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日本
*年间日射量以1.5×
106KCal/m2计算
(odwnE.P:
Euergiticsofworldfoodproduction.1967年内善兵整理,1975年收集于21世纪的粮食,农业书中)
设施农业耕种就是一种具有新能源形态的农业耕种形式。
它是在人为的设备条件下,调节土地和大气的环境条件栽培作物,无疑向耕地投入了较大的能量,必然带来高的生产能力。
正如日本的著名专家矢吹所指出的那样:
“到现在为止的农业技术方向是围绕适宜作物为中心,环境调节的对象完全是土壤。
比这个高一层水平的农业生产的话,对大气环境的变动几乎无法调节,即使有规律的气候年变化,农家也很困难适应其变化,因而,今后应该开发的技术是地上部的环境调节”。
设施园艺不仅是一种最新能源的投入形态,而且是能够调节地上和地下部环境条件进行生产的,其本质是将农业从自然生态中脱离出来,产生更高的生产能力。
这就是设施园艺在农业生产上的最大意义。
二、园艺设施的发展简史
世界园艺设施的发展大体上分三个阶段:
第一、原始阶段:
约2000多年前,我国使用透明度高的桐油纸作覆盖物,建造温室。
古代的罗马是在地中挖成长壕或坑,上面覆盖透光性好的云母板,并使用铜的烟管进行加温,此时可以说是温室的原始阶段。
第二、发展阶段:
主要是二次世界大战后,玻璃温室和塑料大棚等真正发展起来,尤其以荷兰,日本为首的国家发展迅速,而且附加设备增多起来。
第三、飞跃阶段:
七十年代后,大型钢架温室出现,自动控制室内环境条件已成现实,世界各国覆盖面积迅速增加,室内加温、灌水、换气等附加设备广泛运用,甚至出现了植物工厂,完全由人类控制作物生产。
今后将向着节能、高效率、自动管理的方向发展。
荷兰温室已有100多年历史,目前温室结构及生产管理水平都处于世纪领先地位。
荷兰农民从19世纪末就开始把玻璃盆覆盖在植物上用于透光和保温,后来采用不足0.5m高的玻璃温箱种植作物,这是温室农业的最初形式。
20世纪50年代初建起了木质结构的人字形玻璃温室,开始了保护地规模化生产。
荷兰温室结构主要选用铝合金框架和玻璃覆盖材料,也有少部分PC板材温室,温室生产基本实现了光、温、水、肥、气全面自动化控制。
我国的设施园艺虽然开始较早,但真正大面积运用生产是70年代初开始,至1978年,我国塑料大棚的面积已达8万亩。
1982年塑料薄膜地面覆盖已达31万亩。
2000年已突破2000万亩。
特别是“九五”期间,我国研制开发了华北型、东北型、西北型、华东型、华南型以及东南沿海等不同生态类型区和气候条件的新型、适用的温室及配套设施,提高整体园艺设施水平。
同时,我们又自建或引进了一批荷兰型温室,日本及美国型塑料温室,开展了工厂化育苗的技术研究,大面积采用了薄壁镀锌钢管装配骨架的塑料大棚,使我国保护地生产以塑料大棚为主体的体系发挥着更高的生产效益。
第二节设施园艺生产的现状与展望
一、园艺设施面积及内部装备
到目前为止,世界上主要园艺设施国的温室面积统计如表1-2-1所示。
表1-2-1世界各国温室和大棚面积
国家
面积(公顷)
国家
中国
1396000
比得时
2000
100000
智利
1600
西班牙
35000
保加利亚
1350
韩国
22000
德国
1300
荷兰
17000
突尼斯
1100
士耳其
9800
埃及
1000
波兰
6500
捷克
800
法国
6000
丹麦
750
俄罗斯
澳大利亚
600
匈牙利
5500
约旦
500
阿尔及利亚
5000
南斯拉夫
美国
4500
塞浦路斯
300
希腊
4240
瑞典
200
罗马尼亚
3000
瑞士
以色列
南非
哥仑比亚
2600
摩洛哥
葡萄牙
2500
哥斯达黎加
英国
2300
加拿大
2100
合计
1645840
从设施总面积上看,中国据世界第一,日本位于第二。
但从玻璃温室和人均温室面积上看,荷兰占据世界第一。
从设施内栽培的作物来看,蔬菜生产占到总生产面积的80%左右,其中果菜类可占90%左右,果菜中最多的是草莓、黄瓜、甜瓜、番茄、西瓜、茄子、甜椒等蔬菜,而我国西甜瓜在温室内生产较少,剩余20%是花卉和果树,又以花卉为主。
花卉生产主要是切花类、钵物类和花坛用苗类。
果树生产,主要栽培葡萄、桃、柑桔、梨等。
可从表1-2-2上看这一具体数据。
表1-2-2设施园艺作物生产面积(日本、1985年)
蔬菜(ha)
花卉(ha)
果树(ha)
作物
面积
比率%
总面积
35.582
100
5432
4575
草莓
7929
22.3
切花类
4331
79.7
葡萄
3239
70.8
黄瓜
7520
21.1
柑桔
1130
24.7
普通甜瓜
5970
16.8
钵物类
1008
18.6
梨
67
1.5
番茄
5563
15.6
枇杷
51
1.1
西瓜
3400
9.6
花坛用
93
1.7
无花果
29
0.6
苗类
桃
22
0.5
茄子
1770
5.0
其他
36.9
0.8
甜椒
1500
4.2
温室甜瓜
1270
生菜
470
1.3
南瓜
190
其次,我们再看一下设施内的设备。
见表1-2-3。
表1-2-3温室内部装备状况(日本,1987年)
种类
项目
玻璃温室(100m2)
塑料温室(100m2)
比率%
设施总面积
18.912
402.355
加温面积
16.176
35.5
127.621
31.7
自动灌水装备
10.819
57.2
134.576
33.4
CO2发生装备
3.466
18.2
5.215
一层保温幕
8.183
43.3
141.597
35.2
多层保温幕
6.245
33.0
45.710
11.4
设有保温幕
14.428
76.3
187.307
46.6
自动天、侧窗开闭
8.417
44.5
12.472
3.1
换气窗
4.991
26.4
56.728
14.1
水耕栽培
1.057
5.6
1.393
0.3
从表1-2-3可见,温室内装备有加温、多层幕、换气扇、自动灌水、CO2气体施肥以及水耕栽培设施,为自动控制环境因子创造了条件。
二、国外设施农业发展现状与趋势
以荷兰、美国、日本、法国、以色列等国家为代表,其明显的特征是设施结构多样化,生产管理自动化,生产操作机械化,生产方式集约化,是以现代工业装备农业,现代科技武装农业,现代管理经营农业。
(一)设施面积较大,发展程度不同
世界设施农业比较发达的国家有:
北美的加拿大和美国;
西欧的英国、法国、荷兰、意大利和西班牙;
中东的以色列、土耳其;
亚洲、大洋洲的日本、韩国、澳大利亚等国家。
据不完全统计,世界上温室和大棚的面积大约有1645840公顷。
其中西北欧国家由于常年天气较冷,夏季短,气温不高,以玻璃温室为主,而亚洲、南欧、北美以塑料温室为主。
(二)设施结构与建筑材料多样化
1.设施结构的多样化纵观国外设施农业,其结构主要有三种类型:
(1)小拱棚用支撑物托住塑料薄膜,高度在1米左右,两侧薄膜埋人土中,方法简便。
(2)塑料大棚外型有篷型、屋顶型,以塑料膜为覆盖物,内部设施较少,主要用于春、夏、秋季生产。
(3)温室大约有三个等级:
第一,是初级温室,指一般小型温室,不具备调温、通风等设备。
第二是现代化温室,指联栋大型温室,可以实行耕种机械化,管理自动化。
第三是工厂化温室,它是一座比较完善的工厂,其中有各种工序所需要的厂房、车间,按工序进行流水作业,即每天按同一规格和一定数量进行播种,育苗,促其生长和收获,它不需要土壤,作物也不一定固定生长,而可以随机械转动进行移动生长,它的栽培是高度密集化的,操作是高度机械化的,经营是高度集约化的,它的生长时间短,采收时间长,年产量比露天作物高10倍,比现有的塑料大棚、普通温室高5倍。
2.建筑材料的多样化在建筑材料上,国外温室建筑与工业材料的发展密切相关,是随着建筑材料发展而变化的。
如美国温室建筑大体可分为3个阶段:
第一阶段(1950—1969年)当时建筑的温室以木结构为主,覆盖材料几乎全部用玻璃,温室的数量不少,但面积很少有超过1.5公顷的,有加温设备和自然通风,室内以土壤栽培为主。
自动化设备很少应用。
第二阶段(1970—1989年)金属骨架温室逐步增加,20世纪80年代以后建的温室,几乎全部用镀锌钢、镀锌管和铝合金的屋顶,覆盖材料除了玻璃以外,出现了玻璃钢,FRP板和双层充气薄膜温室,这样可以减轻屋架的重量,降低建筑成本。
80年代中期,二氧化碳施肥技术、应用计算机控制温室环境及滴灌技术、无土栽培技术已普遍应用,温室降温采用电扇强力通风,用冷水墙加强通风的技术也比较普及。
第三阶段(1990年到现在)聚碳酸酯板(PC)已进入实用阶段,该板透光与保温性能好,耐用,不易破损,防火性能强,可制成三层的中空板,保温性能更佳。
另外,光谱选择薄膜发展很快,如在塑料薄膜中加入类似硫酸铜的染料,就可降低远红外光的透射率,使温室内温度降低。
(三)温室管理向电子化、机械化、专业化发展,基本实现自动化管理技术
温室管理主要由于采用了电子计算机控制环境和无土栽培技术,使植物在最佳小气候条件和根系环境中生长,产量水平得以突破。
荷兰的温室面积中的70%以上已采用无土栽培,其中绝大部分采用岩棉栽培,微电脑控制温室的生产达90%以上,使作物栽培向自动化、工厂化发展。
加拿大温室的一半以上采用无土栽培,90年代与80年代相比,户均经营面积增加了70%,产值增加了144%,总雇工减少了10.9%,总能源消耗减少35%,双层充气塑料温室面积增加了66%,每米2番茄产量平均达35-40千克,最高达到48-50千克。
黄瓜达到每米250-70千克。
计算机在温室中调控的环境因素除了空气温度、相对湿度、二氧化碳和光照外,还有定时定量灌水以及营养液的精确注入、空气流速等。
以加拿大不列颠哥伦比亚省制作的Argus软件系列为例,其与IBM兼容,可以从16个不同的方面考虑同一因子的控制。
比如降温,首先控制冷热水交换阀,减少热水进入温室的流量,减少锅炉燃料供应量,若温度仍高,再启动开天窗、遮阴、喷雾或水帘等降温设施。
所有程序按照顺序运行,如果阴天光照极弱,温度极低,可覆盖保温幕保温并开灯补光,以节约燃料能源。
因此,节能效果极好。
日本除了温室内安装计算机控制系统,把工程技术作为一个专家系统(咨询系统)已引入设施园艺栽培中,温室控制的管理规则,正在向可以通过一系列的正规控制指令来实现的方向发展。
(四)温室的科研成果不断转化,推动着生产迅速发展
研究目的明确,新技术、新成果推广应用迅速,并且相关产业的发展也得到应有的重视。
包括温室的结构建造、病虫害综合防治技术、节能技术和品种的改良,也为温室的高产优质管理技术起到重要作用。
日本对温室的科学研究一直比较重视,据《日本农业新闻》报道,一种利用气压支撑的塑料大棚温室,目前在日本农村已经广为使用。
这种气压式塑料大棚,比传统的和钢架支撑的塑料大棚价格便宜,而且透光性好,可控制温度,因此受到欢迎。
对温室的废旧塑料的处理方法已研制成功。
美国在温室研究中推出了以下新技术:
1.太阳能水墙温室美国东北部已开发成功一种能独立解决能源问题的太阳能温室,该温室分两层,第一层为骨架结构,面积约370m2,第二层是温床,面积为167m2。
温室东西北三面墙上均装有15厘米厚的带玻璃罩的太阳能聚脂电池板,该装置的绝热性能相当于4块玻璃,它的光通过量比2块还多,能将热储存在两边可容纳13626升的水墙里,使水温上升到15~27℃,然后再用太阳能驱动抽水喷灌。
2.无土栽培美国温室的无土栽培蔬菜作物主要为番茄、黄瓜和生菜,其他叶菜也占一定比重,甜瓜的比重不大,大多数温室用于种花。
50年代到70年代,无土栽培的方式以水培为主,以石砾、砂等固定根系,营养液循环利用,这种方式成本高,以后逐渐减少。
80年代开始用营养液膜系统、袋培系统,基质为草炭、蛭石、珍珠岩和各种泡沫塑料的废脚料,同时也从欧洲引进少数岩棉栽培系统。
90年代以来,岩棉系统占绝大多数,不用基质的水培系统已经很难见到了。
美国宇航中心采用最先进的无土栽培技术,生产人类在太空中生活必需的食物,已获得成功,最新技术每平方米可种1万株小麦,1.2平方米的小麦就可满足一个人食用。
玉米株高仅40~50厘米就成熟了,番茄每平方米种100~120株,此外还有绿豆、菜豆和马铃薯等作物已试验成功。
目前在太空中吃的东西包括麦、薯、豆菜等,每人只需6平方米就够了,这些作物从种到收一般为50~60天。
3.二氧化碳的应用近20年来,美国温室内已普及增施二氧化碳的技术,增施的浓度达到空气二氧化碳的3倍,主要是采用燃烧碳氢化合物的方法。
4.熊蜂授粉从1991年开始,把振荡授粉改为熊蜂授粉。
熊蜂比普通蜜蜂个头大,身体强壮,而且不伤人。
一般采用这种方法能使作物产量提高20%左右。
人工授粉不如熊蜂均匀,熊蜂的工作时间是日出授粉,日落休息。
熊蜂由专业户饲养,可以租用,每个蜂箱80只蜂,能授1500平方米的面积,平均每只蜂授粉面积为20平方米,租金很便宜,蜂箱每月更换一次。
5.机器人移苗现在蔬菜、花卉和苗木数量不断增加,美国南北各地,都有许多专门生产蔬菜、花卉和观赏植物的苗木农场,穴盘育苗在全国各地普遍应用。
播种时先播在小苗孔的穴盘上,过一段时间再移栽到大苗孔的穴盘上。
由于育苗中移苗工作需要很多人工。
因此,应用机器人移苗技术就应运而生。
所谓机器人,实际上是一个机器手,前面有两个类似大针的触角传感器,将苗盘上小苗孔的幼苗,移到大苗孔的苗盘上,平均1.2秒移一株,移栽几十万株幼苗的繁殖劳动,对机器人来说是很容易的事。
机器人能辨别苗的好坏,把不好的苗抛到一边,只移栽好苗。
6.基质消毒现在正在研究太阳能消毒法,因为这样可以节约能源,而且消毒效果也是可以接受的,虽然不能百分之百地把病虫害全部杀死,但可以大大减轻病虫的传播,因为蒸气消毒太贵,化学消毒法污染环境,太阳能消毒法是比较理想的发展途径。
据报道,前苏联莫斯科建筑物理科学研究所创造的自然能温室,采用的节能型墙板填充料是新型无毒物质――桑拉胶。
墙板上充满空气,也是贮热体,一到晚上,物质逐渐变冷、变硬,同时放出白天积蓄的全部热量。
这种墙板积蓄的能力比水强4倍。
(五)温室生产产业化体系已完整运行
许多国家很重视温室产业化生产和发挥农业的总体效益。
例如:
美国的蔬菜产业化主要是采前的服务体系、产中的规模化、机械化生产体系和产后的销售与加工体系相配套,发挥了整体作用。
1.产前的种苗和肥料农药公司在美国,早在40年前就已实现了种苗商品化。
目前,所有移栽的蔬菜苗,都是由专业育苗公司提供。
有世界最大的年产10亿株商品苗的SPEEDLING种苗公司,中等生产规模年产商品苗1亿株的种植者育苗公司以及年产1000万~2000万株商品苗的山本种苗场和SANTAFENURSERY种苗公司。
主要育苗蔬菜有芹菜、生菜、青花菜等,同时还有花卉、烟草等。
各个种苗公司育苗生产的共同特点是:
苗生长整齐、成本低、育苗科技含量高。
2.产中的机械化生产体系美国的菜田机械化从40年代即已开始,此后菜田机械继续增加,机械功率增长快于台数的增长,显示了机械大型化的发展趋势。
蔬菜生产从整地施肥、起垄作畦、移栽(或直播)、中耕、打药、除草、收获等作业都有配套机械。
目前,绿菜花、芹菜、生菜等移栽作业正从半机械化移栽发展到使用全自动蔬菜移栽机田间作业。
3.产后的销售与加工体系美国蔬菜大部分为超级市场销售,但也有定期开放的农贸市场(一般每周1—2次)。
经过预冷的蔬菜,按固定的销售渠道运往批发市场或直接运到超级市场。
超级市场零售蔬菜均有冷气柜台。
美国零售市场蔬菜90%以上不包装,为了防止失水,有的超级市场蔬菜冷柜还设有喷雾装置,美国蔬菜生产成本价占1/3,收获、包装、预冷成本占l/3,流通利润与损耗占1/3。
荷兰是一个人多地少的国家,种植粮食在经济上是不合算的,因此就集中力量发展经济价值相对较高的鲜花和蔬菜生产。
目前,荷兰已建成1.1万公顷的玻璃温室(约占全国土地面积的0.5%,占全世界玻璃温室面积的1/4),专门用于种植蔬菜和鲜花,生产率极高。
无土栽培的辣椒高3米,单产为30千克/米2;
番茄秧长30多米,单产达60一70千克/米2。
同时,由于实行专业化集约生产,花卉品种不断增多,质量不断提高,竞争力不断增强。
目前,荷兰共有7000多农户从事花卉栽培,培育出近1亿个品种,每天向世界出口1700万枝鲜花和1700万盆花。
荷兰鲜花在世界鲜花市场的占有率已达60%以上,仅此一项全国每年获得的收益达112.5亿美元,成为该国的主要支柱产业,所创造的产值占全国农业总产值的35%左右。
1985~1990年,荷兰人均净创汇由1.8万美元上升到5.7万美元,而美国同期仅由2310美元上升到6310美元。
荷兰每个农业劳动力可供养112人,高于美国的60~70人,为英国、法国和德国的10倍。
三、国内设施农业发展概况与趋势
(一)基本情况
我国蔬菜的温室生产在一个相当长的时间内是初级的纸窗温室。
解放后,将纸窗温室改为玻璃温室,即北京式温室。
1966年有了塑料大棚,70年代温室种菜迅速在全国发展。
从80年代初,北京、天津等地都开始引进或自建若干现代化自动控制的大型联栋温室,拟采取国外的生产技术方式解决北方冬季蔬菜供应问题,但主要由于三高一低(高投资、高能耗、高成本、比较效益低)的原因,绝大部分相继停止运行。
我国蔬菜生产在北方采用传统的加温温室由于煤火费用太高,产量效益相对低下,这在能源短缺的我国,无法大面积发展,节能型日光温室便应运而生了。
1985年,辽宁省在海城地区采用塑料日光温室,冬季不加温生产黄瓜取得成功,并且由第一代节能型日光温室发展到第二代节能型日光温室。
1987-1989年农业部组织北方地区进行适应性开发研究,在日光温室种植番茄、茄子、辣椒等喜温果菜类和多种叶菜类获得成功,并取得高产,面积发展到1000公顷。
1990年,财政部、国家科委、农业部立项开发推广,成立了“日光温室高效节能蔬菜裁培技术开发协作网”,使此项技术迅速推广应用。
据统计,1994年我国节能型塑料日光温室的面积为4300多公顷,比1989年扩大39倍,占同年设施蔬菜栽培面积的12.7%,占塑料温室面积的56.3%,主要分布在山东、河北、辽宁、河南等省,平均每667m2产量8000千克,平均产值超万元。
至1997年,各种温室大棚己发展到86.67万公顷,成为世界上设施栽培面积最大的国家,其中温室面积22.67万公顷,大棚面积23.33万公顷,中小棚40.67万公顷。
1999年全国设施栽培面积达139.6万公顷,其中,温室面积36.7万公顷,大棚面积45.66万公顷,中小棚面积57.24万公顷(表1-2-4)。
80年代末90年代初又迅速发展遮阳网覆盖栽培,至1997年达到6万公顷(主要在南方)。
至1997年底无土栽培面积达到165.7公顷。
表1-2-4全国设施农业种类面积(万公顷)
年份
温室
大棚
中小棚
合计
1978
0.527
1.067
1.594
1985
0.958
0.747
2.586
4.291
1990
2.547
2.799
8.579
13.925
1995
14.206
11.688
31.061
56.955
1997
22.670
23.330
40.670
86.670
1999
36.70
45.66
57.24
139.6
据统计资料,我国设施栽培面积最大的省份是山东、河北、河南、辽宁、江苏和陕西。
而高效节能日光温室面积最大的省份为山东、河北、辽宁等省(表1-2-5)。
表1-2-5全国主要地区的设施状况(万公顷)
地区
日光温室
分布点
山东
40.00
12.00
6.67
21.33
寿光、临淄、苍山、聊城、荷泽等
河北
24.8
9.2
5.4
10.2
定州、成安、廊坊、徐水、固安等
辽宁
9.87
6.00
1.33
2.53
辽西、辽南
江苏
8.20
0.53
2.80
4.87
淮河
河南
10.67
2.00
陇海沿线、驻马店、周口
陕西
4.00
0.80
0.87
2.33
西安、咸阳、渭南、延安、榆林、宝鸡
新疆
1.00
0.2
乌鲁木齐、昌吉、石河子、喀什、库尔勒
黑龙江
1.47
0.33
北京
1.05
0.29
0.26
0.50
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