【摘要】設施農業作為現代農業的重要組成部分，在推動農業現代化、保障國家糧食安全和推進鄉村全面振興方面發揮著關鍵作用。近年來，我國設施農業在養殖、種植和水產三大領域取得顯著進展，但是在核心裝備國產化、多因子協同調控模型及系統化數據積累等方面仍存在短板，面臨管理模式滯后及產業協同性不強等問題。在政策扶持、技術進步和市場需求的多重作用下，我國設施農業將朝著智能化、協同化、低碳化方向發展，為推進鄉村全面振興和建設農業強國提供有力支撐。
【關鍵詞】設施農業 設施種植 設施養殖 設施水產
【中圖分類號】F327 【文獻標識碼】A
設施農業是推動農業現代化、保障國家糧食安全的關鍵力量
農業強國是社會主義現代化強國的根基。黨的二十大報告指出：“樹立大食物觀，發展設施農業，構建多元化食物供給體系。”設施農業作為一種高效的現代農業生產方式，具有顯著的生產優勢和廣闊的發展前景，是推動農業現代化、保障國家糧食安全的關鍵力量。發展設施農業，能夠突破傳統農業對自然條件的依賴，實現農業生產的可控性、高效性和可持續性，從而大幅提升農業綜合生產能力。此外，還能促進農業提質增效、帶動農民增收，對于推進鄉村全面振興具有重要意義。
設施農業是現代農業發展的重要標志，其發展水平體現了一個國家農業現代化的程度。設施農業最早于20世紀中葉在荷蘭與以色列興起，這兩個國家率先在溫室栽培、家禽養殖等領域開展技術研發與實踐應用，在全球范圍樹立起行業典范。20世紀后期，我國開始逐步引入這些先進技術，并在此基礎上積極開展技術消化、吸收及創新工作，持續探索契合我國農業發展需求的設施模式。起初，設施農業主要集中于溫室種植和初步工廠化養殖。自20世紀60年代北京紅星農場嘗試工廠化養豬開始，設施農業逐漸受到重視。改革開放后，“菜籃子工程”啟動，設施農業進一步拓展至蔬菜和畜禽養殖領域。進入新世紀以來，隨著機械化、信息化和智能化技術的不斷推廣與應用，我國設施農業取得了巨大進步。
在設施農業的發展進程中，種植、養殖和水產三大板塊各具特色且相互促進。設施種植方面，溫室和大棚的應用極大改善了作物生長環境，實現果蔬、花卉等經濟作物的全年連續生產。通過精準調控環境溫度、濕度及光照等，不斷提升作物產量和品質。設施養殖方面，以家畜規模化和標準化為切入點，逐步從傳統散養模式轉變為智能化、模塊化養殖體系，提升了動物福利，有效降低了生產成本和疫病風險。水產養殖逐步從家庭式、小規模生產向企業化、規模化、集約化模式轉變。2022年5月，全球首艘10萬噸級智慧漁業大型養殖工船“國信1號”交付運營，標志著我國設施養殖技術實現了從理論到實踐的重大突破。
我國設施農業的發展離不開政府的高度重視，多項政策陸續出臺，為設施農業發展提供堅實的制度保障。近年來，中央文件多次強調發展設施農業的重要意義，明確要求按照因地制宜的原則推廣塑料大棚、日光溫室、連棟溫室等設施，并大力支持水肥一體化、環境控制智能化等關鍵技術的研發和應用。從《現代設施畜牧建設專項實施方案（2023—2030年）》將設施農業發展提升到國家戰略高度，到《全國現代設施農業建設規劃（2023—2030年）》明確設施農業未來的發展方向，再到《全國智慧農業行動計劃（2024—2028年）》指出要以智能裝備提升農業生產效率，政策的持續加碼推動農業由傳統粗放型向高效、綠色、智能型轉變。
我國設施農業的發展離不開科技創新的持續驅動，以信息化、智能化為核心的智慧農業模式讓農業生產從過去的“看天吃飯”逐漸轉變為如今的“知天而耕”。借助物聯網、大數據、人工智能等現代信息技術，農業生產全過程實現精準調控和智能管理，為不同區域的設施農業提供定制化解決方案。從數字溫室、智能水肥一體化系統到精準種植管理平臺，信息技術正以革命性變革推動農業朝著綠色循環、低碳環保和高效生產的方向發展，助力農業現代化邁向新高度。與此同時，關鍵設備和基礎設施建設的不斷升級，全面提升自動化與機械化水平，在保障生產效率的同時，為勞動力轉型和農業轉移人口市民化創造有利條件，促進城鄉要素的高效流動與配置。當前，我國設施農業正處于從數量擴張向質量提升轉變的關鍵時期。在政策扶持、技術進步和市場需求的多重作用下，我國設施農業有望進一步發展成為綠色、智能、高效的農業生產體系，為加快建設農業強國奠定堅實基礎。
我國設施農業發展取得重要進展
近年來，隨著我國科技的不斷進步，人工智能、物聯網、大數據等新興技術在設施農業中的廣泛應用取得顯著成效，智能化技術的應用能夠有效提升生產效率，降低資源浪費，促進農業可持續發展。當前，智能化技術正在推動農業生產方式的根本性變革，尤其是在智能養殖、智能種植和智能水產等多個領域的創新應用，展現出巨大的發展潛力。
新技術在設施種養殖業的全面應用。一是養殖業的數字化升級。以生豬養殖為例，通過引入智能感知與精準監測技術，實現從種豬選育、仔豬管理到商品豬出欄的全流程數字化管理，顯著提升了生產效率和動物福利水平。智能系統通過多維度數據采集與分析，能夠精確跟蹤豬只的健康狀況與成長過程，并實時監控環境變化。在異常狀態監測方面，智能化系統通過結合接觸式與非接觸式傳感器，可以實時采集生豬體溫、運動量等生理數據，并通過紅外熱成像與行為分析技術監控豬群的健康狀況，實現全天候的異常狀態監測，提前識別潛在疾病，有效降低疾病擴散和養殖損失。智能化系統對養殖數據的精準采集與智能分析使得養殖業實現從人工管理向數字化、精準化、智能化的全面轉型，推動我國養殖業朝著更高效、更可持續的方向發展。
二是種植業的智能化進步。傳統種植業生產模式面臨環境控制的不穩定、資源浪費、生產效率低等問題。近年來，我國科研人員通過技術攻關，突破了多項關鍵技術，推動了設施種植的智能化升級。低功耗、低成本的小型化農業傳感器的廣泛應用，使對土壤、氣象、設備工況等多個變量的實時監控成為可能；借助無線傳感網絡，光照、溫度、濕度、氣體濃度等重要環境參數得以實現高效采集與精準傳輸，為設施生產的精準調控提供了科學依據。此外，智能感知技術還在表型參數的感知方面取得了突破。通過自主研發的巡檢機器人搭載高分辨率相機、三維激光掃描儀、紅外熱成像相機等設備，成功克服了由于環境復雜性帶來的數據缺失、遮擋和混淆等問題，實現了作物全生長周期中的株高、莖直徑、葉面積等生長參數的精準提取，為植物生長調控模型提供了數據支撐。多源數據分析的持續優化顯著提高了設施農業的智能化水平，為綠色農業的發展提供了強大的技術支撐。
三是水產養殖的智能化改造。我國水產養殖業長期面臨環境復雜、資源利用低效等問題。近年來，我國水產養殖業在智能化設施改造與技術創新方面取得了突破，工船養殖模式的創制構建了安全高效的深遠海工業化養殖生產體系。新一代大型養殖工船集成了水下立體測量、數據分析、智能決策與智能控制等先進模型算法，成功攻克了增氧、投喂、換水等多個關鍵環節的耦合調控技術，提升了水產養殖的單位產出效率與環境適應性。在工廠化養殖方面，工廠化魚菜共生系統因生長周期異步和多參數耦合難度大，面臨著氮轉化吸收利用率較低等產業發展瓶頸。對此，我國科研人員研發了魚類氮脅迫指示器，結合三維空間行為學信息與水質數據，構建了魚類運動特征參數和氮素濃度的多因子耦合模型，實現了養殖水體氮脅迫快速響應與預警，系統精度超過92%，為高效水產養殖提供了有力保障，促進了我國魚菜共生產業發展。
新成果在設施種養殖業的全面創新。一是智能精準飼喂與環境調控技術的優化。例如，在生豬養殖中，飼料成本占總成本的60%左右，如何提高飼料利用率并降低成本是亟待解決的難題。智能精準飼喂技術通過數字化調控網絡，為養殖場提供基于豬只生長階段和體況的實時飼料調整策略，使得養殖場能夠避免浪費，確保豬只健康成長。環境控制技術的不斷進步，可以將養殖環境的管理提升到全過程的精細化管理。分布式傳感器網絡實時監測環境中的溫濕度、氨氣濃度等參數，系統能夠根據數據自動調節通風、溫控與凈化設備，從而保持豬舍舒適度并降低呼吸道疾病的風險。在極端氣候條件下，系統能夠自動啟動風機、濕簾或噴霧裝置，以保證豬只的舒適度，并平衡能耗。
二是智能決策與精準調控模型的創新。智能決策模型的發展，促使環境、水肥與能耗調控更為精準。通過“數據—機理—經驗”耦合的設施作物生長調控模型，科研團隊成功破解了智能決策中“智慧大腦”缺失的問題。該模型綜合考慮溫度、光照、水分、氣體及肥料等多種因素對作物生長的協同影響，建立精確預測模型，提升光合速率等指標的預測精度。此外，針對水肥調控，研發動態數學解析與修正算法，優化水肥灌溉的決策，解決傳統灌溉過程中水分流失與偏差問題，為精準管理提供理論依據。在環境調控方面，科研團隊通過對作物的光合速率和莖直徑等變化的分析，深入探討環境因子與作物微變化之間的關系，為精準調控提供了科學依據。
三是魚類生長與行為精準測量及跟蹤技術的創新。在水產養殖領域，傳統的魚類生長與行為測量依賴人工干預，不僅周期長且精度有限。為此，科研人員利用計算機視覺技術，突破了小目標跨域識別和無損計數的技術瓶頸，開發了水下無接觸精準測量技術。這一技術能夠實時、無干擾地在水下環境中測量魚類的體長、體重等指標，極大提升了測量精度，并為養殖管理提供科學數據支持。與此同時，科研團隊創新研發了水下多魚類目標行為連續跟蹤技術，突破了復雜水下環境中的技術瓶頸。通過優化目標檢測與跟蹤算法，結合對抗訓練機制，提升魚類行為連續跟蹤的精度，為養殖效益的提升提供強有力的技術支持。
新模式在設施種養殖業的全面發展。一是數字孿生與智慧化管理的全面應用。隨著智能技術的不斷進步，農業管理模式正經歷深刻變革。數字孿生技術的應用，能夠讓養殖企業精確掌握各類數據并進行實時調整，提升養殖效率、減少風險，并實現養殖過程的精細化管理。未來，智慧牧場將進一步拓展產業鏈條，從選種、育種到市場銷售形成閉環生態系統，提升生產效率并促進可持續發展。
二是精準投喂與環境調控技術的全面集成。精準投喂技術是提升水產養殖效率、促進魚類健康生長的重要手段。科研團隊為深遠海和工廠化設施養殖開發了仿真養殖系統，結合低緯聲學特征的攝食行為識別技術和光流場能量累積模型，構建了精準投喂閉環控制模型。該模型能夠實時監控魚類的攝食行為，并根據魚類生長情況精確調整飼料投放量，從而提高飼料利用率并減少浪費。同時，科研人員對環境調控模型進行深入研究，涵蓋水質管理、流速調控等方面，為水產養殖提供穩定的水質和良好的環境條件。精準投喂與環境調控技術的集成應用，不僅提升了養殖的自動化和精準化水平，而且推動了行業現代化建設，為水產養殖的可持續發展提供了有力的技術保障。
三是設施農業組態平臺集成與應用。為降低設施農牧漁業管控系統的開發成本，提高模型普適性水平，科研團隊提出基于工業組態的設施農牧漁業公共組態平臺開發，實現0代碼、超快速管控系統部署及模型的嵌入式應用，以及從“經驗驅動”到“數據決策”的模型智能決策應用。農業組態技術作為現代農業智能化轉型的核心工具，其意義體現在對傳統生產模式的系統性革新，通過模型數據驅動決策，構建全要素聯動機制。組態系統通過設施農業生產模型庫，將農藝知識轉化為可復制的數字化模板。組態技術通過0代碼操作界面，使普通農民經過簡單培訓即可完成復雜環境調控軟件搭建，將設施管控模型嵌入到應用，實現生產過程的智能化管控。設施農業組態平臺可實現一屏掌控“耕、種、管、收”的快速0代碼開發與智能化應用。
設施農業發展面臨的挑戰與對策
盡管我國在設施農業領域取得了顯著進展，但在核心技術、管理模式及體制機制方面仍面臨一些挑戰。
設施養殖方面，我國在飼料轉化率等核心生產指標上與農業發達國家相比還存在一定差距。這反映出種質資源利用率、飼料資源利用率、勞動效率以及數字化管理水平上的不足。在技術層面，我國雖已實現了環境控制設備（如風機等）的國產化，但核心控制模塊仍依賴進口。這不僅增加了生產成本，更制約了自主創新能力的提升。現有的環境調控模型多基于單因素設計，未能充分考慮多種環境參數的綜合影響，養殖機器人和智能化管理系統的智能化水平有限，難以支撐無人化養殖管理體系建設。
設施種植方面，我國是全球設施農業面積最大的國家，但在生產效能和技術水平方面，與荷蘭、日本、以色列等設施農業強國相比仍存在一定差距。在基礎設施方面，我國仍以塑料大棚等中小型溫室為主，大型連棟溫室等高土地利用效率、低能耗、高水平機械化智能化的設施占比較低。在關鍵技術研發方面，我國尚未建立成熟的設施果蔬生長發育規律機理過程模型，基礎研究相對薄弱。在數據積累與智能調控方面，相較荷蘭、以色列等國家長達40多年的生產數據積累，我國存在系統性的生產數據缺失問題，導致數據驅動的智能調控算法發展相對滯后。
設施漁業方面，我國在模型算法與養殖裝備的系統集成方面仍面臨挑戰。當前模型算法的研發多基于理論假設和單一環境參數，未能充分結合實際養殖裝備的技術特性及復雜多變的生產環境條件。具體表現為：在表型測量中，現有模型算法對動態光照、水質波動及魚群行為等復雜場景的適應性不足；在養殖投喂中，投喂系列模型算法與裝備的集成度較低，導致系統的穩定性和兼容性欠佳。此外，我國設施漁業的系統化模型算法研究仍顯薄弱，雖已初步開發了涵蓋表型測量、投喂管理及環境控制等環節的系列算法，但各技術模塊間缺乏深度融合，多源數據的協同挖掘不足，“信息孤島”現象較為突出，制約了整體系統的智能化水平提升。
管理模式方面，當前智能裝備的購置和維護成本較高、整體信息化管理水平偏低，生產過程中大量環節仍依賴人工操作，效率低下且易產生操作誤差。更值得關注的是，行業缺乏統一的建設標準和管理規范，各地養殖場在設施配置、運營流程等方面存在顯著差異，制約產業的規模化和標準化發展進程。此外，產業鏈上下游信息機制不健全，生產、加工、銷售等環節之間存在明顯的信息壁壘。這不僅造成資源配置效率低下，而且加劇市場供需波動，影響產業的穩定發展。這些問題反映出我國設施農業在管理現代化和產業協同方面仍有較大提升空間。
為應對當前設施農業發展面臨的挑戰，亟需系統構建跨領域協同創新的設施農業發展體系。應融合農業、生物、機械、電子、控制、計算機等多領域的科技力量，組建創新聯盟、創新聯合體等產業創新平臺，重點突破關鍵核心技術的自主研發。在體制機制創新方面，應進一步完善政產學研用合作機制，通過政策引導和資金支持，打通從科研攻關到產業推廣的完整鏈條。重視示范基地建設和人才培養，通過建立智慧生產示范基地，開展多層次的技術培訓和實踐交流，切實提升從業者的智能化管控體系。在技術創新路徑方面，應采取科教單位生產研發、企業實際應用驗證的協同模式，整合數據采集、智能裝備、數字平臺等關鍵要素，構建覆蓋生產全過程的智能化管控體系。同時，應加快構建標準化生產體系，推動規模化發展，通過政策扶持、技術創新和人才培養等多維度協同推進，加強政產學研用聚力協同，全面提升設施農業的產業競爭力、資源利用效率和綠色發展水平，為智能化技術應用提供全方位的制度保障。
當前，我國設施農業正處于轉型關鍵期，其發展呈現技術深度化、產業鏈協同化、綠色低碳化、主體多元化等顯著特征。隨著AI、物聯網等新一代信息技術的深度應用，傳統依賴經驗的農業生產模式正向數據驅動的智能化方向轉變。通過建立多源數據實時采集分析系統，可以實現對農業生產全過程的精準監測與智能調控，顯著提升資源利用效率和管理精細化水平。當前亟需突破五大關鍵技術領域：高效綜合防控與凈化技術、復雜環境適應性裝備技術、低能耗智能管控技術、精準水肥環境調控系統以及全生命周期精準智能管控技術。這些關鍵技術的突破，能夠有效解決設施農業面臨的環境適應性差、管理粗放、能耗高等問題，推動實現產量與品質的雙提升，為設施農業高質量發展提供堅實的技術支撐。
總體而言，設施農業的發展歷程充分彰顯了我國農業技術自強不息的精神品格。從最初對國外技術的引進模仿，到如今部分裝備實現自主創新，設施農業正逐步成為現代農業高質量發展的重要支柱和保障國家糧食安全的重要手段。隨著智慧農業、綠色循環農業和數字技術的深度融合，設施農業在保持穩健增長的同時，以更加集約、智能、環保的模式繼續引領農業轉型升級，為推進鄉村全面振興和建設農業強國提供源源不斷的動力
【注：本文系農業農村部資助項目階段性研究成果】
【參考文獻】
①何勇等：《智慧農業》，北京：科學出版社，2023年。
②劉羽飛、何勇、劉飛等：《農業傳感器技術在我國的應用和市場：現狀與未來展望》，《浙江大學學報（農業與生命科學版）》，2023年第3期。
責編/銀冰瑤 美編/楊玲玲
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