碳中和愿景下設(shè)施蔬菜生產(chǎn)技術(shù)研究*

高文瑞 孫艷軍 韓冰 費(fèi)聰 王顯生 徐剛***

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測試（南京）分中心，江蘇 南京 210014）

碳中和對實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展意義重大，它是積極應(yīng)對當(dāng)前氣候變化、保護(hù)環(huán)境的重要舉措，也是發(fā)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(fā)清潔高效節(jié)能環(huán)保技術(shù)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和動(dòng)能的需要［1］。習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上提出：中國將提高國家自主貢獻(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥過量施用造成的氧化亞氮排放，加重了溫室效應(yīng)。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）發(fā)布的《2016年糧食及農(nóng)業(yè)狀況》中提到，世界約有1/5的溫室氣體來自農(nóng)業(yè)，其中80%的溫室氣體可被農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)通過自身的生產(chǎn)與循環(huán)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(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益占整個(gè)種植業(yè)的39.46%，是農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。2019年我國設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)257萬hm2，產(chǎn)量高達(dá)2.38億t，占蔬菜總產(chǎn)量的33.3%，經(jīng)濟(jì)效益占整個(gè)蔬菜產(chǎn)業(yè)的40%。設(shè)施蔬菜生產(chǎn)規(guī)模大、產(chǎn)值高，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。然而，部分蔬菜種植者盲目追求高產(chǎn)，大量施用化肥和農(nóng)藥，導(dǎo)致農(nóng)田碳排放量居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按目前化肥投放量計(jì)，其產(chǎn)生的碳排放量占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放總量的58.0%～82.4%。農(nóng)膜、柴油和電力的使用也會直接或間接產(chǎn)生碳排放，加劇了農(nóng)業(yè)減排的壓力［4，5］。為推動(dòng)設(shè)施蔬菜綠色低碳生產(chǎn)，助力實(shí)現(xiàn)國家碳中和，我們從設(shè)施構(gòu)型優(yōu)化、發(fā)展富碳農(nóng)業(yè)、設(shè)施蔬菜雙減增效栽培技術(shù)、低碳安全物理技術(shù)、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、資源高效利用產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)等方面，探討了碳中和愿景下我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)固碳減排策略和技術(shù)。

1 設(shè)施構(gòu)型優(yōu)化

日光溫室和塑料大棚是我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中常用的設(shè)施類型，其中日光溫室是我國獨(dú)創(chuàng)的節(jié)能型設(shè)施。在碳中和愿景下，提高采光和保溫性能是溫室大棚構(gòu)型優(yōu)化的關(guān)鍵。為提高空間和土地利用率及抗災(zāi)能力，我國應(yīng)開展大跨度保溫型塑料大棚和日光溫室的研發(fā)；另外，通過農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝技術(shù)的結(jié)合和應(yīng)用智能監(jiān)測系統(tǒng)，提高設(shè)施的自動(dòng)化和智能化管理水平，以期高效利用環(huán)境資源，最大限度地提高設(shè)施蔬菜單位面積產(chǎn)量［6］。目前荷蘭設(shè)施蔬菜生產(chǎn)應(yīng)用自動(dòng)化和智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，大大降低了溫室能耗，番茄年產(chǎn)量40～50 kg/m2、黃瓜年產(chǎn)量60 kg/m2以上，商品率高達(dá)90%以上，是我國目前最高生產(chǎn)水平的2倍多?？梢?，我國的設(shè)施構(gòu)型仍具有較大的提升空間。

2 發(fā)展富碳農(nóng)業(yè)

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(nèi)通風(fēng)不良，植物更是長期處于“碳饑餓”狀態(tài)。栽培設(shè)施內(nèi)增施二氧化碳?xì)夥?，可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)植株根系生長，減少50%～60%的農(nóng)藥使用量，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和果實(shí)含糖量，延長農(nóng)產(chǎn)品的儲藏期［7］。發(fā)達(dá)國家設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中一般都配有二氧化碳生產(chǎn)裝備，但由于我國煤油和天然氣資源匱乏，設(shè)施栽培中一般無二氧化碳生產(chǎn)裝備，僅少數(shù)設(shè)施栽培中采用二氧化碳發(fā)生器（燃燒法）、二氧化碳鋼瓶、直接施放干冰以及利用化學(xué)反應(yīng)生成二氧化碳等方法補(bǔ)施二氧化碳，雖然在蔬菜生產(chǎn)上的應(yīng)用效果較好但效率較低。如能收集煤炭化工等企業(yè)排放的二氧化碳應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，推廣二氧化碳施肥技術(shù)，發(fā)展富碳農(nóng)業(yè)，將有效減少碳排放。因此，我國亟需開展工業(yè)生產(chǎn)中廢棄二氧化碳高效收集技術(shù)及其在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究。

3 設(shè)施蔬菜雙減增效栽培技術(shù)

3.1 選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)蔬菜品種

加強(qiáng)培育適宜設(shè)施栽培的高光效、高肥效同時(shí)兼具耐低溫弱光、抗病、優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)等特點(diǎn)的蔬菜品種，并研究配套的栽培技術(shù)，實(shí)現(xiàn)良種與良法的有機(jī)結(jié)合，最大限度地提高品種的增產(chǎn)潛力。同時(shí)加強(qiáng)蔬菜品質(zhì)內(nèi)在機(jī)理的研究，為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)碳中和奠定基礎(chǔ)［6，8］。

3.2 施用腐殖酸低碳肥料

腐植酸類物質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)，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(yīng)盡快研究腐殖酸低碳肥料在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用，為其大面積普及和推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)［9-11］。

3.3 推廣蔬菜有機(jī)生產(chǎn)模式

過量使用化肥、農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生高碳排放量的重要原因。研究表明，蔬菜有機(jī)生產(chǎn)模式的投入產(chǎn)出比和碳足跡分別為無公害生產(chǎn)的18.5%和87.4%。要實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)碳中和，必須從根本上轉(zhuǎn)變當(dāng)前農(nóng)藥、化肥的施用方式，推廣蔬菜有機(jī)生產(chǎn)模式，采用有機(jī)肥替代化肥，改變化肥過量使用的現(xiàn)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(shù)，有效提升土壤的有機(jī)質(zhì)含量和固碳能力。

3.4 提高復(fù)種指數(shù)

提高設(shè)施蔬菜的復(fù)種指數(shù)能提高二氧化碳吸收量，每667 m2農(nóng)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(yīng)積極研究與推廣適合本地氣候條件的設(shè)施蔬菜高效復(fù)種栽培模式，并配合使用農(nóng)機(jī)裝備，進(jìn)一步提高設(shè)施蔬菜生產(chǎn)能力。

3.5 綠色病蟲害防治技術(shù)

應(yīng)加強(qiáng)對不同區(qū)域、不同設(shè)施條件下蔬菜病蟲害發(fā)生及流行規(guī)律的研究，并進(jìn)行病蟲害精確鑒定及預(yù)測，為設(shè)施蔬菜病蟲害科學(xué)防治提供理論基礎(chǔ)；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(zhí)行先期預(yù)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(wǎng)驅(qū)蟲、殺蟲燈滅蟲等綜合防治技術(shù)［8］；研究土壤和環(huán)境調(diào)控技術(shù)，降低化學(xué)農(nóng)藥的使用量，推廣以生物農(nóng)藥防治為主的綠色防控技術(shù)體系［8］。

3.6 精準(zhǔn)栽培管理

首先，加大設(shè)施蔬菜檢測采集系統(tǒng)的開發(fā)力度。蔬菜檢測采集系統(tǒng)可自動(dòng)采集設(shè)施內(nèi)溫度、濕度、水分、植株長勢等數(shù)據(jù)，建立各指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系的模型。其次，研究不同蔬菜作物的養(yǎng)分需求規(guī)律，使用云平臺等進(jìn)行大數(shù)據(jù)預(yù)測分析，建立精準(zhǔn)的水肥一體化灌溉策略，以減少農(nóng)藥和化肥的用量，提高作物產(chǎn)量及肥水利用率，進(jìn)而降低設(shè)施蔬菜生產(chǎn)成本。最后，研究開發(fā)設(shè)施內(nèi)專用的整地、起壟、育苗、定植、整枝和采摘等小型智能農(nóng)機(jī)裝備，降低人工成本［13］。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代化的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)必然朝著規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)栽培管理是降低設(shè)施蔬菜生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)，也是促進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)手段。

4 物理技術(shù)在蔬菜生產(chǎn)上的應(yīng)用

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的物理技術(shù)是以光、電、磁、聲等物理手段，為植物生長發(fā)育創(chuàng)造良好環(huán)境條件的新型農(nóng)業(yè)技術(shù)。物理技術(shù)應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)，可減少化學(xué)肥料、藥品的投入，確保蔬菜產(chǎn)品的質(zhì)量安全。聲波助長儀能促進(jìn)蔬菜對養(yǎng)分的吸收、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)植株的光合性能，提升設(shè)施蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)；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(dá)90%～95%，目前該技術(shù)已在日本蔬菜生產(chǎn)中推廣應(yīng)用；采用單磁極磁化水灌溉生菜、黃瓜、番茄、西甜瓜等，可增產(chǎn)80%以上，并能縮短蔬菜生育期，適當(dāng)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(chǎn)10%～15%，提高果實(shí)的光潔度、商品性以及糖、維生素含量等，降低畸形果率，促進(jìn)果實(shí)提早上市［14］。因此，正確應(yīng)用物理技術(shù)能提高植株養(yǎng)分吸收率、抗病性以及產(chǎn)量、品質(zhì)，從而減少碳足跡，提高設(shè)施蔬菜碳匯能力，對促進(jìn)碳中和具有積極的效果。

5 推廣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田不僅能改善農(nóng)田生產(chǎn)條件，提高農(nóng)作物綜合生產(chǎn)能力，還能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高農(nóng)田對溫室氣體吸收和固定二氧化碳的能力，使農(nóng)田從“碳源”到“碳匯”［15］。應(yīng)按照區(qū)域化布局、規(guī)?；?jīng)營、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求發(fā)展設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施大棚，降低灌溉施肥的能源消耗，排除田間淹水的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

6 資源高效利用產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)

6.1 秸稈還田和免耕技術(shù)

我國農(nóng)作物和蔬菜等秸稈每年高達(dá)11億t，蔬菜秸稈中富含氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)元素。傳統(tǒng)的處理方式大多是焚燒，不僅污染環(huán)境，還造成資源浪費(fèi)。秸稈還田技術(shù)低碳環(huán)保，能改善土壤微環(huán)境和理化性質(zhì)，使土壤肥效長、土質(zhì)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(yīng)加強(qiáng)蔬菜秸稈粉碎處理技術(shù)和裝備的研發(fā)，創(chuàng)新秸稈還田機(jī)型和蔬菜秸稈病蟲害高效快速處理技術(shù)，對促進(jìn)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中碳中和的實(shí)現(xiàn)具有十分重要的意義。

免耕技術(shù)是通過移栽穴、開小播種溝，再采用秸稈還田技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植過程中不需要耕整地的新型耕作技術(shù)。免耕技術(shù)能改善土壤營養(yǎng)成分、提高有機(jī)質(zhì)含量，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。該技術(shù)要求農(nóng)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(huán)種養(yǎng)技術(shù)

我國每年產(chǎn)生農(nóng)業(yè)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(dá)26.9億t，占固體廢棄物總量的53.8%，如處理不當(dāng)將對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，如何將固體廢棄物變廢為寶是我們當(dāng)前亟需解決的技術(shù)問題。低碳種養(yǎng)循環(huán)涉及面較廣，政府部門應(yīng)鼓勵(lì)科研人員為當(dāng)?shù)仄髽I(yè)、種植大戶和農(nóng)民專業(yè)合作社提供技術(shù)服務(wù)，以促進(jìn)低碳循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展［16］?？蒲腥藛T應(yīng)加大科研力度，將畜禽糞便等開發(fā)成多功能的蔬菜專用液體肥或固體有機(jī)肥，將生態(tài)發(fā)酵床養(yǎng)殖廠的廢棄墊料進(jìn)行基質(zhì)化處理，并研究開發(fā)多種菜禽種養(yǎng)循環(huán)模式。

6.3 綠肥種植技術(shù)

綠肥植物含氮量極高（每667 m2鮮草含氮量相當(dāng)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(jìn)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)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。