铝在农业领域的应用现状及前景分析

张琪

铝是一种“年轻”的金属，铝元素从发现至今只有一百余年的历史；铝又是地壳中含量最为丰富的金属，同时还具有质量轻、易加工、比强度高、耐腐蚀、导电导热性好等诸多优良特性，因此在工业大规模生产之后不到60年（即1956年），铝便开始超越铜成为产量和消费量最大的有色金属，也是仅次于钢（铁）产量的第2大金属材料，广泛应用于建筑结构、交通运输、电力电子、包装容器、机械装备、耐用消费等多个领域，不但是制造业发展的主要基础材料，同时也是高新技术发展和国防建设的重要支撑材料。

目前，我国正大力实施乡村振兴战略，提出的目标是：到2035年，乡村振兴取得决定性进展，农业农村现代化基本实现[1]。在推进农业现代化的过程中，一大批先进的农机、农艺和生物技术不断运用到农业生产领域。如植物工厂、喷灌系统、植保无人机、温室大棚等设备设施的运用，大大提升了劳动生产率。铝合金材料在这些新技术和新产品中的应用越来越广泛，运用较多的是6XXX系铝合金型材、管材。6XXX系铝合金即铝—镁—硅系合金，易于挤压，材料表面品质优秀，阳极氧化与着色处理效果好，具有中等强度和优秀的可焊性、抗蚀性。该系合金是全球销量最大、应用最广的变形铝合金，85%以上的建筑及结构铝材采用该系合金挤压。

1 植物工厂

植物工厂是一种新兴设施农业生产模式，利用LED（发光二极管）光谱技术及自动化设备，对设施内的光照、温度、湿度、二氧化碳浓度及营养液等因素进行高精度智能控制，为植物生长提供最适宜的环境，使农作物生产不受或很少受自然条件影响，缩短生产周期并实现周年连续生产，减少水和肥料施用量；生产的植物无污染、无农药和重金属残留，满足人们对高品质食品的需求。植物工厂内采用6063铝合金制作的栽培架，通常由4040和4080系列铝型材与配件安装而成，无需焊接，便于搭建和拆卸，稳固耐用（见图1）。可根据不同农作物的使用需求，定制铝型材的规格、尺寸和样式。多层立体栽培的模式提升了空间利用率，节省了宝贵的耕地，其种植面积相当于同样大小耕地的几倍到几十倍[2]。

植物工厂于1957年诞生于丹麦，随后在欧美以及日、韩等国缓慢普及，随着关键技术壁垒的突破及政府积极支持植物工厂研发及产业化应用，这些发达国家已具备较为成熟的技术。我国一些科研院所在2000年左右开始进行试验性生产，受市场前景吸引，近年来一些产业巨头已经开始进入农业领域提前布局。2015年，京东方在北京大兴区建造植物工厂，占地面积4 160m2，并引入百度人工智能技术提升生产效率，月产量可达8万棵活体蔬菜，蔬菜直供数家餐饮门店。2016年6月，中国科学院植物研究所与福建三安集团总投资70亿元建设的植物工厂在福建省安溪县湖头镇投产，工厂面积10 000m2，可生产几十余种蔬菜，日产蔬菜量达1.8～2.0t，销往厦门、福州和泉州等地上百家终端用户。2018年12月，京东与日本三菱化学控股集团在北京市通州区合作建设植物工厂，工厂总覆盖面积11 040m2，预计蔬菜年产量达300t，通过线上京东生鲜以及线下超市进行销售。在各类资本的加持下，我国植物工厂数量持续增加，据不完全统计，目前中国实际运行且有一定规模的人工光植物工厂已达约200余座。

此外，还有许多小的开放型植物工厂，全力打造集生产示范、科普教育、旅游观光、休闲娱乐为一体的生态农业发展新模式；一些企业还推出了可移动的微型植物工厂，例如铝合金集装箱或小型培养架，用于餐厅、酒店、家庭、医院、科研单位等场所，满足观赏、科普和蔬菜食用等需求，也适用于恶劣的环境如高原高寒、沙漠地带，甚至是外太空和地下空间，为更多地区缓解新鲜蔬菜供给短缺作出了贡献。除了水培蔬菜以外，洛阳崧田农业开发有限公司在嵩县于2020年4月开发的智能蘑菇房实现了蘑菇种植工厂化（见图2）。目前，该项目的1栋智能菇房已建成投产，全部采用铝合金种植架，未来将建设3栋标准化智能菇房，全部建成后将成为豫西地区最大的双孢蘑菇种植基地。

在全球范围内，植物工厂还面临着电耗成本、可种植植物种类、产品价格、产量、市场接受度方面的问题。截至2018年底，日本已建成的植物工厂达到300座以上，为世界之最，但受成本制约，70%不盈利，只能靠政府补助勉强维持，并向国外输出技术。目前，我国植物工厂尚处于发展早期阶段，市场供给量较小，但随着各项相关技术的不断创新发展，成本得以下降，经济效益逐步体现，植物工厂的发展步伐加快，或将促进铝合金栽培架或栽培箱的需求显著提升，带动铝型材的用量将达到万吨规模。

2 喷灌系统

喷灌是一种先进的节水灌溉技术，具有省水、保土、保肥、适应性强的优点，可以有效促进农作物的生长，达到明显的增产效果[3]。喷灌系统可分为机组式和管道式，机组式为动力、管道和喷头组成一个机组，只要田间有一定的水源，就可以移动灌溉。按主要组成部分的可移动性，管道式分为固定式、半固定式和移动式3类。其中，固定管道式喷灌系统的水泵和动力系统构成固定的泵站，输水干管和支管多埋于地下，管道多采用钢管、混凝土管、铸铁管、塑料管等，适用于灌溉频繁的经济作物区和高产作物地区；半固定式和移动式喷灌系统的管道和喷头可以移动，适用于灌溉次数较少的大田作物和小块地段，要求管道轻便、耐撞耐磨、可经受风吹日晒，因此常采用塑料软管和薄壁铝合金管。

塑料软管收放容易，造价相对较低，但在工作过程中容易造成拖拉损坏，使用寿命较短，一般为2～3年。薄壁铝合金管具有质量轻、工作压力大、韧性强、耐腐蚀、使用寿命长、水利性能好、安装使用簡单方便等优点，可用于农田喷灌主管道或喷灌支管道（见图3）。早在20世纪60年代，薄壁铝合金管就已经被国外一些国家广泛采用，我国于1979年生产出第一代国产薄壁铝管系统，目前铝合金材料已广泛应用于半固定式和移动式喷灌系统。

喷灌系统中采用铝合金材料的部分包括喷头、支架、喷灌管（干管、支管、竖管）以及接头（直通、三通接头）、连接件、给水栓等附件。喷灌管通常采用采用6系铝合金，经熔铸—挤压—拉伸处理，生产出的铝合金管壁厚0.8～1.5mm，外径有65mm、76mm、102mm、125mm等规格，长度6m。接头、连接件、给水栓等附件采用铸造的方法生产。

2019年，我国农田有效灌溉面积达到6 800万公顷，居世界首位。据不完全统计，喷灌面积达到400万公顷，其中，轻小型喷灌机输水管道为涂塑软管，单位灌溉面积成本低，移动较为方便，是我国喷灌行业的主要机型，灌溉面积约占我国喷灌面积的85%。管道式喷灌系统与之相比具有转移困难的问题，市场份额估计占10%。大田喷灌半固定式对铝合金管的需求为37.5m/公顷，移动式需要铝合金管67.5m/公顷，若以每公顷采用50m铝管来计算，长度1m、1.2mm壁厚（含接头）的铝合金管重约4kg，铝需求量约为8万t。未来，随着我国喷灌面积的持续增加，铝合金管的用量也将得到提升，但增长空间有限。

3 植保无人机

中国作为农业大国，基本农田面积约1.07亿公顷，每年需要大量的人员从事农林植物保护作业，传统的植保机械是手动背负式喷雾器，效率低、打药不均匀、对人体伤害较大。而植保无人机通过地面遥控或全球定位系统飞控来喷洒药剂、种子、粉剂等，其优点是喷洒农药效率高，每天可完成作业面积20公顷左右（见图4）；旋翼产生向下气流使药物对作物的穿透性更强，防治效果好，同时可减少20%～40%的农药使用量，节水90%以上，提高农药利用率30%以上；远距离遥控操作施药，极大地降低了农药对喷洒作业人员的危害[4]。

由于地理条件原因，日本是最早将微小型无人机用于农业生产的国家之一，目前超过60%的水稻田采用无人机飞防进行植保作业，然而目前我国植保无人机作业普及率不足20%。2017年，农业部、财政部、民航局联合印发《关于开展农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作的通知》，截至2020年底全国已有20个省、自治区和直辖市启动购置补贴。我国首个农业无人机行业标准《植保无人飞机质量评价技术规范》（NY/ T3213—2018）已于2018年6月1日起正式实施。

在政策支持和规范引导下，植保无人机市场在全国就进入快速发展期，中国航空运输协会通航分会发布的《2019中国民用无人机发展报告》显示，截至2019年底，我国共生产各类植保无人机170多个品种，保有量超过5.5万架，作业面积超过8.5亿亩次。植保无人机质量约10～20kg，主要在机身的喷杆折叠件、U型脚架等结构件采用铝合金材料，据测算，全国植保无人机累计用铝量在250t左右。

随着智慧农业的推进，无人机配备了推进系统、红外摄像机、全球定位和导航系统、可编程控制器以及自动飞行、避障雷达等系统，方便农民测绘农田、检查和处理杂草、监测农作物健康状况、管理牲畜、投掷饲料和肥料等，未来在农业领域应用中很大的发展潜力。

4 温室大棚

温室利用采光覆盖材料和环境控制设备，可在冬季或其它不适宜露地植物生长的季节，为栽培植物的生长发育提供适宜的环境条件，目前在生产种植、科研实验、生态餐厅、休闲观光、检疫隔离、大型室内公园中都有应用。温室大棚建造主要采用3种覆盖材料：阳光板（聚碳酸酯板）、塑料薄膜、玻璃。其中，玻璃温室由于材料性能稳定，使用寿命较长；透光性能最好，适合高光照植物的种植[5]。玻璃温室的顶部和四周覆盖材料主要采用铝型材连接结构。

玻璃温室的四周覆盖材料多为双层中空玻璃、或者单层玻璃，主体骨架为热镀锌钢管，铝型材主要用来固定和连接玻璃，这种结构一般分为铝合金底框、铝合金压板和铝合金盖板3部分组成，具有使用方便，固定牢固，抗风性强，使用寿命长的优点（见图5）。顶部的型材主要有铝合金人字梁和铝合金排水天沟等，相比传统的镀锌钢板天沟，铝合金天沟加工精度高，密封性能好，减少散热，解决漏水问题；遮光面积更小，增加了温室的采光面积，更利于作物的生长；铝合金耐腐性强，使用寿命更长；安装便利，外型美观。荷兰的玻璃温室经过几十年的发展，目前主要使用铝合金中空天沟，但该天沟技术难度大，造价昂贵，国内生产厂家少，国产玻璃温室大棚目前使用镀锌钢板天沟居多，近几年国产铝合金天沟也在逐步推广使用。

近年来，智能玻璃温室开始兴起，其配备了由计算机控制的可移动天窗、遮阳系统、保温、湿窗帘/风扇降温系统、喷滴灌系统或滴灌系统、移动苗床等自动化设施[6]，其中灌溉系统及苗床均采用铝合金材料制造，光伏温室大棚中也采用了铝合金边框组件（见图6）。

铝合金型材也广泛应用于现代化农业设备，例如基质消毒机，采用镜面不锈钢外壳，铝合金机身框架，适用于育苗或栽培的基质及土壤消毒，有利的杀死各类杂草、真菌、线虫等；育苗播种机，主体采用铝合金机身及配件，适用于丸粒化花卉、蔬菜、烟草、瓜果、药材、牧草等穴盘育苗种植（见图7）。雾化机、循环风机的扇叶由铝合金制造，主要用于畜禽养殖场、园艺温室、厂房车间等场合。

除了以上，养殖业也在逐步推广应用铝合金材料，如国内大型猪厂采用铝合金栏杆作为围栏。Hydro与挪威近海水产养殖公司Ecomerden一起，开发了封闭式近海鱼类养殖项目，Finspang工厂将提供铝合金生产的鱼网周围的浮环。

5 结语

科技支撑农业发展是大势所趋，铝合金材料在农业应用领域具有广泛的社会和经济价值，将进一步推动农业提质增效，加快农业现代化。但不可忽视的是，材料方面，传统农业设备设施中热镀锌钢材、塑料等材料应用广泛，能满足大部分需求，轻量化要求相对于汽车等行业较低，对铝的需求存在一定空间；成本方面，植物工厂、智能玻璃温室、植保无人机是资金和技术密集型投入的产业，在规模化的推广应用离不开政府的政策支持和补贴；技术方面，新兴技术发展起步晚，与国外相比仍存在技术上的差距，国内配套生产厂家少，限制了进一步推广应用。因此，铝合金材料在农业领域的应用还有较大的成长空间，预计到2025年，农业领域带动铝消费量达20万t规模左右。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.014

参考文献

[1] 中共中央，国务院.中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见[EB/OL].（2018-02-04）.http：//www.gov.cn/ zhengce/2018-02/04/content_5263807.htm.

[2] 吴月辉.没有土壤阳光也能“种”菜[N].人民日报，2017—06—09（20）.

[3] 吕新宇.农业喷灌用铝合金管材研制[J].轻合金加工技术，2002（2）：34.

[4] 程紅.浅析农用植保无人机的应用推广[J].农机化研究，2018（3）：44.

[5] 周伟伟.国内温室覆盖材料的应用现状[J].中国花卉园艺，2013（5）：16—17.

[6] 龙通平.为现代农业发展注入新动力[J].青海农技推广，2015（1）：15.