1 國外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀和趨向
1. 1 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化
設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化是將現(xiàn)代生物工程技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)、信息技術(shù)和自動化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,根據(jù)動植物生長的最適宜生態(tài)條件在現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)進行四季恒定的環(huán)境自動控制,使其不受氣候條件的影響,生產(chǎn)自動化、標準化和智能化,農(nóng)產(chǎn)品周年生產(chǎn)、均衡上市,實現(xiàn)生產(chǎn)高速度、高產(chǎn)出和高效益。
設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化包括設(shè)施工程、環(huán)境調(diào)控以及栽培、養(yǎng)殖技術(shù)等方面標準化、自動化、信息化,其核心是農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控。設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控智能化是在一定的空間內(nèi),用不同功能的傳感器探測頭,準確采集設(shè)施內(nèi)環(huán)境因子(光、熱、水、氣、肥)以及作物生育狀況等參數(shù), 通過數(shù)字電路轉(zhuǎn)換后傳回計算機,并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和智能化處理后形成專家系統(tǒng),根據(jù)作物生長所需最佳條件,由計算機智能系統(tǒng)發(fā)出指令,使有關(guān)系統(tǒng)、裝置及設(shè)備有規(guī)律運作,將設(shè)施內(nèi)溫、光、水、肥、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài),確保一切生產(chǎn)活動科學(xué)、有序、規(guī)范、持續(xù)地進行。目前設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控智能化研究已成為當(dāng)今世界各國展示農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平的重要標志。
1. 2 國外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀
設(shè)施農(nóng)業(yè)歷史久遠,早在15-16 世紀,英格蘭、荷蘭、法國、日本等國家就開始建造簡易的溫室,栽培時令蔬菜或小水果。進入20世紀特別是50年代后,隨著現(xiàn)代工業(yè)向農(nóng)業(yè)的滲透和微電子技術(shù)的應(yīng)用,設(shè)施農(nóng)業(yè)在全球迅速崛起,特別是在美國、荷蘭、日本等一些發(fā)達國家設(shè)施農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展,形成了一個強大的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)特別是信息技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)代工業(yè)向農(nóng)業(yè)的滲透和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù),包括機械、工程、電子、計算機管理、現(xiàn)代信息、生物等技術(shù)的應(yīng)用,設(shè)施農(nóng)業(yè)不斷向智能化方向發(fā)展。
早在20世紀80年代,美國雨鳥、摩托羅拉等幾家公司就合作開發(fā)了智能中央計算機灌溉控制系統(tǒng),開始將計算機應(yīng)用于溫室控制和管理,此后溫室計算機控制及管理技術(shù)便先是在發(fā)達國家得到廣泛應(yīng)用,后來各發(fā)展中國家也都紛紛引進、開發(fā)出適合自己的系統(tǒng)。20世紀90年代,美國開發(fā)的溫室計算機控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)溫室作物的特點和要求,對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進行自動調(diào)控 還可利用差溫管理技術(shù)實現(xiàn)對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進行控制,以滿足生產(chǎn)和市場的需要。目前,美國已將全球定位系統(tǒng)、電腦和遙感遙測等高新技術(shù)應(yīng)用于溫室生產(chǎn),有82%的溫室使用計算機進行控制,有67%的農(nóng)戶使用計算機,其中27%的農(nóng)戶還運用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
以園藝業(yè)著稱的荷蘭從20世紀80年代以來就開始全面開發(fā)溫室計算機自動控制系統(tǒng),并不斷開發(fā)模擬控制軟件。到80年代中期,已有5 000多臺計算機應(yīng)用于溫室,目前荷蘭擁有玻璃溫室超過1. 2萬hm2,占世界的1 /4以上,有85%的溫室種植者使用環(huán)境控制計算機,種植者只需從軟件公司購買溫室控制軟件,從化學(xué)公司購買營養(yǎng)液,即可按照不同作物的特點進行自動控制,從而滿足作物生長發(fā)育的最適要求。目前,荷蘭全國建有1. 2萬hm2 現(xiàn)代化自動控制溫室,在生產(chǎn)觀葉園藝植物的現(xiàn)代化大型自控溫室中,盆觀植物均放置在栽培床上,從基質(zhì)攪拌、裝缽、定植、栽培、施肥、灌溉、缽體移動全部實現(xiàn)機械運作, 室內(nèi)溫度、光照、濕度、作物生長情況、環(huán)境等全部由計算機監(jiān)控,在計算機智能化、溫室環(huán)境調(diào)控方面也居世界領(lǐng)先地位。
英國的智能溫室系統(tǒng)、西班牙和奧地利的遙控溫室系統(tǒng)都是計算機控制與管理在溫室中的成功應(yīng)用。另外,德國已經(jīng)把“3s”技術(shù)(地理信息系統(tǒng)gis、全球定位系統(tǒng)gps、遙感技術(shù)rs)應(yīng)用于溫室。與此同時,溫室計算機控制和管理技術(shù)在亞洲同樣得到了極大的發(fā)展。
日本在20世紀80年代中期應(yīng)用于溫室中的計算機就達到1 000多臺,到1995年達6 000多臺,目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中計算機的普及率高達92%。日本還建造了世界上最為先進的植物工廠,采用完全封閉生產(chǎn)、人工補充光照,全部由計算機控制。日本的甜瓜農(nóng)場應(yīng)用一種新型的智能計算機系統(tǒng),對7個溫室群進行管理,實現(xiàn)最佳控制。近年來日本還研制了一種遙感溫室環(huán)境控制系統(tǒng),將分散的溫度群與計算機控制中心聯(lián)結(jié),從而實現(xiàn)更大范圍的溫室自動化管理。
以色列用光熱資源的優(yōu)勢和節(jié)水灌溉技術(shù),主要生產(chǎn)花卉和高檔蔬菜,采用大型塑料溫室,在作物附近都安裝了傳感器以測定水、肥狀況,利用辦公室里的中心計算機通過田間控制器收集和儲存全天溫室內(nèi)、外部的溫度和濕度數(shù)據(jù),通過程序進行數(shù)據(jù)分析,并可通過引入新數(shù)據(jù)改變操作程序,很方便地遙控灌溉和施肥,系統(tǒng)還可自動控制卷簾、熱屏遮陰系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及灌溉區(qū)的流量控制系統(tǒng),精確可靠,節(jié)省人力,原本資源匱乏的以色列現(xiàn)已成為沙漠上的蔬菜出口國。
1. 3 國外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展趨向
目前,發(fā)達國家設(shè)施農(nóng)業(yè)已具備了技術(shù)成套、設(shè)施設(shè)備完善、生產(chǎn)比較規(guī)范、產(chǎn)量穩(wěn)定、質(zhì)量保證性強等特點,形成了設(shè)施制造、環(huán)境調(diào)節(jié)、生產(chǎn)資材為一體的產(chǎn)業(yè)體系,能根據(jù)動植物生長的最適生態(tài)條件在現(xiàn)代化設(shè)施內(nèi)進行四季恒定的環(huán)境自動控制,使得不受氣候條件影響,實現(xiàn)了周年生產(chǎn)、均衡上市。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的標志和發(fā)展的方向。智能化程度越高,設(shè)施農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平越高。從初級自動化控制向高級智能化轉(zhuǎn)變,從非標準化設(shè)施向標準化產(chǎn)品過渡,控制系統(tǒng)從自動化向智能化轉(zhuǎn)變是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢,突出體現(xiàn)在現(xiàn)代化溫室和植物工廠等方面。
現(xiàn)代化溫室是荷蘭、英國、法國、德國、日本等國家設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的主要表現(xiàn)形式。這種溫室可以自動控制室內(nèi)的溫度、濕度、灌溉、通風(fēng)、二氧化碳濃度和光照,每平方米溫室一季可產(chǎn)番茄30~
植物工廠是目前智能化最高水平的設(shè)施農(nóng)業(yè),是繼溫室栽培之后發(fā)展的一種高度專業(yè)化、現(xiàn)代化的設(shè)施農(nóng)業(yè)。植物工廠與溫室生產(chǎn)不同點在于,完全擺脫大田生產(chǎn)條件下自然條件和氣候的制約,應(yīng)用近代先進設(shè)備,完全由人工控制環(huán)境條件,全年均衡供應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品。
目前,植物工廠在一些發(fā)達國家得到了較快發(fā)展,初步實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)蔬菜、食用菌和名貴花木等,其設(shè)施內(nèi)部環(huán)境因素(如溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等)的調(diào)控由過去單因子控制向利用環(huán)境、計算機多因子動態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)展,實現(xiàn)了播種、育苗、定植、管理、收獲、包裝、運輸?shù)茸鳂I(yè)的智能化。美國、荷蘭等發(fā)達國家,還一直在研究利用“植物工廠”種植小麥、水稻以及進行植物組織培養(yǎng)和快繁、脫毒。由于這種植物工廠的作物生產(chǎn)環(huán)境不受外界氣候等條件影響,蔬菜如生菜種苗移栽2周后,即可收獲,全年收獲產(chǎn)品20茬以上,蔬菜年產(chǎn)量是露地栽培的數(shù)十倍,是溫室栽培的10倍以上。荷蘭、美國采用工廠化生產(chǎn)蘑菇,每年可栽培6. 5個周期,每周期只需20 d,產(chǎn)蘑菇25.
目前,世界上只有30多個植物工廠,由于設(shè)備投資大、耗電多(占生產(chǎn)成本一半以上), 如何降低成本和“工廠化”成套技術(shù)研究是現(xiàn)在和將來設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展趨向。
2 國外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的基本經(jīng)驗
2. 1 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化是設(shè)施農(nóng)業(yè)水平的標志、發(fā)展的方向
設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的核心,就是將現(xiàn)代工程技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)綜合應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè),按照動植物生長的要求控制最佳生產(chǎn)環(huán)境,實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品周年生產(chǎn)、均衡上市、高產(chǎn)出和高效益。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的過程就是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化、標準化和智能化的過程,智能化的設(shè)施農(nóng)業(yè)是技術(shù)高度密集的高科技現(xiàn)代農(nóng)業(yè),是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平高低的標志,是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平先進性的體現(xiàn)、發(fā)展的方向。
2. 2 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化有效地拓展了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新時空, 豐富了農(nóng)產(chǎn)品市場
設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)充分利用自然環(huán)境和生物潛能,在大幅提高單產(chǎn)的情況下保證質(zhì)量和供應(yīng)的穩(wěn)定性,具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、周年均衡生產(chǎn)的特點,有效地拓展了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新時空,開創(chuàng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新天地,使反季節(jié)農(nóng)產(chǎn)品能根據(jù)市場需求源源不斷生產(chǎn)出來,滿足社會對農(nóng)產(chǎn)品特別是反季節(jié)、高端產(chǎn)品的不同層次的需求。
2. 3 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化促進科技與生產(chǎn)結(jié)合, 提高農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新水平
設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化建立在現(xiàn)代生物技術(shù)、工程技術(shù)和以計算機和現(xiàn)代通信技術(shù)為主的信息技術(shù)基礎(chǔ)上,對設(shè)施農(nóng)業(yè)新技術(shù)的研究、推廣和服務(wù)提出了新的要求,并提供了廣闊的發(fā)展空間,智能化的過程實質(zhì)上就是科技與生產(chǎn)結(jié)合的過程、科技創(chuàng)新的過程。因此,設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化能有效促進科技與生產(chǎn)結(jié)合,加快農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新步伐。
2. 4 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供典型示范作用
設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化集現(xiàn)代工程技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)于一體,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不受氣候條件影響,在實現(xiàn)鮮活農(nóng)產(chǎn)品周年生產(chǎn)、均衡上市的同時,具有較高市場競爭力和抵御市場風(fēng)險的能力,集約化、商品化程度高,經(jīng)濟效益好,體現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的先進水平和發(fā)展方向, 其存在和發(fā)展為現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一面鏡子, 樹立了一個榜樣, 起著典型示范作用。
3 借鑒國外經(jīng)驗,推進我國設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的總體思路、發(fā)展重點、關(guān)鍵技術(shù)和對策建議
3. 1 總體思路
深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀,借鑒發(fā)達國家發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的經(jīng)驗,按照農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的要求,堅持以市場需求為導(dǎo)向,以農(nóng)民增收為核心,以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代物質(zhì)裝備、現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系為支撐,把設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化建設(shè)作為提升農(nóng)業(yè)發(fā)展層次的重要平臺,積極引導(dǎo)農(nóng)戶、合作經(jīng)濟組織、工商企業(yè)等各類投資主體積極參與設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化建設(shè),以設(shè)施園藝業(yè)、規(guī)模畜牧業(yè)和特色水產(chǎn)業(yè)為重點,不斷提升設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化水平,加快設(shè)施農(nóng)業(yè)的規(guī)?;藴驶?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
3. 2 發(fā)展重點
在貫徹落實現(xiàn)有設(shè)施農(nóng)業(yè)扶持政策與補助資金基礎(chǔ)上,繼續(xù)加大財政對農(nóng)民專業(yè)合作經(jīng)濟組織和農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)的扶持力度,建立設(shè)施農(nóng)業(yè)扶持資金,同時,加大信貸支持力度,在不改變農(nóng)用地用途的前提下,推進土地規(guī)模流轉(zhuǎn),積極鼓勵標準化規(guī)模養(yǎng)殖,扶持由農(nóng)戶、村級合作經(jīng)濟組織、工商企業(yè)等各類投資主體建設(shè)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化項目,重點是在完善現(xiàn)有項目的基礎(chǔ)上,加快智能化技術(shù)和成果的推廣應(yīng)用,新建一批規(guī)范化、標準化、系統(tǒng)化的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化項目,主要是具有區(qū)域特色的智能化高效設(shè)施種植項目,符合環(huán)評要求且切實做好畜禽糞便等廢棄物無害化處理和資源循環(huán)利用的畜禽養(yǎng)殖項目和特種、精品水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖項目,逐步形成具有中國特色的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)和設(shè)施體系,實現(xiàn)大規(guī)模商品化生產(chǎn),形成高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
3. 3 關(guān)鍵技術(shù)
目前我國種植和養(yǎng)殖生產(chǎn)中廣泛使用的是簡易設(shè)施,如鋼架大棚、簡易大棚和日光溫室,此類設(shè)施在技術(shù)要求和管理水平上貼近當(dāng)今農(nóng)民與農(nóng)業(yè)實際,具有投入低、資金回收快和易于管理等優(yōu)點,因此在今后很長一段時間里,它們?nèi)允窃O(shè)施農(nóng)業(yè)的主體。但是,這類設(shè)施不適合于高度智能化的環(huán)境調(diào)控,目前對其的環(huán)境管理完全依賴于農(nóng)民個體的栽培經(jīng)驗、技術(shù)水平和知識水平。因此,必須針對上述現(xiàn)狀,以設(shè)施智能化為最終目標,全面部署與之相關(guān)的智能化關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作,重點如下:一是設(shè)施物理環(huán)境因子的信息采集技術(shù);二是設(shè)施種植、養(yǎng)殖對象,即生物生產(chǎn)生長過程信息的動態(tài)采集與監(jiān)測技術(shù);三是設(shè)施生產(chǎn)整個環(huán)節(jié)所涉及的生產(chǎn)技術(shù)的規(guī)范化和標準化技術(shù);四是智能化系統(tǒng)硬件平臺技術(shù),特別是通用性、兼容性和可擴展性方面的技術(shù);五是各類(初期可以主栽品種或主要養(yǎng)殖品種為重點)控制模型、管理模型或?qū)<蚁到y(tǒng)的技術(shù),這是這個智能化系統(tǒng)的核心與靈魂,也是設(shè)施智能化工作成敗的關(guān)鍵所在;六是設(shè)施產(chǎn)品從生產(chǎn)、流通到最終消費的整體產(chǎn)業(yè)鏈條的信息化管理技術(shù),即設(shè)施產(chǎn)品溯源技術(shù)與系統(tǒng)平臺技術(shù);七是設(shè)施生產(chǎn)管理的智能機器技術(shù),包括施藥智能機器技術(shù)、采摘智能機器技術(shù)等。
3. 4 對策建議
圍繞發(fā)展目標,確定設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展總體規(guī)劃,制定年度發(fā)展計劃,明確設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的階段性發(fā)展要求。根據(jù)各地的資源特點、傳統(tǒng)優(yōu)勢和產(chǎn)品特色,確定設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的總體規(guī)模和布局,并把節(jié)約資源和保護生態(tài)環(huán)境的意識落實在發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化的各個環(huán)節(jié)。
充分發(fā)揮政策扶持導(dǎo)向作用和市場配置資源的基礎(chǔ)性作用,正確處理好設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的經(jīng)濟效益與社會、生態(tài)效益,眼前利益與長遠利益的關(guān)系,把握市場需求變化趨勢, 確定設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展方向,充分發(fā)揮各類營銷組織、農(nóng)民經(jīng)紀人等市場主體在農(nóng)產(chǎn)品流通中的作用,一切以效益為重,一切為了農(nóng)民增收。
堅持從主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)、資源條件、工作基礎(chǔ)、農(nóng)民意愿出發(fā),建設(shè)經(jīng)濟實用、集約高效、農(nóng)民歡迎的設(shè)施類型,既注重投入傾斜,培育典型,發(fā)揮示范帶動作用,引領(lǐng)區(qū)域平衡發(fā)展, 又要因地制宜,分類指導(dǎo),實現(xiàn)差別化發(fā)展,形成區(qū)域特色。
按照區(qū)域經(jīng)濟生態(tài)特點,發(fā)揮市場配置資源作用,形成科學(xué)合理的產(chǎn)業(yè)分工和布局。切實加強設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化重點項目建設(shè),集中精力,加大投入,扶優(yōu)扶強,加快發(fā)展。同時,高度重視方向性、前瞻性技術(shù)與設(shè)備的試驗示范和推廣,搞好技術(shù)儲備,發(fā)展基礎(chǔ)。
把創(chuàng)樹名牌作為提升設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化水平的重要途徑,制定設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程, 加強投入品管理,實行全程質(zhì)量控制,實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益的有機統(tǒng)一。