发达国家设施农业智能化发展现状、趋向分析

2016-07-28 14:00 来源:智慧农业产业联盟 点击数: 加入收藏

  设施农业,是在环境相对可控条件下,采用工程技术手段,进行动植物高效生产的一种现代农业方式。设施农业涵盖设施种植、设施养殖和设施食用菌等。在国际的称谓上,欧洲、日本等通常使用“设施农业”这一概念,美国等通常使用“可控环境农业”一词。 

  设施农业智能化是将现代生物工程技术、农业工程技术、环境工程技术、信息技术和自动化技术应用于农业生产领域,根据动植物生长的最适宜生态条件在现代化设施农业内进行四季恒定的环境自动控制,使其不受气候条件的影响,生产呈自动化、标准化和智能化,农产品周年生产、均衡上市,实现生产高速度、高产出和高效益。   

  设施农业智能化包括设施工程、环境调控以及栽培、养殖技术等方面标准化、自动化、信息化,其核心是农业环境调控。设施农业环境调控智能化是在一定的空间内,用不同功能的传感器探测头,准确采集设施内环境因子(光、热、水、气、肥)以及作物生育状况等参数,通过数字电路转换后传回计算机,并对数据进行统计分析和智能化处理后形成专家系统,根据作物生长所需最佳条件,由计算机智能系统发出指令,使有关系统、装置及设备有规律运作,将设施内温、光、水、肥、气等诸因素综合协调到最佳状态,确保一切生产活动科学、有序、规范、持续地进行。目前设施农业环境调控智能化研究已成为当今世界各国展示农业科技发展水平的重要标志。 

  二、发达国家设施农业发展现状

  设施农业历史久远,早在l5~16世纪,英格兰、荷兰、法国、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。进入20世纪特别是50年代后,随着现代工业向农业的渗透和微电子技术的应用,设施农业在全球迅速崛起,特别是在美国、荷兰、日本等一些发达国家设施农业迅速发展,形成了一个强大的支柱产业。随着科学技术特别是信息技术、环境工程技术的迅速发展,现代工业向农业的渗透和现代工业技术,包括机械技术、工程技术、电子技术、计算机管理技术、现代信息技术、生物技术的应用,设施农业不断向智能化方向发展。 

  早在20世纪80年代美国雨鸟公司、摩托罗拉等几家公司就合作开发了智能中央计算机灌溉控制系统开始将计算机应用于温室控制和管理,此后温室计算机控制及管理技术便先是在发达国家得到广泛应用,后来各发展中国家也都纷纷引进、开发出适合自己的系统。20世纪90年代,美国开发的温室计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求,对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控,还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制,以满足生产和市场的需要。目前,美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产,有82%的温室使用计算机进行控制,有67%的农户使用计算机,其中27%的农户还运用了网络技术。 

  以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统,并不断开发模拟控制软件。到80年代中期,已有5 000多台计算机应用于温室,目前荷兰拥有玻璃温室1.2万多hm2,占世界的1/4以上,有85%的温室种植者使用环境控制计算机,种植者只需从软件公司购买温室控制软件,从化学公司购买营养液后,即可按照不同作物的特点进行自动控制,从而满足作物生长发育的最适要求。目前,荷兰全国建有1.2万hm2现代化自动控制温室,在生产观叶园艺植物的现代化大型自控温室中,盆观植物均置放在栽培床上,从基质搅拌、装钵、定植、栽培、施肥、灌溉、钵体移动全部实现机械运作,室内温度、光照、湿度、作物生长情况、环境等全部由计算机监控,在计算机智能化、温室环境调控方面也居世界领先地位。 

   

  英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。另外,德国已经把3S技术(地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感技术RS)应用于温室。与此同时,温室计算机控制和管理技术在亚洲同样得到了极大的发展。 

  日本在20世纪80年代中期应用于温室中的计算机就达到1 000多台,到1995年达6 000多台,目前农业生产部门中计算机的普及率高达92%。日本还建造了世界上最为先进的植物工厂,采用完全封闭生产、人工补充光照,全部由计算机控制。日本的甜瓜农场应用一种新型的智能计算机系统,对7个温室群进行管理,实现最佳控制。近年来日本还研制了一种遥感温室环境控制系统,将分散的温度群与计算机控制中心连接,从而实现更大范围的温室自动化管理。 

  以色列用光热资源的优势和节水灌溉技术,主要生产花卉和高档蔬菜,采用大型塑料温室,在作物附近都安装了传感器以测定水、肥状况,利用办公室里的中心计算机通过田间的控制器收集和储存全天温室内部和外部的温度和湿度数据,通过程序进行数据分析,并可通过引入新数据来改变操作程序,很方便地遥控灌溉和施肥,系统还可自动控制卷帘、热屏遮阴系统、加热系统以及灌溉区的流量控制系统,精确可靠,节省人力,原本资源匮乏的以色列现已成为沙漠上的蔬菜出口国。 

  三、发达国家设施农业智能化发展趋向

  目前,发达国家设施农业已具备了技术成套、设施设备完善、生产比较规范,产量稳定、质量保证性强等特点,形成了设施制造、环控调节、生产资材为一体的产业体系,能根据动植物生长的最适宜生态条件在现代化设施农业内进行四季恒定的环境自动控制,使得不受气候条件的影响,实现了周年生产、均衡上市。 

  设施农业智能化是设施农业发展水平的标志,是设施农业发展的方向。智能化程度越高,设施农业和农业科技发展水平越高。从初级自动化控制向高级智能化转变,从非标准化设施向标准化产品过渡,控制系统从自动化向智能化转变是设施农业发展趋势,突出体现在现代化温室和植物工厂等方面。 

  1.现代化温室 

  现代化温室是荷兰、英国、法国、德国、日本等国家设施农业智能化的主要表现形式。这种温室可以自动控制室内的温度、湿度、灌溉、通风、CO2浓度和光照,每平方米温室一季可产番茄30~50kg,黄瓜40kg,或产月季花180枝左右,相当于露地栽培产量l0倍以上。当前,现代化温室发展的主要问题是能源消耗大、成本高,因此其发展趋向重点是研究节能措施,如室内采用保温帘、双层玻璃、多层覆盖和利用太阳能等技术措施。有些国家,如美国、日本、意大利等国开始把温室建在适于喜温作物生长的温暖地区,减少了能源消耗。以色列则研究开发电脑自动调温、调湿、调气、调光的温室,用于鸡、鱼等家禽和水产的饲养。荷兰设施农业智能化重点是畜牧业生产的自动化程度和标准化,奶牛饲养、挤奶、牛奶的罐装、冷藏及圈养时的喂料、喂水、清圈等过程自动控制;美国的畜禽饲养计算机化也已经相当普遍,正向畜禽生产管理自动化发展,例如管理猪生产的计算机系统中存储着分娩死亡、生长、出售、食物比例和管理过程中所需的各种数据和信息,它可以分析、预测猪的销售、交配、产仔母猪所需饲料、猪种退化以及最佳良种替代等。 

    2.植物工厂 

  

  植物工厂是目前智能化水平最高的设施农业是继温室栽培之后发展的一种高度专业化、现代化的设施农业。植物工厂与温室生产不同点在于,完全摆脱大田生产条件下自然条件和气候条件的制约,应用近代先进设备,完全由人工控制环境条件,全年均衡供应农产品。 

  目前,植物工厂在一些发达国家得到了较快发展,初步实现了工厂化生产蔬菜、食用菌和名贵花木等,其设施内部环境因素(如温度、湿度、光照度、CO2浓度等)的调控由过去单因子控制向利用环境、计算机多因子动态控制系统发展、实现了播种、育苗、定植、管理、收获、包装、运输等作业的智能化。美国、荷兰等发达国家,还一直在美国研究利用“植物工厂”种植小麦、水稻以及进行植物组织培养和快繁、脱毒。由于这种植物工厂的作物生产环境不受外界气候等条件影响,蔬菜如生菜种苗移栽2周后,即可收获,全年收获产品20茬以上,蔬菜年产量是露地栽培的数10倍,是温室栽培的l0倍以上。荷兰、美国采用工厂化生产蘑菇,每年可栽培6.5个周期,每周期只需20d,产蘑菇25.27kg/m2。此外,在植物工厂可实现无土栽培,不用农药,能生产无污染的蔬菜等。 

  目前,世界上只有30多个植物工厂,由于设备投资大,耗电多(占生产成本一半以上),如何降低成本和“工厂化”成套技术研究是现在和将来设施农业智能化的发展趋向。 

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