所謂設施農(nóng)業(yè)就是通過采用一定的設施和裝置，局部范圍改善或創(chuàng)造環(huán)境氣象因素，使植物或動物獲得最佳生長環(huán)境的生產(chǎn)方式。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，設施農(nóng)業(yè)擺脫了自然環(huán)境的束縛，可有效增加農(nóng)業(yè)收入。在現(xiàn)代化的設施農(nóng)業(yè)中，需要消耗能源對“溫、光、水、氣”等進行調(diào)控，其中最主要的能源消耗用于調(diào)控室內(nèi)溫度。鍋爐供熱是目前設施農(nóng)業(yè)中較為普遍采用的供熱加溫方式，且絕大多數(shù)是燃煤鍋爐。煤炭的使用不僅造成環(huán)境污染，同時還給設施農(nóng)業(yè)企業(yè)帶來較大的運營成本壓力。近年來，各種可再生能源在設施農(nóng)業(yè)中逐漸得到重視，目前應用于設施農(nóng)業(yè)中最常見的可再生能源有太陽能、風能、地熱能、生物質(zhì)能。使用可再生能源進行設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不僅可降低能耗，還可減少ＣＯ２和各種污染物的排放，是綠色環(huán)保的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，也是未來設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

 

  １ 太陽能在設施農(nóng)業(yè)中的應用

 

  １．１ 太陽能熱能應用

 

  設施農(nóng)業(yè)本身就是太陽能熱能最直接的利用方式。

 

  目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)設施類型主要有大型連棟溫室、日光溫室和拱棚，日光溫室和拱棚占絕大部分。受成本因素限制，大部分地區(qū)日光溫室和拱棚沒有配備供熱設施，只通過本身的結(jié)構(gòu)、材料和保溫措施，實現(xiàn)對太陽能的利用；連棟溫室受結(jié)構(gòu)限制，我國大部分地區(qū)冬季為了滿足作物對溫度要求，必須采取人工增溫措施。此外，為了提高太陽能的利用率，一些節(jié)能技術也被開發(fā)應用。

 

  在水產(chǎn)設施養(yǎng)殖中，人們利用蓄熱設備提高太陽能的利用率，常規(guī)的做法是使用太陽能集熱器，將熱量儲存于水中與需要加熱的水體進行熱交換。對于溫室種植，地中熱交換系統(tǒng)是一種常用的加溫方法，白天使用風機將溫室內(nèi)空氣中的熱量經(jīng)地下埋管傳向地下蓄熱層，夜間再通過風機將蓄熱送回至大棚，整個系統(tǒng)只有風機電耗，是一種有效的溫室增溫方式。

 

  太陽能熱泵是太陽能集熱系統(tǒng)與熱泵的組合。熱泵是一種以消耗部分高品位能量為條件，向低溫熱源取熱，將其加熱后向高溫熱源放熱的能量利用裝置，熱泵的性能系數(shù)大于１，是一種有效的節(jié)能技術。改變熱泵循環(huán)中工質(zhì)的流動方向，還可實現(xiàn)冬天制熱、夏天制冷的功能。我國最近幾年才開始建立實驗系統(tǒng)對太陽能熱泵進行研究，目前還未見太陽能熱泵應用于設施農(nóng)業(yè)的報道。由于太陽能的不穩(wěn)定性，太陽能熱泵在使用時一般還需要配備其它輔助加熱方式，投資成本是阻礙太陽能熱泵在設施農(nóng)業(yè)廣泛應用的主要問題。

 

  １．２ 太陽能光能應用

 

  光合作用是植物對太陽能光能的直接利用。在設施農(nóng)業(yè)中，除了植物直接吸收外，太陽能光能還可通過光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓M行利用。光伏發(fā)電需要一定的太陽電池面積來接收光能，隨著太陽電池技術的發(fā)展，出現(xiàn)了可以安裝在溫室頂部的薄膜透光式太陽電池，在光伏發(fā)電的同時又不影響太陽光線的透過。２００９年，在江西上饒［１］、江蘇武進［２］等地分別建成薄膜式農(nóng)業(yè)大棚，全國多地也正在建造此類大棚。薄膜太陽能大棚不僅可為設施農(nóng)業(yè)提供充足的電力資源，還可以將剩余的電能上網(wǎng)銷售，帶來額外收益。

 

  太陽能發(fā)電在設施農(nóng)業(yè)中最基本的用途是照明，白  天光伏發(fā)電給蓄電池充電，晚上作為電源為節(jié)能燈提供電能，不僅可為設施農(nóng)業(yè)提供場地照明，光照在溫室內(nèi)還可延長植物進行光合作用的時間，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

 

  此外，太陽能驅(qū)蟲燈也是在設施農(nóng)業(yè)光能利用的方式。白天太陽能轉(zhuǎn)換成電能儲存，在夜間殺蟲燈釋放出特定波長的光源吸引害蟲，光源外圍的高壓電網(wǎng)可將飛過的害蟲殺死。使用有效的光波范圍可誘殺１ ０００多種害蟲，在溫室中具有很好的應用價值。目前國家對太陽能殺蟲燈在農(nóng)村大棚中的使用給予補貼，我國多省的農(nóng)村中已經(jīng)開始推廣使用。

 

  ２ 風能在設施農(nóng)業(yè)中的應用

 

  風能也是設施農(nóng)業(yè)可以利用的可再生能源之一。

 

  我國風能資源非常豐富，早在中國古代農(nóng)業(yè)中已經(jīng)開發(fā)利用風能，１ ７００多年前已經(jīng)開始用帆式風車提水，西漢就出現(xiàn)了制造人造風進行谷物清洗的風扇車，然而近年來中國風能的利用卻一直發(fā)展緩慢。風能利用的主要方式是風力提水和發(fā)電致熱。

 

  風力提水作為風能利用的重要方式，分為傳統(tǒng)的風力直接提水與新興的風力發(fā)電提水２種方式。荷蘭、丹麥、英、美、俄等國風能資源相對豐富的國家，都大批量生產(chǎn)各種型號的風力提水機，澳大利亞和新西蘭的風力提水裝置幾乎遍及所有牧場。我國的風力提水機主要在東南沿海用于養(yǎng)殖、制鹽，在江蘇、寧夏、河北、吉林等地用于農(nóng)田灌溉，在北方草原牧場地區(qū)提供飲水和牧場灌溉，主要針對邊遠和無電地區(qū)，未形成規(guī)模化。雖然我國的風力提水產(chǎn)業(yè)具有廣闊的市場前景，然而風力提水技術的開發(fā)和推廣步伐還比較緩慢［５］，目前在設施農(nóng)業(yè)中的應用基本僅限于設施養(yǎng)殖中。風力發(fā)電在設施農(nóng)業(yè)中主要應用在供電不便地區(qū)的設施畜牧、水產(chǎn)設施養(yǎng)殖中，小型風電特別是１ ０００Ｗ以下的機組，可為設施生產(chǎn)提供必要的電能。從２００９年起，農(nóng)牧漁民購買２００～３００Ｗ風力發(fā)電機的數(shù)量快速增長［６］。在水產(chǎn)設施養(yǎng)殖中，需要用到水車式增氧機械、水質(zhì)處理機械等旋轉(zhuǎn)動力機械，用風力機直接驅(qū)動這些機械，不需要任何中間轉(zhuǎn)換裝置，可有效降低養(yǎng)殖過程中的成本。我國從２０世紀８０年代開始已經(jīng)在水產(chǎn)設施養(yǎng)殖中使用風力增氧。風力致熱是近年來才發(fā)展起來的一種風能轉(zhuǎn)換形式，通常風力機提水的效率只有１６％，風力發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率為３０％，而風力致熱的轉(zhuǎn)換效率可達４０％［８］。

 

  風力致熱主要有液體攪拌致熱、液體擠壓致熱、固體摩擦致熱和渦電流法致熱４種方式，其中研究較多的是液體攪拌致熱和液體擠壓致熱。日本早在２０世紀８０年代就開始使用風力致熱技術進行溫室加熱和設施養(yǎng)殖。

 

  目前，風力致熱技術在日本、美國、加拿大和丹麥等國家已進入示范試驗階段［９］。我國風力致熱技術的研究起步較晚，基本處于空白狀態(tài)。風力致熱系統(tǒng)設備簡單、效率高，開發(fā)風能致熱技術在設施農(nóng)業(yè)中具有廣闊的發(fā)展前景。

 

  此外，隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，開發(fā)由風力發(fā)電驅(qū)動的熱泵系統(tǒng)成為可能。目前國內(nèi)外已提出多種風力熱泵系統(tǒng)，如由風輪通過變速機構(gòu)單獨或與交流電機并聯(lián)驅(qū)動熱泵壓縮機的系統(tǒng)、完全由風力發(fā)電機發(fā)電驅(qū)動熱泵壓縮機的系統(tǒng)等。使用風力熱泵供暖和制冷基本不需要消耗電力，相比于太陽能還可全天候工作。隨著技術的發(fā)展和成本的降低，風力熱泵在設施農(nóng)業(yè)中也具有可行性。

 

  ３ 地熱能在設施農(nóng)業(yè)中的應用

 

  ３．１ 淺層地熱資源

 

  淺層地熱能廣泛存在于地球淺表層巨大的恒溫帶中，其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫。淺層地熱資源主要存在于淺層土壤、地下水和地表水中，這些熱源的溫度與環(huán)境溫度接近、能量密度低，無法直接利用。近年來國外熱泵技術的發(fā)展應用非常迅速，尤其是地源熱泵。土壤源熱泵、地下水源熱泵和地表水源熱泵統(tǒng)稱為地源熱泵，目前熱泵承擔著美國總供熱量的８．４％，日本總供熱量的２８．６％。中國從１９９５年開始學習和引進歐洲的熱泵產(chǎn)品，直到１９９７年才出現(xiàn)一定規(guī)模的地源熱泵采暖工程項目。在城市中，由于土地資源和水資源比較緊張，地源熱泵的應用受到限制。設施農(nóng)業(yè)一般位于城市郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，其土地資源、地下水和地表水資源比較豐富，非常適合熱泵技術的應用。鍋爐供熱設備只能將９０％以上的電能或７０％～９０％的燃料化學能轉(zhuǎn)換為熱量，而地源熱泵的制熱ＣＯＰ性能系數(shù)一般可達４，運行費用為其它采暖設備的３０％～７０％［１１］。地源熱泵技術在我國設施農(nóng)業(yè)的應用中還處于試驗研究和示范性建設階段，目前投入運行的熱泵系統(tǒng)已經(jīng)開始表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果。

 

  ２００１年時吳靜怡等［１２］以東海農(nóng)場３ｈｍ２蔬菜溫室為例，對燃煤采暖與地源熱泵的經(jīng)濟性進行了比較，當時的煤炭價格為２８０元／ｔ，熱泵的能源費用為煤炭采暖的１．７６倍。然而近年來，電價漲幅較小，而煤炭價格卻不斷攀升，每噸最高價格甚至超過千元，按目前的煤電價格計算，使用煤炭的費用反而是熱泵的２倍；左睿等［１３］將地源熱泵與傳統(tǒng)的電熱鍋爐和燃料鍋爐進行了比較，利用地源熱泵的溫室能耗僅僅為傳統(tǒng)供熱方式的２０％～３０％；方慧等［１４］在中國農(nóng)業(yè)科學院Ｖｅｎｌｏ型試驗溫室內(nèi)建造了一套地源熱泵與地板散熱相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，整套地源熱泵系統(tǒng)的實際ＣＯＰ性能系數(shù)達到３．１４，與燃煤鍋爐相比節(jié)能３６．３％。此外還在北京順義區(qū)三高國際鮮花港基地建立了一套地源熱泵加熱溫室，與燃煤鍋爐相比節(jié)能２９．６％［１５］。河南農(nóng)業(yè)大學的王吉慶博士用水源熱泵對溫室進行加溫，試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)ＣＯＰ 性能系數(shù)為３．３１，與燃煤鍋爐相比節(jié)能４６．５％［１６］。羅迎賓等［１７］結(jié)合南京江寧羅氏沼蝦養(yǎng)殖場工程案例，對水產(chǎn)養(yǎng)殖采用地源熱泵的技術性及經(jīng)濟性進行分析，研究表明，采用地源熱泵水產(chǎn)養(yǎng)殖技術比傳統(tǒng)的供熱技術節(jié)能５０％以上。２００９年，投資２．６億元的地源熱泵與地熱利用綜合供暖系統(tǒng)在北京國際鮮花港投入使用，經(jīng)測算采用地源熱泵供暖比電鍋爐加熱節(jié)省２／３以上的電能，比燃煤鍋爐節(jié)省１／２以上的能量，在運行２ａ的時間得到了業(yè)主和溫室大棚用戶的一致好評。

 

  除供熱外，地源熱泵還可用于設施農(nóng)業(yè)中的夏季降溫。吳洪永等［１８］對湖塘水源熱泵在北京蟹島玻璃溫室中的制冷進行了研究，結(jié)果表明，比空調(diào)節(jié)能５９％；柴立龍等［１９］在中國農(nóng)業(yè)大學上莊實驗站的溫室中進行了地源熱泵降溫的試驗研究，其制冷性能系數(shù)達到３；楊仁全等［２０］對北京西三旗生態(tài)園的地源熱泵系統(tǒng)夏季使用情況進行了測試，試驗結(jié)果表明，地源熱泵夏季制冷比使用常規(guī)空調(diào)節(jié)能３５％。雖然地源熱泵在夏季制冷降溫中已經(jīng)得到了部分應用，然而地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)無論在降溫效果還是節(jié)能方面都落后于當前中國溫室普遍采用的濕簾－風機降溫方法［２１］，但是濕簾－風機系統(tǒng)存在耗水量大和空氣濕度大等缺點，容易引起病蟲害。因此，夏季在溫室中可以采用濕簾－風機、地源熱泵聯(lián)合降溫系統(tǒng)，合理搭配使用２種降溫方法，既可減少投資費用和運行成本，又可解決易引發(fā)病蟲害的問題。

 

  ３．２ 深層地熱能的應用

 

  深層地熱即為通常所指的地熱能，包括淺層的水熱型地熱資源與深層的干熱巖等，目前國內(nèi)外設施農(nóng)業(yè)利用主要限于水熱型地熱。我國地熱利用較早，北魏酈道元的《水經(jīng)注》中已有地熱用于農(nóng)業(yè)的記載［２２］。目前中國地熱能年利用量世界第一，然而地熱資源的利用大多比較單一。國內(nèi)地熱能主用于供暖、溫泉洗浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、溫室種植、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)利用等，種植養(yǎng)殖占地熱總利用量的９．１％。地熱種植用于水稻育秧、農(nóng)作物育苗、名貴藥材和香料栽培、花卉栽培、食用菌培養(yǎng)、蔬菜瓜果種植等。由于地熱資源在我國已有廣泛的使用，很多省份都建設了地熱溫室。遼寧省鳳城市東湯鎮(zhèn)利用地熱溫泉種植油桃，福建省將地熱能用于水稻育秧、培育紅萍等［２３］。遼寧熊岳使用地熱溫室進行蘋果育苗和葡萄栽培等。地熱在設施養(yǎng)殖中主要用于名貴水產(chǎn)培養(yǎng)、水產(chǎn)品反季養(yǎng)殖等。湖南汝城縣利用地熱水設施養(yǎng)殖烏龜、牛蛙、福壽螺等名貴水產(chǎn)［２４］；天津漢沽區(qū)冬季利用地熱大棚反季節(jié)養(yǎng)殖南美白對蝦，取得了良好的經(jīng)濟效益［２５］；陜西合陽縣經(jīng)過多年實踐，利用地熱水大棚養(yǎng)殖鰱魚、鳙魚、草魚等，對其進行提早產(chǎn)卵繁殖［２６］；天津里自沽農(nóng)場將石油井改為地熱井用于地熱養(yǎng)雞，在此基礎上形成了利用地熱飼養(yǎng)種雞、育雛、孵化、水產(chǎn)養(yǎng)殖、蔬菜種植的體系。北京南宮村將階梯使用后排放的２０℃的熱水處理后用于澆灌溫室公園［２７］。但需注意，地熱水主要是含無機鹽的水溶液，其中氟化物、氯化物、硼離子濃度都大大高于農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準，長期食用高含氟和無機鹽的糧食和蔬菜，必將在人體內(nèi)富集，因此地熱水在用于澆灌時必須進行處理。

 

  ４ 生物質(zhì)能在設施農(nóng)業(yè)中的應用

 

  我國具有豐富的生物質(zhì)能資源。據(jù)測算，我國生物質(zhì)能資源相當于５０億ｔ標準煤，是目前我國總能耗的４倍左右。可利用的生物質(zhì)能資源主要有農(nóng)作物秸稈、薪柴、禽畜糞便、生活垃圾等。

 

  秸稈首先可作為設施種植中的肥料來源。在土壤微生物的作用下，將其降解為可以被作物吸收利用的土壤養(yǎng)分，具有蓄水保濕、調(diào)節(jié)土壤溫度、降低田間雜草密度、調(diào)節(jié)土壤ｐＨ值、提高土壤微生物活性等作用。近年來，設施農(nóng)業(yè)中出現(xiàn)了“生物反應堆”工程技術，該技術就是以秸稈為原料，在生物菌劑的作用下發(fā)生腐化分解等一系列反應，生成作物生長所需要的熱量、ＣＯ２、酶、有機和無機養(yǎng)料等有益物質(zhì)，不僅大幅度提高了蔬果的產(chǎn)量和質(zhì)量，還大大降低了化肥和農(nóng)藥的用量。該技術自２００１年起即在河北平泉、遼寧凌源等多地進行了示范研究［２８］，從試驗結(jié)果來看取得了良好的增收效果，目前在山東、天津等多個省進入推廣示范階段。沼氣是生物質(zhì)能最重要的應用方式之一，我國的沼氣利用無論規(guī)模還是技術均處于世界領先水平。沼氣在設施農(nóng)業(yè)中同樣具有重要地位，沼氣可以用于現(xiàn)代溫室的加熱、發(fā)電利用，沼液用于蔬菜追肥，沼渣用于溫室蔬菜無土栽培基質(zhì)與育苗基質(zhì)，還可部分用作養(yǎng)魚飼料。由于沼氣是一種綠色能源，因此沼氣用于設施農(nóng)業(yè)的加熱時，除了采用沼氣鍋爐供熱外，還可以在溫室內(nèi)直接燃燒沼氣進行加熱。沼氣點燈是目前溫室中常用的一種方法，沼氣點燈可以直接提供熱能，燃燒產(chǎn)物可補充溫室內(nèi)的ＣＯ２，沼氣點燈還可提供光源，為溫室內(nèi)的植物補光，延長光合作用的時間。沼液中富含各類氨基酸、維生素、蛋白質(zhì)、赤霉素、生長素、糖類、核酸以及抗生素等，可提高蔬菜種子的發(fā)芽率，又可增強蔬菜的抗旱、抗凍能力。沼渣由部分未分解的原料和新生的微生物菌體組成，含有大量有機質(zhì)和腐殖酸，對土壤具有改良作用。由于沼氣具有多重優(yōu)良特性，因此沼氣也成為現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)中的紐帶，目前圍繞沼氣出現(xiàn)了江西贛州、廣西恭城的“豬－沼－果”生產(chǎn)模式［２９］，江蘇贛榆創(chuàng)“豬－沼－魚”生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式［３０］，廣西百色的“豬－沼－菜－燈－魚”［３１］等多種設施農(nóng)業(yè)生態(tài)化復合生產(chǎn)模式，這些成功的生產(chǎn)模式在取得經(jīng)濟效益的同時，也起到了良好示范效果。

 

  由于生物質(zhì)能資源非常豐富，相比于化石燃料具有可再生和環(huán)保的優(yōu)勢，因此近年來國際生物質(zhì)能發(fā)電的發(fā)展非常迅速。目前國內(nèi)沼氣發(fā)電主要應用于設施養(yǎng)殖。２００５年海寧市斜橋鎮(zhèn)同仁村養(yǎng)殖園２００ｋＷ沼氣發(fā)電項目投入運行［３２］，２００７年北京德青源農(nóng)業(yè)科技股份有限公司健康養(yǎng)殖生態(tài)園２ＭＷ 熱電肥聯(lián)產(chǎn)沼氣工程投入運行［３３］，２００８年蒙牛建成了全球最大的畜禽類沼氣發(fā)電廠，年發(fā)電量可達１×１０８ ｋＷ·ｈ［３４］。這些沼氣發(fā)電項目不僅可以滿足設施生產(chǎn)自身電耗，多余的電還并入國家電網(wǎng)，每年產(chǎn)生不菲的收益。作為沼氣發(fā)電的副產(chǎn)品，大量的沼肥、沼液也具有重要的經(jīng)濟價值。

 

  ５ 結(jié)論

 

  從可再生能源在國內(nèi)設施農(nóng)業(yè)的應用情況可以看出，環(huán)保、清潔的可再生能源在設施農(nóng)業(yè)中已經(jīng)逐步開始發(fā)揮重要的作用，各種新的利用方式也不斷出現(xiàn)。太陽能，地熱能，沼氣，地源熱泵等已經(jīng)處于節(jié)能示范或推廣使用階段，多種可再生能源綜合利用的綠色設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式也備受關注。然而，在設施農(nóng)業(yè)能源利用水平不斷進步的同時，還應該清醒的認識到，可再生能源在我國設施農(nóng)業(yè)中的利用還處于起步階段，各種能源的利用技術還有待進一步完善，可再生能源在設施農(nóng)業(yè)中缺乏具有推廣代表性的成功案例。同時還應注意在使用可再生能源為設施農(nóng)業(yè)服務的同時，還要盡可能防止其可能帶來的環(huán)境問題，使設施農(nóng)業(yè)真正成為綠色產(chǎn)業(yè)。