发展设施蔬菜低碳生产技术的探讨

张志斌

发展设施蔬菜低碳生产技术的探讨

张志斌

张志斌，男，研究员，博士生导师，中国农业科学院蔬菜花卉研究所，

北京中关村南大街12号，100081，电话：010-82109507，E-mail：zhangivf@yahoo.com.cn

气候变化对全球环境和生态系统已产生着重要影响，发展低碳农业的目标之一就是使农业生产系统适应全球变暖并减缓温室气体排放。温室气体或温室效应气体主要是二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）等气体。

低碳农业是以低能耗、低排放、低污染为基础的农业生产模式，其关键在于提高农业生态系统对气候变化的适应性并降低农业发展对生态系统碳循环的影响，维持生物圈的碳平衡，其根本目标是促进实现碳中性，使人为排放的CO2与通过人为措施吸收的CO2实现动态平衡。

我国是一个设施农业大国，据统计，2008年我国设施蔬菜（包括西甜瓜）栽培面积达335万hm2，设施蔬菜占设施园艺面积的95%以上，占世界设施蔬菜总面积的80%以上。2008年我国设施蔬菜年种植面积比2000年翻了近一番，占全国蔬菜种植总面积的18.7%。2008年我国设施蔬菜产量2.47亿t，占蔬菜总产量41.7%，设施蔬菜总产值达4100亿元，占蔬菜总产值的51%。实践证明，设施蔬菜产业在我国一些区域已成为农业的支柱产业，也成为现代农业的重要标志。因此，在设施农业领域推行温室气体减排和适应气候变化措施，发展低碳生产技术，不仅对提高设施农业应对气候变化能力，促进其可持续发展有着重要的意义，也能为实现中国政府公布的《节能中长期专项规划》中，争取2010～2020年的10年中把年均节能率提高到3%这一目标作贡献（邢继俊和赵刚，2007）。

1 我国设施蔬菜低碳生产存在的问题

1.1 设施资源高效利用技术水平低

我国目前设施蔬菜资源利用率低，缺乏配套的资源高效利用和设施蔬菜低碳生产技术，主要表现在能源、水资源、土地资源及劳动力资源等方面。长期以来设施蔬菜生产多偏重于获得高产，不惜投入大量的资源，肥料、能源和水资源等浪费严重。我国设施农业单位面积水资源的利用率仅为以色列的1/5左右，而且肥料利用率更低，如氮素利用率只有30%～35%，与先进国家相比低20个百分点左右，不仅造成资源浪费，还会引起面源污染，严重影响我国设施农业的持续高效发展。大型温室，特别是国产的大型温室对环境的调控能力较差，表现在耗能高、单产低、年利用率不高。我国地处北纬40°左右，温室每年每667m2燃煤消耗40～100 t，能源耗费占生产成本的50%以上。而荷兰地处北纬52°，能源耗费仅占生产成本的20%左右。我国温室在冬季有100多天不能满足果菜生长最理想的温度要求，果菜只能维持生长。在夏季的7～8月份，大部分温室因高温处于休闲，利用率不高。我国日光温室虽节能性能较好，但日光温室的土地利用率仅为50%左右，绝大多数日光温室设备比较简陋，生产设施和配套设备总体水平较低，环境控制的现代化水平和劳动生产率较低。

1.2 产品安全质量亟待提高

我国的节能型日光温室和塑料大棚，棚室优化环境能力有限，与露地生态系统相比，棚室环境中具有温差大、高湿和弱光等特点，病虫害易于发生。同时，设施连作障碍已经成为影响我国设施农业土壤资源持续高效利用的重要瓶颈。由于设施结构不合理，加上对环境的调控能力差，造成病虫害大量发生，致使农药使用过量，给产品造成污染，从而降低了产品效益。有些温室蔬菜作物生产为了单纯追求产量，盲目过量施用化肥，重茬连作，产品和土壤污染严重。随着设施作物栽培年限的增加，引起土壤微生物种群的改变、土壤结构的破坏和次生盐渍化以及养分障碍的发生，造成土壤质量退化。据估计，我国常年发生的重要设施园艺作物病虫害多达百种以上，而造成严重危害的约有50余种，产量损失超过25%，防治药剂不合理施用，严重污染园艺产品和生态环境（张志斌，2008）。

1.3 设施蔬菜低碳生产配套栽培技术体系尚未建立

我国设施蔬菜低碳生产从品种到栽培技术和病虫害防治等栽培技术体系尚未建立，设施蔬菜专用品种的研究与利用相对较落后，特别是低能耗、抗逆强、高品质的设施专用品种的研究与开发力度不够，许多优质主栽品种如适宜设施环境种植的番茄、甜椒等还依赖进口，具有完全自主知识产权的专用品种尚不能占领主导市场。由于缺乏设施蔬菜低碳生产栽培技术体系，我国目前设施蔬菜的单位面积产量、质量、效益和劳动生产率与国外相比还有较大的差距。设施蔬菜平均年产仅约为15kg·m-2左右，是国际先进国家设施蔬菜产量的1/2～1/3。特别是单位能量蔬菜产出率较低，严重影响了设施蔬菜产品的高效益，影响我国设施蔬菜生产的持续性发展。要实现低碳发展和可持续发展，节能减排是一种重要的方式和手段。节能就是在尽可能地减少能源消耗量的前提下，获得与原来等效的经济产出，有效地利用能源，提高能源利用效率（付允 等，2008）。

2 设施蔬菜低碳生产技术对策

2.1 优化设施结构，提高节能效率

日光温室和塑料棚是我国设施蔬菜栽培的主要类型。日光温室本身节能减排优势突出，目前全国节能日光温室约70万hm2，按每公顷年节煤750 t计算，每年可节约煤炭5亿t，约占全国煤炭消耗量的1/5。按每吨标准煤燃烧放出CO22.5 t计算，每年可减排 CO212.5 亿 t。

应对节能减排，要进一步优化温室结构，研发合理采光、减少热损失和夜间保温技术，提高日光温室的节能效果。研发节能性强的日光温室，要在保持其采光性、保温性优于目前温室的前提下，进行大跨度日光温室的自动化全季节安全利用研究，提高温室的空间利用率、土地利用率和抗灾能力。研究开发不同纬度地区大跨度日光温室结构材料、优化设计技术原理与模型。优化的新型日光温室在冬季正常天气下，夜间最低温度应高于外界30℃以上。研究亚热带地区冬夏两用连栋温室结构性能优化设计技术原理，开发具有节能、节水、节药、节肥功能，有自主知识产权的工程技术装备，实现我国设施农业高技术的国产化。

2.2 研发设施综合节能减排技术

研发高透光、高保温多功能覆盖材料，大幅度提高覆盖材料的透光率，增加太阳能的入射量。同时研发防止设施内部长波向外辐射的材料，如对温室覆盖材料的内侧进行镀膜处理等。同时研发保温技术与材料设备，提高设施夜间保温能力。保温材料可研发墙体和后坡面蓄热性能好、隔热性强的复合或相变材料等。进行便于机械化操作的多层覆盖技术、合理通风等量化节能管理技术，提高节能效果。

研发热能的多渠道利用和余热回收技术，开发浅层地能的利用技术，将土壤作为蓄热源，夏季把低温冷源抽到地里，把经过热交换的热量打到地下，使温室降温；冬季用热泵把高温热源抽上来，升温至45～50℃，只需要少许加温就可以用于温室采暖，节能幅度可达60%以上。

研究提高单位能量的作物产出率相关技术，重点研究设施逆境管理技术、作物防衰老技术等，提高单位面积蔬菜产量，主要是低温、弱光、高湿，高温、强光等亚适宜环境作物的响应机理与代谢调控技术，特别是散射光利用技术的研究。通过配套机械工程和微电子技术，使设施内温度、湿度、光照、水分、养分、CO2浓度等综合环境自动调控到作物生育所需的最佳状态。生产作业高度自动化和机械化，达到科学配置利用资源、能源，提高土地利用率、劳动生产率和优质农产品产出率，大幅度提高作物单产水平。荷兰温室蔬菜单位产量的耗能率低的原因之一，就是通过应用综合高新技术，使温室番茄年平均产量可达40～50kg·m-2，黄瓜年产60kg·m-2以上，商品率高达90%以上，从而降低了温室蔬菜单位产量的耗能率。

2.3 研究开发设施蔬菜保质减药技术

减少化学农药使用，也是低碳农业的重要内容。随着全球经济的发展和社会的进步，人们对生活的质量和食品的品质提出了更高的要求，纯天然、无污染的健康食品已成为人们一种新的追求。在设施农业发达的国家，利用生物防治技术、生态调控技术防治设施蔬菜病虫害越来越普遍。荷兰设施蔬菜生物防治率已达90%以上，但我国这样一个设施农业大国，根据我国蔬菜生长的复杂自然环境以及我国目前的科技水平，防治蔬菜病虫害仍然要使用化学农药。但要加强病虫害诊断技术的研究、推广与应用，准确、合理使用农药（李宝聚，2010）。同时要加强农药使用技术的研究，用最少量的农药达到最佳的防治效果。目前我国农药有效利用率只有10%～30%，远低于发达国家50%的平均水平，喷撒的大部分农药流失，造成了严重的环境污染（中国农药网，2010）。研究生物防治和物理防治相结合的综合防控技术，减少化学药剂的使用，努力实现对蔬菜和环境的零污染。

为保障设施蔬菜保质减药，需要研究设施条件下病虫害发生的规律和控制技术，重点研究主要设施病虫害的发生的规律和生化与分子早期诊断技术，设施毁灭性病虫害的高效专一性天敌和生物制剂的筛选与研制，天敌与生物制剂规模化生产技术及其在不同设施环境下的应用技术。

针对设施栽培中土壤线虫带来的毁灭性危害问题，研究土壤耕作强度、方式、作物茬口、土质、土壤pH、土壤微生物和杀线虫剂对线虫发生、流行与控制的影响，研究综合治理技术。根据线虫流行、加重的生态规律，在化学防治大幅度抑制的基础上，寻求初步的微生物防治手段，最终使土壤生物环境趋于平衡。

2.4 研究开发资源综合高效利用技术，建立设施蔬菜低碳生产技术体系

研发低能耗、资源高效利用、无污染等设施蔬菜低碳综合生产技术，研究利用农业废弃物等建立设施蔬菜低碳生产技术体系。

我国每年农产秸秆6亿t左右，若燃烧将造成CO2排放和空气污染，研发其利用技术意义重大。实验表明，大气中的CO2浓度约为300mg·kg-1，而当设施内CO2浓度达600～900mg·kg-1时，大部分蔬菜产量可以提高1倍。CO2浓度充足可使蔬菜提早上市，减少农药用量，抑制硝态氮的反硝化作用，改善作物品质。一般瓜类、茄果类蔬菜CO2饱和点浓度为1500mg·kg-1左右，而设施内白天在日出后至上午放风前CO2浓度往往不足，甚至低于外界大气中的CO2浓度，远远不能满足设施蔬菜光合作用的需要。所以研究利用CO2施肥技术和开发“碳基肥料”，不仅可以提高农作物的产量，而且还可以大幅度减少CO2排放来发展低碳农业。

研究沼气利用和设施环境土壤有机栽培关键技术，研究开发秸秆等农业废弃物无害化快速腐熟技术，栽培系统的施肥、灌溉等量化管理及病虫害全过程控制的绿色化技术，集成适合我国国情的土壤有机栽培生产体系。研究替代草炭和岩棉的无土栽培生态型基质和栽培基质理化性质的优化配比，研究作物营养与水分精准管理技术，基质与营养液的环境友好型消毒技术，建立园艺作物高产复合生态基质无土栽培的操作技术规范。

研究配方量化科学施肥技术，通过测土壤养分，根据作物生长所需的养分提出营养配方。重点是提高化肥利用率和减少化肥用量技术。按提高氮肥利用率10%计算，我国每年可减少氮肥250万t，折成尿素则为540万t。我国尿素约占氮肥的50%以上，按生产1 t尿素需要1 t标煤计算，可减少1350万t CO2排放。研发缓释肥料应用技术，减缓或控制肥料中养分化合物在土壤中的释放速度，减少肥料养分特别是氮素在土壤中的损失，从而减少施肥次数，节省劳力和费用。

研究开发节水模式和雨水收集利用技术，推广蔬菜节水灌溉技术和蔬菜渗灌、微喷灌、滴溉等技术。

总之，通过低能耗、抗逆和抗病性强的设施专用品种选育和低能耗、资源高效利用、无污染等设施蔬菜综合生产关键技术研发，研究建立适合我国国情的设施蔬菜低碳生产技术体系。为尽快建立该栽培技术体系，提高设施蔬菜产品的科技含量和国际竞争力，建议国家“十二·五”农业科技专项应向设施蔬菜低碳技术研究倾斜，将之列入国家有关部委的国家“支撑计划”、“863”计划、“973”计划等重点项目，并将设施蔬菜低碳技术示范与产业化列入国家重大专项。

邢继俊，赵刚.2007.中国要大力发展低碳经济.中国科技论坛，10：87-92.

张志斌.2008.我国设施蔬菜存在的问题及发展重点.中国蔬菜，5：1-3.

付允，马永欢，刘怡君，牛文元.2008.低碳经济的发展模式研究.中国人口·资源与环境，3：14-19.

李宝聚.2010.安全蔬菜是种出来的——对海南豇豆事件的思考.中国蔬菜，5：1-2.

中国农药网.2010.我国农药使用技术存在的问题和认识上的“误区”.〔2010-04-14〕.http://www.agrichem.cn/news/2010/4/14/201041416582422580.shtml.

2010-04-17；接受日期：2010-04-21