设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控

1 设施园艺产业与技术装备发展概述
1．1 引言
1．2 设施农业与设施园艺的概念
1．3 设施园艺生产体系构成
1．4 我国设施园艺产业发展概述
1．5 我国设施园艺技术装备发展概述
1．6 我国日光温室环境控制技术装备发展概述
1．7 连栋温室环境控制技术装备
1．8 人工光植物工厂环境控制技术装备
1．9 结语

2 设施蔬菜土壤栽培资源环境与品质问题
2．1 引言
2．2 设施蔬菜土壤栽培的方式
2．3 设施蔬菜土壤栽培的资源问题
2．4 设施蔬菜土壤栽培的环境问题
2．5 设施蔬菜土壤栽培的品质问题
2．6 设施蔬菜土壤栽培的环控问题
2．7 设施蔬菜土壤栽培与无土栽培系统特性比较分析
2．8 设施蔬菜土壤栽培对产业发展的阻碍作用
2．9 设施蔬菜土壤栽培发展的技术对策

3 设施园艺无土栽培技术装备发展概述
3．1 引言
3．2 设施园艺无土栽培发明
3．3 设施蔬菜无土栽培方法
3．4 营养液组成原则及配制方法
3．5 设施蔬菜无土栽培创新
3．6 现代无土栽培存在的问题与对策
3．7 无土栽培防病害生产

4 日光温室蔬菜土垄内嵌式基质栽培方法的构建
4．1 引言
4．2 日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法构建
4．3 日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法冬季模式及其原理
4．4 日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法夏季模式及其原理
4．5 日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培根区温度与甜椒生长及产量效应
4．6 栽培垄规格参数对栽培垄根区温度的影响
4．7 设施蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法优势分析
4．8 土垄内嵌式基质栽培方法研发方向
4．9 日光温室北墙无土栽培方式

5 日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培蓄热保温机理研究
5．1 引言
5．2 冬季日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培甜椒优化研究
5．3 夏季日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培番茄优化研究

6 设施蔬菜起垄内嵌式基质栽培根区与冠层调控机制研究
6．1 引言
6．2 设施蔬菜起垄内嵌式基质栽培根区与冠层调控方法与技术装备
6．3 设施甜椒起垄内嵌式基质栽培根区与冠层调控试验
6．4 设施甜椒起垄内嵌式基质栽培根区与冠层调控研究展望

7 设施蔬菜根区与冠层调控方法及其生理机制
7．1 引言
7．2 设施作物根区调控的内涵与优势
7．3 根区环境调控生理机制
7．4 设施作物冠层调控的内涵与优势
7．5 根区冠层协同调控生理机制
7．6 日光温室光温逆境发生规律及克服方法

8 太阳光植物工厂无土栽培及根区与冠层调控
8．1 引言
8．2 太阳光植物工厂概述
8．3 太阳光植物工厂无土栽培方式
8．4 太阳光植物工厂无土栽培根区调控
8．5 太阳光植物工厂无土栽培冠层调控

9 人工光植物工厂无土栽培及根区与冠层调控
9．1 引言
9．2 人工光植物工厂概述
9．3 人工光植物工厂无土栽培方式
9．4 人工光植物工厂无土栽培根区调控
9．5 人工光植物工厂无土栽培冠层调控
参考文献

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）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有效、直接、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早从事设施无土栽培技术装备研发的科研单位，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。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。