设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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内容简介

　　《设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控》共九章，即靠前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。《设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控》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。

作者简介

　　刘文科，男，1974年生，河北省孟村县人，中共党员、博士、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员、博士生导师。现任中国照明学会电光源专委会农业照明委员会（ALS）秘书长兼副理事长、农业照明技术创新与应用战略联盟（CAAL）秘书长、靠前园艺学会会员、中国照明学会光生物光化学专业委员会委员、国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）应用推广工作委员会农业与生物照明工作组和工业建筑照明工作组专家委员、CSA十年贡献奖专家、中国科协285次青年科学家论坛暨光生物光化学应用研究论坛执行、研究生院很好硕士论文导师、所学位委员会委员；任《照明工程学报》和《农业工程》特邀审稿专家、中国博士后科学基金评审专家、教育部学位与研究生教育发展中心抽检学位论文评议专家、北京市科委评审专家库专家、国家靠前科技合作专项评审专家、中华农业科技奖评审专家。于2004年在中国农业大学获得博士学位，2005年日本JIRCAS进修，2012年日本蔬菜茶叶研究所进修。2013年1月任研究员，2014年任博士生导师。现为科技部重点领域创新团队“农业生物环境科学与工程创新团队”骨干、中国农业科学院创新工程“设施植物环境工程”创新团队骨干。

目录

引言（1）

设施农业与设施园艺的概念（2）

设施园艺生产体系构成（5）

我国设施园艺产业发展概述（9）

我国设施园艺技术装备发展概述（17）

我国日光温室环境控制技术装备发展概述（22）

连栋温室环境控制技术装备（31）

人工光植物工厂环境控制技术装备（32）

结语（32）

设施蔬菜土壤栽培资源环境与品质问题（34）

引言（34）

设施蔬菜土壤栽培的方式（36）

设施蔬菜土壤栽培的资源问题（36）

设施蔬菜土壤栽培的环境问题（38）

设施蔬菜土壤栽培的品质问题（40）

设施蔬菜土壤栽培的环控问题（46）

设施蔬菜土壤栽培与无土栽培系统特性比较分析（50）

设施蔬菜土壤栽培对产业发展的阻碍作用（52）

设施蔬菜土壤栽培发展的技术对策（53）

设施园艺无土栽培技术装备发展概述（55）

引言（55）

设施园艺无土栽培发明（58）

设施蔬菜无土栽培方法（66）

营养液组成原则及配制方法（90）

设施蔬菜无土栽培创新（94）

现代无土栽培存在的问题与对策（100）

无土栽培防病害生产（102）

日光温室蔬菜土垄内嵌式基质栽培方法的构建（107）

引言（107）

日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法构建（108）

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（110）

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（111）

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（112）

栽培垄规格参数对栽培垄根区温度的影响（120）

设施蔬菜起垄内嵌式基质栽培方法优势分析（124）

土垄内嵌式基质栽培方法研发方向（125）

日光温室北墙无土栽培方式（125）

日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培蓄热保温机理研究（127）

引言（127）

冬季日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培甜椒优化研究（128）

夏季日光温室蔬菜起垄内嵌式基质栽培番茄优化研究（139）

设施蔬菜起垄内嵌式基质栽培根区与冠层调控机制研究（149）

引言（149）

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（150）

设施甜椒起垄内嵌式基质栽培根区与冠层调控试验（152）

设施甜椒起垄内嵌式基质栽培根区与冠层调控研究展望（162）

设施蔬菜根区与冠层调控方法及其生理机制（164）

引言（164）

设施作物根区调控的内涵与优势（166）

根区环境调控生理机制（171）

设施作物冠层调控的内涵与优势（175）

根区冠层协同调控生理机制（193）

日光温室光温逆境发生规律及克服方法（195）

太阳光植物工厂无土栽培及根区与冠层调控（197）

引言（197）8��2太阳光植物工厂概述（198）

太阳光植物工厂无土栽培方式（202）

太阳光植物工厂无土栽培根区调控（205）

太阳光植物工厂无土栽培冠层调控（210）

人工光植物工厂无土栽培及根区与冠层调控（221）

引言（221）

人工光植物工厂概述（224）

人工光植物工厂无土栽培方式（229）

人工光植物工厂无土栽培根区调控（236）

人工光植物工厂无土栽培冠层调控（242）

参考文献（258）

精彩书摘

1设施园艺产业与技术装备发展概述〖MZ(1H〗1设施园艺产业与技术装备发展概述摘要：设施园艺产业在我国农业生产中占有极其重要的地位，在园艺作物（蔬菜、花卉、果树）、中药材、食用菌等农业生物生产与农产品有效供给中发挥着重要作用，对改善农业生产条件，提高了农业发展质量和效益，推进城乡统筹发展的进程具有十分重大的意义。设施园艺是技术装备密集型产业，其发展水平与多个领域的技术、装备和材料发展水平密切相关。我国设施园艺规模化发展始于20世纪80年代，伴随设施材料与结构、环控设施、栽培设施的进步而不断发展，已发展出塑料大棚、日光温室、连栋温室和植物工厂四类主体园艺设施，应运而生的配套技术装备体系。设施生产面积以每年10%以上的速度在增长，形成了不同区域各具特色的设施类型、生产模式和技术体系，业已成为我国许多区域的农业支柱产业。本章介绍了设施农业、设施园艺等基本概念，总结了设施园艺产业及其技术装备发展现状、存在问题及解决对策，重点强调了国内外园艺设施材料与结构、环控技术装备、栽培技术装备发展进展，针对性提出了发展思路。

〖MZ(2H〗1��1引言

蔬菜是人们日常饮食中必不可少的食物之一，可提供人体所必需的多种维生素和矿物质等营养物质。据联合国粮农组织统计，人体必需的维生素Ｃ的90%，维生素Ａ的60%来自蔬菜。此外，蔬菜中含有多种人体活动不可缺少的营养物质，营养价值较高。比如，类黄酮、酚酸、花青素等抗氧化物质可有效地预防多种疾病。绿色蔬菜中富含β－胡萝卜素，人体内每分子β－胡萝卜素可分解为两分子维生素A。叶菜类蔬菜深受我国消费者喜爱，我国是叶菜类蔬菜生产种类和品种最为丰富的国家，叶菜类蔬菜约占蔬菜生产的1/3。不同叶菜类蔬菜的种植方式有所不同，主要分为大田露地种植、保护地种植和植物工厂三大类。设施园艺生产对象为蔬菜、果树、花卉等。从栽培上，以农业生物学分类法较为适宜。蔬菜可分为根菜类、白菜类、甘草类、芥菜类、绿叶菜类、葱蒜类、茄果类、瓜类、豆类、薯芋类、水生蔬菜、多年生蔬菜、食用蓖类。按食品器官分为根菜类、茎菜类、叶菜类、花菜类和果菜类5种。

设施农业与露地农业构成当前世界农业生产的两种基本模式，在保障国家粮食安全和农产品有效供给中发挥着各自的功能。设施农业是用一定设施和工程技术手段改变自然环境，在人工可控的情况下，按照动植物生长发育要求创造最佳环境（光照、温度、湿度、营养等），以最少的资源投入进行生产的现代农业。它可实现常年化均衡生产，产量高、品质好、生产周期短，效率和效益是传统露地农业的几倍甚至几十倍。设施农业是现代生物技术与工程技术的集成，涵盖了建筑、材料、机械、自动控制、环境、品种、栽培、管理、经营等多个学科和领域，因而其发达程度也就成为衡量一个国家和地区农业现代化水平的重要标志之一。设施农业是人类摆脱自然气候条件局限，克服季节局限，实施可控农业生产的技术进步表现，是科技驾驭自然条件为人类服务的途径。设施农业作为资源高效利用型产业，不但可以充分利用自然资源实现周年均衡生产，而且还可实现在盐碱地、岛屿、家庭阳台等非可耕地上进行生产，大幅度地提高土地资源、水资源和光热资源利用率。

设施农业是综合应用工程装备技术、生物技术和环境技术，创造动植物生长发育的适宜环境，实现动植物生产的现代农业生产方式。发展以设施蔬菜为代表的设施农业是实现传统农业向现代农业生产方式转变，建设新型现代农业的重要内容；是调整农业结构、实现农民增收和农业增效的有效方式；是提高土地利用率，建设资源节约型、环境友好型农业的重要途径；是增加农产品有效供给、保障食物安全和社会稳定的有力措施；也是促进农民就业，缓解农业人口压力的有效措施。我国人多地少，资源短缺，发展设施农业尤为必要，尤其应大力发展技术密集型高效设施农业，提高土地利用效率。

〖MZ(2H〗1��2设施农业与设施园艺的概念

1��2��1设施农业概念

一般而言，利用动物植物等生物的生长发育规律，通过人工培育来获得产品的各部门，统称为农业。农业属于第一产业，研究农业的科学是农学。农业的劳动对象是有生命的动植物和微生物，获得的产品是动植物和微生物本身。农业是支撑国民经济建设与发展的基础。广义农业是指包括种植业、林业、畜牧业、渔业、副业五种产业形式，狭义的农业是指种植业。种植业是指生产粮食作物、经济作物、饲料作物和绿肥等农作物的生产活动。设施农业，是在环境相对可控条件下，采用工程技术手段，进行动植物高效生产的一种现代农业方式。设施农业涵盖设施种植、设施养殖和设施食用菌等。在国际的专业术语称谓上，欧洲、日本等通常使用设施农业（Protected Agriculture）这一概念，美国等通常使用可控环境农业（Controlled Environmental Agriculture）。我国设施农业已经成为世界上最大面积利用太阳能的工程，绝对数量优势使我国设施农业进入了由量变到质变转化期，技术水平越来越接近世界先进水平。我国人均耕地面积仅有世界人均面积的40%，发展设施农业是解决我国人多地少制约可持续发展问题的最有效技术工程。一般而言，设施农业指设施种植业，即设施园艺产业。

1��2��2设施园艺概念

设施园艺是指在露地不适于园艺作物生长的季节（寒冷或炎热）或地区，利用特定的设施（连栋温室、日光温室、塑料大棚、小拱棚和养殖棚），人为创造适于作物生长的环境，以生产优质、高产、稳产的蔬菜、花卉、水果等园艺产品的一种环境可控制农业。设施园艺是指在各种设施内进行园艺作物生产的方式，通过设施及环境调控，并充分利用设施空间和光、热、土等自然资源，使园艺作物处于最佳生长状态，以获取优质、高产和高效益的集约化生产方式；是集生物工程、农业工程和环境工程于一体的跨学科、多领域的系统工程；也是我国当前设施农业的主要形式。设施园艺是一种劳动和技术密集型的集约化生产方式（余朝阁等，2012）。

设施园艺涵盖了建筑、材料、机械、自动控制、品种、栽培、管理等多种学科和多种系统，因而科技含量高，为技术密集型产业，所以设施园艺的发达程度，往往是一个国家或地区农业现代化水平的重要标志之一。设施园艺所涉及的工程科学主要是要求掌握各种园艺设施类型的分类、结构特点，在此基础上如何对各种设施类型进行优化设计，以创造良好的设施环境条件，满足园艺植物设施栽培的各种需求，为作物提供最优的生育空间。这就需要有科学合理的总体规划设计，设施选型和结构优化设计及环境调控设计（如采暖、保温、降温、加湿与降湿，灌溉与施肥，通风换气，采光与遮光，CO2气体施肥等），建筑材料的选择和计算，建造施工技术要有机地结合与统一，统筹考虑。

1��2��3园艺作物与蔬菜价值

作物分为农作物和园艺作物，前者包括粮食作物、经济作物和饲料及绿肥作物，后者包括果树、花卉和蔬菜。蔬菜是可供佐餐的草本植物总称，有些木本植物的嫩茎、嫩芽，部分真菌和藻类植物也可作为蔬菜食用。实际上，蔬菜和农作物之间并不存在严格的区别，从利用角度讲有些蔬菜可作为粮食食用，有些农作物可作为蔬菜食用。另外，西甜瓜和草莓等水果属于草本植物，也属于蔬菜。我国栽培的蔬菜有100多种，其中普遍栽培的蔬菜只有50～60种（陈贵林，1997）。

人类的食物分为动物性食物和植物性食物。动物性食品包括肉类、乳类和蛋品，为人体蛋白质和脂肪的主要来源，植物性食品包括粮食、蔬菜和水果等。粮食提供人体热能，蔬菜提供维生素、矿物质、纤维素、芳香族物质和热能等，蔬菜在维持酸碱平衡，维持人体健康方面起着十分重要的作用。作为碱性食物，蔬菜可提供有机酸盐，进入人体后进行分解代谢，有机酸根结合氢离子形成柠檬酸、苹果酸、乳酸等。这些酸在体内可作为代谢的中间物被继续氧化成二氧化碳和水排出体外或者在肝内合成糖原储存起来，其结果都会使血液中氢离子浓度降低，而原来与有机酸结合的钾钠离子则与碳酸氢根结合，从而增加血液的碱性。在营养学上，一般将食品分成酸性食品和碱性食品两大类。食品的酸碱性与其本身的pH值无关，味道呈酸性的食品不一定是酸性食品，主要是食品经过消化、吸收、代谢后，最后在人体内变成是酸性或碱性的物质来界定。产生酸性物质的称为酸性食品，如动物的内脏、肌肉，植物的种子如五谷类。产生碱性物质的称为碱性食品，如蔬菜瓜豆类，茶类等。

〖MZ(2H〗1��3设施园艺生产体系构成

1��3��1园艺设施

“十一五”期间，我国政府加大了对设施农业发展的重视程度和投入力度，中央十七届五中全会明确提出“加快发展设施农业和农产品加工业、流通业，促进农业生产经营专业化、标准化、规模化、集约化”。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》明确指出了“积极发展工厂化农业，提高农业劳动生产率”的发展方向。农业部也在2008年发布了《关于促进设施农业发展的意见》。设施生产面积以每年10%以上的速度在增长，形成了不同区域特色的设施类型、生产模式和技术体系。综合技术将使设施农业产量整体达到露天种植的5倍。2004—2017年连续14年发布以“三农”为主题的中央一号文件，强调了“三农”问题，在中国的社会主义现代化时期“重中之重”的地位将发展现代农业，保障国家粮食安全，保障农产品有效供给当作国家的长期发展战略，提质增效，实施供给侧结构性改革。

由于设施园艺生产的先进性和高效性，自20世纪80年代以来我国设施园艺发展迅猛，在解决蔬菜周年均衡供给方面发挥了巨大作用。设施园艺按设施类别一般分为人工光植物工厂、太阳光植物工厂、连栋温室、日光温室、塑料大棚、小拱棚（遮阳棚），设施的类型、材料、结构与设施成本、性能、环境可控程度、温度缓冲能力直接相关。其中，人工光植物工厂为封闭式生产系统，太阳光植物工厂和连栋温室属于半封闭式生产系统，日光温室、塑料大棚、小拱棚（遮阳棚）等属于密闭性较差的半开放式生产系统，密闭程度更低。封闭式生产系统具有资源利用最大化、优质产品稳产最大化、环境污染物质及残留物零排放和排热最小化的特征。截至2015年年底，我国设施园艺面积已达410��9万hm2，(中国农业机械化协会设施农业分会，2015)。但有关设施面积地域分布与设施类型分布以郭世荣等(2013)总结较为全面。郭世荣等（2012）指出2010年全国设施蔬菜面积344��33万hm2，其中小拱棚128��67万hm2，大中棚134万hm2，节能日光温室66��67万hm2，普通日光温室11��67万hm2，加温温室1��97万hm2，连栋温室1��36万hm2。我国设施园艺产业主要集中在环渤海湾及黄淮地区，约占全国总面积的60%，其次是长江中下游地区，约占全国20%；第三是西北地区，约占全国7%。2010年主要集中在山东省、辽宁省、江苏省、河北省、浙江省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区和上海市。近些年，新疆维吾尔自治区、北京市、天津市、甘肃省、山西省、陕西省、河南省等地设施面积也在快速增加。设施蔬菜种植占94��8%，设施花卉占2��5%，设施果树2��6%。国际上塑料农膜占整个覆盖面的97%，我国占到98%，其他为玻璃和PC板覆盖。从设施园艺各种类型比较来看，植物工厂投资成本最高，玻璃、PC板连栋温室成本较高，投入也较大，塑料连栋温室、日光温室、温室大棚次之，小拱棚和遮阳棚投资最少。人工光植物工厂投资成本为6 000～10 000元/m2，玻璃温室的投资成本在600～800元/m2，PC板温室的造价在700～1 000元/m2。温室主体加上周边道路、加温等配套设施造价在1 000元/m2左右，塑料连栋温室以钢架结构的为主，造价在60～100元/m2；日光温室按建筑材料不同，造价在40～150元/m2不等。竹木大棚的材料及工本费在10元/m2左右；钢管大棚，设备投资成本高，造价25元/m2左右。因此，世界上聚烯烃温室大棚膜覆盖设施园艺占总面积的97%，我国更高达98%，其他为玻璃和PC板。聚烯烃膜在日光温室和连栋温室仅占总成本的1/20左右，却起到最关键的作用。成本最高依次为骨架、保温墙、保温被等。

我国的设施园艺经过30多年的发展，基本形成了各具区域特色的设施类型、生产模式和技术体系。从设施类型上看，小拱棚约占40%、大中棚约占40%、日光温室约占20%、连栋温室在0��5%以下。从产地分布看，环渤海湾及黄淮地区仍是我国设施蔬菜的最大产地，约占全国面积的55%～60%，山东省、河北省和辽宁省发展尤为迅速。该区域主要充分利用其充足的光能资源发展节能日光温室，实现了冬春果菜的无加温生产。其中，山东省的设施蔬菜产值已经达到全省种植业总产值的近一半左右。在长江中下游地区，主要通过发展塑料大棚等设施，实现果菜、根菜、叶菜、水生蔬菜等多样化蔬菜的周年生产，面积约占全国的18%～2l%；而在西北地区，近年来积极发展以平地和山地日光温室以及非耕地无土栽培为代表的设施蔬菜生产，面积发展迅速，约占全国的8%，其他地区则由于气候等原因（如华南地区），发展相对较为缓慢，约占15%。

“十一五”期间，针对目前我国能源短缺、设施装备落后、智能化控制程度较低、关键设备受制于国外的局面，通过多学科合作研究和产学研联合攻关，在现代温室生产技术引进和消化、日光温室改进、设施内部作业机具研发和环境控制等领域取得了显著进展。孙周平等(2013)提出了彩钢板保温装配式节能日光温室,该型日光温室为半圆弧形钢结构，温室净跨度12m（外跨度12��5m），脊高5��5m，净长度65m（外长度66m），屋面采光角41��5°，后坡水平投影长1��6m，净面积780m2，以0��1mm 厚的聚烯烃膜（PO）为透明覆盖材料；设计风荷载0��55kN/m2，雪荷载0��45kN/m2；温室栽培空间大，适宜蔬菜和食用菌立体栽培，以及乔木果树栽培和养殖。温室保温覆盖整体由岩棉彩钢板构成。温室蓄热体主要采用水循环系统，水循环系统由水池、水泵、输水管道、采光板、回水管道和控制器等组成。新型彩钢板保温装配式节能日光温室采取半圆弧形钢骨架结构，采用工业和民用建筑上常用的岩棉彩钢板作为半圆弧形坡面和东西两侧山墙的保温围护结构，由于温室顶部的岩棉彩钢板保温覆盖件可以在温室骨架上的滑道中实现精准运行，不仅便于实现日光温室的自动化控制，而且，晚上能够在温室四周形成一个整体的岩棉彩钢板覆盖的保温围护结构，可显著增强温室的密封性能和保温性能，有效解决传统日光温室保温被外置带来的防雨、防雪、防风和防火等能力差，以及保温效果不佳问题。同时，东西两侧岩棉彩钢板保温山墙还可以分别在上午、下午打开，解决了墙体日光温室的东西山墙遮光问题，并提高了温室的土地利用效率。另外，试验温室的结构件可实现工厂化生产、温室建造可进行标准化装配，解决了传统日光温室建造对土地和耕地的破坏，对保护土地资源和农业生态环境具有重要意义。

1��3��2栽培设施

节能日光温室的热量主要来自太阳辐射，为温室调控温度和光照条件，因此温室前屋面的角度和形状是决定太阳光进入温室多少的关键。除适宜的环境调控能力外，在光温适控的设施里蔬菜高产、稳产

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