李 俊 李建明* 曹 凱 趙志華 張大龍 徐 菲 杜宏斌蔣學(xué)琴
(1西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院,農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌 712100;2石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆石河子 832003;3寧夏回族自治區(qū)銀川市農(nóng)業(yè)局,寧夏銀川 750004)
西北地區(qū)是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢地區(qū)。大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)可以克服干旱半干旱、水資源缺乏、溫差大、冬季嚴(yán)寒干燥及土地沙化嚴(yán)重等不利的自然環(huán)境帶來的影響,對于提升西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力、自然災(zāi)害抵御能力,提高資源的利用率、勞動生產(chǎn)率等均具有重要作用。同時(shí),西北地區(qū)地域生態(tài)類型多樣,周年氣候多變,對設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展提出了許多新的技術(shù)問題,開展符合西北不同氣候環(huán)境條件設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)研究對我國開發(fā)西北,保障全國食品供給具有一定意義。
根據(jù)西北地區(qū)的氣候特點(diǎn),采用的設(shè)施類型主要是具有區(qū)域特色自主研制開發(fā)的西北節(jié)能日光溫室(李建明和鄒志榮,2004;王宏麗 等,2008)。在西北地區(qū),土質(zhì)墻體保溫蓄熱性能好,是現(xiàn)有西北節(jié)能日光溫室中應(yīng)用最多的墻體,約占所有日光溫室的95%(楊建軍 等,2009)。到2011年底,我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積超過400萬hm2,西北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積逾40萬hm2,其中80%左右是節(jié)能日光溫室和大棚,陜西設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積14.33萬hm2,其中日光溫室5.33萬hm2;寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積8.05萬hm2,其中日光溫室面積3.45萬hm2,拱棚逾4萬hm2;甘肅設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積8.80萬hm2,其中日光溫室3.86萬hm2,大拱棚4.95萬hm2;新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積7.60萬hm2;青海設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積約1.33萬hm2。
陜西省是西北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展最大的省,主要種植秋冬茬及早春茬番茄、辣椒、甜瓜、西瓜及黃瓜等作物,日光溫室平均每667 m2產(chǎn)值約3萬元,大中拱棚每667 m2產(chǎn)值1萬元左右。寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)主要種植秋冬茬及冬春茬的番茄、黃瓜及茄子等作物,日光溫室平均每667 m2產(chǎn)值約2萬元 ,大中拱棚每667 m2產(chǎn)值0.8萬元左右(張雪艷 等,2011)。新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)從過去的以蔬菜栽培為主向早春茬西瓜、甜瓜、葡萄等瓜果發(fā)展,設(shè)施農(nóng)業(yè)平均每667 m2產(chǎn)值1萬元以上(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化信息網(wǎng),2012)。甘肅省設(shè)施農(nóng)業(yè)主要種植冬春茬及早春茬黃瓜、茄子及番茄等作物,日光溫室平均每667 m2產(chǎn)值1萬~5萬元(邱仲華,2011)。青海省設(shè)施農(nóng)業(yè)主要種植早春茬及秋冬茬的小白菜、黃瓜及番茄等作物,設(shè)施農(nóng)業(yè)平均每667 m2產(chǎn)值1萬~3萬元(張小青,2012)。
① 園區(qū)化、集約化模式:政府主導(dǎo)建園,組建集團(tuán)公司管理,承包給農(nóng)戶經(jīng)營。如陜北、甘肅及寧夏等市縣農(nóng)業(yè)園區(qū)不僅規(guī)模大,效益好,而且成為設(shè)施農(nóng)業(yè)先進(jìn)技術(shù)的推廣基地。②果蔬專業(yè)合作社模式:通過工商資本、民間資本等社會資本投入到設(shè)施農(nóng)業(yè),進(jìn)而推動西北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬專業(yè)合作社的發(fā)展,形成了“公司+合作社+農(nóng)戶”的經(jīng)營模式(張杰 等,2012)。③ 龍頭企業(yè)帶動模式:采用“龍頭企業(yè)+基地+農(nóng)戶”模式,龍頭企業(yè)對農(nóng)戶生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品一次性收購,雙方不簽訂合同,自由買賣,價(jià)格隨行就市。④ 家庭農(nóng)場經(jīng)營模式:設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展中新興的一種模式,目前在陜西榆林靖邊縣、綏德縣出現(xiàn)以家庭適度規(guī)模經(jīng)營為主的庭院經(jīng)濟(jì),對設(shè)施農(nóng)業(yè)多元化的發(fā)展起到促進(jìn)作用,不過規(guī)模相對較小,處于起步階段。
截至2012年上半年,陜西、甘肅、寧夏等省區(qū)各類農(nóng)業(yè)園區(qū)已經(jīng)達(dá)到1 000個(gè)以上,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園已經(jīng)形成規(guī)模,達(dá)到500個(gè)以上。以陜西省為例,2011年底,以菜、畜、果等為重點(diǎn)的各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)發(fā)展到1 185個(gè),其中省級農(nóng)業(yè)園區(qū)達(dá)到150個(gè),培育了楊凌、延安、長安、富平等具有示范推廣作用的國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)(中國政府網(wǎng),2012)。
2010年以來,寧夏沙區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積發(fā)展到0.67萬hm2,帶動了沙化地區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。在甘肅省民勤縣沙區(qū),2011年全縣設(shè)施農(nóng)業(yè)0.44萬hm2,每667 m2日光溫室均產(chǎn)值達(dá)到12 015元,棚內(nèi)純收入達(dá)到8 679元。在新疆,以戈壁土為基礎(chǔ),通過添加一定量的有機(jī)質(zhì)形成少土栽培基質(zhì),用作蔬菜、果樹、花卉等的栽培,目前戈壁設(shè)施少土栽培已輻射到喀什、和田、阿克蘇、吐魯番及阿勒泰等多個(gè)縣市 (鳳凰網(wǎng),2012)。
以基質(zhì)和營養(yǎng)液栽培作物的無土栽培技術(shù)近年來已經(jīng)在西北地區(qū)日光溫室中廣泛應(yīng)用(杜中平,2011),特別是水肥一體化的無土栽培的興起,大大降低了有機(jī)蔬菜在生長過程中病蟲害的發(fā)生,保護(hù)了生態(tài)環(huán)境,減輕了土壤污染,防止了連作障礙,向人們提供了營養(yǎng)、健康、安全無公害的綠色食品(胡建,2012;吉佩峰,2012)。
隨著科技的發(fā)展,以地理信息系統(tǒng)GIS為代表的農(nóng)業(yè)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上大力興起(劉璐 等,2012),另外計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)、全球定位系統(tǒng)GPS及遙感技術(shù)RS也相繼應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。實(shí)現(xiàn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)水肥一體化及環(huán)境的科學(xué)管理(呂烈武和郭彬,2008)。
2.1.1 光伏發(fā)電日光溫室應(yīng)用研究 光伏發(fā)電日光溫室是采用光伏電池組件作為屋面覆蓋材料,部分替代傳統(tǒng)的玻璃和PC板,實(shí)現(xiàn)溫室作物生產(chǎn)與光伏發(fā)電的有機(jī)結(jié)合(鮑順淑 等,2008;魏曉明 等,2011)。在陜西安塞縣、楊凌示范區(qū)陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究中心對日光溫室中光伏系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行模擬測試,使光伏發(fā)電日光溫室集研究、示范、節(jié)能為一體,研究其對溫室能源利用、作物生長期發(fā)育及產(chǎn)量的影響。
2.1.2 風(fēng)能、地?zé)崮芗吧镔|(zhì)能等可再生能源的綜合利用及開發(fā) 風(fēng)能在設(shè)施養(yǎng)殖中的作用主要是提水作業(yè)和發(fā)電,而在設(shè)施栽培中應(yīng)用較少;地?zé)崮苤饕菧\層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用,采用地源熱泵技術(shù),冬季可以供給溫室熱量,夏季可以制冷使溫室降溫,但是地源熱泵的利用目前處在初探階段(孫先鵬 等,2012)。生物質(zhì)能在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要是“秸稈反應(yīng)堆”工程技術(shù)。研究表明外置式秸稈反應(yīng)堆能有效改善越冬茬番茄栽培過程中日光溫室內(nèi)的環(huán)境條件,緩解晴天日光溫室內(nèi)CO2的虧缺,增加番茄的凈光合速率和水分利用率,最終提高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益(卞中華 等,2012;張靜 等,2012)。
2012年,西北農(nóng)林科技大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程課題組研制開發(fā)了多種新型日光溫室。① 雙層幕日光溫室:采用雙層骨架,外層為普通日光溫室骨架,承受溫室所有的荷載;內(nèi)部為單層輕骨架,承受內(nèi)部保溫被荷載。② 山地日光溫室:黃土高原主要采用山地日光溫室,墻體依靠山體,墻體為無限厚度。③ 集雨日光溫室:墻體采用相變砌塊磚,后墻是普通粘土墻,在溫室的一面山墻修筑蓄水池。④ 可變采光角日光溫室:可變采光傾角溫室前屋面傾角為60°,機(jī)動屋面的傾角可以在25°~34°之間連續(xù)變化。⑤ 異質(zhì)夾土后墻日光溫室:墻體為兩邊砌塊結(jié)構(gòu)中間異質(zhì)夾心結(jié)構(gòu),在后墻內(nèi)部設(shè)計(jì)通風(fēng)通道,通過機(jī)械動力通風(fēng)達(dá)到蓄熱和放熱的功能。⑥ 相變后墻日光溫室:墻體為空心砌塊,然后在空心砌塊內(nèi)部填充復(fù)合相變材料,進(jìn)而達(dá)到相變蓄熱的功能;另外也可以在后墻內(nèi)側(cè)墻壁上安裝PE管材,然后將相變材料充入PE管材內(nèi)部。⑦ 非對稱雙層內(nèi)保溫溫室:利用傳統(tǒng)日光溫室的后墻體,采用背靠背式,在背面設(shè)置陰棚,陰棚跨度小于陽棚跨度。陰陽棚的墻體采用磚和混凝土建造,陰棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與陽棚相似,均通過雙層膜覆蓋起到保溫作用。⑧ 大跨度雙層內(nèi)保溫塑料大棚:大棚跨度為14~20 m,外層高度3.8~5.4 m,內(nèi)層高度為3.0~4.2 m,長度為60~100 m,單體占地面積為840~2 000 m2。大棚兩端采用24灰磚墻體結(jié)構(gòu)建造,內(nèi)外兩層均為鋼骨架結(jié)構(gòu),并覆蓋塑料薄膜,在內(nèi)外兩層骨架間覆蓋自動保溫被系統(tǒng)(李建明,2012)。
2.3.1 日光溫室跨度的優(yōu)化 西北農(nóng)林科技大學(xué)對陜西關(guān)中地區(qū)冬春茬種植番茄的8、10 m和12 m三種跨度西北型日光溫室的光照、溫度、熱流等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測試,結(jié)果表明跨度為10 m時(shí)溫室的平均氣溫最高,番茄長勢最好(劉玉鳳 等,2012)。宋明軍和趙鵬(2006)對甘肅省河西走廊地區(qū)日光溫室跨度進(jìn)行了優(yōu)化,設(shè)計(jì)建造了跨度為10 m的西北型節(jié)能日光溫室,比其他跨度的溫室保溫性能更佳。
2.3.2 日光溫室土墻厚度的優(yōu)化 楊建軍等(2009)對陜西、新疆、甘肅和寧夏各省區(qū)目前比較流行的日光溫室土質(zhì)墻體進(jìn)行了研究。根據(jù)測試的環(huán)境溫度、保溫蓄熱性能、土地利用率及建造成本得出日光溫室土質(zhì)墻體的最佳厚度分別為:陜西楊凌地區(qū)1.0 m,新疆塔城地區(qū)1.4 m,甘肅白銀地區(qū)1.3 m,寧夏銀川地區(qū)1.5 m。
陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究中心研究表明,選用石蠟與硬脂酸正丁酯按質(zhì)量比為5∶5制成的復(fù)合相變材料,通過在溫室內(nèi)栽培番茄試驗(yàn),相變溫室中番茄的生長狀況明顯優(yōu)于普通溫室(王宏麗 等,2011)。另有研究表明,真空吸附硬脂酸正丁酯/聚苯乙烯定型相變蓄熱材料的相變溫度合適、相變潛熱大、熱穩(wěn)定性好,適合用于溫室低溫相變蓄熱材料(王宏麗 等,2010)。
西北地區(qū)由于降水量少,設(shè)施農(nóng)業(yè)缺少雨水的淋溶,導(dǎo)致鹽堿地普遍存在。目前主要通過土壤改良、育種、施用外源物質(zhì)等方法來緩解鹽堿脅迫等逆境對植物的傷害。施用外源物質(zhì)是一種有效、簡便的方法,目前研究較多的外源物質(zhì)是多胺中的亞精胺(胡曉輝 等,2009;金春燕 等,2010;李俊 等,2012a)。
在我國西北地區(qū)大部分日光溫室為了節(jié)約生產(chǎn)成本,基本無人工加溫設(shè)備,導(dǎo)致日光溫室冬春茬蔬菜生長經(jīng)常處于亞低溫脅迫下。增施一定量的鉀肥能提高番茄抵抗亞低溫脅迫能力,有利于番茄植株的生長和果實(shí)品質(zhì)的提高(秦文利和李春杰,2007);亞低溫下,番茄開花坐果期以蒸騰蒸發(fā)量的100%補(bǔ)充灌溉有利于提高植株的抗寒性(李建明 等,2010;李俊 等,2012b)。
近年來,水肥一體化技術(shù)在西北日光溫室中應(yīng)用較廣泛。它將灌溉和施肥融為一體,土壤水分和肥力達(dá)到最大化利用,實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。通過水鉀耦合、水氮耦合及水磷耦合的試驗(yàn),建立水肥耦合模型,合理進(jìn)行水肥調(diào)控,充分利用水肥耦合技術(shù),不僅能提高水肥利用效率,而且有利于番茄、甜瓜的生長發(fā)育,以及產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。
以溫室番茄和甜瓜為例,研究了溫室內(nèi)氣象環(huán)境因子、植株生理特性、土壤水分對作物蒸騰耗水量的影響,并且建立蒸騰量預(yù)測模型,模型可以較好地模擬各水分條件下番茄和甜瓜的蒸騰耗水量,具有重要推廣應(yīng)用價(jià)值(陳新明 等,2007;劉浩 等,2011;姚勇哲 等,2012)。
我國北方大部分地區(qū)的日光溫室墻體都是以磚墻和土墻為主,磚墻結(jié)構(gòu)成本為300元·m-2左右,土墻結(jié)構(gòu)成本為150~200元·m-2,以磚墻或者機(jī)器夯實(shí)的土墻為主的日光溫室后墻占地面積小,溫室之間的土地可以種植露地蔬菜,土地利用率高,但是成本高;而以推土機(jī)挖掘夯實(shí)的土墻由于其跨度較大,后墻較高,導(dǎo)致后墻的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磚墻,其占地面積增大,溫室之間的空余土地少,基本不能種植露地蔬菜,雖然成本低,但是土地利用率降低。西北地區(qū)節(jié)能日光溫室和我國北方其他地區(qū)一樣,大部分是采用大厚度墻體溫室,特別是部分地縣大量推廣山東厚土墻大跨度下沉式日光溫室,后墻為土墻,用挖掘機(jī)夯實(shí),墻體呈梯形狀,厚度為5~8 m,而整個(gè)日光溫室的跨度為8~14 m,日光溫室之間的露地面積很小,基本不適宜種植露地蔬菜,因此導(dǎo)致日光溫室生產(chǎn)土地利用率僅為40%左右,這使日光溫室的土地利用率大大降低。因此,既要兼顧建造成本又要考慮土地利用率,低成本與高土地利用率設(shè)施大棚的研究勢在必行。相關(guān)科技人員應(yīng)該因地制宜,研制適合本地區(qū)的設(shè)施大棚,建立低成本溫室大棚的研發(fā)機(jī)構(gòu),研制出包括低成本的承重材料、保溫覆蓋材料和薄而保溫的墻體;另外可以大力推廣非對稱雙層內(nèi)保溫溫室及大跨度雙層內(nèi)保溫塑料大棚(李建明,2012)。
我國北方地區(qū)的節(jié)能日光溫室與國外的連棟溫室相比較,一般面積較小,內(nèi)部操作空間有限,基本上沒有機(jī)械設(shè)備,生產(chǎn)基本靠手工操作,而與之相矛盾的是勞動力成本逐年上升;自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用也較少,如通風(fēng)系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)及打藥除草系統(tǒng)缺乏。所以環(huán)境調(diào)節(jié)、生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)、病蟲害防治及管理自動化與機(jī)械化迫在眉睫,要立足實(shí)際,在現(xiàn)有規(guī)模的基礎(chǔ)上,各類溫室大棚均要增加技術(shù)含量,添置自動化裝備,著力搞好技術(shù)配套,提高裝備水平。加快研發(fā)適合本地區(qū)的專門的農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)備,培訓(xùn)專門的操作人員,加大設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備的科技創(chuàng)新、研發(fā)和推廣,研制出一整套溫、光、水、氣、肥自動化控制設(shè)備。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程即作物從播種到果實(shí)成熟,是一個(gè)系統(tǒng)化的過程,農(nóng)民沒有把溫室作物的生產(chǎn)過程與環(huán)境管理很好地結(jié)合起來,如在施肥的同時(shí),沒有考慮溫度對肥料吸收的影響;在施藥的同時(shí)沒有考慮藥劑對植物的影響;在加溫的同時(shí)沒有考慮濕度、CO2濃度對植物的影響。因而易導(dǎo)致施肥、灌溉、施藥、通風(fēng)降溫、加溫等管理措施不合理,脫離生產(chǎn)實(shí)際,投入和產(chǎn)出不成正比。因此,政府應(yīng)加快生產(chǎn)管理技術(shù)體系的制定,完善已有的相關(guān)體系,可以參照先進(jìn)的工業(yè)生產(chǎn)管理體系制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系,使其生產(chǎn)管理技術(shù)體系系統(tǒng)化。
近年來,設(shè)施農(nóng)業(yè)專業(yè)化人才短缺的狀況與設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展之間的矛盾日益突出,雖然廣大的農(nóng)業(yè)科技者掌握著較為先進(jìn)的栽培技術(shù),但是大多數(shù)農(nóng)戶僅憑現(xiàn)有的技術(shù)或者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行溫室生產(chǎn),直接影響溫室規(guī)模化及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的水平。因此,必須加大有關(guān)設(shè)施農(nóng)業(yè)方面的專業(yè)化人才培養(yǎng),發(fā)揮科研院所、大專院校的作用,通過提高設(shè)施農(nóng)業(yè)教育比重、聯(lián)合培養(yǎng)、委托培養(yǎng)等方式,強(qiáng)化科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng),加大對基層生產(chǎn)管理和操作人員的培訓(xùn);通過技術(shù)培訓(xùn)和示范,引導(dǎo)、幫助農(nóng)民掌握并運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。
截至2012年上半年,陜西、甘肅、寧夏等省區(qū)國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)建設(shè)良好,例如陜西目前已經(jīng)建成省級以上農(nóng)業(yè)園區(qū)150多個(gè)。但是在農(nóng)業(yè)園區(qū)實(shí)用技術(shù)的推廣、產(chǎn)品科技含量的提高、產(chǎn)業(yè)升級的帶動作用不明顯;許多園區(qū)沒有深入的探索創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)內(nèi)容,部分園區(qū)定位不準(zhǔn),示范效果欠佳、人才短缺,進(jìn)而導(dǎo)致園區(qū)創(chuàng)新能力較弱。要建立一批國家級設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化示范區(qū),示范、引導(dǎo)設(shè)施農(nóng)業(yè)向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?;l(fā)展。
西北地區(qū)是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢地區(qū),設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)最具活力的產(chǎn)業(yè)之一,要保持設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定快速長足的發(fā)展,農(nóng)業(yè)科技者還有很長的路要走。必須堅(jiān)持走產(chǎn)業(yè)化、信息化道路,通過調(diào)整溫室結(jié)構(gòu)、種植結(jié)構(gòu),不斷提高設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的附加值,整合資源品牌,發(fā)展綠色、無公害、有機(jī)蔬菜生產(chǎn),進(jìn)一步增強(qiáng)市場競爭力,使之成為西北地區(qū)種植業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)。
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