国外有机设施园艺现状及对中国设施农业可持续发展的启示

刘霓红，蒋先平，程俊峰，李惠玲，李 苇 ，薛坤鹏 ，侯 露 ，熊 征 ※

（1.广东省现代农业装备研究所，广州 510640；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广州 510530）

0 引 言

设施农业作为现代农业主要形式之一，已经成为世界各国农业发展的重点[1]。欧美国家及日本等发达国家在发展设施农业过程中，不仅能高水平地进行设施建设和能源利用，并且配套有先进的栽培、管理技术，获得极高的经济效益，并成为其支柱产业[2]。中国设施农业近年来也得到了前所未有的迅猛发展，主要表现为：设施建设逐步向大型化、规模化发展；设施装备逐步向机械化、智能化发展。设施园艺技术逐步向标准化发展；作物品种逐步向设施专用化发展[3-6]。但是中国设施园艺产业在数量不断增加的同时，其产业内部长期积累的生态环境恶化问题及由此带来的农产品质量安全问题也日益凸显[7]。

自然子刊《Nature Plant》撰文表明：在面对21世纪人口激增、气候变化和环境恶化等问题，新有机农业是可持续农业发展的主力军[8]。尽管通常认为有机农业产量虽然低于常规农业10% ~ 20%，但在经济效益、环境影响、社会效益等方面都超过常规农业，更在提供营养、适应气候变化、增进土壤健康、保护生物多样性、增加就业和创造新的经济模式等方面有着积极表现[8-9]。因此，一种有机设施园艺（organic greenhouse horticulture, OGH，欧盟也称为BioGreenhouse）被提出解决设施农业发展的瓶颈问题[10]。本文将在下面介绍国外有机设施园艺发展现状及对中国设施农业可持续发展的启示。

1 国外有机设施园艺发展现状

1.1 有机设施园艺产生的背景

国外有机设施园艺是在全球有机农业供需不足背景下产生的。2016年Willer和Lernoud统计出自1999年以来，全球有机农业耕种面积增长4倍，2014年达到4300万hm2[11]。除酵母花、可可、椰子、咖啡豆、坚果、橄榄和茶等有机种植面积外，有机园艺共有133万hm2，它包括290 137 hm2的有机蔬菜，835 315 hm2的有机水果，49 225 hm2的有机浆果，146 657 hm2的有机药用植物，以及706 hm2的有机苗圃和观赏花卉。全球十大有机蔬菜产地分别是美国(59 669 hm2)、墨西哥(46 573 hm2)、波兰(26 664 hm2)、意大利(25 930 hm2)、中国(22 331 hm2)、法国(15 554 hm2)、西班牙(11 690 hm2)、德国(10 392 hm2)、乌克兰(8014 hm2)、荷兰(6003 hm2) （图1）[11]。

与有机种植面积增长相比，全球有机农产品的销售额增长更快。2014年有机农产品销售额比1999年增长了5倍，达到了800亿美元。其中，美国是最大的有机农产品消费市场，达到359亿美元，占全球市场的45%，年增长超过11%；欧洲是第二大的有机农产品销售市，2014年销售额达到262亿欧元，年增长超过7.6%（图2）。Dorais和Cull认为有机蔬菜种植面积虽然仅占全球蔬菜种植面积的0.5%，但是全球消费者对有机果蔬的需求高达30%至 40%[12]。随着消费者进一步对食品健康安全问题的担忧，比如农药残留、激素残留、抗生素残留，转基因风险和环境保护的意识进一步提高，有机农产品消费将会日益普及。预计2018年，全球有机农产品市场零售销售额将会达到1500亿美元[8-11]。

图 1 全球10大有机蔬菜生产国Fig. 1 Top 10 countries producing organic vegetable

图 2 全球有机食品市场消费份额Fig. 2 Ratio of global market by 10 top countries

通常认为有机农业产量低于传统农业，但是加拿大麦基尔大学的 Seufert等统计分析过去 66项有机农场研究，结果表明一些有机农场的产量几乎和传统农场的一样多，并且它们都有一个共同点：在特定的环境条件下，实施一定的管理实践，某些作物品种的有机种植产量和传统种植产量的差异非常小[13]。那么Seufert等指出的“这种特定的环境条件”，作为气候环境可控的温室或植物工厂，具有先天的优势。因此，在设施农业里系统开展有机园艺已经成为有机农业产业发展的方向之一。

1.2 有机设施园艺定义、起源和目标

有机设施园艺是指在气候环境可控的温室或植物工厂里，以对环境影响最少的外部投入，采用天然，非化学合成物质进行有机作物的栽培[10]。有机设施园艺最早是由国际有机农业运动联盟（international federal of organic agriculture movement, IFOAM）在2008年举办的“迈向可持续性和生产性的欧盟有机设施园艺”会议上被提出。当时会议的焦点是现有的有机种植法规主要是针对露天有机生产系统的，很大程度忽略了当时在欧美普遍存在温室设施里的有机种植规范。随后欧美专家成立工作小组对规范温室有机生产的技术建议进行了数年的专题讨论。直到2013年国际有机农业运动联合会和欧洲有机保护栽培的技术平台（TP organic）联合发布了2份作业指导方针，分别是《温室保护栽培生产最终报告》和《有机温室生产意见书》[14]。报告将可持续性生产和消费作为有机设施园艺的基本目标，目的是在保护自然环境和生物多样性同时，为消费者种植健康、安全的水果和蔬菜[15]。至此，有机设施园艺开始在国外快速发展。

1.3 国外有机设施园艺认证面积

欧美发达国家及其周边的国家，通过有机认证的设施园艺面积扩张迅速[16]。截止2016年（表1），欧盟国家有机设施蔬菜经过有机认证的共有5236 hm2，其他非欧盟国家经过有机认证的有3066 hm2。其中欧盟内的意大利和西班牙各有2000 hm2，法国有500~600 hm2，德国有263 hm2。欧盟外的墨西哥有1875 hm2，以色列有500 hm2，摩洛哥有 230 hm2，加拿大有 214 hm2以及美国有 186 hm2[12]。经统计，有机设施蔬菜的平均比例是 8.4%。德国、丹麦、美国和墨西哥占比均超过 20%以上，其中最多的是与美国相邻的墨西哥，占比达到了 51%。墨西哥不仅拥有规模为116 hm2高科技有机设施园艺，而且90%以上墨西哥有机设施园艺生产商都有扩大有机温室种植规模的意愿[12]。

表 1 国外有机设施蔬菜种植面积及所占其比例[12,16]Table 1 Estimation of organic vegetable greenhouse area worldwide and share in terms of their respective country greenhouse vegetable greenhouse area[12, 16].

不仅如此，欧美国家的有机设施园艺推广逐步形成规模化的现代农业产业园和专用的温室种业[17]。其中，意大利有机设施蔬菜产区主要集中在西西里岛，共有1000 hm2；西班牙有机设施蔬菜产区主要集中在安大路西亚，共有1800 hm2；法国有机设施蔬菜产区主要集中在地中海地区，法国西北的布列塔尼和西南的阿基坦地区也有较为集中的产业园；美国有机设施蔬菜产区主要集中在加州、俄勒冈州、佛罗里达州和宾夕法尼亚州；加拿大有机设施蔬菜产区主要集中在魁北克省、哥伦比亚省和安大略省（表 2）。这些产区一个共同点是，以专用的温室番茄、甜椒、黄瓜、生菜和草药等品种为主。其中美国获得有机认证的温室番茄种植面积有59.55 hm2，黄瓜有13.91 hm2，生菜有12.26 hm2，草药有28.2 hm2（表3）；其中墨西哥有机设施园艺大部分除种植不同大小和不同品种的番茄、黄瓜，甜椒外，以草莓、蓝莓和黑莓等浆果为主的第三代水果也开始有机设施种植。

表 2 美国和加拿大的有机设施蔬菜主要产区及其面积[12, 14, 17]Table 2 Main producing regions of organic greenhouse vegetables in USA and Canada[12, 14, 17].

表 3 美国有机设施蔬菜主要品种及其面积[17]Table 3 Main crops of organic greenhouse vegetables in USA[17]

1.4 有机设施园艺产量和盈利分析

从国外发展经验来看，各种因素影响有机设施生产的高效可持续性，包括：气候条件、消费者需求、生产管理经验、竞争机制和政府政策方针的支持。以高投入高产出为代表的高科技温室，有机番茄产量已经达到45~55 kg/m2，有机辣椒产量达到20~30 kg/m2，有机黄瓜产量达到50~60 kg/m2[12]。由于国外有机农产品的市场需求增长远超其市场供应，有机产品价格均表现出较高的溢价。以英国为例，即使有机农产品的产量只有 14.82 kg/m2，但每 hm2的年毛利可达到 66 996美元[18]。加拿大有机农产品的价格数指数也表明，有机温室农产品价格比传统温室产品高 170%~346%[19]。Crowder和Reganold采用meta分析了过去40 a全球的55种作物的市场价格规律，证明有机农业比传统农业更有利可图[20]。他们认为，不管是有机农产品的产量较传统农业低10%~18%，还是有机农业生产劳动力成本高出传统农成本 7%~13%，亦或是有机农产品的市场溢价下降29%~32%，只要有机农产品溢价在5%~7%时，有机生产者就已经和常规生产者盈利持平，有机农业就可继续扩张。

随着有机设施园艺市场的逐步发展和成熟，有机蔬菜市场的供应增加和竞争力加大，有机生产和传统农业生产之间的利润空间将会逐渐被压缩，其利润率和盈利能力可能随之出现下降。但是从设施农业发展趋势来看，温室有机品种的专用[21-22]、高效有机肥的投入[17,23]、可再生能源和资源的利用[24-25]、替代人工的园艺装备上线[5]以及符合有机的植保技术研究[26,27]，有机设施园艺的运行成本也会下降，产量也会逐步与传统农产品产量相持平，甚至超过传统农产品产量（表 4）。因此，尽管有机设施园艺的资金投入和市场压力可能让农民或者中小企业面临一些重大的挑战，但它仍然被认为是改善他们生产经营的解决方案之一[28]。

表 4 温室番茄有机种植和传统种植的产量对比分析Table 4 Contrastive analysis of organic yield and traditional planting of greenhouse Tomato

1.5 有机设施园艺基本形式及认证规则要点

设施园艺是一种在局部范围改善或创造环境，提供人为可控环境条件，进行蔬菜、瓜果等集约化的种植方式，大多为有土栽培[31]。但常规的设施种植“高投入、高产出”的特点使得养分在设施土壤中大量积累，形成土壤次生盐渍化、土壤酸化、土传病害等土壤障碍因子[32]。近年来，以建立和恢复农业生态系统生物多样性和农业可持续发展为目标的有机种植受到广泛关注，主要包括有机肥替代化肥施用和轮作方式[33-35]。前者增加了一些土壤有益细菌数量，如固氮菌等，这些有益细菌使土壤元素从有机形态转化成被植物吸收利用的形态，增加土壤肥力，促进土壤养分循环和植物生长[36-37]；后者可均衡利用土壤中的营养元素、改善土壤理化特性、减少土传病害[38]。此外，作为有效防止土壤连作障碍和土传病害的有机无土栽培方式（主要是基质栽培）在欧美多数国家也被视为一种有机设施园艺，其中美国对有机水培也可进行有机认证[12]，在这一点上，一些欧盟国家和加拿大有机认证标准对离开土壤基质的纯水培方式还不被接纳，已经引起一些学者关于无土栽培是否适合有机生产的争议[39-40]。

为引导温室生产商开展有机种植，欧盟委员会于2010年成立有机温室生产的技术咨询专家小组（EGTOP），2013年该小组向欧盟委员会递交了关于温室有机生产的最终报告，涉及气候控制、种植材料、土壤肥力、水资源管理、病虫害管理、节能以及可持续性[41]。结合最新文献对有机设施园艺的规则要点总结如下：1）坚持可持续发展作物有机温室生产的理念，以维持公众对有机农产品可持续性发展的信任[16,42]；2）坚持利用可再生资源和能源供热，优化温室隔热和保温技术。对没有任何保温措施的温室，需要避免农作物受霜冻(5 ℃以下)[43-44]；3）允许在秋季、冬季和早春季节使用人工补光，但只允许在黑暗、阴天以及白天延长时间使用，且日光和人工补光总时长不应超过12 h[12,41]；4）可以施用CO2，但来源应是可再生生物质的燃烧或发酵。出于温室气体对环境影响的考虑，禁止在夏季燃烧化石燃料来施用CO2[45-46]；5）采用轮作、堆肥，坚持施用有机肥。需计算每一种温室作物的养分投入产出平衡点，以确定补充可溶性养分的用量，避免过度施肥和土壤盐渍化的环境风险[47-48]；6）加强水肥管理。禁止用水清洗土壤或基质，需对营养液进行回收处理，避免养分流失[49-50]；7）因泥炭土属于稀缺资源，不接收泥炭土完全代替土壤种植，并且育苗时泥炭土不应超过 80%，再生的泥炭土可被接收，另外尽量采用可替代泥炭土的材料作为栽培基质，比如生物炭[41,51]；8）植物保护方面，采用天敌、物理防护为主，利用生物熏蒸（如十字花科或菊科植物残渣，厌氧发酵）和热处理（如：太阳能消毒、蒸汽消毒）为辅[52-54]；9）培育和选用优良抗病耐受性强的适合温室种植的有机农作物品种[55-56]。10）设施农业的有机认证转换期分为2种情况：一是在土壤中种植和露天种植一致；二是在基质中栽培，从技术角度讲，不需要转换期，比如欧盟有机标准（EC 889/2008）没有规定的蘑菇有机生产转换时间，但是强调了温室内部必须整体同时清洁，规避污染风险，生产资材也必须符合有机生产的规则[41,57]。

由上可见，有机农业生产不仅仅指在生产中完全或基本不用人工合成的肥料、农药、生长调节剂和畜禽饲料添加剂这种狭隘的有机农业观点[58]。为了确保有机农业能够促进可持续发展的目标，有机法规需要更多地强调与最佳环境的匹配实践，这对在设施温室里开展有机园艺尤其如此[59-60]。

2 中国发展有机设施园艺的意义及存在的问题

近年来，中国设施农业发展迅速，已成为优势产业[61]。中国学者结合中国的气候、经济、资源、功能和技术等诸多因素，对中国设施农业的发展思路提出了诸多的模式探讨[62]，比如：区域发展型[63-65]，轻简增效型[66]，资源利用型[67]，休闲娱乐型以及新技术型[68-70]。当前以产量为主的粗放发展模式，让中国温室数量和产量均居世界第一，占比达到 88%，但中国是设施农业大国，却不是设施农业强国[71]。其中中国设施蔬菜发展最为迅速，产量占到蔬菜总产量的 34%以上，为蔬菜周年均衡供应提供了重要保障。由于设施蔬菜生产周期长，产量高，用肥量大、施肥结构不合理，偏施氮肥现象严重，土壤次生盐渍化等问题突出[72]。2017年农业部印发《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》，要求以果菜茶生产为重点，实施有机肥替代化肥[73]。因此，开展有机设施园艺，对中国农业绿色发展有着重要的意义[74]。

提到有机农业，人们往往会与“低产”“低效”和“传统”等概念划等号。21世纪的有机农业不仅仅是指不使用合成化肥农药，而是应基于生物农业原则，采取改进品种多样性、科学轮作、种养结合、保护土壤和水、加强生物防治以及综合使用创新技术[8,75]。反观中国设施农业正处在转型的十字路口，推动农业由增产导向转向提质导向的“质量兴农战略”已经进入行动期，未来的设施农业应该是有机农业、集成农业、种养结合等多种可持续发展模式的结合[76-77]。其中，中国设施农业开展有机园艺及其认证方面相关信息相对较少[78]。究其原因有，1）缺乏针对温室的有机农产品标准。目前中国设施农业行业只有无公害农产品和绿色农产品的相关标准，唯独缺乏适用设施农业的有机产品的生产标准。加入世贸组织以后，中国农产品出口频遇“绿色屏障”，原因是发达国家常常以有机技术标准直接限制了中国农产品的出口。理应在有机设施园艺产品方面尽快与国际接轨[79]。2）温室土壤生态环境恶化，导致有机园艺先天不足。中国设施土壤已经出现土壤板结、次生盐渍化、土壤酸化、土壤养分失衡等质量退化问题，需要创新种植方式、合理轮作、科学施肥、加强田间管理、客土改良等设施农业土壤改良对策[7,31]。3）缺乏专用的温室种植品种。生产者出于收益的考虑，往往采用高肥力、高密度种植。在相对封闭的高温、高湿、弱光温室小气候环境里，极易受到诸多病虫害的侵袭危害，生产者又会大量用药。目前温室高产的背后是：“化肥+农药”，与国外相比，极其缺乏适合温室的抗病害、耐弱光、高品质高产量的专用品种[80]。4）针对有机温室园艺的系统技术研究较少。现有的技术研究主要围绕生产设施绿色食品的有机生态型无土栽培技术[81-83]、有机温室水肥利用技术[84-86]、农业废弃物与温室二氧化碳利用技术[87]、有害生物综合防治技术[88]、有机温室产品评估[89]以及节能技术利用上[90]。缺乏围绕有机设施园艺认证规则要点的技术集成研究和装备开发。5）市场环境较差。一方面市场上以次充好、鱼龙混杂的所谓有机农产品太多，已经严重挫伤消费者对有机农产品的信任。另一方面真正优质的有机农产品难有优价，导致有机生产商长期亏损，严重打击生产者生产高品质农产品的积极性[91]。

3 中国开展有机设施园艺的建议

农业的发展关于国家食品安全，资源利用和生态平衡[92]。国外有机设施园艺在理念目标、种植面积、产量和盈利状况、基本形式以及认证规则要点等方面的基本做法和成功经验，对中国发展有机设施园艺具有宝贵的启示作用。需要指出的是，国外有机设施园艺不能简单等同于“温室+有机种植”，它是一个以可持续发展为目标，包含温室环境控制、种植材料选择，土壤肥力保护，水资源管理，病虫害控制管理，节能和可持续盈利的有机统一体。当前，中国设施蔬菜生产在内的农业生产面临着成本不断增加、资源短缺、环境恶化、非农用地大量挤占耕地等问题，对于资源禀赋本就不富足的中国农业来说，中国开展有机设施园艺的基本形式在借鉴国外经验的同时，应立足国情合理利用并增殖自然资源，加快资源的循环利用并加速能量转化，瞄准生物技术培育出温室专用有机品种，通过温室农业机械装备提高设施蔬菜生产效率，积极推广有机无土栽培模式，生产出品质安全且数量较多的有机农产品，满足消费者对有机产品日益增长的需求，促进社会、经济和环境的持续发展。因此在借鉴上述国外有机设施园艺基础上，应开展以下工作：

1）进一步加强设施农业可持续性发展的理论和实践研究，形成国家和行业部门的管理法案、标准和实践指南的依据。有机农产品在国外有着严格的行业管理法案，比如美国由国家层面上制定的《有机食品法案》以及由美国农业部市场服务司制定的《美国有机农业条例》等，这些相关行业标准与管理措施对于美国有机农业的正常快速发展以及有机农产品的销售都起到了积极的促进作用[93]。从借鉴国外经验来看，首先，应确立可持续性发展为有机设施园艺发展目标，加强通过有机设施园艺在提高土或基质、种、肥、药、水、光和二氧化碳等农业资源高效利用的基础理论和实践研究；其次，以此为基础由国家层面制定一部适合中国国情发展的有机温室园艺法案，明确其发展目标、技术要点、扶持重点、激励机制、强制性处罚、政策保障等有关要求；最后，应由行业部门制定与国际接轨的《有机温室园艺生产认证标准》和《中国有机设施园艺实践指南》，对可再生能源和资源的合理利用，对维持最佳生产力的温室结构设计，有机肥替代化肥方案，作物轮作和间作方式，有机无土栽培方法，生物防病，天敌除虫和高效用水等方法做出具体明确的规定。

2）进一步加强有机设施园艺共性关键技术研究，探索自然的生物学过程管理农业方式，投入适当能量和资源，维持系统最佳的生产力。相比传统农业，有机设施园艺由于杜绝化肥、农药等化学制剂的使用，因此对有机农业相关作物的抗病性、抗逆性、病虫害的抵抗性以及抵抗其他自然灾害能力有更高的要求，而这些要求的解决主要依赖于科学技术的指导[94]。从借鉴国外经验来看，有机设施园艺涉及到农业一些共性关键技术，比如：适合高温高湿（南方）或低温弱光（北方）等温室环境的专用品种生物育种技术，土壤或基质、种、肥、药、水、光和二氧化碳等资源高效协同利用技术，有机水培及精准施用技术，有益微生物促进作物抗病、增产和提质等关键技术。这些共性关键技术的解决，需要围绕设施农业加强生物学基础研究，尤其应探索自然的生物学过程管理农业方式，投入适当能量和资源，维持系统最佳的生产力。

3）进一步加强匹配有机设施园艺技术要求的农业机械装备开发，弥补人力不足，提高有机设施农业生产效率，转变人们对有机农业的 “低产”、“低效”和“传统”等偏见。据统计，2015年中国60岁及以上人口达到2.22亿，占总人口的16.15 %，预计到2025年，中国60岁以上人口将达到 3亿[95]。中国农村人口老龄化进程快于城市老龄化，而农村青壮年劳动力仍将每年以 500万的速度逃离农村，这就使留在农村从事农业生产的劳动力素质整体下滑[96]。老龄化和农业劳动力短缺问题将为中国社会经济发展和农业转型带来新挑战。从借鉴国外经验来看，应由行业协会组织科研单位、大专院校、涉农企业、专业合作组织共同研发出符合有机设施园艺需求的农业机械设备，充分挖掘现代制造技术对自然生态利用和保护的潜力。

4）进一步加强有机设施园艺技术集成示范与推广应用，构建多元化的有机设施园艺推广服务体系，引导全方位的市场参与者之间建立互信机制。诚信体系是有机农业发展的根基，一些生产经营者投机取巧，弄虚作假，导致公众对有机农产品的质疑，造成有机农产品叫好不叫座，归根结底原因在于有机生产关键技术不配套、不完善，病虫害防治成本高以及生产地环境污染等问题，严重影响有机农产品产量和质量。企业如果没有效益，也就失去发展的动力[97]。从借鉴国外经验来看，首先，应将有设施园艺作为一种系统工程来看，它涉及到生物、化学、农学、机械工程、电子信息等多学科，需强化技术集成示范实践研究，在实践过程中发现问题，探索适合中国国情的解决办法；其次，构建以国家公益性推广机构为主体，科研单位、大专院校、涉农企业、专业合作组织和消费者共同参与的多元化有机设施园艺推广服务体系，全方位地为种植户和消费者提供有机设施蔬菜生产消费信息和技术服务，保障中国设施蔬菜产业的健康发展。

4 结 论

中国农业已经突破了产量难关，人们已经从解决温饱的需求，转变到吃好、吃出品质的需求。设施蔬菜以其良好地经济地位和社会效益成为发展现代农业的关键，然而中国设施农业总体上看大而不强，存在全要素生产率低，环境调控能力不足，机械化程度低，劳动生产率低，生产管理粗放和生态持续水平低等问题，随着劳动力短缺和中产阶级的消费观念转变与消费能力提升，必将倒逼中国设施农业生产的转型和升级。作为从事二十多年的设施农业科研和市场推广工作者来说，如何保障设施农业持续盈利一直是一个不可回避的问题。国外有机设施园艺业已证明在欧美发达国家和不发达国家均具有可持续性的生产和盈利，且以中低档温室为主，符合中国温室 90%为中低档设施的国情。中低档设施温室主要的问题是难以实现机械化生产，劳动效率低；另外通风差导致有害病菌泛滥，必须用药控制，不利于食品安全。如果能借鉴国外有机设施园艺的可持续发展理念和实践经验，逐步把这些问题解决，笔者认为有机设施园艺可成为一种农艺与农机相结合的设施农业发展新模式，在保障国家食品安全，资源利用，生态平衡和提高农民收入方面有着突出的作用。