设施塑料大棚的研究现状与发展趋势

祝前峰， 陆荣鑑， 李奉顺

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

“菜篮子”工程是一项直接关系民生幸福的大事，随着中国经济的高速发展，人民生活质量的不断提高，人们对于新鲜蔬果的需求日益显著，尤其是在冬季对反季节蔬果的需求不断，这些都在促进设施农业的发展。农业大棚是设施农业的重点研究对象，塑料大棚凭借成本低、易搭建、效益高得到了广泛的应用和推广[1]。塑料大棚有一定的增温和保温效果，为农作物的生长创造了适宜的小气候环境，这为秋冬反季节蔬果的生长和上市提供了保障，而且大棚生产的蔬果品质较高，受到了广大消费者的欢迎；同时因搭设成本较低，作物生长周期较短，高品质蔬果和反季节蔬果收购价格较高，给农民带来了不错的经济收入，塑料大棚受到了农民的青睐[2]。

然而，因所处的地理环境不同和本身结构框架设计的缺陷，塑料大棚难以抵御暴风、暴雨、暴雪、台风等极端恶劣天气的破坏[3]，同时也饱受稳定性差、通风性差、光照不足、散热性不好、保暖性能差等问题的困扰。因此，需要科学地设计大棚的结构，因地制宜，不断优化和改进[4]；对大棚的管理方法也需要结合抗灾减灾和农作物生长的要求对应制定。

1 现有大棚的主要结构类型

1.1 竹木结构大棚

竹木结构大棚是目前较为常见的一种大棚结构，竹木结构大棚分为单拱和连栋两类，许多地区出于成本的考量采用此类结构的大棚设计。该结构一般由立柱、拱杆、拉杆和压杆组成骨架，此类结构的骨架材料通常由竹木构成，方便就地取材；在骨架上覆上塑料薄膜，再设置压膜绳和防虫网等装置。竹木结构大棚的结构示意图如图1所示。据相关研究统计，竹木结构大棚每667 m2的建造成本不足1万元，其使用寿命可以达到10年以上[5]。但由于立柱较多、屋脊高度较矮以及两侧需要斜杆支撑，造成了大棚内部空间被网格化，难以实现机械化作业。

图1 竹木结构大棚结构示意图

1.2 钢架连栋型大棚

在竹木连栋结构大棚的基础上，去掉立柱和斜撑，同时加高屋脊，将骨架的材质由原来竹木更换为钢材即成为钢架连栋型大棚，钢架连栋型大棚结构示意图如图2所示。与钢架单栋型大棚相比，其设施空间加大、土地利用率提高、保温性能增强；与竹木连栋结构大棚相比，其结构的稳定性增强，防灾抗灾能力增强，内部空间整体化，而且由于空间加大同时去掉了立柱，中小型机械可以进入棚中进行机械化作业。由于钢架连栋型大棚的土地利用面积较大，透光性较好，保温性能优良，冬天在一定程度上为大棚增温保温，而夏季在棚顶覆上一层遮阳网和加装湿帘风机为棚内降温，可实现钢架连栋型大棚全年生产作业，大大提高了大棚的利用效率，为农户带来更高的收益[6]。目前钢架连栋型大棚广泛应用于草莓等高端水果种植和花卉盆栽的养护，不少农户也借助大棚采摘积极开发农业观光旅游项目[7]。

图2 钢架连栋型大棚结构示意图

1.3 钢架保温型大棚

为了更好地对蔬果等起到秋延后和春提早的种植生产活动，科研人员设计了钢架保温型大棚，钢架保温型大棚可分为单拱单膜保温型、单拱多膜保温型和多拱多膜保温型三种。单拱单膜保温型其单拱跨距可以达到20 m，最大高度可达6 m，在塑料薄膜外设有保温被，单拱单层保温型大棚结构如图3(a)所示。当遭遇寒潮、大雪、低温等极端恶劣天气时，保温被覆盖整个大棚，棚内设有补光灯等设备，为农作物提供有利的生长环境，防止作物受冻和无光照而发黄；同时在冬天，昼夜的温差较大，白天保温被收起，待到傍晚放下，有利于保持夜间棚内温度。然而单拱单膜保温型在极寒的地区仍不能为农作物的生长提供适宜的温度或不能满足农户秋延后和春提早的种植需求，科研人员发明了多拱多膜保温型大棚如图3(b)所示。较单拱单膜保温型相比，多拱多膜保温型其结构的稳定性得到了改善，防灾抗灾的能力也大大增强，并且在外棚和内棚之间形成了一个保温层，大棚的保温效果改善明显[8]。武莹等[9]通过对单拱单膜保温型和双拱双膜保温型进行大量的对比试验分析，可得同尺寸的双层保温型大棚与单层保温型大棚相比，其最低平均气温高于单层，其最高平均气温低于单层，其土壤平均温度高于单层，双层保温型大棚没有出现极端低温也没有出现极端高温，保温性能较单层有明显的提高和改善。

图3 保温型大棚结构示意图

2 设施大棚存在的主要问题

2.1 大棚选址和搭建缺乏理论指导

当前我国很多大棚的选址和搭建全部依靠农户自身的经验。基于中国的基本国情，农户个人拥有的土地较少且分散，土地的走向不一，农户往往沿着田埂或土地走向搭设大棚，而忽视了风向、采光和通风等问题，这样势必会造成农产品减产或质量下降。同时大棚的设计仅仅依据个人的经验，从选材到搭建没有科学理论指导，这样可能会存在隐患，在极端恶劣天气的破坏下，框架结构可能无法抵御或者出现毁菜保棚的现象；还有农户为了提高土地利用率，盲目地增加大棚数量而忽视了棚与棚之间的间距，这样也会对采光和通风产生一定的影响；农户自行设计搭建的大棚往往前后屋面角度较小、屋脊高度偏矮、棚面的坡度过于平缓，没有很好地利用光照。

2.2 结构框架的稳定性与可靠性不足

结构框架是大棚最为重要的组成部分，结构框架的优劣直接决定了大棚的使用寿命和蔬果的优劣。

有关大棚研究的科研人员其主要研究方向是大棚结构框架设计及其相应的承载能力分析，对大棚的结构框架会进行不断地优化和改良。然而通过大量的事故发现，我国大棚结构框架仍存在稳定性与可靠性不足的问题。我国幅员辽阔，不同地区的大棚结构也应有所差异，其主要预防的灾害也各不相同，北方地区主要是预防极寒天气、雪灾、强风，而南方地区主要预防暴雨、台风、虫灾，因此对结构提出了不同的要求[9]。然而在结构搭建上往往只重视立柱等骨架的外径大小，片面地认为直径越大其承载能力就越强，忽视了杆件壁厚对承载强度的影响[10]；进风口和出风口的位置、大小设置不合理，不利于棚内的空气流通，在一定程度上造成了化肥产生的有害气体不能及时地散发出去，使得蔬果枯黄乃至腐烂；盲目追求大跨距，虽然在一程度上增强了大棚环境的稳定性[11]，但相应的脊高需要加高[12]，对风载荷变得更加敏感[13]；追求骨架结构的柔而薄，却忽视了杆件长细比很小，易发生屈曲失稳破坏[14]；节点强度不足，在相关调研中发现，被台风摧毁的大棚其杆件未变形，但棚内的立柱与基础之间发生变形、梁柱连接处的螺纹连接出现松动、螺栓被剪断等[15]。节点容易被忽视是因为其加工复杂，安装费时费工和成本高，然而在遭遇暴风、暴雨、暴雪、台风等灾害时，往往节点处受力最大，而节点处破坏引发的灾难是巨大的，结构框架的稳定性与可靠性对于大棚来说十分重要，需要不断地优化和改善。

2.3 农机与农艺不相协调

一方面我国农艺发展水平有限，受限于成本和多种考量因素，设施农业仍以日光温室、蔬菜大棚和中小拱棚为主，有的仍采用竹木、水泥柱等做骨架，因棚脊较矮和内部空间网格化不利于机械化作业，同时受限于大棚的体积和高度，大型机械无法进入作业；另一方面，随着我国经济高速发展，越来越多的人口流向城市，农业的“人口红利”早已不在，农村在农忙时节用工难的现象也凸显出来[16]，随着农业大棚的不断发展，需要引入自动化、智能化的机器来取代人工作业，然而现有的机器又不能满足大棚的蔬果生产需求[17]，大棚中一般种植高档水果如草莓、水蜜桃等，这些蔬果对机器的要求较高，然而目前机器人仍面临识别定位不精确[18]、采摘易产生机械损伤和自动化智能化程度不高等问题[19]。

3 设施大棚的发展趋势

3.1 新型材料引入

随着现代科学技术的发展，越来越多的新材料被应用于我们的生活，发挥着至关重要的作用。就设施大棚而言，可以对其骨架和塑料薄膜分开研究。骨架的材料不断朝着高强度、高韧性、低质量等方向发展，通过改变材料属性增强其抗灾减灾的能力，大大延长其使用寿命。塑料薄膜的材料也在不断发展，科研人员在薄膜中添加一些化学物质，可以增强薄膜的透光性、保温性，使果实着色更加鲜艳即品相更好，甚至可以防虫害。Alsadon，A.A.等[20]研究了一种新型的近红外反射塑料薄膜，并通过对比试验发现，在这种新型塑料薄膜下生长的作物较传统塑料薄膜下生长的作物，其生长指数更高，果实的品相更好，产量更高；在制作塑料薄膜时可以向其中添加环保型化学药剂，获得新型的防虫防病薄膜材料，避免了农药与农作物的直接接触，大大降低了农药在农作物上的残留[21]。如今玻璃大棚也在不断发展和推广，具有一定的使用价值和经济效益[22]。

3.2 结构设计不断精进

大棚结构设计是大棚建设过程中最核心的一环，在一定程度上塑料大棚结构设计的优劣决定了蔬果的产量和品相。塑料大棚的结构设计需要从稳定性、可靠性、通风、采光、保温等多角度考虑，同时需要注重经济性。每年我国都有大量大棚因结构设计存在缺陷，在面对极端恶劣天气时损失惨重，因此提高抗灾减灾的能力是结构设计的首要任务。杨小锋、刘建等分别提出了热区防台风的结构设计方案；李明介绍了日本的防风技术与措施；郄丽娟设计了双拱双连双膜塑料大棚，并对该结构施加多种载荷进行分析；俞永华对大棚的承载特性进行了相关分析。部分研究人员从保温、采光等角度设计大棚的结构，郑元红[23]针对毕节寡日照问题对大棚结构进行了改进；汤庆对大棚的透光率展开了一系列研究；武莹等设计了新型大跨度非对称塑料大棚，不仅增强了采光同时也提高了保温性能。大棚的结构设计得到了不断地优化和改进，其各方面性能也在不断提高。

3.3 智能化开启新篇章

一方面从种植作业来讲，包括播种、除草、灌溉、施肥、施药和采收等环节将逐步由机械化、自动化设备来完成，小型高精度机器人将应用于设施农业领域，如杨超淞等[24]开展了棚内除草除虫机器人的相关研究。另一方面大棚的管理模式也将实现自动化和智能化，许多科研人员针对不同开发环境、不同软硬件研发了不同的智能大棚管理系统。为了有效监测温室大棚内的空气温度、湿度、二氧化碳浓度以及土壤湿度等环境信息，廖建尚[25]提出了AGCP协议，在此协议基础上搭建了基于物联网的大棚环境监控系统；汪言康[26]利用传感器技术，通过GPRS无线通信和Internet互联实现了对大棚环境的监控；何鹏[27]利用物联网和LabVIEW技术实现了对温室大棚监控；吴昊[28]开发了基于Android的温室监管系统；王建平[29]基于ios设计了大棚温室监管系统。此外，陶佰睿等[30]开发了LED智能补光系统，使农作物得到充足的光照；张瀚中等[31]开展了智能灌溉系统的研究，并应用于实践；蒋绿林等[32]开展了大棚多热源热泵供暖系统的相关研究，不仅实现了增温保温，同时降低了能耗。互联网技术的加入使得普通设施大棚融入了新鲜的血液，原先传统的劳作方式和管理方法也将逐步实现自动化和智能化，大大提高劳作效率和果蔬质量。

4 小结

随着我国居民生活质量的不断提高，对新鲜蔬果的需求显著增加，加之冬季对反季节蔬果的需求，不断推动设施大棚的发展。但塑料大棚仍面临一些技术难题需要克服，其中结构框架设计与优化是设施大棚的研究重点和难点。随着科学技术的不断发展，新型材料的引入和结构设计的优化大大提高了大棚抗灾减灾的能力，伴随互联网技术的发展和智慧农业的推广，大棚的生产劳作方式将逐步实现机械化、自动化，大棚的管理方法借助物联网平台也可实现自动化和智能化，大大降低从业人员的劳动强度，提高生产效率，保证果蔬的生产质量。设施大棚的蓬勃发展必将推动乡村振兴向前迈进，给广大种植户带来可观的经济效益。