設施栽培對作物生長發(fā)育影響的研究進展

木農(nóng)布　郭蓉　木麗?！『蜅钕椤《殴廨x　郭鴻彥　楊明

摘要 設施栽培是一種利用設施設備控制作物生長環(huán)境從而實現(xiàn)高效生產(chǎn)的栽培模式，目前在很多作物上已得到廣泛應用。綜述了不同形式的設施栽培對不同類型作物產(chǎn)量、品質、生理與病蟲害方面的影響及存在的問題，為設施栽培的高效應用提供參考。

關鍵詞 設施栽培；作物；環(huán)境因子；產(chǎn)量；品質；病蟲害

中圖分類號 S62 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）06-0014-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.005

A Review on the Influence of Protected Cultivation on Crop Growth and Development

MU Nong－bu1，2，GUO Rong2，MU Li－h(huán)ai3 et al

（1.School of Agriculture，Yunnan University/School of Resources Plants Research，Yunnan University，Kunming，Yunnan 650500; 2.Industrial Crops Research Institute，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kunming，Yunnan 650205；3.Yongsheng San Ke Kou Biological Development Co.，Ltd.，Lijiang，Yunnan 674207）

Abstract Protected cultivation has been widely applied in crop production for its high efficiency in agriculture.It can control the growth environment by using facilities and equipments.This article summarized the influence of protected cultivation on the yield，quality，physiology，diseases and pests of different crops and the existing problems.This paper can provide reference for its application in agriculture.

Key words Protected cultivation;Crop;Environmental factors;Yield;Quality;Diseases and pests

設施栽培是通過人為控制作物生長過程中的環(huán)境因子，同時結合使用智能化、自動化技術設備的一種高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。相比傳統(tǒng)種植手段，設施栽培不受外界氣候環(huán)境的限制，能根據(jù)作物自身特點制定高產(chǎn)高質的培育方案，且可以通過立體栽培等方式將空間充分利用，具有土地利用率高、提高資源利用率、提高作物產(chǎn)量、減少環(huán)境污染的特點，并且適于機械化操作，可以規(guī)?；a(chǎn)，與可持續(xù)農(nóng)業(yè)理念相符。

20世紀80年代至今，我國設施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，目前已成為全球設施農(nóng)業(yè)種植面積最大的國家。但目前我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展仍存在很多問題，如設施農(nóng)業(yè)高消耗、高污染的不合理發(fā)展模式，設施農(nóng)業(yè)裝備與技術水平低下和設施農(nóng)業(yè)建設布局不合理等［1］，導致目前我國設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率并不高，較西方農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比依然存在一定的差距。

1 設施栽培的主要形式

根據(jù)設施栽培類型劃分，設施栽培可以分為普通設施栽培和高級設施栽培。普通設施栽培是通過搭建日光溫室，達到避雨和保溫效果的一種簡易栽培方式。高級設施栽培是以智能溫室為代表的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術、無線通信技術和農(nóng)業(yè)信息感知技術等多種智慧農(nóng)業(yè)技術相結合對作物生長環(huán)境進行實時調控，給予作物最佳的生長環(huán)境，從而保證高品質的作物生產(chǎn)［2］。

根據(jù)栽培目的不同，設施栽培可分為避雨栽培、促早栽培和延時栽培。避雨栽培是通過搭建避雨設施減少雨水對植株的影響，達到提高作物品質的效果［3］。促早栽培是通過人為手段（如加溫、噴施化學試劑、修剪整形等），縮短植株的生育期，提升農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟效益［4］。延遲栽培是通過控制溫度和光照使作物成熟延后，以提高作物品質與延長供應時間［5］。

2 設施栽培對作物生長發(fā)育的影響

2.1 設施栽培對作物產(chǎn)量和品質的影響

在果樹方面，相比露天栽培，避雨栽培的杧果坐果率和產(chǎn)量均顯著提高，維C含量顯著提升，且果實酸度降低，內在品質優(yōu)于露天栽培［3］；避雨栽培下的鮮桃生長表現(xiàn)類似杧果，不僅果實體積增大，而且果實內的可溶性糖、可滴定酸與花青苷的含量都相對提升［6］；而釀酒葡萄在避雨栽培下能夠增加果實中醇類、醛類物質，賦予果實更濃郁的香氣［7］；蜜柑、紅地球葡萄和楊梅通過采用延后栽培延長其鮮果的供應時間，不僅滿足了廣大消費者的需求，還大幅提高了經(jīng)濟效益，尤其像上市時間短的水果楊梅在延遲栽培下能延長13～20 d收獲，產(chǎn)值達到71.88萬元/hm2，是露天栽培的6.09倍［5］；雖然在調控作物生育期方面促早栽培與延后栽培截然相反，但是在豐富消費市場和提升經(jīng)濟效益方面兩者的效果是基本相同的。在溫室大棚促早培育的贊皇大棗、梨棗年果實成熟期比露天栽培提早15～30 d，平均產(chǎn)量分別是露天栽培的2.80與1.70倍，平均年收益為露天栽培的2.79倍［8］；設施內枇杷成熟期能比露天提早15～20 d，并且結合高密度栽培系統(tǒng)，可以將單位面積產(chǎn)量提升3～4倍［9］；在對吐魯番設施葡萄促早栽培技術的研究中，通過設施內控溫滿足葡萄需冷量后，再使用20%石灰氮處理葡萄枝條，能打破植株休眠期，并在幼穗第三期花序噴施30 mg/L赤霉素，能夠使葡萄在5月初開始成熟，并且能夠提高坐果率、增加果實含糖量［10］。

在蔬菜方面，相比露天栽培，設施栽培下番茄采收期延長30 d，其坐果率顯著提升，增產(chǎn)量達74.56%［11］；無土栽培條件下4個番茄品種在水培條件下生理增長最快且生物量顯著高于基質栽培與土培，其中品種“夏日陽光”水培產(chǎn)量增幅達120.20%［12］；生菜、青菜、菠菜、芹菜4種綠葉菜在基質栽培下分別較土培增產(chǎn)37.39%、155.76%、182.99%、82.31%，同時綜合品質佳，相比水培硝酸鹽含量降低［13］；除無土栽培外，設施栽培還能通過獨特的二氧化碳施肥技術提高作物的產(chǎn)量與品質。設施大棚中施用二氧化碳氣肥能夠提升白菜植株的光合速率，提高葉數(shù)、葉面積、株高、鮮重，增加作物產(chǎn)量，同時增加可溶性固形物產(chǎn)量［14］；設施內黃瓜施用二氧化碳肥也具有與白菜相同的增產(chǎn)效果，當施肥濃度達到800 μmol/mol 時，增產(chǎn)幅度達43.3%［15］。除控制二氧化碳濃度外，光照的調控也是設施蔬菜增產(chǎn)的重要方式。在萵苣棚內使用綠光代替部分紅光、藍光作為光源，當綠光相對量設置為30與60時，萵苣地上部分干重分別增加16.3%與24.5%，綠光相對量為60和90時可溶性糖含量分別增加了39.4%與19.4%，硝酸鹽含量降低了40.3%與43.4%［16］；當對甜椒的冠層進行LED補光，能夠使冠層內部葉片光合速率提高3.5～5.7倍，春季果實產(chǎn)量增量達30.0%［17］。

在花卉方面，栽培基質和光照條件對花卉產(chǎn)量和品質的影響研究報道較多。當使用V泥炭∶V蛭石∶V腐殖土=1∶1∶1作為薰衣草和郁金香栽培基質時，前者的株高、冠幅、葉片數(shù)、分枝數(shù)、地上干鮮重、地下干鮮重都顯著高于園土對照，且具有良好的花型花色［18］，而郁金香成花率提升了13%，生育期也提前了4 d［19］；長壽花在V椰糠∶V珍珠巖=4∶2的基質下各項生長指標均高于其他比例基質，相比土培還具有容重低、便于管理運輸?shù)膬?yōu)點［20］。除基質選擇外，根據(jù)花卉品種特性調控光照也能顯著提升產(chǎn)品品質。如觀賞玫瑰在室內10～20 μmol/（m2·s2）的光照下不能讓玫瑰開花甚至無法保持葉片的綠色，此時補充向上或向下光照均能促進花芽成熟，并且向下光照比向上光照能促進更多花朵成功開放［21］；當使用藍光和紅光對郁金香在凌晨和傍晚進行補光時，能顯著提升花、葉部位干物質的積累量，促進營養(yǎng)生長且為郁金香提前開花提供保障［22］；同樣使用藍光對菊花進行補光能將全盛花期提前12 d，單株花蕾數(shù)與開花數(shù)相比自然光增幅達98%與120%，葉片氨基酸與含糖量高出32.0%與8.9%［23］；與郁金香不同，不同光質對一品紅的影響并不一致，紅光對花側枝伸長、花葉面積都有顯著促進作用，但紅光顯著降低了葉片中可溶性蛋白含量，花期推遲了2～4 d，而藍光在中后期對側枝伸長、葉面積均出現(xiàn)抑制效益，但藍光具有穩(wěn)定的促進作用，能使花期提前約6～8 d［24］。

在藥用植物方面，通過對大棚環(huán)境的調控，可以使人參出苗期、花期和果期提前，其葉數(shù)、根重等指標均有顯著的提升［25］。使用V泥炭∶V蛭石=2∶1的基質與1倍的Hoagland和Aron混合營養(yǎng)液進行黃芪幼苗培育，其株高、莖粗和分枝數(shù)分別相比普通園土增幅達55.77%、23.46%和30.18%，壯苗數(shù)顯著增加［26］；栽培基質不局限于常規(guī)基質，比如使用石灰?guī)r碎石濾水層5 cm+鋸末8 cm+活苔蘚2 cm作為鐵皮石斛的栽培基質時，搭配營養(yǎng)液能夠使產(chǎn)品增產(chǎn)幅達197.80%［27］；同樣使用菇渣廢料和園土1∶1混合作為白術幼苗生長基質時，相比普通園土能大幅提高幼苗壯苗率［28］；與蔬菜、花卉一樣，藥用植物也可以通過光照調控提升產(chǎn)量與品質。由于秋冬季節(jié)百里香易出現(xiàn)光照不足的情況，此時使用LED補光能大幅提升產(chǎn)量與質量，并且相比傳統(tǒng)高壓鈉燈與熒光燈每平方米產(chǎn)量提高達43.1%與88.6%，能耗也大大減少［29］；工業(yè)大麻是一種短日照作物，當光照時間低于14 h時其生育期會縮短，限制產(chǎn)量，延長光照時間能使其生育期顯著延長，株高與干物質產(chǎn)量顯著提高［30］。

2.2 設施栽培對作物生理上的影響

在果樹方面，相比于露天栽培，由于棚膜對光照強度影響較大，發(fā)現(xiàn)未設置補光情況下葡萄與大櫻桃植株成熟期均有所延長，而葡萄還出現(xiàn)新梢成熟度與果實著色度差的問題［31-32］；但由于微環(huán)境的改變，設施內環(huán)境會對部分植株光合作用有一定的補償。宮棗在設施條件下植株氣孔開度大，氣體交換速率高，且宮棗二氧化碳補償點與飽和點均低于露天栽培，因此凈光合速率有一定的提高［33］；同時，可以通過補光彌補設施內光照不足的情況。藍莓在藍光補光下光合速率顯著提升，并且調控相關花青素調控基因的表達，大幅提高花青素的積累量［34］。

在蔬菜方面，常通過增施二氧化碳氣肥的方法來提升植株的光合速率。如在黃瓜與白菜設施栽培過程中增施二氧化碳能夠達到抑制光呼吸，提高凈光合速率，從而增加干物質積累量的效果［14-15］；調控光照也是提升蔬菜植株光合速率的重要方法。對黃瓜幼苗進行4 h紅藍復合光補光能夠提升其葉面積與干物質量，同時葉片的葉綠素與可溶性蛋白含量顯著增加［35］；設施辣椒在紅藍光8∶3比例下補光6 h和8 h能夠大幅提升辣椒葉片的光合速率，提高有機物質積累［36］；歐芹和蒔蘿采收前3 d使用635 nm紅光進行19 h光照，能促進維生素C和碳水化合物的積累，減少硝酸鹽積累量［37］。無土栽培基質的選擇也是提升蔬菜光合速率的方法之一。采用V粗粒椰糠∶V珍珠巖=3∶1的混合基質栽培菱白幼苗時，其葉綠素含量大幅提升，凈光合速率提高35.91%，地上與地下部鮮重增量分別達205.52%與263.45%［38］。

在花卉方面，不同的補光處理對植物的影響不一致。如牡丹品種“洛陽紅”在紅藍黃綠紫LED復合光的補光下，其葉綠素a與葉綠素b含量大幅提高，同時增加了可溶性糖含量［39］；使用紅光對金銀花進行12 h補光，能夠顯著提升其株高、葉面積和葉片數(shù)［40］；不同于金銀花的補光效益，菊花紅光處理葉綠素含量與凈光合速率分別減少了11.6%與8.1%，花期提前6 d［23］；不同光質會影響花卉植株次生代謝物的生成。矮牽?；ㄔ诩t光和遠紅光處理下其揮發(fā)性香氣物質2-苯基乙醇含量會增加［41］。光周期也是調控花卉植株生理指標的重要因素。在每日19：00至次日08：00對菊花進行遮光處理，其花期相比對照能提前15 d左右［42］；同樣神農(nóng)香菊在10 h/14 h（晝/夜）的光周期處理下能夠使花期提前35 d，并且仍能保持良好的植株形態(tài)與開花品質［43］。同蔬菜一樣，栽培基質的選擇也是改善花卉生理指標的重要途徑之一。使用V泥炭∶V椰糠∶V珍珠巖=2∶1∶2配比基質栽培的萬壽菊葉綠素含量與光合速率均顯著提升，且植株的氮磷鉀含量也為較高水平［44］；同樣V泥炭∶V蛭石∶V腐殖土=1∶1∶1基質栽培下的薰衣草凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、瞬時水分利用率都為最大，可溶性糖、可溶性蛋白含量也為最高［18］。

在藥用植物方面，黃芪栽培過程使用泥炭∶蛭石=2∶1的基質與1倍Hoagland和Aron混合營養(yǎng)液時，能提高植株葉片中的葉綠素含量，增強根系活力［26］；采用黃芪藥渣、棉籽殼和梨木屑作為基質栽培靈芝時，能將林芝多糖與游離氨基酸含量提升至0.98%與0.76%，并且降低靈芝實體中的鉛、砷、汞的含量［45］。光照對于藥用作物中有效成分的生成有重要的作用。在對設施內甘草進行UV-B的照射刺激，能使甘草在3～6月內達到田間條件下需要3～4年才能達到的甘草酸濃度［46］；將R∶B=16.8∶1 PPFD 252作為工業(yè)大麻栽培的光源時，大麻花葉產(chǎn)量增加了61.50%，大麻二酚含量提高4.27%［47］；羅勒的香氣風味主要來源萜類與苯丙烷類物質，研究發(fā)現(xiàn)其在藍/紅/黃復合光下會釋放更高水平的單萜類揮發(fā)物，藍/紅/遠紅光下則會釋放更高水平的倍半萜類揮發(fā)物［48］；使用高光合有效輻射PAR［1 150.0 μmol/（m2·s）］和UV-B輻射（0.6 W/m2）下薄荷精油產(chǎn)量與質量均能得到顯著提升［49］；對白蘭木苗進行16 h/8 h（晝/夜）的光周期處理能夠大幅提高凈光合速率，并且降低光飽和點與光下呼吸速率［50］；西紅花進行8 h/16 h（晝/夜）的遮光處理能促進植株提早開花，增加開花數(shù)量，同時減少種球中淀粉與可溶性蛋白等營養(yǎng)物質的流失［51］；人參菜則在14 h/10 h（晝/夜）的光周期條件下農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)達到最大值，且可溶性糖與可溶性蛋白含量均達峰值［52］。

2.3 設施栽培對作物病蟲害的影響

在果樹方面，避雨栽培可以通過改變葡萄種植的微環(huán)境，切斷病原菌雨水傳播方式來有效控制部分葡萄真菌病害的發(fā)生［53］，相比露天栽培，避雨栽培下葡萄葉片霜霉病病情指數(shù)降低了19.55%，而葡萄果實白腐病降低1.91%［32］；在杜飛對葡萄避雨栽培下病情的研究中，避雨栽培下的葡萄葉片與果實的黑痘病的發(fā)病率與病情指數(shù)下降42.00%，并且棚內的葡萄植株環(huán)境能夠加強木質素的合成，阻礙病原菌的入侵［54］；蘋果品種金冠在避雨栽培下的輪紋果病、炭疽病和斑點落葉病降低了6.80%、2.80%和86.50%［55］；在進行“先促成后避雨”的梨樹設施栽培下，梨產(chǎn)品可以提前10 d上市，并且棚內的銹病、輪紋病相比露天栽培發(fā)病率幾乎為0，但由于棚內高溫潮濕的環(huán)境，會導致部分蟲害如紅蜘蛛、梨木虱的發(fā)生［56］。

在蔬菜方面，避雨栽培下的番茄臍腐病發(fā)病率降低2.80%，晚疫病與早疫病分別降低24.90%與3.58%［57］；在研究避雨栽培對魔芋軟腐病的影響中，德宏與西雙版納2個實驗點避雨栽培下的軟腐病發(fā)病率分別為4.81%與8.33%，均顯著低于露天栽培處理與藥劑處理［58］；由于設施內早晚溫差大、高溫高濕和連作等特點，導致部分病害易發(fā)生與傳播［59］。在環(huán)境惡劣的拉達克地區(qū)，設施內具有適宜作物生長的氣候條件，但由于設施下葉片長期處于高濕度環(huán)境下，使得葉片組織極易受到真菌與細菌的侵染，番茄、甘藍病害發(fā)生率分別能達51.5%與30.9%［60］。

在花卉方面，相比露天栽培，設施下的杜鵑植株能避免灼傷，大幅降低高山杜鵑植株感染疫霉病概率［61］；設施栽培環(huán)境具有一定的密閉性，易發(fā)生一些土傳病害、真菌病害、喜濕蟲害與地下蟲害等［62］。東方百合在大棚多年連作下，土傳真菌病害如絲核菌、霉腐菌和葡萄球菌等菌染病害嚴重［63］；月季在多年設施栽培下霜霉病、白粉病和根腐病年發(fā)病率最高分別能達49.5%、94.4%、9.8%，月季螨與月季蚜病情指數(shù)能達22.4與4.8［64］。

在藥用植物方面，無土基質栽培的山藥可以減少其受到的物理機械損傷，同時能消除土壤污染與地下害蟲的影響［65］；益母草采用水培能夠顯著提高肥料利用率，解決土壤連作障礙與傳染性病害的問題［66］；設施內部環(huán)境發(fā)生改變，可能導致棚內一些新型病蟲害爆發(fā)。設施栽培下的三七由于多年連作導致連作障礙日益突出，根腐病造成的損失能占到三七病害的70%～85%，嚴重影響其經(jīng)濟效益［67］。漢中市設施鐵皮石斛由于空氣流動性差且高濕的微環(huán)境特點，導致黑斑病、煤污病、軟腐病、銹病等病害頻發(fā)，紅蜘蛛、鐵皮石斛菲盾蚧、蝸牛、蛞蝓等蟲害泛濫［68］。

3 問題與展望

設施栽培是通過各種技術手段調控設施內環(huán)境因子從而提升作物品質和產(chǎn)量的現(xiàn)代化生產(chǎn)模式。相較于傳統(tǒng)露天栽培，設施栽培具有諸多優(yōu)點。第一，設施栽培可通過控制光照與溫度調控作物的生育期，提早或延長農(nóng)產(chǎn)品的供應時間，從而提高作物的經(jīng)濟效益；第二，設施栽培能通過調控光質等環(huán)境因子增加水果中可溶性糖、維C和花青苷等有機物和藥用植物中有效成分的含量，還可增加花卉中和香氣、花色相關的次生代謝物的合成；第三，設施內無土栽培通過立體栽培可達到節(jié)省空間、提高土地利用率的效果；第四，設施栽培不受外界氣候環(huán)境的影響，能夠實現(xiàn)作物的規(guī)模化、周年化生產(chǎn)。但設施栽培并不只有正面效應，比如對果樹等植株高大型作物進行設施栽培時，容易出現(xiàn)局部采光不足、產(chǎn)量品質下降等問題；并且目前高級設施栽培模式存在投入成本高與缺乏相關技術人員的問題［69］。

隨著設施栽培技術不斷發(fā)展，已經(jīng)在逐步實現(xiàn)對植株生理與環(huán)境的精準調控，為作物提供最適宜的生長環(huán)境，最大程度提高資源利用率與產(chǎn)品品質，這與未來世界發(fā)展所要求的環(huán)保、高效、節(jié)能、綠色的發(fā)展趨勢相契合，農(nóng)業(yè)是國家發(fā)展的重要基石，發(fā)展設施農(nóng)業(yè)對于國家乃至世界都具有十分重要的意義。

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基金項目 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系資助項目（CARS-16-E07）；云嶺產(chǎn)業(yè)技術領軍人才項目；麗江市專家工作站項目（2021-9）。

作者簡介 木農(nóng)布（1997—），男，云南麗江人，碩士研究生，研究方向：工業(yè)大麻的高效設施栽培。*通信作者，研究員，從事工業(yè)大麻育種及栽培技術的研究。

收稿日期 2022-05-12；修回日期 2022-06-22