碳中和愿景下設施蔬菜生產技術研究*

高文瑞 孫艷軍 韓冰 費聰 王顯生 徐剛***

（1.江蘇省農業科學院蔬菜研究所，江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點實驗室，江蘇 南京 210014；2.江蘇省農業科學院種質資源與生物技術研究所，農業農村部植物新品種測試（南京）分中心，江蘇 南京 210014）

碳中和對實現經濟社會可持續發展意義重大，它是積極應對當前氣候變化、保護環境的重要舉措，也是發展清潔能源，降低油、氣等化石能源對外依存度的必然選擇，還是開發清潔高效節能環保技術、促進產業化，形成新的經濟增長點和動能的需要［1］。習近平主席在第75屆聯合國大會上提出：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭使二氧化碳排放量于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和。

碳中和的“碳”包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等溫室氣體［2，3］。農業生產中氮肥過量施用造成的氧化亞氮排放，加重了溫室效應。聯合國糧食及農業組織（FAO）發布的《2016年糧食及農業狀況》中提到，世界約有1/5的溫室氣體來自農業，其中80%的溫室氣體可被農業生態系統通過自身的生產與循環消耗掉［2］。2019年我國蔬菜種植面積約2 100萬hm2，僅次于糧食作物，蔬菜生產的經濟效益占整個種植業的39.46%，是農業農村經濟的支柱產業之一。2019年我國設施蔬菜種植面積達257萬hm2，產量高達2.38億t，占蔬菜總產量的33.3%，經濟效益占整個蔬菜產業的40%。設施蔬菜生產規模大、產值高，推動了農業經濟的快速發展。然而，部分蔬菜種植者盲目追求高產，大量施用化肥和農藥，導致農田碳排放量居高不下。據統計，按目前化肥投放量計，其產生的碳排放量占農業生產碳排放總量的58.0%～82.4%。農膜、柴油和電力的使用也會直接或間接產生碳排放，加劇了農業減排的壓力［4，5］。為推動設施蔬菜綠色低碳生產，助力實現國家碳中和，我們從設施構型優化、發展富碳農業、設施蔬菜雙減增效栽培技術、低碳安全物理技術、高標準農田建設、資源高效利用產業鏈技術等方面，探討了碳中和愿景下我國設施蔬菜生產固碳減排策略和技術。

1 設施構型優化

日光溫室和塑料大棚是我國設施蔬菜生產中常用的設施類型，其中日光溫室是我國獨創的節能型設施。在碳中和愿景下，提高采光和保溫性能是溫室大棚構型優化的關鍵。為提高空間和土地利用率及抗災能力，我國應開展大跨度保溫型塑料大棚和日光溫室的研發；另外，通過農機與農藝技術的結合和應用智能監測系統，提高設施的自動化和智能化管理水平，以期高效利用環境資源，最大限度地提高設施蔬菜單位面積產量［6］。目前荷蘭設施蔬菜生產應用自動化和智能化技術，實現精細化管理，大大降低了溫室能耗，番茄年產量40～50 kg/m2、黃瓜年產量60 kg/m2以上，商品率高達90%以上，是我國目前最高生產水平的2倍多。可見，我國的設施構型仍具有較大的提升空間。

2 發展富碳農業

空氣中二氧化碳濃度接近400 mg/kg，而作物生長適宜的二氧化碳濃度為1 000～1 400 mg/kg，溫室大棚內通風不良，植物更是長期處于“碳饑餓”狀態。栽培設施內增施二氧化碳氣肥，可以增加土壤有機質含量，促進植株根系生長，減少50%～60%的農藥使用量，提高農作物產量和果實含糖量，延長農產品的儲藏期［7］。發達國家設施蔬菜生產中一般都配有二氧化碳生產裝備，但由于我國煤油和天然氣資源匱乏，設施栽培中一般無二氧化碳生產裝備，僅少數設施栽培中采用二氧化碳發生器（燃燒法）、二氧化碳鋼瓶、直接施放干冰以及利用化學反應生成二氧化碳等方法補施二氧化碳，雖然在蔬菜生產上的應用效果較好但效率較低。如能收集煤炭化工等企業排放的二氧化碳應用于農業生產，推廣二氧化碳施肥技術，發展富碳農業，將有效減少碳排放。因此，我國亟需開展工業生產中廢棄二氧化碳高效收集技術及其在設施農業生產中的應用研究。

3 設施蔬菜雙減增效栽培技術

3.1 選育優質高產蔬菜品種

加強培育適宜設施栽培的高光效、高肥效同時兼具耐低溫弱光、抗病、優質和高產等特點的蔬菜品種，并研究配套的栽培技術，實現良種與良法的有機結合，最大限度地提高品種的增產潛力。同時加強蔬菜品質內在機理的研究，為設施蔬菜生產實現碳中和奠定基礎［6，8］。

3.2 施用腐殖酸低碳肥料

腐植酸類物質約占土壤碳庫的80%，具有提高化肥肥效、降低化肥用量、提高蔬菜產量、減少二氧化碳等溫室氣體排放的作用。研究表明，500萬t腐植酸尿素的生產，可減少125萬t尿素的使用，間接降低340萬t二氧化碳的排放量。因此，應盡快研究腐殖酸低碳肥料在設施蔬菜生產中的應用，為其大面積普及和推廣應用奠定基礎［9-11］。

3.3 推廣蔬菜有機生產模式

過量使用化肥、農藥是農業生產中產生高碳排放量的重要原因。研究表明，蔬菜有機生產模式的投入產出比和碳足跡分別為無公害生產的18.5%和87.4%。要實現設施蔬菜生產碳中和，必須從根本上轉變當前農藥、化肥的施用方式，推廣蔬菜有機生產模式，采用有機肥替代化肥，改變化肥過量使用的現狀［12］；加大力度研究施用微生物菌劑、生物炭及秸稈還田等技術，有效提升土壤的有機質含量和固碳能力。

3.4 提高復種指數

提高設施蔬菜的復種指數能提高二氧化碳吸收量，每667 m2農田種植一季平均釋放氧氣0.8 t，吸收二氧化碳1.09 t［12］。在碳中和愿景下，應積極研究與推廣適合本地氣候條件的設施蔬菜高效復種栽培模式，并配合使用農機裝備，進一步提高設施蔬菜生產能力。

3.5 綠色病蟲害防治技術

應加強對不同區域、不同設施條件下蔬菜病蟲害發生及流行規律的研究，并進行病蟲害精確鑒定及預測，為設施蔬菜病蟲害科學防治提供理論基礎；積極推廣綠色植保理念，建立健全綠色病蟲害防控體系，提倡并執行先期預防為主的策略；研究推廣以肥治蟲、以菌治蟲，以及黃板誘殺、性激素誘殺、銀灰色防蟲網驅蟲、殺蟲燈滅蟲等綜合防治技術［8］；研究土壤和環境調控技術，降低化學農藥的使用量，推廣以生物農藥防治為主的綠色防控技術體系［8］。

3.6 精準栽培管理

首先，加大設施蔬菜檢測采集系統的開發力度。蔬菜檢測采集系統可自動采集設施內溫度、濕度、水分、植株長勢等數據，建立各指標間相關關系的模型。其次，研究不同蔬菜作物的養分需求規律，使用云平臺等進行大數據預測分析，建立精準的水肥一體化灌溉策略，以減少農藥和化肥的用量，提高作物產量及肥水利用率，進而降低設施蔬菜生產成本。最后，研究開發設施內專用的整地、起壟、育苗、定植、整枝和采摘等小型智能農機裝備，降低人工成本［13］。隨著社會經濟的發展，現代化的設施蔬菜生產必然朝著規模化、標準化的方向發展。實現精準栽培管理是降低設施蔬菜生產成本的基礎，也是促進實現碳中和目標的重要技術手段。

4 物理技術在蔬菜生產上的應用

設施蔬菜生產中的物理技術是以光、電、磁、聲等物理手段，為植物生長發育創造良好環境條件的新型農業技術。物理技術應用于蔬菜生產，可減少化學肥料、藥品的投入，確保蔬菜產品的質量安全。聲波助長儀能促進蔬菜對養分的吸收、運輸和轉化，增強植株的光合性能，提升設施蔬菜的產量和品質；電功能水具有較好的防病殺菌性能，對蔬菜立枯病、猝倒病、霜霉病、白粉病等病菌的致死率達90%～95%，目前該技術已在日本蔬菜生產中推廣應用；采用單磁極磁化水灌溉生菜、黃瓜、番茄、西甜瓜等，可增產80%以上，并能縮短蔬菜生育期，適當提高蔬菜含糖量；冬季在日光溫室后墻懸掛反光幕，冬春茬果菜類蔬菜可增產10%～15%，提高果實的光潔度、商品性以及糖、維生素含量等，降低畸形果率，促進果實提早上市［14］。因此，正確應用物理技術能提高植株養分吸收率、抗病性以及產量、品質，從而減少碳足跡，提高設施蔬菜碳匯能力，對促進碳中和具有積極的效果。

5 推廣高標準農田建設

高標準農田不僅能改善農田生產條件，提高農作物綜合生產能力，還能增加土壤有機質含量，提高農田對溫室氣體吸收和固定二氧化碳的能力，使農田從“碳源”到“碳匯”［15］。應按照區域化布局、規模化經營、標準化生產的要求發展設施蔬菜產業，建設高標準設施大棚，降低灌溉施肥的能源消耗，排除田間淹水的潛在風險。

6 資源高效利用產業鏈技術

6.1 秸稈還田和免耕技術

我國農作物和蔬菜等秸稈每年高達11億t，蔬菜秸稈中富含氮磷鉀、有機質等營養元素。傳統的處理方式大多是焚燒，不僅污染環境，還造成資源浪費。秸稈還田技術低碳環保，能改善土壤微環境和理化性質，使土壤肥效長、土質疏松、病蟲害減少［8］。針對蔬菜秸稈纖維素含量高、粉碎難等難題，應加強蔬菜秸稈粉碎處理技術和裝備的研發，創新秸稈還田機型和蔬菜秸稈病蟲害高效快速處理技術，對促進設施蔬菜生產中碳中和的實現具有十分重要的意義。

免耕技術是通過移栽穴、開小播種溝，再采用秸稈還田技術，實現農作物種植過程中不需要耕整地的新型耕作技術。免耕技術能改善土壤營養成分、提高有機質含量，使農業生產實現節能減排。該技術要求農田面積較廣，且處于地勢較平的平原或丘陵地帶［12］。

6.2 循環種養技術

我國每年產生農業固體廢棄物50億t，居世界第一。其中家禽和畜禽的糞便高達26.9億t，占固體廢棄物總量的53.8%，如處理不當將對環境造成嚴重污染。因此，如何將固體廢棄物變廢為寶是我們當前亟需解決的技術問題。低碳種養循環涉及面較廣，政府部門應鼓勵科研人員為當地企業、種植大戶和農民專業合作社提供技術服務，以促進低碳循環生態農業的發展［16］。科研人員應加大科研力度，將畜禽糞便等開發成多功能的蔬菜專用液體肥或固體有機肥，將生態發酵床養殖廠的廢棄墊料進行基質化處理，并研究開發多種菜禽種養循環模式。

6.3 綠肥種植技術

綠肥植物含氮量極高（每667 m2鮮草含氮量相當于20 kg尿素中的含氮量），種植綠肥可以降低化肥的使用量，提高種植效益，對促進設施蔬菜生產實現碳中和具有重要的作用［12］。前茬作物收獲后種植豆科類植物（如苜蓿、紫云英等）作綠肥，后茬作物定植前將其隨整地翻入土壤，可起到肥田（固氮）、改良土壤的作用。