恒达代理平台_中国农业机械化科技发展报告2015-2016年(八)

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八、设施园艺工程

(一)专业组工作开展情况

1.学术交流活动

2015年8月17-18日,由农业部农机化司主办,本专家组组长毛罕平教授负责承办的全国农机化科技创新研讨会在江苏镇江隆重举行。全国农机化科技创新战略咨询专家组组长、中国工程院院士罗锡文主持会议,江苏大学校长袁寿其研究员致欢迎辞。农机部农机化司副司长胡乐鸣、调研员王国占,中国工程院院士陈学庚,农业部规划设计院院长朱明,以及其他来自全国有关高校、科研院所和行业骨干企业的领导和专家34人出席会议。此次会议的主要任务是研讨“十三五”国家农机化发展规划和重点科研任务,为国家农机化发展指明方向。经过研讨,与会专家形成广泛共识:国家将农业机械装备列入“中国制造2025”十大领域之一,农机发展将迎来最好时机,要围绕农业部提出的“一控二减三基本”这一要求考虑未来五年农机化发展,切实解决增收和增效环节的机械化问题,加速推动全程机械化进程。农业部农机化司副司长胡乐鸣发表重要讲话,他首先对战略咨询组专家长期对农业部工作的支持表示感谢,同时介绍了农机化司当前重点推进的工作,希望通过大家的共同努力,适应新型农业经营主体的新需求,为中国开启更高水平的全程机械化、提高农业增收增效做出新贡献。

设施园艺工程专业组于2015年7月7日在北京与2015年设施农业产业联合会联合召开“十三五”设施农业发展重点研讨会。研讨推进设施农业“十三五”发展的思路和重点,提出设施农业的创新方向和行业扶持政策措施。参与省域设施农业发展经验交流会,设施园艺工程专业组专家与各省主管部门和企业人员进行互动,给予技术支持和咨询。

2015年1月23~25日在镇江召开种养智能设施装备技术研讨会,分析了新形势下设施农业发展面临的主要、发展方向,提出未来5年我国设施农业领域的研究重点,设施园艺工程专业组组长毛罕平教授负责起草了江苏种养智能设施装备领域产业创新链“十三五”规划。

2015年1月,周长吉专家参加了上海温室制造业协会年会,做了题为“中国温室行业面临的机遇与挑战”的大会报告;2015年4月,参加在韩国举行的温室设施灾害预防国际会议,做了题为“中国温室设施灾害及预防措施”的大会报告;2015年4月,参加了第四届中国·寿光国际设施园艺高层学术论坛,做了题为“日光温室墙体轻型化理论与实践”的大会报告;同月还参加了河北省蔬菜设施结构与装备优化技术培训班,做了题为:“新型日光温室及其配套技术与装备”的学术报告。

2015年5月,张晓文专家与瑞典欧勃亚园艺实业股份有限公司签订了合作备忘录,双方就温室建设、配套装备、园艺支持等方面开展了合作;2015年6月,与因特能源签订了长期战略合作协议,双方在光伏农业领域方面达成长期合作;2015年9月,与达泽国际实业有限公司签订了长期战略合作框架协议,双方针对当前农业设施落后,农副产品安全无序等问题,将先进的农业设施与先进的农业降解技术有机结合起来,打造高起点,高技术含量、经济适用的农副产品产业链,进行市场推广。

2015年5月,由陈永生专家协助中国蔬菜协会机械化分会、农业部南京农业机械化研究所组织召开了“中国蔬菜产业大会-蔬菜生产机械化创新论坛”,邀请了6位行业专家分别就设施农业物联网技术、无土栽培技术、典型蔬菜机械化解决方案等方面作了大会报告。

2015年7月,毛罕平专家随同中国农业工程学术团队,赴以色列参加了第10届欧洲精准农业学会国际学术会议,围绕精准农业的空间变异与测图、设施农业环境精准调控、土壤和作物传感器、机器人技术等与参会专家开展了广泛研讨。

2015年7月,周长吉专家参加了设施农业联合会,做了题为“中国温室工程的标准化进程”的大会报告;2015年8月,参加了第一届设施农业与新农村发展学术论坛,做了题为“中国温室工程的标准化体系”的大会报告;2015年11月,参加了中国园艺学会设施园艺学术年会,做了题为“世界各国对中国日光温室的研究与实践”的大会报告。

2015年9月,设施园艺工程专业组组长毛罕平教授组织相关专家对“十三五”国家重点研发计划优先启动重点研发任务建议“种植业农业机械化薄弱环节技术装备研发与集成示范”进行了论证,提出了修改建议。

中国温室2015、2016年会分别于2015年11月、2016年11月在河南省郑州市和福建厦门成功召开,毛罕平、周长吉、杨其长等专家围绕南方温室和日光温室结构、环境控制、设施农业发展的问题做大会特邀主题报告。

2016年5月,周长吉专家参加了现代设施农业暨蔬菜标准园发展论坛,做了题为“现代农业园区规划建设的定位思考”的报告。

2016年5月,张晓文专家参加了第18届中国国际花卉园艺展会-“现代温室装备与技术创新论坛”,在论坛上做了题为“荷兰温室蔬菜高产栽培技术简析”的报告。

2016年5月,陈永生专家主持了“中国蔬菜产业大会-蔬菜生产管理与机械化报告会”,会上邀请5位专家分别就山东、江苏设施园艺机械化技术,日本先进蔬菜生产机械、土壤火焰消毒技术等作了大会报告。

2016年6月,张晓文专家与北京汇源农业股份有限公司在产品、技术研发与升级及市场渠道整合方面达成了战略合作;2016年6月,与荷兰园艺技术服务公司DELPHY B.V.签署了关于加强双方技术与服务合作的谅解备忘录。此备忘录的签署将促进依托单位与DELPHY B.V.在硬件、技术、产品、管理、服务以及互联网等多个领域达成合作,加速京津冀地区温室行业生态链系统的建设,推进中国温室项目在整个行业生态链系统的健康可持续发展,创造可盈利可复制的设施农业发展模式。

2016年7月,周长吉专家、张晓文专家参加了第二届设施农业协会年会,分别做了题为“日光温室高效生产技术模式”、“新型半封闭温室研究应用及新型覆盖材料的试验研究”的学术报告。

2016年7月,张晓文专家与荷兰GREENAGRO签订合作协议,合作温室面积不低于一公顷的中国国内及国外玻璃温室项目;2016年8月,与河北省承德市副市长在通州技术创新研发平台就发展现代农业,提高农业的品质、品味等进行了交流,希望加强京津冀地区企业的交流沟通,实现协同、跨越式发展。

2016年10月,陈永生专家主持了“中国国际农机展览会-中国蔬菜生产机械化论坛”,论坛邀请6位专家分别就蔬菜产业发展对机械化的需求、全国以及北京、江苏蔬菜机械化的发展概况、典型农机制造和流通企业推进蔬菜化的案例等作了报告。

2016年10月,张晓文专家参加了“2016北京国际农业农产品展览会”,展出了种养一体化新模式的循环农业思路,促进了产业升级发展。

2016年11月,周长吉专家参加了中国园艺学会设施园艺分会年会,做了题为:“日光温室屋脊通风技术与装备的创新发展”的报告;同月还参加了在广西百色举行的东盟博览会论坛,做了题为:“如何做好现代高科技农业示范园的落地规划”的大会报告。

2016年12月,张晓文专家与泰国工业部代表团在通州区温室示范基地进行了交流,加强了中泰两国在现代农业领域的交流合作。

2016年12月,张晓文专家组织召开了“北京市植物工厂工程技术研究中心第五次技术委员会议暨设施园艺高端技术论坛”,邀请了全国数十名知名专家进行了学术讲座及指导,围绕“植物工厂产业化、绿色智慧农业”等议题展开了深入的探讨,为植物工厂下一步的发展提供了良好的建议。周长吉专家做了题为:“国内外温室工程标准化现状与发展”的报告。

毛罕平专家发起并组织全国大学生智能农业装备创新大赛,由中国农业机械学会、中国农业工程学会、教育部农业工程类专业教学指导委员会、江苏省现代农业装备与技术协同创新中心共同主办。毛罕平专家承办了2015和2016年二届大赛。内容包括智能农机、智能设施农业装备、果园自动对靶施药机器人等。大赛模式新:以协同体企业和行业需求为切入点,设置开放式题目、命题式题目和企业出题三大类创新作品,邀请行业骨干企业观摩竞赛,学生科技成果和企业需求的对接,企业现场发现人才、签约。将创新竞赛办成了一个集创新创业、成果转移与对接、选人和就业的育人综合平台。毛罕平专家组织大赛59件获奖作品在2016年中国国际农业机械博览会展出(100m2展区,中国农机流通协会免费提供),接受全社会的检阅。通过大赛平台,紧密围绕农机行业智能农业装备创新,先后有40余所高校600余个项目,3000余人参与各种形式的团队协作和创新实践,近40家行业企业为大赛提供了技术需求、成果展示、实践锻炼机会等机会,助推行业技术创新。

2.调研培训

(1)调研情况

针对我国设施农业发展现状,农业部设施园艺工程科技创新专家组(以下简称专家组)到北京、上海、江苏、浙江、山东、辽宁、四川等地开展了调研工作,重点围绕设施蔬菜生产机械化、设施园艺数字化等方面对典型区域进行了深入的调研。通过实地调研、座谈等形式,专家组了解了设施园艺中机械化和智能化的应用现状,掌握了一线种植生产企业对设施园艺各环节的精准控制需求。

专家组重点考察了浙江、江苏两省的设施园艺数字农业发展现状。专家组现场考察了嘉兴市秀洲区、嘉兴市平湖市、湖州市、苏州市吴江区、南通市5个国家现代农业示范区的13个现代农业生产企业。

2015年11月,毛罕平专家赴江苏省溧阳市进行调研,参观了火龙果与紫薇设施种植基地、蝴蝶兰设施种植基地、欣龙生态农业基地、日日春和白露山生态农业公司等,并与农企负责人就特色水果设施种植的农艺要求、水肥和温湿度控制等进行了详细交流。

2016年7月,毛罕平专家赴溧阳市社渚镇、天目湖镇和溧城镇进行考察调研,针对企业生产与观赏为一体的温室规划和高档兰花智能设施生产中存在的问题,提出了异形温室设计与温室花卉环境调控等解决方案。

2015-2016年间,周长吉专家应农业部科教司的委派,参加了苹果产业体系在延安和洛川建设的苹果公园和苹果种植资源圃建设项目的调研,并形成了《中国延安苹果资源圃建设方案框架》,得到部领导的批示;应农业部计划司的委派,在崔军副院长的带领下实地考察了吉林东北生态发展有限公司开发的彩虹牌“GRS-高效节能日光温室”,并主笔起草了《对吉林东北生态农业发展有限公司“彩虹温室”的调查与评价》,上报农业部计划司,并提交到部长办公室;应UNDP的邀请,赴伊朗就中国日光温室技术在伊朗的传播进行了考察。

白义奎专家充分调研了日光温室的配套装备,包括环境调控设备、育苗设备、栽培管理设备及产品采后处理所需要的设备。其中环境调控设备包括通风降温设备、加温设备、补光设备、空气湿度调节设备和二氧化碳设备。育苗设备包括基质搅拌机、基质装盘机、播种机、基质覆土机、催芽室、苗床、喷水车、传输机和自动嫁接机等。栽培管理设备包括微耕机、地膜覆盖机、移栽机、喷雾打药器。产品采后处理的设备包括园艺采摘设备、保鲜杀菌机、清洗机、打包机、温室运输车、蔬菜速冻机。

(2)培训情况

杨其长专家2016年度组织“发展中国家资源高效利用型植物工厂技术培训班”、“国内植物工厂技术培训班”、“设施栽培补光技术研讨会”等活动,累计培训来自巴基斯坦、伊朗、朝鲜、蒙古、尼日利亚、坦桑尼亚、泰国等7个国家的学员及国内技术人员450余人次。

2016年5月,周长吉专家组织了全国设施农业技术培训班,做了题为“塑料大棚技术标准解析”的报告;同月还参加了现代灌溉技术国际培训班,做了题为“中国温室设施的现状与发展”的学术讲座。

2016年6月和12月,周长吉专家参加全国农业机械化协会设施园艺分会分别在广州和北京两地组织的温室标准培训班以及在北京举行的全国设施农业技术培训班,并在培训班上进行了塑料大棚及其系列标准规范的宣讲和解读。

2016年11月,江苏大学组织了江苏省仪征市现代农业发展专题培训班,采用授课讲座和现场参观的相结合的方式,集中三天时间集中培训,仪征市规模经济茶果生产加工企业、合作社、家庭农场负责人、仪征市农委分管主任及相关科室站所负责人共47人参加本次培训,学员们在课堂上认真听讲,并与老师交流互动,深感受益匪浅。

2015-2016年间,张晓文专家采用线上线下相结合的方式共开展专业知识培训6场,其中与荷兰Green.Q公司和以色列AGAM公司开展了“荷兰设施园艺技术培训”和“以色列设施技术”合作,并分别派出人员至荷兰、以色列参加园艺技术培训会,并邀请以色列技术人员来华进行技术指导。

2015-2016年间,陈永生专家在石家庄、济南、成都、南京等地组织蔬菜生产机械化现场会5次,指导北京、杭州、广州、武汉等地蔬菜生产机械化示范推广活动8次,还赴山东、广东、浙江、四川等地,以菜生产农机农艺融合为主题,为各类培训班授课18场次,其中全国性培训班5场次,培训各类人员2000人次以上。

周长吉专家作为全国农业机械化协会设施园艺分会专家组组长,组织专家审查了8项协会申报的团体标准,提出5项立项建议,此外,对今后协会团体标准的体系建设、指南发布、标准编写等向分会秘书处提出了建议。

(3)取得成效

①召开了2次年度工作会议,确定了专业组工作重点和年度工作计划,征集了“十三五”重点项目建议,明确了今后几年的工作重点。

②开展了丰富多彩的学术交流活动,促进了行业的学术交流。组织举办学术交流会和研讨会10次,在各种学术会议上做学术报告20多次;通过参加国际国内学术会议及与同行的深入交流,充分了解了国际国内设施园艺的发展方向及先进科研技术手段,对于促进我国设施园艺发展具有重要的意义。

③组织现场会5次;培训8个国家的学员及国内人员3000人次以上。通过技术咨询与培训,促进了设施园艺工程技术的推广和普及,保障了专业人才业务能力的不断提升与完善,同时了解了企业生产中存在的实际困难,并提出了有效的解决方案。

④通过调研,更加清晰了我国不同地区设施园艺工程的结构、主要环节机械与装备、环控技术与装备等的现状和技术水平。

⑤设施园艺工程专业组专家通过研讨,提出“十三五”重点项目四大方面的建议:设施园艺全程轻简化生产技术与装备,温室集群网络化智慧管控技术与装备,典型区域设施结构、模式与装备研究,全封闭智能型植物工厂技术及装备等。

⑥设施园艺工程专业组组长毛罕平教授负责起草了江苏种养智能设施装备领域产业创新链“十三五”规划。围绕信息获取、结构与模式、环境调控、机械化自动化和清洁化生产四大环节,从国内的地位及主要优势与特色、科技支撑条件,前景预测、当前存在的问题、“十三五”期间发展思路和需要解决的科技问题等方面分析了产业发展现状和产业发展,提出了科技需求、平台需求、项目需求、“十三五”重点任务等的创新链规划。

⑦本专家组通过广泛调研,对江苏、上海、浙江、山东等重点省份的调研, 了解和掌握我国设施园艺轻简化装备水平基本情况,为我国设施园艺工程领域科技发展战略的顶层设计,行政管理部门制定政策法规、重大决策提供依据;针对水肥一体化、种收机械、物流系统等制约设施生产的关键装备,提出了若干亟待攻克的共性关键技术,明晰设施园艺轻简化作业的技术需求。对全面提升我国设施农业装备水平,大幅提高设施产业的经济效益和社会效益,推动设施农业快速高效和可持续发展具有指导意义。

(二)专业领域科技发展情况

1.专业领域科技发展动态

我国设施园艺经过30多年的发展,已形成了不同地域特色的设施类型。设施园艺生产按照优质、高产、高效、生态、安全的要求,发展迅速,现在已成为世界上设施面积最大的国家。

(1)设施园艺生产智能化与信息化技术进展显著

环境控制技术是现代设施园艺研究的重要内容,我国已开发了一系列的设施园艺环境控制系统,基于云技术、无线传感器的物联网技术研究也取得显著进展。从专家组重点考察的浙江、江苏两省的设施园艺数字农业发展现状来看,总体来说,江浙两省在设施园艺数字农业应用方面走在全国的前列,在少部分高附加值园艺产品生产企业及政府扶持的蔬菜生产企业内,已经构建了包含环境参数检测、环境设备调控、水肥自动化控制、产品追溯等一整套完备的数字农业生产系统,并且在节约劳动力、提高水肥利用效率方面取得了显著效果。但是,从整体产业发展来看,受部分技术环节产品性能不稳定、初始投入大、基础设施不匹配等因素的影响,数字农业在设施园艺上的应用仍属于起步和探索阶段。

①设施环境调控

设施园艺是一种摆脱自然气候的制约,为作物提供最适宜生长环境的现代农业生产方式,温室内环境参数的波动对作物生长影响很大,调研发现绝大部分的园艺生产企业从便于指导生产的角度出发,在园区内的温室设施中选择性的布置了若干环境参数的采集装置,基本上涵盖了空气温湿度、光照强度、土壤水分、二氧化碳浓度等指标。并且近一半的企业已经做到将采集的环境参数通过无线或有线的方式传输到中央控制室或手机APP上显示。

在温室环境调控装备配置上来说,大部分连栋塑料大棚都装配了室外遮阳、风机湿帘、手动卷膜通风等基本的环控装备,小部分连栋塑料大棚和单栋塑料大棚配置了电动卷膜通风设备。从节约劳动力的角度出发,绝大部分种植企业都有将手动卷膜通风更换为自动卷膜通风设备的意愿。对作物增产效果具有明显作用的二氧化碳施肥、补光等设备,基本没有配置。目前仅少部分企业实现了根据采集的环境参数自动决策启闭环境调控装备的功能,主要是根据室内的温湿度情况,通过上下限阈值的设定,来判断温室电动卷膜通风设备、风机湿帘的启闭,在采集-决策-控制-反馈方面,还处于较为低级的水平。

在视频监控方面,由于具有便于监督工人生产情况、防盗、更直观的向采购商推介产品的优点,几乎所有的种植企业都装配了温室内视频监控系统,少部分企业装配了360°云台高清摄像头,从而为下一步远程诊断等专家系统的应用奠定基础。

②集约化育苗

调研的蔬菜育苗温室大多不是以对外供应商品化种苗为目的,主要是企业生产自用为主,育苗规模不大,以果菜为例,约年生产30-60万株种苗。因此,育苗自动化生产设备运用较少,仅部分企业购买了半自动气吸式播种机,据反映使用效果很好。但在基质破碎、搅拌、嫁接等环节仍然以人工操作为主,基本上没有看到催芽和愈合设施。种苗生产过程中以人工灌溉为主,少部分企业配置了自走式喷淋机,灌溉均匀性较好的潮汐式灌溉。

③采后商品化处理

生产企业收获的园艺产品大多是以给大型批发市场或中央大厨房采购商的形式进行销售,对产品的采后处理要求较为简单,绝大部分企业采用人工分拣、人工装箱的方式交由采购商拉走,缺乏自动化清洗、包装等设施设备。在调研过程中,仅发现一家以配送为主的生产企业,配置了冷库、农残检测实验室、GPS冷链运输车等产后商品化处理措施。

④产品质量安全监控

为了增加消费者对园艺产品的食品安全信息,部分生产企业配置了农产品的质量追溯系统,通过扫描二维码可以获得水肥药等投入品施用频次、农残检测结果等农产品生产过程信息,从而有利于质量安全的把控。

⑤日光温室信息化技术

辽宁研制开发的日光温室工厂化育苗技术、主要果菜抗逆境管理技术、温室综合环境控制技术、无害化植保技术、水肥一体化精确控制技术等生产技术体系,实现了在北方高寒地区不加温全季节生产果菜并获得大面积高产的成果,仅用荷兰温室1/15的能耗,实现了他们30%的产量。

存在的不足是:相关的研究开发工作薄弱,大专院校和科研机构有针对性的技术攻关较少,科技管理部门也没有这方面的科技立项支持。少数小型企业开展的研制工作不系统、技术水平不高。因此导致日光温室自动化程度低,控制精度低,劳动强度大。对设施栽培主要作物对环境的综合需求了解不深入,栽培管理技术规程中对温度、光照、气体、水分、营养等条件的给定单一、模糊,缺乏科学严谨的综合环境控制目标和控制方案。全程质量追溯体系、物联网技术应用等方面需要持续、系统、深入地开展研究,以提高辽宁省设施农业整理管理水平。

(2)设施蔬菜生产机械化装备水平逐渐提高

进入“十三五”以来,来自蔬菜产业界对机械化生产的呼声越来越高。近二、三年来,上海、江苏、北京、山东、四川、浙江、湖北等地加大对蔬菜生产新机具引进、创新、试验、示范、推广的力度,创新工作机制,促进蔬菜生产农机和农艺融合,在推动区域性蔬菜生产机械化进程中取得了可喜成绩。

①北京市

为了进一步提高蔬菜生产机械化作业水平,在北京市农委、市农业局领导的关心和支持下,北京市农业机械试验鉴定推广站在充分调研的基础上,按照蔬菜生产全程机械化技术方案设计理念,强化农机与农艺、农机与信息化融合,重点解决蔬菜生产耕整地、移栽关键环节机械化作业技术,围绕塑料大棚蔬菜生产提出两端结构改造设计方案,引进开发、筛选配套农机装备,实现了旋耕、起垄、铺管、覆膜、移栽关键环节机械化作业,作业效率提高了75%;围绕日光温室蔬菜生产,联合企业开发了农机作业3D平台,实现了叶类蔬菜生产耕整地、起垄做畦、播种、灌溉施肥、植保环节半自动化、机械化作业以及收获省力化作业。目前,在延庆开展露地甘蓝生产耕、种(定植)、收、管全程机械化试验示范;在平谷开展日光温室农机作业3D平台的技术性能试验;在全市示范推广塑料大棚蔬菜生产关键环节机械化技术。

北京都市型现代农业的发展,以“打造高精尖,引领京津冀”为目标,明确提出了“十三五”末蔬菜面积稳定在70万亩,实现农作物耕、种、收机械化作业水平90%,必须提高蔬菜生产机械化水平。在加强土地流转,强化园区建设的基础上,加大引进、筛选、开发适用的蔬菜生产新机具,广泛试验示范推广大棚、温室蔬菜生产耕整地、起垄作畦、种植(定植)、水肥一体化、植保、收割冷藏等技术装备,全面提升蔬菜生产农机化作业水平,为蔬菜产业提质增效提供有力技术支撑。

②上海市

为了加速绿叶蔬菜生产机械的研究开发进程,上海市支持把“蔬菜生产机械化关键技术与装备的研究”列为科技兴农重点攻关项目。在上海市农委、市农机办领导的关心和支持下,上海市农机鉴定推广站、上海市农业机械研究所和上海市农业科学院等单位在对国外机具的选型考察和充分调研的基础上,结合上海绿叶蔬菜生产的实际,重点解决绿叶蔬菜机械化生产等关键作业机械,在2012年从意大利引进蔬菜作畦机、蔬菜播种机和自走式绿叶菜收割机等绿叶蔬菜生产机械,并进行适应性试验,筛选出适合上海地区绿叶菜生产的机械。目前已在上海沧海桑田生态农业有限公司基地、上海市农科院庄行基地和上海农业机械鉴定推广站试验场等地结合绿叶菜生产,分别对消化吸收再创新的三种蔬菜机具进行技术性能和适应性试验。

“十三五”期间,上海市将建立若干个蔬菜机械化生产基地,推进适合管棚生产的中小型机械,提高蔬菜生产机械化水平达60%。加大新机具新技术推广力度,在规模化标准化示范园艺场推广机械化耕整地、起垄作畦、机械种植、水肥一体化、收割冷藏等技术装备。加快蔬菜机械化成果转化,研究和推广适合机械化的蔬菜新品种和新技术,加强产业技术体系支撑,示范应用各项科技成果。

③江苏省

2013年,江苏省政府制定《全省实施农业现代化工程十项行动计划》,其中的“绿色蔬菜基地建设行动计划”要求到2017年全省建设提升150万亩永久性蔬菜基地,蔬菜播种面积稳定在2200万亩以上。有关部门在省科技支撑计划、农业科技自主创新资金、农业(农机)“三新”工程等项目中加大对设施蔬菜生产机械化技术创新、试验、示范、推广的力度,特别是2012年以来,省农机局以重大集成项目“设施蔬菜生产关键环节机械化技术集成应用”加快推进设施蔬菜生产机械化,目前已在全省18个县35个设施蔬菜基地集成应用机械化技术,蔬菜品种涵盖青菜、生菜、韭菜、包菜、秧草、甘蓝、番茄、辣椒、芋头等蔬菜,应用了撒肥、耕翻、整地、播种、移栽、植保、收获等环节生产机具,提高了基地机械化生产水平,并辐射周边园区。目前,依托蔬菜生产基地,按照蔬菜生产各环节农艺要求,选择和优化机具配置,以徐州市沛县“日光温室茄果类机械化生产技术路线”、张家港“韭菜机械化生产技术路线”为代表,已初步探索形成了一批体现农机和农艺融合特点的蔬菜机械化生产模式。

除加强技术支撑外,江苏省还加大蔬菜生产机具购置资金扶持和机具作业社会化服务主体培育力度。全省各级农机部门积极争取财政资金,采取不同的形式对购置蔬菜生产的农业机械进行补贴。省级农机管理部门将蔬菜生产的农业机械纳入全省购机补贴政目录,按照一定金额予以补贴。根据蔬菜生产不同的投资主体形成了不同的生产组织形式,农机部门积极培育农业专业化服务组织,引导农机社会化服务体系发展,探索专业农机服务组建设规范、机具配置、运行管理等,提高蔬菜生产机械利用率,提升农机服务组织化水平。目前已建成三种服务模式:以常熟碧溪镇为代表的自我服务;以常熟董浜镇和惠山区为代表的社会化服务;以张家港牛桥镇为代表的自我服务和提供社会化服务。

由于采购信息不对称等问题,仅少部分企业购置了自动移栽机、土壤旋耕、深松、起垄、覆膜等小型生产作业装备,但运行效果良好,大部分企业都表示下一步将考虑购置相关省力化生产作业装备。

④山东省

山东省是蔬菜大省,近年来,全省蔬菜面积一直保持稳定增长,2014年全省蔬菜(含西甜瓜)种植面积为3126万亩,约占全国的1/10,其中设施蔬菜播种面积达到1360万亩,占全国的1/4;总产1.1亿吨,约占全国的1/7;产值2061亿元,约占全省农业总产值的43%;出口353.8万吨,创汇32.69亿美元,约占全国的1/3,蔬菜已经成为山东省的支柱产业之一。

自2000年以来,山东省农机局一直把以蔬菜生产为主的设施农业列为全省农机化创新示范工程的重点项目,在蔬菜主产区示范推广温室生产机械与设备。2010年8月18日,山东省人民政府印发了《山东省人民政府关于实施蔬菜等五大产业振兴规划的指导意见》,指出蔬菜产业要大力发展设施蔬菜,提高栽培水平,加快保护地设施的更新改造和换代升级,推广新型设施和覆盖材料。目前,全省拥有微耕机18万台套,卷帘机64万台套(卷帘面积117万亩),微灌设备17万台套(微灌面积110多万亩),育苗设备7000多套(育苗栽培面积5万多亩),移栽机械1000多台套(作业面积近15万亩),温控设备8000余套(控制面积近10万亩),二氧化碳发生器20万台套(施气肥面积25万亩),烟雾机4万台套。在部分大棚中还试验示范了声频发生器、臭氧发生器、补光灯、加温通风设备、微机控制系统和物联网系统。

(3)蔬菜生产农机和农艺融合得到加强

为推进蔬菜生产农机和农艺融合,在研发系列化精整地、精量直播、全自动移栽机械的同时,围绕规范化种植、标准化育苗等农艺技术也进行了积极探索,制定了一些适应蔬菜机械化生产的规范、规程,初步形成了江苏常熟碧溪露地青花菜、山东惠民鑫诚露地结球生菜、北京延庆露地甘蓝、四川彭州露地胡萝卜等6种典型蔬菜生产机械化解决方案,建立了一批蔬菜生产机械化试验示范基地,在行业内产生了良好的反响。

(4)设施生产水肥一体化逐渐形成

我国农业生产中过量灌溉施肥导致水肥资源浪费、土壤酸化和水体环境污染问题突出,对农业可持续发展和粮食安全生产带来严峻的挑战。目前,全国农业年用水总量约3600亿m3,仅灌区每年缺水就在300亿m3左右,而我国农业灌溉用水利用系数只有0.3-0.4,水分生产率不足1kg/m3,仅为美国、以色列等世界发达国家的1/2左右。我国农业化肥年施用量已超过6000万吨,约占世界总消费量的1/3,单位面积施肥量是世界平均水平的3倍左右;为获得高产而盲目大量施肥,我国肥料的当季利用率平均只有30%左右,低于发达国家20个百分点以上。这种高耗低效的生产方式带来了资源浪费、生态退化和环境污染等系列问题,已经成为制约我国农业可持续发展的瓶颈。因此,农业生产中的节水节肥研究及配套装备的开发一直是一项重要而又紧迫的任务。

水肥一体化是当今世界公认的一项高效节水节肥农业新技术,主要根据土壤特性和作物生长规律,利用灌溉设备同时把水分和养分均匀、准确、定时定量地供应给作物。发达国家农业生产的经验表明,推广水肥一体化技术是实现农业可持续发展的关键。水肥一体化技术也被认为是发展高产、优质、高效、生态、安全现代农业的重大技术,是建设资源节约型、环境友好型现代农业的“一号技术”。多年实践证明,水肥一体化是“控水减肥”的重要途径。然而,我国当前的水肥一体化技术推广仍面临着技术产品不配套、智能化程度低、稳定性差及政策支持不够全面等现实难题。自20世纪60年代,发达国家已大范围推广应用灌溉施肥技术,并借助于控制技术与传感器技术的发展,研发了具有报警功能的MICRO—WASTER系列灌溉控制器以及HYDRA灌溉管理专家系统等一系列产品。目前已经拥有了相当成熟的灌溉施肥产品,例如:荷兰Priva公司生产的NutriFit等系列产品,以色列Eldar-Shany公司开发出的系列产品,通过装备的自动化运行实现了灌溉水和肥料的有效混合,准确调控营养液的pH和EC,从而实现精细化与智能化的灌溉施肥。在灌溉施肥设备研发的基础上,发达国家自20世纪60年代已大范围推广应用水肥一体化技术,如今水肥一体化技术在美国玉米种植中所占比例为25%,马铃薯为60%,果树为32.8%;以色列90%以上农业采用了水肥一体化技术。而我国水肥一体化技术推广应用相对滞后,农业种植中该技术所占比例仅为3%左右。我国现代化设施栽培中采用的先进灌溉设备几乎都引自设施农业发达的欧美国家,系统设备成本较高,控制策略相对单一,不能适应我国的栽培模式多样化、品种多样化、区域多样化、季节多样化的复杂生长特点,在我国推广应用时不能或难以达到预期的智能化程度。

为推进水肥一体化技术的发展,我国近年来相继出台了一系列政策:国务院印发了《国家农业节水纲要(2012-2020)》,提出加强水肥一体化的集成应用;农业部下发《关于推进农田节水工作的意见》,将水肥一体化列为主推技术,要求强化技术集成与示范推广;尤其是2013年和2016年农业部办公厅相继印发了《水肥一体化技术指导意见》和《推进水肥一体化实施方案(2016-2020年)》,对中国水肥一体化的发展做出了战略部署,着力推进水肥一体化技术的本土化、轻型化和产业化。在国家政策导向下,国内众多科研机构与企业也自主开发了一些自动化灌溉与施肥控制系统。例如,国家节水灌溉北京工程技术研究中心开发的田间闸管灌溉系统,中国农业机械化研究院研制的2000型温室自动灌溉施肥系统,以及天津市水利科学研究所研制的FICS-1和FICS-2型滴灌施肥智能化控制系统,这对我国的水肥一体化设备的开发推广发挥了积极的作用。但目前国内应用的众多灌溉施肥装备还缺乏水肥的智能决策及配套系统技术,且基于时间控制策略与作物环境相关性不强,水肥决策的智能水平低,普及性并不乐观。现有的灌溉施肥设备大部分还只是在一些农业科技示范园进行示范应用,离实用化和大面积推广还有距离。

国家农业智能装备工程技术研究中心借助于在农业应用物联网技术研究开发方面优势,同时在国家重点研究计划、北京市科委、北京市农委、北京市农林科学院及大兴农委等项目支持下,累积投入1000万元以上,针对不同栽培作物、栽培模式开发多种型号的水肥一体化装备系统,基于物联网技术构建可适用于设施作物、大田粮食作物和作物的农田水肥综合管理系统,通过实时自动采集农田小气候环境和生物信息关键参数,智能分析和决策水肥施用时间与施用量,继而实现田间作物水肥一体的精准施入。借助于物联网技术搭建的设施集群水肥综合管理系统,可通过中央控制系统实现对20栋以上温室水肥分布式控制与的智能化管理。目前已在北京郊区主要设施园区推广应用百余套,与农民经验管理相比较,水肥一体化智能装备系统在节肥10%-20%、节水15%-25%的前提下,可增产8%-15%,减少用工近20-25个/亩,节约人工成本1600-2000元/亩(80元/人.天),实现灌溉水利用效率提高35%以上,化肥利用效率提高30%以上的效果,具有显著的生态、经济和社会效益。水肥一体化装备技术的开发及应用大力推动了我国设施农业的信息化与智能化发展进度。

(5)低碳节能技术和产品应用于设施园艺

①太阳能薄膜光伏发电系统

薄膜太阳能温室技术是指将半穿透式薄膜太阳能电池和农业温室大棚结合起来,利用薄膜太阳能电池的光电效应将太阳的光能转换成电能,以满足温室大棚中的植物对光、温度的需要。它是现代农业技术、现代发电技术、能源技术、环境工程等高新技术的综合集成产物,能实现太阳能的高效利用,代表未来设施农业的发展方向。

北京市农业机械研究所结合我国国情,通过试验改进和技术提升,重点完成了太阳能光伏发电系统的选型设计、光伏组件铺设与建筑一体化设计和微网系统设计等,推出节能环保、绿色安全、价格适中的薄膜太阳能温室并进行示范应用,提升我国设施农业的整体水平,推动我国设施农业的现代化进程。

②太阳能平板集热系统

平板集热系统工作原理,绝大部分太阳辐射透过盖板被吸热板吸收转化成热能并传向流体通道,流体介质流经流体通道时,介质本身温度迅速上升,热能储存在流体介质内,从流体通道的出口流出,太阳能以热能的形式储存在储热水箱中,转变成了有用能量收益。

北京市农业机械研究所在充分调研的基础上,结合我国国情,设计开发了太阳能平板集热系统,主要完成了太阳能平板集热系统的设计计算及太阳能平板集热系统关键部件优化设计及选型。

③低碳物联网温室

针对目前我国设施生产环境控制、生产效率、能源利用、产品产量等整体水平低,关键技术装备缺乏的现状,北京市农业机械研究所结合我国国情,建设了低碳示范物联网连栋温室。该温室将再生能源、现代农业装备及物联网技术有机融合,是一种低耗能、高效能、生态环保的智慧型温室。

2.主要科研成果

针对中国设施园艺装备落后、设施自动化和智能化程度低、能源短缺、设施专用品种缺乏等问题,开展多学科联合攻关,均取得了一定的成果,主要如下:

(1)园艺作物生产全程机械化关键技术

研发了蔬菜系列化精整地、精量播种、膜上移栽和全自动移栽设备7台套;完成《蔬菜生产机械化技术与模式》、《蔬菜生产机械化范例和机具选型》等2本专著书稿;在江苏、山东等地的6个基地开展蔬菜机械化生产试验示范,示范面积4300多亩。完成了农作物生产从基质处理、育苗播种、穴盘移栽、营养液灌溉、栽培管理、植保管理、收获、分级包装、农资运输等一系列作业环节的自动化装备的设计、样机研制以及示范推广。

①基质蒸汽消毒机

完成了基质蒸汽消毒机的样机研制,并进行了示范推广,该机主要由加热系统,搅拌系统,控制系统3大部分组成。用于无土栽培基质的消毒,采用高温蒸汽方法进行消毒,具有消毒率高、安全无污染等特点。

②精确育苗播种机成套装备

完成了育苗播种成套装备的样机研制,该设备由土壤基质搅拌机、基质填盘机、全自动步进系统输送装置、穴盘基质打孔机、气吸针式播种机、基质覆土机、淋水机、无动力滚动输送架等部分组成。育苗播种成套设备具有多种功能,从基质原料的破碎,不同基质的混合到基质自动填盘、精量播种、覆料淋水,使播种速度大大提高,劳动强度显著降低。

完成了育苗播种成套装备的样机优化设计及测试应用。并委托北京市农业机械试验鉴定推广站对育苗播种生产线的空穴率、重播率及生产率进行了测试,测试结果表明:该机的空穴率为3.2%,重播率为3.4%,生产率为26170 穴/h,该机大大降低了劳动强度,提高了劳动效率。

③移栽机

江苏大学发明了一种凸轮-连杆组合式取苗机构,具有“L”形最短取苗规划路径,可实现取苗爪垂直取苗、直立投苗;并列6个或8个针式取苗爪,实现低速高效取苗;采用机、电、液、气一体化,控制取苗机构、植苗机构、栽植器及穴盘输送机构的协调运动,实现取苗爪、秧箱和栽植器三者的精确定位和配合;基于地面仿形轮感应、高灵敏度弹簧反馈控制液压回路及平面连杆升降机构,创制了一种移栽机地面仿形系统。创制了一种自走式四行蔬菜穴盘苗全自动移栽机。取苗成功率达到92%以上。创制了自走式2行、4行蔬菜穴盘苗全自动移栽机,整机结构紧凑,自动化程度高。

密穴盘移栽到疏穴盘的移栽机:完成了穴盘苗自动移栽机的研发与改造,并在通州植物工厂内进行了示范应用,该穴盘苗自动移栽机主要由穴盘输送装置、移植驱动机构、夹持机构、控制机构等4 部分组成。可实现苗木幼苗由密穴盘移栽到疏穴盘或营养钵中的机械化操作,节省人工,提高劳动效率,填补国内空白。同时进行了穴盘苗移栽机的样机优化设计及测试应用,委托北京市农业机械试验鉴定推广站对穴盘苗移栽机的夹持爪数、移栽频率等进行了测试,测试结果表明:该机的夹持爪数为4个,生产率为1528穴/h,该机可实现苗木幼苗由密穴盘移栽到疏穴盘或营养钵中的机械化操作,节省人工,提高劳动效率。

蔬菜小苗移栽机:进行了蔬菜小苗移栽机的方案设计及主要部件选型;完成了蔬菜小苗移栽机送苗装置、取苗装置、栽苗装置等核心部件的设计,使开发的蔬菜小苗移栽系统能够实现电力驱动定时、自动攫取穴盘秧苗。

进行了侧挂式蔬菜小苗移栽机的样机试制,该移栽机主要由送苗装置、取苗装置、栽苗装置、覆土装置、支撑轮、移箱机构、机架、悬挂装置、传动机构等部分组成,其核心部件是送苗装置、取苗装置、栽苗装置。

④营养液灌溉设备

开发出适应于不同栽培作物(设施作物、大田作物和果园果树等)、栽培模式(土壤栽培、岩棉栽培、椰糠有机栽培及水培等)的水肥一体化装备类型8-10种,

有机栽培水肥一体化装备系统:由有机液肥发酵子系统和有机灌溉液肥管理子系统两部分组成,与微灌灌溉系统结合,应用于有机农业生产的水肥智能管理。有机液肥发酵子系统主要包括发酵罐体、循环系统、供氧系统和多级过滤系统等,用于制备有机液肥;有机灌溉液肥管理子系统包括有机灌溉液浓度控制系统和灌溉管理系统,根据灌溉控制策略实现有机生产的水肥一体化、精细化和自动化管理。

基于物联网的大型园区水肥一体化管控平台:针对大型种植园区的水肥管理,基于物联网技术构建了可适用于设施作物、大田粮食作物和果树等10余种作物的农田水肥综合管理信息服务平台,通过实时自动采集农田小气候环境和生物信息关键参数,智能分析和决策水肥施用时间与施用量,继而实现大型园区规模化栽培作物的水肥一体分布式管控与精准施入。

封闭式基质高产栽培水肥智能管控系统:系统由密闭式岩棉栽培槽、水肥药一体化装备、营养液循环消毒装置、智能水肥控制决策系统构成。升级配套装备有多功能基质栽培槽、支架系统、吊蔓绕蔓系统、热泵环境调控装备、CO2补充装备、臭氧消毒装置、果菜补光装置。将环境调控、水肥管理、通风换气、清洁生产融为一体。根据作物生长发育的需水需肥规律、生长环境条件变化以及基质水分和养分状况进行设计,引入植物生长模型理论,采用先进的计算机、自动控制及物联网技术,可实现营养液的全自动检测、配比、灌溉,通过可控制管道及滴灌系统,均匀、定时、定量地直接供应给植株。并结合营养液的回收、消毒技术,实现营养液的循环利用。实现作物的高产、优质、环保栽培。

提出了能依据温室主要环境和生长信息精确控制灌溉时机、灌溉量和营养配比的作物施肥灌溉技术,开发了6通道、4通道和3通道母液的自动灌溉施肥机,完成了与作物生长信息和环境检测装置、设施园艺物联网应用平台和环境优化控制系统之间的联调,实现了基于作物生长和环境综合信息的水肥精量优化决策和智能管控,系列样机已在江苏农科院基地、广州绿康公司生产基地等地进行了水肥精确调控供应装备的试验示范。

营养液循环再利用装备:营养液循环再利用装备主要包括营养液消毒装备和营养液监测调控系统两个方面。营养液消毒装备采用的是紫外线消毒技术。主要由不锈钢筒体、紫外灯、石英套管、滑动清洗部件、进水口、出水口等组成。采用多段式消毒处理,前段采用慢砂过滤法去除营养液中的组织老化残留物、浮游物,提高营养液的透明度。

营养液监测调控系统的操作控制系统由软件程序来控制水流和各阀的营养配比。整套系统是由软件、硬件、传输设备、传感器、环境控制、灌溉控制及营养控制组成。

混合施肥机:针对传统施肥机采用管道式施肥系统,施肥液体一般在管道内混合,配肥后EC值波动大,不稳定等问题,改进开发了混合型施肥机,该施肥机通过将肥液和清水在混合桶内混合后再向作物进行灌溉或施肥,由于配置了储液罐,且配合精准控制技术,测定的EC值较为稳定,更有利于灌溉使用。

鲜花潮汐灌溉自动生产装备:完成了鲜花栽培传输灌溉一体化系统的样机研制,并在京鹏智慧温室内进行了应用推广,该系统实现了设施内盆栽植物从幼苗到收获整个过程的栽培、灌溉、传输一体化,实现了作物生产全过程的机械化、标准化操作。解决了盆栽植物在工厂化生产时设施利用率低、人工劳动强度大、工作效率低、灌溉不均、作物品质不一致等方面的问题。

智能喷灌机:进行了具有自动转移装置的喷灌机系统的应用示范,该喷灌机悬挂在温室桁架上的双轨道管上,可以在温室各跨之间自动转移,一台喷灌机可以实现对多跨温室的灌溉,以降低投资。采用带有自动转移装置的智能喷灌机系统,单台喷灌机的控制面积可由人工手动转移的1000 ㎡左右提升至6000 ㎡以上,极大地提高了工作效率,降低了用户的劳动强度,实现了温室灌溉的真正意义上的自动化。

进行了自动转移装置跨间定位运行磁脉冲计数升级为射频识别系统的工作。为了解决喷灌机自动识别跨度问题,增加了一个读卡器和三个标签,即射频系统,每一跨度都粘贴了一个标签,标签内写入当前位置跨度,通过触摸屏界面设置参数每一跨喷灌次数,系统自动准确执行计划要求,无论设备起始位置在第几跨都能按要求执行,如果设备在第一跨,第二跨设置喷灌10次,那么设备自动运行到第二跨位置,让后执行10次喷灌后在回到第一跨位置。如果设备在第二跨,那么会直接执行10次喷灌后在回到第一跨位置,如果设备在第三跨,那么设备会忽略第二跨的设置,认为无效。即执行当前跨度和当前以后跨度的喷灌要求。经过数月的实际使用,程序稳定没有错误产生。

基于低温等离子体消毒技术的营养液循环再利用装置:进行了基于低温等离子体消毒技术的营养液循环再利用装置的研发,可实现光源可调式立体栽培装置营养液的循环、消毒及在线监测,提升基地植物工厂内立体栽培装置的智能化、自动化水平;

通过对低温等离子体灭菌原理和装置的调研,制定了低温等离子体消毒技术营养液循环技术方案,建立营养液在线检测系统总体技术方案,实现基地植物工厂多层立体栽培系统营养液消毒、在线检测、循环供给的智能化管理。

⑤无土栽培技术与装备

果菜岩棉栽培装备:完成了几字型栽培槽无土栽培系统的研发及推广应用,几字型栽培槽无土栽培系统由槽体、集液槽、吊钩组成,截面呈“几”字形。几字形栽培槽适合于番茄、黄瓜等茄果类蔬菜的岩棉培,其即可采取地面支撑的形式,又可悬挂使用,与岩棉栽培技术相配合,应用于京鹏智慧温室内,有效的提高了栽培空间的利用率。

叶菜无土栽培装备:闭锁型育苗车间是由采用聚苯乙烯泡沫夹芯彩钢板的绝热壁板围成的空间,此空间可将室内外的物质和热能的交换控制在最小范围内,形成一个高精度环境控制的全封闭的种苗周年生长系统。

该车间内部主要组成部分有:闭锁育苗床架、空调机组、空气搅拌风机、促进光合成的CO2施用装置、营养液循环再利用系统、紫外消毒系统等。

闭锁育苗车间使育苗环境免受外界因子的影响,实现了温度、湿度、CO2浓度、光照、营养液等因子综合调控,而且可以精确模拟出最佳的种苗生长发育环境,使苗的生根生长与枝叶生长得整齐一致,生长周期可以大大缩短,可以完成商品化的种苗生产。

循环式栽培床包括栽培床架、分段式栽培槽、开间支撑导轨、横向位移驱动装置、纵向位移驱动装置、气动驱动装置等,通过PLC控制器和传感器控制纵向位移驱动装置实现栽培床纵向自动输送,横向位移驱动装置实现栽培床横向自动输送,气动驱动装置实现栽培床横向和纵向输送的自动转换。

循环式栽培床内配置栽培槽,采用潮汐式营养液循环灌溉。栽培槽分为三段,分别为供水段、循环中间段、回水段。栽培槽回水段尾部设有两个下凹的池形结构作为营养液回流池,池形结构的底面还装有营养液回流阀,池形结构的上方覆盖有栅状过滤网壳。循环中间段用于连接供水段与回水段。供水段与供水管道相连接,用于供给营养液和水。目前,该循环式栽培床已在通州植物工厂内进行了应用推广。并在哈尔滨市农科院进行了潮汐苗床育苗系统的推广,该项目潮汐灌溉栽培床为分段拼接式栽培床。栽培床床面分为三段,分别为首段、中间段、尾段,并采用专用胶粘接的安装工艺。此栽培床为同一端给水和回水的灌溉方式,此端覆盖有栅状过滤网壳,以及快速给回液阀,快速给回液阀分别连接给回水主管路。

多层立体栽培系统由栽培架、植物生长灯组、分段式栽培槽等组成。多层立体栽培装置采用荧光灯、LED灯等用于植物的补光,同时在每层的最里端设有可手动升降栽培床高度的旋转手柄。

进行了省力化光源可调式立体栽培装置的研发,开发了新型多层可移动式立体栽培床,通过机械设备实现栽培床的运送,实现省力化生产;尽可能减少苗床间的过道,提高设施内面积的利用率和作业效率。

草莓立体栽培技术装备:开发了适合植物工厂化生产的A字型草莓立体栽培架和可调角度栽培架,充分利用立体栽培模式,实现空间的充分利用。目前,已完成两种类型的草莓立体栽培装置的设计开发及安装调试。

开发的A字型草莓立体栽培架采用镀锌钢管组装而成,每1组栽培架有5条栽培槽,位于3个不同高度,提高温室利用率,A字型立体栽培密度为普通平面栽培密度的1.8倍左右。

开发的可调角度型栽培架采用热镀锌钢管组装而成,每1组栽培架有3条栽培槽,中间1条是固定式,左右两条草莓栽培槽悬吊在一个横臂下,横臂又通过绳索挂接在栽培架体下。摇动摇把,通过管绳传动机构,可使横臂与地面夹角发生变化。在平时栽培架之间是无通道的,以达到温室面积利用的最大化,栽培密度为常规平面栽培密度的1.5倍左右。手摇产生通道的同时,横臂与地面夹角发生变化,左右草莓栽培槽水平距离变近的同时,高度也可错开,这样相互之间不再遮挡,有利于光照均匀。

⑥植保装备

轨道式智能施药机:完成了轨道式智能施药机的样机开发及测试应用,开发的轨道式智能施药机主要由施药系统、控制系统、行走系统3大部分组成。采用先进的超低容量冷雾技术进行植保作业。药液施用时,雾滴非常小,直径10~50μm,以达到最优的空间和表层分布。装备了先进的自动对靶系统,喷杆接近作物时,传感器感应到后,喷头就会根据探测结果对作物喷雾,没有作物时喷头会自动停止喷雾,喷雾有针对性,药液的利用率大幅度提高。在喷雾植保设备喷到温室棚头时,所有喷头自动停喷,机器借助自动换行装置换到下一行之后再开始喷雾,不但节省了药液,还为换行后喷雾稳定喷雾压力。

目前,该机在京鹏智慧温室内进行了推广应用,并已委托北京市农业机械试验鉴定推广站对智能施药机的单头喷雾流量、工作压力、行走作业速度、各喷头喷雾量变异系数等进行了测试,测试结果表明:该机的工作压力为1.6MPa,单头喷雾流量为23L/h,各喷头喷雾量变异系数为4%,行走作业速度为2.9km/h。

电动精量施药系统:完成了电动精量施药系统的样机试制,该电动精量施药机主要由喷药系统、喷杆自动调节系统、电控系统等组成。

电动精量施药系统采用电力驱动,挂接在温室自走式多功能作业平台上使用,通电后,温室自走式多功能作业平台行进到作物栽培槽之间,喷杆上安装有高、中、低三个高度的超声波传感器,通过超声波传感器可自动探测植株位置,进而锁定目标喷洒区域范围,液压驱动泵根据传感器探测的位置举升油缸带动喷杆移动到植株位置,同时加压泵启动将药箱内的药液供应到喷杆上的喷头,进行药液定向喷施,进行精准喷施作业。

⑦自动化收获装备

电动液压升降采摘车:开发的电动液压升降采摘车依靠电力驱动运行,工作台可实现液压升降,同时能够实现遥控操作。适合温室设施内番茄等高杆儿作物的果实采收,使用方便,可提高作业效率。目前,已在北京东升科技园等地进行了电动液压升降采摘车的产业化推广。

2016年,根据市场需求,将采摘车进行了优化设计,采用有限元分析软件及CAD等软件对剪叉臂的铰接支点力进行了测算,对升降平台剪叉机构进行了模拟优化。成功的将原来的双剪叉双液压缸结构改为双剪叉单液压缸结构,液压缸的数量减少了一半,相应的油管及管接头也进行了简化,不但降低了成本,减少了渗漏可能发生的地方,而且降低了故障率,提高了剪叉机构的简洁性和稳定性,实现标准化、结构紧凑、高工效、低能耗等性能。此外还对采摘车控制系统进行较大调整,取消了遥控、语音、报警灯、选择指示灯这些偏复杂的配置,去掉大配电箱,更改成两个小的塑料控制盒,去掉航插,更换顶端控制盒为塑料盒,后控制盒采用内藏形式,线缆大小和种类重新计算选用等,重新设计控制逻辑,尽量减少线路,增加美观,提高配电效率,力图减少后期售后次数,实现模块化。

无轨电动液压升降采摘车:在有轨采摘车的基础上,对无轨电动液压升降采摘车进行了研发,该无轨采摘车不用铺设轨道就可以实现行走及自动转向,尤其适合南方地区温室内部无采暖光管,降低成本。该无轨采摘车由车架底盘、剪叉系统、液压系统及控制系统构成。

叶菜收获机械:小型履带底盘25马力,割幅1200mm,小型专用履带变速箱+ HST,实现液压无级变速,提高作业操控方便性和舒适性。切割速度可调整。切割高度的控制,要求种植平整且起伏小,设计割茬高度5mm~15mm。采用双重仿形技术,一是限深轮,二是采用液压仿形系统。

自动移栽收获机:自动移栽收获机由横梁机身和机头组成。横梁机身长度与车间跨度基本相同,可在跨间支柱上的轨道做南北向移动,机头则可以在横梁上左右行走。机头上装有气动机械手。自动移栽收获机通过计算机系统确定作业位置、速度,具有安全、快速等特点,提高了栽培空间利用率,工作效率。

西红柿采摘机器人:开发了西红柿采摘机器人,该机器人可以在植物工厂里的果菜栽培车间的光管轨道上进行自由行走,判别西红柿是否可以采摘,并实现对果实的低损伤采摘、对植物茎秆无污染,能够在温室环境条件下连续作业;机器人自带一定容积的装载箱,有效容积不小于40升。

该机器人主要由移动机构、机械手、识别和定位系统、末端执行器等4大部分组成。为了完成西红柿的自动化收获,机器人的识别系统需实时地采集、处理、识别图像,利用识别定位系统检测出果实相对机械手坐标系的位置信息,判断西红柿是否符合收获标准,若符合,计算工作环境下目标到机器人的相对位置、速度等有关数据,而后由定位系统利用识别功能对目标物体的相对定位结果推算机器人的位姿,控制吸盘把果实吸住,再由机械手指抓住果实,最后由末端执行器输出基本动作指令,通过机械手的腕关节将果实拧下。

⑧分级包装装备

盆花包装机:完成了盆花自动包装机的样机研制,并在京鹏智慧温室内进行了推广应用,该设备主要包括盆花输送系统、盆花套袋机械手、撑袋与落袋系统、盆花夹持结构、气动与电动滑台系统、控制系统、各种铝型材及钣金件构建的骨架结构。与盆花分级机相配套,在花卉分级后进行自动包装,该设备可完成自动抓取、套袋、入穴等一系列连续动作,实现盆花包装的自动化,解决人工手动套袋造成花卉品质不一致、劳动效率低下等问题。并完成了盆花自动包装机的样机优化设计及测试应用,委托北京市农业机械试验鉴定推广站对盆花自动包装机的包装速度(单爪)、机械手行程、整机额定功率等进行了测试,测试结果表明:该机的包装速度(单爪)为226盆/h,机械手行程为570mm,整机额定功率为1.0Kw。该机在京鹏智慧温室内进行应用推广,有效的完成自动抓取、套袋、入穴等一系列连续动作,实现盆花包装的自动化,解决人工手动套袋造成花卉品质不一致、劳动效率低下等问题。

盆花分级机:完成了盆花自动分级机的样机研制,该机主要由机器视觉系统、信息识别系统、PLC控制系统等组成。可替代人工进行盆花自动分级,适用于常见盆花品种的分级,具备一定的可扩展性,盆花样本库现已包含红掌、菊花和兰花3 种大类,每1 种盆花还包含2个小品种。在依托单位京鹏智慧温室内进行了盆花自动分级机的示范推广,该机主要由机器视觉系统,信息识别系统、PLC控制系统等组成。可替代人工进行盆花自动分级,适用于常见盆花品种的分级,具备一定的可扩展性,盆花样本库现已包含红掌、菊花和兰花3种大类,每1种盆花还包含2个小品种。

果蔬菜智能分选设备:完成了果蔬菜智能分选设备的研发设计、安装调试及优化改进,并在植物工厂内广泛应用,对植物工厂装备水平的提升起到了很好的助推作用。该果蔬菜智能分选设备以计算机视觉技术为基础,利用光-机-电一体化技术实现果蔬大小、颜色等综合指标分级。具有双通道并行作业,分级精度高、窜果率低、效率高、整体成本低等特点。主要应用于植物工厂包装车间,用于将果菜生产车间生产的果实进行分级。

⑨农资自动化运输装备

设施内智能运输车:对设施内智能运输车进行了研发,完成了智能运输车整机的研制及调试,正准备进行运输车负载能力的测试。该智能运输车主要由机械系统、导航系统、避障系统、自动充电系统、控制系统等组成。尺寸为L1480*W900*H950mm,载重100KG,带有双向横移行走功能的动力滚筒,通过自身滚筒可以与温室内需要转运的物料进行对接,将物料(如,移动式栽培箱)放置在滚筒输送装置上,设施内智能运输车便自动进行物料(栽培箱)的配送。在前进、后退、左右横移等过程中,通过锂电池提供动力,智能运输车车上有车载充电器,可自动完成充电,行走路面上铺设智能运输车专用磁条和地标卡,可引导智能运输车沿设定的轨道路线行走,磁条用防护胶带覆盖,起到保护磁条的作用,当行走过程中遇到障碍物时,智能运输车中的激光障碍物传感器自动感应到障碍物,根据判断智能运输车与障碍物的距离,进行报警或停止等动作。

自走式多功能作业平台:开发了自走式多功能作业平台,该作业平台主要由行走轮系、转向机构、底盘、升降推送机构以及激光导航系统等,可以根据作物的不同高度和作业需要,自主提升作业高度,安装多样作业机具,实现多方位作业。

日光温室运输车:设计了日光温室运输车,采用市面常见的电动三轮后轴作为动力单元,技术较为成熟,成本很低,为运输车的成本控制和可靠性提供了保证。其余零件结构简单,易于组装,并具有良好的互换性,为生产加工的低成本化提供了保证,也方便售后维修服务。

(2)设施园艺环境智能测控技术与装备

①设施园艺作物生长信息检测技术与装备

利用机器视觉、光谱等多传感信息融合技术对设施蔬菜冠-气温差、冠幅面积、茎粗、植株生长速率、果实生长速率等植物长势信息进行检测,实现作物氮、磷、钾营养胁迫水平在线快速监测。研制了能够满足作物不同生长期(营养生长和生殖生长期)、不同棵形(作物苗期和生菜等小棵形作物,以及番茄、甜椒、黄瓜等大棵形作物),能实现温室群自动巡航探测需求,以及能够全面、精确、实时感知作物的营养、长势和温度、湿度、光照等综合生境信息的多类探测装备,并在华东和华南地区进行了试验示范。

②设施园艺作物生长环境信息无线传感器网络技术

以WSN为核心的温室环境传感网监测系统及智能控制技术与设备开发,把无线传感器网络技术引入到温室智能监测领域,设计并实现了以适合国内现状和将来发展要求、调节指标参数稳定、制作成本和运行维护成本低为目标的温室环境监测和控制的工程样机,并且对所构建的以WSN为核心的温室环境监控系统进行了应用现场的测试和运行。

③基于作物生长信息的环境测控技术及装备

建立了基于作物生长信息的长势动态预测模型,研究以实时获取的作物生长信息作为反馈控制量,以经济效益、节能和产量为目标的环境优化控制技术,开发出能够根据植物生长信息进行温室环境因子精确控制的智能装备。华南(广州)地区已将开发的作物生长信息检测装置、无线传感器网络测控系统、精确施肥灌溉装备进行组装、集成和试验示范。

④华南地区高效环境调控配套装备

开发了与温室类型相适应的通风方式及通风口面积,实现了温室天窗通风口面积从小到大的自然通风系列开窗装置;开展了温室遮阳率多级可控的遮阳装置的研究,实现了温室内遮光率50-90% 5级可调;研发了组合强制降温和智能管理装置,保证在有效降低室内高温的同时避免湿度过高,与华南地区现期常用降温方式相比,降温能耗降低19.4%;以上研发的新装备和新装置已经在广东、广西、云南等省的云南省德宏热带农业科学研究所、陆河农业局、揭阳市田田绿新农业发展有限公司等49家单位进行了试验示范和推广应用。

⑤设施农业专家信息系统服务平台

完善了华南区域设施农业专家信息系统服务平台设施远程操控系统、环境监测信息管理系统、专家系统、生产管理系统的功能;建设了Web系统和手机APP两种登录方式,方便用户使用,并结合微信公众号实现用户与农业专家“零距离”的交流。将云计算和物联网技术应用到设施农业信息服务领域,开发面向设施环境云监测调控、生产过程云管理、生产经营信息云搜索的设施农业云服务平台,实现海量信息资源的存储、计算、定制和定向服务, 创新形成“低成本、低门槛、虚拟化、高效能”的现代农业信息化服务模式。

⑥智能化植物工厂

针对我国植物工厂在环境调控、生产管理两方面存在的问题,按照以智能控制技术提高植物工厂的环境调控能力、以网络管理技术提升植物工厂生产管理水平的总体研究思路,从植物工厂作物环境信息网络化感知技术、植物工厂执行设备网络化控制技术、植物工厂环境/水肥智能控制策略、植物工厂网络化智能综合管控一体化平台技术四项关键技术入手,开展了基于网络管理的植物工厂智能控制关键技术研究工作,突破了植物工厂智能控制和网络管理方面的技术瓶颈,提高植物工厂环境调控能力和生产运营管理水平,增强我国植物工厂领域的自主创新能力,为植物工厂的大范围推广应用奠定坚实的理论和实践基础。

家庭用智能化植物工厂开发,研究微型植物工厂的外壳机械结构、栽培床的机械结构、补光系统、温湿度监测与调节系统、CO2调节设备、营养液控制系统和微型植物工厂控制器,开发出能进入千家万户的家庭用智能化植物工厂。

近年来,随着光电技术的发展,带动了高亮度红光、蓝光与远红光发光二极管(light-emitting diode,LED)的诞生,使低能耗人工光源在农业领域的应用成为可能。LED具有高光电转换效率、使用直流电、小、寿命长、耗能低、波长固定和低发热等优点,与目前普遍使用的高压钠灯和荧光灯相比,不仅光量、光质可调,而且还是低发热量的冷光源,可近距离照射,从而使植物的栽培层数和空间利用率大大提高。近年来,LED已经成功用于人工补光、植物组培、遗传育种、植物工厂以及太空农业等领域,并正在向农业与生物产业的众多领域拓展。随着LED性能不断提高、价格逐渐下降以及各类特定长产品开发,LED在农业与生物领域的应用范围将会更加广阔。因此,LED被认为是21世纪农业与生物领域最有前途的人工光源,具有良好的发展前景。

(4)日光温室关键技术

①日光温室设计理论和建造技术

在创造了日光温室的基础上,连续研制开发出第一代、第二代、第三代节能型日光温室。第一代节能日光温室按冬至日正午时刻太阳高度角来确定前坡合理采光角;第二代节能日光温室按合理采光时段来进行设计,即保证冬至日正午前后4小时的合理采光时段来确定前坡合理采光角。第三代节能日光温室首次提出合理采光、保温和蓄热的理论与方法,使得日光温室在采光、保温、蓄热等各方面性能有了显著提高,为全国日光温室的应用奠定了理论基础。

②日光温室蔬菜生产技术

日光温室蔬菜生产技术总体水平快速提高。在应用优良结构节能日光温室的基础上,研制开发的日光温室工厂化育苗技术、主要果菜抗逆境管理技术、温室综合环境控制技术、无害化植保技术、水肥一体化精确控制技术等生产技术体系,实现了在北方高寒地区不加温全季节生产果菜并获得大面积高产的成果,仅用荷兰温室1/15的能耗,实现了他们30%的产量。

③日光温室机械化装备

日光温室机械化装备水平有了长足进步。为日光温室专门设计的机械装置提高了日光温室生产的劳动生产率,减少了劳动强度和劳动力需求,对产业发展起到了重要的推动作用。电动卷帘机已成为温室的标配,温室后墙悬挂的小滑车、黄瓜半自动落蔓装置、拉链式半自动卷膜放风机、电动消雾机、土壤消毒机等装备极大地减轻了设施农业劳动强度,提高了劳动生产率。

④温室相变蓄热与集热材料模块化关键技术

制备出了相变温度为21.5℃的三元脂肪酸共晶物,在该共晶物中,月桂酸、肉豆蔻酸和癸酸所占的质量比为3:2:5。制备了定形复合相变材料CA-SA-LA/EG。在CA-SA-LA/ EG中,相变材料所占的质量分数为92%。通过FT-IR,SEM,DSC等技术手段对复合材料的化学性能、热性能及稳定性做了分析,结果表明两种复合材料都具有良好的化学稳定性和热稳定性。而且吸附效果很好,没有出现材料泄露的现象。膨胀石墨作为高导热的吸附介质,对复合相变材料的导热性能起到了很大的改善作用。CA–SA–LA/EG的导热能力比纯相变材料提高了近4倍。设计出一种适用于日光温室的有机相变蓄热封装盒。该相变蓄热体系墙板在温室中的应用效果明显。晴天,白天相变蓄热温室的空气温度比对照低,最高可以比对照低3.4℃;夜晚相变蓄热温室的温度可比对照温室提高3.2-3.9℃。 阴天条件下,相变蓄热温室温度始终高于对照温室2.1-2.7℃。

3.专业领域科技发展趋势

近年来我国设施园艺发展迅速,设施栽培面积与人均供应量已居于世界第一位,但我国设施园艺的设施类型多样,相关科研工作开展时间较短,在栽培技术、环境调控、设施装备及智能化水平等方面与发达国家还有不小的差距。同时,目前我国设施园艺仍以个体农户生产经营为主,产业化水平低,设施园艺效益优势不能完全体现。设施园艺发展趋势是结构设备现代化、温室管理自动化、经营规模大型化。

(1)机械化、自动化、智能化是未来发展要求

随着劳动力成本的提高和从事农业劳动力资源的不足,设施农业向着机械化、自动化和智能化方向发展将是不可逆转的趋势。对于部分机械化生产水平较低的地区,必须进一步加快其向着高水平方向转变的速度。对于一些还在依靠劳动力的传统农业生产方式,必须促使其向着实现机械化生产的方向转变。

国内外蔬菜生产机械化发展的趋势可以概括为:区域种植专业化、农艺制度标准化、棚室设施大型化、动力平台专用化、作业机具多样化、生产全程机械化。区域种植专业化。以美国、加拿大、澳大利亚为代表,不仅蔬菜种类比较少,而且蔬菜生产也呈现明显的区域性特征,种植品种相对单一,种植规模大,因而比较容易实现机械化。农艺制度标准化。以日本为例,农林水产省在20世纪90年代推动了卷心菜,白菜、莴苣等11种蔬菜的标准化栽培模式形成并普及推广。其核心是垄距的系列化,从45cm到120cm都是15cm的倍数,而且以90cm和120cm为多,便于规范作业机械的轮距,方便各作业环节装备的配套。棚室设施大型化。以荷兰为代表,蔬菜种植设施呈现大型化的趋势。设施结构不仅又高、又大、又宽,而且在布局设计上也充分考虑大型机械的作业特点和要求,尽量减少因机具频繁调头、转向而带来的作业效率降低的问题。动力平台专用化。为了适应在垄间、设施内蔬菜耕、种、管、收作业的需要,国外开发了一些专门用于蔬菜生产的动力平台,如通过性更好、转向更灵活的低地隙履带式拖拉机,排放更环保、功能更多样的电动拖拉机等等。作业机具多样化。仅以苗床整备环节为例,国外不仅有形式多样、功能各异的土壤疏松、土表整平机具,还有垄形标准化、幅宽系列化的起垄整形机具,为后续蔬菜机械种植提供了良好的苗床条件。生产全程机械化。国外先进地区的蔬菜生产,无论是露地、还是设施,除少数蔬菜种类的收获环节外,其它多数蔬菜的耕、种、管、收,乃至后续的产后预处理、加工环节都实现了机械化作业,并且已向自动化、智能化、信息化方向发展。

(2)温室绿色节能技术

能耗是温室生产的重要成本,包括夏季降温能耗和冬季加温能耗。开发利用绿色节能技术,是保证温室生产可持续发展的重要技术依托。随着我国经济的发展,以及设施工程、环境控制以及无土栽培等技术的日益成熟,智能型植物工厂的技术经济基础已经具备,今后的5-10年内,我国将研发出一批“低成本、节能、高效”智能型植物工厂,以满足国内外市场对高端产品的需求,实现我国农业高技术的国产化。

(3)作物水肥精准综合管理

在设施农业生产活动中,通过物联网+水肥综合管理系统,实时自动采集作物生产区环境参数和作物生育信息参数,并通过指标决策或模型决策控制系统进行智能灌溉施肥,通过对土壤水肥的精确控制实现水肥一体精准施入,大大提高灌水和肥料的利用效率。探索大型园区或基地高效节约低耗的水肥管理模式,具有覆盖生产示范园区和生产基地的能力,最终实现作物生产基地的水肥管理的互联互通,管理所有的“物联网”精准灌溉控制系统,建立区域性或全国性水肥管理网络,实现农业生产基地的少人化管理,降低生产成本,减少肥料投入,节约农业用水,提高作物的产量和品质,提高生产区综合经济效益,促进我国农业的信息化和智能化发展。由此可见,基于物联网技术的作物水肥综合管理在我国农业现代化建设中具有广阔的发展应用前景。

(4)低功耗广域网(LPWAN)驱动设施农业物联网发展

进入21世纪,随着网络传输技术、信息感知技术、数据处理技术与现代控制技术急速发展,也使得“物联网”技术逐渐发展起来,它综合了多种现代电子信息技术,并将其综合、完善和发展,它正以前所未有的速度应用于社会、经济和人类生活各个领域,被称为一场新的产业技术革命。物联网技术为现代农业智能化水肥管理提供了一种有效手段。物联网碎片化的应用场景正在催生出新的无线通信技术:针对低速率、低功耗、远距离,大量连接应运而生,以NB-IOT和Lora为代表的无线通信技术与设施测控设备将无缝结合,推动设施农业物联网的发展。

(5)智能型植物工厂高技术研究与产业化将进入实质性阶段。

随着我国经济的发展,以及设施工程、环境控制以及无土栽培等技术的日益成熟,智能型植物工厂的技术经济基础已经具备,今后的5-10年内,我国将研发出一批“低成本、节能、高效”智能型植物工厂,以满足国内外市场对高端产品的需求,实现我国农业高技术的国产化。

(6)温室管理机器人的研究将进入试验与应用。

一批温室管理机器人的关键技术,如基于机器视觉的果实图像信息快速获取与生物信息模式识别技术、机器人前行路径的相对导航和已知位置点的绝对导航控制技术等,将进入试验阶段,一批温室管理机器人将得到开发与应用。

(三)专业领域研究重点建议

1.专业领域研究重点内容

将紧紧围绕设施农业工程的国家需求,以大幅度提高资源利用效率、单位土地产出率和设施种养产业可持续发展为目标,跟踪发达国家的研究前沿,突破光/温/营养耦合互作规律与环境高效控制机理、设施植物表型高通量检测方法等重大科学问题,在信息感知技术与传感器、设施结构与模式、网络化智慧管控技术与装备、机械化与自动化精细生产技术与装备、清洁生产智能化技术与装备、智能植物工厂等关键技术领域取得突破,形成具有中国特色的智能化设施结构类型和配套工程技术体系。到2020年,使我国设施农业机械化作业水平达到40%,设施环境管理信息化,茎叶蔬菜生产全程机械化,设施农业工程总体技术达到国际先进水平。

(1)设施农业智能化测控应用基础研究

①光/温/营养耦合互作规律与环境高效控制机理

针对设施密闭/半封闭环境条件下,植物主要生理过程与环境因子之间及各环境因子之间的强耦合关系,开展密闭/半封闭条件下环境因子变化规律及相互关系研究;开展作物与环境的交互作用机制研究,分析设施蔬菜生长特性及环境影响机理,建立作物-环境的动力学耦合模型;提出光/温/营养耦合的环境高效控制方法,充分挖掘作物的生物学潜力,成倍提高产量,研制相应的高效控制系统。

②设施植物表型高通量检测方法

研究高通量多生境植物表型采集方法、植物表型大数据建模与基因-环境-表型互作规律与挖掘方法,高产、高效、抗逆智能化表型组分析评价方法,研制高通量多生境植物表型采集和分析系统,为设施环境精确控制和高效栽培提供依据。

(2)日光温室设施与环境调控能力提升技术研究

①现代装配式节能型日光温室节能结构优化

优选和研制设施结构低成本节能新型透光覆盖材料、保温材料和蓄热材料;研究设施结构低成本节能设计方法;研制设施结构低成本节能优化设计软件。研究适宜不同地区环境的设施低成本节能结构参数;优化设计和建造低成本节能连栋温室、现代日光温室、山地日光温室、荒漠盐碱地日光温室及抗台风设施;并制定其设计建造标准。

②日光温室环境控制及轻简化高效栽培设施

研制低成本高性能适于日光温室轻简化生产的水肥一体化装备及自动控制系统、小型耕耘设备、植株调整设备、植保设备、运输设备等,开发适于设施园艺作物栽培模式的定植槽等装备。研究日光温室资源高效利用全季节高产优质土壤栽培、无土栽培及营养基质栽培关键技术,构建耕地和非耕地设施蔬菜资源高效利用全季节高产优质生产模式与技术体系,制定生产技术规程与标准。主要研制温室低成本远程物联网系统和小型温室群环境监控系统;研制适于小型温室的低成本环境监控装备;开发温室环境物联网监控实用技术系统。

(3)设施作物网络化智慧管控技术与装备研发

①设施作物生命信息感知技术与传感器研发

研究设施植物生命信息的内部生化电反应、外部表征及其感知方法,探索作物体内生命体征、果实成熟度和品质、作物长势变化等信息的快速无损检测技术,突破多自然因素耦合干扰下植物生命体征信息动态感知的难题。研发系列个体植物生长信息传感器,如特征叶、果实生长速度、茎秆微变化等长势信息传感器;研发系列群体植物生境信息监测传感器,如设施环境群落光合、呼吸、蒸腾、生物量在线检测传感器。研究主要温室栽培作物逆境信息获取技术,研发逆境信息获取和逆境预报预警系统。

②基于生长信息的温室环境智能调控技术及装备

建立基于作物生长信息的长势动态预测模型,研究以实时获取的作物生长信息作为反馈控制量,以经济效益、节能和产量等为目标的设施环境优化控制技术,开发出能够根据植物生长信息进行温室环境因子精确控制的智能装备,突破机器与植物对话、按照作物生长真实需要进行反馈控制的技术难题。

③基于云计算与大数据的设施物联网智慧管理技术与平台

针对设施农业生产管理综合信息运行与服务环境短缺,数据量大难以提供适用服务的实际需求问题,应用工程技术、信息技术和设施农业技术,研究集成物联网和云计算基础设施,引入大数据分析技术,构建设施农业大数据应用综合服务云平台,研发适合现代农业发展水平的温室设施监测系统,研发设施农业专业智能搜索引擎工具,面向蔬菜、食用菌、花卉、瓜果典型设施作物生长管理应用需求,实现设施农业生产环境的异常预警、农事活动适宜期提醒、无土栽培营养决策、农产品市场数据的集市挖掘与聚类分析信息主动服务。

(4)设施农业机械化和自动化精细生产技术及装备

①设施蔬菜生产过程机械化精细作业技术及装备

从整体推进我国设施和露地蔬菜生产全程机械化出发,以典型大宗叶类和茄果类蔬菜为对象,以典型规模化蔬菜园区为着力点,以蔬菜生产农艺和农机融合为抓手,以机械化模式研究、关键环节作业装备创新为突破口,形成蔬菜生产全程机械化技术体系并进行示范推广。

针对温室蔬菜生产过程中打叶、施药、采摘作业中劳动强度最大、作业效率低的问题,研究多行间巡回续接作业的最优路径规划、电动作业平台的多机具机-电-控快速通用挂接、手眼连续对靶的自动实时采摘技术,开发温室的路径规划电动通用平台和配套打叶、施药、采摘机具,为实现轻简、高效的温室蔬菜作业管理提供装备支撑。从减轻劳动强度,提高作业效率和设施产能为目标,研制精细化整地、精量化播种、自动化移栽、轻简化采收作业装备,解决设施园艺从育苗到收获的薄弱环节的机械化装备;从高产能和标准化生产着眼,研究与机械化作业相适应的设施蔬菜栽培农艺技术规范、机具选型与优化配置技术,从典型区域、主要品种着眼,研究制定统一完整的设施蔬菜机械化作业规程和作业质量规范。

②设施园艺物流与自动化技术及装备

研制温室生产中的物流输送系统,包括用于穴盘、盆花等作物产品在不同生产环节之间转移的物流系统,以及实现作物在不同生产区域的物流链;通过采收识别定位技术、柔性采摘等关键技术的突破,开发出一批温室采摘、植保、嫁接和运输的机器人,逐步使温室管理机器人进入实际生产应用;研究开发产后加工处理技术,包括采后清洗、分级、预冷、加工、包装、储藏、运输等过程的工艺技术及配套设施、装备。

(5)设施农业清洁化生产智能化技术与装备

①设施园艺水肥耦合与封闭管理智能化技术及装备

针对目前温室生产中,营养液回收液被直接排放或沉积在土壤中,不仅造成水肥的浪费,增加温室运营成本,引起作物连作障碍,同时污染环境的现状,研究灌溉量和施肥量的精确控制技术,营养液浓度、配比、pH值的精确调控技术,以及营养液回收液收集、消毒、检测、混合技术,开发水肥耦合与封闭管理智能装备,突破不能实时进行营养液的配比调整,难以做到精确水肥耦合管理和闭环灌溉的瓶颈。

②设施园艺土壤基质消毒技术与智能化装备

针对设施园艺长期连作栽培导致土壤和基质土传病害加重的问题,探索热、电、微波等物理方法进行土壤、基质消毒的高效节能消毒方法,并针对不同土传病害下的工艺参数优化和消毒效果评价,开发适合设施园艺土壤基质栽培的消毒智能化装备。

③设施园艺病虫草害综合防治与高效施药智能化技术与装备

针对设施园艺的密闭空间特点,进行机械喷洒生物农药活性保持、多波峰光谱害虫的诱引技术、远程虫量实时监控与虫情信息发布等综合防治技术,开发适应密闭条件下叶菜与果菜等不同类型作物、化学农药和生物农药的高功效、低污染的病虫害智能防治装备。

④种植废弃物基质肥料化利用技术与智能化装备

针对设施园艺栽培产生的大量园艺秸秆废弃物,开展高湿秸秆的收集和高效粉碎装备,利用生物工程方法进行秸秆堆置发酵,并进行工艺过程参数优化,开发适合不同作物生长的有机基质和肥料。研究设施园艺秸秆就地基质肥料化处理工艺相关技术体系和智能化成套装备,实现设施园艺秸秆的资源化利用。

(6)温室能源管理与节能技术

①温室能源、生产综合管理系统

分析温室能源分布及耗散情况,构建能源管理线性优化模型,利用测量技术、软件技术、网络技术有机的结合,通过对核心能耗设备实时监测、数据分析诊断、能效评估决策建立对温室生产能源信息完整的评估管理体系,以便更有效、更合理地利用能源,提高能源利用率和能源利用的经济效益。

开发多移动平台温室生产管理与决策系统,实现不同规模温室集中或分散管理、农资管理、生产任务分配与管理、劳动力管理、能源管理、产量,成本评估、收益核算等功能,并集成数据分析专家知识为生产管理提供决策依据,解决温室生产管理粗放、手段原始、人员利用率低等问题,以达到温室生产资源的高效利用,节约成本、生产效率的提高。

②设施园艺节能与可再生能源利用技术与装备

以节能为目标,研究设施种植光温环境控制的节能模式与工程手段,开发出以清洁能源为主体的设施环境调控装置与设备,开发出具有节能、节水、节药、节肥功能的设施园艺成套工程技术装备,开发出系列化基于LED的温室节能补光及光环境调控装备,提出一整套的设施种植节能和可再生资源利用的解决方案,突破设施种植中最突出的光温控制能耗大的难题。

(7)全封闭智能型植物工厂技术及装备

①全封闭智能型植物工厂的结构和配套装备开发

全封闭智能型植物工厂结构节能设计,内部多层立体栽培架和栽培系统设计,研究开发营养液、温湿度、补光和新风调控装备,杀菌与消毒装置。重点研究和攻克营养液灌溉与再利用技术,高光效补光技术。

②植物工厂全自动生产流程化装备

研发适合植物工厂的闭锁式育苗、栽植、物流输运、精确管理、收获、包装等植物工厂关键环节的自动化生产装备,开展动植物工厂生产流程的规划调度与过程控制技术研究。实现从一颗蔬菜种子直至成品上市全过程的植物工厂自动化生产。大幅度提高植物工厂的生产效率和劳动生产率。

③植物工厂节能技术

开展高度密封的植物工厂结构、高光效人工光源、移动式补光和动态补光技术、太阳能和地热资源高效转化利用、环境调控机组节能运行等节能关键技术与装备研发,开发适合植物工厂生产的高效节能控制系统。提出一整套的植物工厂节能解决方案,突破植物工厂最突出的光温控制能耗大的难题。

④智能型植物工厂集成与示范

通过节能光源、光温耦合环境控制、植物工厂结构、营养液立体栽培、环境控制、全自动生产装备、节能与配套栽培技术体系等的关键技术和装备的组装集成,研发具有我国特色的“低成本、节能、高效”智能型植物工厂装备,进行智能植物工厂关键技术与装备的示范应用。达到全年均衡供应农产品,以满足国内外市场对高端园艺产品的需求。

2.专业组重点建议

(1)光伏温室发展与未来政策对策

光伏温室近年来在国内迅猛发展,但占用良田只发电不种植的情况大量发生,如何遏制这种情况继续蔓延并有序引导光伏温室健康发展,提出对策和政策建议。

(2)大跨度保温塑料大棚发展引导

近年来北方地区大面积发展的日光温室占地面积大,自动化、机械化管理水平低、施工周期长、建设标准化程度低,随着劳动力成本的迅速上涨和土地资源的不断减少,发展大跨度连栋塑料大棚可能成为未来部分替代当前日光温室的有效途径。目前这种技术已经在实践中崭露头角,建议进行追踪调研并进行有效引导。

(3)日光温室改造提升

当前北方地区大量存量的日光温室都是建设在10年,甚至20年之前,温室结构陈旧、性能低劣,生产效率低下,如何改造这些存量温室,提升其生产性能是未来科技和产业界的重要任务。

(4)我国蔬菜生产全程机械化整体推进

从整体推进我国设施和露地蔬菜生产全程机械化出发,以典型大宗叶类和茄果类蔬菜为对象,以典型规模化蔬菜园区为着力点,以蔬菜生产农艺和农机融合为抓手,以机械化模式研究、关键环节作业装备创新为突破口,形成蔬菜生产全程机械化技术体系并进行示范推广。

(5)加强政府宏观导向作用

设施园艺的发展应以市场为基础,加大政府的宏观指导,并根据各地农业发展现状制定出一项科学、合理的设施园艺发展对策,明确其发展目标,做好农业资源的整合工作,减少盲目性发展。

(6)加强资金支持力度

与发达国家相比,我国设施园艺整体水平差距仍较大,表现在:对设施农业工程工艺技术及模式研究不够;设施产业化技术落后、产品质量差;设施技术水平低,环境调控能力差,管理粗放;机械化水平低,管理技术差,生产力低。必须加强资金及相关扶持政策支持力度,加大科技创新力度,推进行业快速发展。

(7)发挥专家组的作用

建议给专业组拨付足够的经费,开展经常性的集体活动,形成政府、专家和产业的互动;组织开展国际交流与合作,跟踪国际先进技术前沿;担负起设施农业领域技术论证、咨询与决策作用。

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