前言PREFACE根據(jù)Science雜志和聯(lián)合國預測，世界人口在21世紀將持續(xù)增長，截至2050年將達到96億人，而到2100年將達110億人。逐年遞增的人口將對食物和糧食、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)量減少和質量降低，農(nóng)田環(huán)境污染日益惡化，氣候變化導致的極端天氣和自然災害日趨頻繁，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)增長且增長潛力有限，難以滿足人類未來發(fā)展對農(nóng)產(chǎn)品安全的迫切需求。據(jù)統(tǒng)計，中國用約占世界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)品有效供應已成為21世紀必須解決的重大現(xiàn)實問題。為此，我國必須大力發(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，這已成為國家長期發(fā)展戰(zhàn)略，國計民生意義十分重大。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代科學技術和科學管理方法裝備起來的農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程各要素可控管理，即控制設施動植物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質，達到按需生產(chǎn)的目標，從而實現(xiàn)利用工業(yè)的理念發(fā)展農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略目標。設施農(nóng)業(yè)在保障我國食物安全和農(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，越來越受到人們的關注，在動植物和食用菌等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，尤其是高品質食物供給，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用價值。我國設施農(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，整個設施農(nóng)業(yè)產(chǎn)值非常可觀。譬如，到2016年年底我國設施園藝總面積已達420萬hm2，設施人工光栽培已達100hm2以上，年產(chǎn)值超過萬億元，且呈逐年上升趨勢。其中，設施蔬菜栽培面積占95%以上，設施蔬菜種植面積及總產(chǎn)量高居世界第一位。設施農(nóng)業(yè)可通過環(huán)境因子調控來提高農(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。我國園藝設施類型有小拱棚、塑料大棚、日光溫室、連棟溫室、植物工廠和垂直農(nóng)場幾種形式，初期投入成本和環(huán)控水平逐級遞增，但應用規(guī)模和數(shù)量卻梯級下降。在設施蔬菜價格天花板和成本地板的雙重擠壓下，在農(nóng)業(yè)資源環(huán)境紅燈與補貼政策黃箱的約束下，設施園藝發(fā)展存在諸多困境。目前，小拱棚、塑料大棚、日光溫室設施栽培面積大約在360萬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)場面積較小，40萬hm2以上，以無土栽培為主，以蔬菜和花卉生產(chǎn)為主。設施蔬菜栽培技術是決定設施蔬菜高效生產(chǎn)的基礎性技術，總體比較來講土壤栽培除了成本低外，與無土栽培相比在資源利用、環(huán)境保護、生產(chǎn)效率、管理自動化、農(nóng)產(chǎn)品品質等眾多方面都處于劣勢。無土栽培是國際現(xiàn)代設施園藝栽培技術主流和發(fā)展方向，其替代趨勢不可避免。過去幾十年，我國設施蔬菜土壤栽培在滿足菜籃子安全方面做出重大貢獻。但是，過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，只能通過盲目擴大設施栽培面積來實現(xiàn)，甚至許多生態(tài)脆弱地區(qū)被納入設施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴重干擾破壞。當前，設施蔬菜產(chǎn)業(yè)資源環(huán)境問題突出，蔬菜安全問題日益嚴重，前景堪憂。誠然，土壤栽培在此后數(shù)年內將繼續(xù)主導我國設施蔬菜生產(chǎn)，但其面積比例將會逐年縮小。同時，改良提高型設施土壤栽培方法將會不斷推出，以替代粗放式傳統(tǒng)土壤生產(chǎn)方式。事實上，土壤栽培資源利用率低，環(huán)境污染嚴重，生產(chǎn)效率低，無法自動化管控，農(nóng)產(chǎn)品品質難以保障等這些既有問題已引起了社會各界的高度關注，隨著公眾飲食安全、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展意識的逐年提高，設施蔬菜無土栽培替代土壤栽培已經(jīng)提到技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的日程。設施蔬菜無土栽培技術是我國設施園藝發(fā)展方向，工程手段將日益受到重視。設施蔬菜無土栽培技術的規(guī)�；瘧�用使得設施蔬菜生產(chǎn)進入工廠化、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。無土栽培技術，譬如水培、基質培、氣霧培在發(fā)揮塑造景觀觀賞和蔬菜生產(chǎn)功能實現(xiàn)的目標指引下，按照園藝作物無限生長的生物學特性，不斷演化出了多種實踐應用模式。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，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)科技園區(qū)等場所，集生產(chǎn)、觀賞、體驗、科普等多種功效于一體。無土栽培在連棟溫室、植物工廠、家庭園藝中已經(jīng)得到廣泛地應用，但在日光溫室中難以直接應用。究其原因，我國日光溫室內氣溫日變化和季節(jié)變化十分劇烈，低溫、高溫逆境頻繁發(fā)生，營養(yǎng)液和基質的溫熱緩沖能力差，在劇烈溫熱變化條件下其根區(qū)溫度波動過大，不利于植物健康地生長發(fā)育。近些年，適合于各種設施類型應用的無土栽培技術不斷發(fā)明推廣，具有觀賞、生產(chǎn)、體驗和家庭園藝等屬性。其中，尤以中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所發(fā)明的土壟內嵌式基質栽培方法（ZL 201410342395��3）最為突出，獲得5項相關專利。該方法可在不改變日光溫室種植布局和茬口安排的基礎上，實現(xiàn)并滿足了日光溫室蔬菜基質栽培的迫切需求，是具有變革性設施蔬菜栽培技術。該技術可以提升根區(qū)溫熱環(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)境的智能化調控提供了基礎性技術支撐，在設施園藝歷史進程中具有劃時代、顛覆性的推進作用。在設施園藝優(yōu)質高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、按需調控和可控生產(chǎn)目標的推動下，太陽光植物工廠和人工光植物工廠方興未艾，技術裝備發(fā)展迅速。人工光植物工廠被譽為顛覆性的農(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)的內涵本質和技術支撐，具有產(chǎn)品安全（無農(nóng)藥、病原菌和重金屬等污染），生產(chǎn)過程與自然環(huán)境、空氣隔絕，不接觸土壤，生產(chǎn)可控環(huán)保等優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景。人工光植物工廠通常采納多層立體無土栽培技術進行規(guī)�；�生產(chǎn)，層數(shù)可達3～20層，具有獨特的生產(chǎn)環(huán)境和調控策略。較連棟溫室（或太陽光植物工廠）無土栽培相比，人工光植物工廠無土栽培在空間資源利用率方面有絕對優(yōu)勢，在栽培植物種類和水肥供給、環(huán)境調控等方面差異巨大。尤其是LED半導體光源應用后，人工光植物工廠徹底實現(xiàn)了全部生產(chǎn)要素的智能調控。目前，該領域的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化受到世界各國學者、LED生產(chǎn)企業(yè)和設施園藝生產(chǎn)者的廣泛關注。根區(qū)和冠層是植物水肥吸收、光合作用兩個重要區(qū)域空間，該區(qū)域空間內的物理、化學和生物化學環(huán)境條件直接關系到植物的健康和品質。根區(qū)和冠層是設施蔬菜生產(chǎn)過程中人為調控最有效、最直接、最節(jié)能的植物部位和界面過程，也是必須協(xié)同調控的兩個部位，以保證地上部和根系進行耦合高效的生理代謝，促進快速健康生長發(fā)育，提高蔬菜可食部分生物量和健康有益物質的合成累積。各種園藝設施內蔬菜根區(qū)冠層技術裝備研發(fā)、根區(qū)冠層調控生理機制、根區(qū)冠層協(xié)同生理機理等研究是國內外關注熱點，取得了很多可喜的成果，亟待系統(tǒng)搜集整理，以推進該領域的發(fā)展。設施蔬菜無土栽培具有良好的根區(qū)與冠層調控的基礎屬性，能夠對根區(qū)介質及其水肥、溫度、溶解氧、空間等理化性狀進行定向調控，在設施內也能同時對整個設施空間和植物群體冠層的光照、溫濕度、CO2濃度、氣流等環(huán)境要素進行協(xié)同調節(jié)，基于植物生理學時空特性建立控制模型，耦合調控植物生長全要素。根區(qū)與冠層是設施植物環(huán)境控制的核心部位。在中國，日光溫室、人工光植物工廠和太陽光植物工廠是設施蔬菜生產(chǎn)典型設施類型。就人工光植物工廠而言，LED光源引入從實踐層面徹底實現(xiàn)了設施植物生產(chǎn)要素的全部智能控制。在生產(chǎn)要素中，只有光照、營養(yǎng)是同時具有質量屬性和數(shù)量屬性的因素，需要光配方和營養(yǎng)液配方及其數(shù)量調控策略。所以，根區(qū)與冠層調控的核心且最復雜的因子分別是營養(yǎng)和光照。中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所是國內最早從事設施無土栽培技術裝備研發(fā)的國家級科研單位，已開展了十余年的研究工作。在科技部儀器升級改造項目、十二五國家863計劃項目和十三五國家重點研發(fā)計劃項目課題等項目的資助下，在設施蔬菜無土栽培領域應用方面取得了眾多成果。截至2016年年底，研究團隊以第一完成單位獲得省部級以上相關科研獎勵6項，分別是2008年獲得北京市科學技術二等獎（都市型設施園藝栽培模式與配套裝備研究，2008農(nóng)-2-001）；2009年獲得國家科技進步二等獎（都市型設施園藝栽培模式創(chuàng)新及關鍵技術研究與示范推廣，2009-J-251-2-13-D01）；2011年獲得第十三屆中國專利獎金獎（甘薯吸收根塊根功能分離栽培方法）；2013年獲得全國農(nóng)牧漁業(yè)豐收獎二等獎（設施蔬菜工廠化生產(chǎn)關鍵技術研究與示范推廣，F(xiàn)CG-2013-2-097-07R）；2015年獲得中國農(nóng)業(yè)科學院科學技術成果獎一等獎（智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質調控關鍵技術，2015-JC-04-01-R01）；2016年獲得北京市科學技術二等獎（智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質調控關鍵技術研究與應用，2016農(nóng)-2-002）。在此國內外設施無土栽培方興未艾之時，從業(yè)者渴望學習和掌握無土栽培技術原理和技術裝備研發(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內設施蔬菜無土栽培領域研發(fā)與應用的最新研究進展，為業(yè)界人士提供參考，以期推動我國設施蔬菜無土栽培領域的應用基礎研究與技術創(chuàng)新。值此國家大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，確立了保障糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給長期發(fā)展戰(zhàn)略之際，《設施蔬菜無土栽培及其根區(qū)與冠層調控》撰寫完畢并付之以梓，甚是欣慰。該書以國內外主體園藝設施日光溫室、植物工廠中蔬菜無土栽培及其根區(qū)與冠層調控技術裝備為主線，闡述了日光溫室起壟內嵌式基質栽培方法及其根區(qū)與冠層調控技術裝備與其應用效果，重點明確了植物工廠無土栽培及其根區(qū)冠層調控技術裝備，總結了設施蔬菜無土栽培根區(qū)冠層調控在蔬菜優(yōu)質高產(chǎn)中的貢獻機制和實踐方法。該書涉及光生物學、設施園藝學、蔬菜學、植物生理學、植物營養(yǎng)學、生物環(huán)境工程、LED半導體照明和智能控制技術等多學科，彼此交叉且有機結合為特點，以課題組研究成果為主體，系統(tǒng)展示了幾十年來國內外設施蔬菜無土栽培技術裝備、根區(qū)冠層調控的研究最新進展和應用現(xiàn)狀全貌，深度闡述了設施蔬菜無土栽培的應用潛力、存在問題及發(fā)展前景。全書共九章，即第一章設施園藝產(chǎn)業(yè)與技術裝備發(fā)展概述；第二章設施蔬菜土壤栽培資源環(huán)境品質問題；第三章設施園藝無土栽培技術裝備發(fā)展概述；第四章日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法構建；第五章日光溫室蔬菜起壟內嵌式基質栽培方法蓄熱保溫機理研究；第六章設施蔬菜起壟內嵌式基質栽培根區(qū)冠層調控研究；第七章設施作物根區(qū)冠層調控的生理機制；第八章太陽光植物工廠無土栽培及根區(qū)冠層調控；第九章人工光植物工廠無土栽培及根區(qū)冠層調控。本書適于大專院校植物營養(yǎng)學、土壤學、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程、設施園藝科學與工程、園藝設施學、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、邱志平和查凌雁等人的部分研究結果，在此對他（她）們表示感謝。感謝楊其長研究員對本書撰寫過程中提供的材料幫助，感謝設施植物環(huán)境工程創(chuàng)新團隊對本書撰寫的支持。衷心希望本書能夠對我國設施蔬菜高效栽培生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)體質增效起到一定推動作用，促進和改變我國單純依賴增加設施蔬菜栽培面積提高產(chǎn)量的粗放增長方式，實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)質、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，懇請廣大讀者提出寶貴意見和建議，以便再版時改進完善。最后，感謝十二五國家863課題：植物工廠節(jié)能LED光源及光環(huán)境智能控制技術（2013��12017��12，課題編號：2013AA103001）和十三五國家重點研發(fā)計劃項目課題：設施農(nóng)田氮磷淋溶防控技術集成示范（課題編號：2016YFD0801001，2016��12020��12）的資助。