碳中和愿景下设施蔬菜生产技术研究*

高文瑞 孙艳军 韩冰 费聪 王显生 徐刚***

（1.江苏省农业科学院蔬菜研究所，江苏省高效园艺作物遗传改良重点实验室，江苏 南京 210014；
2.江苏省农业科学院种质资源与生物技术研究所，农业农村部植物新品种测试（南京）分中心，江苏 南京 210014）

碳中和对实现经济社会可持续发展意义重大，它是积极应对当前气候变化、保护环境的重要举措，也是发展清洁能源，降低油、气等化石能源对外依存度的必然选择，还是开发清洁高效节能环保技术、促进产业化，形成新的经济增长点和动能的需要［1］。*****在第75届联合国大会上提出：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争使二氧化碳排放量于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和。

碳中和的“碳”包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体［2，3］。农业生产中氮肥过量施用造成的氧化亚氮排放，加重了温室效应。联合国粮食及农业组织（FAO）发布的《2016年粮食及农业状况》中提到，世界约有1/5的温室气体来自农业，其中80%的温室气体可被农业生态系统通过自身的生产与循环消耗掉［2］。2019年我国蔬菜种植面积约2 100万hm2，仅次于粮食作物，蔬菜生产的经济效益占整个种植业的39.46%，是农业农村经济的支柱产业之一。2019年我国设施蔬菜种植面积达257万hm2，产量高达2.38亿t，占蔬菜总产量的33.3%，经济效益占整个蔬菜产业的40%。设施蔬菜生产规模大、产值高，推动了农业经济的快速发展。然而，部分蔬菜种植者盲目追求高产，大量施用化肥和农药，导致农田碳排放量居高不下。据统计，按目前化肥投放量计，其产生的碳排放量占农业生产碳排放总量的58.0%～82.4%。农膜、柴油和电力的使用也会直接或间接产生碳排放，加剧了农业减排的压力［4，5］。为推动设施蔬菜绿色低碳生产，助力实现国家碳中和，我们从设施构型优化、发展富碳农业、设施蔬菜双减增效栽培技术、低碳安全物理技术、高标准农田建设、资源高效利用产业链技术等方面，探讨了碳中和愿景下我国设施蔬菜生产固碳减排策略和技术。

日光温室和塑料大棚是我国设施蔬菜生产中常用的设施类型，其中日光温室是我国独创的节能型设施。在碳中和愿景下，提高采光和保温性能是温室大棚构型优化的关键。为提高空间和土地利用率及抗灾能力，我国应开展大跨度保温型塑料大棚和日光温室的研发；
另外，通过农机与农艺技术的结合和应用智能监测系统，提高设施的自动化和智能化管理水平，以期高效利用环境资源，最大限度地提高设施蔬菜单位面积产量［6］。目前荷兰设施蔬菜生产应用自动化和智能化技术，实现精细化管理，大大降低了温室能耗，番茄年产量40～50 kg/m2、黄瓜年产量60 kg/m2以上，商品率高达90%以上，是我国目前最高生产水平的2倍多。可见，我国的设施构型仍具有较大的提升空间。

空气中二氧化碳浓度接近400 mg/kg，而作物生长适宜的二氧化碳浓度为1 000～1 400 mg/kg，温室大棚内通风不良，植物更是长期处于“碳饥饿”状态。栽培设施内增施二氧化碳气肥，可以增加土壤有机质含量，促进植株根系生长，减少50%～60%的农药使用量，提高农作物产量和果实含糖量，延长农产品的储藏期［7］。发达国家设施蔬菜生产中一般都配有二氧化碳生产装备，但由于我国煤油和天然气资源匮乏，设施栽培中一般无二氧化碳生产装备，仅少数设施栽培中采用二氧化碳发生器（燃烧法）、二氧化碳钢瓶、直接施放干冰以及利用化学反应生成二氧化碳等方法补施二氧化碳，虽然在蔬菜生产上的应用效果较好但效率较低。如能收集煤炭化工等企业排放的二氧化碳应用于农业生产，推广二氧化碳施肥技术，发展富碳农业，将有效减少碳排放。因此，我国亟需开展工业生产中废弃二氧化碳高效收集技术及其在设施农业生产中的应用研究。

3.1 选育优质高产蔬菜品种

加强培育适宜设施栽培的高光效、高肥效同时兼具耐低温弱光、抗病、优质和高产等特点的蔬菜品种，并研究配套的栽培技术，实现良种与良法的有机结合，最大限度地提高品种的增产潜力。同时加强蔬菜品质内在机理的研究，为设施蔬菜生产实现碳中和奠定基础［6，8］。

3.2 施用腐殖酸低碳肥料

腐植酸类物质约占土壤碳库的80%，具有提高化肥肥效、降低化肥用量、提高蔬菜产量、减少二氧化碳等温室气体排放的作用。研究表明，500万t腐植酸尿素的生产，可减少125万t尿素的使用，间接降低340万t二氧化碳的排放量。因此，应尽快研究腐殖酸低碳肥料在设施蔬菜生产中的应用，为其大面积普及和推广应用奠定基础［9-11］。

3.3 推广蔬菜有机生产模式

过量使用化肥、农药是农业生产中产生高碳排放量的重要原因。研究表明，蔬菜有机生产模式的投入产出比和碳足迹分别为无公害生产的18.5%和87.4%。要实现设施蔬菜生产碳中和，必须从根本上转变当前农药、化肥的施用方式，推广蔬菜有机生产模式，采用有机肥替代化肥，改变化肥过量使用的现状［12］；
加大力度研究施用微生物菌剂、生物炭及秸秆还田等技术，有效提升土壤的有机质含量和固碳能力。

3.4 提高复种指数

提高设施蔬菜的复种指数能提高二氧化碳吸收量，每667 m2农田种植一季平均释放氧气0.8 t，吸收二氧化碳1.09 t［12］。在碳中和愿景下，应积极研究与推广适合本地气候条件的设施蔬菜高效复种栽培模式，并配合使用农机装备，进一步提高设施蔬菜生产能力。

3.5 绿色病虫害防治技术

应加强对不同区域、不同设施条件下蔬菜病虫害发生及流行规律的研究，并进行病虫害精确鉴定及预测，为设施蔬菜病虫害科学防治提供理论基础；
积极推广绿色植保理念，建立健全绿色病虫害防控体系，提倡并执行先期预防为主的策略；
研究推广以肥治虫、以菌治虫，以及黄板诱杀、性激素诱杀、银灰色防虫网驱虫、杀虫灯灭虫等综合防治技术［8］；
研究土壤和环境调控技术，降低化学农药的使用量，推广以生物农药防治为主的绿色防控技术体系［8］。

3.6 精准栽培管理

首先，加大设施蔬菜检测采集系统的开发力度。蔬菜检测采集系统可自动采集设施内温度、湿度、水分、植株长势等数据，建立各指标间相关关系的模型。其次，研究不同蔬菜作物的养分需求规律，使用云平台等进行大数据预测分析，建立精准的水肥一体化灌溉策略，以减少农药和化肥的用量，提高作物产量及肥水利用率，进而降低设施蔬菜生产成本。最后，研究开发设施内专用的整地、起垄、育苗、定植、整枝和采摘等小型智能农机装备，降低人工成本［13］。随着社会经济的发展，现代化的设施蔬菜生产必然朝着规模化、标准化的方向发展。实现精准栽培管理是降低设施蔬菜生产成本的基础，也是促进实现碳中和目标的重要技术手段。

设施蔬菜生产中的物理技术是以光、电、磁、声等物理手段，为植物生长发育创造良好环境条件的新型农业技术。物理技术应用于蔬菜生产，可减少化学肥料、药品的投入，确保蔬菜产品的质量安全。声波助长仪能促进蔬菜对养分的吸收、运输和转化，增强植株的光合性能，提升设施蔬菜的产量和品质；
电功能水具有较好的防病杀菌性能，对蔬菜立枯病、猝倒病、霜霉病、白粉病等病菌的致死率达90%～95%，目前该技术已在日本蔬菜生产中推广应用；
采用单磁极磁化水灌溉生菜、黄瓜、番茄、西甜瓜等，可增产80%以上，并能缩短蔬菜生育期，适当提高蔬菜含糖量；
冬季在日光温室后墙悬挂反光幕，冬春茬果菜类蔬菜可增产10%～15%，提高果实的光洁度、商品性以及糖、维生素含量等，降低畸形果率，促进果实提早上市［14］。因此，正确应用物理技术能提高植株养分吸收率、抗病性以及产量、品质，从而减少碳足迹，提高设施蔬菜碳汇能力，对促进碳中和具有积极的效果。

高标准农田不仅能改善农田生产条件，提高农作物综合生产能力，还能增加土壤有机质含量，提高农田对温室气体吸收和固定二氧化碳的能力，使农田从“碳源”到“碳汇”［15］。应按照区域化布局、规模化经营、标准化生产的要求发展设施蔬菜产业，建设高标准设施大棚，降低灌溉施肥的能源消耗，排除田间淹水的潜在风险。

6.1 秸秆还田和免耕技术

我国农作物和蔬菜等秸秆每年高达11亿t，蔬菜秸秆中富含氮磷钾、有机质等营养元素。传统的处理方式大多是焚烧，不仅污染环境，还造成资源浪费。秸秆还田技术低碳环保，能改善土壤微环境和理化性质，使土壤肥效长、土质疏松、病虫害减少［8］。针对蔬菜秸秆纤维素含量高、粉碎难等难题，应加强蔬菜秸秆粉碎处理技术和装备的研发，创新秸秆还田机型和蔬菜秸秆病虫害高效快速处理技术，对促进设施蔬菜生产中碳中和的实现具有十分重要的意义。

免耕技术是通过移栽穴、开小播种沟，再采用秸秆还田技术，实现农作物种植过程中不需要耕整地的新型耕作技术。免耕技术能改善土壤营养成分、提高有机质含量，使农业生产实现节能减排。该技术要求农田面积较广，且处于地势较平的平原或丘陵地带［12］。

6.2 循环种养技术

我国每年产生农业固体废弃物50亿t，居世界第一。其中家禽和畜禽的粪便高达26.9亿t，占固体废弃物总量的53.8%，如处理不当将对环境造成严重污染。因此，如何将固体废弃物变废为宝是我们当前亟需解决的技术问题。低碳种养循环涉及面较广，政府部门应鼓励科研人员为当地企业、种植大户和农民专业合作社提供技术服务，以促进低碳循环生态农业的发展［16］。科研人员应加大科研力度，将畜禽粪便等开发成多功能的蔬菜专用液体肥或固体有机肥，将生态发酵床养殖厂的废弃垫料进行基质化处理，并研究开发多种菜禽种养循环模式。

6.3 绿肥种植技术

绿肥植物含氮量极高（每667 m2鲜草含氮量相当于20 kg尿素中的含氮量），种植绿肥可以降低化肥的使用量，提高种植效益，对促进设施蔬菜生产实现碳中和具有重要的作用［12］。前茬作物收获后种植豆科类植物（如苜蓿、紫云英等）作绿肥，后茬作物定植前将其随整地翻入土壤，可起到肥田（固氮）、改良土壤的作用。

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