祝前峰， 陸榮鑑， 李奉順

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

“菜籃子”工程是一項(xiàng)直接關(guān)系民生幸福的大事，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)于新鮮蔬果的需求日益顯著，尤其是在冬季對(duì)反季節(jié)蔬果的需求不斷，這些都在促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)大棚是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)研究對(duì)象，塑料大棚憑借成本低、易搭建、效益高得到了廣泛的應(yīng)用和推廣[1]。塑料大棚有一定的增溫和保溫效果，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的小氣候環(huán)境，這為秋冬反季節(jié)蔬果的生長(zhǎng)和上市提供了保障，而且大棚生產(chǎn)的蔬果品質(zhì)較高，受到了廣大消費(fèi)者的歡迎；同時(shí)因搭設(shè)成本較低，作物生長(zhǎng)周期較短，高品質(zhì)蔬果和反季節(jié)蔬果收購(gòu)價(jià)格較高，給農(nóng)民帶來了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)收入，塑料大棚受到了農(nóng)民的青睞[2]。

然而，因所處的地理環(huán)境不同和本身結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)的缺陷，塑料大棚難以抵御暴風(fēng)、暴雨、暴雪、臺(tái)風(fēng)等極端惡劣天氣的破壞[3]，同時(shí)也飽受穩(wěn)定性差、通風(fēng)性差、光照不足、散熱性不好、保暖性能差等問題的困擾。因此，需要科學(xué)地設(shè)計(jì)大棚的結(jié)構(gòu)，因地制宜，不斷優(yōu)化和改進(jìn)[4]；對(duì)大棚的管理方法也需要結(jié)合抗災(zāi)減災(zāi)和農(nóng)作物生長(zhǎng)的要求對(duì)應(yīng)制定。

1 現(xiàn)有大棚的主要結(jié)構(gòu)類型

1.1 竹木結(jié)構(gòu)大棚

竹木結(jié)構(gòu)大棚是目前較為常見的一種大棚結(jié)構(gòu)，竹木結(jié)構(gòu)大棚分為單拱和連棟兩類，許多地區(qū)出于成本的考量采用此類結(jié)構(gòu)的大棚設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)一般由立柱、拱桿、拉桿和壓桿組成骨架，此類結(jié)構(gòu)的骨架材料通常由竹木構(gòu)成，方便就地取材；在骨架上覆上塑料薄膜，再設(shè)置壓膜繩和防蟲網(wǎng)等裝置。竹木結(jié)構(gòu)大棚的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，竹木結(jié)構(gòu)大棚每667 m2的建造成本不足1萬元，其使用壽命可以達(dá)到10年以上[5]。但由于立柱較多、屋脊高度較矮以及兩側(cè)需要斜桿支撐，造成了大棚內(nèi)部空間被網(wǎng)格化，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。

圖1 竹木結(jié)構(gòu)大棚結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鋼架連棟型大棚

在竹木連棟結(jié)構(gòu)大棚的基礎(chǔ)上，去掉立柱和斜撐，同時(shí)加高屋脊，將骨架的材質(zhì)由原來竹木更換為鋼材即成為鋼架連棟型大棚，鋼架連棟型大棚結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。與鋼架單棟型大棚相比，其設(shè)施空間加大、土地利用率提高、保溫性能增強(qiáng)；與竹木連棟結(jié)構(gòu)大棚相比，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，防災(zāi)抗災(zāi)能力增強(qiáng)，內(nèi)部空間整體化，而且由于空間加大同時(shí)去掉了立柱，中小型機(jī)械可以進(jìn)入棚中進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)。由于鋼架連棟型大棚的土地利用面積較大，透光性較好，保溫性能優(yōu)良，冬天在一定程度上為大棚增溫保溫，而夏季在棚頂覆上一層遮陽(yáng)網(wǎng)和加裝濕簾風(fēng)機(jī)為棚內(nèi)降溫，可實(shí)現(xiàn)鋼架連棟型大棚全年生產(chǎn)作業(yè)，大大提高了大棚的利用效率，為農(nóng)戶帶來更高的收益[6]。目前鋼架連棟型大棚廣泛應(yīng)用于草莓等高端水果種植和花卉盆栽的養(yǎng)護(hù)，不少農(nóng)戶也借助大棚采摘積極開發(fā)農(nóng)業(yè)觀光旅游項(xiàng)目[7]。

圖2 鋼架連棟型大棚結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 鋼架保溫型大棚

為了更好地對(duì)蔬果等起到秋延后和春提早的種植生產(chǎn)活動(dòng)，科研人員設(shè)計(jì)了鋼架保溫型大棚，鋼架保溫型大棚可分為單拱單膜保溫型、單拱多膜保溫型和多拱多膜保溫型三種。單拱單膜保溫型其單拱跨距可以達(dá)到20 m，最大高度可達(dá)6 m，在塑料薄膜外設(shè)有保溫被，單拱單層保溫型大棚結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。當(dāng)遭遇寒潮、大雪、低溫等極端惡劣天氣時(shí)，保溫被覆蓋整個(gè)大棚，棚內(nèi)設(shè)有補(bǔ)光燈等設(shè)備，為農(nóng)作物提供有利的生長(zhǎng)環(huán)境，防止作物受凍和無光照而發(fā)黃；同時(shí)在冬天，晝夜的溫差較大，白天保溫被收起，待到傍晚放下，有利于保持夜間棚內(nèi)溫度。然而單拱單膜保溫型在極寒的地區(qū)仍不能為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供適宜的溫度或不能滿足農(nóng)戶秋延后和春提早的種植需求，科研人員發(fā)明了多拱多膜保溫型大棚如圖3(b)所示。較單拱單膜保溫型相比，多拱多膜保溫型其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了改善，防災(zāi)抗災(zāi)的能力也大大增強(qiáng)，并且在外棚和內(nèi)棚之間形成了一個(gè)保溫層，大棚的保溫效果改善明顯[8]。武瑩等[9]通過對(duì)單拱單膜保溫型和雙拱雙膜保溫型進(jìn)行大量的對(duì)比試驗(yàn)分析，可得同尺寸的雙層保溫型大棚與單層保溫型大棚相比，其最低平均氣溫高于單層，其最高平均氣溫低于單層，其土壤平均溫度高于單層，雙層保溫型大棚沒有出現(xiàn)極端低溫也沒有出現(xiàn)極端高溫，保溫性能較單層有明顯的提高和改善。

圖3 保溫型大棚結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)施大棚存在的主要問題

2.1 大棚選址和搭建缺乏理論指導(dǎo)

當(dāng)前我國(guó)很多大棚的選址和搭建全部依靠農(nóng)戶自身的經(jīng)驗(yàn)?；谥袊?guó)的基本國(guó)情，農(nóng)戶個(gè)人擁有的土地較少且分散，土地的走向不一，農(nóng)戶往往沿著田埂或土地走向搭設(shè)大棚，而忽視了風(fēng)向、采光和通風(fēng)等問題，這樣勢(shì)必會(huì)造成農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)或質(zhì)量下降。同時(shí)大棚的設(shè)計(jì)僅僅依據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，從選材到搭建沒有科學(xué)理論指導(dǎo)，這樣可能會(huì)存在隱患，在極端惡劣天氣的破壞下，框架結(jié)構(gòu)可能無法抵御或者出現(xiàn)毀菜保棚的現(xiàn)象；還有農(nóng)戶為了提高土地利用率，盲目地增加大棚數(shù)量而忽視了棚與棚之間的間距，這樣也會(huì)對(duì)采光和通風(fēng)產(chǎn)生一定的影響；農(nóng)戶自行設(shè)計(jì)搭建的大棚往往前后屋面角度較小、屋脊高度偏矮、棚面的坡度過于平緩，沒有很好地利用光照。

2.2 結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性與可靠性不足

結(jié)構(gòu)框架是大棚最為重要的組成部分，結(jié)構(gòu)框架的優(yōu)劣直接決定了大棚的使用壽命和蔬果的優(yōu)劣。

有關(guān)大棚研究的科研人員其主要研究方向是大棚結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)及其相應(yīng)的承載能力分析，對(duì)大棚的結(jié)構(gòu)框架會(huì)進(jìn)行不斷地優(yōu)化和改良。然而通過大量的事故發(fā)現(xiàn)，我國(guó)大棚結(jié)構(gòu)框架仍存在穩(wěn)定性與可靠性不足的問題。我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)的大棚結(jié)構(gòu)也應(yīng)有所差異，其主要預(yù)防的災(zāi)害也各不相同，北方地區(qū)主要是預(yù)防極寒天氣、雪災(zāi)、強(qiáng)風(fēng)，而南方地區(qū)主要預(yù)防暴雨、臺(tái)風(fēng)、蟲災(zāi)，因此對(duì)結(jié)構(gòu)提出了不同的要求[9]。然而在結(jié)構(gòu)搭建上往往只重視立柱等骨架的外徑大小，片面地認(rèn)為直徑越大其承載能力就越強(qiáng)，忽視了桿件壁厚對(duì)承載強(qiáng)度的影響[10]；進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置、大小設(shè)置不合理，不利于棚內(nèi)的空氣流通，在一定程度上造成了化肥產(chǎn)生的有害氣體不能及時(shí)地散發(fā)出去，使得蔬果枯黃乃至腐爛；盲目追求大跨距，雖然在一程度上增強(qiáng)了大棚環(huán)境的穩(wěn)定性[11]，但相應(yīng)的脊高需要加高[12]，對(duì)風(fēng)載荷變得更加敏感[13]；追求骨架結(jié)構(gòu)的柔而薄，卻忽視了桿件長(zhǎng)細(xì)比很小，易發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞[14]；節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不足，在相關(guān)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，被臺(tái)風(fēng)摧毀的大棚其桿件未變形，但棚內(nèi)的立柱與基礎(chǔ)之間發(fā)生變形、梁柱連接處的螺紋連接出現(xiàn)松動(dòng)、螺栓被剪斷等[15]。節(jié)點(diǎn)容易被忽視是因?yàn)槠浼庸?fù)雜，安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)工和成本高，然而在遭遇暴風(fēng)、暴雨、暴雪、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害時(shí)，往往節(jié)點(diǎn)處受力最大，而節(jié)點(diǎn)處破壞引發(fā)的災(zāi)難是巨大的，結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性與可靠性對(duì)于大棚來說十分重要，需要不斷地優(yōu)化和改善。

2.3 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不相協(xié)調(diào)

一方面我國(guó)農(nóng)藝發(fā)展水平有限，受限于成本和多種考量因素，設(shè)施農(nóng)業(yè)仍以日光溫室、蔬菜大棚和中小拱棚為主，有的仍采用竹木、水泥柱等做骨架，因棚脊較矮和內(nèi)部空間網(wǎng)格化不利于機(jī)械化作業(yè)，同時(shí)受限于大棚的體積和高度，大型機(jī)械無法進(jìn)入作業(yè)；另一方面，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，越來越多的人口流向城市，農(nóng)業(yè)的“人口紅利”早已不在，農(nóng)村在農(nóng)忙時(shí)節(jié)用工難的現(xiàn)象也凸顯出來[16]，隨著農(nóng)業(yè)大棚的不斷發(fā)展，需要引入自動(dòng)化、智能化的機(jī)器來取代人工作業(yè)，然而現(xiàn)有的機(jī)器又不能滿足大棚的蔬果生產(chǎn)需求[17]，大棚中一般種植高檔水果如草莓、水蜜桃等，這些蔬果對(duì)機(jī)器的要求較高，然而目前機(jī)器人仍面臨識(shí)別定位不精確[18]、采摘易產(chǎn)生機(jī)械損傷和自動(dòng)化智能化程度不高等問題[19]。

3 設(shè)施大棚的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 新型材料引入

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新材料被應(yīng)用于我們的生活，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。就設(shè)施大棚而言，可以對(duì)其骨架和塑料薄膜分開研究。骨架的材料不斷朝著高強(qiáng)度、高韌性、低質(zhì)量等方向發(fā)展，通過改變材料屬性增強(qiáng)其抗災(zāi)減災(zāi)的能力，大大延長(zhǎng)其使用壽命。塑料薄膜的材料也在不斷發(fā)展，科研人員在薄膜中添加一些化學(xué)物質(zhì)，可以增強(qiáng)薄膜的透光性、保溫性，使果實(shí)著色更加鮮艷即品相更好，甚至可以防蟲害。Alsadon，A.A.等[20]研究了一種新型的近紅外反射塑料薄膜，并通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在這種新型塑料薄膜下生長(zhǎng)的作物較傳統(tǒng)塑料薄膜下生長(zhǎng)的作物，其生長(zhǎng)指數(shù)更高，果實(shí)的品相更好，產(chǎn)量更高；在制作塑料薄膜時(shí)可以向其中添加環(huán)保型化學(xué)藥劑，獲得新型的防蟲防病薄膜材料，避免了農(nóng)藥與農(nóng)作物的直接接觸，大大降低了農(nóng)藥在農(nóng)作物上的殘留[21]。如今玻璃大棚也在不斷發(fā)展和推廣，具有一定的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益[22]。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷精進(jìn)

大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是大棚建設(shè)過程中最核心的一環(huán)，在一定程度上塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了蔬果的產(chǎn)量和品相。塑料大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要從穩(wěn)定性、可靠性、通風(fēng)、采光、保溫等多角度考慮，同時(shí)需要注重經(jīng)濟(jì)性。每年我國(guó)都有大量大棚因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，在面對(duì)極端惡劣天氣時(shí)損失慘重，因此提高抗災(zāi)減災(zāi)的能力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。楊小鋒、劉建等分別提出了熱區(qū)防臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；李明介紹了日本的防風(fēng)技術(shù)與措施；郄麗娟設(shè)計(jì)了雙拱雙連雙膜塑料大棚，并對(duì)該結(jié)構(gòu)施加多種載荷進(jìn)行分析；俞永華對(duì)大棚的承載特性進(jìn)行了相關(guān)分析。部分研究人員從保溫、采光等角度設(shè)計(jì)大棚的結(jié)構(gòu)，鄭元紅[23]針對(duì)畢節(jié)寡日照問題對(duì)大棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)；湯慶對(duì)大棚的透光率展開了一系列研究；武瑩等設(shè)計(jì)了新型大跨度非對(duì)稱塑料大棚，不僅增強(qiáng)了采光同時(shí)也提高了保溫性能。大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到了不斷地優(yōu)化和改進(jìn)，其各方面性能也在不斷提高。

3.3 智能化開啟新篇章

一方面從種植作業(yè)來講，包括播種、除草、灌溉、施肥、施藥和采收等環(huán)節(jié)將逐步由機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備來完成，小型高精度機(jī)器人將應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如楊超淞等[24]開展了棚內(nèi)除草除蟲機(jī)器人的相關(guān)研究。另一方面大棚的管理模式也將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，許多科研人員針對(duì)不同開發(fā)環(huán)境、不同軟硬件研發(fā)了不同的智能大棚管理系統(tǒng)。為了有效監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度以及土壤濕度等環(huán)境信息，廖建尚[25]提出了AGCP協(xié)議，在此協(xié)議基礎(chǔ)上搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；汪言康[26]利用傳感器技術(shù)，通過GPRS無線通信和Internet互聯(lián)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚環(huán)境的監(jiān)控；何鵬[27]利用物聯(lián)網(wǎng)和LabVIEW技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚監(jiān)控；吳昊[28]開發(fā)了基于Android的溫室監(jiān)管系統(tǒng)；王建平[29]基于ios設(shè)計(jì)了大棚溫室監(jiān)管系統(tǒng)。此外，陶佰睿等[30]開發(fā)了LED智能補(bǔ)光系統(tǒng)，使農(nóng)作物得到充足的光照；張瀚中等[31]開展了智能灌溉系統(tǒng)的研究，并應(yīng)用于實(shí)踐；蔣綠林等[32]開展了大棚多熱源熱泵供暖系統(tǒng)的相關(guān)研究，不僅實(shí)現(xiàn)了增溫保溫，同時(shí)降低了能耗。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加入使得普通設(shè)施大棚融入了新鮮的血液，原先傳統(tǒng)的勞作方式和管理方法也將逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，大大提高勞作效率和果蔬質(zhì)量。

4 小結(jié)

隨著我國(guó)居民生活質(zhì)量的不斷提高，對(duì)新鮮蔬果的需求顯著增加，加之冬季對(duì)反季節(jié)蔬果的需求，不斷推動(dòng)設(shè)施大棚的發(fā)展。但塑料大棚仍面臨一些技術(shù)難題需要克服，其中結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)與優(yōu)化是設(shè)施大棚的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型材料的引入和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化大大提高了大棚抗災(zāi)減災(zāi)的能力，伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和智慧農(nóng)業(yè)的推廣，大棚的生產(chǎn)勞作方式將逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，大棚的管理方法借助物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，大大降低從業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，保證果蔬的生產(chǎn)質(zhì)量。設(shè)施大棚的蓬勃發(fā)展必將推動(dòng)鄉(xiāng)村振興向前邁進(jìn)，給廣大種植戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。