高标准设施农业发展研究综述

李 霞，赵吉坤，吕小峰，蔡元新

（南京农业大学信息管理学院 江苏,南京 210031）

农业不仅提供粮食、副食品、工业原料、资金和出口物资，还是国家经济建设和社会发展的重要支撑。高标准设施农业可以运用农业科技创新技术，加强农作物防灾减灾能力，提高土地资源的可持续利用和改善农业生产条件让粮食高产出，并且一定程度上能够有效解决人口老龄化所带来的劳动力短缺等问题。据“大食物观”学术研讨会的数据，截至2022年5月26日，我国设施农业面积高达4270 多万亩，占世界设施农业总面积的80%以上。在设施农业发展日益凸显的时代，国内外研究学者开始重点关注高标准设施农业的发展路径，本文从学者已有研究出发，采用文献细粒度和文献计量法对国内外2013—2023 年的设施农业研究进行总结与分析，本文使用可视化工具CiteSpace 进行文献分析，从整体上把握高标准设施农业研究的动态，绘制知识图谱，为设施农业高标准化发展的未来研究方向提供有价值的建议。

1 材料与方法

1.1 数据准备与研究方法

文献细粒度分析是一种内容分析方法，通过科学识别、全面统计和系统整理文献，可以帮助研究者更好地理解文献内容。文献计量法是一种客观科学的定量分析方法，它通过捕获文献的外部特征，如关键词、引文等，用来描述研究分布规律、发展历程和预测未来研究趋势[1]。本文使用CiteSpace 6.1R.6软件对高标准农田建设相关研究文献进行可视化操作，绘制知识图谱并分析聚类特征，客观报告该领域的发文数量、研究热点和未来研究方向[2]。

本文引文检索的来源是2020 年1 月1 日—2023 年1月1日《中国知识基础工程数据库（CNKI）》和Web of Science 核心合集（WOS）。在CNKI库中搜素关键词为“设施农业”，得到551篇相关文献，检索“高标准农田建设”得到3335篇文献，检索“高标准农田水利建设”仅7篇文献，检索“高标准农业机械化建设”则显示无结果。但搜索关键词搜索内容为“设施农业OR 温室OR 大棚”，文献总数：1523 篇，并在Web of Science 核心合集搜索关键词“Protected Agriculture OR Greenhouse”，搜索结果仅出现171篇文献。本文依据2020年2月26日习近平总书记对全国春季农业生产工作作出重要指示，即“要加强高标准农田、农田水利、农业机械化的现代农业基础设施建设”，结合文献细粒度法对高标准设施农业的研究划分为四大类：高标准农田建设、高标准农田水利建设、高标准农业机械化建设、温室与大棚（见图1）。

图1 高标准设施农业研究分类

1.2 我国高标准设施农业发展现状分析

由于资源禀赋和发展水平的不同，农业现代化的发展道路也各有差异，国内不同地区设施农业建设模式也存在着较大的差异。随着我国设施农业的不断深入发展，目前中国各个省份都在依靠区域优势，因地制宜打造特色农业、数字农业等，将科技、人才、资金、信息等生产要素聚集起来，投身于高标准设施农业建设。高标准设施农业强调的是高标准，通过运用农业科技创新技术，加强农作物防灾减灾能力，同时提高粮食产量。然而，相较于荷兰、以色列、日本等设施农业发达的国家，中国设施农业建设在集约化生产、智能化的生产管理和标准化的病虫害防治方面还有一定差距。

根据2016年的设施农业面积调研数据显示，贵州、江西及广西等相对落后的省份在设施农业建设方面仍有较大的发展空间，虽然这些省份的年轻人大多外出务工，但仍有相当多的农村劳动力无法完全脱离农业。西藏、青海等地区因地形、土壤、气候等因素，设施农业建设难以开展。这表明设施农业建设的水平正在成为中国地域差距的一个新体现，并且这种差距还在不断扩大。这种差距的原因主要是地形地貌等因素以及智能化与机械化水平的不足。例如，青海半干旱地区以及湖南、贵州等山区由于地形原因，大型机械设备难以进入。虽然湖南省近年来一直大力发展智慧农业与数字农业，2022 年该省农林牧渔业增加值预计将增长3.7%，但设施农业建设是一项高度集约化、高投入的产业，如何吸引资源、技术人才等向设施农业聚集需要进一步思考。根据农业部农业机械化管理司的统计数据，2016 年全国（不含港澳台）设施农业总面积（连栋温室、日光温室、塑料棚）为2082.88 千公顷，具体各省（市、自治区）的设施面积分布情况如图2所示。

图2 2016年我国各省份设施农业占地面积

2 国内外高标准设施农业研究进展

2.1 高标准农田发展现状

高标准基本农田是经过土地整治建设形成的一种高产稳产、生态良好、抗灾能力强、与现代农业生产和经营方式相适应的集中连片基本农田，高标准农田建设有助于土地资源的可持续利用。近几年，国内学者研究农田的基本特征，根据当地情况提出不同的农田建设模式以及构建高标准农田的评价体系。国内的农田整治研究与国外略有不同。国外更多考虑农场不同利益相关者的农田分配与整治、土地最大利用价值问题以及可持续农田建设；国内更加关注耕地废弃和土壤环境污染问题。最近，国内外的学者都在专注于人口老龄化和人口减少导致粮食供应能力及农业用地价值问题。依据国内外高标准农田建设现状列出了主要参考文献，具体情况如表1所示。

表1 高标准农田建设研究现状

2.2 高标准农田水利发展现状

农田水利工程建设是高标准农田的重要组成部分，主要包括田间沟渠和排水灌溉系统的建设。目前，中国学者在高标准农田水利的建设中，主要关注水资源利用和节省能源以及CO2排放等问题；西方学者除了早期考虑灌溉方式对水资源的利用，还更多地考虑智能化、机械化等问题。同时，在当前农业生产现状下，国内学者研究农业生产与农田水利之间的关系时，大多关注劳动力不足带来的影响，而国外则已经开发了兼顾农民生产力的灌溉智能系统。本文将农田水利工程研究分为节水灌溉系统、农田水利建设与农业生产、农田水利工程建设研究进展等方面（见表2）。

表2 高标准农田水利建设研究现状

2.3 高标准农业机械化发展现状

加强高标准机械化建设，农业机械化是现代农业的重要标志和物质技术基础，关系到农业结构调整、产业链条延伸、农产品市场竞争力提升和农业可持续发展。高标准农业机械化建设可以改善农业生产条件，提高耕地生产率。首先，农业机械化高质量发展方面，西方研究大多为大规模的农业机械化研究，国内学者认为可以提高农田流转效率，发展规模化农场。其次，在农业机械化能源节约方面，国内外学者出现相对的意见，国外学者认为应减少农业机械化设备的数量，国内认为降低能源消耗的实施应在不损害农业生产的前提下进行。在高标准农业机械化建设方面，国内外研究学者研究热点存在异质性。本文对国内外农业机械化研究进行分类和整合为几个研究问题（见表3）。

表3 高标准农业机械化发展研究现状

2.4 温室与大棚发展现状

在国外，温室和大棚的区分研究并不明确，但我国的学者认为温室和大棚是不同的概念。2004 年，西方国家开始研究温室，国内学者也开始关注温室研究。自2017年起，国内外学者开始对温室建设展开研究，如光伏温室、智能温室等。温室最初的设计是利用太阳能提高塑料温室或玻璃温室的空气温度，以满足植物生长对温度的要求。大棚是为了实现农作物早熟增产而设计的。近年来，国内外的研究主要关注温室和大棚的节能和可持续发展方面，研究主题也主要分为三个方面：节能与可持续发展、温室技术和大棚技术。学者们的主要研究方向包括提高作物产量和高效利用能源。本文将温室大棚技术研究分类和整合（见表4）。

表4 温室与大棚研究现状

3 我国高标准设施农业发展的研究主题分析

通过文献关键词统计分析，发现高标准设施农业领域内关键词存在较强的相互关联，形成了221 个节点和930 条连线的关键词共现图谱（见图3）。使用CiteSpace提供的指标，如Modularity Q 值和Mean Silhouette S 值，研究得出，当Q 值＞0.3 时，聚类结构显著；当S 值＞0.7 时，聚类可信。该聚类图谱的Q值为0.5099，S值为0.9532，说明聚类结构显著，结果可信。查阅相关文献关键词时间线图谱发现，用地管理和乡村振兴是近几年主要研究热点，其研究方向主要为设施农业基础建设与土地利用之间的可持续发展，以及农业生产产生的废物利用问题。除了考虑设施农业建设，研究还非常重视智能化、机械化、网络化等问题。温室是设施农业的典型代表，研究也主要围绕温室和大棚构成的系统进行。在智慧农业研究方面，主要关注农机化发展、农业生产效率、能源环境绩效等相关关系，以及结合农村农户特征及行为的能源、环境、最大化产出等影响因素分析。

图3 设施农业相关文献关键词共现图谱及时间线图谱

4 结论与展望

本文对高标准设施农业建设内容总结并概括为以下几点：一是规模化。大型先进设施农业，规模化的种植提升产量；二是现代化。先进的配套设施和现代化的管理模式，降低对劳动力的依赖；三是自动化。机械化程度高，分工明确；四是专业化。工作人员对设施的设计建造、种植管理，运营等各环节的高度专业化。国内外的研究表明，我国的高标准设施发展仍面临着三大难题。

（1）劳动力及技术人才不足。面对人口老龄化现状与技术人才需求增加带来的社会成本，技术人才与中年群体是否可以接受和使用高标准的设施，而政府层面上的相关普惠信贷和相关政策可以驱动农户行为。

（2）我国设施农业发展缺乏的并不仅仅是高技术集成的农业设备，更是与不同区域经济水平、农业生产水平相匹配的高标准的设施农业发展方案与评价体系。由于近几年国内气候严峻，考虑连续季节性降雨量不足条件下的高标准农田水利建设是比较重要的。故在借鉴国外研究的可持续农业排水系统的基础上，根据我国地区的地理特征加强小型可持续发展的农田水利工程建设。

（3）由于大棚与温室环境的控制过程极其复杂，许多发达国家已经开始利用机器学习方法对其控制系统研究，故国内的研究应多考虑先进的控制算法应用到温室控制系统中，让温室生产基本实现了自动化及智能化。在解决上述难题时，更多要考虑到《减污降碳协同增效实施方案》，统筹能源安全、生态环境及农业生产的工作。综上，我国地域辽阔、资源丰富，同时受到不同地区的自然、技术和社会经济因素的影响，设施农业尚未实现稳定发展。此外，一些农村地区仍存在传统小农经济占主导、土地所有权主体虚置等社会问题，这也制约了高标准设施农业的全面可持续发展。