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01
蔬菜设施栽培与环境调控技术
中国大部分地区冬季时间较长，气温较低，导致数月无法进行露地蔬菜生产，为了解决蔬菜周年供应难题，设施应运而生，并呈现不断发展态势。
新中国成立至20世纪60年代初，设施蔬菜的主要栽培形式是以风障和阳畦为主，进行喜冷凉蔬菜和喜温蔬菜的“春早熟”和“秋延后”栽培。上世纪60年代中期开始利用塑料薄膜作为透明覆盖物进行栽培，先后出现了小拱棚和中拱棚等设施栽培形式，但发展较为缓慢。70年代后期从日本引进了地膜覆盖技术，并得到了快速推广，相关成果获得了国家科技进步一等奖。至1980年，中国设施蔬菜面积大约仅有0.7万hm2，蔬菜紧缺问题突出。1985年前后国家制定了“菜篮子工程”的发展目标。在这一背景下，加大从日本和欧洲引进先进的温室设备和技术的力度，并自主开展了设施蔬菜栽培与环境调控的系统研究与应用，形成了适合中国生态的塑料大棚和日光温室两大系列主要设施。在硬件方面，以低碳节能为核心，吸收和改造国外连栋温室蔬菜生产技术，结合各地区域、资源特点因地制宜，基于采光理论对不同纬度地区温室的采光屋面形状和采光面角度进行优化设计，在北方建造出海城式日光温室、琴弦式日光温室、辽沈系列日光温室、装配式日光温室以及现代连栋温室等；在南方则大规模发展塑料大棚、连栋玻璃温室、避雨设施等。在技术方面，研制出低碳节能型设施环境调控和蔬菜生产模式。近20年来，创建了一系列非加温温室光热高效利用的蔬菜生产模式，突破了冬春低温寡照等条件下瓜类和茄果类蔬菜生育障碍克服技术，攻克功能光谱LED精准补光技术，应用了秸秆发酵等CO2施肥技术等。至2020年，中国设施蔬菜面积约410万hm2，面积和产量都居世界第一。
目前，在设施蔬菜低碳、绿色、高产、高效的系统化发展道路上，随着智能控制、物联网等技术在农业生产中得到越来越多的应用，植物工厂等智慧设施园艺技术的研究与探索已经取得进展，可以逐步构建出适宜蔬菜作物生长的生产环境，减少气候变化的影响，提高我国设施蔬菜产业的现代化水平。
02
蔬菜无土裁培与植物工厂技术
无土栽培起源于欧洲，迄今已有180余年的发展历史。荷兰和日本的无土栽培产业高度发达，占设施栽培80%以上，荷兰以岩棉栽培为代表，日本以深液流水培（DFT）为主。中国的无土栽培最早出现在1937年上海的四维农场，但一直未能规模经营和生产。改革开放后，通过“七五”和“八五”科技攻关，研制了符合中国国情的高效节能无土栽培系统，形成了以秸秆和有机肥混合物为基质的无土栽培技术，推动了无土栽培产业快速发展，2016年栽培面积达到3万hm2，2020年约5万hm2。
中国蔬菜无土栽培技术多样，目前果菜类以基质栽培为主，叶菜则以水培居多。总体而言，中国无土栽培技术的应用与荷兰和日本等国相比还存在一定差距。近年来，中国在技术引进的同时自主研发不断加强。如浙江大学发明的新型轻简自控式无土栽培系统（CN2.8），解决了营养液实时配比、自动按需供液、基质减量3个难题，初期投入降至45000元·hm-2，节省肥水1/3，提高效益20%以上，在设施蔬菜主产区和非耕地区域得到快速推广。水培叶菜可以满足人们对高品质、绿色、安全蔬菜的需求，在都市农业发展中具有巨大潜力。国内京东等公司相继建立了水培叶菜工厂，但目前还无法实现全程机械化和自动化生产。无土栽培作为高效农业发展的新模式，在保障绿色生态高品质现代农业生产及非耕地农业发展中具有广阔的应用前景。
随着数字化、自动化、智能化技术的提升，植物工厂作为技术高度密集型产业，已被世界各国列为未来农业发展的重点方向。植物工厂最早于1957年在丹麦约克里斯顿建成，早期主要采用高压钠灯补光，后采用荧光灯。21世纪以来，LED的产业化及日本、荷兰等国家多年来对营养液栽培和环境控制的研究促进了植物工厂的产业化。目前在植物工厂的高技术研发领域，日本、荷兰、美国等走在前列，向垂直农业与无人化等方向发展，并进行全套技术和装备输出。
中国植物工厂虽起步较晚，但起点高，一开始就使用LED光源，并且发展十分迅速。2006年中国农业科学院建成第1个20m2的科研型人工光植物工厂，到现在中国约有250座人工光植物工厂，数量仅次于日本。中国对植物工厂的研究也取得了许多实际成果，明确了适宜的LED光谱和功能，中国农业科学院完成的“高光效低能耗LED智能植物工厂关键技术及系统集成”成果于2017年荣获国家科学技术进步二等奖。但目前国内的植物工厂规模普遍偏小，植物种类单一，且在智能环境控制、水肥管理及自动化技术方面都面临诸多瓶颈。此外，植物工厂投入成本相对较高，与日本相似，目前国内鲜见植物工厂盈利的案例。
03
蔬菜育苗与嫁接技术
20世纪60年代，中国主要推广温床育苗，以未发酵的牛马圈粪、麦秸、稻草秸秆等作为发热物，在冬春季节可以提早到1个半月育苗。70年代，开始引进电热控温催芽和电热温床育苗技术，并结合各地气候，研制出新型控温装置。到80年代末，开始摸索穴盘基质育苗，建立工厂化育苗体系。自2000年以来，工厂化育苗逐渐规范化并在部分地区得到推广。2010年后，全国建立多个工厂化育苗基地，配备先进的通风、循环、降温以及加热智能控制系统，实现集约化、规模化周年生产。
育苗基质的研发也进一步提高了秧苗培育的质量，目前，中国主要采用草炭作为育苗基质，近年来，一些适用于不同蔬菜作物的功能性育苗基质相继被开发。通过在基质中加入菌根真菌和生防菌（如哈茨木霉、枯草芽孢杆菌等），显著促进幼苗生长。同时，研究人员利用LED补光灯精准调控光质光强，开发适用于不同蔬菜作物育苗的光源，提高生物量、壮苗指数及抗逆性等。目前，蔬菜生产工厂化育苗推广应用率已超90%，工厂化育苗已实现规范化、精细化和规模化生产。
20世纪80年代嫁接技术就广泛地应用于提高蔬菜对枯萎病、萎蔫病、黄萎病等生物胁迫和低温等非生物胁迫的抗性。由于嫁接能显著提高蔬菜作物抗病抗逆能力，促进植物的养分吸收，有效提高蔬菜品质和产量，业已成为重要的育苗措施。利用抗性砧木嫁接，番茄产量比自根对照提高了15.4%~19.4%，在重茬温室发病严重的地块甚至可提高30%以上。但目前优良砧木品种不多，在瓜类中还缺乏抗根结线虫的砧木品种。近年来，各地也探究改进了多种嫁接方法以提高成活率，如顶插接法、靠接法、贴接法等，使嫁接技术得以广泛应用。20世纪90年代末，中国研制出了蔬菜自动嫁接机，采用计算机控制，实现了砧木和接穗取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接过程自动化操作。此后，研究人员开发了不同类型的蔬菜嫁接装置，将自动嫁接的成功率提高到95%以上，生产能力达到350株·h-1，并且实现了自动上苗，使蔬菜自动嫁接机的自动化程度不断提高。同时，嫁接育苗的管理也逐渐精细化，在愈合期给予适宜的光照强度和光质能显著促进嫁接苗的生长。目前，西甜瓜、番茄、茄子等蔬菜的嫁接栽培比率逐年提高，已成为解决连作障碍的一项重要绿色生态技术措施。
04
蔬菜生长发育与抗逆调控技术
新中国成立后中国的蔬菜栽培生理学研究迅速发展。20世纪50—60年代着力研究了春化和光周期对白菜、芥菜以及大蒜产品器官的形成、花芽分化、抽薹等的影响；在器官脱落和性别分化等领域的研究取得了较大的突破，研发出应用生长素类物质2,4-D和氯苯氧乙酸（PCPA）诱导茄果类单性结实技术，成为各地普遍使用的生产措施。70—80年代蔬菜栽培生理研究进一步深入，植物激素与性别分化的关系、茄果类大田群体结构与光能利用、大白菜干烧心发生机理及防治对策被一一提出。在使用植物生长调节剂等激素类物质防止大白菜脱叶、控制洋葱及大蒜在贮藏期间发芽等方面都取得了明显效果。李曙轩教授应用乙烯利成功诱导瓜类的雌花开放，大幅度提高了产量。使用植物生长调节剂控制瓜类的性别分化是中国蔬菜栽培生理学乃至当时世界园艺学的重要进步之一。20世纪90年代以后，蔬菜设施生产面积不断扩大，设施内低温弱光等不利环境导致生理障碍大量发生，蔬菜逆境生理和调控技术研究进入新的发展期，在瓜类单性结实、逆境响应与光合作用调控、抗性诱导技术等方面取得了显著进步。研究人员发现瓜类坐果关键调控激素是受精产生的细胞分裂素而非传统认为的是生长素。针对设施栽培和南方梅雨季节瓜类坐果困难问题，建立了瓜类单性结实细胞分裂素诱导法，广泛应用于瓜类生产中。一些赤霉素合成或信号的抑制剂业已用于防止生长过于旺盛和徒长。此外，发现油菜素内酯（BR）在调控蔬菜生长、光合作用和抗性中的作用，相关产品也在蔬菜生产中广泛应用。
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蔬菜土壤保育与资源高效利用技术
蔬菜科学研究工作者一直重视蔬菜土壤保育工作。传统的蔬菜生产通过轮作或间套作制度来维持土壤养分平衡，如利用豆科作物的根瘤菌固氮来维持土壤氮素平衡，利用绿肥作物秸秆还田沤腐维持土壤有机质平衡，利用不同蔬菜作物茬口特性来优化资源配置，保障土地持续产出。但到了20世纪末至21世纪初，随着蔬菜的专业化和规模化发展，有机质投入下降，蔬菜周年生产，土壤结构发生改变，土壤肥力下降。南京农业大学研究团队发现生物有机肥可以调控土壤菌群、防控植物土传枯萎病，证实了生物有机肥在有效抑制土壤病害发生方面的潜在微生物生态学机制，为通过技术措施提高土壤抑病能力提供了理论基础，相关成果荣获2013年国家科技进步二等奖。近年来生物菌肥在调理土壤微生物结构、改良土壤方面的作用也受到广泛关注。目前在农业农村部登记的产品种类有农用微生物菌剂、生物有机肥和复合微生物肥料三大类。此外，应用测土配方施肥技术也可以有效改善菜田土壤环境，维护土壤和蔬菜作物的平衡，有助于可持续发展。中国水资源时空分布不均匀，农业用水占据年耗水量的70%左右，而蔬菜种植又属于高耗水产业，在农田灌溉水分消耗中大约30%以上用于蔬菜作物种植。同时，中国蔬菜种植化肥用量也较大，平均为1092.0kg·hm-2，是全国农作物化肥用量的3.3倍。因此，蔬菜水肥资源的高效利用一直是重要的科学和产业问题。要改善中国蔬菜产品绿色增产和水肥“减量增效”等问题，水肥一体化起到至关重要的作用。1974年，中国从墨西哥引进了滴灌水肥一体化设备，并建立了5.3hm2的试验研究基地，开始滴灌技术的研究工作；1980年中国第一代成套滴灌设备研制成功；1981—1996年，引进国外先进工艺技术，肥水灌溉设备规模化生产基础逐渐形成；20世纪90年代中期，开始大量开展技术培训和研讨，水肥一体化理论及应用受到重视。2000年后，温室及大棚蔬菜的集约化生产，推动了水肥一体化技术的不断完善和发展棉隆，一些研究单位和企业结合，研究开发出适合当地条件的施肥设备和灌溉技术，如膜下滴灌施肥技术等。如今，水肥一体化技术与微喷灌技术相结合，在蔬菜生产上不断向自动化、智能化方向发展，并逐步实现精准控制、精量灌溉。
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蔬菜有害生物和连作障碍防控技术
随着我国蔬菜产业的发展及全球气候变化，蔬菜病虫害高发频发。20世纪60—80年代，中国科学家对主要蔬菜病虫害的种类与分布、发生为害规律及暴发机制进行了调研，但其防控主要依赖化学农药。2006年以来农业农村部提出绿色植保理念，2015年政府启动农药减量行动，倡导蔬菜病虫害绿色综合防控。近20余年，在蔬菜病虫害发生流行规律、预测预报、IPM绿色综合防控方面取得了长足进步，逐步推广应用了农业防治、系统诱抗、棉隆消毒、高温闷棚、色板、防虫网、杀虫灯、性诱剂、有色薄膜、生物农药及使用天敌等绿色防控技术。期间，陈剑平团队鉴定了大量植物病毒，并在国际上首次提供了真菌传播植物病毒的直接证据，成果获1995年国家科技进步奖一等奖。张修国团队研发了主要蔬菜卵菌病害关键防控技术与应用棉隆，成果获2018年国家科技进步二等奖。张友军等研发了重大外来入侵害虫烟粉虱的综合防治技术体系，并研发出“日晒高温覆膜”绿色防治韭蛆新技术，分别于2008和2019年荣获国家科技进步二等奖。陈学新等在寄生蜂防控蔬菜害虫方面取得重要突破，于2021年荣获国家科技进步二等奖。
20世纪末至21世纪初，随着设施蔬菜的专业化和规模化发展，连作障碍问题凸显。童有为等（1991）报道了温室土壤次生盐渍化的形成机制及其治理途径。喻景权等发现茄果类和瓜类等根系释放的肉桂酸和4–硫氰基苯酚等15种自毒物质，并提出自毒物质、有害生物和次生盐渍化三因子互作连作障碍发生理论。基于此，形成了一系列蔬菜连作障碍防控技术并在产业中得到应用，如温湿石灰氮耦合土壤快速消毒技术、1,3–二氯丙烯等化学消毒技术，利用具有化感作用的葱蒜类蔬菜与设施蔬菜轮作或间套作，采用抗性砧木嫁接，利用芽孢杆菌等生防菌以改善土壤微生态等。喻景权等创建的“除障因、增抗性、减盐渍”三位一体连作障碍绿色防控技术成果获得了2016年国家科学技术进步二等奖。这些为扭转传统大肥大药、盲目防控局面，实现蔬菜优势产区可持续发展贡献了科技力量。
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蔬菜品质与安全调控技术
中国曾长期把蔬菜产量作为优先指标，20世纪90年代以来随着城市化进程的深入，人们对蔬菜供给提出了更高的要求。现阶段许多蔬菜虽然抗性强、耐运输、外观漂亮，但“没了儿时的味道”。为了改善风味丢失的问题，研究人员解析了番茄风味调控机制，发现与传统品种相比，在现代番茄品种中13种风味物质含量显著降低。同时，通过代谢组、基因组及转录组等多组学大数据分析，发现影响番茄果实风味和营养物质的多个遗传位点，为品质改良提供了新思路。近年来，人们日益关注饮食健康，蔬菜品质的研究逐步从以传统的口感（如糖酸比）为中心转向以功能性物质为中心的次生代谢物质。适当减少灌水量能提升番茄干物质、维生素C含量等品质性状；应用转光膜显著提升甜椒果实的维生素C、类胡萝卜素、游离氨基酸含量；增施CO2能提升番茄中番茄红素、类胡萝卜素等功能性化合物含量；培育了富含花青苷的紫色番茄。
蔬菜产品的安全性也是人们关注的问题。近年来，中国在亚硝酸盐、农药残留控制和重金属污染防控方面取得了显著进展。为解决过量施肥导致亚硝酸盐积累等系列问题，中国从上世纪80年代开始推广测土配方施肥，并推广肥水一体化等技术，实现“精准施肥”；针对土壤持久性农药污染问题，研究人员分离了多个农药降解菌，并实现产业化生产；为解决重金属富集问题，科技工作者陆续挖掘多个超富集植物，如龙葵作为镉的超富集植物，与茄子间作能显著减少茄子地上部中的镉含量。这些研究为提高蔬菜品质提供了解决途径。
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蔬菜机械化与智能化生产技术
中国自20世纪50年代初便开始蔬菜耕地机械的研制，相继研发了小型菜园与温室用旋耕起垄、平整、覆膜综合作业机。近年来，北京信息农业技术中心采用5G＋北斗联合定位，集成激光/红外雷达技术、双目视觉等智能避障感知模块，实现露地蔬菜智能化平地技术和无人深松旋耕作业。
移栽机械的研究始于20世纪50年代末60年代初，最早出现的是甘薯秧苗移栽机的试验研究。70年代开始研制裸根苗移栽机，80年代研制出半自动化蔬菜移栽机。近年来，通过可编程逻辑控制器（PLC）控制、基于计算机人机交互、控制系统和传感器配合控制等，实现了送苗、取苗、栽苗、覆土等一系列自动化作业。蔬菜机械化施药和产品收获起步较晚，“九五”期间，在引进烟雾机的基础上研发改进，有效提高了作业质量。21世纪以来，悬挂式喷杆喷雾机、自走式喷杆喷雾机和植保无人机越来越多地被应用到大田露地蔬菜病虫害防治。同时，基于人工智能和机器视觉，在无人化作业和精准喷施技术上迈出了一大步。蔬菜种类多样且收获复杂，主要依靠人力完成。近10年来，随着研究的不断推进，机械化收获有了长足发展。研制了自走式叶菜类蔬菜和甘蓝收获机，并实现了露地甘蓝耕整地、起垄/移栽、水肥灌溉、打药和采收的全程智能化无人作业。
随着连栋温室、日光温室、塑料大棚等多种类型的设施农业在中国快速发展，越来越多的信息科技应用在了农业领域，人工智能、大数据、物联网等为蔬菜生产从机械化向智能化发展带来了新的驱动力。配套物联网信息技术，可做到温室内环境温度、湿度、通风等智能化监测和管理，构建环境与作物生命感知数据采集的传输网络，为用户提供数据决策分析，更加有效地提高土地资源的利用率和蔬菜产能。（内容来源：园艺学报、农业科技侠数字与智慧农业公众号）
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