园艺设施学是一门涉及到园艺学和环境调节学

1前言园艺设施学是一门涉及到园艺学和环境调节学、机械和建筑学的跨学科领域的学科。它主要包括园艺所用的设施，装置和环境调控等方面的内容，是设施园艺学的一个分支，是园艺学科学生和研究者选学的一门重要课程。我国农业院校已开设了设施园艺学课程。但其中对园艺作物的设施栽培技术方面作了详细论述，而园艺设施的设计、施工、装置及环境调控方面内容较少，其深度和广度不够。本教材就是为了深化和完善设施部分而写的。其目的就是让学生和研究者掌握园艺设施的设计原理、了解各种装置性能及使用、掌握环境学的有关知识、学会环境调控的实用技术。本教材主要有四个方面的内容。一是园艺工程设施，如温室、塑料棚、无土栽培设施等的设计和施工；二是环境调节控制设备，如温室内采暖、降温、通风、灌水、配电、照明、二氧化碳气体施肥设备的设计、安装调试以及使用技术；三是环境监视、信息传递设备，光、温、湿、气的监测仪器和自动控制等配套使用技术；四是材料和能源开发与利用技术。由8章组成。第一章是叙述设施园艺的发展现状与技术变革。第二~三章是温室大棚设施的规划与设计。第四章是环境调控设备的设计与装置。第五章是建筑施工的识图知识。第六章是建材和覆盖材料的种类和特性。第七章是介绍无土栽培的装置和利用情况。第八章是今后极为重视的自然能源利用。以上内容是结合了国内外设施园艺发展情况和技术，参考了多种书籍，大量资料后编写的。当然，仅一本教材并不能包括所有内容，希望在学习当中，参阅其他有关资料，加以理解和掌握。本教材由西北农林科技大学邹志荣、张新平、国培光、林性粹、高树贤、王宏丽、蒲亚锋、卢博友和中国农科院张志斌等教师编写，各部分编写的教师分工如下：前言、第一章、第二章、第八章由邹志荣执笔；第三章由邹志荣、王宏丽执笔；第四章由张新平、国培光、林性粹、卢博友、邹志荣执笔；第五章由高树贤执笔；第六章、第七章由张志斌执笔。蒲亚锋负责第二、第三、第七、第八章各章插图制作。2001年10第一章设施园艺的发展现状与技术变革提要：1．介绍设施园艺意义与发展2．了解国内外设施园艺发展现状23．展望设施园艺技术的发展方向第一节设施园艺的意义及发展我们把在温室和大棚等保护设施里，利用室内外配备的各种设备调节环境条件和栽培土从最简易的阳畦、风障到大型的温室和植物工厂，设施结构种类繁多，形形色色。从几毫米厚的薄膜到大型锅炉、加温、照明、灌溉设备机器，包括着成百上千种材料和类型。我们就是把它们合理的利用起来，进行园艺作物生产，概括起来就是设施园艺生产。一、设施园艺在农业生产上的意义人类也同其他动物一样为了生存就要采集，猎取和获得粮食，也属于自然生态系中的一员。从刀耕火种的农业出现，人类开始脱离自然生态系，从自然制约中冲破出来，开始了改造自然，掌握自然的农业生产。随后逐步发展到有畜农业和机械农业，使粮食生产飞跃般的大增产。这些农业技术变革的特征就是向耕地投入的能量形态不同，是投入更多的能量技术的开发过程。只有大量向耕地投入能量，才会使耕地更进一步从自然生态系统中解脱出来，表1－1－1表示了农耕方式和能量投入量的关系。事实表明人类要想得到更多的粮食，表1－1－1各种农业耕种形式的能源效率农业耕种形式能源(KCal/m2)能量效率投入能量获得能量狩错采集时代0.00.42.5×10－7亚马孙河刀耕火种时代3.619.51.3×10－7乌干达有畜农耕时代36.0250.01.7×10－4印度机械化农耕时代241.01000.06.7×10－4日本*年间日射量以1.5×106KCal/m2计算(odwnE.P:Euergiticsofworldfoodproduction.1967年内善兵整理，1975年收集于21世纪的粮食，农业书中)设施农业耕种就是一种具有新能源形态的农业耕种形式。它是在人为的设备条件下，调节土地和大气的环境条件栽培作物，无疑向耕地投入了较大的能量，必然带来高的生产能力。正如日本的著名专家矢吹所指出的那样：“到现在为止的农业技术方向是围绕适宜作物为中心，环境调节的对象完全是土壤。比这个高一层水平的农业生产的话，对大气环境的变动几乎无法调节，即使有规律的气候年变化，农家也很困难适应其变化，因而，今后应该开发的设施园艺不仅是一种最新能源的投入形态，而且是能够调节地上和地下部环境条件进行生产的，其本质是将农业从自然生态中脱离出来，产生更高的生产能力。这就是设施园艺在第一、原始阶段：约2000多年前，我国使用透明度高的桐油纸作覆盖物，建造温室。古代的罗马是在地中挖成长壕或坑，上面覆盖透光性好的云母板，并使用铜的烟管进行加温，第二、发展阶段：主要是二次世界大战后，玻璃温室和塑料大棚等真正发展起来，尤其3第三、飞跃阶段：七十年代后，大型钢架温室出现，自动控制室内环境条件已成现实，世界各国覆盖面积迅速增加，室内加温、灌水、换气等附加设备广泛运用，甚至出现了植物工厂，完全由人类控制作物生产。今后将向着节能、高效率、自动管理的方向发展。荷兰温室已有100多年历史，目前温室结构及生产管理水平都处于世纪领先地位。荷兰农民从19世纪末就开始把玻璃盆覆盖在植物上用于透光和保温，后来采用不足0.5m高的玻璃温箱种植作物，这是温室农业的最初形式。20世纪50年代初建起了木质结构的人字形玻璃温室，开始了保护地规模化生产。荷兰温室结构主要选用铝合金框架和玻璃覆盖材料，也有少部分PC板材温室，温室生产基本实现了光、温、水、肥、气全面自动化控制。我国的设施园艺虽然开始较早，但真正大面积运用生产是70年代初开始，至1978年，我国塑料大棚的面积已达8万亩。1982年塑料薄膜地面覆盖已达31万亩。2000年已突破2000万亩。特别是“九五”期间，我国研制开发了华北型、东北型、西北型、华东型、华南型以及东南沿海等不同生态类型区和气候条件的新型、适用的温室及配套设施，提高整体园艺设施水平。同时，我们又自建或引进了一批荷兰型温室，日本及美国型塑料温室，开展了工厂化育苗的技术研究，大面积采用了薄壁镀锌钢管装配骨架的塑料大棚，使我国保护地第二节设施园艺生产的现状与展望一、园艺设施面积及内部装备到目前为止，世界上主要园艺设施国的温室面积统计如表1－2－1表1－2－1世界各国温室和大棚面积国家面积(公顷)国家面积(公顷)国家面积(公顷)中国1396000比得时2000日本100000智利1600西班牙35000保加利亚1350韩国22000德国1300荷兰17000突尼斯1100士耳其9800埃及1000波兰6500捷克800法国6000丹麦750俄罗斯6000澳大利亚600匈牙利5500约旦500阿尔及利亚5000南斯拉夫500美国4500塞浦路斯300希腊4240瑞典200罗马尼亚3000瑞士200以色列3000南非200哥仑比亚2600摩洛哥200葡萄牙2500哥斯达黎加200英国2300加拿大2100合计1645840从设施总面积上看，中国据世界第一，日本位于第二。但从玻璃温室和人均温室面积上看，荷兰占据世界第一。从设施内栽培的作物来看，蔬菜生产占到总生产面积的80%左右，其中果菜类可占90%左右，果菜中最多的是草莓、黄瓜、甜瓜、番茄、西瓜、茄子、甜椒等蔬菜，而我国西甜瓜在温室内生产较少，剩余20%是花卉和果树，又以花卉为主。花卉生产主要是切花类、钵物类和花坛用苗类。果树生产，主要栽培葡萄、桃、柑桔、梨等。4可从表1－2－2上看这一具体数据。表1－2－2设施园艺作物生产面积（日本、1985年）蔬菜(ha)花卉(ha)果树(ha)作物面积比率%作物面积比率%作物面积比率%总面积35.58210054321004575100草莓792922.3切花类433179.7葡萄323970.8黄瓜752021.1柑桔113024.7普通甜瓜597016.8钵物类100818.6梨671.5番茄556315.6枇杷511.1西瓜34009.6花坛用931.7无花果290.6苗类桃220.5茄子17705.0其他36.90.8甜椒15004.2温室甜瓜12703.6生菜4701.3南瓜1900.5其次，我们再看一下设施内的设备。见表1－2－3表1－2－3温室内部装备状况（日本，1987年）种类项目玻璃温室（100m2）塑料温室（100m2）总面积比率％总面积比率％设施总面积18.912100402.355100加温面积16.17635.5127.62131.7自动灌水装备10.81957.2134.57633.4CO2发生装备3.46618.25.2151.3一层保温幕8.18343.3141.59735.2多层保温幕6.24533.045.71011.4设有保温幕14.42876.3187.30746.6自动天、侧窗开闭8.41744.512.4723.1换气窗4.99126.456.72814.1水耕栽培1.0575.61.3930.3从表1－2－3可见，温室内装备有加温、多层幕、换气扇、自动灌水、CO2气体施肥以及水耕栽培设施，为自动控制环境因子创造了条件。二、国外设施农业发展现状与趋势以荷兰、美国、日本、法国、以色列等国家为代表，其明显的特征是设施结构多样化，生产管理自动化，生产操作机械化，生产方式集约化，是以现代工业装备农业，现代科技武装农业，现代管理经营农业。(一)设施面积较大，发展程度不同世界设施农业比较发达的国家有：北美的加拿大和美国；西欧的英国、法国、荷兰、意大利和西班牙；中东的以色列、土耳其；亚洲、大洋洲的日本、韩国、澳大利亚等国家。据5不完全统计，世界上温室和大棚的面积大约有1645840公顷。其中西北欧国家由于常年天气较冷，夏季短，气温不高，以玻璃温室为主，而亚洲、南欧、北美以塑料温室为主。(二)设施结构与建筑材料多样化1．设施结构的多样化纵观国外设施农业，其结构主要有三种类型：(1)小拱棚用支撑物托住塑料薄膜，高度在1米左右，两侧薄膜埋人土中，方法简便。(2)塑料大棚外型有篷型、屋顶型，以塑料膜为覆盖物，内部设施较少，主要用于春、夏、秋季生产。(3)温室大约有三个等级：第一，是初级温室，指一般小型温室，不具备调温、通风等设备。第二是现代化温室，指联栋大型温室，可以实行耕种机械化，管理自动化。第三是工厂化温室，它是一座比较完善的工厂，其中有各种工序所需要的厂房、车间，按工序进行流水作业，即每天按同一规格和一定数量进行播种，育苗，促其生长和收获，它不需要土壤，作物也不一定固定生长，而可以随机械转动进行移动生长，它的栽培是高度密集化的，操作是高度机械化的，经营是高度集约化的，它的生长时间短，采收时间长，年产量比露天作物高10倍，比现有的塑料大棚、普通温室高5倍。2．建筑材料的多样化在建筑材料上，国外温室建筑与工业材料的发展密切相关，是随着建筑材料发展而变化的。如美国温室建筑大体可分为3个阶段：第一阶段(1950—1969年)当时建筑的温室以木结构为主，覆盖材料几乎全部用玻璃，温室的数量不少，但面积很少有超过1.5公顷的，有加温设备和自然通风，室内以土壤栽培为主。自动化设备很少应用。第二阶段(1970—1989年)金属骨架温室逐步增加，20世纪80年代以后建的温室，几乎全部用镀锌钢、镀锌管和铝合金的屋顶，覆盖材料除了玻璃以外，出现了玻璃钢，FRP板和双层充气薄膜温室，这样可以减轻屋架的重量，降低建筑成本。80年代中期，二氧化碳施肥技术、应用计算机控制温室环境及滴灌技术、无土栽培技术已普遍应用，温室降温采用电扇强力通风，用冷水墙加强通风的技术也比较普及。第三阶段(1990年到现在)聚碳酸酯板(PC)已进入实用阶段，该板透光与保温性能好，耐用，不易破损，防火性能强，可制成三层的中空板，保温性能更佳。另外，光谱选择薄膜发展很快，如在塑料薄膜中加入类似硫酸铜的染料，就可降低远红外光的透射率，使温室内温度降低。(三)温室管理向电子化、机械化、专业化发展，基本实现自动化管理技术温室管理主要由于采用了电子计算机控制环境和无土栽培技术，使植物在最佳小气候条件和根系环境中生长，产量水平得以突破。荷兰的温室面积中的70％以上已采用无土栽培，其中绝大部分采用岩棉栽培