我國(guó)設(shè)施種植業(yè)從機(jī)械化到智能化的發(fā)展及思考*

陳蕾，聶瑩，趙繼春

(1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京市，100097； 2. 北京市農(nóng)村遠(yuǎn)程信息服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京市，100097)

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的顯著標(biāo)志[1]，是一種高投入、高產(chǎn)出、勞動(dòng)力和資金、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)[2-3]，是農(nóng)業(yè)科技成果的合集與轉(zhuǎn)化，對(duì)實(shí)施全面鄉(xiāng)村振興、推動(dòng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化具有重要意義。參考已有學(xué)者觀點(diǎn)，廣義的設(shè)施農(nóng)業(yè)包括設(shè)施種植業(yè)和設(shè)施養(yǎng)殖業(yè)，狹義的設(shè)施農(nóng)業(yè)泛指設(shè)施種植業(yè)[3]。設(shè)施種植業(yè)在種植蔬菜、水果、花卉常規(guī)設(shè)施作物基礎(chǔ)上，擴(kuò)展至香料、藥用植物、食用菌、觀賞植物等高附加值作物。

國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究和應(yīng)用主要集中在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4-5]、綜合環(huán)境采集和控制技術(shù)[6-8]、自動(dòng)化控制技術(shù)[9-10]、作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)[11-12]、水肥一體化滴灌技術(shù)[13-14]等方面。植物工廠[15]和相關(guān)智慧農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)[8, 16]也逐漸成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國(guó)外設(shè)施種植業(yè)在耕整、種植環(huán)節(jié)機(jī)械化作業(yè)普及程度較高[17]，在采摘、包裝、運(yùn)輸環(huán)節(jié)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化作業(yè)[18-19]。環(huán)境因子協(xié)同監(jiān)測(cè)、溫室管理機(jī)器人和高度集成化的信息技術(shù)日趨成熟并市場(chǎng)化應(yīng)用[20]。與之相比，我國(guó)設(shè)施種植業(yè)起步較晚，在硬件產(chǎn)品使用性能、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與科學(xué)性、智能設(shè)備協(xié)調(diào)性，以及外部應(yīng)用環(huán)境、行業(yè)管理服務(wù)規(guī)范等方面存在差距。

關(guān)注設(shè)施種植業(yè)高質(zhì)量發(fā)展已成為共識(shí)，本文通過(guò)分析我國(guó)設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化到智能化的變遷過(guò)程、階段性特征，依托鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提出設(shè)施種植業(yè)發(fā)展的對(duì)策建議，為設(shè)施種植業(yè)朝著綠色、優(yōu)質(zhì)、高效、智慧方向發(fā)展提供思路。

1 設(shè)施種植業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 設(shè)施類(lèi)型

我國(guó)設(shè)施種植業(yè)以塑料大棚、日光溫室和連棟溫室為主要類(lèi)型[3]。塑料大棚主要通過(guò)卷膜調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫濕度，一般不進(jìn)行越冬種植，是建造簡(jiǎn)易實(shí)用、投入較低、易于操作的拱形設(shè)施結(jié)構(gòu)。作為國(guó)內(nèi)普遍適用棚型，其建設(shè)的高效性、實(shí)用性和可持續(xù)性得到廣大農(nóng)戶的肯定[21]，約占我國(guó)設(shè)施種植業(yè)面積的66%[22]。日光溫室為我國(guó)獨(dú)具特色的農(nóng)業(yè)設(shè)施產(chǎn)物，日間通過(guò)后墻吸收日照輻射蓄熱，夜間釋放后墻蓄熱層熱量升高室內(nèi)氣溫，實(shí)現(xiàn)我國(guó)北緯40°左右區(qū)域在冬季不加溫狀態(tài)下也能進(jìn)行作物生產(chǎn)，一般配備電動(dòng)卷簾機(jī)用來(lái)保溫隔熱，是我國(guó)北方設(shè)施種植業(yè)的主體，約占我國(guó)設(shè)施種植業(yè)面積的31%[22]。連棟溫室是一種規(guī)模較大，建造成本高，形成連跨的單體溫室，內(nèi)部配有栽培床、濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽(yáng)系統(tǒng)、開(kāi)窗系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)等設(shè)備，整體機(jī)械化程度高，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)施種植業(yè)高效、精準(zhǔn)管理。在我國(guó)，連棟溫室數(shù)量和規(guī)模最小，僅占設(shè)施種植業(yè)面積的3%[22]。

我國(guó)設(shè)施種植業(yè)設(shè)施類(lèi)型呈現(xiàn)區(qū)域差異性發(fā)展。在設(shè)施種植業(yè)發(fā)達(dá)的山東壽光，《壽光市2020年統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示2020年設(shè)施蔬菜總面積為27.7 khm2，其中塑料大棚面積為24.0 khm2，占比87%；日光溫室面積為3.5 khm2，占比13%；連棟溫室面積僅為0.2 khm2，占比1%。塑料大棚生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯，高于全國(guó)平均水平32%，而溫室規(guī)模卻低于全國(guó)59%。在重點(diǎn)發(fā)展宜機(jī)化、智能化高效設(shè)施的北京，《北京統(tǒng)計(jì)年鑒2021》顯示2020年設(shè)施種植業(yè)總面積為29.0 khm2，其中塑料大棚面積為15.0 khm2，占比52%；溫室面積(含日光溫室和連棟溫室)為14.0 khm2，占比48%。技術(shù)含量高的溫室與規(guī)?；乃芰洗笈锷a(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)均衡發(fā)展。

1.2 設(shè)施規(guī)模

我國(guó)設(shè)施種植業(yè)規(guī)模整體呈升中有降趨勢(shì)。參考中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料、中國(guó)農(nóng)業(yè)工業(yè)機(jī)械年鑒和地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，從全局看，2010—2019年的10年間設(shè)施種植業(yè)面積年增率為5.6%。2015年設(shè)施種植業(yè)規(guī)模達(dá)到2 168.4 khm2的頂峰后開(kāi)始逐年縮減，2019年規(guī)模降至1 854.3 khm2，如圖1所示。從局部看，山東壽光設(shè)施蔬菜規(guī)模2020年為27.7 khm2，相比2018年28.1 khm2略有縮減。北京設(shè)施種植業(yè)面積自2015年達(dá)到41.1 khm2后也逐年縮減，2020年降至29.0 khm2。

圖1 我國(guó)設(shè)施種植面積發(fā)展規(guī)模

綜合考慮縮減原因有4方面：一是設(shè)施種植業(yè)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，受人工成本、用地成本、物資成本、環(huán)境成本上升，以及設(shè)施產(chǎn)能增加帶來(lái)的銷(xiāo)售價(jià)格下降等綜合因素影響，制約設(shè)施種植業(yè)的發(fā)展。二是設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化、智能化程度偏低，“機(jī)器換人”進(jìn)度緩慢，設(shè)施種植業(yè)裝備落后限制其擴(kuò)大發(fā)展。三是設(shè)施種植業(yè)內(nèi)部正在進(jìn)行自我優(yōu)化，淘汰落后設(shè)施，處于產(chǎn)業(yè)優(yōu)化、作業(yè)結(jié)構(gòu)與空間調(diào)整過(guò)程中。四是政府進(jìn)一步嚴(yán)格設(shè)施種植業(yè)農(nóng)用地管理，引導(dǎo)設(shè)施種植業(yè)科學(xué)合理布局和發(fā)展。

1.3 設(shè)施產(chǎn)業(yè)布局

設(shè)施種植業(yè)產(chǎn)業(yè)布局逐漸呈現(xiàn)出規(guī)?；?、聚集化趨勢(shì)。2017年末，江蘇、山東、遼寧和河北4省設(shè)施種植業(yè)面積分別達(dá)到3 614.6、3 170.5、2 322.1、2 135.1 km2，如圖2所示。屬于東部地區(qū)的江蘇、山東和河北三省設(shè)施種植業(yè)面積占全國(guó)總面積的42.5%，屬于環(huán)渤海圈的山東、河北和遼寧三省面積占全國(guó)總面積的46.4%。屬于西部地區(qū)的甘肅、陜西、內(nèi)蒙古三省面積增幅較快，特別是甘肅省增幅達(dá)到71.6%。相反，屬于東北地區(qū)的遼寧面積大幅縮減，降幅達(dá)42.7%。

設(shè)施種植業(yè)發(fā)達(dá)省份產(chǎn)業(yè)集群化特色明顯。江蘇設(shè)施種植面積占全國(guó)首位，離不開(kāi)微耕機(jī)、起壟覆膜機(jī)、育苗移栽機(jī)、田園管理機(jī)等設(shè)施農(nóng)機(jī)的大力推廣[21]。設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園、三產(chǎn)融合示范園、智能化植物工廠的建設(shè)為無(wú)土栽培、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供契機(jī)，在連云港、徐州、淮安等蘇北地區(qū)形成龐大的高效設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)群。甘肅起步雖晚但面積增幅最快，逐步構(gòu)建起產(chǎn)業(yè)化發(fā)展格局，基本形成以河西走廊灌區(qū)、沿黃灌區(qū)為核心的日光溫室蔬菜優(yōu)勢(shì)帶，以隴東南、河西走廊部分市為主的塑料大棚蔬菜優(yōu)勢(shì)帶，建成40多個(gè)以設(shè)施蔬菜生產(chǎn)為主的農(nóng)業(yè)高科技示范園(區(qū))，棚膜栽培、日光溫室節(jié)能技術(shù)、無(wú)土栽培技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[23]。局部地區(qū)設(shè)施種植產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也對(duì)周邊地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)烈輻射帶動(dòng)作用[24]，山東壽光蔬菜產(chǎn)業(yè)集群、河北南和產(chǎn)業(yè)集群均對(duì)當(dāng)?shù)卦O(shè)施種植業(yè)規(guī)模發(fā)展起到促進(jìn)作用。

圖2 部分省設(shè)施種植業(yè)規(guī)模變化

1.4 設(shè)施配套設(shè)備

我國(guó)設(shè)施種植業(yè)配套設(shè)備技術(shù)研發(fā)得到快速發(fā)展。依托數(shù)字信號(hào)傳輸、電流模擬信息傳輸?shù)扔芯€通信和ZigBee、WiFi等無(wú)線通訊技術(shù)，濕簾風(fēng)機(jī)、自動(dòng)噴霧降溫機(jī)、水肥一體機(jī)、移栽機(jī)、微耕機(jī)、育苗設(shè)備、環(huán)境因子監(jiān)控設(shè)備和視頻圖像監(jiān)控設(shè)備，以及遠(yuǎn)程管理平臺(tái)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中逐漸得到大范圍推廣應(yīng)用[25]。受設(shè)施種植業(yè)生產(chǎn)機(jī)械及配套設(shè)備沒(méi)有完全納入農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼，金融貸款難度大、農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)范圍小，設(shè)備操作要求高、使用故障率高、售后維護(hù)不及時(shí)等因素影響，相關(guān)設(shè)施設(shè)備配套不到位，制約機(jī)械化水平、智能化水平快速提升。

2 設(shè)施種植業(yè)發(fā)展階段

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的快速發(fā)展倒逼設(shè)施種植業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)機(jī)械化、信息化、智能化進(jìn)一步交叉融合應(yīng)用。我國(guó)設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化正處于逐步普及階段，信息化正處于加速發(fā)展階段，智能化正處于起步和關(guān)鍵技術(shù)單個(gè)突破階段。它們既依次遞進(jìn)、有序依存，又相互交疊、融合滲透。設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化是信息化、智能化發(fā)展的基礎(chǔ)和載體。信息化是機(jī)械化的升級(jí)和智能化的引擎，起著承上啟下的作用。智能化引領(lǐng)信息化和機(jī)械化的未來(lái)發(fā)展方向。在研究和應(yīng)用方面三者又具有明顯區(qū)別，如圖3所示。

圖3 設(shè)施種植業(yè)階段性特征

1) 技術(shù)支撐不同。設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化以動(dòng)力設(shè)備、石化能源等物理實(shí)體為支撐；信息化以計(jì)算機(jī)、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)及相應(yīng)的軟硬件設(shè)備為支撐；智能化以海量數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能算法和自然語(yǔ)言處理技術(shù)為支撐。

2) 應(yīng)用模式不同。設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化主要通過(guò)宜機(jī)設(shè)備研發(fā)、升級(jí)改造和擴(kuò)大數(shù)量規(guī)模來(lái)提高設(shè)施作業(yè)能力，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。信息化主要依托物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)軟件版本升級(jí)和系統(tǒng)集成的方式實(shí)現(xiàn)信息賦能，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和問(wèn)題診斷，進(jìn)而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。智能化通過(guò)人工智能、區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用，在高度信息化基礎(chǔ)上，突出數(shù)據(jù)和算法保障，賦予裝備迭代學(xué)習(xí)和智能思考能力，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)和智能決策，以智能迭代進(jìn)化的方式改進(jìn)設(shè)施種植業(yè)生產(chǎn)方式，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。

3) 主要應(yīng)用對(duì)象不同。設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化的對(duì)象主要為塑料大棚、日光溫室。信息化的對(duì)象主要為日光溫室、連棟溫室，通過(guò)溫、光、水、肥等生產(chǎn)信息獲取、傳輸、處理，使農(nóng)民或農(nóng)用機(jī)械設(shè)備在特定時(shí)間、特定地點(diǎn)采取特定方式工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程透明化、標(biāo)準(zhǔn)化、集約化。智能化的對(duì)象主要是連棟溫室，通過(guò)不斷提高環(huán)境單因子控制水平，作物綜合生產(chǎn)環(huán)境等多因子動(dòng)態(tài)智能控制水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“無(wú)人化”，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量。

3 設(shè)施種植業(yè)研究和應(yīng)用進(jìn)展

3.1 機(jī)械化研究和應(yīng)用進(jìn)展

近年來(lái)，微耕機(jī)、旋耕機(jī)、起壟覆膜一體機(jī)、卷簾機(jī)、移栽機(jī)、軌道采運(yùn)車(chē)等小型農(nóng)機(jī)已陸續(xù)在設(shè)施種植業(yè)中應(yīng)用，初步覆蓋耕整、種植、管理、采運(yùn)等全部作業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)(圖4)。微滴灌裝置、電子除霧防病、頻振式電子滅蟲(chóng)燈等物理、綠色防控技術(shù)裝備的應(yīng)用，在減少人工勞動(dòng)時(shí)間、勞動(dòng)強(qiáng)度和農(nóng)資物力投入，提高土地利用率和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的同時(shí)，降低化學(xué)農(nóng)藥危害，為提高農(nóng)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、綠色生產(chǎn)提供有力支撐。

圖4 設(shè)施種植業(yè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用機(jī)具種類(lèi)

在設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化進(jìn)程中，機(jī)械化水平低已經(jīng)成為制約設(shè)施種植業(yè)發(fā)展的瓶頸之一[26]。種植環(huán)節(jié)受移栽設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、開(kāi)發(fā)成本較高等因素影響，迄今為止未見(jiàn)有成批推廣使用的移栽機(jī)機(jī)型。目前應(yīng)用較為廣泛的為半自動(dòng)移栽機(jī)[27]。在采運(yùn)環(huán)節(jié)，設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化采摘、產(chǎn)后處理是最大瓶頸。設(shè)施種植業(yè)蔬菜品種繁多，包括葉菜類(lèi)、果菜類(lèi)等，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合程度弱限制機(jī)械化作業(yè)水平提升。目前智能采摘設(shè)施研發(fā)仍處于初級(jí)階段，局限于個(gè)別種類(lèi)的蔬菜，且可行性、適用性還有待驗(yàn)證。在水肥環(huán)節(jié)，國(guó)產(chǎn)滴灌水肥一體化裝備研究已相對(duì)成熟，設(shè)備種類(lèi)和型號(hào)較多，但受農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼配套政策缺乏、示范推廣應(yīng)用落實(shí)不到位等因素影響，水肥一體裝備未能普及應(yīng)用。在環(huán)控環(huán)節(jié)，我國(guó)塑料大棚面積占比基數(shù)大，塑料大棚環(huán)控更多依靠通風(fēng)設(shè)備或人工作業(yè)，環(huán)控環(huán)節(jié)的機(jī)械化作業(yè)水平難以提升。

設(shè)施種植業(yè)規(guī)模最大的江蘇，設(shè)施蔬菜在種植、采運(yùn)、加工等環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平均在15%以下[28]；設(shè)施園藝機(jī)械作業(yè)利用率也僅有30%[21]。根據(jù)北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械化統(tǒng)計(jì)年報(bào)顯示，2020年北京市設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化水平為36.16%，耕整環(huán)節(jié)機(jī)械化率達(dá)到95.44%，采運(yùn)、種植環(huán)節(jié)機(jī)械化占比率僅為1.44%和1.49%。盡管我國(guó)2020年設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化率提升至40.53%[29]，但與2025年設(shè)施種植機(jī)械化目標(biāo)還有10%的差距。精量播種、育苗嫁接、移栽、采收與設(shè)施內(nèi)運(yùn)輸?shù)榷喹h(huán)節(jié)存在短板，制約設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化率的整體提升。

3.2 信息化研究和應(yīng)用進(jìn)展

我國(guó)一大批農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新性企業(yè)將消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與國(guó)內(nèi)勞動(dòng)者使用習(xí)慣和市場(chǎng)需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)施種植業(yè)信息化技術(shù)再創(chuàng)新，自主研發(fā)能力和創(chuàng)新能力逐年增強(qiáng)，打破荷蘭、以色列等國(guó)家在領(lǐng)域內(nèi)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)壟斷地位。設(shè)施種植業(yè)信息化發(fā)展以農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、生長(zhǎng)數(shù)據(jù)、土肥數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)支撐，以物聯(lián)網(wǎng)、智能環(huán)控、水肥一體化應(yīng)用技術(shù)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)為技術(shù)支撐。通過(guò)采集不同傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)[7]，獲取作物生長(zhǎng)參數(shù)[8]，構(gòu)建日光溫室農(nóng)機(jī)3D作業(yè)平臺(tái)等技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施種植業(yè)多環(huán)節(jié)機(jī)械化和信息化協(xié)同作業(yè)，有效提升設(shè)施種植業(yè)信息化水平。設(shè)施種植業(yè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)管理框架如圖5所示。

我國(guó)設(shè)施種植業(yè)信息化在加速發(fā)展的同時(shí)，仍有很多環(huán)節(jié)處于低水平或者單一技術(shù)應(yīng)用狀態(tài)，信息技術(shù)集成度和全鏈條應(yīng)用水平有待提高。設(shè)施種植業(yè)發(fā)展模式相對(duì)落后，以農(nóng)戶小規(guī)模、散分布經(jīng)營(yíng)為主，家庭農(nóng)場(chǎng)、專(zhuān)業(yè)大戶等新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體參與設(shè)施種植業(yè)占比較低、設(shè)施經(jīng)營(yíng)規(guī)模仍偏小，難以發(fā)揮規(guī)?；⒓s化優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致信息化設(shè)施配套設(shè)備成本較高、應(yīng)用率較低。標(biāo)準(zhǔn)化程度高的連棟溫室信息化技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用多，設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)陋的日光溫室和塑料大棚仍多以手工、半機(jī)械化操作為主，還處于低水平階段。目前市面上應(yīng)用較多的卷簾機(jī)、加溫設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、水肥設(shè)備未配備安裝環(huán)境感知傳感器，不具備信息接收和發(fā)出功能，短期難以實(shí)現(xiàn)信息化技術(shù)集成應(yīng)用。

《2021全國(guó)縣域農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展水平評(píng)價(jià)報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2020年全國(guó)設(shè)施栽培信息化水平為23.5%，其中在水肥一體化和設(shè)施環(huán)境監(jiān)測(cè)兩方面應(yīng)用最為廣泛。與全國(guó)其他省市相比，江蘇和吉林的設(shè)施栽培信息化水平分別達(dá)到43.5%和42.5%，浙江、河南、內(nèi)蒙古和江西也達(dá)到30%以上，超過(guò)全國(guó)平均水平。設(shè)施農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯信息化水平達(dá)到29.7%，比去年同期增加1.9%。需要關(guān)注的是，《2020全國(guó)縣域農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展水平評(píng)價(jià)報(bào)告》顯示，全國(guó)2019年仍有32.5%的縣(市、區(qū))設(shè)施農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用率不足1%。浙江設(shè)施栽培信息化率達(dá)到41.0%居全國(guó)第3，其在農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化縣均財(cái)政投入、鄉(xiāng)村人均財(cái)政投入、縣均社會(huì)資本投入、鄉(xiāng)村人均社會(huì)資本投入4個(gè)指標(biāo)均位列全國(guó)第一，且遠(yuǎn)高于其他省份投入。

3.3 智能化研究和應(yīng)用進(jìn)展

設(shè)施種植業(yè)智能化進(jìn)一步推動(dòng)設(shè)施種植業(yè)信息化和機(jī)械化融合。參照美國(guó)、荷蘭、日本、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)設(shè)施種植業(yè)正從初級(jí)信息化操作向高級(jí)智能化決策轉(zhuǎn)變。以信息處理為主的智能化設(shè)計(jì)與應(yīng)用是一個(gè)知識(shí)密集型過(guò)程，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝、人工智能與知識(shí)融合、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)等多方面。需協(xié)同應(yīng)用自動(dòng)化、智能化等信息技術(shù)手段，通過(guò)集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、作物生命周期管理，研發(fā)構(gòu)建集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和知識(shí)積累為一體的核心處理平臺(tái)[19]，實(shí)現(xiàn)設(shè)施種植業(yè)數(shù)據(jù)高效調(diào)用、實(shí)時(shí)分析決策與智能優(yōu)化控制。設(shè)施種植業(yè)智能化協(xié)同作業(yè)模式框架如圖6所示。

圖6 設(shè)施種植業(yè)智能化協(xié)同作業(yè)模式框架

圍繞設(shè)施種植業(yè)環(huán)境智能化調(diào)控研究，聚焦環(huán)境因子與作業(yè)機(jī)械智能控制科研與應(yīng)用，通過(guò)不斷提升智能環(huán)境調(diào)控技術(shù)，推動(dòng)精量播種裝備、環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)[30]、水肥一體化自動(dòng)灌溉系統(tǒng)[14]、自動(dòng)對(duì)靶噴藥[10]等技術(shù)在智能設(shè)施種植業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，取得較好的規(guī)模化推廣效果。機(jī)器視覺(jué)分析、AI深度學(xué)習(xí)、數(shù)字控制、無(wú)人技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)也逐漸與設(shè)施種植業(yè)裝備研發(fā)相結(jié)合。溫室蘭花移動(dòng)視覺(jué)機(jī)器人[12]、設(shè)施噴霧機(jī)器人[31]、果蔬采摘機(jī)器人[32]在作物管理方面均具有較強(qiáng)實(shí)用性。

遠(yuǎn)程農(nóng)事作業(yè)控制的初級(jí)智能管理也已實(shí)現(xiàn)并進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。通過(guò)定向數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行分析，能夠智能識(shí)別不同設(shè)施作物的生長(zhǎng)模型，以及持續(xù)自動(dòng)優(yōu)化升級(jí)的高級(jí)智能管理系統(tǒng)也正在研發(fā)和試用過(guò)程中[33]。部分設(shè)施種植業(yè)智能示范園區(qū)和植物工廠已成效初顯。

北京市密云智能設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園占地18.67 hm2，單棟新型日光溫室面積約0.17 hm2，為普通日光溫室2～3倍。園區(qū)內(nèi)數(shù)字化智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量和質(zhì)量最大化。陜西楊凌智慧農(nóng)業(yè)示范園占地48 hm2，采取荷蘭設(shè)施種植裝備與國(guó)產(chǎn)新型智能風(fēng)光薄膜連棟溫室結(jié)合模式，集成千余項(xiàng)新技術(shù)，針對(duì)不同生產(chǎn)品種的不同生產(chǎn)階段逐一構(gòu)建植物生產(chǎn)模型，對(duì)作物日常生產(chǎn)環(huán)境采取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能化管控。上海奉賢植物工廠單棚占地16.67 hm2，體量為普通連棟玻璃溫室的10倍，確保設(shè)施農(nóng)機(jī)裝備無(wú)障礙運(yùn)行。上海崇明中荷現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新園總占地面積131.93 hm2，已建設(shè)半封閉溫室26 hm2，引進(jìn)荷蘭先進(jìn)的半封閉溫室技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全程智能化控制。

4 存在問(wèn)題與思考

我國(guó)設(shè)施種植業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中還存在諸多問(wèn)題。從機(jī)械化到智能化應(yīng)用角度分析主要有：(1)設(shè)施種植業(yè)配套裝備應(yīng)用參差不齊。塑料大棚的環(huán)境控制還以人工作業(yè)為主，機(jī)械化程度低。受種植作物品種各異、基層技術(shù)力量薄弱影響，設(shè)施種植業(yè)機(jī)械作業(yè)與種植模式、生產(chǎn)方式未能有機(jī)結(jié)合。(2)技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)較弱。特別是在種植、采運(yùn)和遠(yuǎn)程管理等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)突破和設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)較為滯后。部分機(jī)械設(shè)備從國(guó)外引進(jìn)或者仿制，未能根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況進(jìn)行適宜性改造和規(guī)范性建設(shè)，部分產(chǎn)品的使用性能達(dá)不到預(yù)期水平。(3)產(chǎn)業(yè)布局分散、規(guī)模小。高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)施種植業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)、示范應(yīng)用基地，以及規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化的溫室數(shù)量少，制約智能感知、智能解析、智能控制等技術(shù)的集成應(yīng)用。

《農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展行動(dòng)方案(2016—2025)》明確指出，重點(diǎn)加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，加速數(shù)字化、智能化等先進(jìn)技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械制造技術(shù)的深度融合。設(shè)施種植業(yè)需重點(diǎn)突出“機(jī)器換人”的理念，以規(guī)?；?、智能化連棟溫室為引領(lǐng)，以集中連片、裝配信息化設(shè)施的高標(biāo)準(zhǔn)日光溫室和塑料大棚為依托，強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)分布式存儲(chǔ)環(huán)境下獨(dú)立智能體間的協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)集成化、協(xié)同化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展。

4.1 精準(zhǔn)補(bǔ)短提質(zhì)增效

設(shè)施種植業(yè)生產(chǎn)鏈條具有完整性，各構(gòu)成要素之間相互影響、促進(jìn)與制約，應(yīng)根據(jù)地域、棚型、土壤、作物品種制定有針對(duì)性的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)指南和標(biāo)準(zhǔn)，政策、資金、技術(shù)、人才協(xié)同發(fā)力補(bǔ)齊短板，杜絕“木桶效應(yīng)”。優(yōu)先從普適性設(shè)施種植業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始，通過(guò)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝協(xié)同創(chuàng)新，逐步將農(nóng)機(jī)融入農(nóng)藝各個(gè)環(huán)節(jié)中，將農(nóng)機(jī)作為不可替代的生產(chǎn)工具。在農(nóng)事操作、環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)分析和信息技術(shù)，進(jìn)行宜機(jī)化設(shè)施改造，促進(jìn)智能農(nóng)機(jī)與種植、采運(yùn)、環(huán)控等生產(chǎn)環(huán)節(jié)相融合，整體上提升設(shè)施種植業(yè)機(jī)械化、信息化水平。

4.2 聚焦關(guān)鍵技術(shù)突破

設(shè)施種植業(yè)涉及生物、環(huán)境、工程、信息、電子工業(yè)等多學(xué)科領(lǐng)域，是生物技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械裝備、人工智能等多種先進(jìn)生產(chǎn)力要素與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的融合，科研和管理要求越來(lái)越高。農(nóng)業(yè)科研、技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相結(jié)合的農(nóng)學(xué)與信息科學(xué)交叉研究，圍繞作物生命體征信息動(dòng)態(tài)感知、作物生長(zhǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)、光溫水肥耦合與高效環(huán)境控制等主題，聚焦算法模型、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)突破，推進(jìn)機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用。研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端傳感器、智能化農(nóng)機(jī)裝備等高性能專(zhuān)用設(shè)備，推動(dòng)設(shè)施種植業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)裝備智能化改造。推動(dòng)設(shè)施種植業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化變革與智能化應(yīng)用，為宜機(jī)化、智能化提供技術(shù)支持，提升行業(yè)整體智能化、精準(zhǔn)化水平。

4.3 實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展

發(fā)揮規(guī)?；O(shè)施種植業(yè)對(duì)周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技示范和輻射帶動(dòng)作用。面向新型日光溫室和連棟溫室，在因地制宜、突出特色的基礎(chǔ)上建設(shè)具有標(biāo)桿作用的產(chǎn)業(yè)園、產(chǎn)業(yè)群，利用區(qū)域優(yōu)勢(shì)，結(jié)合休閑體驗(yàn)農(nóng)業(yè)、旅游觀光農(nóng)業(yè)等新業(yè)態(tài)，打造新樣板，形成品牌效應(yīng)，促進(jìn)設(shè)施種植業(yè)朝規(guī)?；?、集約化發(fā)展。面向塑料大棚和普通日光溫室，在適度規(guī)模、科學(xué)種植的基礎(chǔ)上推廣“全程機(jī)械化+社會(huì)化服務(wù)”新模式，擴(kuò)大設(shè)施機(jī)具補(bǔ)貼范圍，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程機(jī)械，提升設(shè)備共享服務(wù)能力。壯大社會(huì)化農(nóng)機(jī)服務(wù)組織，為小農(nóng)戶分散經(jīng)營(yíng)提供多個(gè)層次、多個(gè)領(lǐng)域、多種選擇的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)社會(huì)化服務(wù)，以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；脑O(shè)施種植業(yè)服務(wù)提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

4.4 加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型

數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展為設(shè)施種植業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)大牽引力。深入實(shí)施以軟件工程、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字技術(shù)集成應(yīng)用，通過(guò)可視化生產(chǎn)、智慧診斷、遠(yuǎn)程控制等智能化作物管理平臺(tái)集成創(chuàng)新和迭代開(kāi)發(fā)，開(kāi)展生產(chǎn)環(huán)境和作物生長(zhǎng)情況的精準(zhǔn)化、智慧化監(jiān)測(cè)和控制服務(wù)，增強(qiáng)設(shè)施種植業(yè)生產(chǎn)體系的數(shù)字化應(yīng)用能力。推動(dòng)設(shè)施種植業(yè)數(shù)字農(nóng)情建設(shè)，聚合科研、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理等多類(lèi)信息要素，構(gòu)建集數(shù)字抓取、多維分析、智能評(píng)價(jià)為一體的數(shù)字化技術(shù)模型和深度學(xué)習(xí)算法中臺(tái)。開(kāi)展設(shè)施種植業(yè)重點(diǎn)農(nóng)產(chǎn)品單品種全鏈條智能數(shù)據(jù)挖掘和分析，擴(kuò)大管理方面的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用范圍和水平，加快數(shù)字技術(shù)與產(chǎn)業(yè)體系深度融合。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)設(shè)施種植業(yè)正迎來(lái)高端、智能時(shí)代。在全面實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的進(jìn)程中，設(shè)施種植業(yè)高質(zhì)量發(fā)展離不開(kāi)數(shù)字化賦能改造提升。數(shù)字化轉(zhuǎn)換、數(shù)字化升級(jí)基礎(chǔ)上的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)將更富有潛力和生命力。關(guān)注設(shè)施種植業(yè)發(fā)展，探索未來(lái)發(fā)展路徑，對(duì)克服資源和市場(chǎng)制約，發(fā)揮設(shè)施農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)，延伸設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，提高國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民增收具有重要意義。