河北省设施农业物联网+发展现状

刘云，崔晓玮，杨阳，曹岩坡，梁玉芹*

（1.河北省农林科学院经济作物研究所，河北 石家庄 050051；2.元氏县北褚镇人民政府，河北 元氏 051134）

近年来，随着人们对蔬菜质量要求日渐提高、种类需求多样化，应用物联网管理系统的智能温室农业大棚得到了迅速发展。设施农业[1]能够在一定程度上摆脱农业生产对自然环境的依赖，是传统农业向现代化集约型农业转变的有效方式，是实现农业现代化的必由之路[2]。当前农业设施主要是塑料大棚、日光温室和一些连栋温室，还有少量先进工程技术的智能温室等。我国设施农业的规模有限，管理较为混乱，温室内种植主要依靠人工耕作和经验管理，造成了一定的资源浪费。目前物联网在农业技术中的应用主要集中在设施农业的环境感知、农业环境系统监测、自动控制等方面，依靠物联网与设施农业相结合能够促进资源的合理利用，更加科学、有效、精准地调控农业设施环境。

1 国外设施农业的发展现状

设施农业快速发展成为现代农业发展的象征。设施农业发展比较先进的国家有荷兰、日本、以色列、美国等，这些国家投入大量资金发展设施农业[1，2]，因此设施农业发展较快，综合水平较高。

荷兰是拥有玻璃温室最多、最先进的国家，实现了现代农业的高度自动化发展，其玻璃温室能够科学地自动调控温室内的温度、湿度、光照和水肥等条件。20 世纪初到1950 年[3]，荷兰设施农业是以矮墙单坡面、双坡面和简单木架支撑的玻璃温室技术为主，只能勉强满足植物过冬的基本温度需求；1951 年到20 世纪80 年代末，温室大棚的覆盖材料、设施的结构材料、环境控制和配套体系迅速发展，研发出无土栽培、温室模拟气候等技术并广泛应用，温室钢架支撑结构得到发展[4]，透光度大幅提升，作物产量和品质明显提高；20 世纪80 年代末至今，以设施农业可持续发展理念为目标，重点关注绿色、低能耗和多功能等方面，研究出了设施农业太阳能发电技术，为温室农业的发展节省了能源。

日本组培环境调控和封闭式育苗技术取得先进成果。由于受到劳动力和人口老龄化的冲击，日本设施农业的发展方向与其他国家不同，更加注重小型温室机械的研发，发展立体化种植等技术；更加注重环境综合调控系统，能有效实现设施农业管理的自动化，根据参数对植物的水、肥、光、热等进行自动化控制，发挥精细控制的优势[3]。

以色列地处沙漠地带，因地制宜发展设施农业，设施园艺生产水平较高，滴灌技术以及品种的开发和培育均处于世界领先水平，主要是种植温室花卉和蔬菜以供出口[2]。以色列的节水灌溉设备发展较为完善。

高峰等[5]通过剖析设施农业的内涵和特征，回顾国外设施农业的发展历程，分析了国外设施农业的发展现状，其认为荷兰、以色列、美国和日本等设施农业比较发达的国家，已经在环境调控、肥水管理等方面进行了全面系统的研究，并形成了完整的设施体系和配套技术。通过提升设施农业物联网监测系统水平，建立配套的管理体系和设备，能够提高设施农业的经济效益。

2 国内设施农业的发展现状

根据农业部农业机械化管理司的统计数据，2016年全国设施农业总面积为208 万hm2，其中连栋温室面积5.17 万hm2、日光温室面积66.15 万hm2、塑料大棚面积136.96 万hm2[6～9]，大多数设施较为简易，北方地区以日光温室为主，也是我国特有的传统温室类型，设施规模较小，科技水平较低[6]，不便于机械操作和环境因子的调控。栽培管理主要靠人工经验管理，没有达到指标化、科学化生产管理的要求，散户很少使用大数据监控管理，主要原因是投入成本较高、农民文化水平较低、对大数据管理系统不会操作等。我国现有的农用机械外形规格和结构较大，难以在日光温室中进行操作，致使多数设施农业机械配套水平不高，人力劳动强度大，工作效率低。我国的设施农业机械化程度与国外相比差距较大。

随着我国信息技术的进步，物联网逐渐越来越广泛地应用到设施农业中。通过物联网监控系统，能够对温室环境进行远程监测和控制，改变传统农业种植方式，有利于农业现代化发展。物联网与设施农业相结合，可以监测空气湿度、温度和CO2浓度以及土壤水分等参数，实现农作物生长的自动化管理，解放劳动力。我国的物联网+设施农业主要集中在智能监测和自动控制等方面[7]。而物联网技术的应用主要依赖于传感器的精密感知能力，但国产传感器准确度不高，易受到外界环境的干扰，损耗较快，成本高，实际利用率较低。散户和企业引用物联网技术，一方面受到高成本的限制，另一方面数据的精准度不高也很难有效对温室环境进行控制，造成虽然购买了物联网设备和技术却闲置报废的现象，很难将物联网技术实际运用到设施农业中。

3 河北省设施农业的发展现状及存在主要问题

3.1 发展现状

蔬菜产业是河北省农业的重点支柱产业，京津冀协同下的农业区域布局划分使得河北省作为京津“菜篮子”的地位日益提高，发展潜力巨大。20 世纪80年代以来，河北省设施农业发展迅速，生产规模不断扩大，2016 年河北省设施农业总面积为 21.6 万hm2[8～10]，其中，连栋温室0.04 万hm2，日光温室8.26 万hm2，塑料棚13.3 hm2。

河北省设施农业发展以分散农户经营为主，土地集约化程度较低，限制了机械化程度较高的设施农业的发展，生产规模普遍较小，大型合作社数量少，产业化程度不高。该省应用最多的小型温室一般占地667 m2，实际使用面积400 m2。温室多为单坡面；后墙、侧墙一般是土质或者砖混结构；骨架为金属结构；覆盖材料多为塑料薄膜，也有用玻璃[11]、PC 板等；保温材料主要使用草帘和特殊保温材料制作的保温被。

散户应用的温室多为自行建造，没有成型的标准体系，投入少，墙体厚度大，占地面积广，土地利用率低，应用限制条件较多。而采用砖混结构、钢骨架支撑、用塑料薄膜和保温被做保温材料建造的温室，投入较多，一般在10 万元以上，增收、增产效果会更好[12]。

河北省南北跨度大、地形地貌多样，因此形成的农业设施类型较多，常见的类型有塑料大棚、日光温室、中小拱棚。近年来日光温室发展迅速，其作为一种封闭式反季节的栽培模式，对温度、湿度、光照和水肥药精准度要求较高，生产条件具有一定的局限性。同时，该省大部分地区设施环境控制能力差、科技化程度低，蔬菜生产仍以粗放式的人工劳作为主，农药和化肥的使用缺乏统一标准，加上从业者文化水平、管理水平和科技创新能力较低，导致河北省设施农业智慧化、科技化程度较低。

3.2 主要问题

3.2.1 综合管理技术、机械化水平低 目前，河北省缺乏设施农业的专业技术人员，数字化、智能化系统相关组件主要依赖进口，核心技术受制于人。市面上的大数据监控设备精准度低，很难达到物联网+设施农业相结合进行科学管理的预期效果。温室大棚冬季达到预期温度存在一定困难，增温设备成本较高。土壤检测以及湿度和温度控制不够准确，河北省的温室内灌溉方式[13]多采用漫灌，少数使用滴灌技术，水资源利用率较低；微灌设备还不完善，滴灌的堵塞、抗老化问题未得到有效解决，且制造水平低，灌水均匀度差。温室自动控制系统还属于起步阶段，温室的栽培方式落后，以人工为主，机械化水平低[14]；设施内环境调控以人工经验判断为主，对温室环境如光照、温湿度、土壤肥力等无法进行实时监测，缺乏对种植环境的全面掌握。有的合作社或农业园区的农业设施虽然在温度、湿度等控制方面已实现智能化，但仍然缺乏有效的技术支撑，包括智能化农业的设计及环境调控技术，主要技术以国外引进为主，对于温室内升温、降温等环境调控设备处于零散使用状态，调控能力弱，缺乏切实可行的技术标准，不能形成集温度、湿度、光照、CO2浓度、水肥调控等综合环境自动监测和控制系统。大多数的温室控制系统需要从国外引进，不仅维护、运行成本高，且缺乏相应的优化软件，优化升级仍需要从国外再购买相应的服务。我国对于这方面的研发投入不够重视，温室农业的优势没有充分发挥出来。

3.2.2 温室结构单一 河北省地貌复杂多样，西为太行山地，北为燕山山地、张北高原，其余为河北平原。高原和山区的光照条件好，但冬季往往易遭受低温冻害[13]，因此在温室设施建设过程中要考虑到采光和保温的问题。河北省年平均气温12 ℃以上，0 ℃以上积温为 4 800～5 200 ℃，无霜冻期 190～205 d[7]。设施农业生产面积广阔，但应用的温室多为简易型，没有根据相应的地形和环境气候进行温室设施的优化与改善。而温室结构直接影响到温室生产的经济效益。在我国北方地区尤其是河北，应加强温室保温性能研究，以减少冬季的热能耗[15]，提高冬季温室的保温能力，保证温室作物生产的温度。

3.2.3 人才缺乏 我国物联网+设施农业技术[16]发展迅速，但与发达国家相比仍存在较大差距。表现在我国农业物联网技术专业人才缺乏，设计、制造型人才缺失严重，大部分农民的文化水平较低，习惯于传统生产方式，对农业物联网技术的接受和操作能力有限。想要更好地推广物联网+设施农业的发展，科研机构、高校或企业要加大软件技术设计、硬件设备的设计和制造等人才的培养力度，同时定期组织和开展科技下乡、技术培训等活动，从而提高劳动者的科学文化素质，并通过示范引导逐步推进物联网+设施农业的应用。

3.2.4 科技服务滞后 对于智慧农业的发展，基层农技推广人员的技术支撑尤为重要。但是，河北省缺乏具有丰富指导经验的基层农技人员，现有的农技推广人员对农业标准化、信息化、智能化生产等方面缺乏系统化学习和新知识的及时更新。另外，农业生产以一家一户分散经营为主，接纳新技术的能力差异较大，导致先进农业技术的推广到位率和成果转化效率较低。

3.2.5 品牌建设优势弱 河北省设施农业生产以单个企业或农户分散经营为主，对新的生产技术和市场动态掌握不及时，专业化组织能力、品牌建设优势和产品市场竞争力较弱，销售方式以零售和个体经销商收购为主，难以形成规模经济，使得品牌产品和支柱产业不能迅速适应市场竞争而较好的抵御自然和市场的双重风险。

3.3 河北省温室应用发展方向

2019 年河北省蔬菜产量为5 474.51 万t，占全国蔬菜总产量的7.59%，其中设施蔬菜播种面积为224.67 千hm2。2019 年全省通过发展高端设施蔬菜和建设环京津基地，加强了蔬菜特优区建设，蔬菜周年供应能力和设施化水平显著提高，蔬菜特色化、品牌化和高端化发展取得重大突破[17]。

河北省温室农业的生产效益一般是大田农业的数倍[18]，但其利用效益还有很大的开发潜力；目前当地的温室应用管理水平比较落后，管理效益提升空间巨大，可以从以下几个重点方面入手：

3.3.1 优化温室大棚结构，研发小型温室设备 完善小型温室的节能、保温技术，提高小型温室产品的时令性，改善温室结构，提高土地利用率。目前温室大棚的卷帘有些已经改成电动卷帘，实现了自动机械化控制。大棚结构的门比较矮小，仅容1 人出入，这样设计的优点是有利于大棚保暖，但同时存在农业种植只能通过人工操作、一些小型机械很难在大棚内作业的缺点。因此，需要优化大棚的结构设置，并且需根据大棚的条件研发相应的小型机械设备，实现机械化生产[16]。

3.3.2 提升综合管理技术水平 杨冬霞等[19]认为，应利用工业的全面质量管理思想，形成规模经济和标准化管理，实现真正的农业产业化。研发和推广小型温室环境监测技术，提高检测设备的准确度，推广应用方便、操作简单的环境监测仪器。同时，通过多种途径提升相关管理人员的技术能力，增强其农业管理能力的专业素养[14]。将物联网与设施农业相结合，通过大数据对设施农业进行统计、监测和管理，实现产品质量和产量的双提高。

3.3.3 推广节水设备，促进资源节约利用 河北省水资源匮乏，每年平均超用水量为46.3 亿m3[20]，而蔬菜生产需水量大，因此必须推广节水灌溉设备，推广滴灌-微喷水肥药一体化技术，在节约用水的同时针对病虫害进行施药防治。达到水、肥、药的一体化综合管理，提高效率，实现农业良性循环[21]。加强温室品种的培育和引进转化，进一步推广适用于温室生产的综合栽培管理技术，加强宣传培训力度。

3.3.4 统一规划，合理布局 根据河北省设施农业发展现状、自然资源条件和经济发展水平等因素，对不同立地条件的设施农业进行统一科学规划，建立区域特色设施农业体系，为推进河北省设施农业发展提供强有力的保障。

4 展望

温室技术的发展使得农业生产在一定程度上降低了对自然环境条件的依赖。随着我国设施农业经济的不断发展，针对设施农业的研究越来越多。河北省设施农业面积广阔，作为京津冀“菜篮子”的蔬菜生产大省，需要不断提高设施农业种植技术。简易温室由于制造简单、价格低廉很受农民青睐，但简易温室抵御自然灾害能力差，结构较为低矮，小型机械作业困难，不利于农业现代化发展。而因地制宜优化温室结构，在发展特色蔬菜栽培的同时，适度发展高标准的温室，普及相应的综合管理技术，研发相应的专业机械设施，推广节能节水的灌溉方式等。将物联网[22]与设施农业相结合，通过系统精确监测，专家远程指导，种植者远程调控，精确管理温室内的温度、湿度、土壤湿度等参数，让温室蔬菜更高质、更高产，这也是未来设施农业发展的大趋势。