设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控 pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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刘文科，杜连凤，傅国海著

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无土栽培
设施蔬菜
根区调控
冠层调控
蔬菜栽培
现代农业
植物生理
营养液
环境控制
高效农业

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出版社：中国农业科学技术出版社

ISBN：9787511632043

版次：1

商品编码：12236712

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-07-01

用纸：胶版纸

页数：290

字数：316000

正文语种：中文

具体描述

内容简介

　　《设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控》共九章，即靠前章设施园艺产业与技术装备发展概述：第二章设施蔬菜土壤栽培资源环境品质问题；第三章设施园艺无土栽培技术装备发展概述：第四章日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法构建：第五章日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法蓄热保温机理研究：第六章设施蔬菜起垄内嵌式基质栽培根区冠层调控研究；第七章设施作物根区冠层调控的生理机制；第八章太阳光植物工厂无土栽培及根区冠层调控：第九章人工光植物工厂无土栽培及根区冠层调控。《设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控》适于大专院校植物营养学、土壤学、农业生物环境工程、设施园艺科学与工程、园艺设施学、照明工程等专业的本科生、研究生和教师以及广大农业科技工作者、农业企业界人士阅读参考。

作者简介

　　刘文科，男，1974年生，河北省孟村县人，中共党员、博士、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员、博士生导师。现任中国照明学会电光源专委会农业照明委员会（ALS）秘书长兼副理事长、农业照明技术创新与应用战略联盟（CAAL）秘书长、靠前园艺学会会员、中国照明学会光生物光化学专业委员会委员、国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）应用推广工作委员会农业与生物照明工作组和工业建筑照明工作组专家委员、CSA十年贡献奖专家、中国科协285次青年科学家论坛暨光生物光化学应用研究论坛执行、研究生院很好硕士论文导师、所学位委员会委员；任《照明工程学报》和《农业工程》特邀审稿专家、中国博士后科学基金评审专家、教育部学位与研究生教育发展中心抽检学位论文评议专家、北京市科委评审专家库专家、国家靠前科技合作专项评审专家、中华农业科技奖评审专家。于2004年在中国农业大学获得博士学位，2005年日本JIRCAS进修，2012年日本蔬菜茶叶研究所进修。2013年1月任研究员，2014年任博士生导师。现为科技部重点领域创新团队“农业生物环境科学与工程创新团队”骨干、中国农业科学院创新工程“设施植物环境工程”创新团队骨干。

精彩书摘

1设施园艺产业与技术装备发展概述〖MZ(1H〗1设施园艺产业与技术装备发展概述摘要：设施园艺产业在我国农业生产中占有极其重要的地位，在园艺作物（蔬菜、花卉、果树）、中药材、食用菌等农业生物生产与农产品有效供给中发挥着重要作用，对改善农业生产条件，提高了农业发展质量和效益，推进城乡统筹发展的进程具有十分重大的意义。设施园艺是技术装备密集型产业，其发展水平与多个领域的技术、装备和材料发展水平密切相关。我国设施园艺规模化发展始于20世纪80年代，伴随设施材料与结构、环控设施、栽培设施的进步而不断发展，已发展出塑料大棚、日光温室、连栋温室和植物工厂四类主体园艺设施，应运而生的配套技术装备体系。设施生产面积以每年10%以上的速度在增长，形成了不同区域各具特色的设施类型、生产模式和技术体系，业已成为我国许多区域的农业支柱产业。本章介绍了设施农业、设施园艺等基本概念，总结了设施园艺产业及其技术装备发展现状、存在问题及解决对策，重点强调了国内外园艺设施材料与结构、环控技术装备、栽培技术装备发展进展，针对性提出了发展思路。

〖MZ(2H〗1��1引言

蔬菜是人们日常饮食中必不可少的食物之一，可提供人体所必需的多种维生素和矿物质等营养物质。据联合国粮农组织统计，人体必需的维生素Ｃ的90%，维生素Ａ的60%来自蔬菜。此外，蔬菜中含有多种人体活动不可缺少的营养物质，营养价值较高。比如，类黄酮、酚酸、花青素等抗氧化物质可有效地预防多种疾病。绿色蔬菜中富含β－胡萝卜素，人体内每分子β－胡萝卜素可分解为两分子维生素A。叶菜类蔬菜深受我国消费者喜爱，我国是叶菜类蔬菜生产种类和品种最为丰富的国家，叶菜类蔬菜约占蔬菜生产的1/3。不同叶菜类蔬菜的种植方式有所不同，主要分为大田露地种植、保护地种植和植物工厂三大类。设施园艺生产对象为蔬菜、果树、花卉等。从栽培上，以农业生物学分类法较为适宜。蔬菜可分为根菜类、白菜类、甘草类、芥菜类、绿叶菜类、葱蒜类、茄果类、瓜类、豆类、薯芋类、水生蔬菜、多年生蔬菜、食用蓖类。按食品器官分为根菜类、茎菜类、叶菜类、花菜类和果菜类5种。

设施农业与露地农业构成当前世界农业生产的两种基本模式，在保障国家粮食安全和农产品有效供给中发挥着各自的功能。设施农业是用一定设施和工程技术手段改变自然环境，在人工可控的情况下，按照动植物生长发育要求创造最佳环境（光照、温度、湿度、营养等），以最少的资源投入进行生产的现代农业。它可实现常年化均衡生产，产量高、品质好、生产周期短，效率和效益是传统露地农业的几倍甚至几十倍。设施农业是现代生物技术与工程技术的集成，涵盖了建筑、材料、机械、自动控制、环境、品种、栽培、管理、经营等多个学科和领域，因而其发达程度也就成为衡量一个国家和地区农业现代化水平的重要标志之一。设施农业是人类摆脱自然气候条件局限，克服季节局限，实施可控农业生产的技术进步表现，是科技驾驭自然条件为人类服务的途径。设施农业作为资源高效利用型产业，不但可以充分利用自然资源实现周年均衡生产，而且还可实现在盐碱地、岛屿、家庭阳台等非可耕地上进行生产，大幅度地提高土地资源、水资源和光热资源利用率。

设施农业是综合应用工程装备技术、生物技术和环境技术，创造动植物生长发育的适宜环境，实现动植物生产的现代农业生产方式。发展以设施蔬菜为代表的设施农业是实现传统农业向现代农业生产方式转变，建设新型现代农业的重要内容；是调整农业结构、实现农民增收和农业增效的有效方式；是提高土地利用率，建设资源节约型、环境友好型农业的重要途径；是增加农产品有效供给、保障食物安全和社会稳定的有力措施；也是促进农民就业，缓解农业人口压力的有效措施。我国人多地少，资源短缺，发展设施农业尤为必要，尤其应大力发展技术密集型高效设施农业，提高土地利用效率。

〖MZ(2H〗1��2设施农业与设施园艺的概念

1��2��1设施农业概念

一般而言，利用动物植物等生物的生长发育规律，通过人工培育来获得产品的各部门，统称为农业。农业属于第一产业，研究农业的科学是农学。农业的劳动对象是有生命的动植物和微生物，获得的产品是动植物和微生物本身。农业是支撑国民经济建设与发展的基础。广义农业是指包括种植业、林业、畜牧业、渔业、副业五种产业形式，狭义的农业是指种植业。种植业是指生产粮食作物、经济作物、饲料作物和绿肥等农作物的生产活动。设施农业，是在环境相对可控条件下，采用工程技术手段，进行动植物高效生产的一种现代农业方式。设施农业涵盖设施种植、设施养殖和设施食用菌等。在国际的专业术语称谓上，欧洲、日本等通常使用设施农业（Protected Agriculture）这一概念，美国等通常使用可控环境农业（Controlled Environmental Agriculture）。我国设施农业已经成为世界上最大面积利用太阳能的工程，绝对数量优势使我国设施农业进入了由量变到质变转化期，技术水平越来越接近世界先进水平。我国人均耕地面积仅有世界人均面积的40%，发展设施农业是解决我国人多地少制约可持续发展问题的最有效技术工程。一般而言，设施农业指设施种植业，即设施园艺产业。

1��2��2设施园艺概念

设施园艺是指在露地不适于园艺作物生长的季节（寒冷或炎热）或地区，利用特定的设施（连栋温室、日光温室、塑料大棚、小拱棚和养殖棚），人为创造适于作物生长的环境，以生产优质、高产、稳产的蔬菜、花卉、水果等园艺产品的一种环境可控制农业。设施园艺是指在各种设施内进行园艺作物生产的方式，通过设施及环境调控，并充分利用设施空间和光、热、土等自然资源，使园艺作物处于最佳生长状态，以获取优质、高产和高效益的集约化生产方式；是集生物工程、农业工程和环境工程于一体的跨学科、多领域的系统工程；也是我国当前设施农业的主要形式。设施园艺是一种劳动和技术密集型的集约化生产方式（余朝阁等，2012）。

设施园艺涵盖了建筑、材料、机械、自动控制、品种、栽培、管理等多种学科和多种系统，因而科技含量高，为技术密集型产业，所以设施园艺的发达程度，往往是一个国家或地区农业现代化水平的重要标志之一。设施园艺所涉及的工程科学主要是要求掌握各种园艺设施类型的分类、结构特点，在此基础上如何对各种设施类型进行优化设计，以创造良好的设施环境条件，满足园艺植物设施栽培的各种需求，为作物提供最优的生育空间。这就需要有科学合理的总体规划设计，设施选型和结构优化设计及环境调控设计（如采暖、保温、降温、加湿与降湿，灌溉与施肥，通风换气，采光与遮光，CO2气体施肥等），建筑材料的选择和计算，建造施工技术要有机地结合与统一，统筹考虑。

1��2��3园艺作物与蔬菜价值

作物分为农作物和园艺作物，前者包括粮食作物、经济作物和饲料及绿肥作物，后者包括果树、花卉和蔬菜。蔬菜是可供佐餐的草本植物总称，有些木本植物的嫩茎、嫩芽，部分真菌和藻类植物也可作为蔬菜食用。实际上，蔬菜和农作物之间并不存在严格的区别，从利用角度讲有些蔬菜可作为粮食食用，有些农作物可作为蔬菜食用。另外，西甜瓜和草莓等水果属于草本植物，也属于蔬菜。我国栽培的蔬菜有100多种，其中普遍栽培的蔬菜只有50～60种（陈贵林，1997）。

人类的食物分为动物性食物和植物性食物。动物性食品包括肉类、乳类和蛋品，为人体蛋白质和脂肪的主要来源，植物性食品包括粮食、蔬菜和水果等。粮食提供人体热能，蔬菜提供维生素、矿物质、纤维素、芳香族物质和热能等，蔬菜在维持酸碱平衡，维持人体健康方面起着十分重要的作用。作为碱性食物，蔬菜可提供有机酸盐，进入人体后进行分解代谢，有机酸根结合氢离子形成柠檬酸、苹果酸、乳酸等。这些酸在体内可作为代谢的中间物被继续氧化成二氧化碳和水排出体外或者在肝内合成糖原储存起来，其结果都会使血液中氢离子浓度降低，而原来与有机酸结合的钾钠离子则与碳酸氢根结合，从而增加血液的碱性。在营养学上，一般将食品分成酸性食品和碱性食品两大类。食品的酸碱性与其本身的pH值无关，味道呈酸性的食品不一定是酸性食品，主要是食品经过消化、吸收、代谢后，最后在人体内变成是酸性或碱性的物质来界定。产生酸性物质的称为酸性食品，如动物的内脏、肌肉，植物的种子如五谷类。产生碱性物质的称为碱性食品，如蔬菜瓜豆类，茶类等。

〖MZ(2H〗1��3设施园艺生产体系构成

1��3��1园艺设施

“十一五”期间，我国政府加大了对设施农业发展的重视程度和投入力度，中央十七届五中全会明确提出“加快发展设施农业和农产品加工业、流通业，促进农业生产经营专业化、标准化、规模化、集约化”。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》明确指出了“积极发展工厂化农业，提高农业劳动生产率”的发展方向。农业部也在2008年发布了《关于促进设施农业发展的意见》。设施生产面积以每年10%以上的速度在增长，形成了不同区域特色的设施类型、生产模式和技术体系。综合技术将使设施农业产量整体达到露天种植的5倍。2004—2017年连续14年发布以“三农”为主题的中央一号文件，强调了“三农”问题，在中国的社会主义现代化时期“重中之重”的地位将发展现代农业，保障国家粮食安全，保障农产品有效供给当作国家的长期发展战略，提质增效，实施供给侧结构性改革。

由于设施园艺生产的先进性和高效性，自20世纪80年代以来我国设施园艺发展迅猛，在解决蔬菜周年均衡供给方面发挥了巨大作用。设施园艺按设施类别一般分为人工光植物工厂、太阳光植物工厂、连栋温室、日光温室、塑料大棚、小拱棚（遮阳棚），设施的类型、材料、结构与设施成本、性能、环境可控程度、温度缓冲能力直接相关。其中，人工光植物工厂为封闭式生产系统，太阳光植物工厂和连栋温室属于半封闭式生产系统，日光温室、塑料大棚、小拱棚（遮阳棚）等属于密闭性较差的半开放式生产系统，密闭程度更低。封闭式生产系统具有资源利用最大化、优质产品稳产最大化、环境污染物质及残留物零排放和排热最小化的特征。截至2015年年底，我国设施园艺面积已达410��9万hm2，(中国农业机械化协会设施农业分会，2015)。但有关设施面积地域分布与设施类型分布以郭世荣等(2013)总结较为全面。郭世荣等（2012）指出2010年全国设施蔬菜面积344��33万hm2，其中小拱棚128��67万hm2，大中棚134万hm2，节能日光温室66��67万hm2，普通日光温室11��67万hm2，加温温室1��97万hm2，连栋温室1��36万hm2。我国设施园艺产业主要集中在环渤海湾及黄淮地区，约占全国总面积的60%，其次是长江中下游地区，约占全国20%；第三是西北地区，约占全国7%。2010年主要集中在山东省、辽宁省、江苏省、河北省、浙江省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区和上海市。近些年，新疆维吾尔自治区、北京市、天津市、甘肃省、山西省、陕西省、河南省等地设施面积也在快速增加。设施蔬菜种植占94��8%，设施花卉占2��5%，设施果树2��6%。国际上塑料农膜占整个覆盖面的97%，我国占到98%，其他为玻璃和PC板覆盖。从设施园艺各种类型比较来看，植物工厂投资成本最高，玻璃、PC板连栋温室成本较高，投入也较大，塑料连栋温室、日光温室、温室大棚次之，小拱棚和遮阳棚投资最少。人工光植物工厂投资成本为6 000～10 000元/m2，玻璃温室的投资成本在600～800元/m2，PC板温室的造价在700～1 000元/m2。温室主体加上周边道路、加温等配套设施造价在1 000元/m2左右，塑料连栋温室以钢架结构的为主，造价在60～100元/m2；日光温室按建筑材料不同，造价在40～150元/m2不等。竹木大棚的材料及工本费在10元/m2左右；钢管大棚，设备投资成本高，造价25元/m2左右。因此，世界上聚烯烃温室大棚膜覆盖设施园艺占总面积的97%，我国更高达98%，其他为玻璃和PC板。聚烯烃膜在日光温室和连栋温室仅占总成本的1/20左右，却起到最关键的作用。成本最高依次为骨架、保温墙、保温被等。

我国的设施园艺经过30多年的发展，基本形成了各具区域特色的设施类型、生产模式和技术体系。从设施类型上看，小拱棚约占40%、大中棚约占40%、日光温室约占20%、连栋温室在0��5%以下。从产地分布看，环渤海湾及黄淮地区仍是我国设施蔬菜的最大产地，约占全国面积的55%～60%，山东省、河北省和辽宁省发展尤为迅速。该区域主要充分利用其充足的光能资源发展节能日光温室，实现了冬春果菜的无加温生产。其中，山东省的设施蔬菜产值已经达到全省种植业总产值的近一半左右。在长江中下游地区，主要通过发展塑料大棚等设施，实现果菜、根菜、叶菜、水生蔬菜等多样化蔬菜的周年生产，面积约占全国的18%～2l%；而在西北地区，近年来积极发展以平地和山地日光温室以及非耕地无土栽培为代表的设施蔬菜生产，面积发展迅速，约占全国的8%，其他地区则由于气候等原因（如华南地区），发展相对较为缓慢，约占15%。

“十一五”期间，针对目前我国能源短缺、设施装备落后、智能化控制程度较低、关键设备受制于国外的局面，通过多学科合作研究和产学研联合攻关，在现代温室生产技术引进和消化、日光温室改进、设施内部作业机具研发和环境控制等领域取得了显著进展。孙周平等(2013)提出了彩钢板保温装配式节能日光温室,该型日光温室为半圆弧形钢结构，温室净跨度12m（外跨度12��5m），脊高5��5m，净长度65m（外长度66m），屋面采光角41��5°，后坡水平投影长1��6m，净面积780m2，以0��1mm 厚的聚烯烃膜（PO）为透明覆盖材料；设计风荷载0��55kN/m2，雪荷载0��45kN/m2；温室栽培空间大，适宜蔬菜和食用菌立体栽培，以及乔木果树栽培和养殖。温室保温覆盖整体由岩棉彩钢板构成。温室蓄热体主要采用水循环系统，水循环系统由水池、水泵、输水管道、采光板、回水管道和控制器等组成。新型彩钢板保温装配式节能日光温室采取半圆弧形钢骨架结构，采用工业和民用建筑上常用的岩棉彩钢板作为半圆弧形坡面和东西两侧山墙的保温围护结构，由于温室顶部的岩棉彩钢板保温覆盖件可以在温室骨架上的滑道中实现精准运行，不仅便于实现日光温室的自动化控制，而且，晚上能够在温室四周形成一个整体的岩棉彩钢板覆盖的保温围护结构，可显著增强温室的密封性能和保温性能，有效解决传统日光温室保温被外置带来的防雨、防雪、防风和防火等能力差，以及保温效果不佳问题。同时，东西两侧岩棉彩钢板保温山墙还可以分别在上午、下午打开，解决了墙体日光温室的东西山墙遮光问题，并提高了温室的土地利用效率。另外，试验温室的结构件可实现工厂化生产、温室建造可进行标准化装配，解决了传统日光温室建造对土地和耕地的破坏，对保护土地资源和农业生态环境具有重要意义。

1��3��2栽培设施

节能日光温室的热量主要来自太阳辐射，为温室调控温度和光照条件，因此温室前屋面的角度和形状是决定太阳光进入温室多少的关键。除适宜的环境调控能力外，在光温适控的设施里蔬菜高产、稳产的基础是栽培技术。蔬菜栽培是一门综合性应用科学，属于园艺学的一个分支学科，主要任务是研究蔬菜作物的生长发育和产品形成规律及其与环境条件的相互作用关系，探讨蔬菜持续高产、优质、高效的栽培理论和定植栽培技术措施。蔬菜生长发育需要有适宜的综合环境条件，在蔬菜栽培系统中，环境包括自然环境和设施环境，环境因素又细分为气候因素、土壤因素和生物因素。蔬菜栽培吸收和运用了植物学、植物生理学、生态学、土壤学、肥料学、气象学、农业建筑学和植物营养学等多学科研究成果，服务于蔬菜—环境—设施构成的设施蔬菜栽培系统。蔬菜生产包括露地栽培和设施栽培两种方式。露地栽培时指在裸露于自然气候条件下的地块上的蔬菜栽培生产。设施栽培是指在露地不适宜蔬菜生长发育的寒冷季节或炎热季节，利用防寒、防热或其他保护设施，人为地创造适宜蔬菜生长发育的小气候条件进行蔬菜栽培生产。

蔬菜—环境—农艺措施三者之间相联系，共同构成了农田蔬菜栽培系统。在此系统中，环境包括自然环境和设施环境，环境因素又细分为气候因素（光温等）、土壤因素和生物因素。从栽培过程来看，分为育苗、移栽定植和生产阶段。全国各地育苗设施逐步完善，北方主要推广应用日光温室穴盘育苗，而在南方主要研究推广电热加温穴盘育苗，逐步从传统的家庭育苗走向集约化工厂化育苗，其中工厂化育苗在山东省等地已经达到了20%左右的水平，涌现出多家年产2 000万以上成苗的企业。在育苗基质上，各地根据其材料来源情况，研发了以玉米秸、麦秆、醋糟、草炭、蛭石等不同比例的混合基质来替代传统育苗基质，形成适合各地的规模化和商品化生产模式。

蔬菜移栽定植生产需投入包括土地、光能、水分和养分等在内的资源，并投入电能，因此资源能源利用率、生物产量效应及环境效应均很重要。我国西部区域充足的光能资源和非耕地资源，通过发展以农作物秸秆和沙地等为栽培基质，配合使用有机和无机肥料来进行主要设施蔬菜的生产，实现了非耕地的有效利用（李建明等，2006）。水分和养分方面，传统的灌水和施肥模式存在利用率低的问题，主要养分利用率仅为10%～30%。为此，近年来开发了膜下滴灌、膜下渗灌等微灌技术，滴灌结合施肥，可减少肥料淋溶损失，同时肥料利用率可提高1倍（姬景红等，2009）。黄绍文等（2011）对我国主要菜区土壤盐分、酸碱性和土壤肥力的调查结果显示，我国设施土壤普遍存在盐渍化加重、有机质含量低、硝态氮和速效磷积累等问题。其中硝态氮肥的大量施用使得设施蔬菜，尤其是叶菜类蔬菜容易富集硝酸盐和亚硝酸盐，严重影响蔬菜的安全和品质。

1��3��3环控设施

温室光热环境是最主要的设施环境。设施结构本身具有一定的采光和蓄热保温能力，尤其是日光温室和人工光植物工厂。日光温室的墙体及后坡是影响日光温室温度性能的关键部位之一。热通量是衡量墙体及后坡蓄热保温性能的重要指标，它可以表征温室内部通过墙体或后坡与外部进行热交换的状况，以及蓄热、放热状态。北方日光温室北墙和后坡热通量在时间变化上所遵守的周期规律，即正弦曲线的周期和曲线弧度。日光温室北墙和后坡热通量日变化，作物明显影响了日光温室北墙和后坡热通量日变化的谐波成分和相应周（张昆等，2012）。日光温室内有无作物，墙体热通量日变化的谐波组成是不完全相同的。无作物区的谐波周期分别是π/72、π/36 和π/24，而作物区的谐波周期分别为π/72、π/36。可见它们的谐波组成并不完全相同，即变化周期不完全相同，周期相同的谐波弧度基本一致。气温的波动对谐波弧度有一定的影响，这种影响是呈线性的，对于制定弧度的精细化订正函数，需要进一步研究分析。李小芳等（2004）的研究结果表明，山墙对温室内部温度的影响是不可忽略的。温室内部温度分布的不均匀导致热通量的分布必然存在差异，所以不同位置热通量的波动应该是不完全相同的。

设施环控技术装备研发是属于设施园艺工程的学科范畴。园艺设施内的光照、温度、湿度、二氧化碳浓度、气流、水肥、栽培介质等都是蔬菜生长所需的环境因素，涉及其根区环境和冠层环境，其适宜耦合度的高低直接决定设施蔬菜的产量和品质。然而，设施环境受控于设施类型、维护与覆盖材料、自然气候条件、作物类型和发育阶段、环控设施水平、农业措施等因素，存在显著的时空变化，需要人工干预调节。以日光温室为例，日光温室以光照为主导，决定着设施内温度、湿度；植物种类和发育阶段决定着设施内二氧化碳浓度、水肥供给等因素。在现代温室生产技术引进和消化的基础上，日光温室改进、设施内部作业机具研发和环境控制等领域取得了显著进展，在现代温室结构改进、控制系统消化和配套器具国产化方面取得了显著成效（王丽艳等，2008）。调温是最重要的环控内容，冬季加温，夏季降温至关重要。光是植物生长发育的基本环境要素之一，直接影响植物的生长发育、形态建成、物质代谢及基因表达。我国南北方设施蔬菜越冬栽培均存在低温弱光的不利生长环境，棚内光照往往不能满足作物生长需求。随着新型发光二极管（LED）光源的普及，其节能环保、光电转换率高、寿命长、光量与光质可调节等优点，使得设施补光增效成为可能。由于设施环境相对封闭导致CO2缺乏，进而引起设施蔬菜光合效率降低、产量下降等一系列问题，因此CO2施肥成为设施蔬菜栽培研究的一个重要方向。

总之，环控技术是设施植物高产的基础，以光合作用为中心，实施联合互动耦合调控是基本策略。

〖MZ(2H〗1��4我国设施园艺产业发展概述

设施栽培的出现打破了季节和地域限制，改变了农业生产结构，在很大程度上摆脱了对自然环境的依赖，借助围护设施为作物生长提供了较为适宜的外部环境。同时，提高了土地的生产效率，极大地促进了农业的发展，是农作制度和方式的一次颠覆。因此，大力发展设施栽培是解决资源短缺和人口问题的有效途径（周振兴，2014）。

前言/序言

前言PREFACE根据Science杂志和联合国预测，世界人口在21世纪将持续增长，截至2050年将达到96亿人，而到2100年将达110亿人。逐年递增的人口将对食物和粮食、燃料、纤维、饲料类农产品及功能化合物需求逐年增加，而土地等农业资源数量减少和质量降低，农田环境污染日益恶化，气候变化导致的极端天气和自然灾害日趋频繁，农田生态系统生产的稳定性和产能受自然条件的束缚农业难以持续增长且增长潜力有限，难以满足人类未来发展对农产品安全的迫切需求。据统计，中国用约占世界6％的淡水、9%的耕地以及30%的化肥生产出占世界26%的农产品，养活了占世界20%的人口。如何保障粮食安全与农产品有效供应已成为21世纪必须解决的重大现实问题。为此，我国必须大力发展现代农业，保障粮食安全和农产品有效供给，提高农业生产的现代化水平和生产效率，这已成为国家长期发展战略，国计民生意义十分重大。现代农业作为现代工业、现代科学技术和科学管理方法装备起来的农业，实现生产全过程各要素可控管理，即控制设施动植物的生长发育和产量品质，达到按需生产的目标，从而实现利用工业的理念发展农业的战略目标。

设施农业在保障我国食物安全和农产品有效供给，尤其是在确保“菜篮子”安全方面具有不可或缺的作用，是现代农业的重要组成部分。设施农业作为环境可控、周年生产的高效农业生产方式，越来越受到人们的关注，在动植物和食用菌等农产品生产，尤其是高品质食物供给，均衡农产品四季供给，解决人类隐性饥饿等方面具有十分重要的应用价值。我国设施农业发展迅速，在果蔬、肉蛋奶、食用菌、药用植物、苗木和花卉等农产品供给方面发挥了重要作用，其中设施果蔬、肉蛋奶、食用菌等农产品生产规模及产量稳居世界首位，整个设施农业产值非常可观。譬如，到2016年年底我国设施园艺总面积已达420万hm2，设施人工光栽培已达100hm2以上，年产值超过万亿元，且呈逐年上升趋势。其中，设施蔬菜栽培面积占95%以上，设施蔬菜种植面积及总产量高居世界第一位。

设施农业可通过环境因子调控来提高农业生产效率，使农业摆脱了自然条件的束缚，不同程度地具备了周年生产的能力。我国园艺设施类型有小拱棚、塑料大棚、日光温室、连栋温室、植物工厂和垂直农场几种形式，初期投入成本和环控水平逐级递增，但应用规模和数量却梯级下降。在设施蔬菜价格“天花板”和成本“地板”的双重挤压下，在农业资源环境“红灯”与补贴政策“黄箱”的约束下，设施园艺发展存在诸多困境。目前，小拱棚、塑料大棚、日光温室设施栽培面积大约在360万hm2以上，且以土壤栽培为主，以生产蔬菜为主；而连栋温室、植物工厂和垂直农场面积较小，40万hm2以上，以无土栽培为主，以蔬菜和花卉生产为主。设施蔬菜栽培技术是决定设施蔬菜高效生产的基础性技术，总体比较来讲土壤栽培除了成本低外，与无土栽培相比在资源利用、环境保护、生产效率、管理自动化、农产品品质等众多方面都处于劣势。无土栽培是国际现代设施园艺栽培技术主流和发展方向，其替代趋势不可避免。过去几十年，我国设施蔬菜土壤栽培在满足“菜篮子”安全方面做出重大贡献。但是，过去几十年为保证在较低单产情况下满足日益增加的反季节蔬菜的数量需求，只能通过盲目扩大设施栽培面积来实现，甚至许多生态脆弱地区被纳入设施园艺产业发展规划，生态系统遭受严重干扰破坏。当前，设施蔬菜产业资源环境问题突出，蔬菜安全问题日益严重，前景堪忧。诚然，土壤栽培在此后数年内将继续主导我国设施蔬菜生产，但其面积比例将会逐年缩小。同时，改良提高型设施土壤栽培方法将会不断推出，以替代粗放式传统土壤生产方式。事实上，土壤栽培资源利用率低，环境污染严重，生产效率低，无法自动化管控，农产品品质难以保障等这些既有问题已引起了社会各界的高度关注，随着公众饮食安全、环保和可持续发展意识的逐年提高，设施蔬菜无土栽培替代土壤栽培已经提到技术研发与产业发展的日程。

设施蔬菜无土栽培技术是我国设施园艺发展方向，工程手段将日益受到重视。设施蔬菜无土栽培技术的规模化应用使得设施蔬菜生产进入工厂化、规模化的阶段，甚至具有周年连续生产、立体多层栽培等高效生产属性，生产效率可提高几倍至数十倍。无土栽培技术，譬如水培、基质培、气雾培在发挥塑造景观观赏和蔬菜生产功能实现的目标指引下，按照园艺作物无限生长的生物学特性，不断演化出了多种实践应用模式。以水培为例，DFT和NFT、墙体垂直栽培、立柱垂直栽培、树式栽培、管道立体栽培、浮板毛管水培和立体多层栽培等多种形式，被广泛应用于农业科技园区等场所，集生产、观赏、体验、科普等多种功效于一体。无土栽培在连栋温室、植物工厂、家庭园艺中已经得到广泛地应用，但在日光温室中难以直接应用。究其原因，我国日光温室内气温日变化和季节变化十分剧烈，低温、高温逆境频繁发生，营养液和基质的温热缓冲能力差，在剧烈温热变化条件下其根区温度波动过大，不利于植物健康地生长发育。

近些年，适合于各种设施类型应用的无土栽培技术不断发明推广，具有观赏、生产、体验和家庭园艺等属性。其中，尤以中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所发明的土垄内嵌式基质栽培方法（ZL 201410342395��3）最为突出，获得5项相关专利。该方法可在不改变日光温室种植布局和茬口安排的基础上，实现并满足了日光温室蔬菜基质栽培的迫切需求，是具有变革性设施蔬菜栽培技术。该技术可以提升根区温热环境的稳定性，增加水肥利用效率，环保高产，水肥和农艺管控方便。更为重要的是，该方法为今后日光温室蔬菜根区环境的智能化调控提供了基础性技术支撑，在设施园艺历史进程中具有划时代、颠覆性的推进作用。

在设施园艺优质高产稳产、按需调控和可控生产目标的推动下，太阳光植物工厂和人工光植物工厂方兴未艾，技术装备发展迅速。人工光植物工厂被誉为颠覆性的农作方式和土地利用方式，是现代城市农业、家庭农业的内涵本质和技术支撑，具有产品安全（无农药、病原菌和重金属等污染），生产过程与自然环境、空气隔绝，不接触土壤，生产可控环保等优势，具有广阔的应用前景。人工光植物工厂通常采纳多层立体无土栽培技术进行规模化生产，层数可达3～20层，具有独特的生产环境和调控策略。较连栋温室（或太阳光植物工厂）无土栽培相比，人工光植物工厂无土栽培在空间资源利用率方面有绝对优势，在栽培植物种类和水肥供给、环境调控等方面差异巨大。尤其是LED半导体光源应用后，人工光植物工厂彻底实现了全部生产要素的智能调控。目前，该领域的研发与产业化受到世界各国学者、LED生产企业和设施园艺生产者的广泛关注。

根区和冠层是植物水肥吸收、光合作用两个重要区域空间，该区域空间内的物理、化学和生物化学环境条件直接关系到植物的健康和品质。根区和冠层是设施蔬菜生产过程中人为调控最有效、最直接、最节能的植物部位和界面过程，也是必须协同调控的两个部位，以保证地上部和根系进行耦合高效的生理代谢，促进快速健康生长发育，提高蔬菜可食部分生物量和健康有益物质的合成累积。各种园艺设施内蔬菜根区冠层技术装备研发、根区冠层调控生理机制、根区冠层协同生理机理等研究是国内外关注热点，取得了很多可喜的成果，亟待系统搜集整理，以推进该领域的发展。设施蔬菜无土栽培具有良好的根区与冠层调控的基础属性，能够对根区介质及其水肥、温度、溶解氧、空间等理化性状进行定向调控，在设施内也能同时对整个设施空间和植物群体冠层的光照、温湿度、CO2浓度、气流等环境要素进行协同调节，基于植物生理学时空特性建立控制模型，耦合调控植物生长全要素。根区与冠层是设施植物环境控制的核心部位。在中国，日光温室、人工光植物工厂和太阳光植物工厂是设施蔬菜生产典型设施类型。就人工光植物工厂而言，LED光源引入从实践层面彻底实现了设施植物生产要素的全部智能控制。在生产要素中，只有光照、营养是同时具有质量属性和数量属性的因素，需要“光配方”和“营养液配方”及其数量调控策略。所以，根区与冠层调控的核心且最复杂的因子分别是营养和光照。

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所是国内最早从事设施无土栽培技术装备研发的国家级科研单位，已开展了十余年的研究工作。在科技部仪器升级改造项目、“十二五”国家“863”计划项目和“十三五”国家重点研发计划项目课题等项目的资助下，在设施蔬菜无土栽培领域应用方面取得了众多成果。截至2016年年底，研究团队以第一完成单位获得省部级以上相关科研奖励6项，分别是2008年获得北京市科学技术二等奖（都市型设施园艺栽培模式与配套装备研究，2008农-2-001）；2009年获得国家科技进步二等奖（都市型设施园艺栽培模式创新及关键技术研究与示范推广，2009-J-251-2-13-D01）；2011年获得第十三届中国专利奖金奖（甘薯吸收根—块根功能分离栽培方法）；2013年获得全国农牧渔业丰收奖二等奖（设施蔬菜工厂化生产关键技术研究与示范推广，FCG-2013-2-097-07R）；2015年获得中国农业科学院科学技术成果奖一等奖（智能植物工厂能效提升与营养品质调控关键技术，2015-JC-04-01-R01）；2016年获得北京市科学技术二等奖（智能植物工厂能效提升与营养品质调控关键技术研究与应用，2016农-2-002）。在此国内外设施无土栽培方兴未艾之时，从业者渴望学习和掌握无土栽培技术原理和技术装备研发现状，为了满足广大业界人士的需求，作者萌发了撰著本书的念头。本书正是这些研究成果的集中体现，力求能够反映世界和国内设施蔬菜无土栽培领域研发与应用的最新研究进展，为业界人士提供参考，以期推动我国设施蔬菜无土栽培领域的应用基础研究与技术创新。

值此国家大力发展现代农业，确立了保障粮食安全和农产品有效供给长期发展战略之际，《设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控》撰写完毕并付之以梓，甚是欣慰。该书以国内外主体园艺设施日光温室、植物工厂中蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控技术装备为主线，阐述了日光温室起垄内嵌式基质栽培方法及其根区与冠层调控技术装备与其应用效果，重点明确了植物工厂无土栽培及其根区冠层调控技术装备，总结了设施蔬菜无土栽培根区冠层调控在蔬菜优质高产中的贡献机制和实践方法。该书涉及光生物学、设施园艺学、蔬菜学、植物生理学、植物营养学、生物环境工程、LED半导体照明和智能控制技术等多学科，彼此交叉且有机结合为特点，以课题组研究成果为主体，系统展示了几十年来国内外设施蔬菜无土栽培技术装备、根区冠层调控的研究最新进展和应用现状全貌，深度阐述了设施蔬菜无土栽培的应用潜力、存在问题及发展前景。全书共九章，即第一章设施园艺产业与技术装备发展概述；第二章设施蔬菜土壤栽培资源环境品质问题；第三章设施园艺无土栽培技术装备发展概述；第四章日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法构建；第五章日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法蓄热保温机理研究；第六章设施蔬菜起垄内嵌式基质栽培根区冠层调控研究；第七章设施作物根区冠层调控的生理机制；第八章太阳光植物工厂无土栽培及根区冠层调控；第九章人工光植物工厂无土栽培及根区冠层调控。本书适于大专院校植物营养学、土壤学、农业生物环境工程、设施园艺科学与工程、园艺设施学、照明工程等专业的本科生、研究生和教师以及广大农业科技工作者、农业企业界人士阅读参考。

本书编著过程中收集整理了研究生余意、赵姣姣、刘义飞、李宗耕、张玉彬、杨佳佳、马全会、邱志平和查凌雁等人的部分研究结果，在此对他（她）们表示感谢。感谢杨其长研究员对本书撰写过程中提供的材料帮助，感谢设施植物环境工程创新团队对本书撰写的支持。衷心希望本书能够对我国设施蔬菜高效栽培生产、产业体质增效起到一定推动作用，促进和改变我国单纯依赖增加设施蔬菜栽培面积提高产量的粗放增长方式，实现产品优质、单产高、环境友好、资源节约，甚至可以周年生产的现代设施园艺可持续发展方式。由于著者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请广大读者提出宝贵意见和建议，以便再版时改进完善。

最后，感谢“十二五”国家“863”课题：植物工厂节能LED光源及光环境智能控制技术（2013��1—2017��12，课题编号：2013AA103001）和“十三五”国家重点研发计划项目课题：设施农田氮磷淋溶防控技术集成示范（课题编号：2016YFD0801001，2016��1—2020��12）的资助。