我国设施蔬菜产业提质增效的方法与措施
随着人口的增长和城市化的加剧，中国对农产品需求的数量和质量持续增加，而农业不可再生资源（耕地、水肥等）不断减少，环境污染日益严重（大气污染、土壤污染和水污染等），气候变化及其灾害逐年增多，导致露地农田生产的不确定性增加，食物（粮食、蔬菜、水果等）产出数量和质量难以保证，食物安全问题日益凸显。设施园艺作为环境因子可控并可进行周年生产的高效农业生产模式，在植物和食用菌等农产品集约化生产，均衡农产品四季供给，解决国家食物安全尤其是菜篮子安全方面起着不可或缺的作用。
经过30多年的持续发展，中国的设施园艺产业发展迅速，有力保障了冬春季农产品的有效供给，产业地位与日俱增，社会关注度逐年提高。到2016年底设施面积已高达476.5万hm2，产值超1.46万亿元人民币。其中，设施蔬菜面积占78%（2018年中国工程科技论坛-智慧农业论坛，李天来院士数据）。中国设施蔬菜种植面积、产量居世界首位，已成为设施园艺大国。长期以来，中国设施蔬菜生产已形成了以日光温室为主的北方生产体系，以及塑料大棚为主的南方生产体系以，塑料大棚面积占总面积的44%，日光温室面积占26.5%（2018年中国工程科技论坛-智慧农业论坛，李天来院士数据）。
至今，设施蔬菜生产基本满足了中国城乡居民冬春季反季节蔬菜消费的需求，但设施蔬菜产业生产问题、优质优价、区域布局仍不较严重。其中，生产问题尤为突出，表现为温室系统自我调控功能不足，抵御自然灾害、周年高产稳产能力脆弱；生态扰动、环境污染强度大；资源利用率、高端高品质蔬菜比例低；技术支撑不够，产业效益提升停滞不前。显然，这与中国设施蔬菜产业设施和技术装备水平相对落后，农艺与农工技术融合不够，科技创新与支撑力不足有关。
过去30年，中国设施农业的快速发展主要是依靠单纯提高设施栽培面积实现的，不仅与粮食竞争耕地资源，也在试图大规模利用后备耕地和非可耕地。诚然，面积扩大虽能在一定程度上增加农产品供给数量，增加农民就业，但耕地、水肥、劳动力等农业资源占用量大，生态破坏和环境污染风险和代价高，生产效率和产业效益低等问题十分突出。总结而言，我国设施蔬菜生产存在的问题主要包括资源问题、环境污染问题、设施类型问题、环控技术装备问题、蔬菜品质问题及栽培技术问题，突出表现在资源利用率低、环境污染严重、设施类型落后、环控技术装备采纳率低、高品质蔬菜占比率低、土壤栽培方式亟待革新等方面。目前，设施蔬菜单产低、品质差、菜农收益低等现象普遍存在，距离现代农业发展的要求相去甚远，亟待提质增效。
资源问题
设施蔬菜生产存在严重的资源浪费问题。首先，设施蔬菜产业土地资源利用率偏低。日光温室非等高且单面透明的建造结构存在相互遮荫、土墙过厚、室内栽培面积狭小等问题，造成耕地资源利用率偏低，实际栽培面积仅占土地面积的30%~50%，亟待提高。其次，日光温室蔬菜生产中过量施肥现象普遍存在，养分资源利用率只有20%~30%左右，浪费严重。再次，灌溉水资源利用率低。目前，设施蔬菜多采用土壤栽培方式，沟灌和漫灌是主要灌溉方式，蔬菜根系浅，水资源淋失严重。最后，土壤质量普遍恶化。土壤质量关系到土壤肥力，因过量施肥导致的养分累积和次生盐渍化问题严重；因有机肥、灌溉导致的重金属、抗生素累积普遍存在；因连作障碍和病虫害防治导致的农药残留等问题致使土壤物理、化学（如pH下降）和生物化学属性发生了改变，降低了土壤可持续利用能力和自我更新能力，加之土壤栽培根区环境因子无法调控的弊端，土壤生产力呈下降趋势。
环境污染问题
设施蔬菜生产存在严重的环境污染问题。首先，过量施肥导致氮磷等养分离子通过淋洗和径流等方式进入地下水和地表水，致使水体硝酸盐超标，水体富营养化等严重水污染问题产生。而且，氮肥过量施用导致严重的土壤氮素残留和温室气体N2O排放，造成土壤、水和大气环境污染风险加大，后果严重。据报道，设施蔬菜每年的有机氮和无机氮投入总量高达300~2500kg/hm2，有些地区甚至高达3000kg/hm2以上，远远超过了大田作物氮肥投入量。其次，施肥、灌溉、病虫害防治等农艺措施使得重金属、农药、抗生素、有机污染物和病原菌等污染源进入设施内部，污染土壤和地下水，进而通过根系吸收进入蔬菜体内和可食部分，危害生态环境和人体健康。重金属、农药和有机污染物对人体多具有致癌、致畸和致突变危害，必须加以防治。全国范围内，设施蔬菜规模化生产地区，其地下水或地表水、土壤和蔬菜产品中的重金属、农药、抗生素、有机污染物含量超标严重，对生态环境和蔬菜品质造成了潜在危害。因此，为了削减设施蔬地对环境污染，“减肥减药”提质增效已成为当前迫在眉睫需要解决的问题，成为国家和业界学者的共识。
设施类型问题
当前，中国日光温室和塑料大棚始终遵循经典骨架结构，尤其是日光温室在结构上做了众多改进，但仍很难满足蔬菜安全过冬和越夏的问题，周年生产难度较大。究其原因，日光温室结构仍不能满足设施蔬菜生长发育适宜环境因子的需求，冬季低温寡照、夏季高温强光危害十分严重。
环控技术装备问题
通过日光温室结构、材料调整提高其蓄热保温性能一直是科研界研究焦点和热点，尤其是在墙体结构、相变材料、主动蓄放热等方面做了大量工作，墙体蓄放热过程与有效蓄放热厚度问题上取得了共识，效果明显。但是，这些措施只能有限地提升日光温室温热缓冲能力，无法从根本上改变日光温室温热环境被动调控的现实。究其原因，日光温室光照强度和入射光照面积很难自动调节，弱光寡照和强光条件下室内热量很难及时得到补充或逸散。
栽培技术问题
至今，绝大多数日光温室的蔬菜生产采用土垄覆膜或裸垄的栽培方式，采用沟灌或滴灌的灌溉方式。这种栽培体系虽具有成本低、技术易掌握、易管理等优势，但从30余年的长期生产实践和跟踪科学研究报道来看，日光温室蔬菜土壤栽培存在严重的资源环境等生产问题，增产和可持续发展潜力较差，亟待进行瓶颈性关键技术的革新。究其原因，肥料的过量施用导致严重的土壤氮素残留、氮素淋洗、地下水污染和N2O排放等环境污染的根源。土壤是具有一定持肥持水能力，但无法阻断水肥淋洗、转化、迁移的功能，加之比重大、三相结构复杂等原因无法精准去除土壤中的有害成分，在长期过量施肥条件下设施蔬菜连续生产会导致土壤理化性质劣变，病原菌种群数量激增及蔬菜分泌化感物质聚集，连作障碍和盐渍化问题日益严重。针对上述诸多问题，迫切需要研发适合日光温室应用的新型设施蔬菜栽培方法，替代传统的土壤栽培，从根本上实现设施蔬菜产业的减肥增效和可持续发展。
蔬菜品质问题
设施蔬菜品质问题一直受到社会关注，直接关系到消费者健康。设施蔬菜品质问题包括化学物质（重金属、抗生素、硝酸盐等）的吸收累积和“三致”农药残留、营养成分（维生素C、抗氧化物质、可溶性糖等）合成累积偏低等方面。需要着力提高高品质蔬菜产品的产量占比，保证无公害蔬菜基础上实现优质蔬菜产品占比达到50%以上，切实从品质上保蔬菜安全。
设施蔬菜产业提质增效主要环节在产中阶段，需要强化农工与农艺技术的革新和融合，解决现存的生产问题，实现绿色、自动化、高效和可持续发展。设施蔬菜产业提质增效主要目标包括四点。其一，通过技术创新与应用，提高设施蔬菜的生产质量。首要任务是大幅度增加单产（比如果菜产量达到30~60kg/m2），提高蔬菜品质（杜绝有害物质超标积累，降低硝酸盐含量，提高抗氧化物质和可溶性糖含量）；实施环境友好型生产方式，大幅度削减化学品环境释放，减少或阻断地下水和地表水氮磷污染，削减CO2和N2O等温室气体的排放量，减少大气污染；维护设施生态系统自我更新能力与可持续性。其二，通过技术创新与应用，提高设施蔬菜生产效率。提高生产资料利用效率，如耕地、水肥、农药、电能等农业资源；增加自动化水平，减少人力资源投入，提升单位面积经济产出。
在以家庭为主的生产经营模式下，在高产思想驱动下，菜农对科技的采纳更多集中于种子、化肥、农药和化控药剂等方面，忽视了设施结构、环控、栽培、水肥管理等方面，盲目加大资源投入量，环境污染严重，蔬菜品质堪忧，可持续发展前景黯淡，设施蔬菜产业已经到了必须转变、革新的发展阶段。实际上，中国设施蔬菜生产过于依赖农艺技术及资源投入，忽视了农业工程技术研发与应用，在综合因子作用律和最小因子作用律的作用下资源物质和能量投入很难得到高效利用，造成了诸多资源环境问题。因此，中国日光温室蔬菜生产必须提高工程化水平，通过工程技术创新提升温室结构功能、环控水平、栽培水平和水肥管理水平，实现日光温室蔬菜生产过程的工程化、自动化、洁净化和精准化，大幅提升资源和能源利用率，提高单产和蔬菜品质，减少生产资源环境释放，利用科技尤其是工程技术支撑从根本上实现设施蔬菜产业的提质增效，产业效益综合提高，健康绿色发展和可持续发展。设施蔬菜产业提质增效的方法与措施论述如下。
其一，创新或更新设施结构与类型。一方面，通过工程技术创新，改进日光温室结构，在维持原来结构优势的基础上，必需提高温室气密性和洁净度，增加栽培空间及其利用效率，并从结构上进行预设环控装备衔接功能。另一方面，大力发展新型设施类型，如人工光植物工厂和连栋温室，替代并释放大量土地资源，达到更新换代的跨越发展目标。
其二，革新设施蔬菜栽培工程技术，提高资源利用效率，实现自动化生产管控。受设施园艺发达国家设施无土栽培成功经验的启示，日光温室开始尝试采纳无土栽培模式，取得了很好的增产和环境效益。中国学者提出了一种设施蔬菜土垄内嵌式基质栽培方法，并获得国家发明专利授权（ZL201410342395.3）。该方法创新性提出了在土垄中央通过嵌入塑料膜和基质的方式，形成了土垄包裹的长方体基质根区，整合垄覆膜和滴灌等工程手段，形成了具有水肥一体化管控功能的新型无土栽培方式。该方法的创新思想在于利用塑料膜物理性隔离土壤，实现了以密闭式限根基质栽培替代传统开放式土垄栽培的变革，缩减的根区介质空间有利于根系水肥集中吸收，垄侧干燥土壤蓄热保温性能改善了蔬菜根区的温热条件，根区温热缓冲能力得以提升。该方法采纳滴灌方式减少了农用化学品投入和连作障碍发生，减肥减药，增加了资源利用效率；而且，该方法减少或阻断了氮磷等物质向地下水淋洗和地表水径流，削减了CO2和N2O等温室气体的排放量，减少大气污染。随着日光温室蓄热保温性能的提升，日光温室实施无土栽培方式指日可待。新型无土栽培技术具备低碳、高产、管控自动化和水肥一体化的现代设施农业生产的基本特征，产量、资源利用率显著提高，环境危害大幅降低，实现现代化的工厂化管理。
其三，大力发展温光调控技术装备，削减环境胁迫危害。日光温室是中国独创的设施类型，具有采光性能好，有一定的蓄热保温能力，能较好地满足冬春季蔬菜生产的需要。但是，由于没有配套的光温调控系统与装备，日光温室内的温度和光照等环境因素无法按照蔬菜需求进行控制，缓冲能力差，其变化均是自然被动过程，仍然没有摆脱依赖天气条件生产的束缚。开发低碳设施加温和人工补光技术是保障设施农业稳产高产的必要措施。加温方面，中国正在研发地热采集利用、太阳能主动采集利用等低碳技术；补光方面，第四代半导体光源LED是是实施设施应急补光的优选光源，具有光强、光质和光周期智能可控，冷光源、节能、环保等优势。
其四，提高设施蔬菜生产自动化和机械化水平，减少人力资源投入。以连栋温室栽培管控模式为发展目标，设施内环境因子监测、环控执行机构运行开闭、水肥一体化装备管控等均应实现自动化管理，减少人力资源投入或劳动量。大力发展设施内小型农机具，耕地、开沟、起垄、覆膜、种植等操作实现机械化，进一步减少人力资源投入或劳动量。
其五，谨慎开展设施蔬菜生产为目标的非可耕地开发，用工程技术保持好生态环境。在我国新疆和甘肃等省份，为了满足就业和产业发展需要创新产生了戈壁设施蔬菜和沙漠设施蔬菜业态，取得了很好的经济效益。显然，从生态保护角度而言，非可耕高地强度开发列为发展设施农业的手段是不适宜的。非可耕地多处戈壁或沙漠边缘，生态环境脆弱，发展设施农业的大规模扰动对生态的破坏是难以估量的，与当前中国倡导“绿水青山就是金山银山”的生态优先的农业发展理念格格不入。当前，随着中国耕地资源紧缺程度的加大，后备耕地不足，设施农业与露地粮食生产争地的问题日益严重，迫切需要革新设施农业的发展模式。
其六，大幅提高高品质蔬菜产出比。蔬菜品质是在满足数量供给条件下必需保障的农产品属性，对消费者健康至关重要。同时，高品质蔬菜可以优质优价，提高菜农生产收益。除了外观品质外，应着力提高蔬菜卫生品质和营养品质，杜绝重金属和农药等高风险物质的累积超标，也要大幅提高维生素C等营养物质的含量，提质增价。
中国是设施蔬菜产业大国，但与世界设施园艺强国相比仍有相当的发展差距，亟待通过工程技术创新，农工和农艺相结合，大幅度提质增效。中国的设施蔬菜生产基本处于“设施环控装备低投入-水肥资源高投入-低产出-低效益”的不良运行循环状态，产量仅为设施园艺发达国家的1/6~1/3，其特征在于耕地、水肥、人力、农药等资源粗放投入，资源浪费严重，环境污染加剧，得不偿失。
实际上，设施内环境因素也是一种资源，而且多是可再生资源（热、光照、空间、湿度、气流等），其调控利用水平低也是限制中国设施蔬菜生产力水平提高的技术短板。设施园艺发达国家的实践经验可知，通过提高设施环境因素的调控利用水平，按照木桶理论可带动耕地、水肥、人力等资源的利用效率，环控技术装备已成为现代设施蔬菜生产的技术核心。
现今，中国的设施蔬菜生产已经到了必须转型的历史阶段，迫切需要提高设施系统的环控水平，推进现代设施农业发展，使之走向“设施环控装备适投入-水肥资源适投入-高产出-高效益”的良性运行循环的发展轨迹。现代设施农业必需通过实施高水平的设施环境控制提高温光等环境因子利用效率，增加耕地等资源的利用效率和产业效益，减少耕地占用，提升生态环境保护功能，这也被称为环境替代资源战略。
因此，在中国耕地资源紧缺的国情下，通过科技创新大力发展现代设施农业，提高单产是中国设施农业乃至现代农业可持续发展的优选之路。当前，中国正处在推进农业现代化的关键时期，正在实施生态文明和乡村振兴战略，粮食安全和农产品的有效供给问题是关系国计民生的战略性问题，同时保护环境、减少环境污染和资源浪费也是当务之急，而大力推进设施农业现代化是实现食物安全、环境友好设施农业的核心途径。
作者：刘文科（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，
农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室）
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