西北地区设施农业研究现状及存在的问题

李 俊 李建明* 曹 凯 赵志华 张大龙 徐 菲 杜宏斌蒋学琴

（1西北农林科技大学园艺学院，农业部西北设施园艺工程重点实验室，陕西杨凌 712100；2石河子大学农学院，新疆石河子 832003；3宁夏回族自治区银川市农业局，宁夏银川 750004）

西北地区是我国设施农业产业发展的优势地区。大力发展设施农业可以克服干旱半干旱、水资源缺乏、温差大、冬季严寒干燥及土地沙化严重等不利的自然环境带来的影响，对于提升西北地区农业生产能力、自然灾害抵御能力，提高资源的利用率、劳动生产率等均具有重要作用。同时，西北地区地域生态类型多样，周年气候多变，对设施农业的发展提出了许多新的技术问题，开展符合西北不同气候环境条件设施农业技术研究对我国开发西北，保障全国食品供给具有一定意义。

1 西北地区设施农业发展现状

1.1 西北地区设施农业的主要类型与面积

根据西北地区的气候特点，采用的设施类型主要是具有区域特色自主研制开发的西北节能日光温室（李建明和邹志荣，2004；王宏丽 等，2008）。在西北地区，土质墙体保温蓄热性能好，是现有西北节能日光温室中应用最多的墙体，约占所有日光温室的95%（杨建军 等，2009）。到2011年底，我国设施农业面积超过400万hm2，西北地区设施农业总面积逾40万hm2，其中80%左右是节能日光温室和大棚，陕西设施农业总面积14.33万hm2，其中日光温室5.33万hm2；宁夏设施农业总面积8.05万hm2，其中日光温室面积3.45万hm2，拱棚逾4万hm2；甘肃设施农业总面积8.80万hm2，其中日光温室3.86万hm2，大拱棚4.95万hm2；新疆设施农业总面积7.60万hm2；青海设施农业总面积约1.33万hm2。

1.2 西北地区设施农业栽培作物与效益

陕西省是西北地区农业发展最大的省，主要种植秋冬茬及早春茬番茄、辣椒、甜瓜、西瓜及黄瓜等作物，日光温室平均每667 m2产值约3万元，大中拱棚每667 m2产值1万元左右。宁夏设施农业主要种植秋冬茬及冬春茬的番茄、黄瓜及茄子等作物，日光温室平均每667 m2产值约2万元 ，大中拱棚每667 m2产值0.8万元左右（张雪艳 等，2011）。新疆设施农业从过去的以蔬菜栽培为主向早春茬西瓜、甜瓜、葡萄等瓜果发展，设施农业平均每667 m2产值1万元以上（中国农业机械化信息网，2012）。甘肃省设施农业主要种植冬春茬及早春茬黄瓜、茄子及番茄等作物，日光温室平均每667 m2产值1万～5万元（邱仲华，2011）。青海省设施农业主要种植早春茬及秋冬茬的小白菜、黄瓜及番茄等作物，设施农业平均每667 m2产值1万～3万元（张小青，2012）。

1.3 西北地区设施农业生产经营的主要模式

① 园区化、集约化模式：政府主导建园，组建集团公司管理，承包给农户经营。如陕北、甘肃及宁夏等市县农业园区不仅规模大，效益好，而且成为设施农业先进技术的推广基地。②果蔬专业合作社模式：通过工商资本、民间资本等社会资本投入到设施农业，进而推动西北地区设施农业果蔬专业合作社的发展，形成了“公司+合作社+农户”的经营模式（张杰 等，2012）。③ 龙头企业带动模式：采用“龙头企业+基地+农户”模式，龙头企业对农户生产的农产品一次性收购，双方不签订合同，自由买卖，价格随行就市。④ 家庭农场经营模式：设施农业发展中新兴的一种模式，目前在陕西榆林靖边县、绥德县出现以家庭适度规模经营为主的庭院经济，对设施农业多元化的发展起到促进作用，不过规模相对较小，处于起步阶段。

1.4 现代农业园区建设步伐加快

截至2012年上半年，陕西、甘肃、宁夏等省区各类农业园区已经达到1 000个以上，现代农业园已经形成规模，达到500个以上。以陕西省为例，2011年底，以菜、畜、果等为重点的各类产业园区发展到1 185个，其中省级农业园区达到150个，培育了杨凌、延安、长安、富平等具有示范推广作用的国家级现代农业园区（中国政府网，2012）。

1.5 沙化地区设施农业的发展

2010年以来，宁夏沙区设施农业面积发展到0.67万hm2，带动了沙化地区的农业产业。在甘肃省民勤县沙区，2011年全县设施农业0.44万hm2，每667 m2日光温室均产值达到12 015元，棚内纯收入达到8 679元。在新疆，以戈壁土为基础，通过添加一定量的有机质形成少土栽培基质，用作蔬菜、果树、花卉等的栽培，目前戈壁设施少土栽培已辐射到喀什、和田、阿克苏、吐鲁番及阿勒泰等多个县市 （凤凰网，2012）。

1.6 无土栽培技术在温室中广泛应用

以基质和营养液栽培作物的无土栽培技术近年来已经在西北地区日光温室中广泛应用（杜中平，2011），特别是水肥一体化的无土栽培的兴起，大大降低了有机蔬菜在生长过程中病虫害的发生，保护了生态环境，减轻了土壤污染，防止了连作障碍，向人们提供了营养、健康、安全无公害的绿色食品（胡建，2012；吉佩峰，2012）。

1.7 精细农业在设施农业中的发展

随着科技的发展，以地理信息系统GIS为代表的农业技术在设施农业上大力兴起（刘璐 等，2012），另外计算机自动控制技术、全球定位系统GPS及遥感技术RS也相继应用于农业生产中。实现了设施农业水肥一体化及环境的科学管理（吕烈武和郭彬，2008）。

2 西北地区设施农业研究的主要内容

2.1 日光温室中新能源的应用研究

2.1.1 光伏发电日光温室应用研究 光伏发电日光温室是采用光伏电池组件作为屋面覆盖材料，部分替代传统的玻璃和PC板，实现温室作物生产与光伏发电的有机结合（鲍顺淑 等，2008；魏晓明 等，2011）。在陕西安塞县、杨凌示范区陕西省设施农业工程研究中心对日光温室中光伏系统的应用进行模拟测试，使光伏发电日光温室集研究、示范、节能为一体，研究其对温室能源利用、作物生长期发育及产量的影响。

2.1.2 风能、地热能及生物质能等可再生能源的综合利用及开发 风能在设施养殖中的作用主要是提水作业和发电，而在设施栽培中应用较少；地热能主要是浅层地热能的开发利用，采用地源热泵技术，冬季可以供给温室热量，夏季可以制冷使温室降温，但是地源热泵的利用目前处在初探阶段（孙先鹏 等，2012）。生物质能在设施农业中的应用主要是“秸秆反应堆”工程技术。研究表明外置式秸秆反应堆能有效改善越冬茬番茄栽培过程中日光温室内的环境条件，缓解晴天日光温室内CO2的亏缺，增加番茄的净光合速率和水分利用率，最终提高产量和经济效益（卞中华 等，2012；张静 等，2012）。

2.2 新型日光温室的设计研究

2012年，西北农林科技大学设施农业工程课题组研制开发了多种新型日光温室。① 双层幕日光温室：采用双层骨架，外层为普通日光温室骨架，承受温室所有的荷载；内部为单层轻骨架，承受内部保温被荷载。② 山地日光温室：黄土高原主要采用山地日光温室，墙体依靠山体，墙体为无限厚度。③ 集雨日光温室：墙体采用相变砌块砖，后墙是普通粘土墙，在温室的一面山墙修筑蓄水池。④ 可变采光角日光温室：可变采光倾角温室前屋面倾角为60°，机动屋面的倾角可以在25°～34°之间连续变化。⑤ 异质夹土后墙日光温室：墙体为两边砌块结构中间异质夹心结构，在后墙内部设计通风通道，通过机械动力通风达到蓄热和放热的功能。⑥ 相变后墙日光温室：墙体为空心砌块，然后在空心砌块内部填充复合相变材料，进而达到相变蓄热的功能；另外也可以在后墙内侧墙壁上安装PE管材，然后将相变材料充入PE管材内部。⑦ 非对称双层内保温温室：利用传统日光温室的后墙体，采用背靠背式，在背面设置阴棚，阴棚跨度小于阳棚跨度。阴阳棚的墙体采用砖和混凝土建造，阴棚结构设计与阳棚相似，均通过双层膜覆盖起到保温作用。⑧ 大跨度双层内保温塑料大棚：大棚跨度为14～20 m，外层高度3.8～5.4 m，内层高度为3.0～4.2 m，长度为60～100 m，单体占地面积为840～2 000 m2。大棚两端采用24灰砖墙体结构建造，内外两层均为钢骨架结构，并覆盖塑料薄膜，在内外两层骨架间覆盖自动保温被系统（李建明，2012）。

2.3 日光温室保温性能的优化

2.3.1 日光温室跨度的优化 西北农林科技大学对陕西关中地区冬春茬种植番茄的8、10 m和12 m三种跨度西北型日光温室的光照、温度、热流等环境参数进行测试，结果表明跨度为10 m时温室的平均气温最高，番茄长势最好（刘玉凤 等，2012）。宋明军和赵鹏（2006）对甘肃省河西走廊地区日光温室跨度进行了优化，设计建造了跨度为10 m的西北型节能日光温室，比其他跨度的温室保温性能更佳。

2.3.2 日光温室土墙厚度的优化 杨建军等（2009）对陕西、新疆、甘肃和宁夏各省区目前比较流行的日光温室土质墙体进行了研究。根据测试的环境温度、保温蓄热性能、土地利用率及建造成本得出日光温室土质墙体的最佳厚度分别为：陕西杨凌地区1.0 m，新疆塔城地区1.4 m，甘肃白银地区1.3 m，宁夏银川地区1.5 m。

2.4 相变材料在日光温室墙体中的应用

陕西省设施农业工程研究中心研究表明，选用石蜡与硬脂酸正丁酯按质量比为5∶5制成的复合相变材料，通过在温室内栽培番茄试验，相变温室中番茄的生长状况明显优于普通温室（王宏丽 等，2011）。另有研究表明，真空吸附硬脂酸正丁酯/聚苯乙烯定型相变蓄热材料的相变温度合适、相变潜热大、热稳定性好，适合用于温室低温相变蓄热材料（王宏丽 等，2010）。

2.5 抗盐碱技术逐步形成

西北地区由于降水量少，设施农业缺少雨水的淋溶，导致盐碱地普遍存在。目前主要通过土壤改良、育种、施用外源物质等方法来缓解盐碱胁迫等逆境对植物的伤害。施用外源物质是一种有效、简便的方法，目前研究较多的外源物质是多胺中的亚精胺（胡晓辉 等，2009；金春燕 等，2010；李俊 等，2012a）。

2.6 亚低温对温室作物影响的研究

在我国西北地区大部分日光温室为了节约生产成本，基本无人工加温设备，导致日光温室冬春茬蔬菜生长经常处于亚低温胁迫下。增施一定量的钾肥能提高番茄抵抗亚低温胁迫能力，有利于番茄植株的生长和果实品质的提高（秦文利和李春杰，2007）；亚低温下，番茄开花坐果期以蒸腾蒸发量的100%补充灌溉有利于提高植株的抗寒性（李建明 等，2010；李俊 等，2012b）。

2.7 水肥一体化技术

近年来，水肥一体化技术在西北日光温室中应用较广泛。它将灌溉和施肥融为一体，土壤水分和肥力达到最大化利用，实现设施农业的可持续发展。通过水钾耦合、水氮耦合及水磷耦合的试验，建立水肥耦合模型，合理进行水肥调控，充分利用水肥耦合技术，不仅能提高水肥利用效率，而且有利于番茄、甜瓜的生长发育，以及产量和品质的提高。

2.8 温室作物蒸腾模型的研究

以温室番茄和甜瓜为例，研究了温室内气象环境因子、植株生理特性、土壤水分对作物蒸腾耗水量的影响，并且建立蒸腾量预测模型，模型可以较好地模拟各水分条件下番茄和甜瓜的蒸腾耗水量，具有重要推广应用价值（陈新明 等，2007；刘浩 等，2011；姚勇哲 等，2012）。

3 西北地区设施农业存在的问题与建议

3.1 低成本与高土地利用率设施大棚的研究

我国北方大部分地区的日光温室墙体都是以砖墙和土墙为主，砖墙结构成本为300元·m-2左右，土墙结构成本为150～200元·m-2，以砖墙或者机器夯实的土墙为主的日光温室后墙占地面积小，温室之间的土地可以种植露地蔬菜，土地利用率高，但是成本高；而以推土机挖掘夯实的土墙由于其跨度较大，后墙较高，导致后墙的厚度远远大于砖墙，其占地面积增大，温室之间的空余土地少，基本不能种植露地蔬菜，虽然成本低，但是土地利用率降低。西北地区节能日光温室和我国北方其他地区一样，大部分是采用大厚度墙体温室，特别是部分地县大量推广山东厚土墙大跨度下沉式日光温室，后墙为土墙，用挖掘机夯实，墙体呈梯形状，厚度为5～8 m，而整个日光温室的跨度为8～14 m，日光温室之间的露地面积很小，基本不适宜种植露地蔬菜，因此导致日光温室生产土地利用率仅为40%左右，这使日光温室的土地利用率大大降低。因此，既要兼顾建造成本又要考虑土地利用率，低成本与高土地利用率设施大棚的研究势在必行。相关科技人员应该因地制宜，研制适合本地区的设施大棚，建立低成本温室大棚的研发机构，研制出包括低成本的承重材料、保温覆盖材料和薄而保温的墙体；另外可以大力推广非对称双层内保温温室及大跨度双层内保温塑料大棚（李建明，2012）。

3.2 自动化与机械化技术研究

我国北方地区的节能日光温室与国外的连栋温室相比较，一般面积较小，内部操作空间有限，基本上没有机械设备，生产基本靠手工操作，而与之相矛盾的是劳动力成本逐年上升；自动化控制系统的开发应用也较少，如通风系统、除湿系统、水肥一体化系统及打药除草系统缺乏。所以环境调节、生产过程调节、病虫害防治及管理自动化与机械化迫在眉睫，要立足实际，在现有规模的基础上，各类温室大棚均要增加技术含量，添置自动化装备，着力搞好技术配套，提高装备水平。加快研发适合本地区的专门的农业机械化设备，培训专门的操作人员，加大设施农业装备的科技创新、研发和推广，研制出一整套温、光、水、气、肥自动化控制设备。

3.3 生产管理技术体系的系统化

农业生产过程即作物从播种到果实成熟，是一个系统化的过程，农民没有把温室作物的生产过程与环境管理很好地结合起来，如在施肥的同时，没有考虑温度对肥料吸收的影响；在施药的同时没有考虑药剂对植物的影响；在加温的同时没有考虑湿度、CO2浓度对植物的影响。因而易导致施肥、灌溉、施药、通风降温、加温等管理措施不合理，脱离生产实际，投入和产出不成正比。因此，政府应加快生产管理技术体系的制定，完善已有的相关体系，可以参照先进的工业生产管理体系制定农业生产管理体系，使其生产管理技术体系系统化。

3.4 专业化人才的培养

近年来，设施农业专业化人才短缺的状况与设施农业的迅猛发展之间的矛盾日益突出，虽然广大的农业科技者掌握着较为先进的栽培技术，但是大多数农户仅凭现有的技术或者经验进行温室生产，直接影响温室规模化及产业化发展的水平。因此，必须加大有关设施农业方面的专业化人才培养，发挥科研院所、大专院校的作用，通过提高设施农业教育比重、联合培养、委托培养等方式，强化科技创新人才的培养，加大对基层生产管理和操作人员的培训；通过技术培训和示范，引导、帮助农民掌握并运用先进的设施农业技术。

3.5 农业园区建设步伐加快，但是创新力度不够，区域特色不明显

截至2012年上半年，陕西、甘肃、宁夏等省区国家级现代农业园区建设良好，例如陕西目前已经建成省级以上农业园区150多个。但是在农业园区实用技术的推广、产品科技含量的提高、产业升级的带动作用不明显；许多园区没有深入的探索创新的实质内容，部分园区定位不准，示范效果欠佳、人才短缺，进而导致园区创新能力较弱。要建立一批国家级设施农业机械化示范区，示范、引导设施农业向标准化、规模化发展。

西北地区是我国设施农业产业发展的优势地区，设施农业产业已经成为当地农业产业最具活力的产业之一，要保持设施农业产业稳定快速长足的发展，农业科技者还有很长的路要走。必须坚持走产业化、信息化道路，通过调整温室结构、种植结构，不断提高设施农业产品的附加值，整合资源品牌，发展绿色、无公害、有机蔬菜生产，进一步增强市场竞争力，使之成为西北地区种植业中的支柱产业。

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