淺析設施蔬菜高效栽培特點及在我國發展的必要性

王富強，傅常智，劉魯江，張天柱，2*

（1.北京中農富通園藝有限公司，北京 100083；2.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083）

近年來，我國的設施蔬菜生產在農業供給側結構性改革的大背景下面臨著轉型升級。設施蔬菜高效生產作為國外設施園藝業發達國家一項業已成熟的產業，對今后我國設施蔬菜生產的工作重點轉移有著借鑒意義。設施蔬菜高效栽培是指綜合利用技術裝備達到蔬菜的高效、高產的規模化生產，是計算機技術、工業技術、工程技術、生物技術、冷鏈技術、管理技術等交叉的應用型學科，具有顯著的工業化生產屬性，是在我國農業向社會主義特色現代化農業轉型背景下的全產業鏈生產模式[1]。

1 國外設施蔬菜高效栽培業的發展及特點

1.1 工業化水平決定設施蔬菜業的發展程度

西奧多·舒爾茨[2]認為，傳統農業不存在資源配置效率低和隱藏失業的問題，要改變傳統農業，首先是提供現代化投入品，其次是對人力資本進行投資。

設施蔬菜高效栽培是基于無土栽培技術的發展而日益普及的，1840年化學家李比希提出“植物礦質營養學說”，1856—1860年同樣是在德國，薩克斯和科諾普種下第1株真正意義上的無土栽培植物。20世紀30年代，這項技術真正實現商用，20世紀60年代得到大面積應用，至今已有150余年的歷史。

隨著工業化進程步伐的加快，部分發達國家率先實現了設施蔬菜的高效生產，以歐美的美國、加拿大、英國、荷蘭、西班牙、以色列，亞洲的日本、韓國為代表，這些國家和地區的設施蔬菜生產都各具鮮明特點[3]。美國、加拿大國土面積遼闊，較容易使某一種農產品形成國際市場優勢競爭力，加拿大的設施農業主要集中在薩斯喀徹溫省，以家庭農場為主要經營主體[4]，農業基礎雄厚，美國基于全球定位系統和衛星遙感技術的設施蔬菜生產已經應用于生產[5]。英國是傳統的園藝強國，近年來3S（遙感技術RS、地理信息系統GIS、全球定位系統GPS）技術在設施蔬菜生產上的應用日益成熟；在基礎理論研究方面，細胞學、分子生物學等領域的研究在國際上居于領先地位，蔬菜產值約占園藝作物總產值的60%[6]。荷蘭的設施蔬菜生產水平居世界前列，溫室面積達9 488 hm2，約占世界溫室總面積的20%[7]，有數據表明，其設施內番茄單產達到了70 kg/m2，黃瓜單產達到了90 kg/m2，是我國傳統生產方式的2倍之多，并連續多年保持了土地生產率、人均農業創匯率以及園藝產品出口增速等多個指標的世界第1[8]。西班牙設施蔬菜生產集中在阿爾梅里亞省，面積達到了2.7萬hm2，占據了西班牙設施農業面積的50%以上[9]。以色列和荷蘭同樣面臨著國土面積受限的問題，尤其是以色列，沙漠面積占國土面積的60%，節水灌溉技術成為其設施蔬菜高效生產最大的亮點。日本和韓國的設施蔬菜生產在溫室小型機械、環境精密化控制等方面居世界前沿水平，韓國的設施蔬菜生產面積在2013年的12.6%的基礎上保持穩定增長[10]。

1.2 國外設施蔬菜高效栽培的工業化特征明顯

以園藝業發展迅速的荷蘭為例說明設施蔬菜高效栽培的幾個特征。一是高度專業化。專業的細分促進了農業服務業的發展，專業化的種子公司、肥料配比咨詢公司等為設施蔬菜經營業者提供了個性化的服務。二是產業間的集聚。如荷蘭的Westland、Drenthe、Limburg等地的溫室集群，它不僅僅是空間上的集合，更多的是產業間的交流和融合，生產者的需求從相關產業從業者那里轉變成技術創新信號，生產者之間的交流越密切，這種信號就愈發強烈。三是資源共享促進企業運營成本的降低。產業集群規模化效益的“外溢”使得相關基礎設施和公共服務能夠以較低的成本運營，產業間的互補使得社會資源更加扁平化分配，以市場為主導的經濟活動在農產品生產、加工、物流等環節得到動能的最大釋放，活躍的經濟促進了資源的共享。四是廣泛利用物聯網技術進行設施蔬菜的工業化生產。在溫室、栽培設施、過程控制計算機、施肥系統、環控系統等方面越來越呈現出智能化發展的趨勢，計算機控制軟件所能關聯的指標和設備涵蓋了整個蔬菜生產過程，即便如此，每個種植季結束后，在能夠進行大數據分析進而為種植者提供種植方案方面還需要加大研發力度和市場驗證。五是大量采用機械代替人工操作。設施蔬菜生產的人工成本約占生產成本的30%，在荷蘭，在育苗、定植、植株整理、采收、包裝等環節均實現了機械化操作，軌道升降車、電磁引導運輸車、溫室屋頂清洗機等的利用一方面提高了勞動效率，另一方面也改善了植株生長的小氣候[11]。六是管理過程數據化。設施蔬菜的生產過程很大程度上取決于氣候，每個環節的定量化管理是實現農業向工業化生產轉型的基礎，荷蘭的設施蔬菜生產從業者利用計算機勞工管理系統把生產過程細分，從而促進了勞動效率的提升，僅疏花疏果一項，在荷蘭，每人每小時就可以達到2 600株，速度十分可觀。七是注重環保和產品安全。歐盟國家早在2000年就已經實現了營養液的循環利用，節約肥料用量34%，節約用水21%。設施蔬菜高效生產的食品安全問題主要集中在農殘超標和亞硝酸鹽超標2方面，在歐洲等地，IPM（有害生物綜合防治Integrated Pest Management）被廣泛應用[12]，結合荷蘭政府出臺的一系列植保法規，IPM技術極大地催生了生物制劑和昆蟲天敵商業化的發展，從源頭減少了農業化學投入品的使用，但IPM預防技術也存在缺陷，如忽視了昆蟲天敵人工釋放可能對生態和社會帶來的影響，對生態系統自身調控能力強調不夠等問題。20世紀80年代，有學者提出了EPM（Ecological Pest Management）概念，更加強調了環境系統的可持續發展。歐美等國家早在20世紀90年代通過立法推行HACCP（危害分析的臨界控制點Hazard Analysis Critical Control Point）食品質量安全管理模式，并取得了良好成效[13]。

2 我國發展設施蔬菜高效栽培的背景和必要性

2.1 綠色發展理念的需要

我國農業在歷史上曾長期處于世界領先地位，在錯過工業化發展的歷史機遇的同時，農業發展也逐漸落后于西方國家，經歷了萌芽期、初步發展期、精耕細作期、北方旱作體系形成期、南方水田技術發展期[14]、傳統農業深入發展期、現代農業等幾個歷史階段[15]。我國所處的現代農業階段也被稱為石油農業[16]，嚴重依賴石化產品提高農產品產量的同時，暴露出污染嚴重、地力衰竭、人的健康受到影響等諸多弊端。綠色發展理念是黨的十八屆五中全會提出的指導我國經濟社會發展的五大發展理念之一，是我國實現“兩個一百年”宏偉目標的重要理論基礎[17]。

基于我國國情，現階段多種農業發展模式并存，近年來設施蔬菜高效栽培作為一種國際上成熟的生產模式在我國的發展勢頭迅猛，多地出現了單體面積超1萬hm2的栽培設施，不僅僅是在土地資源的集約化利用上優于傳統反季節生產設施，在水分、光照、溫濕度、二氧化碳等生產要素的調節供給上也都實現了自動化控制，節約了自然資源。針對不同地域特點所制定的一系列高效栽培規程在實現設施蔬菜生產標準化的同時，全程注重食品安全問題，通過過程計算機控制營養供給和病蟲害生物防治能夠達到綠色蔬菜A級標準[18]。

2.2 我國農業供給側結構性改革的需要

2016年中央農村工作會議和2017年中央1號文件都強調，今后一段時期，農業工作的主線是農業供給側結構性改革，調結構、轉方式具體表現在提高農產品質量和效益，特別是注重由“量”到“質”的轉變，增強市場競爭力[19]。

我國是蔬菜消費大國，隨著人們生活水平的提升以及社會消費群體結構的變化，農產品個性化消費的趨勢越來越明顯，人們已經不僅僅滿足于蔬菜的日常化消費，更多地追求蔬菜的安全和功能性，如保健功能、美容功能等。不可否認的是，近年來我國蔬菜質量安全問題仍然比較突出[20]，設施蔬菜生產由于部分隔絕了外部環境，在營造適宜作物生長小氣候的同時，植物致病微生物也得以傳播蔓延，出于對利潤最大化的追求，傳統的設施蔬菜生產模式中，生產者盲目地施用化學投入品的行為在很大程度上難以得到很好的控制。

在設施蔬菜高效栽培模式中，生產者是嚴格按照既定的操作規程來實施操作的，操作規程中每一個環節參數的規定都是十分嚴謹的，是基于多年歷史栽培經驗的量化標準，多個參數間的關聯緊密，在更改某一項參數之前都要經過重復計算和試驗驗證。設施蔬菜高效栽培的關鍵技術是無土栽培技術，目前比較流行的是椰糠+巖棉復合式高效栽培，椰糠是椰子生產的副產品，經過粉碎、滅菌制成規格一致的栽培裝置；巖棉是由60%玄武巖、20%焦碳、20%石灰石加少量礦業副產品經過熔融、抽絲、擠壓、切割成型的栽培裝置，這2種選材從原料到加工工藝都不含有對人體有害的物質[21-22]。在作物的整個栽培過程中，高效栽培模式區別于傳統栽培方式，植株是在栽培支架上距離地面約50 cm處生長的，隔絕土壤的無土栽培方式，使得作物根系系統侵染性病害的發生幾率接近于0，保證了整個栽培過程中農化產品的投入較傳統方式大幅下降。在傳統蔬菜栽培方式中，多利用植物生長調節劑，如防落素、氯吡苯脲等處理柱頭或果柄，以促進無性結實和果實膨大，蔬菜設施高效栽培區別于上述化學處理方式，是利用物理震動器或熊蜂促進授粉的方式完成的。目前由于分散的農戶蔬菜生產方式中，生長調節劑的施用監管和檢測手段尚不健全，出現了該類農化投入品濫用的個案而引起社會關注；在加大監管力度的同時，逐步改變和提高生產者的生產理念和生產技術手段就顯得十分必要，如蔬菜工廠化高效生產中引進無害化授粉設備可規避生長調節劑的施用。

綜上所述，設施蔬菜高效栽培從栽培設施、資材的選擇到栽培管理過程的監管保證了產品的商品性和內在品質，能夠為市場提供外觀整潔一致、安全的蔬菜產品。在今后的生產過程中，如何改善蔬菜產品的品質，以滿足受眾對蔬菜口味等品質指標更高的要求是設施蔬菜高效栽培從業者所要努力的，從品種選擇到田間管理都有很多工作要做[23]。

2.3 我國設施農業可持續發展的需要

設施栽培在我國農業史上占有重要地位，可以追溯到漢代，但現代意義上的蔬菜設施栽培起步較晚，20世紀50年代，我國引進了簡易設施栽培裝備，截至2013年，我國設施蔬菜栽培面積達到了370萬hm2[24]，隨著我國節能型日光溫室的發展，栽培設施面積有了大幅度增加，每667 m2的產值比露地提高了2～3倍，在日光溫室業發展集中的地區，蔬菜種植戶的經濟收入得到了很大的提高。

目前，制約我國設施農業可持續發展的瓶頸除了上述環境污染等問題外，更重要的是生產組織模式和科技研發投入不足的問題[25]。我國設施農業生產長期以來品種單一，高檔蔬菜品種的種子大多來源于國外種子公司，地方傳統優勢品種逐步退出市場。盡管近年來，多地種植戶自發組織的合作社發展迅速，但現階段我國設施農業合作社還處于初期摸索階段，存在權責不明晰、組織架構繁雜、分配不合理、財務管理混亂、服務內容單一等問題[26]，更有甚者，嚴重損害農戶利益的事件時有發生。我國設施農業包括廣義概念上的地膜、小拱棚等，總面積居世界第一。值得一提的是，日光溫室生產模式作為我國特色之一在一定的歷史時期為蔬菜周年供應和農戶增收作出了貢獻，但隨著科學技術的進步，這種嚴重依靠人工勞動、占用大面積土地的生產模式難以融入現代化生產要素。

設施蔬菜高效栽培項目集中了更多的現代化生產要素，科學化和信息化是其顯著特征，專業化、標準化、規模化、集約化是其發展方向。設施農業作為農村經濟中最活躍的組成部分，如何可持續的發展是一種戰略性管理觀念的體現，這是和區域內經濟社會發展水平相適應的，換言之，有什么樣的城鎮化水平就有什么樣的現代農業發展水平。2017年4月1日，在中央提出解決大城市發展問題的“千年大計”后[27]，這種新的城市發展理念必將對區域內城鎮化建設水平帶來翻天覆地的變化；隨之，區域內的設施農業的可持續發展也需要新的管理組織模式和前沿科技作為支撐。

2.4 經濟新常態下產業融合、創新發展的需要

2016年中央經濟工作會議指出，在我國經濟由高速轉向中低速發展階段，各行業要認識、把握、引領新常態，地方傳統優勢產業面臨降產能、調結構的艱巨任務，在今后的一段時間中，穩中求進是經濟工作總基調，三去一降一補工作將繼續深入[28]。

設施蔬菜高效栽培是一項系統工程，涵蓋了多種產業形態，其中僅溫室制造業就包括了鋼鐵、玻璃、電器等諸多產業；栽培階段包括育種、傳感器、控制軟件、施肥機、溫室機器人等相關產業；采收物流階段包括了分選、包裝、冷鏈、電商等行業。在互聯網+農業的發展進程中，設施蔬菜高效栽培是這一領域的典范。設施蔬菜高效栽培是一二三產業融合的產物，產業間的集聚使得市場配置更趨合理，公共資源得以共享，在共享經濟發展方興未艾的今天，設施蔬菜高效栽培產業規模化效益明顯，這使得相關行業間流通成本大大降低。創新是行業發展的原動力，在經濟新常態下，只有創新才能激發多要素生產力。當前，多種形式的社會資本參與到農業行業中，運營一段時間后，喜憂參半，傳統農業投入大、周期長的固有屬性加上農產品市場價格的異常波動使得投資者短期內一時不能適應。究其原因，還是對新常態下產業走勢估計不足、產業間的融合機制簡單、風險意識不足所致。

“大眾創業、萬眾創新”的號召提出以來，在我國廣大地區掀起了“雙創”熱潮，最大程度地激發了市場活力。在農業領域，設施蔬菜高效栽培項目在我國多個地區落地，在引進國外成熟設備的基礎之上，消化吸收國外先進管理經驗，在提高土地產出率、勞動生產率、資源利用率等方面效果明顯；當前，全球經濟形式仍不明朗，我國人口紅利消失，勞動力資源出現回流，更多在他鄉工作的年輕人自發地返鄉創業，他們所從事的大多是新業態、新行業。在我國農業服務業特征越來越明顯的當下，蔬菜高效栽培已經成為新常態下設施農業創新的重要抓手。

3 我國設施蔬菜高效栽培發展的幾點建議

3.1 加快設施蔬菜高效栽培產業集群的建設工作

設施蔬菜高效栽培項目的選址大多在大中城市周邊，以都市居民為目標客戶群，市場定位決定了該類項目落地是否能夠充分發揮產業集聚效能。設施蔬菜高效栽培改變了項目地傳統的小而散的蔬菜生產模式，融入現代化企業管理機制，從根本上改變農業發展方式，使得設施農業向產業化、工業化方向發展，走高效綠色可持續的道路。

美國哈佛商學院戰略管理學家邁克爾·波特在1900年提出了國家競爭優勢理論（又稱為波特鉆石模型Porter's "Diamond" Model），這一理論的提出為產業集群的分析提供了工具。該理論認為，生產要素、需求條件、支持及相關產業、企業戰略結構及競爭、機遇、政府作用這6種因素決定著產業是否具有市場競爭力，強調動態的創新式發展以及知識資源的積累[29]（圖1）。

在我國，比較有代表性的是山東壽光的日光溫室產業集群。有數據表明，壽光市蔬菜種植面積達5.3萬hm2，日光溫室數量40萬個以上，年產量40億kg，年交易額達100億元。究其原因，主要是壽光市地理位置優越、交通便利，其半島性氣候非常適宜設施蔬菜的生產；隨著人們飲食結構的轉變，我國反季節蔬菜消費量有了大幅提高；國內科研機構和跨國農化及種子公司紛紛在壽光設立辦事處或分公司，使得當地農戶能夠及時得到種植服務；通過蔬菜市場和中介組織的建立、專業協會和培訓組織的成立有效地傳遞了市場信息，避免了無序競爭；國家先后出臺政策鼓勵土地經營權的流轉和適度規模化經營，在很大程度上激發了廣大農戶參與到設施蔬菜生產中來；壽光市政府在市場流通信息體系建設、基礎設施建設等方面做了詳盡的規劃和建設。不難看出，發揮市場在資源配置中的主導地位，轉變政府職能，統籌多種生產要素，形成合力，推進設施蔬菜高效栽培產業集群的建設符合我國農業轉型期產業發展的趨勢。

圖1 波特鉆石模型

3.2 形成擁有自主知識產權的核心技術體系

在設施蔬菜高效栽培涉及到的工程裝備和技術規程體系中，溫室制造實現了本土化，而施肥機、控制軟件、栽培基質如巖棉等栽培設施國產化工作滯后，性能和質量與國外同類產品對比還有很大差距。目前，國內此類項目多是邀請國外有經驗的種植者來進行田間管理過程的技術指導，由于我國氣候和國外特別是歐洲的氣候差異較大，國外技術人員在結合自身經驗的同時，需要不斷修正技術參數，才能獲得理想的蔬菜生長效果。

在國外，有著成熟的作物生長模擬模型，如以色列的TOMGRO模型、美國的COMAX/GOSSYM模型、荷蘭和以色列合作研發的HORTISIM模型等，國內相關學者在這方面也做了卓有成效的工作，但對比來看，在實用性、機理性和實踐性上和國外研究成果還有很大的差距[30]。我國已有可以分析作物光合作用、呼吸作用、葉面積指數、干物質積累量、病蟲害診斷的模型，建議在此基礎上，增加植物不同發育階段對各種營養元素的需求、根系活力指數以及不同季節下營養液配方及灌溉策略的分析模塊，以便每一個生長季結束后，過程計算機就能夠為種植者提供一套完整的種植解決方案，節省大量人力。在我國提出“中國制造2025”發展戰略的大背景下，設施農業向智能化、工業化發展的步伐加快，同時加速了我國科研成果轉化[31]，而結合我國廣大不同地區的氣候特點，構建基于大數據分析和云計算技術的專家管理系統是我國設施蔬菜高效生產實現跨越式發展的關鍵。

3.3 加強設施高效栽培蔬菜的食品安全生產工作

人們的傳統蔬菜消費意識中認為，土壤栽培的蔬菜要比高效栽培方式的安全，但隨著近年來土壤面源污染的發展，適合生長有機標準蔬菜的地塊越來越少，且有機蔬菜的價位偏高，面向的是高端消費人群，普通消費者對有機蔬菜的消費意愿并不強[32]。以往未被人們所重視的土壤微生物污染問題以及禽畜養殖副產品作為基肥所帶來的抗生素超標等食品安全問題對廣大消費者的威脅仍未完全消除。

現代設施蔬菜高效栽培模式利用的是復合栽培基質，植物營養成分以離子態在營養液中存在，可供植物根系直接利用，避免了在土壤中需經過復雜的生化反應后才能被植株根系所吸收的過程，以磷肥為例，有數據表明：傳統土壤栽培中，由于鋁、鈣等的固定作用，其利用率只有20%～30%，而設施高效栽培中可以達到90%～95%[33]，水肥的利用率遠高于傳統土壤栽培方式，以降低蔬菜亞硝酸鹽含量為目的，有選擇性地選用氮源作為設施蔬菜高效栽培的肥源成為可能。對于高效栽培蔬菜的安全性，亞硝酸鹽的含量是一項關鍵指標，由于傳統土壤栽培方式的粗放，蔬菜的亞硝酸鹽超標問題引起了人們廣泛的關注。設施蔬菜高效栽培模式中的營養液的供液策略是根據不同作物以及不同設施環境來制定的，通過計算機的控制來實現植物營養的有效供給，這種方式能夠保證營養液中有較高溶氧量，即氧化還原電位較高，降低了硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的數量。

從以上幾個方面可以看出，通過科學的技術調控，設施蔬菜高效栽培模式的產品安全性是能夠得到保證的。另外，在流通體系方面還需加強質量安全可追溯體系的建設以及市場營銷的誠信體系建設，才能讓廣大消費者了解設施蔬菜高效栽培產品的安全性。

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