中国设施农业及其对测控技术的需求

内容。表文尚迷了琏施枉业在我国赶展的基础厦其发展过程。在此基础上．以温室控制寿侧，闻进了垃拖农业生产对测量件感嚣。控制软件和控制执行机构的鲁求。

关键词：设施农业控制传感嚣

Ｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｍｅａｓｕｒｅ—ｃｏｎｌｒｏｌｉｎＣｈｉｎａ’ｓａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｒｏｔｅｃｔｅｄａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｆａｃｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｒｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｒａｐｉｄｌｙｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｉｎＣｈｉｎａ，ａｎｄｔｈｅｙＢｘｅｔｈｅｍａｉｎＣＯＤｔ删ｔＳｍｐｒｅｓｅｎｌａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｃｏｒｄａｔｉｏｎＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｈａｃ虹ｒｏｕｎｄｕｆＣｈｉｎａ。ＯｓａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｉｓｏｕｔｌｉｎｅｄａｎｄＩｈｅｎｃｃｅｓｓａｒｉｔｙｏｆｄｅ～ｅｌｏｐｍｇｆａｃｄｉｔｙａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄＡｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆａｃｉｌｉｔｙａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｉｎＣｈｉｎａｉｓｂＨｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄＦｏｒ“ｈａｎｃｅｄｄｅｒｅｌｏｐｍｅｍｏｆＰａｃｉｌｉＤａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ｍｏｄｅｒｎｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｈｏｕｌｄｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎＨｏｗｔｏｄｅｓｉｇｎａｃｏｎｔｍｔｓｙｓｔｅｍａｎｄｗｈａｔｋｉｎｄｏｌｓｅｎｓｏｌｓａｎｄｃｏｎ”ｏ［ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｎｅｅｄｅｄｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｃｏｍｂｉｎｅｄｗｌｔｈａｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

Ｋ“ｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｔｅｃｔｅｄａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ妇ｃｉＩｉｔｉｅｓｃｏｎｔｒｏ】Ｓｅｎｓｏｒｓ

１中国的农业基础

我国是一个圻史悠九的农业大国，农村人口占垒目＾口的３／４，农业是中国国民经济的基础，没有农业的现代化就没仃整个国民经济的现代化。

担ｒＩ 酗卫是自然资源相对贫乏的酗家，特圳是水ｔ资源人均占有量少而且还在不断减少，农业牛产技术落后，农产品的供需矛盾长期困扰着国民经济的发展。

闩ｌ靖戟吲八均耕地面秘约０．１０ｈＩＴｌｌ，是世界上人均耕地最少的几个国家之一，仅为世界平均水－Ｆ－ｆｌ，Ｏｌ／３强。水资源人均约２３００ｒｎ’，是世界平均值的ｌ／４，居世界第１０９位一同时中国又是一个生，ｍ力水平比较落后的国家．每个劳动力只能负担１．０～Ｉ．３ｈｍ２的耕地。

随蕾巾州人口的不断增长．上述凡均占有耕地手Ｌ｜水资源的数量还将不断减少，更为严峻的是由Ｆ无序的开发和对农业产业投入的相对减少．农业生态和农业生产环境出现严重的退化。据统计，在占国ｔ面机２／３“｝．生态脆弱地区普遍存在着严重的生态破坏，并呈加剧之势。垒国水土流失面积已由建国初期的１５０万Ｒｍ二发展到３６７万ｋｍ二，ｔ地荒漠化面积达到２６２．２万ｋｍ２，并且以每年２４６０ｋｍ一的速废任增加。

农业生产环境的明显恶化，主要表现为农药，化肥施用量过高，水资源用量过大，水、Ｅ、气４４—２００１．１０，．ｆｌ，、，。ｔ，‘

等农、ｌＰ环境质早状况变差．卜壤综合肥／Ｊ状况下降。总体卜．目前牧国化肥施用量已接近或超过某些发述国家的施用水平。１９９９年垒国化吧施刖量已达４１２４．６万吨、单他面积施用达到３１７ｋｇ／ｈｍ２，电已高Ⅲ发达同家为防止化肥对水体造成污染而设置的安垒卜限（２２５ｋｇ／ｈｍ二）。我国农药施用量每年以ＩＯ％左右的速度递增，２０００年达到３０多万吨。目前孜国币同程度遭受农药污染的农田面积已达刮１．４亿南。

农业面临污染不仪成为农业本身，而且成为地表水和地１：水的重要污染源。

存耕地和水资源有限，而且存短期内还难“扭转不断减少的局面下，面对２ｌ世纪中叶中国人口高峰的巨大压力，如何解决好中瑚的农业问题．保证中国的食品安全．是摆在各级政府和垒国人民面前的一道接同美沣的问题。

２设施农业在中国农业中的作用与地位

在争后丰Ｈ当长时问内、我国农业发展将主要面临三六挑战：一是如何满足农产品数量增长和质量改善的迫切需要；二是如何提高农产品的市场竞争力，进一步提高经济效益，三是如何遏制自然资源托竭和啦忠目，境几荔恶ｌｅｆｔ．９趋势。在这三大挑战中，自然资源和生志环境的维持与保护具有基础保障作州．直接影响ｙ－１农产品的质量与农帆生产效益，应受到高度重桃，而发展集约他的高效农、Ｉｋ是收瘦产品结构，提高农－ｆｋ乍产效益和农产品市场竞争力的重要措施，应大力提倡和发展。

设施农业作为集约化高教农业的集 ｛Ｉ体现，已广泛应用到了农业、畜牧业、，ｋ产业乃至林业的不同领域，成为ｒ政变目前大农业产业结构的重要手段之一。

所谓“设施’＆业”．就是在人工摔制环境的条件下，根据农业生产对象的最佳生长要求，以经济的拄凡获得最高生产教益的种生产方式。波施农业生产首先表现为集约化高密度生产，其单位面积的产出要比自然状态下生长要高出几倍乃至几十倍。如北方地区常规露地生产番茄，年产量最多币足ｌＯｌ＜ｇ／ｍ：，而往温享中生产产量“ｒ提高到６０～７０ｋｇ／ｍ２以上，两者相差近１０倍。集约化高密度蚩鸡产蛋量椎只坞年产睛ｕｎ墨刮３００枚以上，而传统农家璧｝鸡产蛋量只有７０～８０枚，同样的饲料消耗，炳音的技益相差在３～４倍。高密度养猪、养龟以旋蔬菜的周年均衡供应都是设施农业生产的结粜。由于集约化的高密度生产－ｆ＜ｆｔ．提高了生产效率，而且还显著节约了生产土地，还提高了土地的利川串，忙耕地十分何限的情况下，设施农业生产必将成为我国未来农业生产的重要组成部分。

设施收业的巢约化生产还表现它是一种技术高度集成的生产方式，其技术集成包括丁栽培技术、病虫害防治卡主术、节水、节日巴技术、机械化技术、新材料和工程技术，“及植物生长因子环境调控技术、产品储运、保鲜技术等技术体系。其每个环节都能按照工厂化生产的方式组织生产经营，因此，它蛀适台干利用高技求．应用高技术来大幅度提高农业科技含量，从而提高农业效益和农产品质量。所以，瞪施农业屉手叮坩高新科技技术集成来提高农业劳动生产率的一种重要手段。

目前，我国人比生ｆ舌水平开始进入小康｝土会，随着人民生活水平的进一步提高，市场需要更加丰富亭彩的高质量的食品。ｌ殳施农业可咀绐市场提供丰富多彩的产品，生产出露地不能生产，或者是生产壕平生产不出来的东西，实现品种的多样化和全年供应。

设施农业除在数量上保证外，还可队提供无毒无害的绿色食品，通过高技术的应用和生防技术锋措施，ｗｌ以有效降低农药的应用．生产无公害绿色食品，既丰富了市场供应，又确保了食品的安全健康，为戎闰产业化的发展开拓了新路子。

－【殳施农业迁屉环保型，。业。节约了土地，可以使都市周围的绿化面积加大；减少了化肥和农药向十一壤的施Ａ量，保护了水质，减小ｒ土地的盐碱化。

目前，教国农业的发展已经进入了一十新的阶段，农产品供求格局发生了根本性的变化，传统的自给自足型农业正在向现代化商品农业转变。但是在经历了较高速度的数量型增长后，我国主要２００１．１０■４５

农产品出现ｒ地区性和结构性过剩。但进～步的分析发现，目前的农产品过剩主要是由于生产结构趋同和精裸加Ｔ＝，水足而引发的结构性过剩，是传统消费方式下基本生／ＮｉＮ费品的初级过剩，而相当部分的优质农产品生产能力相对不足，市场供应反而出现了短缺。

面对新的形势，迫切需要调整农业结构，尤其是调整好农产品的质量结构、效益结构和资源环境结构，建立与农业新阶段相适应的农业产业结构体系，特别是加入ＷＴＯ后．我国农产品将面临严峻的国际市场挑战，能否实现农业生产的质量和效益升级．事关我国食品安全和食品质量安全，在这种背景下．加速发展设施农业，对于促进农业产业化经营，实现农业增效、农民增收，保证农业的可持续发展．具有十分重大的现，实意义和深远的历史意义。

近年来，集约化高效农业的发展受到垒国各界的普遍关注，除农业生产部门外，很多工业．建筑、化工、军工等企业都纷纷桂身农业行业，并且将没施农业作为农业生产的主要手段，采用高投人、高产出，高效益的工ＶＩ＂Ｌ农业生产方式，为中国农业的产业化发展注人ｒ新的活力。

３设施农业技术在中国的发展

我圈设施农业的发展起步千２０世纪六十年代。随着农用塑料工业的发展。地膜覆盖技术首先在我国推广应用，随后．Ｐｖｃ和ＰＥ大棚膜的出现，１９６２年我国第一栋塑料大棚在长春建起，拉开了我国设施农业发展的序幕。进人七十年代，尤其是改革开放以后，我国开始丁大规模集约化种植和

ｃ养殖技术和设施的学习和引进。北

：京红星机械化养鸡厂、四季青连栋

。玻璃钢温室等都是这个时期最早目１

向秕＾营啊－

ｏ进的产物。这期间比较成功的设施

”农业工程技术是塑料大棚。八十年

代初我国先后建立了２２家温室大

；ｏｌ”１卜一一＿｝棚生产厂，塑料大棚面积从北方向１９７９３川Ｂ｝ｑｗ４驯Ｂ８’％州 ｏＩ９２川ｄ＊‰二？∞５南方辐射，在短短的不到１０年的时

融１我国引进温室统计间内，垒国塑料大棚面积发展到了

５万多圭｝顷，为我国“菜篮子工程”作出了巨大的贾献。

但塑料大棚在我国北方地区推广主要是解决春提早和秋延后的问题，它不能彻底解决北方蔬菜冬季生产的问题，因此，塑料大棚在北方的进一步推广受到很大的限制。为彻底解决北方地区蔬菜冬季生产的问题，从２０世纪八十年代开始科研和教学单位就在探索加温温室，在此期间，国内也先后从发过国哀引进了２０多公顷现代化大型连栋温室。由于对现代化温室的认识和准备不足，引进的温室主要是温事主体硬件，对温室的生产管理技术和生产品种等软件几乎没有任何引进，导致我国引进温室几乎１００％运行失败，到２０世纪八十年代末直到九十年代初大型连栋温室在我国的发展进＾了低潮。

就在加温温室进入发展低潮，塑料大棚叉不能彻底解决北方冬季蔬菜生产的时候，具有我国特色的日光温室异军突起。由于它没有二次能源消耗，运行成本低，并且可就地取材，温室的建造费ｊＨ较低．很容易被广大的农民接受，所以日光温室很快在北纬３０。以北的“三北”地匡得到大面积推广Ｊ每用。正是由于这种温室的推广使用，使长期以来困扰北方地区冬季新鲜蔬菜供应的问题得到厂解７凫。目前，北方地区．乃至长江流域冬季的蔬菜供应还仍然主要依靠日光温室生产。

日光温室虽然具有建造成本低、运行费用小的特点，但它也有致命的弱点：操作空间小、环境调控能力差、占地面积大、生产的安垒性差（主要是应对恶劣气候的能力差）．所以，随着农业结构的不断调整．定单农业的日益发展和高品质蔬菜产品以及花卉和水果等生产品种的生产要求进一步４６■２００１．１０，－飞．。，．，．，。．

加大，日，匕温室的这些缺陷就表现得更为瓮出。

在我闰对外开放进一步深人，农产品结构进一

步向着世界经济靠拢的夸天．靠Ｆ＿【光温室生产

产品使中吲的农业产业与世界经济接轨显然存

在很大的差距。

２０世纪九ｒ年代后期，随着北京中以示范

农场的建立，又～次吹起了发展大型连栋温宅舯∞¨三ｌ∞帅∞蛐Ⅻ

的东风，这个时期国外发选温室技术发展进

步成熟，Ｕ色列连栋温室的目Ｉ进，仿佛又掀起了９８０１９８５１９９０ｌ９９５２０００２００５２０１０我”Ｊ对现代化农业生产的渴求，继而垒国各地墨２我国设施固艺面积发震

掀起了引进现代化温室的第二次浪潮，在短短的不到５年的时间内，垒国引进温室面积总计达到近２００公顷ｆ如压Ｉｌｊ，在配套引进温室硬件的同时，特别强调和注意了温室品种和管理技术的引进，有大量国外温宇生产管理者来到中国，为我国现代化温室的生产管理和运营带来了新的理念，促进了我国温宅管理水平的提高。国家科技部也不失时机地在“九五”期间将“工厂化农业”列八了科技产业化的行列．组织科研和生产单位进行技术消化和组装．取捍了丰硕的成果，发展和建立了一大批温室牛产企业和温室相关企业，为我国温室业的发展奠定了坚实的基础。

近２０年来，我国的ｉ殳施园艺面积已达到１３９．５万公顷，是２０世纪八十年代初期的１９３倍，居世界第，如【芏Ｉ２。每年人均消费蔬菜量的２０％是由设施栽培提供的，据不完垒统计，仅山东省农业纯收八的３２．６％是来自设施蔬菜生产。温室工程为解决城乡居民的菜篮子和农民增收发挥了重要作用。随着辘目农业由传统农业向现代化农业的转变；农产品由数量型向质量、效益型的转变，大型的现代化装备也往¨、断地进入设施园艺领域，近１０年来，据不完全统计，我国的大型温室面积已选刮５８８公顷，ｌ０００ｍ二以Ｌ的连栋温室垒国３２个省、市、自治区无一空白，并已从蔬菜生产扩展到ｒ化冉、瓜果以厦畜禽、水产养殖，林术育苗、中药材等的种植和养殖。近年来，大型连栋温室“每年超过１００公顷的速度增长，由此，温室生产和经营企业以及相关的产业均得到丁快速发展。目前，国内从事温室生产的企业已由２０世纪８０年代初的７～８家发展到了３００余家。来自荷兰、法国、以色列、美幽、两班牙、韩国、日奉，加拿大等国及台湾地区的大型现代化温室，现已达到２００泉公顷。我国的岐施园艺碰米了又‘个辉煌的春天。

４设施农业对高科技技术的需求

ｌ蹙施农业工程要求凡为控制环境能够满足动植物生长发育的最佳条件，这也是设施农业区别于传统农、眦生产的根本所在。农业设施不同于工业设施，它是为有生命活力的动植物生长月硅务的，仅没施生产的蔬菜品种就逃３００多种ｔ同时，我国幅员辽阔，横跨９个气候带和６个气候区，设施农业工程就是要创造适Ｊ、｛这些动植物生长的环境，其控制的对象具有很高的分散性和极其的复杂性，我们不能依靠一套设施、一种控制模型去满足所有各种动植物的生产。另一方面，设施农业生产的产品又是供应大众消费的大宗产品，其产品的价格不可能太高，也就是设施农业生产必须严格控制建设拄资和运行成本，这是农业生产最基本的要求，也是工程和科技人员长期孜孜以求的目标。

设施农、Ｉｋ是～个半封闭的能量和物质交流传输体系。以温室生产蔬菜／花卉为例，温室接收室外太阳辐射，为作物提供廉价的光合作用能量源泉，同时还要经常性地与室外进行空气交换，阻补充室内Ｃ０２的小足，排除室内多余热量和水汽等，这是温室开放性的一面。另一方面，以温室围护结构为迫界，叉形成了～个相对外界独立的封闭体系，这个封闭体系能的各种环境参数将严格地与室外环境条件有明显的差异。设施农业生产就是要经常性地调节和适应这种时刻变化着的内外环境

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锵１率萝Ｉ条什，为室内生长作物存最大限度利用外界环境条件的前提下能够以最经济的控制和调节手段创口造一种始终能发挥生物效能的环

境。

Ｐｒｉｌｔ’¨

圃口环境控制技术是ｉ殳施农业工

啦ｌ～务缸程的核心。图３是 十麒型温室的

坷、垃荔｛让了Ｉ控制系统模型。一个小型的室外气象站（包括室外温度、宅外相对

湿度、室外光照强座、风速、风向

和降雨）是获得室外环境参数的由白穗商妊—ＬＥｙ

一５’仁ｎ１一Ｕ｝『ｉ物仁ＩＬ壤参≤ｒ｝井，瘦‘ｎ主要信息来源；室内传感信息包括室内环境参数（室内温度、室内相对湿度、Ｃ０、浓度、加温水水温、流量等）、植物信息（叶面温度、叶面湿度、光合作用强度、燕腾强度、呼吸作用强度、气孔大小等）、土壤参数（土壤温度．土壤含水

量、土壤水势、土壤通气性等Ｊ和

营养液参数｛包括供液温度，ｐＨ南南而南器：衡籽繁ｍ蜘国３温室计算机控制系统

值、ＥＣ值以瞳各种离于戍份等）。这些信包通过数据转换和数据传输后汇总到中央处理器｛ＰＣ机或Ｆ他机）．通过预设的专家系统进行逻辑分析和推理，将各种执行机构的动作信息再次通过下位机传输到执行机构，操作温字各个执行饥构的运作，来调节温室所需要的合理环境参数。

舟这套控制系统中．传感器是感受各种信息的神经元，其精度和可靠性直接影响到后序控制系统运行的质量。相比工业控制．农一世生产系统虽然控制精度要求不高，但各种传感器所处的环境条什般都比较恶劣，而且一般要求传感器的价位爱低廉．造就为传感器的选择和使用提出丁较高的要求。

孥家系统是每个控制系统的基础。长期以来农业生产系统由于一直沿用粗放耕作，再加上农业生产的种类繁多，再种数量ｆ￡的参数难以在短期内形成，而且农业生产数量化研究的周期长，经费投入』（，囤内埘设施农业生产专家系统的研究和开发太都还停留在初级阶段，需要在未来的研究中凡磕投八人力和资金，以期存不远的将来能研究出具有自主知识产权的设施农业生产技术专家决策系统。

温宇控制系统的执行机构从大类上分主要有开关控制（如水泵、风机、灯光、ＣＯ：施肥等）和止＿！＿乏转控制（如开窗电机、拉幕电机、卷膜电机、喷漓车的往复运动等）。从控制方法上讲主要有定时控制（如＾工朴光、灌溉、间歇充气等）、比例控制（如天窗控制．热水加温控制等），夸年来随着々家系统的逐步开发，模糊控制理论也逐渐引进到了温宅的自动控制中。随着计算机控制技术的小断发展，ｉ殳施农业智能化生产将不冉是适远的将来。■４８—２００１．１０