前言PREFACE根據(jù)Science雜志和聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，世界人口在21世紀(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)，截至2050年將達(dá)到96億人，而到2100年將達(dá)110億人。逐年遞增的人口將對(duì)食物和糧食、燃料、纖維、飼料類農(nóng)產(chǎn)品及功能化合物需求逐年增加，而土地等農(nóng)業(yè)資源數(shù)量減少和質(zhì)量降低，農(nóng)田環(huán)境污染日益惡化，氣候變化導(dǎo)致的極端天氣和自然災(zāi)害日趨頻繁，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)能受自然條件的束縛農(nóng)業(yè)難以持續(xù)增長(zhǎng)且增長(zhǎng)潛力有限，難以滿足人類未來(lái)發(fā)展對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全的迫切需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)用約占世界6％的淡水、9%的耕地以及30%的化肥生產(chǎn)出占世界26%的農(nóng)產(chǎn)品，養(yǎng)活了占世界20%的人口。如何保障糧食安全與農(nóng)產(chǎn)品有效供應(yīng)已成為21世紀(jì)必須解決的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。為此，我國(guó)必須大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，保障糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平和生產(chǎn)效率，這已成為國(guó)家長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，國(guó)計(jì)民生意義十分重大。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和科學(xué)管理方法裝備起來(lái)的農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程各要素可控管理，即控制設(shè)施動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)，達(dá)到按需生產(chǎn)的目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)利用工業(yè)的理念發(fā)展農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。設(shè)施農(nóng)業(yè)在保障我國(guó)食物安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給，尤其是在確保菜籃子安全方面具有不可或缺的作用，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為環(huán)境可控、周年生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，在動(dòng)植物和食用菌等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，尤其是高品質(zhì)食物供給，均衡農(nóng)產(chǎn)品四季供給，解決人類隱性饑餓等方面具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，在果蔬、肉蛋奶、食用菌、藥用植物、苗木和花卉等農(nóng)產(chǎn)品供給方面發(fā)揮了重要作用，其中設(shè)施果蔬、肉蛋奶、食用菌等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)量穩(wěn)居世界首位，整個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)值非�？捎^。譬如，到2016年年底我國(guó)設(shè)施園藝總面積已達(dá)420萬(wàn)hm2，設(shè)施人工光栽培已達(dá)100hm2以上，年產(chǎn)值超過(guò)萬(wàn)億元，且呈逐年上升趨勢(shì)。其中，設(shè)施蔬菜栽培面積占95%以上，設(shè)施蔬菜種植面積及總產(chǎn)量高居世界第一位。設(shè)施農(nóng)業(yè)可通過(guò)環(huán)境因子調(diào)控來(lái)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，使農(nóng)業(yè)擺脫了自然條件的束縛，不同程度地具備了周年生產(chǎn)的能力。我國(guó)園藝設(shè)施類型有小拱棚、塑料大棚、日光溫室、連棟溫室、植物工廠和垂直農(nóng)場(chǎng)幾種形式，初期投入成本和環(huán)控水平逐級(jí)遞增，但應(yīng)用規(guī)模和數(shù)量卻梯級(jí)下降。在設(shè)施蔬菜價(jià)格天花板和成本地板的雙重?cái)D壓下，在農(nóng)業(yè)資源環(huán)境紅燈與補(bǔ)貼政策黃箱的約束下，設(shè)施園藝發(fā)展存在諸多困境。目前，小拱棚、塑料大棚、日光溫室設(shè)施栽培面積大約在360萬(wàn)hm2以上，且以土壤栽培為主，以生產(chǎn)蔬菜為主；而連棟溫室、植物工廠和垂直農(nóng)場(chǎng)面積較小，40萬(wàn)hm2以上，以無(wú)土栽培為主，以蔬菜和花卉生產(chǎn)為主。設(shè)施蔬菜栽培技術(shù)是決定設(shè)施蔬菜高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)性技術(shù)，總體比較來(lái)講土壤栽培除了成本低外，與無(wú)土栽培相比在資源利用、環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)效率、管理自動(dòng)化、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等眾多方面都處于劣勢(shì)。無(wú)土栽培是國(guó)際現(xiàn)代設(shè)施園藝栽培技術(shù)主流和發(fā)展方向，其替代趨勢(shì)不可避免。過(guò)去幾十年，我國(guó)設(shè)施蔬菜土壤栽培在滿足菜籃子安全方面做出重大貢獻(xiàn)。但是，過(guò)去幾十年為保證在較低單產(chǎn)情況下滿足日益增加的反季節(jié)蔬菜的數(shù)量需求，只能通過(guò)盲目擴(kuò)大設(shè)施栽培面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，甚至許多生態(tài)脆弱地區(qū)被納入設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重干擾破壞。當(dāng)前，設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)資源環(huán)境問(wèn)題突出，蔬菜安全問(wèn)題日益嚴(yán)重，前景堪憂。誠(chéng)然，土壤栽培在此后數(shù)年內(nèi)將繼續(xù)主導(dǎo)我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)，但其面積比例將會(huì)逐年縮小。同時(shí)，改良提高型設(shè)施土壤栽培方法將會(huì)不斷推出，以替代粗放式傳統(tǒng)土壤生產(chǎn)方式。事實(shí)上，土壤栽培資源利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，無(wú)法自動(dòng)化管控，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)難以保障等這些既有問(wèn)題已引起了社會(huì)各界的高度關(guān)注，隨著公眾飲食安全、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)的逐年提高，設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培替代土壤栽培已經(jīng)提到技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的日程。設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培技術(shù)是我國(guó)設(shè)施園藝發(fā)展方向，工程手段將日益受到重視。設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培技術(shù)的規(guī)�；瘧�(yīng)用使得設(shè)施蔬菜生產(chǎn)進(jìn)入工廠化、規(guī)�；�的階段，甚至具有周年連續(xù)生產(chǎn)、立體多層栽培等高效生產(chǎn)屬性，生產(chǎn)效率可提高幾倍至數(shù)十倍。無(wú)土栽培技術(shù)，譬如水培、基質(zhì)培、氣霧培在發(fā)揮塑造景觀觀賞和蔬菜生產(chǎn)功能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)指引下，按照?qǐng)@藝作物無(wú)限生長(zhǎng)的生物學(xué)特性，不斷演化出了多種實(shí)踐應(yīng)用模式。以水培為例，DFT和NFT、墻體垂直栽培、立柱垂直栽培、樹式栽培、管道立體栽培、浮板毛管水培和立體多層栽培等多種形式，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科技園區(qū)等場(chǎng)所，集生產(chǎn)、觀賞、體驗(yàn)、科普等多種功效于一體。無(wú)土栽培在連棟溫室、植物工廠、家庭園藝中已經(jīng)得到廣泛地應(yīng)用，但在日光溫室中難以直接應(yīng)用。究其原因，我國(guó)日光溫室內(nèi)氣溫日變化和季節(jié)變化十分劇烈，低溫、高溫逆境頻繁發(fā)生，營(yíng)養(yǎng)液和基質(zhì)的溫?zé)峋彌_能力差，在劇烈溫?zé)嶙兓瘲l件下其根區(qū)溫度波動(dòng)過(guò)大，不利于植物健康地生長(zhǎng)發(fā)育。近些年，適合于各種設(shè)施類型應(yīng)用的無(wú)土栽培技術(shù)不斷發(fā)明推廣，具有觀賞、生產(chǎn)、體驗(yàn)和家庭園藝等屬性。其中，尤以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所發(fā)明的土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方法（ZL 201410342395��3）最為突出，獲得5項(xiàng)相關(guān)專利。該方法可在不改變?nèi)展鉁厥曳N植布局和茬口安排的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)并滿足了日光溫室蔬菜基質(zhì)栽培的迫切需求，是具有變革性設(shè)施蔬菜栽培技術(shù)。該技術(shù)可以提升根區(qū)溫?zé)岘h(huán)境的穩(wěn)定性，增加水肥利用效率，環(huán)保高產(chǎn)，水肥和農(nóng)藝管控方便。更為重要的是，該方法為今后日光溫室蔬菜根區(qū)環(huán)境的智能化調(diào)控提供了基礎(chǔ)性技術(shù)支撐，在設(shè)施園藝歷史進(jìn)程中具有劃時(shí)代、顛覆性的推進(jìn)作用。在設(shè)施園藝優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、按需調(diào)控和可控生產(chǎn)目標(biāo)的推動(dòng)下，太陽(yáng)光植物工廠和人工光植物工廠方興未艾，技術(shù)裝備發(fā)展迅速。人工光植物工廠被譽(yù)為顛覆性的農(nóng)作方式和土地利用方式，是現(xiàn)代城市農(nóng)業(yè)、家庭農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵本質(zhì)和技術(shù)支撐，具有產(chǎn)品安全（無(wú)農(nóng)藥、病原菌和重金屬等污染），生產(chǎn)過(guò)程與自然環(huán)境、空氣隔絕，不接觸土壤，生產(chǎn)可控環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。人工光植物工廠通常采納多層立體無(wú)土栽培技術(shù)進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，層數(shù)可達(dá)3～20層，具有獨(dú)特的生產(chǎn)環(huán)境和調(diào)控策略。較連棟溫室（或太陽(yáng)光植物工廠）無(wú)土栽培相比，人工光植物工廠無(wú)土栽培在空間資源利用率方面有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在栽培植物種類和水肥供給、環(huán)境調(diào)控等方面差異巨大。尤其是LED半導(dǎo)體光源應(yīng)用后，人工光植物工廠徹底實(shí)現(xiàn)了全部生產(chǎn)要素的智能調(diào)控。目前，該領(lǐng)域的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化受到世界各國(guó)學(xué)者、LED生產(chǎn)企業(yè)和設(shè)施園藝生產(chǎn)者的廣泛關(guān)注。根區(qū)和冠層是植物水肥吸收、光合作用兩個(gè)重要區(qū)域空間，該區(qū)域空間內(nèi)的物理、化學(xué)和生物化學(xué)環(huán)境條件直接關(guān)系到植物的健康和品質(zhì)。根區(qū)和冠層是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中人為調(diào)控最有效、最直接、最節(jié)能的植物部位和界面過(guò)程，也是必須協(xié)同調(diào)控的兩個(gè)部位，以保證地上部和根系進(jìn)行耦合高效的生理代謝，促進(jìn)快速健康生長(zhǎng)發(fā)育，提高蔬菜可食部分生物量和健康有益物質(zhì)的合成累積。各種園藝設(shè)施內(nèi)蔬菜根區(qū)冠層技術(shù)裝備研發(fā)、根區(qū)冠層調(diào)控生理機(jī)制、根區(qū)冠層協(xié)同生理機(jī)理等研究是國(guó)內(nèi)外關(guān)注熱點(diǎn)，取得了很多可喜的成果，亟待系統(tǒng)搜集整理，以推進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培具有良好的根區(qū)與冠層調(diào)控的基礎(chǔ)屬性，能夠?qū)Ω鶇^(qū)介質(zhì)及其水肥、溫度、溶解氧、空間等理化性狀進(jìn)行定向調(diào)控，在設(shè)施內(nèi)也能同時(shí)對(duì)整個(gè)設(shè)施空間和植物群體冠層的光照、溫濕度、CO2濃度、氣流等環(huán)境要素進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，基于植物生理學(xué)時(shí)空特性建立控制模型，耦合調(diào)控植物生長(zhǎng)全要素。根區(qū)與冠層是設(shè)施植物環(huán)境控制的核心部位。在中國(guó)，日光溫室、人工光植物工廠和太陽(yáng)光植物工廠是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)典型設(shè)施類型。就人工光植物工廠而言，LED光源引入從實(shí)踐層面徹底實(shí)現(xiàn)了設(shè)施植物生產(chǎn)要素的全部智能控制。在生產(chǎn)要素中，只有光照、營(yíng)養(yǎng)是同時(shí)具有質(zhì)量屬性和數(shù)量屬性的因素，需要光配方和營(yíng)養(yǎng)液配方及其數(shù)量調(diào)控策略。所以，根區(qū)與冠層調(diào)控的核心且最復(fù)雜的因子分別是營(yíng)養(yǎng)和光照。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所是國(guó)內(nèi)最早從事設(shè)施無(wú)土栽培技術(shù)裝備研發(fā)的國(guó)家級(jí)科研單位，已開展了十余年的研究工作。在科技部?jī)x器升級(jí)改造項(xiàng)目、十二五國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目和十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題等項(xiàng)目的資助下，在設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培領(lǐng)域應(yīng)用方面取得了眾多成果。截至2016年年底，研究團(tuán)隊(duì)以第一完成單位獲得省部級(jí)以上相關(guān)科研獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)，分別是2008年獲得北京市科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)（都市型設(shè)施園藝栽培模式與配套裝備研究，2008農(nóng)-2-001）；2009年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（都市型設(shè)施園藝栽培模式創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)研究與示范推廣，2009-J-251-2-13-D01）；2011年獲得第十三屆中國(guó)專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)（甘薯吸收根塊根功能分離栽培方法）；2013年獲得全國(guó)農(nóng)牧漁業(yè)豐收獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（設(shè)施蔬菜工廠化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范推廣，F(xiàn)CG-2013-2-097-07R）；2015年獲得中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科學(xué)技術(shù)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（智能植物工廠能效提升與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，2015-JC-04-01-R01）；2016年獲得北京市科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)（智能植物工廠能效提升與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，2016農(nóng)-2-002）。在此國(guó)內(nèi)外設(shè)施無(wú)土栽培方興未艾之時(shí)，從業(yè)者渴望學(xué)習(xí)和掌握無(wú)土栽培技術(shù)原理和技術(shù)裝備研發(fā)現(xiàn)狀，為了滿足廣大業(yè)界人士的需求，作者萌發(fā)了撰著本書的念頭。本書正是這些研究成果的集中體現(xiàn)，力求能夠反映世界和國(guó)內(nèi)設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培領(lǐng)域研發(fā)與應(yīng)用的最新研究進(jìn)展，為業(yè)界人士提供參考，以期推動(dòng)我國(guó)設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新。值此國(guó)家大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，確立了保障糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略之際，《設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培及其根區(qū)與冠層調(diào)控》撰寫完畢并付之以梓，甚是欣慰。該書以國(guó)內(nèi)外主體園藝設(shè)施日光溫室、植物工廠中蔬菜無(wú)土栽培及其根區(qū)與冠層調(diào)控技術(shù)裝備為主線，闡述了日光溫室起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方法及其根區(qū)與冠層調(diào)控技術(shù)裝備與其應(yīng)用效果，重點(diǎn)明確了植物工廠無(wú)土栽培及其根區(qū)冠層調(diào)控技術(shù)裝備，總結(jié)了設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培根區(qū)冠層調(diào)控在蔬菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)中的貢獻(xiàn)機(jī)制和實(shí)踐方法。該書涉及光生物學(xué)、設(shè)施園藝學(xué)、蔬菜學(xué)、植物生理學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、生物環(huán)境工程、LED半導(dǎo)體照明和智能控制技術(shù)等多學(xué)科，彼此交叉且有機(jī)結(jié)合為特點(diǎn)，以課題組研究成果為主體，系統(tǒng)展示了幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培技術(shù)裝備、根區(qū)冠層調(diào)控的研究最新進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀全貌，深度闡述了設(shè)施蔬菜無(wú)土栽培的應(yīng)用潛力、存在問(wèn)題及發(fā)展前景。全書共九章，即第一章設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)與技術(shù)裝備發(fā)展概述；第二章設(shè)施蔬菜土壤栽培資源環(huán)境品質(zhì)問(wèn)題；第三章設(shè)施園藝無(wú)土栽培技術(shù)裝備發(fā)展概述；第四章日光溫室蔬菜起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方法構(gòu)建；第五章日光溫室蔬菜起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方法蓄熱保溫機(jī)理研究；第六章設(shè)施蔬菜起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培根區(qū)冠層調(diào)控研究；第七章設(shè)施作物根區(qū)冠層調(diào)控的生理機(jī)制；第八章太陽(yáng)光植物工廠無(wú)土栽培及根區(qū)冠層調(diào)控；第九章人工光植物工廠無(wú)土栽培及根區(qū)冠層調(diào)控。本書適于大專院校植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程、設(shè)施園藝科學(xué)與工程、園藝設(shè)施學(xué)、照明工程等專業(yè)的本科生、研究生和教師以及廣大農(nóng)業(yè)科技工作者、農(nóng)業(yè)企業(yè)界人士閱讀參考。本書編著過(guò)程中收集整理了研究生余意、趙姣姣、劉義飛、李宗耕、張玉彬、楊佳佳、馬全會(huì)、邱志平和查凌雁等人的部分研究結(jié)果，在此對(duì)他（她）們表示感謝。感謝楊其長(zhǎng)研究員對(duì)本書撰寫過(guò)程中提供的材料幫助，感謝設(shè)施植物環(huán)境工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)對(duì)本書撰寫的支持。衷心希望本書能夠?qū)ξ覈?guó)設(shè)施蔬菜高效栽培生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)體質(zhì)增效起到一定推動(dòng)作用，促進(jìn)和改變我國(guó)單純依賴增加設(shè)施蔬菜栽培面積提高產(chǎn)量的粗放增長(zhǎng)方式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、單產(chǎn)高、環(huán)境友好、資源節(jié)約，甚至可以周年生產(chǎn)的現(xiàn)代設(shè)施園藝可持續(xù)發(fā)展方式。由于著者水平有限，書中不妥之處在所難免，懇請(qǐng)廣大讀者提出寶貴意見和建議，以便再版時(shí)改進(jìn)完善。最后，感謝十二五國(guó)家863課題：植物工廠節(jié)能LED光源及光環(huán)境智能控制技術(shù)（2013��12017��12，課題編號(hào)：2013AA103001）和十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題：設(shè)施農(nóng)田氮磷淋溶防控技術(shù)集成示范（課題編號(hào)：2016YFD0801001，2016��12020��12）的資助。