設(shè)施塑料大棚的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

祝前峰， 陸榮鑑， 李奉順

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037)

“菜籃子”工程是一項直接關(guān)系民生幸福的大事，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活質(zhì)量的不斷提高，人們對于新鮮蔬果的需求日益顯著，尤其是在冬季對反季節(jié)蔬果的需求不斷，這些都在促進設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)大棚是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重點研究對象，塑料大棚憑借成本低、易搭建、效益高得到了廣泛的應用和推廣[1]。塑料大棚有一定的增溫和保溫效果，為農(nóng)作物的生長創(chuàng)造了適宜的小氣候環(huán)境，這為秋冬反季節(jié)蔬果的生長和上市提供了保障，而且大棚生產(chǎn)的蔬果品質(zhì)較高，受到了廣大消費者的歡迎；同時因搭設(shè)成本較低，作物生長周期較短，高品質(zhì)蔬果和反季節(jié)蔬果收購價格較高，給農(nóng)民帶來了不錯的經(jīng)濟收入，塑料大棚受到了農(nóng)民的青睞[2]。

然而，因所處的地理環(huán)境不同和本身結(jié)構(gòu)框架設(shè)計的缺陷，塑料大棚難以抵御暴風、暴雨、暴雪、臺風等極端惡劣天氣的破壞[3]，同時也飽受穩(wěn)定性差、通風性差、光照不足、散熱性不好、保暖性能差等問題的困擾。因此，需要科學地設(shè)計大棚的結(jié)構(gòu)，因地制宜，不斷優(yōu)化和改進[4]；對大棚的管理方法也需要結(jié)合抗災減災和農(nóng)作物生長的要求對應制定。

1 現(xiàn)有大棚的主要結(jié)構(gòu)類型

1.1 竹木結(jié)構(gòu)大棚

竹木結(jié)構(gòu)大棚是目前較為常見的一種大棚結(jié)構(gòu)，竹木結(jié)構(gòu)大棚分為單拱和連棟兩類，許多地區(qū)出于成本的考量采用此類結(jié)構(gòu)的大棚設(shè)計。該結(jié)構(gòu)一般由立柱、拱桿、拉桿和壓桿組成骨架，此類結(jié)構(gòu)的骨架材料通常由竹木構(gòu)成，方便就地取材；在骨架上覆上塑料薄膜，再設(shè)置壓膜繩和防蟲網(wǎng)等裝置。竹木結(jié)構(gòu)大棚的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，竹木結(jié)構(gòu)大棚每667 m2的建造成本不足1萬元，其使用壽命可以達到10年以上[5]。但由于立柱較多、屋脊高度較矮以及兩側(cè)需要斜桿支撐，造成了大棚內(nèi)部空間被網(wǎng)格化，難以實現(xiàn)機械化作業(yè)。

圖1 竹木結(jié)構(gòu)大棚結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鋼架連棟型大棚

在竹木連棟結(jié)構(gòu)大棚的基礎(chǔ)上，去掉立柱和斜撐，同時加高屋脊，將骨架的材質(zhì)由原來竹木更換為鋼材即成為鋼架連棟型大棚，鋼架連棟型大棚結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。與鋼架單棟型大棚相比，其設(shè)施空間加大、土地利用率提高、保溫性能增強；與竹木連棟結(jié)構(gòu)大棚相比，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強，防災抗災能力增強，內(nèi)部空間整體化，而且由于空間加大同時去掉了立柱，中小型機械可以進入棚中進行機械化作業(yè)。由于鋼架連棟型大棚的土地利用面積較大，透光性較好，保溫性能優(yōu)良，冬天在一定程度上為大棚增溫保溫，而夏季在棚頂覆上一層遮陽網(wǎng)和加裝濕簾風機為棚內(nèi)降溫，可實現(xiàn)鋼架連棟型大棚全年生產(chǎn)作業(yè)，大大提高了大棚的利用效率，為農(nóng)戶帶來更高的收益[6]。目前鋼架連棟型大棚廣泛應用于草莓等高端水果種植和花卉盆栽的養(yǎng)護，不少農(nóng)戶也借助大棚采摘積極開發(fā)農(nóng)業(yè)觀光旅游項目[7]。

圖2 鋼架連棟型大棚結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 鋼架保溫型大棚

為了更好地對蔬果等起到秋延后和春提早的種植生產(chǎn)活動，科研人員設(shè)計了鋼架保溫型大棚，鋼架保溫型大棚可分為單拱單膜保溫型、單拱多膜保溫型和多拱多膜保溫型三種。單拱單膜保溫型其單拱跨距可以達到20 m，最大高度可達6 m，在塑料薄膜外設(shè)有保溫被，單拱單層保溫型大棚結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。當遭遇寒潮、大雪、低溫等極端惡劣天氣時，保溫被覆蓋整個大棚，棚內(nèi)設(shè)有補光燈等設(shè)備，為農(nóng)作物提供有利的生長環(huán)境，防止作物受凍和無光照而發(fā)黃；同時在冬天，晝夜的溫差較大，白天保溫被收起，待到傍晚放下，有利于保持夜間棚內(nèi)溫度。然而單拱單膜保溫型在極寒的地區(qū)仍不能為農(nóng)作物的生長提供適宜的溫度或不能滿足農(nóng)戶秋延后和春提早的種植需求，科研人員發(fā)明了多拱多膜保溫型大棚如圖3(b)所示。較單拱單膜保溫型相比，多拱多膜保溫型其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了改善，防災抗災的能力也大大增強，并且在外棚和內(nèi)棚之間形成了一個保溫層，大棚的保溫效果改善明顯[8]。武瑩等[9]通過對單拱單膜保溫型和雙拱雙膜保溫型進行大量的對比試驗分析，可得同尺寸的雙層保溫型大棚與單層保溫型大棚相比，其最低平均氣溫高于單層，其最高平均氣溫低于單層，其土壤平均溫度高于單層，雙層保溫型大棚沒有出現(xiàn)極端低溫也沒有出現(xiàn)極端高溫，保溫性能較單層有明顯的提高和改善。

圖3 保溫型大棚結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)施大棚存在的主要問題

2.1 大棚選址和搭建缺乏理論指導

當前我國很多大棚的選址和搭建全部依靠農(nóng)戶自身的經(jīng)驗。基于中國的基本國情，農(nóng)戶個人擁有的土地較少且分散，土地的走向不一，農(nóng)戶往往沿著田埂或土地走向搭設(shè)大棚，而忽視了風向、采光和通風等問題，這樣勢必會造成農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)或質(zhì)量下降。同時大棚的設(shè)計僅僅依據(jù)個人的經(jīng)驗，從選材到搭建沒有科學理論指導，這樣可能會存在隱患，在極端惡劣天氣的破壞下，框架結(jié)構(gòu)可能無法抵御或者出現(xiàn)毀菜保棚的現(xiàn)象；還有農(nóng)戶為了提高土地利用率，盲目地增加大棚數(shù)量而忽視了棚與棚之間的間距，這樣也會對采光和通風產(chǎn)生一定的影響；農(nóng)戶自行設(shè)計搭建的大棚往往前后屋面角度較小、屋脊高度偏矮、棚面的坡度過于平緩，沒有很好地利用光照。

2.2 結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性與可靠性不足

結(jié)構(gòu)框架是大棚最為重要的組成部分，結(jié)構(gòu)框架的優(yōu)劣直接決定了大棚的使用壽命和蔬果的優(yōu)劣。

有關(guān)大棚研究的科研人員其主要研究方向是大棚結(jié)構(gòu)框架設(shè)計及其相應的承載能力分析，對大棚的結(jié)構(gòu)框架會進行不斷地優(yōu)化和改良。然而通過大量的事故發(fā)現(xiàn)，我國大棚結(jié)構(gòu)框架仍存在穩(wěn)定性與可靠性不足的問題。我國幅員遼闊，不同地區(qū)的大棚結(jié)構(gòu)也應有所差異，其主要預防的災害也各不相同，北方地區(qū)主要是預防極寒天氣、雪災、強風，而南方地區(qū)主要預防暴雨、臺風、蟲災，因此對結(jié)構(gòu)提出了不同的要求[9]。然而在結(jié)構(gòu)搭建上往往只重視立柱等骨架的外徑大小，片面地認為直徑越大其承載能力就越強，忽視了桿件壁厚對承載強度的影響[10]；進風口和出風口的位置、大小設(shè)置不合理，不利于棚內(nèi)的空氣流通，在一定程度上造成了化肥產(chǎn)生的有害氣體不能及時地散發(fā)出去，使得蔬果枯黃乃至腐爛；盲目追求大跨距，雖然在一程度上增強了大棚環(huán)境的穩(wěn)定性[11]，但相應的脊高需要加高[12]，對風載荷變得更加敏感[13]；追求骨架結(jié)構(gòu)的柔而薄，卻忽視了桿件長細比很小，易發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞[14]；節(jié)點強度不足，在相關(guān)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，被臺風摧毀的大棚其桿件未變形，但棚內(nèi)的立柱與基礎(chǔ)之間發(fā)生變形、梁柱連接處的螺紋連接出現(xiàn)松動、螺栓被剪斷等[15]。節(jié)點容易被忽視是因為其加工復雜，安裝費時費工和成本高，然而在遭遇暴風、暴雨、暴雪、臺風等災害時，往往節(jié)點處受力最大，而節(jié)點處破壞引發(fā)的災難是巨大的，結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性與可靠性對于大棚來說十分重要，需要不斷地優(yōu)化和改善。

2.3 農(nóng)機與農(nóng)藝不相協(xié)調(diào)

一方面我國農(nóng)藝發(fā)展水平有限，受限于成本和多種考量因素，設(shè)施農(nóng)業(yè)仍以日光溫室、蔬菜大棚和中小拱棚為主，有的仍采用竹木、水泥柱等做骨架，因棚脊較矮和內(nèi)部空間網(wǎng)格化不利于機械化作業(yè)，同時受限于大棚的體積和高度，大型機械無法進入作業(yè)；另一方面，隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，越來越多的人口流向城市，農(nóng)業(yè)的“人口紅利”早已不在，農(nóng)村在農(nóng)忙時節(jié)用工難的現(xiàn)象也凸顯出來[16]，隨著農(nóng)業(yè)大棚的不斷發(fā)展，需要引入自動化、智能化的機器來取代人工作業(yè)，然而現(xiàn)有的機器又不能滿足大棚的蔬果生產(chǎn)需求[17]，大棚中一般種植高檔水果如草莓、水蜜桃等，這些蔬果對機器的要求較高，然而目前機器人仍面臨識別定位不精確[18]、采摘易產(chǎn)生機械損傷和自動化智能化程度不高等問題[19]。

3 設(shè)施大棚的發(fā)展趨勢

3.1 新型材料引入

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新材料被應用于我們的生活，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。就設(shè)施大棚而言，可以對其骨架和塑料薄膜分開研究。骨架的材料不斷朝著高強度、高韌性、低質(zhì)量等方向發(fā)展，通過改變材料屬性增強其抗災減災的能力，大大延長其使用壽命。塑料薄膜的材料也在不斷發(fā)展，科研人員在薄膜中添加一些化學物質(zhì)，可以增強薄膜的透光性、保溫性，使果實著色更加鮮艷即品相更好，甚至可以防蟲害。Alsadon，A.A.等[20]研究了一種新型的近紅外反射塑料薄膜，并通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，在這種新型塑料薄膜下生長的作物較傳統(tǒng)塑料薄膜下生長的作物，其生長指數(shù)更高，果實的品相更好，產(chǎn)量更高；在制作塑料薄膜時可以向其中添加環(huán)保型化學藥劑，獲得新型的防蟲防病薄膜材料，避免了農(nóng)藥與農(nóng)作物的直接接觸，大大降低了農(nóng)藥在農(nóng)作物上的殘留[21]。如今玻璃大棚也在不斷發(fā)展和推廣，具有一定的使用價值和經(jīng)濟效益[22]。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷精進

大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計是大棚建設(shè)過程中最核心的一環(huán)，在一定程度上塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣決定了蔬果的產(chǎn)量和品相。塑料大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要從穩(wěn)定性、可靠性、通風、采光、保溫等多角度考慮，同時需要注重經(jīng)濟性。每年我國都有大量大棚因結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，在面對極端惡劣天氣時損失慘重，因此提高抗災減災的能力是結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務。楊小鋒、劉建等分別提出了熱區(qū)防臺風的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；李明介紹了日本的防風技術(shù)與措施；郄麗娟設(shè)計了雙拱雙連雙膜塑料大棚，并對該結(jié)構(gòu)施加多種載荷進行分析；俞永華對大棚的承載特性進行了相關(guān)分析。部分研究人員從保溫、采光等角度設(shè)計大棚的結(jié)構(gòu)，鄭元紅[23]針對畢節(jié)寡日照問題對大棚結(jié)構(gòu)進行了改進；湯慶對大棚的透光率展開了一系列研究；武瑩等設(shè)計了新型大跨度非對稱塑料大棚，不僅增強了采光同時也提高了保溫性能。大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計得到了不斷地優(yōu)化和改進，其各方面性能也在不斷提高。

3.3 智能化開啟新篇章

一方面從種植作業(yè)來講，包括播種、除草、灌溉、施肥、施藥和采收等環(huán)節(jié)將逐步由機械化、自動化設(shè)備來完成，小型高精度機器人將應用于設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如楊超淞等[24]開展了棚內(nèi)除草除蟲機器人的相關(guān)研究。另一方面大棚的管理模式也將實現(xiàn)自動化和智能化，許多科研人員針對不同開發(fā)環(huán)境、不同軟硬件研發(fā)了不同的智能大棚管理系統(tǒng)。為了有效監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度以及土壤濕度等環(huán)境信息，廖建尚[25]提出了AGCP協(xié)議，在此協(xié)議基礎(chǔ)上搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；汪言康[26]利用傳感器技術(shù)，通過GPRS無線通信和Internet互聯(lián)實現(xiàn)了對大棚環(huán)境的監(jiān)控；何鵬[27]利用物聯(lián)網(wǎng)和LabVIEW技術(shù)實現(xiàn)了對溫室大棚監(jiān)控；吳昊[28]開發(fā)了基于Android的溫室監(jiān)管系統(tǒng)；王建平[29]基于ios設(shè)計了大棚溫室監(jiān)管系統(tǒng)。此外，陶佰睿等[30]開發(fā)了LED智能補光系統(tǒng)，使農(nóng)作物得到充足的光照；張瀚中等[31]開展了智能灌溉系統(tǒng)的研究，并應用于實踐；蔣綠林等[32]開展了大棚多熱源熱泵供暖系統(tǒng)的相關(guān)研究，不僅實現(xiàn)了增溫保溫，同時降低了能耗?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的加入使得普通設(shè)施大棚融入了新鮮的血液，原先傳統(tǒng)的勞作方式和管理方法也將逐步實現(xiàn)自動化和智能化，大大提高勞作效率和果蔬質(zhì)量。

4 小結(jié)

隨著我國居民生活質(zhì)量的不斷提高，對新鮮蔬果的需求顯著增加，加之冬季對反季節(jié)蔬果的需求，不斷推動設(shè)施大棚的發(fā)展。但塑料大棚仍面臨一些技術(shù)難題需要克服，其中結(jié)構(gòu)框架設(shè)計與優(yōu)化是設(shè)施大棚的研究重點和難點。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，新型材料的引入和結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化大大提高了大棚抗災減災的能力，伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和智慧農(nóng)業(yè)的推廣，大棚的生產(chǎn)勞作方式將逐步實現(xiàn)機械化、自動化，大棚的管理方法借助物聯(lián)網(wǎng)平臺也可實現(xiàn)自動化和智能化，大大降低從業(yè)人員的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，保證果蔬的生產(chǎn)質(zhì)量。設(shè)施大棚的蓬勃發(fā)展必將推動鄉(xiāng)村振興向前邁進，給廣大種植戶帶來可觀的經(jīng)濟效益。