量占世界切花出口量的70%美国在草花及花坛植物育种、盆花、观叶植物生产方面处于

6、世界领先地位；日本在水气耕技术上占有绝对优势；丹麦盆花自动化生产和运输方面处于世界领先地位；其他如以色列、西班牙、意大利、哥伦比亚、肯尼亚那么在温带切花生产方面实现了专业化、规模化；泰国的兰花实现了工厂生产,每年大约有1.2亿株兰花销往日本,在日本的兰花市场中占有80%的份额.3. 5温室生产由本钱高的地区向本钱低的地区转移90年代以前,世界温室生产的花卉主要集中在欧美及日本等经济兴旺的国家,如今已转移到气候条件优越,土地和劳动力等本钱低,受到产业政策扶持的地区,如南美洲的哥伦比亚、厄瓜多尔,非洲的肯尼亚、津巴布韦以及东南亚等国家和地区.3、工厂化农业的主要支撑技术3.1 无土栽培技术日前美国

7、、日本根本全面普及营养液无土栽培技术,欧共体规定到2000年温室全部使用无土栽培技术.日本大面积推广水培和水气耕无基质,其它国家普遍采用基质栽培以基质固定根系,营养液循环使用o各国使用的基质主要是椰子壳、草炭、珍珠岩、岩棉、蛭石等.基质栽培方式多种多样,如日本的深液流循环式水耕,栽培糟中营养液深l0cn,糟上放置岩棉板块,岩棉板上定植植物,植物根系在可调温的流动循环的营养液中生长；美国的基质袋培,植物栽种在栽培袋中,栽培袋浮于循环流动的营养液中；以色列的蔬菜和花卉生产,采用的是营养液循环滴灌栽培,基质铺于水泥槽中或铺有薄膜的栽培畦上,营养液通过滴灌系统进入植物根系周围,再通过特定的装置回收而循

8、环使用.3. 2营养液调配技术营养液调配是无土栽培技术的根底.在美国,营养液供给系统是根据每一种化合物单独装在一个营养液罐内,用计算机统一指挥,根据不同比例溶在水中,再输送到作物种植床上.营养液的调整是根据一天中几次抽取回流的营养液,自动分析,然后根据分析结果,由计算机下达新的营养液修正的配方指令,混合成新的营养液,供给植物根系吸收,其主要根据是依太阳辐射强度而改变,夜间没有太阳辐射,营养液配方就不改变了；在以色列,营养液是通过滴灌系统与灌溉水一起供给植物根系,称为"水肥灌溉",营养液的调配和供给由计算机限制.有的国家,已有为温室种植者提供营养液效劳的专业技术机构.3. 3

9、环境监测限制技术环境限制技术是温室技术的核心.现代大型温室中,所有环境因子如室内温、光、气、湿、热、营养液养分状况与温度、植物根部环境温湿度等因子的监测、传感、调节,都由计算机进行综合治理,实行自动限制.国外先进温室,对室内外气温、风力、降雨等气象情况,室内空气温湿度、土壤温度和含水量、光照强度、CO浓度、营养液的酸碱度pH值、导电率EC和温度等环境参数,可利用计算机自动进行检测并实施限制.有的系统还可监测叶面积指数、叶温、蒸腾量和长势等生物活体信息,对生物体的重量、大小、形态等进行非接触式和非破坏性监测,从而对温室灌溉、施肥、加热、降温、补光、保温、遮阳、CO浓度、加湿、除湿等作业进行综合限

10、制.还有人根据产品市场价格变化的规律和作物生长规律,对作物的光合作用条件进行优化限制,以期获得最好的经济效益.3. 4CO2施肥技术由于温室生产的封闭性,CO施肥技术是温室生产必不可少的.荷兰在60年代初就开始使用CO施肥技术.近20年来美国温室内已普及增施二氧化碳的技术,增施的浓度到达空气二氧化碳的三倍量,即1000bpm主要是采用燃烧碳氢化合物的方法.3. 5熊蜂授粉技术目前,荷兰、日本、美国普遍应用熊蜂授粉技术.英国从1991年开始,把过去用震荡授粉、人工授粉的方法,改为熊蜂授粉.熊蜂比普通蜜蜂个头大,身体强壮,而且不伤人.因此温室工人也乐于使用这种蜂.一般采用这种方法能使作物产量提升2

11、0%左右.熊蜂的工作时间是日出授粉,日落休息.熊蜂由专业户饲养,可以租用,每个蜂箱80只蜂,能保证1500平米面积的授粉效果.平均每头蜂授粉面积为20平米,蜂箱每月更换一次.3. 6基质消毒技术多数采用基质栽培方式,基质的消毒成为温室技术中很关键的环节.在美国,为降低本钱、减少环境污染.正在将蒸汽消毒和化学消毒改为太阳能消毒.3. 7机械化作业技术国外由于劳动力本钱高,温室内机械化作业技术十分兴旺.美国南北各地,都有许多专门生产蔬菜、花卉和观赏植物的苗木农场,穴盘育苗全国各地普遍应用.由于育苗中移苗工作需要很多人工,因此应用机器人移苗技术就应运而生.移苗机器人能区分苗的好坏,把不好的苗抛到一边

12、,只移栽好苗.日本的温室栽培从整地施肥、育苗移植、中耕除草、防病治理、收获加工等全部或局部实现了机械化或半机械化,如穴盘育苗播种机、定植机、整地与土壤消毒机、整地作畦覆膜机、嫁接机器人、全自动移栽机,中耕治理机、植保机具、各种作物收获机具、采后清选、分级、加工包装机具等成龙配套,可供农户选择.4. 8产品采后处理技术产品采后的商品化处理技术是温室技术中十分重要的一环,它关系到产品能否实现商品价值.国外设施栽培的果菜产品一般全部进行清选、整理、称重、分级、包装并贴上商标,注明产地、日期等,可全部净菜上市.为使果蔬新鲜,除了要经过低温预冷外,自采收到加工一一运往批发市场一一零售店的时间要求在24小

13、时内完成,以此保证果蔬鲜嫩、卫生、无污染.叶菜通过机器自动包裹塑料薄膜、切割、称重、分级、入箱后进入预冷库,运往批发市场.所有这些环节实现机械化作业.在美国和日本,有的温室产品经机械采收后导入流动的水道流向预冷间进行处理,在此过程中就完成了清选分级.4、工厂化农业的主要装备4.1温室骨架结构国外的玻璃温室包括局部聚碳酸酯硬板,玻璃纤维增强塑料板即FRP板温室的骨架,均采用双屋而钢骨架,塑料薄膜温室那么多采用圆弧拱顶结构.为了改善通风条件,有的骨架将局部拱顶开作天窗.法国瑞奇公司甚至将半个拱顶开作天窗.除日本塑料温室骨架比较低矮外,其他国家的温室骨架顶高多在5-6.5m之间.由于温室几乎常年在高

14、湿环境下工作,骨架材料不仅要有足够的强度,还要有较强的耐腐蚀水平.因此,兴旺国家的温室骨架一般都有较大的断面尺寸,直径和厚度都较大.主拱架和立柱直径多在50-75mm间.壁厚一般为3mm上.而且结构件均要进行很好的防腐处理.美国胖龙公司的温室骨架钢管有三层防护层镀锌、铭化和高分子涂层,因而有较长的使用寿命,可达30年法国瑞奇公司宣称他们的温室使用寿命为40-50年.4. 2覆盖材料荷兰多为玻璃温室,美国除玻璃温室外常用覆盖材料还有玻璃纤维增强塑料板和聚碳酸酯硬板.日本、以色列、西班牙等国那么主要使用塑料薄膜为覆盖材料,材质包括聚氯乙烯PV.、聚乙烯P6和聚酯复合材料POo塑料薄膜的透光水平比玻

15、璃稍差,而且随着时间的推移,透光率还会逐渐降低.但它具有保温好、重量轻、容易施工、价格廉价等诸多优点,因而这类覆盖材料得到了广泛非应用,开展非常快.用于现代温室的塑料薄膜一般都比较厚,多为0.12-0.2mm.为了增强其抗拉强度,还在薄膜中参加增强纤维.为了延长使用寿命,还要参加适当的抗老化剂,为了减少冬季温室内侧薄膜外表结露,影响透光水滴还会给作物带来危害,还要加防滴剂流滴剂.近几年,为了改良温室的保温性能,节约能源,美、法等国的塑料温室常采用双层充气薄膜覆盖.除了透明覆盖材料外,国外还广泛使用了各种遮阳网和保温的幕(帘),其中有不同颜色和不同遮光率的塑料薄膜遮阳网、缀铝反光遮阳保温膜,还有

16、棚顶可卷放的遮阳帘等.各国广泛使用尼龙防虫网,阻止有害昆虫侵入温室内部.4. 3加热设备加热方式有散热器加温和热风直接加温两种.近年来各国都采用燃油(气)热风机加热,各国的燃油热风机均采用高效热交换介质换热,烟气外排,防止污染室内空气.他们将燃烧器、换热梢、风机和限制器组合在一起,做成落地柜式、移动式或悬挂式等几种.热风机的燃料可直接用柴油或煤油,无需调整,并备有丙烷、天然气点火器,供不同用户选用.美国、法国、以色列等国均有成系列的燃油热风机产品.5. 4通风及降温设备(1)最简单的降温举措是通风,有自然通风和机械通风两种.所谓自然通风就是翻开侧窗或天窗,让室内外的空气在重力和风力的作用下进行

17、交换,以到达降低室内温度的目的.对于薄膜温室,可采用卷膜机构启闭回转式侧窗和天窗.(2)机械通风.使用动力风扇.常用的有排气扇和循环风扇.前者用于向室外排气,后者用于温室内部空气流通.到了高温季节,单靠天窗、侧窗和排气扇换气的方法降温,效果仍不理想.国外用得最多的降温装置是湿帘风机降温系统和喷雾降温装置.(3)湿帘风机降温系统,一般由湿帘箱、水循环管路和排气扇等组成.通常将排气扇装在温室的一端,湿帘箱和水循环管路装在另一端.当排气扇工作时,室内呈微负压状态.外部空气通过潮湿的蜂窝状纸质湿帘箱吸入室内,水分蒸发,降低气温.(4)喷雾降温装置,是使用高压弥雾装置,利用蒸发冷却原理.在温室内喷雾.可

18、获得较好的降温效果.喷雾降温必须以低流量将水以薄雾(喷口直径100微米以下)喷到作物上以上的空间,在落地之前完全蒸发掉.4.5补光设备在荷兰,生产花卉的温室都装配人工补光装置.现代植物工厂中,补光装置是必备的.4.6营养液配制装置采用无土栽培的温室都需要营养液配制装置.4.7灌溉系统早期的温室喷灌系统居多,可根据设定的土壤湿度实行自控.近二十年来温室多采有滴灌系统,或喷灌/滴灌兼有的系统.滴灌比喷灌更节约用水.可降低温室内的湿度.施肥装置往往与滴滴系统结合起来而形成灌溉和施肥系统,根据设定的土壤水分和养分而自动进行灌溉和施肥.4.8二氧化碳施肥装置现代大型温室都有装备有二氧化碳发生器,通过燃烧

19、航空煤油或丙烷,产生二氧化碳,以补充温室内二氧化碳的缺乏.4.9自动监测与集中限制系统各国近二十年来建造的温室,自动化水平高,都设自动监测、数据采集和集中限制系统,包括各种传感器、计算机及各种电气装置等.5、植物工厂一一现代工厂化农业的最高水平所谓植物工厂,通常被描述为"在完全密闭、智能化限制条件下实现按设计工艺流程全天候生产或周年均衡生产,工厂内的作业就是操作计算机".工厂内所有环境因子参数由计算机采集和分析处理程序化自动限制,所有生产治理过程由计算机操作.日本80年代后期开始建造植物工厂,目前有试验示范用的蔬菜、花卉工厂10多座,一般面积为1000平米左右,计算机可按需

20、要将一盘番茄10-15株调运到特制操作间进行治理后调回原处,室内无菌化.在美国、英国、奥地利、丹麦都建有高度自动的蔬菜工厂、花卉工厂、果树工厂.建立在美国亚利桑那州图森市郊的"生物圈2号",是一个建筑面积为1.2公顷的特殊建筑物.里面模拟地球上的海洋、热带雨林、热带草原地带、沙漠地带、灌木丛地带、温带草原和作物集约耕作区,生物圈内的食物生产比地球上高16倍.植物工厂目前的国内外研究状况植物工厂在日本是目前正在倡导与推广的高新农业工程,它们已有成熟的技术与配套的相关设备与设施,而且都已经做到相当专业化的程度.它们通过植物工厂普及振兴会进行推广,现已有几十家较有规模的植物工厂基

21、地,主要以生产瓜果蔬菜为主,还有芽苗菜植物工厂与花卉类的植物工厂,这些植物工厂已经为日本本国对农产品的需求起到了很大的调剂作用.如建在爱知县的芽苗菜工厂一天能产200万盘,可供好几个城市的芽苗菜需求,还有许多利用植物工厂进行规模化的生产葛苣,已成为生产无公害高档葛苣的主要模式；还有在农作物水稻上进行了科学的偿试,取得了很好的种植效果.而在台湾,80年代就建立了设施与功能齐全的我国第一个芽苗菜植物工厂,内部设备从播种传送培育收获包装全部实现自动化机械化,并且结合微机与自走式的环境限制治理,使芽苗菜的栽培层次到达十几层以上,空间利用率极高,集约化程度大大地提升.还有美国、以色列、荷兰这些兴旺的国家

22、也都对植物工厂进行了研究偿试与推广,都取得了很好的效果与颇有价值的科研成果.目前,特别是在节能化的研究上,已形成了从风能电能到生物能的多种能源开发趋势,并且都在生产上得以运用,如利用太阳能供电的自发电型植物工厂与风能发电植物工厂,还有利用光导技术进行传纤传播实现光的充分利用,还有利用科学的反光原理,使工厂内的光能得到最大化的利用,更有些植物工厂甚至利用微生物发酵发电以实现农业可持续与循环开展,能源与材料是植物工厂普及推广的限制因子,有了这些先进的技术作为支撑,使植物工厂的普及渐趋可能；最近在补光节能化方面,日本又有了新的开展,如利用半导体二极管及激光发光技术,可以使光的效率大大提升,使电能消耗

23、得到进一步的降低,还可以实现植物叶片外表的近距离补光；补光技术的改良开展为植物工厂的低本钱运用起到了关键性的作用,原本植物工厂内耗能最大的就是补光而现在可以几倍地下降,特别是有特定光谱的二极管与激光光源,可以在不影响光合效率前提下,实现电能转换率的最大化；在计算机的限制上,目前根本实现环境模拟的自动化智能化与精确化,能够实现诸如温度湿度光照强度二氧化碳浓度营养液EC液温溶氧等植物生长相关因子的在线检测与反应闭环限制,甚至还可以通过互联网进行远程监控,以及通过卫星系统进行全球限制,在视频监控上采用数字化硬盘技术实现植物图象的远距离清楚化传送,做到参数与图像的全方位监控,实现治理者只需敲击键盘就能

24、进行生产指挥的数字化治理,另外,对于各种不同栽培植物专家系统的研发运用上也得以采用,治理者只需轻松地调动相关植物的最正确生长模式就可进行最优化的生产治理,使农业生产更为傻瓜化；有些较为先进的植物工厂还安装上植物生理传感器,实现植物生长过程中各项生理指标的在线检测,以实现环境因子的最科学化限制,也就是可以按发育生理所需来命令限制各项环境因子,如光合效率、呼吸作用、蒸腾系数、茎流量、果实膨胀等,并且能利用计算机技术进行曲线记载,科研者可随时调出实时的在线资料而进行科学研究,为科研者的研究提供了最科学的试验平台；目前,随着智能机器人技术的开展,也在植物工厂中被采纳运用,如种苗的嫁接插苗与果实的采收与

25、走动式的治理等,都开始利用机器人来完成,取代了原来繁杂的人工操作；在无菌环境的创造上,也结合了当前较为先进的纳米材料技术物理杀菌技术,使整个植物栽培空间实现无菌化自洁化；营养液的供给调配及限制上,也能有了很大的提升,如营养液限制中央的建立代替了原来复杂的人工操作,各种植物所需元素上的在线检测及调控也被运用,做到了植物所需元素及栽培液酸碱度的精确化限制,在废液的处理与再利用上也有了进一步的改良与提升；使栽培本钱与环境排污最大化的降低,真正实现了封闭式自循环生态系统的合理构建.从原本纯耗资源型转变为可持续可循环型,从原本的高本钱型转变为现在的经济实用型；从原本的操作繁琐型转变为现在的傻瓜操作型；总

26、之,从兴旺国家看植物工厂具有很广开展空间与很看好的开展趋势,是未来农业开展的一种重要模式.而我国这方面的研究也不甘落后,近年,在国防科技大学、中国农科院及浙江丽水市农科所的通力联合攻关下,上述的技术问题也根本上得到解决,可以与国际技术水平相比,只是在产品的精致上还不能与兴旺国家相提并论,但估计通过几年的努力,与植物工厂相配的各种专业化设备设施将会相继开发与运用；基于目前国内的实际农业生产力水平,还是需要从本国国情出发,开发一些本钱较低但功能不亚于国外产品的限制系统、建造材料、及设备设施,以满足我国初级阶段对于建设植物工厂的市场需要,为快速启动与推进植物工厂先迈出历史性的第一步.植物工厂的国内外概况植物工厂最早起源于日本,也叫植物工场,它是日本80年代就已研发与运用的一个农业高新技术工程,当时在日本海洋博览馆展出了单株13000多个果的番茄王,就是运用植物工厂技术及各种高新技术集成的产物.当时这种超高产巨型植株的栽培成功,就预示着人类