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我国十一五计划期间设施蔬菜生产和科技进展及其展望

我国“十一五”计划期间设施蔬菜生产和科技进展及其展望

喻景权

（浙江大学园艺系，浙江杭州310058）

摘　要：

近年来，我国设施蔬菜生产发展极其迅速，生产面积以每年10%以上的速度在增长，形成了不同区域特色的设施类型、生产模式和技术体系。

本文分析了近5年来我国设施蔬菜产业发展特点，并从设施装备研发、设施蔬菜生物学与基因功能研究、设施蔬菜育苗技术、资源高效利用与连作障碍克服技术、抗逆与调控技术、优质与安全生产技术等方面总结了我国近年来取得的主要科技成就。

最后在分析我国当今设施蔬菜生产中存在的主要问题的基础上，探讨了我国今后设施蔬菜产业和科研的发展方向。

关键词：

设施装备；抗逆；资源高效利用；无土栽培；育苗；基因功能

中图分类号：

S62　　　文献标识码：

A　　文章编号：

1000-6346（2011）02-0011　-13

ProgressinProtectedVegetableProductionandResearchduringtheEleventhFive-YearPlaninChina

YUJing-quan

（DepartmentofHorticulture，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China）

Abstract：

InrecentyearsgreatprogresshasbeenmadeingreenhousevegetableindustryinChina.Theareaofgreenhouseagricultureincreasedby10%everyyearanddifferenttypesofgreenhousefacility，modeofproductionandtechnicalsystembasedonthecharacteristicsofaspecificdistrictweredeveloped.Thispaperanalyzedthecharacteristicsoftheprogressofgreenhousevegetableindustryinthepast5yearsinChina.Wesummarizedthekeyaccomplishmentsinresearchanddevelopmentofgreenhousefacility，biologicalandfunctionalgenomicsofvegetablescience，nurserytechnologyofgreenhousevegetable，highefficientusageofresources，overcomeofsoilsickness，mechanismsandregulationofstresstolerance，andproductionsystemforhighqualityandsafety.Finally，weanalyzedthemajorproblemsingreenhousevegetableproductionanddiscussedthedevelopmenttrendofindustryandresearchinthefuture.

Keywords：

greenhousefacility,stresstolerance,resourceshighefficientutilization,soillesscultivation,nurserytechnology,genefunction与中文关键词对应

设施农业是综合应用工程装备技术、生物技术和环境技术，创造动植物生长发育的适宜环境，实现动植物生产的现代农业生产方式。

发展以设施蔬菜为代表的设施农业是实现传统农业向现代农业生产方式转变，建设新型现代农业的重要内容；是调整农业结构、实现农民增收和农业增效的有效方式，是提高土地利用率，建设资源节约型、环境友好型农业的重要途径；是增加农产品有效供给、保障食物安全和社会稳定的有力措施；也是促进农民就业，缓解农业人口压力的有效措施。

我国人多地少，资源短缺，发展设施农业尤为必要。

“十一五”期间，我国政府加大了对设施农业发展的重视程度和投入力度，中央十七届五中全会明确提出“加快发展设施农业和农产品加工业、流通业，促进农业生产经营专业化、标准化、规模化、集约化”。

“国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）”明确指出了“积极发展工厂化农业，提高农业劳动生产率”的发展方向。

农业部也在2008年发布了“关于促进设施农业发展的意见”，北京、天津、浙江等地省市政府先后出台了发展设施农业的相关文件和扶持政策，科研机构、企业和农民参与设施农业发展积极性空前高涨，各地积极落实扶植政策、稳步加大资金投入、不断强化科技创新，技术培训日益活跃，社会服务日益健全，初步走出了一条适合我国国情的设施农业发展道路。

1　“十一五”期间我国设施蔬菜产业发展概况

“十一五”期间，按照蔬菜设施栽培的高产、优质、高效、生态、安全的要求，以质量和效益为中心，我国设施蔬菜取得了迅猛的发展。

截至2010年底，我国设施蔬菜年种植面积估计约达466.7万hm2，分别占我国设施栽培的95%和世界设施园艺80%的面积，成为世界上设施面积最大的国家，比2004年末的253.3万hm2翻了近一番，且仍以每年10%左右的速度在增长。

目前，我国设施蔬菜产值已达7000亿元，分别占蔬菜和全国种植业总产值的65%和20%以上，人均设施蔬菜的占有量已达200kg以上，全国农民人均增收接近800元，占农民人均纯收入的16%，提供了近4000万个就业岗位，业已成为我国许多区域的农业支柱产业（张真和等，，2010a，2010b）。

我国的设施园艺经过近三十年的发展，基本形成了不同区域特色的设施类型、生产模式和技术体系。

从设施类型上看，小拱棚约占40%，大中棚约占40%、日光温室约占20%，连栋温室在0.5%以下。

从产地分布看，环渤海湾及黄淮地区仍是我国设施蔬菜的最大产地，约占全国面积的55%～60%，山东、河北和沈阳发展尤为迅速。

该区域主要充分利用其充足的光能资源发展节能日光温室，实现了冬春果菜的无加温生产。

其中，山东省的设施蔬菜产值已经达到全省种植业总产值的近一半左右。

在长江中下游地区，主要通过发展塑料大棚等设施，实现果菜、根菜、叶菜、水生蔬菜等多样化蔬菜的周年生产，面积约占全国的18%～21%；而在西北地区，近年来积极发展以平地和山地日光温室以及非耕地无土栽培为代表的设施蔬菜生产，面积发展迅速，约占全国的8%，其他地区则由于气候等原因（如华南地区），发展相对较为缓慢，约占15%左右。

2　“十一五”期间我国设施蔬菜主要科技进步

“十一五”期间国家和各级政府对设施农业科技极为重视，科技投入显著增加，是迄今设施农业科技投入最多的五年，科技部通过国家“三大”科技计划投入了约2亿元用于基础研究、技术研发和集成示范。

在国家“973”计划中，启动了“设施作物对环境的适应机制与产品安全的基础研究”重点项目，在国家科技支撑项目中，先后启动了“园艺作物安全高效生产关键技术研究与示范”、“现代高效设施农业工程技术研究与示范”、“设施农业配套关键技术装备研究开发”、“绿色环控设施农业关键技术研究和产业化示范”等项目，在“863”计划中启动了“基于模型的日光温室结构优化与数字化设计”等课题。

农业部则通过启动行业科技计划、“大宗蔬菜产业技术体系”，“跨越计划”以及“园艺标准园”等来推动设施蔬菜科技进步和成果用。

此外，国家自然科学基金委员会在“十一五”期间还专门设立了“设施园艺学”学科及其代码，进一步加强相关基础研究，每年资助5项左右的基础性研究项目。

通过这些项目的实施，设施蔬菜产业和科技从量到质都有了不同程度的飞跃，特别在自主知识产权设施装备与环境控制系统研究与开发、设施蔬菜生物学与基因功能基础研究、设施专用种质种苗选育和应用、优质高产高效栽培技术体系、资源高效利用与连作障碍克服、设施农产品安全保障、采后加工与配套设施技术研究等方面均取得了一定成果，形成了不同档次、不同系列的温室产品和大批实用技术，产业规模初步形成，优势效应也得到了一定体现，其中有1项成果获得了国家自然科学奖，多项成果获得了国家科技进步二等奖，开发了近百个产品，申报了数百项发明与新型实用专利，在国内外发表了大量学术论文，其中SCI论文从“十五”期间的每年10篇左右增加到“十一五”的每年30～50篇左右。

与此同时，形成了一支年龄结构、知识层次、学科搭配合理的人才队伍。

所有这些，为我国设施农业的进一步发展奠定了人才、技术、基地与物质基础。

本文围绕设施装备和生产技术方面的内容按领域方向分述主要科技进展。

2.1　设施装备的研发与环境控制研究进展

“十一五”期间，针对目前我国能源短缺、设施装备落后、智能化控制程度较低、关键设备受制于国外的局面，通过多学科合作研究和产学研联合攻关，在现代温室生产技术引进和消化、日光温室改进、设施内部作业机具研发和环境控制等领域取得了显著进展。

现代温室结构改进、控制系统消化和配套器具国产化方面取得了显著成效（王丽艳等，2008），国外最近开发的悬挂式栽培设施也在上海农科院等地得到应用。

针对我国北方地区日光温室普遍存在采光和保温性能差的问题，张国森等（2009）（CN200920144085.5）发明了一种利用石块浆砌墙体，用砂石堆砌保温层的适宜非耕地地区的砂石墙下挖型日光温温室；魏家鹏等（2009）（CN200910020154.6）研发了工厂化育苗专用日光温室和连栋温室。

白义奎等（2010）（CN201010160043.8）研发出东北新型多连栋节能日光温室，土地利用率提高到80-90％；王铁良等（2010）（CN201010160021.1）研发出东北新型落地装配式全钢架结构日光温室，比传统的日光温室在施工速度、用钢量和采光量方面都有了显著提高。

在内部结构方面，王晓冬等（2007）研究了下挖深度对日光温室保温性的影响；杨建军等（2009）通过研究提出了西北不同地区最佳墙体厚度，孟力力等（2009）和马承伟等（2010）分别构建了日光温室二维温度场数学模型，开发出了日光温室结构参数优化计算软件；白义奎等（2006）研究则发现缀铝箔聚苯板空心墙体的热工性能较聚苯板夹芯墙体更好，受环境因素的影响较小；李小芳和陈青云（2006）比较了不同厚度砖墙聚苯板等隔热材料不同组合对保温性能的影响；佟国红等（2010）研究了下沉深度和跨度同太阳能供热保证率等的关系，马骥在西部研发并推广了山地日光温室，提高了保温性和土地利用率。

针对温室环境数据信息监控特点，韩华峰等（2009）研究了基于ZigBee协议的传感器节点技术，通过组装现场监控无线传感器网络，实现数据远程传输至指定数据库服务器，并提出了基于遮阳网、天窗等机械运动图像处理的温室视频监控新方法；祝诗平等（2009）将嵌入式远程视频采集技术应用到温室监测中，获取温室作物的生长状况、肥水需求情况以及病虫草害动态等信息的反应载体作物的生长图像；张培新等（2006）建立了一套周年连续的温湿通用数据库，对番茄、黄瓜等设施蔬菜的生长发育进程和病害发生进行预测，并可借助新数据的采集对原有环境数据库进行改进和完善、补充；李萍萍等（2006）将温室内外的环境信息实时接入温室蔬菜栽培的专家系统中去，作为驱动变量，为环境控制、病虫害及营养等的管理决策提供参数依据；杨硕等（2008）和董永胜（2010）还分别建立了基于无线传感器网络的温室植物生长光照强度和温室环境监控系统；张洪波等（2010）针对温室环境的多输入、多输出、非线性和难以建立数学模型等特点，提出一种基于BP神经网络的专家系统并用于温室控制，实现了神经网络和专家系统功能上的互补。

在温室环境控制装置研发方面，王定成等（2007）研制了基于USB的温室环境数据采集器；赵春江课题组（2008）开发了一系列的温室内温湿度、光照、叶片温度、CO2浓度传感器，具有成本低廉，使用能耗低，简单易用，可靠性高等优点；赵春江等（2009）（CN200910078126.X）研制了一种温室环境控制装置，可根据白天和夜间温室环境控制的不同特点实现温室环境白天和夜间两种控制模式，更加精确和高效地实现对环境参数的自动控制，提高设备的使用效率、降低能耗；杨婷和汪小旵（2010）提出了基于ZigBee无线传感器网络的自动控制滴灌系统，该系统能够监测植物土壤湿度、环境温度和光照的变化，通过无线网络将传感器信号反馈，结合传感器融合技术可对滴灌动作做出精确判断，实施高效的节水灌溉措施；马丹等（2007）研制了SG-1型高效热风炉，其性能达到了茄果类蔬菜生长的适宜温度要求；柴立龙等（2008）研究了地源热泵温室夏季降温效果；乔正卫等（2008）利用喷胶棉、羊毛、PE发泡片和毛毡做保温芯材试制了4种保温被；李金城等（2008）（CN200720026906.6）研发了一套新型液压卷帘机；宋卫堂等（2008）（CN200810240328.5）研制了营养液紫外线臭氧组合式消毒方法，极大提高杀菌效果，使营养液中微生物数量下降到更低；马伟等（2009）开发了移动式温室精确灌溉施肥机，该产品移动方便，并在不同温室之间快速连接管路，性能稳定，成本低；贺超兴等（2009）研制开发了燃煤式土壤基质高温热水消毒机，对根结线虫的防效达60%以上。

2.2　设施蔬菜生物学与基因功能研究进展

“十一五”期间，我国设施蔬菜基础生物学的研究发展有了质的飞跃，取得了一系列喜人成果。

期间最大的事件是中国农业科学院蔬菜花卉研究所联合国内外其他有关单位进行了世界上第一个蔬菜作物黄瓜全基因组的测序，其研究成果发表在《NatureGenetics》（Huangetal.，2009），开启了蔬菜作物基因组测序的新时代。

黄瓜基因组序列的揭晓为进行黄瓜产量、品质、抗病性等重要农艺性状相关基因的克隆与功能应用研究提供了便捷。

此外，通过比较基因组学在黄瓜基因组中发现了686个基因亚家族与植物维管束的形成和功能相关，这也为未来研究植物系统信号传递等提供了重要资源。

继黄瓜基因组测序之后，我国又开展了大白菜、普通白菜和西瓜等基因组测序工作。

此外，番茄作为另一重要的设施蔬菜作物，中国正承担着番茄12条染色体中的两条染色体的测序工作。

这些基因组工作的完成将大大提高中国在设施蔬菜功能基因和遗传育种研究上的能力（杜永臣等，2010）。

“十一五”期间，新型分子标记技术如SSR、ISSR、SCAR及SRAP等的开发与利用被广泛应用于设施蔬菜作物遗传图谱构建、基因定位、重要性状标记等方面。

过去五年是我国在黄瓜分子标记和QTLs方面飞速发展的五年。

Ren等（2009）报道了一份包含995个SSR标记的基于黄瓜全基因组的遗传图谱；Hu等（2010）获得了533个基于黄瓜ESTs的SSRs标记，互补了基于基因组的SSR分子标记。

其次，黄瓜抗白粉病（Alfandietal.，2009）、抗赤霉病（Zhangetal.，2010）、性别分化（Wuetal.，2010）、果实刺瘤（Zhangetal.，2010）等相关的分子标记也相继获得，Li等（2008）还对黄瓜外观表型性状进行了QTL定位，Yuan等（2008）对黄瓜果实与花相关性状进行了QTL定位。

这些分子标记与农艺性状的QTL定位为我国培育适宜设施生长的黄瓜品种奠定了基础。

设施蔬菜作物重要功能基因的分离与克隆研究在“十一五”期间也取得了一定的发展。

黄瓜中已有大量基因被分离克隆，发育相关基因如两性花基因M的分离（Lietal.，2009），黄瓜果实膨大生长相关基因CsEXP5的克隆（孙涌栋等，2008），营养生长与生殖生长调控基因CsMADS06的克隆（姚丹青等，2009），胚胎发育相关基因的分离鉴定（盛慧等，2010）等。

其他重要功能基因如黄瓜脂肪酸去饱和酶基因（Cs-FAD）（刘春香等，2008）、磷脂酶D（杜栋良等，2009）、6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶基因Cs6PGDH（魏跃等，2009）、乙烯受体ETR1基因片段（曹迪等，2009）等也相继被克隆。

甜瓜中，果实发育相关基因果实酸性转化酶（于喜艳等，2006）、蔗糖磷酸合成酶（于喜艳等，2007）、醇酰基转移酶（冯燕青等，2009）等基因也得到了分离。

另外，泛素蛋白（龙皎月等，2008）、γ生育酚甲基转移酶基因（邹礼平，2008）、辣椒花药胚状体发育等相关基因（张菊平等，2008）、番茄ACC氧化合成酶（符秀梅等，2009）、络合素酶基因（李慧等，2010）也已由我国学者进行了克隆与分析。

Fu等（2008）还系统研究了BR在果实发育过程中如何通过调节细胞分裂周期蛋白（CycD等）从而调节果实发育的机制。

这些基因的获得为进行黄瓜、甜瓜、辣椒、番茄等蔬菜作物的风味品质、产量育种及抗逆机制研究等提供了理论依据。

2.3　设施蔬菜育苗技术研究进展

“十一五”期间，育苗技术无论在理论上还是应用上都有了长足的进步。

全国各地育苗设施逐步完善，北方主要推广应用日光温室穴盘育苗，而在南方主要研究推广电热加温穴盘育苗，逐步从传统的家庭育苗走向集约化工厂化育苗，其中工厂化育苗在山东等地已经达到了20%左右的水平，涌现出多家年产2000万～5000万成苗的企业。

在育苗基质上，各地根据其材料来源情况，研发了以玉米秸、麦秆、醋糟、草炭、蛭石等不同比例的混合基质来替代传统育苗基质，形成适合各地的规模化和商品化生产模式（钱笑天等，2009；邵秀丽等，2009；刘超杰等，2010）。

基于我国目前存在的连作障碍和冬春低温弱光问题，国内多家单位开展了嫁接砧木资源的评价和利用的研究。

在抗病方面，已筛选出番茄抗青枯病、枯萎病和抗线虫砧木，以及黄瓜抗枯萎病、茄子抗黄萎病的砧木，但目前还缺少具有实用价值的瓜类抗线虫的嫁接砧木（张朝坤等，2009；王明耀等，2010）。

近来，顾兴芳等（2006）发现以野生瓜棘瓜为砧木的黄瓜嫁接苗在嫁接亲和性、抗南方根结线虫能力、产量、株高和果实品质等方面，均优于目前生产上大面积推广的以黑籽南瓜或火凤凰为砧木的黄瓜嫁接苗。

有关嫁接提高抗逆性是近年来国内外的研究热点，喻景权等评价了我国主要栽培瓜类在不同根系温度下生长、抗氧化系统和地上部光合作用的响应，并把我国主要瓜类分为耐冷但热敏感型、冷敏感与热敏感型、冷敏感但耐热型等三类（Zhangetal.，2008）。

Huang等（2010）报道了黄瓜嫁接黑籽南瓜可缓解盐分对大量元素吸收的抑制作用，李汉美和朱祝军（2009）发现嫁接抗性砧木能通过提高光合作用和抗氧化酶活性来提高植物耐盐性，黄瓜嫁接黑籽南瓜可通过提高多胺含量和抗氧化酶活性来提高对铜害的耐性（Zhang等，2010）。

在嫁接方法上，除传统的嫁接方法外，近年来形成和完善了一些新型或实用嫁接方法，如套管嫁接法、双砧嫁接法和离体嫁接技术。

其中双砧木嫁接是利用不同品种砧木之间抗病性、抗低温能力、生长状况等差异特点进行互补，在黄瓜生产中应用增产作用明显（储昭胜等，2010）。

2.4　资源高效利用与连作障碍克服技术研究进展

我国人口众多，但资源匮乏，同时，设施生产中存在养分、水分等资源利用率低的问题。

有鉴于此，“十一五”期间我国各地开展了大量提高包括土地、光能、水分和养分等在内的资源利用率的研究。

其中，中国农科院蔬菜花卉所和甘肃、宁夏等地在非耕地利用方面取得了显著进展，他们利用我国西部区域充足的光能资源和非耕地资源，通过发展以农作物秸秆和沙地等为栽培基质，配合使用有机和无机肥料来进行主要设施蔬菜的生产，实现了非耕地的有效利用（刘伟等，2006；李建明等，2006；卜燕燕等，2010）。

在水分和养分方面，传统的灌水和施肥模式存在利用率低的问题，主要养分利用率仅为10%～30%，为此，近年来开发了膜下滴灌、膜下渗灌等微灌技术，滴灌结合施肥，可减少肥料淋溶损失，同时肥料利用率可提高1倍（李战国，2008；姬景红等，2009）。

通过整合蔬菜配方施肥和肥水一体化水肥耦合新技术，将含可溶性化肥的水以较小流量均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中的灌水施肥方法，可以把水和养分按照作物生长需求定量、定时直接供给作物，明显降低大棚湿度，达到节水、节肥、省药、省工的效果，并能明显提高蔬菜的产量和品质（王荣莲等，2010）。

与之配套的设施如移动式温室精确灌溉施肥机也已实现产业化生产。

CO2施肥可以增强蔬菜对生物逆境和非生物逆境的抗性，改变蔬菜作物的矿物质吸收和分配，提高光合作用和产量。

但缺少CO2来源则一直困扰我国设施园艺的发展，近年来，北方逐步推广应用了以农产品秸秆为材料的地下式“生物反应堆”技术（李明霞等，2008），而在南方，樊琳等（2009）研发了利用水稻等秸秆好气发酵技术。

这些技术不仅能有效利用农作物废弃秸秆产生CO2而提高蔬菜作物光合作用，也可产生热量，提高设施中的温度，提高冬春季节蔬菜生产的安全性，增产幅度达20%左右。

随着设施蔬菜的专业化和规模化生产的发展，连作障碍问题也日益突出。

“十一五”期间，我国各地针对连作障碍发生机制与防治开展了大量研究。

土传病虫害、次生盐渍化和自毒作用是引起连作障碍的主要原因。

沈其荣（2006）、吴艳飞（2008）、吴凤芝（2008，2009）、贺丽娜（2009）等的工作发现，黄瓜等作物连作引起次生盐渍化，土壤呼吸强度降低，土壤蔗糖酶活性下降，微生物种群由“细菌型”向“真菌型”转化，土壤病原菌增多。

而间套作或轮作则明显保持了微生物种群的平衡，减轻了土传病害的发生。

在自毒作用研究方面，已从番茄、黄瓜、西瓜和茄子根系分泌物中分离鉴定出一些自毒物质，并对其作用机制开展了研究。

近年来有关连作障碍研究的一个主要特点是从传统的单因子研究拓展到多因子研究。

喻景权课题组研究发现，黄瓜和黑籽南瓜对黄瓜根系分泌物中的自毒物质具有不同的吸收特性，黄瓜根系对其自毒物质具有较高的亲和性和吸收性，引起根系细胞活性氧的产生和根系生活力的下降，从而助长了病原菌的侵染，加剧连作障碍的发生，并提出了连作障碍是多因子综合作用的结果的观点（OgwenoandYu2006；Ye等，2006；Ding等2007）。

韩雪等（2006）、吴凤芝和王学征（2007）和刘娜等（2008）的工作发现，不同感抗品种根系分泌物和自毒物质对病原菌生长和土壤中的微生物结构具有显著影响，沈其荣课题组（2008）的工作也发现，西瓜枯萎病病原菌Fusarium产生的镰刀菌酸能抑制西瓜的生长，间套作水稻对枯萎病的发生具有明显的抑制作用。

一些研究还发现，黄瓜中的自毒物质可通过抑制其根系细胞细胞分裂周期蛋白相关基因表达而抑制根系细胞分裂和生长（Zhang等,2008）。

连作障碍防治是今后相当长一段时间内蔬菜产业面临的一大难题。

目前主要从种植制度和种植方式的优化、抗土传病虫害品种和嫁接砧木的筛选和利用、土壤消毒和土壤管理以及生物防治等角度着手，如利用具有化感作用的葱蒜类作物同禾本科植物轮作或间套作，采用隔离和半隔离式栽培模式，推广应用水旱轮作栽培模式，选育抗性砧木和品种，开发石灰氮和1，3-D（1,3-二氯丙烯）等化学消毒物质，应用蒸汽消毒和高温焖棚等环境友好型消毒技术，完善放线菌和穿刺巴氏杆菌等生物防治技术等。

2.5　抗逆机制与设施蔬菜抗逆生产调控技术研究进展

我国的设施生产中经常遭遇包括低温和高温、弱光和强光、干旱和涝害、高盐和重金属以及病虫害等的为害，这些非生物与生物逆境对蔬菜光合作用、抗氧化系统和养分吸收的影响以及调控是近年来我国设施园艺的研究热点，其中光合