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本文作者：郭世榮孫錦束勝李晶作者單位：南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院

國外設施園藝發(fā)展的特點

1工業(yè)技術植入園藝作物生產(chǎn)，實現(xiàn)了設施園藝生產(chǎn)的自動化

工業(yè)技術植入園藝作物生產(chǎn)之中，使設施園藝賦予了工廠化農(nóng)業(yè)的內涵，成為工業(yè)化大體系不可分割的部分。溫室生產(chǎn)的高投入、高產(chǎn)出、高效率管理模式要求應用大量的高新技術，當前工業(yè)領域內的科技成果(如機器人技術等)不斷運用于溫室園藝配套裝備之中，已取得初步成果。國外發(fā)達國家一直致力于把自動化技術應用于園藝作物的耕種、施肥、灌溉、病蟲害防治、收獲以及農(nóng)產(chǎn)品加工、儲藏、保鮮的全過程，可以根據(jù)作物生長發(fā)育的特點，創(chuàng)造最適宜的溫室環(huán)境條件，基本擺脫了外界環(huán)境條件對作物生產(chǎn)的影響，實現(xiàn)了作物周年生產(chǎn)和均衡上市。目前，這種自動控制技術逐步向智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展［31］。20世紀70年代以來，發(fā)達國家的設施園藝已具備了設施設備完善、生產(chǎn)技術規(guī)范、產(chǎn)量穩(wěn)定和產(chǎn)品質量安全性強等特點，并且已形成了溫室制造、生產(chǎn)資料配套、產(chǎn)品生產(chǎn)、物流等為一體的設施園藝產(chǎn)業(yè)體系。目前，日本、美國、荷蘭、以色列、韓國、英國開發(fā)出的耕耘、移栽、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、蔬菜水果采摘、育苗移栽、苗盤覆土消毒等機器人裝備相對比較成熟，可用于設施園藝生產(chǎn)。溫室園藝機器人的使用，不僅大幅提高勞動生產(chǎn)率，改善設施生產(chǎn)勞動環(huán)境，而且保證了作業(yè)的一致性和均一性［32］。日本、韓國等國研究開發(fā)了多種設施園藝耕作機具、播種育苗裝備、灌水施肥裝備以及自動嫁接裝備等，提高了溫室管理水平和勞動生產(chǎn)率;荷蘭研制溫室屋面清洗機械裝置，用于清洗屋面灰塵，大幅度提高了溫室的透光率［33－34］。另外，荷蘭還開發(fā)出自動通風窗開閉、溫濕度調節(jié)裝置，被越來越多的溫室采用。發(fā)達國家在設施園藝產(chǎn)品的采收和后加工過程中，廣泛使用包裝機具、高效運輸裝置、盆花轉運機械、快速分級系統(tǒng)等設備，提高了園藝農(nóng)產(chǎn)品的商品性，如荷蘭采運、包裝設備能同時實現(xiàn)10～20個不同花卉品種的自動分類，X射線可用于分辨盆花莖干的長度和葉色［35］。

2高新技術在設施園藝中的應用，推動了設施園藝向“植物工廠”方向發(fā)展

無土栽培、計算機技術、生物技術、產(chǎn)品采后處理、新能源利用等高新技術在設施園藝中的應用，使設施園藝逐步向“植物工廠”方向發(fā)展。在美國、日本、英國、奧地利、丹麥等國都建有高度自動化的“植物工廠”，可用來生產(chǎn)蔬菜、花卉和果樹，并且一些高附加值的作物如香料、工業(yè)原料植物、藥用植物、食用菌等也采用“植物工廠”進行生產(chǎn)。目前，“植物工廠”主要用于生菜、菠菜、萵苣、三葉芹、番茄等蔬菜作物的生產(chǎn)，由于充分利用空間，實現(xiàn)立體多層種植，單位面積的栽培效率可提高數(shù)倍。如日本在“植物工廠”內利用無土栽培技術和環(huán)境自動調控技術，一年內可多茬栽培生菜和菠菜，收獲期比露地縮短一半時間，產(chǎn)量可達180kg•m－2左右，為露地栽培的30倍以上［26］。此外，隨著人類對太空探索的日益增多，太空農(nóng)業(yè)成為研究的熱點，美國宇航局(NASA)在國際空間站上探索“植物工廠”技術，目前已在綠豆、菜豆和馬鈴薯等作物上獲得了成功。

3無土栽培技術的應用使設施園藝發(fā)生了巨大變革

20世紀20年代末，無土栽培技術開始應用于設施作物生產(chǎn)，使設施栽培技術產(chǎn)生了一次大的變革。無土栽培打破了作物生產(chǎn)的空間和地域限制，可以在不適合作物生長的荒漠戈壁、灘涂地、海島、鹽堿地、高寒地、陽臺屋頂甚至太空進行作物生產(chǎn);無土栽培改變了設施栽培的傳統(tǒng)種植方式，采用營養(yǎng)液或有機基質進行作物生產(chǎn)，可以有效避免設施土壤連作障礙，生產(chǎn)出清潔安全的園藝產(chǎn)品，并且具有省水、省肥、省工等優(yōu)勢，從而成為栽培學領域飛速發(fā)展的一門新技術;無土栽培可加速作物生長，提高產(chǎn)量和品質，一般果菜類蔬菜水培的產(chǎn)量為土壤栽培的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，如番茄營養(yǎng)液栽培年產(chǎn)量最高的可達到75kg•m－2，極大提高了園藝作物的生產(chǎn)效率。20世紀70年代初，美國已有400hm2溫室采用無土栽培技術生產(chǎn)黃瓜、番茄等。目前，在發(fā)達國家的設施園藝生產(chǎn)中，無土栽培占溫室總面積的比例荷蘭超過70%，加拿大超過50%，比利時達50%，美、日、英、法等國的無土栽培面積達到250～400hm2［36－37］。歐共體明確規(guī)定，所有歐共體國家溫室作物生產(chǎn)要全部實現(xiàn)無土栽培。

4節(jié)能、環(huán)保的理念貫穿于設施園藝生產(chǎn)之中

設施園藝是一種高能源消耗、高成本投入、高效率產(chǎn)出的生產(chǎn)方式，其中溫室的能源消耗占運行成本的比例較高，減少能耗、提高能源利用效率是設施園藝發(fā)達國家開展節(jié)能工作的普遍做法。隨著能源危機的不斷加劇，節(jié)能設備已成為溫室裝備研究和開發(fā)的熱點之一，而人工補光裝置是溫室耗能最多的設備之一。日本、荷蘭、美國等積極探索溫室新型補光光源LED的研究。LED冷光源在滿足作物光合作用需求的條件下，與傳統(tǒng)鈉燈相比具有高光效、長壽等特點，節(jié)省能耗達50%以上［38－39］。近年來，由于中東局勢不穩(wěn)定導致能源緊張、CO2排放的限制以及《京都議定書》的執(zhí)行等原因，歐美發(fā)達國家已將節(jié)能技術作為溫室領域最重要的研究課題。目前在設施園藝節(jié)能新材料、新技術和新能源的研究中，主要傾向于對太陽能和儲熱材料的有效利用。其中，溫室相變儲熱技術就是最具發(fā)展前景的節(jié)能技術之一［40］，美國和日本等國使用氯化鈣、硫酸鈉、聚乙二醇和石蠟等相變材料作為墻體儲熱、地下儲熱和室內外聯(lián)合儲熱系統(tǒng)，試驗證明是可行的儲熱方法，但其工藝和儲放熱效率等尚需進一步改進［41－42］。一些國家利用淺層地熱，在夏季通過把低溫冷水源抽到地上，用于溫室降溫，經(jīng)過熱交換的熱量回流到地下，冬季把高溫熱水源抽上來，只需要稍微加溫就可以用于溫室增溫［43］。另外，通過對溫室覆蓋材料內側進行鍍膜處理，能夠有效阻止長波向室外輻射，減少了熱損耗，可以實現(xiàn)節(jié)能25%以上。在多余能量回收和利用方面，荷蘭瓦赫寧根大學通過覆蓋多層光譜選擇性吸收的金屬材料(SOL-MOXHilite，荷蘭)和絕緣塑料薄膜(Ebiral，美國)，研制成一種高效降溫－高品位能量產(chǎn)生組合系統(tǒng)，并應用于生產(chǎn)［44］。該技術在高溫季節(jié)，可以反射作物光合作用不需要的近紅外光(NIR)，減輕溫室的高熱負荷，而收集反射的能量直接或間接地轉化成電能，用于溫室降溫的能耗;荷蘭溫室通過在玻璃表面噴灑白色涂層，減少夏季進入溫室的太陽輻射量，達到降溫目的;通過改進溫室通風窗口的數(shù)量、尺寸、傳動方式以及開啟的角度也能夠使溫室達到較理想的降溫效果。發(fā)達國家在發(fā)展設施園藝過程中，把保護環(huán)境作為前提條件。進入21世紀，隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護和食品安全的日益關注，歐美發(fā)達國家在探索溫室能源高效利用、生態(tài)環(huán)境保護等方面進行了大量的研究工作，研制開發(fā)出一系列適合于溫室安全生產(chǎn)的環(huán)境友好型新技術。營養(yǎng)液無土栽培技術在現(xiàn)代溫室生產(chǎn)中被廣泛使用，然而，大量營養(yǎng)液的廢棄給環(huán)境帶來巨大的壓力。歐盟普遍采用營養(yǎng)液閉路循環(huán)系統(tǒng)，通過對營養(yǎng)液的回收、過濾、消毒等措施，實現(xiàn)節(jié)水21%、節(jié)肥34%，提高營養(yǎng)液利用效率，同時大幅度地減少營養(yǎng)液外排污染水源和土壤。在溫室病蟲害防治方面，開展以生物防治、生態(tài)防治和物理防治相結合的綜合防治技術的研究與應用［45］。目前，荷蘭在溫室生物和生態(tài)防治綜合利用方面處于世界領先地位，如Koppert公司通過釋放天敵昆蟲，能夠對設施蔬菜主要害蟲達到良好的防治效果，如粉虱天敵漿角蚜、斑潛蠅天敵潛蠅姬小蜂、蚜蟲天敵食蚜癭蚊［46］，目前這些害蟲的天敵已基本實現(xiàn)了商品化。為了提高溫室番茄、甜椒等蔬菜作物的質量，禁止使用化學生長激素，荷蘭研制馴化出取代傳統(tǒng)振蕩授粉的雄蜂授粉，這種授粉方式效率高，并且能使作物產(chǎn)量提高20%左右。以色列開發(fā)出太陽能殺滅溫室土壤病蟲害新技術，把灌溉系統(tǒng)安置在翻耕的土壤中，鋪上一層薄薄的透明塑料膜，經(jīng)過夏季高溫處理，可殺死地表30cm土壤層中90%～100%的細菌、真菌以及線形蠕蟲等。統(tǒng)計分析表明，太陽消毒法可提高設施番茄、洋蔥、土豆等農(nóng)作物產(chǎn)量25%～432%。在新型栽培基質開發(fā)利用方面，加拿大、以色列、英國等國研制出替代草炭、巖棉的無土栽培生態(tài)型基質，形成與其相配套的設施蔬菜低碳栽培技術體系［47］。目前，低成本、環(huán)保型無土栽培基質研發(fā)已取得重大進展，并逐步走向產(chǎn)業(yè)化、商品化。

5信息化技術和計算機技術應用于設施園藝作物周年生產(chǎn)之中

隨著微型計算機、傳感器及單片機技術的運用，溫室環(huán)境控制智能化、網(wǎng)絡化管理技術得到較快的發(fā)展。設施園藝發(fā)達國家研發(fā)作物自動化生產(chǎn)管理和環(huán)境智能化控制體系，從育苗、定植、栽培、施肥、灌溉等過程全部實現(xiàn)自動化運作，溫室環(huán)境如溫度、光照、濕度、水分、營養(yǎng)、CO2濃度等綜合環(huán)境因子全部實現(xiàn)計算機智能監(jiān)控。隨著無線網(wǎng)絡技術的應用，溫室網(wǎng)絡化管理技術也得到了較快的發(fā)展。美國、日本、荷蘭研發(fā)出一種基于控制器局域網(wǎng)總線(CAN)和無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的控制系統(tǒng)，能夠對溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度以及光照等參數(shù)進行自動采集，同時控制風機、暖氣、水泵等溫室環(huán)境調控設備，使溫室環(huán)境達到農(nóng)作物生長的最佳環(huán)境［48］。通過研究溫室作物生長發(fā)育與環(huán)境、營養(yǎng)之間的定量關系，建立作物生長發(fā)育信息化模型，開發(fā)出適合不同作物生長發(fā)育的溫室控制、咨詢及管理專家系統(tǒng)。以色列和荷蘭開發(fā)出番茄和黃瓜等蔬菜作物生育模型和專家系統(tǒng)，包括適用于整枝方式、栽培密度、針對天氣和植株生育狀況的環(huán)境指標、不同生育階段的水肥指標、病蟲害預防和控制技術等。荷蘭瓦赫寧根大學通過將作物管理模型與環(huán)境控制模型相結合，實現(xiàn)溫室環(huán)境的智能化管理，大幅度降低了溫室系統(tǒng)能耗和運行成本。日本千葉大學利用遙感遙測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊控制策略等智能控制技術，對農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地生長、采收驗收、加工、自檢自控等所有過程的數(shù)據(jù)、信息、圖像都實現(xiàn)了信息化管理［49］。

6注重溫室作物專用品種的選育及其配套技術的研發(fā)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)競爭的核心是品種，重視溫室栽培作物專用品種的選育是設施園藝發(fā)達國家保持溫室產(chǎn)業(yè)世界競爭力的重要手段。這些國家在搜集保存本國種質資源的同時，還十分重視國外種質資源的搜集、交換和引進，如以色列通過搜集和引進國外花卉、蔬菜、果樹品種在設施內進行微咸水灌溉，通過遺傳改良、馴化，培育出適合于本國溫室生產(chǎn)的專有設施園藝品種。近年來，設施園藝發(fā)達國家越來越關注設施作物新品種的外觀品質、營養(yǎng)品質、耐貯運等性狀的選育，如以色列選育出一種根據(jù)客戶對體積和色澤要求的無籽西瓜新品種;荷蘭種苗公司開發(fā)出一些富含鈣質、維生素且熱量低的“減肥蔬菜”，高氨基酸含量的“營養(yǎng)蔬菜”，具有觀賞價值的“花卉蔬菜”等新品種。一些生物技術被廣泛用于溫室作物新品種的選育，包括細胞組織培養(yǎng)、體細胞雜交、原生質體融合、遺傳標記、轉基因等技術，在茄子、番茄、甜椒、黃瓜及葉用萵苣等蔬菜作物上培育出一大批優(yōu)良品種，如德國馬普育種研究所將人工合成的吲哚基醋酸基因轉入茄子，使冬種茄子與夏種的一樣優(yōu)質;荷蘭育成的抗蟲蔬菜品種可以大幅度減少蔬菜生產(chǎn)中農(nóng)藥的使用量，既降低了蔬菜產(chǎn)品農(nóng)藥的殘留，也降低了蔬菜生產(chǎn)的成本。此外，在開發(fā)和選育設施作物新品種的基礎上，歐美發(fā)達國家非常注重溫室新品種配套栽培技術的研究和開發(fā)，選育的新品種普遍采用工廠化育苗體系、高效安全生產(chǎn)技術體系和無土栽培技術，利用高新技術使環(huán)境因子與栽培模式的規(guī)范完美結合，為作物生長提供最佳的環(huán)境，保證高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)［50－51］。

國外設施園藝發(fā)展趨勢分析

1設施環(huán)境調控自動化與設施園藝作業(yè)機械化程度不斷提高

發(fā)達國家從事農(nóng)業(yè)人員較少，加上勞動力成本較高，設施園藝生產(chǎn)中非常注重管理水平和勞動生產(chǎn)率的提高，從溫室耕作、作物栽培、生長管理、產(chǎn)品采收、包裝和運輸?shù)冗^程全部實現(xiàn)機械化控制，溫室內溫度、光照、濕度等環(huán)境調節(jié)全部由計算機監(jiān)控和自動化調控。隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，機器人技術將會廣泛應用于設施園藝的生產(chǎn)，實現(xiàn)溫室作業(yè)精確、高效及省力化。

2溫室日趨大型化，環(huán)境調控趨于智能化

大型溫室設施具有投資省、土地利用率高、便于實行機械化自動管理、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)、室內環(huán)境相對穩(wěn)定的優(yōu)點，因此，設施園藝發(fā)達的國家如荷蘭、加拿大等溫室逐漸向大型化方向發(fā)展;溫室園藝的核心是能夠對設施內栽培環(huán)境進行有效地控制，創(chuàng)造出適于作物生育的最佳環(huán)境條件，因此，未來的人工智能控制系統(tǒng)不僅要做到栽培環(huán)境全自動控制，還要與市場、氣象站、種苗公司、病蟲害測報等相連接，進行產(chǎn)量、產(chǎn)值的預測，為生產(chǎn)者提供更為廣泛的信息情報和確切的決策依據(jù)。

3設施作物品種更加豐富，市場服務體系更加完善

愈發(fā)重視設施作物專用品種的選育，為設施園藝生產(chǎn)提供專用的耐低溫、高溫、弱光、高濕，具有多種抗性、優(yōu)質高產(chǎn)的種苗。種苗公司作為品種選育的主體，在種質資源、育苗設備方面具有強大的優(yōu)勢，能夠依據(jù)市場需求開發(fā)設施栽培所需專用品種，并對設施園藝產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后提供技術支持和市場信息化服務。

4無土栽培成為現(xiàn)代設施園藝的主要栽培形式

無土栽培技術具有諸多方面的優(yōu)點，目前全球已有100多個國家將無土栽培技術用于溫室生產(chǎn)品質優(yōu)、商品性好、安全、綠色的園藝產(chǎn)品。隨著未來人口數(shù)量的不斷增長、可耕地面積的日益銳減，無土栽培技術在提高作物產(chǎn)量、拓展土地利用空間以及保護自然生態(tài)環(huán)境方面具有廣闊的應用前景，在設施園藝、觀光農(nóng)業(yè)、家庭園藝、植物工廠和太空農(nóng)業(yè)領域也將會擁有廣闊的發(fā)展前景。

5設施園藝的生態(tài)社會功能更加突出

隨著人們對農(nóng)產(chǎn)品安全和生態(tài)環(huán)境保護的日益關注，溫室環(huán)境友好、資源高效利用技術得到廣泛重視，設施栽培產(chǎn)品及對環(huán)境的無污染化成為必然。設施園藝在都市美化綠化、環(huán)境保護、園藝健康、休閑觀光等方面將會得到蓬勃發(fā)展，將在提高社會生態(tài)文明和精神文明建設中做出突出的貢獻。國外設施園藝蓬勃發(fā)展，新材料、新手段、新技術、新模式、新成果不斷應用，科技、產(chǎn)量、效益水平不斷提高，取得的經(jīng)驗和好的做法值得我國借鑒，有助于我國從設施園藝大國向設施園藝強國轉型。