設施蔬菜無土栽培及其根區與冠層調控 pdf epub mobi txt 電子書下載 2025

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劉文科，杜連鳳，傅國海著

圖書標籤:

無土栽培
設施蔬菜
根區調控
冠層調控
蔬菜栽培
現代農業
植物生理
營養液
環境控製
高效農業

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齣版社：中國農業科學技術齣版社

ISBN：9787511632043

版次：1

商品編碼：12236712

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2017-07-01

用紙：膠版紙

頁數：290

字數：316000

正文語種：中文

具體描述

內容簡介

　　《設施蔬菜無土栽培及其根區與冠層調控》共九章，即靠前章設施園藝産業與技術裝備發展概述：第二章設施蔬菜土壤栽培資源環境品質問題；第三章設施園藝無土栽培技術裝備發展概述：第四章日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法構建：第五章日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法蓄熱保溫機理研究：第六章設施蔬菜起壟內嵌式基質栽培根區冠層調控研究；第七章設施作物根區冠層調控的生理機製；第八章太陽光植物工廠無土栽培及根區冠層調控：第九章人工光植物工廠無土栽培及根區冠層調控。《設施蔬菜無土栽培及其根區與冠層調控》適於大專院校植物營養學、土壤學、農業生物環境工程、設施園藝科學與工程、園藝設施學、照明工程等專業的本科生、研究生和教師以及廣大農業科技工作者、農業企業界人士閱讀參考。

作者簡介

　　劉文科，男，1974年生，河北省孟村縣人，中共黨員、博士、中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研究員、博士生導師。現任中國照明學會電光源專委會農業照明委員會（ALS）秘書長兼副理事長、農業照明技術創新與應用戰略聯盟（CAAL）秘書長、靠前園藝學會會員、中國照明學會光生物光化學專業委員會委員、國傢半導體照明工程研發及産業聯盟（CSA）應用推廣工作委員會農業與生物照明工作組和工業建築照明工作組專傢委員、CSA十年貢獻奬專傢、中國科協285次青年科學傢論壇暨光生物光化學應用研究論壇執行、研究生院很好碩士論文導師、所學位委員會委員；任《照明工程學報》和《農業工程》特邀審稿專傢、中國博士後科學基金評審專傢、教育部學位與研究生教育發展中心抽檢學位論文評議專傢、北京市科委評審專傢庫專傢、國傢靠前科技閤作專項評審專傢、中華農業科技奬評審專傢。於2004年在中國農業大學獲得博士學位，2005年日本JIRCAS進修，2012年日本蔬菜茶葉研究所進修。2013年1月任研究員，2014年任博士生導師。現為科技部重點領域創新團隊“農業生物環境科學與工程創新團隊”骨乾、中國農業科學院創新工程“設施植物環境工程”創新團隊骨乾。

精彩書摘

1設施園藝産業與技術裝備發展概述〖MZ(1H〗1設施園藝産業與技術裝備發展概述摘要：設施園藝産業在我國農業生産中占有極其重要的地位，在園藝作物（蔬菜、花卉、果樹）、中藥材、食用菌等農業生物生産與農産品有效供給中發揮著重要作用，對改善農業生産條件，提高瞭農業發展質量和效益，推進城鄉統籌發展的進程具有十分重大的意義。設施園藝是技術裝備密集型産業，其發展水平與多個領域的技術、裝備和材料發展水平密切相關。我國設施園藝規模化發展始於20世紀80年代，伴隨設施材料與結構、環控設施、栽培設施的進步而不斷發展，已發展齣塑料大棚、日光溫室、連棟溫室和植物工廠四類主體園藝設施，應運而生的配套技術裝備體係。設施生産麵積以每年10%以上的速度在增長，形成瞭不同區域各具特色的設施類型、生産模式和技術體係，業已成為我國許多區域的農業支柱産業。本章介紹瞭設施農業、設施園藝等基本概念，總結瞭設施園藝産業及其技術裝備發展現狀、存在問題及解決對策，重點強調瞭國內外園藝設施材料與結構、環控技術裝備、栽培技術裝備發展進展，針對性提齣瞭發展思路。

〖MZ(2H〗1��1引言

蔬菜是人們日常飲食中必不可少的食物之一，可提供人體所必需的多種維生素和礦物質等營養物質。據聯閤國糧農組織統計，人體必需的維生素Ｃ的90%，維生素Ａ的60%來自蔬菜。此外，蔬菜中含有多種人體活動不可缺少的營養物質，營養價值較高。比如，類黃酮、酚酸、花青素等抗氧化物質可有效地預防多種疾病。綠色蔬菜中富含β－鬍蘿蔔素，人體內每分子β－鬍蘿蔔素可分解為兩分子維生素A。葉菜類蔬菜深受我國消費者喜愛，我國是葉菜類蔬菜生産種類和品種最為豐富的國傢，葉菜類蔬菜約占蔬菜生産的1/3。不同葉菜類蔬菜的種植方式有所不同，主要分為大田露地種植、保護地種植和植物工廠三大類。設施園藝生産對象為蔬菜、果樹、花卉等。從栽培上，以農業生物學分類法較為適宜。蔬菜可分為根菜類、白菜類、甘草類、芥菜類、綠葉菜類、蔥蒜類、茄果類、瓜類、豆類、薯芋類、水生蔬菜、多年生蔬菜、食用蓖類。按食品器官分為根菜類、莖菜類、葉菜類、花菜類和果菜類5種。

設施農業與露地農業構成當前世界農業生産的兩種基本模式，在保障國傢糧食安全和農産品有效供給中發揮著各自的功能。設施農業是用一定設施和工程技術手段改變自然環境，在人工可控的情況下，按照動植物生長發育要求創造最佳環境（光照、溫度、濕度、營養等），以最少的資源投入進行生産的現代農業。它可實現常年化均衡生産，産量高、品質好、生産周期短，效率和效益是傳統露地農業的幾倍甚至幾十倍。設施農業是現代生物技術與工程技術的集成，涵蓋瞭建築、材料、機械、自動控製、環境、品種、栽培、管理、經營等多個學科和領域，因而其發達程度也就成為衡量一個國傢和地區農業現代化水平的重要標誌之一。設施農業是人類擺脫自然氣候條件局限，剋服季節局限，實施可控農業生産的技術進步錶現，是科技駕馭自然條件為人類服務的途徑。設施農業作為資源高效利用型産業，不但可以充分利用自然資源實現周年均衡生産，而且還可實現在鹽堿地、島嶼、傢庭陽颱等非可耕地上進行生産，大幅度地提高土地資源、水資源和光熱資源利用率。

設施農業是綜閤應用工程裝備技術、生物技術和環境技術，創造動植物生長發育的適宜環境，實現動植物生産的現代農業生産方式。發展以設施蔬菜為代錶的設施農業是實現傳統農業嚮現代農業生産方式轉變，建設新型現代農業的重要內容；是調整農業結構、實現農民增收和農業增效的有效方式；是提高土地利用率，建設資源節約型、環境友好型農業的重要途徑；是增加農産品有效供給、保障食物安全和社會穩定的有力措施；也是促進農民就業，緩解農業人口壓力的有效措施。我國人多地少，資源短缺，發展設施農業尤為必要，尤其應大力發展技術密集型高效設施農業，提高土地利用效率。

〖MZ(2H〗1��2設施農業與設施園藝的概念

1��2��1設施農業概念

一般而言，利用動物植物等生物的生長發育規律，通過人工培育來獲得産品的各部門，統稱為農業。農業屬於第一産業，研究農業的科學是農學。農業的勞動對象是有生命的動植物和微生物，獲得的産品是動植物和微生物本身。農業是支撐國民經濟建設與發展的基礎。廣義農業是指包括種植業、林業、畜牧業、漁業、副業五種産業形式，狹義的農業是指種植業。種植業是指生産糧食作物、經濟作物、飼料作物和綠肥等農作物的生産活動。設施農業，是在環境相對可控條件下，采用工程技術手段，進行動植物高效生産的一種現代農業方式。設施農業涵蓋設施種植、設施養殖和設施食用菌等。在國際的專業術語稱謂上，歐洲、日本等通常使用設施農業（Protected Agriculture）這一概念，美國等通常使用可控環境農業（Controlled Environmental Agriculture）。我國設施農業已經成為世界上最大麵積利用太陽能的工程，絕對數量優勢使我國設施農業進入瞭由量變到質變轉化期，技術水平越來越接近世界先進水平。我國人均耕地麵積僅有世界人均麵積的40%，發展設施農業是解決我國人多地少製約可持續發展問題的最有效技術工程。一般而言，設施農業指設施種植業，即設施園藝産業。

1��2��2設施園藝概念

設施園藝是指在露地不適於園藝作物生長的季節（寒冷或炎熱）或地區，利用特定的設施（連棟溫室、日光溫室、塑料大棚、小拱棚和養殖棚），人為創造適於作物生長的環境，以生産優質、高産、穩産的蔬菜、花卉、水果等園藝産品的一種環境可控製農業。設施園藝是指在各種設施內進行園藝作物生産的方式，通過設施及環境調控，並充分利用設施空間和光、熱、土等自然資源，使園藝作物處於最佳生長狀態，以獲取優質、高産和高效益的集約化生産方式；是集生物工程、農業工程和環境工程於一體的跨學科、多領域的係統工程；也是我國當前設施農業的主要形式。設施園藝是一種勞動和技術密集型的集約化生産方式（餘朝閣等，2012）。

設施園藝涵蓋瞭建築、材料、機械、自動控製、品種、栽培、管理等多種學科和多種係統，因而科技含量高，為技術密集型産業，所以設施園藝的發達程度，往往是一個國傢或地區農業現代化水平的重要標誌之一。設施園藝所涉及的工程科學主要是要求掌握各種園藝設施類型的分類、結構特點，在此基礎上如何對各種設施類型進行優化設計，以創造良好的設施環境條件，滿足園藝植物設施栽培的各種需求，為作物提供最優的生育空間。這就需要有科學閤理的總體規劃設計，設施選型和結構優化設計及環境調控設計（如采暖、保溫、降溫、加濕與降濕，灌溉與施肥，通風換氣，采光與遮光，CO2氣體施肥等），建築材料的選擇和計算，建造施工技術要有機地結閤與統一，統籌考慮。

1��2��3園藝作物與蔬菜價值

作物分為農作物和園藝作物，前者包括糧食作物、經濟作物和飼料及綠肥作物，後者包括果樹、花卉和蔬菜。蔬菜是可供佐餐的草本植物總稱，有些木本植物的嫩莖、嫩芽，部分真菌和藻類植物也可作為蔬菜食用。實際上，蔬菜和農作物之間並不存在嚴格的區彆，從利用角度講有些蔬菜可作為糧食食用，有些農作物可作為蔬菜食用。另外，西甜瓜和草莓等水果屬於草本植物，也屬於蔬菜。我國栽培的蔬菜有100多種，其中普遍栽培的蔬菜隻有50～60種（陳貴林，1997）。

人類的食物分為動物性食物和植物性食物。動物性食品包括肉類、乳類和蛋品，為人體蛋白質和脂肪的主要來源，植物性食品包括糧食、蔬菜和水果等。糧食提供人體熱能，蔬菜提供維生素、礦物質、縴維素、芳香族物質和熱能等，蔬菜在維持酸堿平衡，維持人體健康方麵起著十分重要的作用。作為堿性食物，蔬菜可提供有機酸鹽，進入人體後進行分解代謝，有機酸根結閤氫離子形成檸檬酸、蘋果酸、乳酸等。這些酸在體內可作為代謝的中間物被繼續氧化成二氧化碳和水排齣體外或者在肝內閤成糖原儲存起來，其結果都會使血液中氫離子濃度降低，而原來與有機酸結閤的鉀鈉離子則與碳酸氫根結閤，從而增加血液的堿性。在營養學上，一般將食品分成酸性食品和堿性食品兩大類。食品的酸堿性與其本身的pH值無關，味道呈酸性的食品不一定是酸性食品，主要是食品經過消化、吸收、代謝後，最後在人體內變成是酸性或堿性的物質來界定。産生酸性物質的稱為酸性食品，如動物的內髒、肌肉，植物的種子如五榖類。産生堿性物質的稱為堿性食品，如蔬菜瓜豆類，茶類等。

〖MZ(2H〗1��3設施園藝生産體係構成

1��3��1園藝設施

“十一五”期間，我國政府加大瞭對設施農業發展的重視程度和投入力度，中央十七屆五中全會明確提齣“加快發展設施農業和農産品加工業、流通業，促進農業生産經營專業化、標準化、規模化、集約化”。《國傢中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》明確指齣瞭“積極發展工廠化農業，提高農業勞動生産率”的發展方嚮。農業部也在2008年發布瞭《關於促進設施農業發展的意見》。設施生産麵積以每年10%以上的速度在增長，形成瞭不同區域特色的設施類型、生産模式和技術體係。綜閤技術將使設施農業産量整體達到露天種植的5倍。2004—2017年連續14年發布以“三農”為主題的中央一號文件，強調瞭“三農”問題，在中國的社會主義現代化時期“重中之重”的地位將發展現代農業，保障國傢糧食安全，保障農産品有效供給當作國傢的長期發展戰略，提質增效，實施供給側結構性改革。

由於設施園藝生産的先進性和高效性，自20世紀80年代以來我國設施園藝發展迅猛，在解決蔬菜周年均衡供給方麵發揮瞭巨大作用。設施園藝按設施類彆一般分為人工光植物工廠、太陽光植物工廠、連棟溫室、日光溫室、塑料大棚、小拱棚（遮陽棚），設施的類型、材料、結構與設施成本、性能、環境可控程度、溫度緩衝能力直接相關。其中，人工光植物工廠為封閉式生産係統，太陽光植物工廠和連棟溫室屬於半封閉式生産係統，日光溫室、塑料大棚、小拱棚（遮陽棚）等屬於密閉性較差的半開放式生産係統，密閉程度更低。封閉式生産係統具有資源利用最大化、優質産品穩産最大化、環境汙染物質及殘留物零排放和排熱最小化的特徵。截至2015年年底，我國設施園藝麵積已達410��9萬hm2，(中國農業機械化協會設施農業分會，2015)。但有關設施麵積地域分布與設施類型分布以郭世榮等(2013)總結較為全麵。郭世榮等（2012）指齣2010年全國設施蔬菜麵積344��33萬hm2，其中小拱棚128��67萬hm2，大中棚134萬hm2，節能日光溫室66��67萬hm2，普通日光溫室11��67萬hm2，加溫溫室1��97萬hm2，連棟溫室1��36萬hm2。我國設施園藝産業主要集中在環渤海灣及黃淮地區，約占全國總麵積的60%，其次是長江中下遊地區，約占全國20%；第三是西北地區，約占全國7%。2010年主要集中在山東省、遼寜省、江蘇省、河北省、浙江省、寜夏迴族自治區、內濛古自治區和上海市。近些年，新疆維吾爾自治區、北京市、天津市、甘肅省、山西省、陝西省、河南省等地設施麵積也在快速增加。設施蔬菜種植占94��8%，設施花卉占2��5%，設施果樹2��6%。國際上塑料農膜占整個覆蓋麵的97%，我國占到98%，其他為玻璃和PC闆覆蓋。從設施園藝各種類型比較來看，植物工廠投資成本最高，玻璃、PC闆連棟溫室成本較高，投入也較大，塑料連棟溫室、日光溫室、溫室大棚次之，小拱棚和遮陽棚投資最少。人工光植物工廠投資成本為6 000～10 000元/m2，玻璃溫室的投資成本在600～800元/m2，PC闆溫室的造價在700～1 000元/m2。溫室主體加上周邊道路、加溫等配套設施造價在1 000元/m2左右，塑料連棟溫室以鋼架結構的為主，造價在60～100元/m2；日光溫室按建築材料不同，造價在40～150元/m2不等。竹木大棚的材料及工本費在10元/m2左右；鋼管大棚，設備投資成本高，造價25元/m2左右。因此，世界上聚烯烴溫室大棚膜覆蓋設施園藝占總麵積的97%，我國更高達98%，其他為玻璃和PC闆。聚烯烴膜在日光溫室和連棟溫室僅占總成本的1/20左右，卻起到最關鍵的作用。成本最高依次為骨架、保溫牆、保溫被等。

我國的設施園藝經過30多年的發展，基本形成瞭各具區域特色的設施類型、生産模式和技術體係。從設施類型上看，小拱棚約占40%、大中棚約占40%、日光溫室約占20%、連棟溫室在0��5%以下。從産地分布看，環渤海灣及黃淮地區仍是我國設施蔬菜的最大産地，約占全國麵積的55%～60%，山東省、河北省和遼寜省發展尤為迅速。該區域主要充分利用其充足的光能資源發展節能日光溫室，實現瞭鼕春果菜的無加溫生産。其中，山東省的設施蔬菜産值已經達到全省種植業總産值的近一半左右。在長江中下遊地區，主要通過發展塑料大棚等設施，實現果菜、根菜、葉菜、水生蔬菜等多樣化蔬菜的周年生産，麵積約占全國的18%～2l%；而在西北地區，近年來積極發展以平地和山地日光溫室以及非耕地無土栽培為代錶的設施蔬菜生産，麵積發展迅速，約占全國的8%，其他地區則由於氣候等原因（如華南地區），發展相對較為緩慢，約占15%。

“十一五”期間，針對目前我國能源短缺、設施裝備落後、智能化控製程度較低、關鍵設備受製於國外的局麵，通過多學科閤作研究和産學研聯閤攻關，在現代溫室生産技術引進和消化、日光溫室改進、設施內部作業機具研發和環境控製等領域取得瞭顯著進展。孫周平等(2013)提齣瞭彩鋼闆保溫裝配式節能日光溫室,該型日光溫室為半圓弧形鋼結構，溫室淨跨度12m（外跨度12��5m），脊高5��5m，淨長度65m（外長度66m），屋麵采光角41��5°，後坡水平投影長1��6m，淨麵積780m2，以0��1mm 厚的聚烯烴膜（PO）為透明覆蓋材料；設計風荷載0��55kN/m2，雪荷載0��45kN/m2；溫室栽培空間大，適宜蔬菜和食用菌立體栽培，以及喬木果樹栽培和養殖。溫室保溫覆蓋整體由岩棉彩鋼闆構成。溫室蓄熱體主要采用水循環係統，水循環係統由水池、水泵、輸水管道、采光闆、迴水管道和控製器等組成。新型彩鋼闆保溫裝配式節能日光溫室采取半圓弧形鋼骨架結構，采用工業和民用建築上常用的岩棉彩鋼闆作為半圓弧形坡麵和東西兩側山牆的保溫圍護結構，由於溫室頂部的岩棉彩鋼闆保溫覆蓋件可以在溫室骨架上的滑道中實現精準運行，不僅便於實現日光溫室的自動化控製，而且，晚上能夠在溫室四周形成一個整體的岩棉彩鋼闆覆蓋的保溫圍護結構，可顯著增強溫室的密封性能和保溫性能，有效解決傳統日光溫室保溫被外置帶來的防雨、防雪、防風和防火等能力差，以及保溫效果不佳問題。同時，東西兩側岩棉彩鋼闆保溫山牆還可以分彆在上午、下午打開，解決瞭牆體日光溫室的東西山牆遮光問題，並提高瞭溫室的土地利用效率。另外，試驗溫室的結構件可實現工廠化生産、溫室建造可進行標準化裝配，解決瞭傳統日光溫室建造對土地和耕地的破壞，對保護土地資源和農業生態環境具有重要意義。

1��3��2栽培設施

節能日光溫室的熱量主要來自太陽輻射，為溫室調控溫度和光照條件，因此溫室前屋麵的角度和形狀是決定太陽光進入溫室多少的關鍵。除適宜的環境調控能力外，在光溫適控的設施裏蔬菜高産、穩産的基礎是栽培技術。蔬菜栽培是一門綜閤性應用科學，屬於園藝學的一個分支學科，主要任務是研究蔬菜作物的生長發育和産品形成規律及其與環境條件的相互作用關係，探討蔬菜持續高産、優質、高效的栽培理論和定植栽培技術措施。蔬菜生長發育需要有適宜的綜閤環境條件，在蔬菜栽培係統中，環境包括自然環境和設施環境，環境因素又細分為氣候因素、土壤因素和生物因素。蔬菜栽培吸收和運用瞭植物學、植物生理學、生態學、土壤學、肥料學、氣象學、農業建築學和植物營養學等多學科研究成果，服務於蔬菜—環境—設施構成的設施蔬菜栽培係統。蔬菜生産包括露地栽培和設施栽培兩種方式。露地栽培時指在裸露於自然氣候條件下的地塊上的蔬菜栽培生産。設施栽培是指在露地不適宜蔬菜生長發育的寒冷季節或炎熱季節，利用防寒、防熱或其他保護設施，人為地創造適宜蔬菜生長發育的小氣候條件進行蔬菜栽培生産。

蔬菜—環境—農藝措施三者之間相聯係，共同構成瞭農田蔬菜栽培係統。在此係統中，環境包括自然環境和設施環境，環境因素又細分為氣候因素（光溫等）、土壤因素和生物因素。從栽培過程來看，分為育苗、移栽定植和生産階段。全國各地育苗設施逐步完善，北方主要推廣應用日光溫室穴盤育苗，而在南方主要研究推廣電熱加溫穴盤育苗，逐步從傳統的傢庭育苗走嚮集約化工廠化育苗，其中工廠化育苗在山東省等地已經達到瞭20%左右的水平，湧現齣多傢年産2 000萬以上成苗的企業。在育苗基質上，各地根據其材料來源情況，研發瞭以玉米秸、麥稈、醋糟、草炭、蛭石等不同比例的混閤基質來替代傳統育苗基質，形成適閤各地的規模化和商品化生産模式。

蔬菜移栽定植生産需投入包括土地、光能、水分和養分等在內的資源，並投入電能，因此資源能源利用率、生物産量效應及環境效應均很重要。我國西部區域充足的光能資源和非耕地資源，通過發展以農作物秸稈和沙地等為栽培基質，配閤使用有機和無機肥料來進行主要設施蔬菜的生産，實現瞭非耕地的有效利用（李建明等，2006）。水分和養分方麵，傳統的灌水和施肥模式存在利用率低的問題，主要養分利用率僅為10%～30%。為此，近年來開發瞭膜下滴灌、膜下滲灌等微灌技術，滴灌結閤施肥，可減少肥料淋溶損失，同時肥料利用率可提高1倍（姬景紅等，2009）。黃紹文等（2011）對我國主要菜區土壤鹽分、酸堿性和土壤肥力的調查結果顯示，我國設施土壤普遍存在鹽漬化加重、有機質含量低、硝態氮和速效磷積纍等問題。其中硝態氮肥的大量施用使得設施蔬菜，尤其是葉菜類蔬菜容易富集硝酸鹽和亞硝酸鹽，嚴重影響蔬菜的安全和品質。

1��3��3環控設施

溫室光熱環境是最主要的設施環境。設施結構本身具有一定的采光和蓄熱保溫能力，尤其是日光溫室和人工光植物工廠。日光溫室的牆體及後坡是影響日光溫室溫度性能的關鍵部位之一。熱通量是衡量牆體及後坡蓄熱保溫性能的重要指標，它可以錶徵溫室內部通過牆體或後坡與外部進行熱交換的狀況，以及蓄熱、放熱狀態。北方日光溫室北牆和後坡熱通量在時間變化上所遵守的周期規律，即正弦麯綫的周期和麯綫弧度。日光溫室北牆和後坡熱通量日變化，作物明顯影響瞭日光溫室北牆和後坡熱通量日變化的諧波成分和相應周（張昆等，2012）。日光溫室內有無作物，牆體熱通量日變化的諧波組成是不完全相同的。無作物區的諧波周期分彆是π/72、π/36 和π/24，而作物區的諧波周期分彆為π/72、π/36。可見它們的諧波組成並不完全相同，即變化周期不完全相同，周期相同的諧波弧度基本一緻。氣溫的波動對諧波弧度有一定的影響，這種影響是呈綫性的，對於製定弧度的精細化訂正函數，需要進一步研究分析。李小芳等（2004）的研究結果錶明，山牆對溫室內部溫度的影響是不可忽略的。溫室內部溫度分布的不均勻導緻熱通量的分布必然存在差異，所以不同位置熱通量的波動應該是不完全相同的。

設施環控技術裝備研發是屬於設施園藝工程的學科範疇。園藝設施內的光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度、氣流、水肥、栽培介質等都是蔬菜生長所需的環境因素，涉及其根區環境和冠層環境，其適宜耦閤度的高低直接決定設施蔬菜的産量和品質。然而，設施環境受控於設施類型、維護與覆蓋材料、自然氣候條件、作物類型和發育階段、環控設施水平、農業措施等因素，存在顯著的時空變化，需要人工乾預調節。以日光溫室為例，日光溫室以光照為主導，決定著設施內溫度、濕度；植物種類和發育階段決定著設施內二氧化碳濃度、水肥供給等因素。在現代溫室生産技術引進和消化的基礎上，日光溫室改進、設施內部作業機具研發和環境控製等領域取得瞭顯著進展，在現代溫室結構改進、控製係統消化和配套器具國産化方麵取得瞭顯著成效（王麗艷等，2008）。調溫是最重要的環控內容，鼕季加溫，夏季降溫至關重要。光是植物生長發育的基本環境要素之一，直接影響植物的生長發育、形態建成、物質代謝及基因錶達。我國南北方設施蔬菜越鼕栽培均存在低溫弱光的不利生長環境，棚內光照往往不能滿足作物生長需求。隨著新型發光二極管（LED）光源的普及，其節能環保、光電轉換率高、壽命長、光量與光質可調節等優點，使得設施補光增效成為可能。由於設施環境相對封閉導緻CO2缺乏，進而引起設施蔬菜光閤效率降低、産量下降等一係列問題，因此CO2施肥成為設施蔬菜栽培研究的一個重要方嚮。

總之，環控技術是設施植物高産的基礎，以光閤作用為中心，實施聯閤互動耦閤調控是基本策略。

〖MZ(2H〗1��4我國設施園藝産業發展概述

設施栽培的齣現打破瞭季節和地域限製，改變瞭農業生産結構，在很大程度上擺脫瞭對自然環境的依賴，藉助圍護設施為作物生長提供瞭較為適宜的外部環境。同時，提高瞭土地的生産效率，極大地促進瞭農業的發展，是農作製度和方式的一次顛覆。因此，大力發展設施栽培是解決資源短缺和人口問題的有效途徑（周振興，2014）。

前言/序言

前言PREFACE根據Science雜誌和聯閤國預測，世界人口在21世紀將持續增長，截至2050年將達到96億人，而到2100年將達110億人。逐年遞增的人口將對食物和糧食、燃料、縴維、飼料類農産品及功能化閤物需求逐年增加，而土地等農業資源數量減少和質量降低，農田環境汙染日益惡化，氣候變化導緻的極端天氣和自然災害日趨頻繁，農田生態係統生産的穩定性和産能受自然條件的束縛農業難以持續增長且增長潛力有限，難以滿足人類未來發展對農産品安全的迫切需求。據統計，中國用約占世界6％的淡水、9%的耕地以及30%的化肥生産齣占世界26%的農産品，養活瞭占世界20%的人口。如何保障糧食安全與農産品有效供應已成為21世紀必須解決的重大現實問題。為此，我國必須大力發展現代農業，保障糧食安全和農産品有效供給，提高農業生産的現代化水平和生産效率，這已成為國傢長期發展戰略，國計民生意義十分重大。現代農業作為現代工業、現代科學技術和科學管理方法裝備起來的農業，實現生産全過程各要素可控管理，即控製設施動植物的生長發育和産量品質，達到按需生産的目標，從而實現利用工業的理念發展農業的戰略目標。

設施農業在保障我國食物安全和農産品有效供給，尤其是在確保“菜籃子”安全方麵具有不可或缺的作用，是現代農業的重要組成部分。設施農業作為環境可控、周年生産的高效農業生産方式，越來越受到人們的關注，在動植物和食用菌等農産品生産，尤其是高品質食物供給，均衡農産品四季供給，解決人類隱性飢餓等方麵具有十分重要的應用價值。我國設施農業發展迅速，在果蔬、肉蛋奶、食用菌、藥用植物、苗木和花卉等農産品供給方麵發揮瞭重要作用，其中設施果蔬、肉蛋奶、食用菌等農産品生産規模及産量穩居世界首位，整個設施農業産值非常可觀。譬如，到2016年年底我國設施園藝總麵積已達420萬hm2，設施人工光栽培已達100hm2以上，年産值超過萬億元，且呈逐年上升趨勢。其中，設施蔬菜栽培麵積占95%以上，設施蔬菜種植麵積及總産量高居世界第一位。

設施農業可通過環境因子調控來提高農業生産效率，使農業擺脫瞭自然條件的束縛，不同程度地具備瞭周年生産的能力。我國園藝設施類型有小拱棚、塑料大棚、日光溫室、連棟溫室、植物工廠和垂直農場幾種形式，初期投入成本和環控水平逐級遞增，但應用規模和數量卻梯級下降。在設施蔬菜價格“天花闆”和成本“地闆”的雙重擠壓下，在農業資源環境“紅燈”與補貼政策“黃箱”的約束下，設施園藝發展存在諸多睏境。目前，小拱棚、塑料大棚、日光溫室設施栽培麵積大約在360萬hm2以上，且以土壤栽培為主，以生産蔬菜為主；而連棟溫室、植物工廠和垂直農場麵積較小，40萬hm2以上，以無土栽培為主，以蔬菜和花卉生産為主。設施蔬菜栽培技術是決定設施蔬菜高效生産的基礎性技術，總體比較來講土壤栽培除瞭成本低外，與無土栽培相比在資源利用、環境保護、生産效率、管理自動化、農産品品質等眾多方麵都處於劣勢。無土栽培是國際現代設施園藝栽培技術主流和發展方嚮，其替代趨勢不可避免。過去幾十年，我國設施蔬菜土壤栽培在滿足“菜籃子”安全方麵做齣重大貢獻。但是，過去幾十年為保證在較低單産情況下滿足日益增加的反季節蔬菜的數量需求，隻能通過盲目擴大設施栽培麵積來實現，甚至許多生態脆弱地區被納入設施園藝産業發展規劃，生態係統遭受嚴重乾擾破壞。當前，設施蔬菜産業資源環境問題突齣，蔬菜安全問題日益嚴重，前景堪憂。誠然，土壤栽培在此後數年內將繼續主導我國設施蔬菜生産，但其麵積比例將會逐年縮小。同時，改良提高型設施土壤栽培方法將會不斷推齣，以替代粗放式傳統土壤生産方式。事實上，土壤栽培資源利用率低，環境汙染嚴重，生産效率低，無法自動化管控，農産品品質難以保障等這些既有問題已引起瞭社會各界的高度關注，隨著公眾飲食安全、環保和可持續發展意識的逐年提高，設施蔬菜無土栽培替代土壤栽培已經提到技術研發與産業發展的日程。

設施蔬菜無土栽培技術是我國設施園藝發展方嚮，工程手段將日益受到重視。設施蔬菜無土栽培技術的規模化應用使得設施蔬菜生産進入工廠化、規模化的階段，甚至具有周年連續生産、立體多層栽培等高效生産屬性，生産效率可提高幾倍至數十倍。無土栽培技術，譬如水培、基質培、氣霧培在發揮塑造景觀觀賞和蔬菜生産功能實現的目標指引下，按照園藝作物無限生長的生物學特性，不斷演化齣瞭多種實踐應用模式。以水培為例，DFT和NFT、牆體垂直栽培、立柱垂直栽培、樹式栽培、管道立體栽培、浮闆毛管水培和立體多層栽培等多種形式，被廣泛應用於農業科技園區等場所，集生産、觀賞、體驗、科普等多種功效於一體。無土栽培在連棟溫室、植物工廠、傢庭園藝中已經得到廣泛地應用，但在日光溫室中難以直接應用。究其原因，我國日光溫室內氣溫日變化和季節變化十分劇烈，低溫、高溫逆境頻繁發生，營養液和基質的溫熱緩衝能力差，在劇烈溫熱變化條件下其根區溫度波動過大，不利於植物健康地生長發育。

近些年，適閤於各種設施類型應用的無土栽培技術不斷發明推廣，具有觀賞、生産、體驗和傢庭園藝等屬性。其中，尤以中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所發明的土壟內嵌式基質栽培方法（ZL 201410342395��3）最為突齣，獲得5項相關專利。該方法可在不改變日光溫室種植布局和茬口安排的基礎上，實現並滿足瞭日光溫室蔬菜基質栽培的迫切需求，是具有變革性設施蔬菜栽培技術。該技術可以提升根區溫熱環境的穩定性，增加水肥利用效率，環保高産，水肥和農藝管控方便。更為重要的是，該方法為今後日光溫室蔬菜根區環境的智能化調控提供瞭基礎性技術支撐，在設施園藝曆史進程中具有劃時代、顛覆性的推進作用。

在設施園藝優質高産穩産、按需調控和可控生産目標的推動下，太陽光植物工廠和人工光植物工廠方興未艾，技術裝備發展迅速。人工光植物工廠被譽為顛覆性的農作方式和土地利用方式，是現代城市農業、傢庭農業的內涵本質和技術支撐，具有産品安全（無農藥、病原菌和重金屬等汙染），生産過程與自然環境、空氣隔絕，不接觸土壤，生産可控環保等優勢，具有廣闊的應用前景。人工光植物工廠通常采納多層立體無土栽培技術進行規模化生産，層數可達3～20層，具有獨特的生産環境和調控策略。較連棟溫室（或太陽光植物工廠）無土栽培相比，人工光植物工廠無土栽培在空間資源利用率方麵有絕對優勢，在栽培植物種類和水肥供給、環境調控等方麵差異巨大。尤其是LED半導體光源應用後，人工光植物工廠徹底實現瞭全部生産要素的智能調控。目前，該領域的研發與産業化受到世界各國學者、LED生産企業和設施園藝生産者的廣泛關注。

根區和冠層是植物水肥吸收、光閤作用兩個重要區域空間，該區域空間內的物理、化學和生物化學環境條件直接關係到植物的健康和品質。根區和冠層是設施蔬菜生産過程中人為調控最有效、最直接、最節能的植物部位和界麵過程，也是必須協同調控的兩個部位，以保證地上部和根係進行耦閤高效的生理代謝，促進快速健康生長發育，提高蔬菜可食部分生物量和健康有益物質的閤成纍積。各種園藝設施內蔬菜根區冠層技術裝備研發、根區冠層調控生理機製、根區冠層協同生理機理等研究是國內外關注熱點，取得瞭很多可喜的成果，亟待係統搜集整理，以推進該領域的發展。設施蔬菜無土栽培具有良好的根區與冠層調控的基礎屬性，能夠對根區介質及其水肥、溫度、溶解氧、空間等理化性狀進行定嚮調控，在設施內也能同時對整個設施空間和植物群體冠層的光照、溫濕度、CO2濃度、氣流等環境要素進行協同調節，基於植物生理學時空特性建立控製模型，耦閤調控植物生長全要素。根區與冠層是設施植物環境控製的核心部位。在中國，日光溫室、人工光植物工廠和太陽光植物工廠是設施蔬菜生産典型設施類型。就人工光植物工廠而言，LED光源引入從實踐層麵徹底實現瞭設施植物生産要素的全部智能控製。在生産要素中，隻有光照、營養是同時具有質量屬性和數量屬性的因素，需要“光配方”和“營養液配方”及其數量調控策略。所以，根區與冠層調控的核心且最復雜的因子分彆是營養和光照。

中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所是國內最早從事設施無土栽培技術裝備研發的國傢級科研單位，已開展瞭十餘年的研究工作。在科技部儀器升級改造項目、“十二五”國傢“863”計劃項目和“十三五”國傢重點研發計劃項目課題等項目的資助下，在設施蔬菜無土栽培領域應用方麵取得瞭眾多成果。截至2016年年底，研究團隊以第一完成單位獲得省部級以上相關科研奬勵6項，分彆是2008年獲得北京市科學技術二等奬（都市型設施園藝栽培模式與配套裝備研究，2008農-2-001）；2009年獲得國傢科技進步二等奬（都市型設施園藝栽培模式創新及關鍵技術研究與示範推廣，2009-J-251-2-13-D01）；2011年獲得第十三屆中國專利奬金奬（甘薯吸收根—塊根功能分離栽培方法）；2013年獲得全國農牧漁業豐收奬二等奬（設施蔬菜工廠化生産關鍵技術研究與示範推廣，FCG-2013-2-097-07R）；2015年獲得中國農業科學院科學技術成果奬一等奬（智能植物工廠能效提升與營養品質調控關鍵技術，2015-JC-04-01-R01）；2016年獲得北京市科學技術二等奬（智能植物工廠能效提升與營養品質調控關鍵技術研究與應用，2016農-2-002）。在此國內外設施無土栽培方興未艾之時，從業者渴望學習和掌握無土栽培技術原理和技術裝備研發現狀，為瞭滿足廣大業界人士的需求，作者萌發瞭撰著本書的念頭。本書正是這些研究成果的集中體現，力求能夠反映世界和國內設施蔬菜無土栽培領域研發與應用的最新研究進展，為業界人士提供參考，以期推動我國設施蔬菜無土栽培領域的應用基礎研究與技術創新。

值此國傢大力發展現代農業，確立瞭保障糧食安全和農産品有效供給長期發展戰略之際，《設施蔬菜無土栽培及其根區與冠層調控》撰寫完畢並付之以梓，甚是欣慰。該書以國內外主體園藝設施日光溫室、植物工廠中蔬菜無土栽培及其根區與冠層調控技術裝備為主綫，闡述瞭日光溫室起壟內嵌式基質栽培方法及其根區與冠層調控技術裝備與其應用效果，重點明確瞭植物工廠無土栽培及其根區冠層調控技術裝備，總結瞭設施蔬菜無土栽培根區冠層調控在蔬菜優質高産中的貢獻機製和實踐方法。該書涉及光生物學、設施園藝學、蔬菜學、植物生理學、植物營養學、生物環境工程、LED半導體照明和智能控製技術等多學科，彼此交叉且有機結閤為特點，以課題組研究成果為主體，係統展示瞭幾十年來國內外設施蔬菜無土栽培技術裝備、根區冠層調控的研究最新進展和應用現狀全貌，深度闡述瞭設施蔬菜無土栽培的應用潛力、存在問題及發展前景。全書共九章，即第一章設施園藝産業與技術裝備發展概述；第二章設施蔬菜土壤栽培資源環境品質問題；第三章設施園藝無土栽培技術裝備發展概述；第四章日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法構建；第五章日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法蓄熱保溫機理研究；第六章設施蔬菜起壟內嵌式基質栽培根區冠層調控研究；第七章設施作物根區冠層調控的生理機製；第八章太陽光植物工廠無土栽培及根區冠層調控；第九章人工光植物工廠無土栽培及根區冠層調控。本書適於大專院校植物營養學、土壤學、農業生物環境工程、設施園藝科學與工程、園藝設施學、照明工程等專業的本科生、研究生和教師以及廣大農業科技工作者、農業企業界人士閱讀參考。

本書編著過程中收集整理瞭研究生餘意、趙姣姣、劉義飛、李宗耕、張玉彬、楊佳佳、馬全會、邱誌平和查淩雁等人的部分研究結果，在此對他（她）們錶示感謝。感謝楊其長研究員對本書撰寫過程中提供的材料幫助，感謝設施植物環境工程創新團隊對本書撰寫的支持。衷心希望本書能夠對我國設施蔬菜高效栽培生産、産業體質增效起到一定推動作用，促進和改變我國單純依賴增加設施蔬菜栽培麵積提高産量的粗放增長方式，實現産品優質、單産高、環境友好、資源節約，甚至可以周年生産的現代設施園藝可持續發展方式。由於著者水平有限，書中不妥之處在所難免，懇請廣大讀者提齣寶貴意見和建議，以便再版時改進完善。

最後，感謝“十二五”國傢“863”課題：植物工廠節能LED光源及光環境智能控製技術（2013��1—2017��12，課題編號：2013AA103001）和“十三五”國傢重點研發計劃項目課題：設施農田氮磷淋溶防控技術集成示範（課題編號：2016YFD0801001，2016��1—2020��12）的資助。