1 溫室節能技術由于能源緊張、CO2排放的限制等原因, 歐美等發達國家目前將節能技術作為溫室領域最重要的研究課題。發達國家的溫

1 溫室節能技術

由于能源緊張、CO2排放的限制等原因, 歐美等發達國家目前將節能技術作為溫室領域最重要的研究課題。發達國家的溫室產業基本上都是依賴于消耗天然氣和石油發展起來的, 每生產10 kg的黃瓜大約需要消耗5 L燃油。近年來, 隨著《京都議定書》的執行, 一些發達國家正在研究如何減排CO2, 如荷蘭規定, 到2010年, 將以1980年 (100%) 為參照減少溫室行業65%化石燃料的使用, 到2020年, 將基本不用化石燃料。因此, 一些國家紛紛投入大量的科研經費用于節能和新能源技術的研究。溫室節能技術的主要研究進展包括以下4類技術:

1.1 覆蓋材料透光技術

大幅度提高覆蓋材料的透光率、增加太陽光的入射量。例如, 荷蘭瓦赫寧根大學開發了一種叫zigzag的板材, 利用反射光的二次利用, 透光率可達89%, 最高達到93%~95%。一些國家還開發出了溫室屋頂清洗機械裝置, 用于清洗屋頂的灰塵, 增加溫室的透光率。此外, 對溫室覆蓋材料的內側進行鍍膜處理, 可以阻止溫室內部長波向外輻射, 減少熱損耗, 可實現節能25%以上。

1.2 熱能的多用途利用和余熱回收技術

如溫室鍋爐的煙筒普遍裝有余熱回收系統, 熱回收效率可達75%以上, 盡可能減少熱損耗。此外是淺層地能的利用, 利用土壤作為蓄熱源, 夏季把低溫冷源抽到地上, 用于溫室降溫, 把經過熱交換的熱量打到地下, 冬季把高溫熱源抽上來, 在熱泵作用下升溫至45~50℃, 這樣只需要稍許加溫就可以用于溫室采暖, 節能幅度達65%~70%。

1.3 溫室優化結構技術

通過縮小屋脊和擴大溫室單棟面積來合理采光和減少熱損失。溫室結構向高大發展, 脊高6 m的新型溫室迅速增加, 單棟面積也擴大至100 m×200 m, 有的達到200 m×200 m以上, 大型溫室有利于溫度穩定及提高光合利用率。荷蘭為了提高溫室總體密封性能, 節約能源, 對屋頂鋁材結構進行了較大改進, 增加了密封膠條, 提高了密封性能, 有效減少了玻璃由于熱漲冷縮發生的破損。

1.4 節能光源LED技術

隨著發光二極管 (LightEmitting Diode, LED) 技術的發展, 已研制出針對植物需求的單色LED (如波峰為450 nm的藍光、波峰為660nm的紅光等) 及其組合光源, 光能利用率可達80%~90%, 節能效果極為顯著, 并已經實現了在溫室補光、組培、育苗以及植物工廠等領域的應用。由中國農業科學院環境與可持續發展研究所研究開發的LED光源植物苗工廠, 用節能LED光源替代傳統的熒光燈光源, 并根據植物苗對光環境的要求, 進行了系統的研究, 構建了國內第一套用人工光源的植物苗工廠。該技術于2008年11月20日通過科技部組織的專家驗收。研究成果按照植物苗工廠的技術需求, 篩選了特定波長的紅光LED和藍光LED, 選取單色紅光660nm LED和藍光450 nm LED光源按一定比例進行組合, 并開發了相應的LED光源板及其控制系統, 研制出了一套控制參數設置方便、界面可視化程度高、數據處理能力強的光環境控制軟件。項目所形成的“LED植物苗工廠及其光環境控制系統”成果已在部分地區植物組織培養、蔬菜與花卉工廠化生產等領域示范應用, 顯示了廣闊的推廣前景。

2 溫室環保技術

環保技術要求人們必須從各方面促使農業的發展與自然界和諧一致。由于對資源高效利用和環境保護的關注, 一些發達國家近年來投入大量精力進行溫室精確施肥、雨水收集、水資源和營養液的循環利用技術以及對土壤、大氣的保護技術研究, 盡量減少資源浪費和對環境的破壞。主要研究進展為:一是在無土栽培營養液閉路循環技術方面, 歐盟規定2000年之前所有的溫室無土栽培系統必須采用閉路循環系統 (Closed system) , 通過對營養液的回收、過濾、消毒、補充營養等措施, 結合新的營養液的補充, 又重新回到溫室循環使用。該系統可實現節水21%、節肥34%, 而且還可以大幅度地減少營養液外排對周邊環境的污染, 提高營養液利用效率。二是在雨水收集利用方面, 通過一系列的管路系統將溫室天溝的雨水收集起來, 傳送到溫室附近的蓄水池中, 再通過過濾凈化等措施, 輸送到溫室進行灌溉, 每公頃溫室需配備約1 500 m3貯水罐 (池) , 能夠解決75%溫室作物的用水。三是在病蟲害防治方面, 采用生物防治和物理防治手段相結合進行綜合防治, 盡量減少化學藥劑的使用, 實現對蔬菜自身和環境的零污染。

3 溫室智能化技術

計算機智能化調控裝置采用不同功能的傳感器探測頭, 能準確采集設施內室溫、葉溫、地溫、室內濕度、土壤含水量、溶液濃度、CO2濃度、風向、風速以及作物生長狀況等參數, 并通過數字電路轉換后傳回計算機, 對數據進行統計分析和智能化處理后顯示出來, 再由計算機智能系統根據作物生長所需最佳條件發出指令, 促使有關系統、裝置及設備協調運作, 將室內的溫、光、水、肥、氣等諸因素調到最佳狀態, 確保一切生產活動科學、有序、規范、持續地進行。采用智能化溫室綜合環境控制系統可節能15%~50%, 提高作物抗性。在荷蘭, 溫室的操作基本上由計算機系統控制。荷蘭有五大溫室制造公司, 他們不僅在機械化、自動化、產品采后處理方面設備技術水平高, 而且在計算機智能化、溫室環境調控方面也居世界領先地位, 配套溫室設施出口額占世界貿易的80%。

4 溫室工廠化技術

工廠化農業的核心是對設施內栽培環境進行有效的控制, 進行機械化與自動化生產, 營造適于作物生長的最佳環境條件。植物工廠是在全封閉設施內周年進行園藝作物生產的高度自動化控制體系。目前世界比較先進的溫室設施及溫室自動監控系統是由奧地利Ruttuner教授設計的Complexsystem和日本中央電力研究所推出的蔬菜工廠等。這類植物工廠采取全封閉生產, 人工調控光照, 立體旋轉式栽培, 不僅全部采用電腦監控, 而且還利用機器人、機械手進行播種、移栽等工作, 完全擺脫了自然條件的束縛, 真正實現了工廠化農業的數字設計、調控與管理。植物工廠一年中可多茬次栽培, 生菜、菠菜栽培期較露地栽培縮短1/4~1/2, 產量可達150 kg/m2, 為露地栽培的10~20倍。由于土地資源的限制以及人類開發太空資源的考慮, 近年來, 日本、以色列、美國、荷蘭等國積極進行植物工廠的研究與探索, 美國NASA已開始研究在太空采用人工光植物工廠技術實現宇航員食物的自給。日本政府基于本國農業勞動力老齡化、成本急劇上升以及人們對安全食品需求的考慮, 多年來大力發展節能、環保、安全型植物工廠的研究與開發, 通過政策與資金方面的扶持, 極大地推動了植物工廠的普及與發展。植物工廠播種、定植、采收、肥水以及溫濕度管理等完全由計算機操作、自動化作業, 為工廠化農業發展展現了美好前景。日本、韓國研究開發了瓜類、茄果類蔬菜嫁接機器人。日本研制了可行走的耕耘、施肥機器人, 可完成多項作業的機器人, 能在設施內完成各項作業的無人行走車, 用于組織培養作業的機器人等。目前, 一些國家在設施農業優良品種的選育、新材料開發、環境控制、高效栽培及其配套系統等方面均形成了完整的技術體系。