福建省设施农业智能化研究进展

王 涛，郑回勇，陈永快，雷锦桂，黄语燕，吴宝意

(1.福建省农业科学院数字所， 福建 福州 350003；2.福建省农业科学院， 福建 福州 350003)

设施农业不同于传统的露地农业栽培，是一种现代化的可控农业，通过人为手段进行调控，为作物提供适宜的温度、光照、水分、肥料、空气等，培育壮苗，降低或隔绝病虫害侵染，保证农作物的正常生产，从而提高产量、降低生产周期、提高经济效益。总的来说，设施农业是一种高投入、高产出、高能耗的产业[1]。

从结构上来看，主要有拱棚、塑料大棚、日光温室、单栋温室、连栋温室等几种类型；骨架结构材料主要以竹、木、钢、钢筋混凝土、铝合金、玻璃钢、塑钢复合及多元无机复合等材料；覆盖材料主要以塑料薄膜、玻璃、PC板、玻璃钢等为主[2]。拱棚和塑料大棚建造成本较低，能基本达到保温以及隔离虫害、鸟害等功能，还能得到政府一定的建造补贴，深受农户喜爱，是目前福建省使用面积最广的设施农业大棚。日光温室、单栋温室、连栋温室由于建造初期投入成本较高，主要是大型农业企业、高校以及科研单位等应用较多。

在20世纪的70年代末及80年代初经我国科研人员的不断努力，相继出现了塑料大棚和温室大棚[3]。20世纪90年代，我国开始引进学习荷兰、日本、美国、以色列等国外先进的温室及配套栽培技术，开始生产反季节农作物，并延长作物生长周期[4]。经过近30年的发展，我国设施农业生产面积跃居世界第一，温室建造及大棚生产技术等取得很大的进展。随着科技的不断发展，目前设施农业不断朝着自动化、智能化、信息化方向发展。

1 福建省设施农业智能化发展现状

我国是一个农业大国，人均资源相对不足，要在有限的资源条件下，满足人民日益增长的对农副产品的需求，必须要走高效农业发展之路。福建省是我国土地面积较小的省份之一，全省土地面积占全国土地面积的1.3%，位居全国第23位，是个农业相对不发达地区。福建是一个多山的省份，丘陵山地较多，平地较少，且地形较复杂，夏季及秋季受台风影响较大。据2012年福建省农业工作会议报告，2011年福建省新建各种设施农业大棚1 400 hm2，带动新建各类设施农业大棚10 826.67 hm2。

虽然福建省设施农业发展十分迅速，但依然存在一些问题，主要是保温为目的的简易大棚，科技含量较高的现代化日光温室、连栋温室有一定的发展，但主要用于花卉栽培以及设施育苗，真正应用于蔬菜生产几乎没有。在智能化方面，目前设施农业环境控制水平较低，用于耕作、栽培和收获等环节的设施装备较少，机械化水平低，劳动用工量较大，随着人工成本逐年上升，导致生产成本不断增加(目前福州市大棚作业员一天人工成本约120元)，产品竞争力下降，因此发展智能化设施农业势在必行。要大力发展福建省智能化设施农业，必须从科技入手，结合传统农业栽培技术与计算机高新技术，从技术上解决温室环境实时监控系统、水肥一体化系统、专家软件系统、无土栽培系统等，开发适于福建省作物的生产栽培管理控制系统，促进福建省智能化设施农业发展。

智能化设施农业是集结现代农业工程技术、信息化技术、农业栽培技术、环境工程技术和自动化生产技术等应用于农业生产领域。智能化、信息化、自动化在设施农业生产上主要体现：(1)在设施大棚内，用不同功能的传感器探测头准确采集大棚内光、温、水、肥、气等相关环境因子以及作物生长发育情况、棚内病虫害程度等参数，转换成电子数字信号后传回计算机，通过大量数据和专家经验等所整合而成的专家系统，根据不同作物生长所需的最佳环境条件，由计算机自动发出指令，使有关装置设备等进行相应运作，将室内的环境因子(光、温、水、肥、气)调整为作物最佳的生长环境，保证作物的正常生产[5]。(2)吸式播种机进行半机械化播种，播种前在穴盘内装好一半左右的育苗基质，随后将种子平铺在种子盘中，开启种子气吸机，种子吸入播种槽下方，对准穴盘的各穴进行按压，气吸机退压后，种子均匀洒落在穴盘中，最后在种子上方在覆盖一层基质，即完成了一盘的播种工作，整个流程需时30～40 s，比起传统的人工播种尤其是128孔的穴盘，大大节省了劳动时间[6]。(3)植物工厂是近几年兴起的一种在完全密闭可控的环境下采用人工光源与营养液栽培技术相结合进行工厂化生产的方式。由于系统密闭，不受或很少受到外界环境的影响，人工投入相对较少，主要是用于分栽叶菜类作物，采收包装以及模组模块的清理上，但能源消耗较大，建设与运行成本较高[7]。(4)半自动嫁接机，将接穗和砧木分别置于嫁接机的两侧，基本实现接穗和砧木切削、接合、嫁接夹固定，排苗作业的自动化、程序化[8]。目前嫁接机可以应用于茄果类(番茄、茄子、辣椒)和瓜类(西瓜、黄瓜、甜瓜等)，嫁接成活率85%～90%。(5)智能化农业机器人是未来农业发展的一个重要方向，可以替代农民从事繁重的体力劳动，在恶劣的环境条件(暴雨、台风等)下进行持续的劳动，从事整地、播种、定植、喷药、采收以及农产品分级包装等，大大节省劳动力，提高农业生产效率[9]。

2 设施农业智能化的主要组成部分

2.1 设施农业物联网

物联网，别名“物物相连的互联网”，是通过信息传感设备(射频识别、全球定位系统、遥感、无线传感器等)在互联网或移动网络等通信网络下，按约定协议把物品与互联网互联起来，实现信息的感知、采集、传输以及智能处理，构建成一套能够实现智能管理的网络[10-12]。物联网从技术架构上可以分为感知层、网络层和应用层[13]。农业物联网目前主要应用于设施大棚环境因子实时采集及智能调控、作物病虫害远程诊断、水肥一体化自动灌溉和农田环境实时监测等方面[14]。2010年的《政府工作报告》中,将“加快物联网的研发应用”明确纳入重点产业振兴计划，随后，物联网正式为列为中国五大新兴战略产业之一[15]。近年来，在我国专家学者不懈努力下，物联网研究发展快速，将物联网应用于农业的相关研究也取得很大的进展。郭佑民等[16]研发了一种基于ZigBee技术的设施大棚种植监测系统，能够准确采集大棚内的环境参数，解决了目前有线传输带来的成本高、布线复杂、布线过程中对农作物造成的伤害。孙燕等[17]基于物联网技术研制了实时在线监控的自动节水灌溉系统，采用无线数据的传输和控制，更准确地掌握农作物的生长环境，更精确地进行灌溉，更有效的节约了劳动力。王晓蓉等[18]运用物联网技术实现对日光温室黄瓜的生长环境(空气和土壤温湿度、白粉病发病状况)进行了实时监测和采集，建立日光温室黄瓜白粉病预警模型，对农业生产上防治黄瓜白粉病有一定的指导意义。

2.2 温室智能控制系统

温室智能控制系统是通过传感器对温度、湿度、CO2浓度和光照强度等进行实时监控、采集数据，并将数据在无线或有线环境下传送到手机电脑等设备，对大棚内的风机、水帘、遮阳网、侧膜、天窗等进行控制，把温室内的环境因子控制在农作物生长最适宜的范围内，降低农业生产风险，提高经济效益[19-21]。温室智能控制从农业物联网的技术架构上来看，属于应用层，是在温室环境因子采集好的基础下实现操作应用，是智能温室生产的重要组成部分，也是目前国内外学者在数字农业研究的主要方向之一。崔锦辉等[22]在智能温室进行薄皮甜瓜生产试验，结果表明：应用智能控温机的农户在薄皮甜瓜产量上明显优于不应用智能控温机的农户，生产效益显著提高。秦琳琳等[23]基于分布式CAN总线的硬件系统，设计了一套温室大棚智能监控系统，实现温室内相关环境数据的实时采集与设备控制，该系统数据能够稳定传输，可靠的进行温室内环境调控。屈毅等[24]基于物联网技术设计了一套温室智能监测系统，可实时远程获取温室内部温度、湿度等相关环境数据，以数据的形式传递给用户，同时对采集数据的进行智能处理、为相应控制系统提供控制信号，自动调整设施大棚内环境因子，为植物生长提供适宜环境。

2.3 农业专家系统

仅依靠物联网技术在设施农业上的应用，在目前设施大棚内简单自动化的基础上，增加了可监控及可操控性，还算不上真正意义的智能化农业。农业专家系统是一种汇集了大量农业专门知识与经验而成的计算机系统，是在一个或多个农业专家提供特定领域的相关知识和经验的基础上，用计算机模拟专家的思维，根据已有的知识库进行推理判断，为农业生产中所出现的问题提供专家式的解决方案[25-26]。近年来，国内学者立足本地，在专家系统上进行了深入研究，建成各种设施农业栽培管理及病虫害防治等方面的专家系统[27]。福建农林大学的潘锦山早在2007年就构建了一套基于ASP.NET的柚丰产、优质无公害栽培专家系统[28]。姚天明[29]建立一套栽培知识库，通过对性状选择、图片识别和数据分析，能够识别苹果的品种、苗木、病虫害等,并进一步提出诊断结果和栽培建议。林潇等[30]针对江西省水稻虫害的特点和特征，建立了一套专家知识本体库，开发出水稻虫害诊断系统，集诊断、防治和查询多种功能于一体,对南方红壤丘陵区水稻虫害的诊断和防治具有很好的应用价值。

3 福建省农科院在智能化温室上的应用实践

福建省农业科学院中以示范农场位于福州市晋安区新店镇埔垱村，由以色列工贸部及Maagad企业和福建农科院共同合作，农场总投资8 000万元，涵盖蔬菜、水产、养禽、养牛等多方面的智能农业设施生产[31]。

在设施农业作物栽培方面，2013年10月引进以色列先进的设备及技术，在埔垱建成3 500 m2的玻璃温室大棚，并通过消化吸收以色列先进技术，在农科院福清渔溪基地，建成超过10 000 m2的智能温室，吸引来自全省各地的科研、高校以及企业前来观摩学习[32]。

在智能温室内，以叶菜类、茄果类及瓜果类为主要栽培对象，采用高效的无土栽培(基质和营养液NFT栽培)，以水肥一体化技术为依托，不仅彻底解决露地环境下的土传病害，而且还有效减少病虫害基数，有效提高农产品质量和产量。温室采用目前国内先进结构，通过物联网技术，实现温室内环境因子的实时监控，工作人员通过相应数据信息对天窗、风机、侧膜、遮阳网、喷雾等环控设备进行简易操作，初步实现温室环境的数字化控制。

4 福建省设施农业智能化的不足及展望

4.1 智能化设施农业投资成本高

设施农业是一种高投入、高产出、高能耗的产业，因此前期投入的大棚建造费、水电能耗费、环控设备费、工作人员薪酬以及种子种苗、有机肥、农药等材料费每一笔都是不小的开支，虽然福建省对农业补贴的财政支出逐年增加，但目前仍存在投入不足的问题。福建省设施农业投入基本上由企业和农户自筹，这是目前福建省还是以塑料薄膜简易大棚为主的原因，前期投入小、见效快、基本达到保温防寒的效果，是绝大多数农户经济所能够承受起的范围内。

以闽南经济较发达的厦门市为例，政府对设施农业发展重视，财政支出力度大，充分发挥政府引导作用，并建立了厦门如意种苗、厦门百利种苗等农业龙头企业、厦门中科生物股份有限公司等高新农业企业等带动当地农业，促进农业稳健发展。但也存在部分县市对设施农业重视程度不高，资金投入不大，设施农业发展困难[33]。

4.2 设施农业智能化、产业化水平较低

除了部分经济基础能力较强的企业已经逐步向现代设施农业转型，开始采用无土栽培技术、水肥一体化系统、基于物联网技术的实时监控等高新技术，但绝大多数农业合作社、个体农户等还是以简易的竹木或钢架设施大棚下采用土壤栽培，没有标准化农产品生产技术、生产标准化宣传及推广力度不足、采后保鲜及销售渠道等也有没相应的标准化，由此增加了农民的劳动量，对病虫害等进行胡乱用药，农户知识水平低，对目前现有的技术标准很难完全接受，难以真正实现福建省设施农业标准化、产业化生产。

4.3 设施农业智能化研究技术落后、人才匮乏

自福建农林大学2005年创办设施农业科学与工程专业以来[34],至今已经培养了13届的相关专业人才，福建省设施农业发展已经有相对充足的人才，目前遍布全省科研院所、高校和企业，但在结合机械、信息等高新科技行业的相关人才相对空缺较大，结合农业物联网、农业相应机械设备等方面的研究与应用相对较少，这也是目前制约福建省设施农业智能化发展的重要原因之一。

4.4 智能化在福建省设施农业应用上的展望

随着科技发展的日新月异，农业生产已渐渐摆脱了“面朝黄土背朝天”“农业生产又苦又累又脏”在世人眼里的认识，植物工厂作为目前设施农业的高级阶段代表之一，“穿着西装来种菜”的农业生产方式已逐渐进入世人的眼中。

改革开放以来，我国十分重视农业发展，自2004年至2018年已连续十五年发布以“三农”(农业、农村、农民)为主题的中央一号文件，在农业科研、生产等方面投入了大量的资金与优惠政策，2018年2月福建省政府发布《福建省人民政府办公厅关于加快推进数字农业发展七条措施的通知》，对智能化数字农业的发展十分重视，首届数字中国建设峰于4月在福州召开。在科研人员的不懈努力下，针对福建省的气候及地理环境，不断引进吸收国内外先进的农业技术，在设施大棚建造、无土栽培、农业机械化应用、农业物联网技术等方面已有了长足的发展，但也仅仅称得上数字农业，远没达到智能农业的标准。

设施农业智能化的实现，需要结合农业、机械工程、计算机信息等多个多学科的共同合作努力，正如前文所说，目前还存在投资成本高、标准化及产业化水平较低、设施农业智能化研究技术落后、人才匮乏等问题，需要政府、高校、科研院所及企业的共同合作，政府在农业补贴和优惠政策上加大力度，落实到位；高校及科研院所加大科研和人才培养力度，为企业提供更多有关方面的高层次优秀人才和先进生产技术，从而促进设施农业智能化的健康快速发展。