温室大棚技术及其智能化发展前景

孙铭璇

(南京农业大学，南京 210095)

0 引言

随着经济社会的发展和劳动技术的革新，我国农业生产由分散自营农户逐渐向集约化、专门化方向发展，在全国各地形成了具有特定规模的、集中生产并输出的一系列农产品基地。山东省寿光市作为全国最大的蔬菜集散中心，有中国菜都的美称。寿光最南端的三元朱村，是全国冬暖式蔬菜大棚的发祥地，该村在乡村振兴战略的带领下，完成了中国北方蔬菜种植的“绿色革命”，保障了寒冬时期蔬菜品种的供应。

信息和通信技术的发展促进了各产业的智能化，也推动了农业生产的智能化。利用现代物联设备整合并分析作物及其周围的环境参数，对精准施肥、精确灌溉等操作有重要意义。

以三元朱村为例，对现阶段温室大棚技术及其蕴含的种植科学做出总结，介绍一系列智慧农业技术，规划未来温室大棚智能化、精确化的发展模式，并结合现实问题给予反思和总结，以期对农业集约化、智能化的发展提出建议。

1 温室大棚

1.1 温室大棚的概述

温室大棚是为防止粮食因寒冷极端天气导致减产而建造的，具有增温保湿性能，适合部分地区特别是北方地区农业生产屋面墙体设施。温室大棚是设施农业技术中性能最为完善的一种，其发明对蔬菜的越冬生产具有重要意义。

温室大棚的起源与发展可追溯到公元前500年左右。据《论语》记载，为培养非当季作物，古人搭建了一系列“屋庑”，生火增加屋内温度，同时引流泉水灌溉。此技术传承历代，“大棚”的雏形也不断得到优化[1]。我国现代化的温室大棚结构出现在20世纪50年代的北方地区。大棚技术的发展对于我国部分地区特别是北方城市冬季蔬菜供应起到重要作用，温室大棚技术自发明以来也得到不断的革新和推广，在当今社会仍发挥着重要作用。

1.2 温室大棚建造技术

温室大棚根据建造大致分为高效节能型日光温室、塑料温室、单栋温室、连栋温室等多种类型。不同的温室建造所用的材料、原理及其功能和适用范围也有所不同。三元朱村的冬暖式温室大棚经历了第一代到第五代的模式发展。据调研，第一代大棚棚体用麦穰和泥垛成或两侧树木板中间用半湿土夯筑而成，种植面积约333.5 m2；第二代蔬菜大棚的棚体为水泥立柱与竹竿棚架结构，整个大棚成全封闭状态，种植面积约533.6 m2；第三代蔬菜大棚的棚体为钢筋骨架结构，可安装自动卷帘机，种植面积约800.4 m2；第四代蔬菜大棚具有半地下、大跨度等特点，种植面积约1 200.6 m2；时至今日，第五代温室大棚正向着现代化、智能化的方向发展。

1.3 温室大棚农业种植技术

大棚中的蔬菜种植仍要符合作物栽培学的原理和植物生产的规律。大棚由于其特殊的环境，需要对温度、光照、水分、地热、通风条件、气体浓度及病虫害等外界条件给予重视，必要时要进行恰当的人工调控。

温室大棚建造的目的是为了提高作物生长的环境温度，防止植物遭受寒冷的逆境胁迫。要提高温室大棚的温度，应利用物理方法增加棚膜的透光性并及时补修棚膜破洞，下雪后及时清除棚膜上的积雪，定期清扫灰尘。可以用草苫盖住大棚，因为草苫是一种热的不良导体，可以减少棚内的热量散失。采用贴砖、空心保温墙的方法提高棚内的保温性能。必要时还可以在棚内增设临时热源。为保持棚内地热温度，可以覆盖地膜，提高地表温度和湿度。

大棚内温度和光照获取要合理规划，达到均衡。如采用双层膜覆盖可以提高大棚的保温性能，但吸光效果会被削弱50%左右。采用透光性好的薄膜、增加棚高等方法，可以有效提高棚内植株的采光效果。

CO2浓度高有利于提高植物光合作用强度，促进有机物的积累。增施CO2气体，可用有机堆肥法、有机物的燃烧，必要时可用CO2钢瓶向大棚内注入CO2。

温室的温湿度高，更加适合害虫的生长，地表温度较低，植物伤口愈合变慢，因此温室中病虫害的防治尤为重要。温室中要增加通风、合理控制温湿度及地热、控制室内的酸碱环境以阻断病虫害的增生，对病虫害进行生态防治。根据蔬菜生长的各个周期需要的营养物质进行针对性施肥，在种植前对土壤进行翻耕晾晒，用紫外线进行杀菌。控制温度并适当增加室内CO2浓度，对病虫害进行农业防治。

2 智慧农业

2.1 智慧农业概述

信息和通信技术的发展，推动了农业生产的智能化。智慧农业利用计算机技术的原理解决问题，所依托的主要是大数据实验平台和物联网技术。大数据平台技术主要按照数据挖掘、大数据平台与算法、行业实战数据分析三个层次构建。大数据平台技术主要实现数据的软件支撑，物联网实验平台则实现数据的硬件挖掘。物联网技术以关联的硬件资源为核心，包括物联网感知层、网络层和应用层这三层的体系结构[2]。

智慧农业是随着互联网技术的兴起逐渐发展起来的一种农业生产模式。智慧农业的兴起得益于物联网和农业系统的应用。近年来随着大数据、人工智能等前端技术的发展和普及，智慧农业向着更加精准的数字化、信息化方向发展。具体表现在对作物生长参数如茎秆高度、叶面积等的精确检测，对室内环境如温度、湿度、CO2浓度的准确测量和成像显示，精确灌溉、精确施肥的智能调控设备。智慧农业未来的发展不仅将持续革新其信息技术和仪器设备，而且要融入先进的管理经营模式，向着技术的信息化，管理能力的成熟化迈进。

2.2 农业物联网

物联网技术通俗而讲就是“万物互联”，通过各种信息传感器、红外感应器、射频识别技术等装备，实时采集和连接各种相关要素，实现物与物之间、物与人之间、人与人之间的泛在连接[3]。

农业物联网技术就是在作物生长范围内安装各类传感设备，通过协议将农业环境与网络相连接，对传感器采集的各种信息进行数据分析和整理，发布在软件端，并提供相关的解决措施，实现对作物生长状况的实时监控[4]。

农业物联网技术具体涉及无线网络传输、RFID技术和传感器。无线网络指Wi-Fi技术，它将各种传感器设备和局域网相连，实现了数据的无线网络传输。RFID技术通过对接收信号频率的处理，实现数据分析，并将处理的数据传到云端，实现对数据信息的控制。传感器网络是物联网的核心技术，通过传感器可以检测作物各项指标，用于信息的交换和传输。

2.3 精准农业与传感技术

无线传感器网络对于精准农业的发展有重要作用。传感器是精确测量各项理化参数的专用工具，它的工作原理主要是将被测量的物理量通过处理转化为不同程度的电信号，再通过显示界面呈现出精确的物理指标。因为传感器的敏感性高、信号捕捉连续，所以其具有人工无法达到的速度和精确度。

目前我国的农业生产，正从粗放型向精细化方向转变。精细化的农业生产将会降低生产投入成本，且能够大大提高产量。要达到精确施肥、灌溉，就需要精确的测量系统和灌溉设施，则必须利用传感技术。

传感器根据功能可以大致划分为生命指标传感器和环境指标传感器[5]。生命指标传感器主要用来测定株高、叶面积、光合速率(代谢强度)、植株体内元素含量等植株个体信息。环境指标传感器主要测定的是植株所处环境中的光照强度、CO2浓度、温度等环境信息。测定生命信息可以对植株各个时期的生命特征做数字化处理，进而分析其生长状况；测定环境信息了解环境变化，保证作物生长在最优环境中。

2.4 作物栽培中的智能化

精确测定指标后，要对作物进行高效精细的耕作栽培。农业技术的各个环节如开沟、施肥、锄草、烘干等过程都已逐步实现机械化和自动化。要进一步提高生产效率，减少水土流失和因过度施肥下的浪费，必需要发展精确施肥技术。精确施肥是将不同空间单元的产量数据与其他多层数据(土壤理化性质、病虫草害、气候等)的叠合分析为依据，以作物生长模型、作物营养专家系统为支持，以高产、优质、环保为目的的变量处方施肥理论和技术。精确施肥是信息技术(RS，GIS，GPS)、生物技术、机械技术和化工技术的优化组合。由于北方水资源分布不均，不同土壤分布地表含水量也不尽相同，作物种植中要做到根据实际情况的精确灌溉。

3 智能温室

以三元朱村为例，目前大棚已经基本实现规模化。未来三元朱村的温室大棚将朝着智能化的方向发展，打造智能化温室大棚生产基地。大棚特殊的生态环境也更加要求传感技术的灵敏和种植机器的先进性。

3.1 温室智慧农业中的传感器技术

智慧温室中应配备的环境指标传感器包括CO2传感器、光照强度传感器、温度传感器、湿度传感器等[6]。由于部分封闭性，温室中的这几项环境指标的测量均有重要意义。精确测量光照和CO2，可估算此时植株的光合作用强度；对温度和湿度的测量，可了解植株此时蒸腾作用、呼吸作用、光合作用等各项生理活动。

3.2 智能温室中的设施蓝图

以三元朱村为例，北方的智能温室需结合农业物联网和传感技术，安装精确测定的传感器，动态监测植株生理和环境指标，将动态数据绘制到终端显示器，专业人员可实时查看各区域的环境情况。

精准测定后要做到对应的精确耕作。土壤内布局肥料管道和供水管道，管道阀门实现自动化控制，连接环境传感系统，专业人员设置好环境指标适宜范围，管道智能监控并给予适当调节，部分更加精细的指标由人工和机器共同控制，实现对作物的精确施肥和精确灌溉。

作物栽培方式符合生态规范，利用食物链能量传递和物质循环功能，尝试应用鱼菜共生、桑基鱼塘等循环种养模式，实现资源节约和环境友好。

智慧温室不仅要求仪器设备的智能化，管理经营模式的成熟高效也很重要。农业规模化后，各部门配有专业的栽培管理、加工、物流等多环节的专职管理人员，实现各环节高效有序进行。

4 现存的问题与反思

通过对三元朱村调研，发现大棚已经实现五代革新。其中一号大棚内有生态立体种植、鱼菜共生、A字形、C字形架势栽培等种植方式。村内大棚整齐且规模化显著。但在目前的生产过程中，大棚内并无传感器等智能设备，部分温室内甚至无任何机械化设施，仅由温室薄膜和田地构成。经调研座谈可知，目前大棚仍处于个体化生产模式，每家每户拥有两三个温室大棚，各户独立耕作自负盈亏，存在大棚内技术参差不齐的现象。

微观上，个体经营可一定程度提高个人的生产积极性；宏观上，小规模下的竞争也可推动技术革新。而且，三元朱村当前土地流转正处于二轮承包时期，二轮承包延期30年到期之前可能暂时无法实现耕地的集中。据当地农户反映，自负盈亏、各自种植是目前较好的一种农产品经营方式。例如，农业种植本身有其灵活性和环境多变性特征，不定时需要人员照看以及对成熟作物的采摘。若农业规模化企业化，管理上大概率会按照工作时间实行，在时间段内耕种，可能会造成耕种最佳时期的错过或者管理的混乱。诸如此类问题，在技术达不到准确高效的前提下，暂时难以解决。

5 结语

三元朱村作为冬暖式蔬菜大棚的发源地，其温室大棚技术已经完成第一代到第五代的革新，目前正朝着自动化、精细化、智能化的方向发展。温室大棚中温湿度、空气浓度及各物质占比、光照强度、病虫害等需结合温室特点进行调控，智慧农业中的物联网、传感器等技术可以更加精确地完成测控。但要想实现规模化、智能化的温室大棚农产品基地的革命性改革，仍需要管理、工程、互联网、栽培育种等各个行业的技术进步和专业人士的共同努力。