所謂設施農業就是通過采用一定的設施和裝置，局部范圍改善或創造環境氣象因素，使植物或動物獲得最佳生長環境的生產方式。與傳統農業相比，設施農業擺脫了自然環境的束縛，可有效增加農業收入。在現代化的設施農業中，需要消耗能源對“溫、光、水、氣”等進行調控，其中最主要的能源消耗用于調控室內溫度。鍋爐供熱是目前設施農業中較為普遍采用的供熱加溫方式，且絕大多數是燃煤鍋爐。煤炭的使用不僅造成環境污染，同時還給設施農業企業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業中逐漸得到重視，目前應用于設施農業中最常見的可再生能源有太陽能、風能、地熱能、生物質能。使用可再生能源進行設施農業生產，不僅可降低能耗，還可減少ＣＯ２和各種污染物的排放，是綠色環保的農業生產方式，也是未來設施農業的發展方向。

 

  １ 太陽能在設施農業中的應用

 

  １．１ 太陽能熱能應用

 

  設施農業本身就是太陽能熱能最直接的利用方式。

 

  目前國內農業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，大部分地區日光溫室和拱棚沒有配備供熱設施，只通過本身的結構、材料和保溫措施，實現對太陽能的利用；連棟溫室受結構限制，我國大部分地區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，一些節能技術也被開發應用。

 

  在水產設施養殖中，人們利用蓄熱設備提高太陽能的利用率，常規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，地中熱交換系統是一種常用的加溫方法，白天使用風機將溫室內空氣中的熱量經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，熱泵的性能系數大于１，是一種有效的節能技術。改變熱泵循環中工質的流動方向，還可實現冬天制熱、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業的報道。由于太陽能的不穩定性，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業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。在設施農業中，除了植物直接吸收外，太陽能光能還可通過光伏發電將光能轉變為電能進行利用。光伏發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展，出現了可以安裝在溫室頂部的薄膜透光式太陽電池，在光伏發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業大棚，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業提供充足的電力資源，還可以將剩余的電能上網銷售，帶來額外收益。

 

  太陽能發電在設施農業中最基本的用途是照明，白  天光伏發電給蓄電池充電，晚上作為電源為節能燈提供電能，不僅可為設施農業提供場地照明，光照在溫室內還可延長植物進行光合作用的時間，提高農作物產量。

 

  此外，太陽能驅蟲燈也是在設施農業光能利用的方式。白天太陽能轉換成電能儲存，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村大棚中的使用給予補貼，我國多省的農村中已經開始推廣使用。

 

  ２ 風能在設施農業中的應用

 

  風能也是設施農業可以利用的可再生能源之一。

 

  我國風能資源非常豐富，早在中國古代農業中已經開發利用風能，１ ７００多年前已經開始用帆式風車提水，西漢就出現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展緩慢。風能利用的主要方式是風力提水和發電致熱。

 

  風力提水作為風能利用的重要方式，分為傳統的風力直接提水與新興的風力發電提水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殖、制鹽，在江蘇、寧夏、河北、吉林等地用于農田灌溉，在北方草原牧場地區提供飲水和牧場灌溉，主要針對邊遠和無電地區，未形成規模化。雖然我國的風力提水產業具有廣闊的市場前景，然而風力提水技術的開發和推廣步伐還比較緩慢［５］，目前在設施農業中的應用基本僅限于設施養殖中。風力發電在設施農業中主要應用在供電不便地區的設施畜牧、水產設施養殖中，小型風電特別是１ ０００Ｗ以下的機組，可為設施生產提供必要的電能。從２００９年起，農牧漁民購買２００～３００Ｗ風力發電機的數量快速增長［６］。在水產設施養殖中，需要用到水車式增氧機械、水質處理機械等旋轉動力機械，用風力機直接驅動這些機械，不需要任何中間轉換裝置，可有效降低養殖過程中的成本。我國從２０世紀８０年代開始已經在水產設施養殖中使用風力增氧。風力致熱是近年來才發展起來的一種風能轉換形式，通常風力機提水的效率只有１６％，風力發電的轉換效率為３０％，而風力致熱的轉換效率可達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。風力致熱系統設備簡單、效率高，開發風能致熱技術在設施農業中具有廣闊的發展前景。

 

  此外，隨著風力發電技術的發展，開發由風力發電驅動的熱泵系統成為可能。目前國內外已提出多種風力熱泵系統，如由風輪通過變速機構單獨或與交流電機并聯驅動熱泵壓縮機的系統、完全由風力發電機發電驅動熱泵壓縮機的系統等。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。隨著技術的發展和成本的降低，風力熱泵在設施農業中也具有可行性。

 

  ３ 地熱能在設施農業中的應用

 

  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品，直到１９９７年才出現一定規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。設施農業一般位于城市郊區或農村地區，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％的燃料化學能轉換為熱量，而地源熱泵的制熱ＣＯＰ性能系數一般可達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業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已經開始表現出良好的節能效果。

 

  ２００１年時吳靜怡等［１２］以東海農場３ｈｍ２蔬菜溫室為例，對燃煤采暖與地源熱泵的經濟性進行了比較，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供熱方式的２０％～３０％；方慧等［１４］在中國農業科學院Ｖｅｎｌｏ型試驗溫室內建造了一套地源熱泵與地板散熱相結合的供暖系統，整套地源熱泵系統的實際ＣＯＰ性能系數達到３．１４，與燃煤鍋爐相比節能３６．３％。此外還在北京順義區三高國際鮮花港基地建立了一套地源熱泵加熱溫室，與燃煤鍋爐相比節能２９．６％［１５］。河南農業大學的王吉慶博士用水源熱泵對溫室進行加溫，試驗結果表明，系統ＣＯＰ 性能系數為３．３１，與燃煤鍋爐相比節能４６．５％［１６］。羅迎賓等［１７］結合南京江寧羅氏沼蝦養殖場工程案例，對水產養殖采用地源熱泵的技術性及經濟性進行分析，研究表明，采用地源熱泵水產養殖技術比傳統的供熱技術節能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在北京國際鮮花港投入使用，經測算采用地源熱泵供暖比電鍋爐加熱節省２／３以上的電能，比燃煤鍋爐節省１／２以上的能量，在運行２ａ的時間得到了業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業中的夏季降溫。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，結果表明，比空調節能５９％；柴立龍等［１９］在中國農業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，其制冷性能系數達到３；楊仁全等［２０］對北京西三旗生態園的地源熱泵系統夏季使用情況進行了測試，試驗結果表明，地源熱泵夏季制冷比使用常規空調節能３５％。雖然地源熱泵在夏季制冷降溫中已經得到了部分應用，然而地源熱泵空調系統無論在降溫效果還是節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、地源熱泵聯合降溫系統，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，目前國內外設施農業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《水經注》中已有地熱用于農業的記載［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。國內地熱能主用于供暖、溫泉洗浴、水產養殖、溫室種植、農業灌溉、工業利用等，種植養殖占地熱總利用量的９．１％。地熱種植用于水稻育秧、農作物育苗、名貴藥材和香料栽培、花卉栽培、食用菌培養、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。地熱在設施養殖中主要用于名貴水產培養、水產品反季養殖等。湖南汝城縣利用地熱水設施養殖烏龜、牛蛙、福壽螺等名貴水產［２４］；天津漢沽區冬季利用地熱大棚反季節養殖南美白對蝦，取得了良好的經濟效益［２５］；陜西合陽縣經過多年實踐，利用地熱水大棚養殖鰱魚、鳙魚、草魚等，對其進行提早產卵繁殖［２６］；天津里自沽農場將石油井改為地熱井用于地熱養雞，在此基礎上形成了利用地熱飼養種雞、育雛、孵化、水產養殖、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田灌溉水質標準，長期食用高含氟和無機鹽的糧食和蔬菜，必將在人體內富集，因此地熱水在用于澆灌時必須進行處理。

 

  ４ 生物質能在設施農業中的應用

 

  我國具有豐富的生物質能資源。據測算，我國生物質能資源相當于５０億ｔ標準煤，是目前我國總能耗的４倍左右。可利用的生物質能資源主要有農作物秸稈、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分，具有蓄水保濕、調節土壤溫度、降低田間雜草密度、調節土壤ｐＨ值、提高土壤微生物活性等作用。近年來，設施農業中出現了“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、有機和無機養料等有益物質，不僅大幅度提高了蔬果的產量和質量，還大大降低了化肥和農藥的用量。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。沼氣是生物質能最重要的應用方式之一，我國的沼氣利用無論規模還是技術均處于世界領先水平。沼氣在設施農業中同樣具有重要地位，沼氣可以用于現代溫室的加熱、發電利用，沼液用于蔬菜追肥，沼渣用于溫室蔬菜無土栽培基質與育苗基質，還可部分用作養魚飼料。由于沼氣是一種綠色能源，因此沼氣用于設施農業的加熱時，除了采用沼氣鍋爐供熱外，還可以在溫室內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，燃燒產物可補充溫室內的ＣＯ２，沼氣點燈還可提供光源，為溫室內的植物補光，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、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，含有大量有機質和腐殖酸，對土壤具有改良作用。由于沼氣具有多重優良特性，因此沼氣也成為現代設施農業中的紐帶，目前圍繞沼氣出現了江西贛州、廣西恭城的“豬－沼－果”生產模式［２９］，江蘇贛榆創“豬－沼－魚”生態水產養殖模式［３０］，廣西百色的“豬－沼－菜－燈－魚”［３１］等多種設施農業生態化復合生產模式，這些成功的生產模式在取得經濟效益的同時，也起到了良好示范效果。

 

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

 

  ５ 結論

 

  從可再生能源在國內設施農業的應用情況可以看出，環保、清潔的可再生能源在設施農業中已經逐步開始發揮重要的作用，各種新的利用方式也不斷出現。太陽能，地熱能，沼氣，地源熱泵等已經處于節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業生產模式也備受關注。然而，在設施農業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業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業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業服務的同時，還要盡可能防止其可能帶來的環境問題，使設施農業真正成為綠色產業。