【摘要】设施农业作为现代农业的重要组成部分，在推动农业现代化、保障国家粮食安全和推进乡村全面振兴方面发挥着关键作用。近年来，我国设施农业在养殖、种植和水产三大领域取得显著进展，但是在核心装备国产化、多因子协同调控模型及系统化数据积累等方面仍存在短板，面临管理模式滞后及产业协同性不强等问题。在政策扶持、技术进步和市场需求的多重作用下，我国设施农业将朝着智能化、协同化、低碳化方向发展，为推进乡村全面振兴和建设农业强国提供有力支撑。
【关键词】设施农业 设施种植 设施养殖 设施水产
【中图分类号】F327 【文献标识码】A
设施农业是推动农业现代化、保障国家粮食安全的关键力量
农业强国是社会主义现代化强国的根基。党的二十大报告指出：“树立大食物观，发展设施农业，构建多元化食物供给体系。”设施农业作为一种高效的现代农业生产方式，具有显著的生产优势和广阔的发展前景，是推动农业现代化、保障国家粮食安全的关键力量。发展设施农业，能够突破传统农业对自然条件的依赖，实现农业生产的可控性、高效性和可持续性，从而大幅提升农业综合生产能力。此外，还能促进农业提质增效、带动农民增收，对于推进乡村全面振兴具有重要意义。
设施农业是现代农业发展的重要标志，其发展水平体现了一个国家农业现代化的程度。设施农业最早于20世纪中叶在荷兰与以色列兴起，这两个国家率先在温室栽培、家禽养殖等领域开展技术研发与实践应用，在全球范围树立起行业典范。20世纪后期，我国开始逐步引入这些先进技术，并在此基础上积极开展技术消化、吸收及创新工作，持续探索契合我国农业发展需求的设施模式。起初，设施农业主要集中于温室种植和初步工厂化养殖。自20世纪60年代北京红星农场尝试工厂化养猪开始，设施农业逐渐受到重视。改革开放后，“菜篮子工程”启动，设施农业进一步拓展至蔬菜和畜禽养殖领域。进入新世纪以来，随着机械化、信息化和智能化技术的不断推广与应用，我国设施农业取得了巨大进步。
在设施农业的发展进程中，种植、养殖和水产三大板块各具特色且相互促进。设施种植方面，温室和大棚的应用极大改善了作物生长环境，实现果蔬、花卉等经济作物的全年连续生产。通过精准调控环境温度、湿度及光照等，不断提升作物产量和品质。设施养殖方面，以家畜规模化和标准化为切入点，逐步从传统散养模式转变为智能化、模块化养殖体系，提升了动物福利，有效降低了生产成本和疫病风险。水产养殖逐步从家庭式、小规模生产向企业化、规模化、集约化模式转变。2022年5月，全球首艘10万吨级智慧渔业大型养殖工船“国信1号”交付运营，标志着我国设施养殖技术实现了从理论到实践的重大突破。
我国设施农业的发展离不开政府的高度重视，多项政策陆续出台，为设施农业发展提供坚实的制度保障。近年来，中央文件多次强调发展设施农业的重要意义，明确要求按照因地制宜的原则推广塑料大棚、日光温室、连栋温室等设施，并大力支持水肥一体化、环境控制智能化等关键技术的研发和应用。从《现代设施畜牧建设专项实施方案（2023—2030年）》将设施农业发展提升到国家战略高度，到《全国现代设施农业建设规划（2023—2030年）》明确设施农业未来的发展方向，再到《全国智慧农业行动计划（2024—2028年）》指出要以智能装备提升农业生产效率，政策的持续加码推动农业由传统粗放型向高效、绿色、智能型转变。
我国设施农业的发展离不开科技创新的持续驱动，以信息化、智能化为核心的智慧农业模式让农业生产从过去的“看天吃饭”逐渐转变为如今的“知天而耕”。借助物联网、大数据、人工智能等现代信息技术，农业生产全过程实现精准调控和智能管理，为不同区域的设施农业提供定制化解决方案。从数字温室、智能水肥一体化系统到精准种植管理平台，信息技术正以革命性变革推动农业朝着绿色循环、低碳环保和高效生产的方向发展，助力农业现代化迈向新高度。与此同时，关键设备和基础设施建设的不断升级，全面提升自动化与机械化水平，在保障生产效率的同时，为劳动力转型和农业转移人口市民化创造有利条件，促进城乡要素的高效流动与配置。当前，我国设施农业正处于从数量扩张向质量提升转变的关键时期。在政策扶持、技术进步和市场需求的多重作用下，我国设施农业有望进一步发展成为绿色、智能、高效的农业生产体系，为加快建设农业强国奠定坚实基础。
我国设施农业发展取得重要进展
近年来，随着我国科技的不断进步，人工智能、物联网、大数据等新兴技术在设施农业中的广泛应用取得显著成效，智能化技术的应用能够有效提升生产效率，降低资源浪费，促进农业可持续发展。当前，智能化技术正在推动农业生产方式的根本性变革，尤其是在智能养殖、智能种植和智能水产等多个领域的创新应用，展现出巨大的发展潜力。
新技术在设施种养殖业的全面应用。一是养殖业的数字化升级。以生猪养殖为例，通过引入智能感知与精准监测技术，实现从种猪选育、仔猪管理到商品猪出栏的全流程数字化管理，显著提升了生产效率和动物福利水平。智能系统通过多维度数据采集与分析，能够精确跟踪猪只的健康状况与成长过程，并实时监控环境变化。在异常状态监测方面，智能化系统通过结合接触式与非接触式传感器，可以实时采集生猪体温、运动量等生理数据，并通过红外热成像与行为分析技术监控猪群的健康状况，实现全天候的异常状态监测，提前识别潜在疾病，有效降低疾病扩散和养殖损失。智能化系统对养殖数据的精准采集与智能分析使得养殖业实现从人工管理向数字化、精准化、智能化的全面转型，推动我国养殖业朝着更高效、更可持续的方向发展。
二是种植业的智能化进步。传统种植业生产模式面临环境控制的不稳定、资源浪费、生产效率低等问题。近年来，我国科研人员通过技术攻关，突破了多项关键技术，推动了设施种植的智能化升级。低功耗、低成本的小型化农业传感器的广泛应用，使对土壤、气象、设备工况等多个变量的实时监控成为可能；借助无线传感网络，光照、温度、湿度、气体浓度等重要环境参数得以实现高效采集与精准传输，为设施生产的精准调控提供了科学依据。此外，智能感知技术还在表型参数的感知方面取得了突破。通过自主研发的巡检机器人搭载高分辨率相机、三维激光扫描仪、红外热成像相机等设备，成功克服了由于环境复杂性带来的数据缺失、遮挡和混淆等问题，实现了作物全生长周期中的株高、茎直径、叶面积等生长参数的精准提取，为植物生长调控模型提供了数据支撑。多源数据分析的持续优化显著提高了设施农业的智能化水平，为绿色农业的发展提供了强大的技术支撑。
三是水产养殖的智能化改造。我国水产养殖业长期面临环境复杂、资源利用低效等问题。近年来，我国水产养殖业在智能化设施改造与技术创新方面取得了突破，工船养殖模式的创制构建了安全高效的深远海工业化养殖生产体系。新一代大型养殖工船集成了水下立体测量、数据分析、智能决策与智能控制等先进模型算法，成功攻克了增氧、投喂、换水等多个关键环节的耦合调控技术，提升了水产养殖的单位产出效率与环境适应性。在工厂化养殖方面，工厂化鱼菜共生系统因生长周期异步和多参数耦合难度大，面临着氮转化吸收利用率较低等产业发展瓶颈。对此，我国科研人员研发了鱼类氮胁迫指示器，结合三维空间行为学信息与水质数据，构建了鱼类运动特征参数和氮素浓度的多因子耦合模型，实现了养殖水体氮胁迫快速响应与预警，系统精度超过92%，为高效水产养殖提供了有力保障，促进了我国鱼菜共生产业发展。
新成果在设施种养殖业的全面创新。一是智能精准饲喂与环境调控技术的优化。例如，在生猪养殖中，饲料成本占总成本的60%左右，如何提高饲料利用率并降低成本是亟待解决的难题。智能精准饲喂技术通过数字化调控网络，为养殖场提供基于猪只生长阶段和体况的实时饲料调整策略，使得养殖场能够避免浪费，确保猪只健康成长。环境控制技术的不断进步，可以将养殖环境的管理提升到全过程的精细化管理。分布式传感器网络实时监测环境中的温湿度、氨气浓度等参数，系统能够根据数据自动调节通风、温控与净化设备，从而保持猪舍舒适度并降低呼吸道疾病的风险。在极端气候条件下，系统能够自动启动风机、湿帘或喷雾装置，以保证猪只的舒适度，并平衡能耗。
二是智能决策与精准调控模型的创新。智能决策模型的发展，促使环境、水肥与能耗调控更为精准。通过“数据—机理—经验”耦合的设施作物生长调控模型，科研团队成功破解了智能决策中“智慧大脑”缺失的问题。该模型综合考虑温度、光照、水分、气体及肥料等多种因素对作物生长的协同影响，建立精确预测模型，提升光合速率等指标的预测精度。此外，针对水肥调控，研发动态数学解析与修正算法，优化水肥灌溉的决策，解决传统灌溉过程中水分流失与偏差问题，为精准管理提供理论依据。在环境调控方面，科研团队通过对作物的光合速率和茎直径等变化的分析，深入探讨环境因子与作物微变化之间的关系，为精准调控提供了科学依据。
三是鱼类生长与行为精准测量及跟踪技术的创新。在水产养殖领域，传统的鱼类生长与行为测量依赖人工干预，不仅周期长且精度有限。为此，科研人员利用计算机视觉技术，突破了小目标跨域识别和无损计数的技术瓶颈，开发了水下无接触精准测量技术。这一技术能够实时、无干扰地在水下环境中测量鱼类的体长、体重等指标，极大提升了测量精度，并为养殖管理提供科学数据支持。与此同时，科研团队创新研发了水下多鱼类目标行为连续跟踪技术，突破了复杂水下环境中的技术瓶颈。通过优化目标检测与跟踪算法，结合对抗训练机制，提升鱼类行为连续跟踪的精度，为养殖效益的提升提供强有力的技术支持。
新模式在设施种养殖业的全面发展。一是数字孪生与智慧化管理的全面应用。随着智能技术的不断进步，农业管理模式正经历深刻变革。数字孪生技术的应用，能够让养殖企业精确掌握各类数据并进行实时调整，提升养殖效率、减少风险，并实现养殖过程的精细化管理。未来，智慧牧场将进一步拓展产业链条，从选种、育种到市场销售形成闭环生态系统，提升生产效率并促进可持续发展。
二是精准投喂与环境调控技术的全面集成。精准投喂技术是提升水产养殖效率、促进鱼类健康生长的重要手段。科研团队为深远海和工厂化设施养殖开发了仿真养殖系统，结合低纬声学特征的摄食行为识别技术和光流场能量累积模型，构建了精准投喂闭环控制模型。该模型能够实时监控鱼类的摄食行为，并根据鱼类生长情况精确调整饲料投放量，从而提高饲料利用率并减少浪费。同时，科研人员对环境调控模型进行深入研究，涵盖水质管理、流速调控等方面，为水产养殖提供稳定的水质和良好的环境条件。精准投喂与环境调控技术的集成应用，不仅提升了养殖的自动化和精准化水平，而且推动了行业现代化建设，为水产养殖的可持续发展提供了有力的技术保障。
三是设施农业组态平台集成与应用。为降低设施农牧渔业管控系统的开发成本，提高模型普适性水平，科研团队提出基于工业组态的设施农牧渔业公共组态平台开发，实现0代码、超快速管控系统部署及模型的嵌入式应用，以及从“经验驱动”到“数据决策”的模型智能决策应用。农业组态技术作为现代农业智能化转型的核心工具，其意义体现在对传统生产模式的系统性革新，通过模型数据驱动决策，构建全要素联动机制。组态系统通过设施农业生产模型库，将农艺知识转化为可复制的数字化模板。组态技术通过0代码操作界面，使普通农民经过简单培训即可完成复杂环境调控软件搭建，将设施管控模型嵌入到应用，实现生产过程的智能化管控。设施农业组态平台可实现一屏掌控“耕、种、管、收”的快速0代码开发与智能化应用。
设施农业发展面临的挑战与对策
尽管我国在设施农业领域取得了显著进展，但在核心技术、管理模式及体制机制方面仍面临一些挑战。
设施养殖方面，我国在饲料转化率等核心生产指标上与农业发达国家相比还存在一定差距。这反映出种质资源利用率、饲料资源利用率、劳动效率以及数字化管理水平上的不足。在技术层面，我国虽已实现了环境控制设备（如风机等）的国产化，但核心控制模块仍依赖进口。这不仅增加了生产成本，更制约了自主创新能力的提升。现有的环境调控模型多基于单因素设计，未能充分考虑多种环境参数的综合影响，养殖机器人和智能化管理系统的智能化水平有限，难以支撑无人化养殖管理体系建设。
设施种植方面，我国是全球设施农业面积最大的国家，但在生产效能和技术水平方面，与荷兰、日本、以色列等设施农业强国相比仍存在一定差距。在基础设施方面，我国仍以塑料大棚等中小型温室为主，大型连栋温室等高土地利用效率、低能耗、高水平机械化智能化的设施占比较低。在关键技术研发方面，我国尚未建立成熟的设施果蔬生长发育规律机理过程模型，基础研究相对薄弱。在数据积累与智能调控方面，相较荷兰、以色列等国家长达40多年的生产数据积累，我国存在系统性的生产数据缺失问题，导致数据驱动的智能调控算法发展相对滞后。
设施渔业方面，我国在模型算法与养殖装备的系统集成方面仍面临挑战。当前模型算法的研发多基于理论假设和单一环境参数，未能充分结合实际养殖装备的技术特性及复杂多变的生产环境条件。具体表现为：在表型测量中，现有模型算法对动态光照、水质波动及鱼群行为等复杂场景的适应性不足；在养殖投喂中，投喂系列模型算法与装备的集成度较低，导致系统的稳定性和兼容性欠佳。此外，我国设施渔业的系统化模型算法研究仍显薄弱，虽已初步开发了涵盖表型测量、投喂管理及环境控制等环节的系列算法，但各技术模块间缺乏深度融合，多源数据的协同挖掘不足，“信息孤岛”现象较为突出，制约了整体系统的智能化水平提升。
管理模式方面，当前智能装备的购置和维护成本较高、整体信息化管理水平偏低，生产过程中大量环节仍依赖人工操作，效率低下且易产生操作误差。更值得关注的是，行业缺乏统一的建设标准和管理规范，各地养殖场在设施配置、运营流程等方面存在显著差异，制约产业的规模化和标准化发展进程。此外，产业链上下游信息机制不健全，生产、加工、销售等环节之间存在明显的信息壁垒。这不仅造成资源配置效率低下，而且加剧市场供需波动，影响产业的稳定发展。这些问题反映出我国设施农业在管理现代化和产业协同方面仍有较大提升空间。
为应对当前设施农业发展面临的挑战，亟需系统构建跨领域协同创新的设施农业发展体系。应融合农业、生物、机械、电子、控制、计算机等多领域的科技力量，组建创新联盟、创新联合体等产业创新平台，重点突破关键核心技术的自主研发。在体制机制创新方面，应进一步完善政产学研用合作机制，通过政策引导和资金支持，打通从科研攻关到产业推广的完整链条。重视示范基地建设和人才培养，通过建立智慧生产示范基地，开展多层次的技术培训和实践交流，切实提升从业者的智能化管控体系。在技术创新路径方面，应采取科教单位生产研发、企业实际应用验证的协同模式，整合数据采集、智能装备、数字平台等关键要素，构建覆盖生产全过程的智能化管控体系。同时，应加快构建标准化生产体系，推动规模化发展，通过政策扶持、技术创新和人才培养等多维度协同推进，加强政产学研用聚力协同，全面提升设施农业的产业竞争力、资源利用效率和绿色发展水平，为智能化技术应用提供全方位的制度保障。
当前，我国设施农业正处于转型关键期，其发展呈现技术深度化、产业链协同化、绿色低碳化、主体多元化等显著特征。随着AI、物联网等新一代信息技术的深度应用，传统依赖经验的农业生产模式正向数据驱动的智能化方向转变。通过建立多源数据实时采集分析系统，可以实现对农业生产全过程的精准监测与智能调控，显著提升资源利用效率和管理精细化水平。当前亟需突破五大关键技术领域：高效综合防控与净化技术、复杂环境适应性装备技术、低能耗智能管控技术、精准水肥环境调控系统以及全生命周期精准智能管控技术。这些关键技术的突破，能够有效解决设施农业面临的环境适应性差、管理粗放、能耗高等问题，推动实现产量与品质的双提升，为设施农业高质量发展提供坚实的技术支撑。
总体而言，设施农业的发展历程充分彰显了我国农业技术自强不息的精神品格。从最初对国外技术的引进模仿，到如今部分装备实现自主创新，设施农业正逐步成为现代农业高质量发展的重要支柱和保障国家粮食安全的重要手段。随着智慧农业、绿色循环农业和数字技术的深度融合，设施农业在保持稳健增长的同时，以更加集约、智能、环保的模式继续引领农业转型升级，为推进乡村全面振兴和建设农业强国提供源源不断的动力
【注：本文系农业农村部资助项目阶段性研究成果】
【参考文献】
①何勇等：《智慧农业》，北京：科学出版社，2023年。
②刘羽飞、何勇、刘飞等：《农业传感器技术在我国的应用和市场：现状与未来展望》，《浙江大学学报（农业与生命科学版）》，2023年第3期。
责编/银冰瑶 美编/杨玲玲
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