中国温室中国范儿，戈壁滩上建起了设施农业园！
新疆克孜勒苏柯尔克孜州阿克陶县现代农业开发区设施农业园侧记
1.戈壁滩就地取材，解决温室墙体建筑材料
2.引进内陆技术，提升温室建造水平
3.发展光伏农业温室，效果不佳
4.改进管理模式，确保温室稳定运行
受农业部的委派，笔者对南疆设施农业发展进行专题调研。考察工作的首站来到了克州的阿克陶县。该县位于克州的西部，也是中国的边境县，其西部、西南部分别与吉尔吉斯斯坦共和国和塔吉克斯坦共和国接壤。阿克陶县国土面积为24555.06km2，其中山地占96.4%，适宜农业种植的平原面积仅占3.6%，18万居住人口的人均耕地面积不足1000m2，土地是制约当地农业发展的最大因素之一。此外，平原的农业区干旱少雨、降水量少、蒸发量大，年平均降水量60mm，完全依靠天然降水的雨养农业难以维继。
但这里日照充足，全年日照百分率在62%~68%，日照时数2700~3000h，年总辐射量达130~140kJ/cm2，高于中国同纬度的华北和东北地区，仅次于青藏高原，而且有大量的戈壁非耕地，地下水资源较为丰富。从气温看，这里四季分明，夏季炎热、冬季寒冷、昼夜温差大、无霜期长，7月平均气温25℃，极端最高气温达39.4℃；1月平均气温-7.1℃，极端最低气温-27.4℃。冬季低于10℃的天数有46.9天，全年无霜期长达221天。
为此，在发展大田农业受限的情况下，开发利用戈壁滩地，发展设施农业成为了当地农业发展和农民致富的一条有效途径。阿克陶县现代农业开发区设施农业园就是在18.6万亩（1.24万hm2）戈壁滩上兴起和建设。目前已经建成了2000栋日光温室，成为了当地牧民移居、农民致富、民族融合的设施农业特色小镇。这里，笔者就该园区农业设施建设及管理的一些经验和技术特点做简单介绍。
1.戈壁滩就地取材，解决温室墙体建筑材料
在戈壁滩上建造日光温室，首先解决的问题就是墙体材料。内陆日光温室墙体建设用的黏土红机砖、蒸压灰砂砖等在当地造价高、供应困难；山东寿光五代温室采用的机打土墙结构和北疆等地用的干打垒土墙等，均因这里的土壤基本都是砂石，没有黏结性能而难以照搬。
既能承重，又能储热的建筑材料从哪里获取？
戈壁，是砂子和石头的天地。用戈壁的鹅卵石做日光温室墙体材料，既能承重，又具有良好的储放热性能，是被动式日光温室蓄放热墙体最理想的材料。就地取材，也省去了商品建材远距离运输的成本，就连砌筑鹅卵石用水泥砂浆的骨料（粗砂或细沙）均可以在戈壁滩上就地获得。廉价的建筑材料，可显著降低温室的建设成本，而且用水泥砂浆砌筑的鹅卵石墙体，耐久性好，使用寿命长，按折旧计算的温室运行成本也会显著降低。从运行上看，利用鹅卵石砌筑墙体（图1a，墙体厚度：下部1.5m、上部0.5m）的日光温室种植韭菜，完全可以越冬生产。日光温室内的墙体光洁，对墙面的清洗、消毒都不会损坏墙体。
但鹅卵石墙体砌筑需要的时间较长，一是由于鹅卵石的大小不同、规格不一，土建施工必须在砌筑过程中不断找寻适合尺寸的石料，费时费力；二是墙体砌筑到一定高度后必须养护一定时间待水泥凝固后方可继续向上砌筑，否则底部墙体承载力不足会造成整堵墙体倒塌；三是鹅卵石墙体必须按照梯形结构砌筑，下大上小，墙体的厚度不能太小（顶部最窄处不宜小于0.5m），大体量的墙体建造时间长，建造的用材量也大，相应成本也较高。
为了有效解决砌筑鹅卵石墙体建设周期长、耗材量大的问题，一是可以借鉴内陆研究提出的用钢丝网围护填筑墙体（图1b）或用钢丝网盛装鹅卵石后堆砌成墙的方法（图1c）；二是摒弃鹅卵石墙体结构，用戈壁的砂料做骨料制作空心水泥砖，用空心水泥砖做建筑材料砌筑墙体（图2a）。这种墙体材料保留了鹅卵石墙体储放热能力强的特点，墙体承载能力也能满足日光温室结构承载要求，而且建造速度快，可一次砌筑成型。从戈壁滩中筛砂筛出的大粒石子或鹅卵石可以直接堆筑在日光温室的后墙外（图2b），不仅可以增强温室后墙的保温性，而且对温室后墙也有一定支撑作用，有助于增强温室墙体的承载能力。当然，在温室后墙外堆筑石料的做法也同样适用于图1a所示的鹅卵石砌筑墙体。
从温室的实际种植情况看，2种材料墙体的日光温室种植叶菜类作物在当地均能够安全越冬生产。但同时也看出，当地建造的日光温室一是后屋面保温不够，严重的冷凝水不仅浸透了后屋面保温和承重木板（严重影响其使用寿命），而且冷凝水还局部地流渗到温室后墙，直接影响温室墙体的保温性（图1a）；二是温室前屋面屋脊处的坡度太缓，兜水严重（图2b）；三是温室的前屋面保温被采用了当地加工制造的针刺毡保温被，由于对产品质量没有控制或控制没有标准，保温被使用一段时间后保温芯赶堆，出现保温被内部大片没有保温芯的情况（图3）。以上情况不仅大大降低了温室的保温性能，直接导致了温室夜间室内温度下降，而且对温室的结构强度和结构的使用寿命都可能会造成不良影响。
对这类温室，建议加强温室细部构造的处理，尤其要增强温室后屋面的保温和前屋面保温被的保温和防水性能，加强温室的密封性能，以提高温室的整体保温性能。按照同类气候条件的日光温室推演，如果能够提高当地温室后屋面和前屋面保温被的保温性能，在保证温室严格密封的条件下，现有日光温室在当地实现喜温果菜安全越冬生产是大有希望的。
2.引进内陆技术，提升温室建造水平
为了提高当地日光温室建设和种植技术水平，园区引进了农业部公益性行业科技专项：适合西北非耕地园艺作物栽培的温室结构和建造技术研究与产业化示范的研究成果，按照专项研究成果建造了国内最前沿技术的试验日光温室（图4）。试验温室从温室造型上看提高了温室前屋面的弧度，避免了温室屋脊处的兜水问题（图4a），温室后屋面采用的彩钢板（图4b）既承重又保温，而且材料的商品化程度高，材料自身重量轻，对结构的压力小，内外钢板防水，耐久性好。相比传统的木板承重后屋面做法，不论是材料的保温性、耐久性还是防水性都有显著的提升。
此外，为了最大限度提高温室室内陆面的利用率，试验温室将传统日光温室靠后墙的后走道模式改为了靠温室前屋面基部的前走道形式（图4c）。这种改变一是增加了温室种植区的空间高度，进行攀蔓作物栽培可以保证全部种植区内作物的高度相同；二是避免了温室前部种植地面的边际效应，保证了温室前部栽培作物不受冷害侵袭，土壤和空气温度基本能够和室内其他部位保持相同。均匀的地温和气温是保证作物均匀生长的基础，对提高作物产品的商品化率也有非常积极的作用。从图4c还可以看到，设置前走道也便于收集作物灌溉营养液的回液，在栽培床靠走道的边沿设置通长的回液槽，可很方便地将回流营养液收集到温室的两端或一端，为回流营养液的集中处理或循环利用创造了条件。
为了实现温室内机械化运输，减轻作业劳动强度，试验温室在前走道地面还设置了运输轨道（图4c），并配置了电动运输车，可方便温室内农资和产品的运输，极大地减轻操作人员的劳动作业强度。但从实际管理运行看，室内运输设备并没有得到有效使用，地面运输轨道变形、锈蚀比较严重。建议研究和生产单位分析原因，不断改进设备性能，争取使之成为温室生产中真正用得上、有效益的轻便装备。
试验温室在承力骨架方面也有新的改进（图5）。承力骨架沿用了传统的桁架结构，但上下弦杆均采用了开口结构的外卷边C型钢，腹杆则采用了压型钢带，腹杆与上下弦杆之间的连接摒弃了传统的焊接连接方式，全部采用了螺栓连接方式。这种骨架形式的改变一是保证了骨架材料的表面镀锌层不会被破坏（因为没有了焊点），从而保证了材料的使用寿命；二是骨架可以在施工现场加工制作，减少了骨架的运输成本，只要将工厂加工成型的外卷边C型钢（直杆）运到施工现场，或者直接将卷盘钢带运到施工现场，在施工现场用成型设备将钢带滚压成外卷边C型钢，然后再在骨架成型台上利用骨架模具将上下弦杆压弯成型，最后用螺栓将腹杆连接到上下弦杆上即可完成对骨架的现场制作。实际上，采用外卷边C型钢做骨架的弦杆，还可以直接利用C型钢自身的内槽，上弦杆可作为固定塑料薄膜的卡槽，可省去压膜卡槽或压膜线；下弦杆可增设室内二道幕，将透光塑料薄膜反卡在下弦杆上，与上弦杆上塑料薄膜形成双层中空塑料薄膜夹层，利用空气的绝热特性，在基本不影响温室采光的情况下，显著提高温室的保温性能。
为了收集塑料薄膜内表面的冷凝水，试验温室在前屋面骨架基础内侧附加增设了一道用角钢做成的集水槽（图6）。从原理上讲，设置集水槽后，从塑料薄膜内表面滑落到骨架前沿基础表面的积水将全部收集到集水槽中，并通过集水槽收集到温室的两端或中间集水的位置，从而避免前屋面塑料薄膜内表面积水流淌到温室基础内表面，影响基础的结构和保温。但从实际运行情况看，集水槽中并没有形成可以流淌的水流，塑料薄膜表面大部分的积水还是滞留在骨架基础表面，从图6温室骨架在基础表面处发生锈蚀的情况看，集水槽设置并没有完全达到设计的目的。或许在基础表面做一个向集水槽的找坡，才可能有效避免基础表面的积水。此外，如果将该集水方法移植到温室后墙顶面，对后屋面保温性能较差的温室（图1a）可有效避免屋面积水对温室后墙的破坏。有兴趣的读者不妨一试。
在温室墙体储放热技术方面，试验温室摒弃了传统日光温室后墙被动储放热的理念，采用了后墙主动储放热的技术（图7）。在温室后墙上安装储放热板（该板是用框架将2层间距5~10mm的塑料薄膜密封，中间通水，上供下回，利用表面黑色塑料薄膜吸热，中间流水为载热工质），在温室中央的地下建设保温水池（池容10m3）。白天储放热板表面接受阳光加热板内工质，加热的工质依靠自重回流到保温水池，然后再用水泵将其提压到储放热板的上部进水口，往复循环，不断吸热提升工质温度；到了夜间，当室内温度降到设定温度后，打开水泵重复白天工质的循环模式，工质携带热量再通过储放热板重新释放到温室中，起到提升室内温度的作用。这种方法可以人为控制夜间放热的时间和放热量，也能部分地控制白天工质的蓄热时间和蓄热量（主要通过控制循环水泵的开启时间来实现），因此，是一种更主动、更有效的储放热方式。当遇到连阴天，工质从温室后墙上吸收的热量不足时，也可以对保温池的工质直接加热（有的地方采用了地源热泵技术加热工质），从而确保了温室需要的供暖负荷。从设计理念上讲，这种主动储放热的技术对温室作物的安全越冬具有更高的保障。但现场考察看到，这种先进的技术设备并没有开启运转，或许是最冷的冬季过去了，设备暂停使用，也或许是整套设备根本就没有使用，其中的原委不得而知。
在温室种植攀蔓作物用的吊蔓方式上，试验温室也进行了革新。传统的攀蔓作物其吊蔓线一般是直接吊挂在日光温室骨架上，或者通过一级吊线、二级吊线、三级吊线吊挂在温室骨架或后墙上，因此温室骨架需要额外承载作物荷载的重量，相应骨架的截面和用材量将会加大。试验温室采用了可转动钢管作为吊蔓线的支撑杆（相当于三级吊线），1垄作物的吊蔓线全部吊挂在1根钢管上，转动钢管可1次操作1垄作物的所有吊蔓线同时吊起或放下，大大提高吊放蔓操作的劳动效率（这种吊蔓、放蔓的原理笔者在《农业工程技术（温室园艺）》2015年第13期做过介绍）。从原理上讲，这是一种高效的生产设施。但现场考察发现，这套吊蔓系统并没有按照设计理念使用，而是把转动钢管直接当作三级吊线（杆）使用了，确实也有些浪费。
3.发展光伏农业温室，效果不佳
光伏温室是近年来国家发改委和国家能源局等部门为了促进绿色能源发展，提出的一种农业生产和光伏发电共生的技术模式。为此，国家投入了不少资金，也撬动了大量社会资本，在全国建设了许多不同类型的光伏温室。以日光温室为载体的光伏温室在内陆也有大量试验，有的将光伏板放置在日光温室的后屋面，有的将光伏板铺设在日光温室的前屋面，运行的效果也各有千秋。
阿克陶县现代农业开发区设施农业园也在紧跟政策和技术发展的潮流，建设了多栋试验示范光伏温室（图9）。从外形上看，是传统的一面坡玻璃温室。考虑到温室屋面要安装光伏板，因为光伏板重量大（相比塑料薄膜），对骨架的变形控制严格，所以，温室骨架采用了大截面桁架结构。与传统的日光温室相似，该试验光伏温室的后墙也采用了当地传统鹅卵石砌筑日光温室墙体，但后屋面采用了直立透光板（实际上是用透光覆盖材料提升了温室的后墙），完全取消了保温后屋面。
先期的试验温室采用玻璃做透光覆盖材料，没有覆盖光伏板，未来计划用部分光伏板替代玻璃，以实现光伏发电和温室生产双重的生产效益。但从目前试验温室运行的情况看，在加温条件下，室内种植的叶菜长势并不令人满意。温室没有前屋面外保温，后屋面也基本没有保温功能，温室只能作为春秋棚使用，越冬生产难度极大。
由于目前光伏发电的国家补贴越来越少，光伏发电的上网电价也在不断降低，尤其中国西部绿色发电（包括风力发电和太阳能发电）的电力难以长距离输送到东部用电负荷中心，南疆的发电主要靠就地消纳，可能会进一步降低光伏发电的效益。鉴于目前光伏发电的现状以及试验光伏温室的性能，建议停止此类光伏温室进一步建设，对已经建成的光伏温室，尽量利用温室的墙体，改造成为传统的日光温室（设置日光温室后屋面，并使后屋面的热阻达到设计要求），以确保农业生产的效益。
4.改进管理模式，确保温室稳定运行
目前园区已经建成的日光温室共有2000栋，按照规划，未来18.6万亩（1.24万hm2）戈壁滩上还要继续发展设施农业，温室生产的面积将会进一步扩大（水资源可能是制约当地日光温室大面积发展的瓶颈，目前地下水的埋深为43m，灌溉用水的机井取水深度为120m，在大面积开发戈壁前应请水利和环保等相关部门就开采地下水资源可能造成的生态问题进行评估），面对如此大规模的生产园区，如何高效运营管理就成了摆在管理者面前必须破解的问题。
目前的做法是政府投资建设，企业或个人承包运营。为了使建设的日光温室能够最大限度带动当地农牧民脱贫增收，开发区管委会从外地引进了一批懂技术、会管理的汉族农民，请他们来承包日光温室，并要求每户汉族农民帮扶带动5户维族农牧民，语言上相互交流，技术上“传帮带”，不仅融洽了民族关系、稳定了社会，而且带动了当地维族农牧民脱贫致富，收到了良好的效果。
开始运营阶段，园区管委会免费给种植户发放种苗，但通过实践证明这种做法致使农户不珍惜种苗、浪费严重，而且将生产中遇到的任何问题都归结到种苗身上，群众“等靠要”的思想严重。为此，园区管理者总结经验，所有种苗均按照0.2元/株价格销售，园区建设有智能化的连栋育苗温室（图10），统一育苗，在育苗之前，育苗企业深入每个种植户统计调研种植需求。园区培养了50名技术人员，分区负责技术指导和需求统计，每周汇报各区的生产情况，及时分析决策。销售种苗时，种植者可以将穴盘连同种苗一起带走，但每个穴盘押金5元，只要完好无损地将穴盘返回，退回押金，这一政策有效提高了穴盘的回收利用率，也相应降低了育苗的成本。目前园区内种植有17种蔬菜，冬季每天生产蔬菜约45~50t，夏季每天生产蔬菜约70t。由于目前在阿克陶县没有蔬菜批发市场，园区生产的蔬菜首先要运送到喀什市场销售，而当地消费的蔬菜又必须到喀什市场去批发，交易的成本较高。为此，开发区计划就地建设批发市场，在销售园区蔬菜的同时，也吸引周边生产的蔬菜来此交易，从而减少当地蔬菜消费的流通成本。
开发区目前还在计划建设互联网+智能化运营管理系统，希望通过农户手机端的APP与园区管委会的终端智能化管理系统联网，形成互动，达到农资供应、种植情况、市场商情以及技术指导互融互通，从而实现整个园区的有序稳定运行。
（作者单位：农业部规划设计研究院，农业部农业设施结构工程重点实验室）
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