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工厂化农业概念是1994年原国家科委启动工厂化高效农业重大科技产业工程立项工作时首次提出,在此之前,农业专家通常把用人工设施控制环境因素使植物获得最适宜的生长条件,从而延长生产季节,获得最佳产出的农业生产方式称为设施农业,园艺专家称之为设施园艺。由于现阶段的农业设施以温室为主要类型,美国等国家提出了“温室产业”概念,随着工厂化高效农业项目的实施,工厂化农业概念(含义)在我国已被广泛接受,但目前学术界和经济界还没有一个统一的权威的定义。
1.世界工厂化农业的发展历程与基本现状
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——由低水平到高科技含量的发展阶段,最初期的农业设施只是为了春提早和秋延后栽培,还远远谈不上工厂化,现代的植物工厂能在完全密闭、智能化控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温室类型与生产方式 目前大多数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寒冷,冬季不能生产,温室应用并不太多,但研究水平很高。德国的温室主要用于育苗和特种植物的生产。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、玻璃纤维加强聚酯板,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。目前温室用能源基本以燃油为主,少数用天然气。
1.2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,相当于露地生产的8倍。
2. 世界工厂化农业的生产发展趋势
2.1温室向大型化方向发展 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;日本提出发展单栋面积达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1977~1988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、其他观赏植物已成为温室栽培的主要品种。
2.3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发达,农产品的异地销售十分便利,由于能源成本的不断上升,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,温室发展中心转移到南方,北方只保留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,一共只有64公顷。因此,南方地区生产新鲜农产品供应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基本形成,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发展历史,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、肯尼亚则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化生产,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。
2.5温室生产由成本高的地区向成本低的地区转移 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发达的国家,如今已转移到气候条件优越,土地和劳动力等成本低,受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、日本基本全面普及营养液无土栽培技术,日本大面积推广水培和水气耕(无基质),其他国家普遍采用基质栽培(以基质固定根系,营养液循环使用)。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10厘米,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基础。在美国,营养液供给系统是按照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,按照不同比例溶在水中,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控制。有的国家,已有为温室种植者提供营养液服务的专业技术机构。 3.3环境监测控制技术 环境控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管理,实行自动控制。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、CO2浓度、营养液的酸碱度(pH值)、导电率(EC)和温度等环境参数,利用计算机自动进行检测并实施控制。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、CO2浓度、加湿、除湿等作业进行综合控制。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控制,以期获得最好的经济效益。
3.4 CO2施肥技术 由于温室生产的封闭性,CO2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CO2施肥技术。近年来美国温室内已普及增施二氧化碳的技术,增施的浓度达到空气二氧化碳的三倍量,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高20%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平方米面积的授粉效果。平均每头蜂授粉面积为20平方米,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,为降低成本、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 国外由于劳动力成本高,温室内机械化作业技术十分发达。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,穴盘育苗在全国各地普遍应用。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应运而生。移苗机器人能辨别苗的好坏,把不好的苗抛到一边,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、防病管理、收获加工等全部或部分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,中耕管理机、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。 摘自《机电信息》
1.世界工厂化农业的发展历程与基本现状
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——由低水平到高科技含量的发展阶段,最初期的农业设施只是为了春提早和秋延后栽培,还远远谈不上工厂化,现代的植物工厂能在完全密闭、智能化控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温室类型与生产方式 目前大多数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寒冷,冬季不能生产,温室应用并不太多,但研究水平很高。德国的温室主要用于育苗和特种植物的生产。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、玻璃纤维加强聚酯板,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。目前温室用能源基本以燃油为主,少数用天然气。
1.2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,相当于露地生产的8倍。
2. 世界工厂化农业的生产发展趋势
2.1温室向大型化方向发展 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;日本提出发展单栋面积达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1977~1988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、其他观赏植物已成为温室栽培的主要品种。
2.3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发达,农产品的异地销售十分便利,由于能源成本的不断上升,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,温室发展中心转移到南方,北方只保留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,一共只有64公顷。因此,南方地区生产新鲜农产品供应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基本形成,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发展历史,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、肯尼亚则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化生产,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。
2.5温室生产由成本高的地区向成本低的地区转移 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发达的国家,如今已转移到气候条件优越,土地和劳动力等成本低,受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、日本基本全面普及营养液无土栽培技术,日本大面积推广水培和水气耕(无基质),其他国家普遍采用基质栽培(以基质固定根系,营养液循环使用)。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10厘米,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基础。在美国,营养液供给系统是按照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,按照不同比例溶在水中,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控制。有的国家,已有为温室种植者提供营养液服务的专业技术机构。 3.3环境监测控制技术 环境控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管理,实行自动控制。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、CO2浓度、营养液的酸碱度(pH值)、导电率(EC)和温度等环境参数,利用计算机自动进行检测并实施控制。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、CO2浓度、加湿、除湿等作业进行综合控制。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控制,以期获得最好的经济效益。
3.4 CO2施肥技术 由于温室生产的封闭性,CO2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CO2施肥技术。近年来美国温室内已普及增施二氧化碳的技术,增施的浓度达到空气二氧化碳的三倍量,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高20%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平方米面积的授粉效果。平均每头蜂授粉面积为20平方米,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,为降低成本、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 国外由于劳动力成本高,温室内机械化作业技术十分发达。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,穴盘育苗在全国各地普遍应用。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应运而生。移苗机器人能辨别苗的好坏,把不好的苗抛到一边,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、防病管理、收获加工等全部或部分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,中耕管理机、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。 摘自《机电信息》