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。

目錄

引言（1）

設施農業與設施園藝的概念（2）

設施園藝生産體係構成（5）

我國設施園藝産業發展概述（9）

我國設施園藝技術裝備發展概述（17）

我國日光溫室環境控製技術裝備發展概述（22）

連棟溫室環境控製技術裝備（31）

人工光植物工廠環境控製技術裝備（32）

結語（32）

設施蔬菜土壤栽培資源環境與品質問題（34）

引言（34）

設施蔬菜土壤栽培的方式（36）

設施蔬菜土壤栽培的資源問題（36）

設施蔬菜土壤栽培的環境問題（38）

設施蔬菜土壤栽培的品質問題（40）

設施蔬菜土壤栽培的環控問題（46）

設施蔬菜土壤栽培與無土栽培係統特性比較分析（50）

設施蔬菜土壤栽培對産業發展的阻礙作用（52）

設施蔬菜土壤栽培發展的技術對策（53）

設施園藝無土栽培技術裝備發展概述（55）

引言（55）

設施園藝無土栽培發明（58）

設施蔬菜無土栽培方法（66）

營養液組成原則及配製方法（90）

設施蔬菜無土栽培創新（94）

現代無土栽培存在的問題與對策（100）

無土栽培防病害生産（102）

日光溫室蔬菜土壟內嵌式基質栽培方法的構建（107）

引言（107）

日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法構建（108）

日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法鼕季模式及其原理（110）

日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法夏季模式及其原理（111）

日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培根區溫度與甜椒生長及産量效應（112）

栽培壟規格參數對栽培壟根區溫度的影響（120）

設施蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法優勢分析（124）

土壟內嵌式基質栽培方法研發方嚮（125）

日光溫室北牆無土栽培方式（125）

日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培蓄熱保溫機理研究（127）

引言（127）

鼕季日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培甜椒優化研究（128）

夏季日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培番茄優化研究（139）

設施蔬菜起壟內嵌式基質栽培根區與冠層調控機製研究（149）

引言（149）

設施蔬菜起壟內嵌式基質栽培根區與冠層調控方法與技術裝備（150）

設施甜椒起壟內嵌式基質栽培根區與冠層調控試驗（152）

設施甜椒起壟內嵌式基質栽培根區與冠層調控研究展望（162）

設施蔬菜根區與冠層調控方法及其生理機製（164）

引言（164）

設施作物根區調控的內涵與優勢（166）

根區環境調控生理機製（171）

設施作物冠層調控的內涵與優勢（175）

根區冠層協同調控生理機製（193）

日光溫室光溫逆境發生規律及剋服方法（195）

太陽光植物工廠無土栽培及根區與冠層調控（197）

引言（197）8��2太陽光植物工廠概述（198）

太陽光植物工廠無土栽培方式（202）

太陽光植物工廠無土栽培根區調控（205）

太陽光植物工廠無土栽培冠層調控（210）

人工光植物工廠無土栽培及根區與冠層調控（221）

引言（221）

人工光植物工廠概述（224）

人工光植物工廠無土栽培方式（229）

人工光植物工廠無土栽培根區調控（236）

人工光植物工廠無土栽培冠層調控（242）

參考文獻（258）

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