《设施环境工程学》(邹志荣主编)第一章 绪言 -讲义(读书笔记)-word-可编辑

第一章绪言
设施农业环境工程学是在充分掌握农业生物生长发育与各环境因素相互作用的基础上，研究如何采用经济和有效的环境调控工程技术与设备，创造优于自然界的、更加适于农业生物生长发育和产品转化的环境条件，提高农业产品生产效率的一门学科。

环境是指围绕着生物体周围的所有事物。

设施农业环境工程学所关注的主要是那些对农业生物的生长发育具有直接作用的环境因素，一般包括生物周围的温度、湿度、光照和热辐射、空气、土壤和水的运动状态等。

影响和决定农业生物的生长发育、产品产量和品质的各种因素可以概括为遗传和环境两个方面。

遗传决定生物生长发育、产量高低和产品品质等方面的潜在能力，而环境则决定生物的遗传潜力能否实现或在多大程度上得以实现。

再好的良种，如果没有适宜的环境条件，就不能充分发挥其遗传潜力。

所以，研究调节环境与生物之间的相互关系是十分重要的。

第一节设施环境工程学的发展概述
世界设施农业发展大体分为三个阶段:
第一，原始阶段:约2000多年前，我国使用透光度高的桐油纸作覆盖物建筑温室。

古代的罗马是在地里挖成长壕式沟，土面覆盖透光性好的云母板，并使用铜烟管进行加温，此时可以说是设施农业的原始阶段，人们仅仅是-种保护式栽培，根本谈不上环境调控技术。

第二，多层阶段:主要是第二次世界大战后，玻璃温室和塑料大棚已经发展起来，尤其以荷兰、美国、日本为首的国家在20世纪50年代开始关注农业生物与环境因素的相互关系，并引入相关的工程设施，启动环境工程技术，温室内附加设备越来越多，所以设施农业环
境工程就此开始应用于生产。

第三，飞跃阶段:20世纪70年代以后，随着大型钢架连栋温室的出现，自动控制环境条件已成现实，温室内加温、降温、通气、换气、补光、遮光等设备广泛应用，计算机控制系统进入温室管理，植物工厂建立标志着人类能够完全控制作物生产全部环节，设施农业向高效率、自动化管理方向发展。

目前，设施农业环境工程发展较好的荷兰、日本、以色列等国家代表这方面的先进技术。

荷兰现有大型连栋玻璃温室17 000 hm2，占世界玻璃温室1/4，其温室装配有调控室内温、光、水、气、肥几大因素的设备，并配套计算机实行自动化综合控制,其管理水平堪称世界一流，在全世界享有很高的声誉。

日本现有温室10万hm2，其中95%以上是塑料温室，大部分温室比较简单，但先进的温室配套综合环境调控技术处于世界先进行列，特别是植物工厂是世界最高水平的设施类型。

自1957年丹麦约克里斯顿农场建立全世界第一座植物工厂以来，日本、荷兰、美国、加拿大、以色列、瑞典等-些国家积极投入这一领域的研究与开发，形成了人类完全控制环境而进行农业生产的典型模式，植物工厂是一种科学投人、高技术、精装备的生产体系，集生物、工程和系统管理于一体，彻底摆脱自然条件的束缚，利用计算机对植物生产的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，实现高产高效推广的知识与技术密集的集约型农业生产方式。

以色列设施农业特点是在沙漠干旱地带，利用水分调温技术与设备，创出一条高产、优质、高效的生产之路，温室番茄的年产量最高达500 t/hm2，产品出口欧洲各国，生产效益非常高。

我国设施面积最大，1982年为0.7万hm2，1999年已达139.6 万hm2，2002年达到200万hm2,2004年达到250万hm2，占世界设施总面积85%以上，但大型温室约1000 hm2以上，95%面积仍是简易型。

在环境工程方面，我国主要在大型温室上实现了温、光、水、气、肥等因素的基本控制，管理水平在逐步提高，但是大部分设施内环境管理还主要是基于传统生产经验的、各环境因素单独调控的方法。

所以，在注重农业产业结构的合理布局与数量增长的基础上，重点要放在提高设施水平和产品质量，更合理地利用资源，注重生态效益，实现可持续发展。

为此，需要加强农业生物环境工程领域的基础研究和技术开发，大力发展该学科，为我国现代设施农业向高水平发展作出积极的贡献。

第二节设施农业环境工程学的内容与作用
一、设施农业环境工程内容
设施农业环境工程内容主要包括以下五个部分:
(1）温室内光、热、水、气、土五大因素的基本特征与变化规律。

(2〉温室内五大因素与作物生态发育的关系。

(3）温室环境因子进行调控的设备与技术。

(4)环境自动监测与控制系统。

(5)能源开发与利用。

二、设施农业环境工程在农业生产中的作用
设施农业环境工程在农业生产中的作用可归纳为以下几个方面。

(一)打破季节限制，实现动植物周年生产
自然界气候条件在不同地域、不同季节差异很大，在传统农业生产条件下，农产品生产的地域性、季节性非常强。

在那些不适于进行农产品生产，尤其是鲜活农产品生产的地区和季节，到农产品供应的
淡季，则不能满足人们生活的需要。

例如，在我国北方地区，冬季气候寒冷。

华北地区1月平均最低气温为0~～--10 ℃，极端最低气温达一20～-一30 ℃;西北地区1月平均最低气温为一10 ℃~一25 ℃，极端最低气温达一30 ℃;东北地区1月平均最低气温为--20～-30 ℃，极端最低气温为一28~—40 ℃。

在这样的气候条件下，露地种植蔬菜是完全不可靠的。

依靠园艺设施在寒冷的冬季提供蔬菜等植物生长所需的适宜的环境温度，蔬菜和很多花卉以及一些温暖季节才能生产的水果，都可以在严寒的冬季进行生产，以便充足地供应市场。

再如，在我国南方地区夏季炎热，雨水较多，露地种植各类花卉十分困难，依靠农业环境工程技术，利用设施栽培就可以实现。

农业生产可以完全摆脱自然条件在地域和季节上的限制，根据社会需求组织生产。

尤其是反季节产品生产的实现，极大地满足了任何地区、任何季节人们周年生活消费的需要，丰富了人们生活。

(二)采用标准化管理，实现高产、优质、高效生产
农业环境工程能够为动植物提供良好的生长发育环境，使其能更好、更快地生长，其产量、品质大大提高，而生产周期大为缩短，投人产出比显著提高，达到很高的生产效率。

例如，现代畜禽的增重率和饲料转化率、产蛋率、产奶量等达到传统方式未达到的水平，生产周期显著缩短，出栏率增加。

蛋鸡的产蛋率达到80%以上，肉鸡只需8周即可将雏鸡饲养到1.5~2 kg，育肥猪达到100 kg的出栏屠幸重量只需不到5个月。

在现代化的温室内，依靠对室内温、光、水、气的有效调控，为植物的生长提供了优质、速生的良好环境，能够达到比露地生产高得多的生长速度和生
产效率。

采用营养液栽培叶菜类蔬菜，仅用20余天就可以收获。

温室栽培黄瓜和番茄的产量是露地生产的数倍，目前最高可以达到50～60 kg/m2的产量水平。

(三）节约能源与光源,提高农业生产产值
设施农业是在有限的土地面积上高度集约化的生产方式，其特征是节约土地，减少水肥浪费，能够合理利用太阳能源，再配上可调控的环境条件，真正实现高效生产目的，所以，一般产值是蔬菜15万~30万元/hm2，果树30万~45万元/hm2，花卉45万~75万元/hm2。

我国人口众多，而自然资源相对短缺。

目前人均耕地不足0. 1 hm2，预计21世纪中叶全国人口将达16亿，人均耕地还将进一步减少。

人均占有淡水量仅230 m3，只相当于世界人均水平的1/4，是水资源最贫乏的13个国家之一。

因此,在我国，利用有限的耕地和水资源，使-些重要的农副产品实现周年稳定生产和供应，满足人们对农产品的不断增长的社会需求，大力发展设施农业和农业生物环境工程具有极其重要的意义。

三、存在问题与发展趋势
(一）存在问题
1.数量较大，质量较差全国设施栽培面积已达250 万hm2，从设施水平上看，温室和大棚80%以上是简易结构，以竹木、水泥杆为骨架，厚厚的土墙降低了土地利用率，仅40%~50%。

作业空间小，立柱多，不便于机械操作，只能靠手工作业，更谈不上自动化管理。

保温、采光性能差，强度弱，难以抵御雨雪冲击，年年维修，年年冲垮。

对农户而言，一家一户还能随时补修，只不过增加维修费;而对企业来说，大规模专业化生产，年年维修是很不合理的。

所以要搞设施农业产业化就必须从设施水平和管理水平上提高。

具体来说，改造普通
型温室，逐步改造为提高型温室。

要改土墙为砖墙，改竹木水泥骨架为钢架骨架，改草帘覆盖为保温被覆盖，改手工操作为小型农机操作，改单纯温室骨架为内部装备调节环境功能的设备，逐步向现代化、自动化方向发展。

2.设施种类齐全，内部功能较差设施农业也称为控制环境农业，即人工控制环境因素来满足作物最佳生长条件，从而取得最大经济效益。

空气、根系温度、光照、水、相对湿度、二氧化碳和植物营养等因素，都可以实行人工控制。

从我国设施农业来看，虽然有温室、大棚、中小棚、遮阳棚、阳畦等种类齐全的设施，但内部控制环境的设备较少。

如调节室内温度高低仍靠人工打开窗户、拉开薄膜进行自然通风散热﹔灌溉仍然按照露地那样大水漫灌，而不是喷、滴灌;施肥仍是盲目追化肥，而不是定量定时施用。

因此，可以说我国的设施水平还是比较落后，耗费的能源、材料、人工是较大的，必须逐步改善，才能提高设施水平。

3．种植种类较多，栽培技术不规范我国蔬菜种类繁多，品种齐全，常年栽培最多的也有四五十种，但普遍仔在产量低、产值低的现象，而荷兰产量可达30~35 kg/m2，相差甚远。

其原因:二是品种不同，二是环境调控技术与栽培技术落后，管理粗放。

如荷兰的温室面积中的70%以上已采用无土栽培，微电脑控制温室的生产达90%以上，使作物栽培向自动化、工厂化发展。

而我国大多数农户仍沿用传统的管理方法种植，难以提高单产。

因此，必须选择耐低温、弱光的优质高产良种，加以推广;研究推广日光温室深冬栽培配套技术标准;增施有机肥和二氧化碳气肥，以提高品质和产量;变温管理和综合防治病虫害，实现稳产高效。

(二）发展趋势
针对我国设施栽培发展的大好形势，今后一段时间的刑的设施标准，力发展以高效节能型日光温室为龙头的设施栽培，制定各种类型的设施标准，建立低成本、低能耗的设施设备成套技术体系，高效设施栽培管理体系和设施生产产业化体系，从机械化、电气化、专业化着手，提高岌胞结N弓区有骨次，进一步发展为工厂化高效农业。

集成国内外农业高新技术，以市场为导向，科技为先导，大幅度提高单位面积产量与效益，走出一条适合我国国情的，并与世界先进农业生产方式接轨的农业新兴模式。

1.开发新型温室结构，制定设施标准体系我国今后设施结构发展要抓住两个重点:-是设施结构类型，以塑料棚为主﹔二是高效节能。

虽然玻璃温室在西欧等国家较普遍，但是有两个原因不适合我国发展:一是气候条件不同。

像荷兰、西班牙等西欧国家，属于海洋性温带阔叶林气候，夏季凉爽，气温多在25℃左右，超过30 ℃的天气极少，冬季温和，多雨雾，所以设施以玻璃温室为主。

而我国北方地区大多数属于大陆性北温带地区，夏季高温干燥，冬季寒冷风大，所以，温室要具备夏季降温、冬季保温的性能，以塑料温室为主。

二是国情不同。

西欧各国属于发达国家，经济条件好，人们购买能力强，对产品要求质量越高越好，所以，设施栽培可以实现高投入、高产出、高效益。

而我国属于发展中国家，经济基础还不是很强，人们生活水平较低，购买能力与观念还赶不上，所以，要考虑低成本、低消耗、高效益的问题。

在“六五”至“十五”期间，我国在塑料大棚、日光温室的结构优化方面都做了不少研究工作，而且取得了许多成果。

但是，目前只有钢管装配式塑料大棚和玻璃温室结构有国家标准，而节能型日光温室及配套设备仍无统一标准，需要进一步制定。

另外，现代设施农业开发
新型墙体材料、保温材料和骨架材料，设计出大跨度、高空间、透光保温好和便于机械化操作的新型温室结构，以提高结构性能与档次。

2.开发设施内环境控制技术与设备现代设施农业明显的特征是高科技的工厂化高效农业。

工厂化农业是指在相对可控环境条件下采用工业化生产，实现集约高效及可持续发展的现代化生产方式。

针对我国设施可控水平低、机械化不配套的现状，应尽快提高环境控制能力，缩小与发达国家的差距。

因此，重点研究温室环境指标（包括温度、湿度、光照等）和自动化控制技术，对加温、降温、灌溉、通风、排湿、补光、二氧化碳施肥等环境调节技术实行优化组合，便于应用。

对以上各种环境调节设备进行开发应用。

要注重信息技术和专家系统的应用研究。

3.开发与应用设施生产机械作业技术主要是开发研制一系列温至八型农机具，并能够进行温室内耕翻、定植、铺膜、消每、嫁按、作业中创放出肥、打药、清洗、包装等机械作业，使人们从简单繁重的劳动作业中解放出来，走机械化道路。

可以把引进和开发研制结合起来，吸收国外先进的小型农机具和园艺资料，开发适合我国实用的小型机械与农具。

4、培养设施农业管理的专门人才开发研制新材料和节能技术:
(1)开发和研制更合理、更经济实用的构造材、稷益例个刚加以田，间温室设施性能。

(2）研究节省能源的实用技术和环境调节技术，尽量普及和推广应用于大面积生产中，保证周年生产稳定进行。

(3)进一步研究综合防治连作障害和病虫害的对策和技术。

(4)向高度装置化、技术集约化和自动化管理方向进军。

5、研究与开发植物工厂化生产技术体系︰应用信息坟个，研九
八人物工厂化生产技术体系。

第三节设施农业环境工程学的学习方法
设施农业环境工程学是农业工程学的--门分支学科，是农业生物与工程技术交叉产生的学科，因此在研究内容范围上具有涉及广泛、综合性弱的特点。

在农业方面相关的学科有农业气象、园艺学、畜牧学以及畜禽环境卫生学等;在工程方面有流体力学、工程热学和传热学、房屋建筑学、建筑材料与结构、建筑物理、建筑设备、暖通与空调、机电工程与自动控制等。

学习本课程时，要注意掌握以下方法:
(1)要具备农业环境工程方面的理论基础和专门知识。

(2)要进行设施环境工程及设计技能的初步训练。

如要注意各种设备性能与应用操作技术，要亲自动手安装与使用这些设备。

(3)主要是在掌握生物和工程知识的基础上，深入生产实践，理论联系实践,真正掌握环境调控的操作技术。

思考题
1．世界设施农业发展的三个阶段是什么?各阶段的特点是什么?
2．简述设施农业环境工程学涉及的内容及作用。

3．叙述我国设施农业发展趋势及内容。

4．学习设施农业环境工程学的意义及方法是什么?。