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0引言 随着科学技术的迅速发展，设施农业的内涵越来越丰富，技术含量越来越高，集约经营越来越高效，已成为现代农业的重要标志之一。目前，我国各类农业设施面积已超过335万hm2，为世界第一。设施的类型也由以季节性利用的中小拱棚等简易设施为主体，发展到周年可利用的温室和塑料大棚为主体(约占各类设施总面积的50%);现代化的连栋温室和环境自动控制系统从依靠进口发展到能够完全国产化自主生产，并在一些城市郊区和经济发达的农村得到推广应用。由于温室大棚是装备水平较高的农业设施，代表着一个国家和地区的设施农业发展水平，因此对温室农业的研究一直是设施农业中研究的重点和热点。然而，我国温室园艺在生产实践中存在很多问题，制约了温室生态经济系统基本功能。本文试图通过分析温室生态经济系统功能与结构内在联系，探讨我国温室生态经济系统的结构改善途径。 1我国温室园艺的积极作用 温室园艺的发展对于促进我国农业的高产、高效和可持续发展起到了积极的作用。主要表现为:一是提高农业气候资源利用率，采用设施栽培能提高环境的温度，在北纬35°以上的高寒地区，日光温室的室内温度可达0℃以上，而加温温室的气温可保持在10℃以上，使得冬季栽培变成为可能，土地的复种指数增加，农业集约化程度提高。二是大幅度提高土地生产力，在温室栽培条件下，可以人为调节光温水肥气因子，使作物在较好的生态条件下生长，加上复种指数的提高，耕地产出比露地可成倍提高，农产品产出增加，使农业生产更好地满足社会对农产品的需求，为解决我国人多地少的矛盾、实现农业可持续发展提供了一条长远的有效途径。三是提高农产品供应的稳定性，大田农业生产受到气候所左右，稳定性较差，尤其是蔬菜的抗灾、堵缺及贮运能力弱，更是难以克服严冬和酷暑季节蔬菜短缺的矛盾。温室栽培不但在冬季可以通过加温实现反季节栽培，还可以在夏季通过降温措施进行越夏栽培，在南方地区可有效避免夏季的台风、暴雨及虫害对蔬菜和瓜果等作物造成的毁灭性灾害，对于周年稳定供应新鲜蔬菜，改善人民群众的生活质量具有积极影响。四是提高农业生产的经济效益，由于温室建造、环境控制及生产投入比露地生产高，但是单位土地面积产量高以及反季节栽培农产品的价格高，因此产出也高。温室经营得好是可以实现高产高效同步。以江苏省为例，根据报道，设施农业的发展带来了可观的经济效益，效益在15万元/hm2以上，占设施农业总规模的5%以上，效益在7．5万～15万元/hm2的占20%以上。其中，南京市设施蔬菜效益达12万～22．5万元/hm2，是露地蔬菜的3～5倍。经过高效设施农业的带动，全省农民人均收入显著增加。 2温室农业产生的问题 近年来，我国温室生产蓬勃发展，对促进农业增产、农民增收、农村发展及提高城乡人民的生活水平起到了积极的作用。但温室园艺在生态可持续性和经济可持续性方面也出现了一些问题。 2．1能量投入过高，人工辅助能利用率较低 温室生态经济系统的能量来源主要是太阳能和人工辅助能。与农田蔬菜生态系统相比，人工辅助能在温室能量来源中的比例要高得多。为了创造温室作物的适宜条件，需要投入大量的电能、机械能和燃料。但是，我国环境控制研究总体上较落后，无论是硬件系统，还是技术都还有很多方面亟待提高;不少温室经营者对环境合理控制的知识相当贫乏，导致环境控制的能耗很高。目前，温室的投能水平一般是农田的8倍以上，而产量只有一般农田的2～3倍，能量的产投比一般农田低［1－2］。因此，人工辅助能投入过大和能耗高是温室生产中突出的问题之一。 2．2肥料施用量过大，土壤生态问题严重 合理的肥料投入是温室作物重要的增产手段。但是许多温室经营者为追求高产，不合理地加大施肥量，带来了严重的生态经济问题:首先，由于温室中用肥量大，再加上在覆盖物下不能得到雨水的冲淋，土壤内的大量盐分随水分的蒸发向上运动，在土壤表层聚集，产生土壤的次生盐渍化，影响作物持续增产;其次，过量的施用肥料不仅增加了生产成本，而且会导致肥料养分利用率低，损失的养分加剧了对环境污染;再次，施肥过多影响温室作物的品质，氮素肥料是蔬菜中硝酸盐的主要来源，作物过量吸收硝酸盐可导致其在体内积累，最终造成产品硝酸盐含量过高;此外，随着长期的同科连作，产生土壤的连作障碍，土壤生态问题也随之产生。 2．3成本大幅提高，生产风险大 随着设施栽培向高档化发展，生产条件大大改善，同时成本也大幅提高。由于不少温室经营者不懂得如何经营温室，采用露地栽培中的大宗作物、常规品种和传统种植方式，产量不高，产品价格低，导致温室投资回收期延长，风险变大。因此，如何改善系统的结构，增加收入，降低成本，提高温室生产积极性，是关系到温室产业能否可持续发展的问题。 3温室功能与结构之间的关系 我国温室生产中所存在的问题是系统能量流动、物质流动和价值流动不合理所致。其原因，固然有技术研究和推广上的不足，但与我国在温室系统研究方面的严重滞后也密切相关，尤其是将温室作为一个系统，在研究作物生长与温室环境的关系、温室投入与产出的关系基础上，研究整体功能的发挥与温室结构之间的关系等方面还少有报道。实质上，温室生态经济系统的能量转化、物质循环与价值增值等基本功能与结构之间存在着密切的联系，突出地表现为以下几个方面。 3．1不同温室结构可以达到相同的功能 温室生产就是通过现代化农业工程和机械技术改变自然环境，为植物生产提供相对可控制，甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥和气等环境条件，在一定程度上摆脱了对自然环境的依赖，增进土地因素生产潜力，增进光热资源利用率，提高初级生产力。虽然，不同结构的温室改造环境因子的方式不同，但都能不同程度地调控作物生长环境。如同样是为了提高冬季保温性能，现代化温室可以通过锅炉热水管道、燃油炉和热风机等加温设备来达到适宜的环境温度，而单栋塑料大棚则可以通过增加中小棚和保温幕，采用多层覆盖的方式来实现。#p#分页标题#e# 3．2同种温室结构可以有不同的功能 农作物生产受到的不利环境因素影响来自多方面，所以人们要利用同种结构达到不同功能，如单栋塑料大棚，在冬天起到保温作用，主要用于喜温蔬菜的生产;而在夏天将321`裙围揭开后可用于防止台风暴雨的侵袭，若在上覆盖遮阳网就形成了遮阴棚，用于夏季叶菜生产;在大棚外覆盖防虫网则形成了清洁蔬菜的生产场所。因此，要利用温室条件，把环境调控到植物适宜生长的范围，使之周年都能用于农业生产，克服农业生产的强烈的季节性。 3．3温室物理结构越复杂，则功能越完善 各种类型温室内环境调控结构差别很大，导致环境调控能力相差很大。一般地，塑料大棚没有主动的增温和降温设施，只能进行简单保温降温，对极端温度天气却无能为力。而在现代化程度高的智能化温室则配备有主动调节的设施，所有环境因子(如室内温、光、气、湿、热和营养液养分状况等)的监测、传感及调节都由计算机综合管理和自动控制。有的系统还可对生物体质量、大小和形态进行非接触式和非破坏性监测，从而根据生长信息对温室环境进行动态综合控制［3］。温室环境调控系统的结构越复杂，可控制的因素也越多，控制程度就越高，可选择的调控策略就越科学，因而产量越高。 3．4生物结构与温室功能相互影响 温室生产的目的是获得高产和高效益。其中，作物种类和品种选择、播栽期的确定、茬口安排的方式等生物结构因素直接影响着系统的生物量产出和农产品的上市期等，从而影响能量流和价值流等功能。同时，温室的生物结构受到物理结构的影响，如简易的塑料大棚，没有加温和降温设施，只能进行春提前、秋延后等超季节栽培。而随着温室的进化，在现代化自控温室中可以进行周年的反季节栽培，长季节、高产量的黄瓜和番茄等周年栽培的温室专用品种也应运而生。因此，温室物理结构的变化导致生物结构的变化，而生物结构的优化更带来了温室功能的改善。 4改善温室结构的途径 影响温室系统功能的结构内容包括温室框架结构(物理结构)、栽培植物结构(生物结构)以及生产资料和环境调控成本结构(投入结构)等3个方面。所以要提高系统的功能，也必须从这3个结构方面进行改善和优化。 4．1改善温室的物理结构 4．1．1因气候条件制宜 适宜的温室结构直接影响到作物的高产和温室运行成本。高架温室冬季保温性差，加温成本高，在我国北方难以立足;双层充气膜温室充气成本高，使南方地区冬季本来就不足的光照更加不足，不适合使用。因此，研发适合各地不同气候区域的温室结构是提高温室生态系统功能的重要方面。在温室结构设计上，北方地区以冬季保温为主，抗雪灾能量强;华南地区以夏季通风散热为主，且要抗台风暴雨;长江流域一带的亚热带地区则必须以增加冬季的保温性能和降低夏季降温的成本相兼顾为原则。江苏大学和上海农业机械研究所等单位在消化吸收以色列塑料连栋温室的基础上，进行结构创新，采用流场数值分析技术、有限元技术和模块化设计技术等，优化设计了适合亚热带地区气候条件的温室结构。如设计锯齿型和顶部全开型的温室通风结构，使夏季通风性更好;设计双膜结构和新型密封结构，冬季保温性更高;优化屋面的形状、主副顶拱和天沟结构，提高了抗风和雪载能力。2008年的南方百年一遇的暴雪灾害中，通过以上创新设计的温室无一倒塌。 4．1．2因栽培植物制宜 温室结构的设计要适合拟定要栽培的主要作物种类和所采用种植方式的特点。不同作物对环境条件的要求不同，因此对温室结构的要求也不同。例如，在温室高度要求上，种植果菜类栽培，特别是长周期果菜、高大的观叶植物等，或者多层架式栽培和柱状无土栽培等，生长空间大，要求温室的高度高;而种植叶菜类作物、普通花卉和观赏植物，采用单层栽培等，则对温室高度要求低。温室高度的增加，相应地一次性建筑成本投入增加，而且加温的成本也要相应增加。反之，种植矮秆植物也不能把温室高度降得太低，否则影响人在室内的操作和夏季通风降温。因此，温室结构设计要处理好这些矛盾，制定相应的温室标准，提高标准化水平。 4．1．3因经济条件制宜 不同类型温室的造价相差好几倍，运行成本差异也很大，因此要根据各地以及各用户或用户单位的经济条件来决定温室的结构选型。现代化配有环境自动控制系统的连栋温室，其环境调控程度高，土地利用率高，作物生产力高，但是投入的水平也高。在经济发达地区，尽管对国外引进温室的消化吸收，我国已经能自行设计制造现代化温室，价格比进口的要低30%～50%，但作为生产价格较低的农产品的装备，400～600元/m2温室造价仍然是很高的。因此，只适合在经济发达地区或者在大城市的郊区应用，或作为各地现代化农业的示范用途，不能把现代化温室作为装饰品，一味贪求高档，造成成本过高，运行能耗无法支付，以致温室再生产过程不能顺利进行。对于大部分农民来说，单栋塑料大棚以及北方的日光温室在近期将仍然是主要的温室装备产品。 4．2改善生物结构 1)根据市场需求优化作物布局，通过品种结构调整以满足市场多样化的需要。温室的作物种类和品种布局，原则上要以一室一品的专业化生产为主。专业化生产有利于实现规范化和标准化生产，也容易使劳动者掌握栽培技术，对于提高作物产量和劳动生产率具有重要的作用。目前，需要进一步研究和实施主要作物在土壤和基质栽培中的施肥、灌溉、病虫害防治的规范化和标准化技术。但是温室的品种布局不是一成不变的。当习惯种植的作物市场销售不畅，或看好某些品种具有较好的市场和效益时，进行适时的作物结构调整，要以灵活多变的种类和品种调整来提高经济效益。此外，要搞好上下茬作物搭配。 2)根据温室结构优化种植模式，通过田间结构调整挖掘生产潜力以获得最大产出。由于一年一大茬的长周期黄瓜比周年两茬黄瓜两茬生菜的常规种植模式产量高30%～40%。因此，在冬季有加温设施的温室内，同一作物应该选择长周期的品种，以提高周年的产量。在高架的温室内，种植低矮的绿叶蔬菜或盆花等植物时，要考虑多层栽培或立体栽培，以增加空间的利用率。#p#分页标题#e# 3)提高环境调控能力进行反季节栽培，通过时间结构调整变更收获期以得最大收入。进行反季节栽培，要提高环境控制的能耗。由于反季节栽培的农产品在稀缺季节上市，市场价格高，因此价值转化效率高。但是反季节栽培需要温室具有较高的环境调控能力。如目前面积最大的塑料大棚，在冬季主要是作果菜类的育苗场所，待到来年开春后进行“春提前”栽培。如果采用三棚五膜(即大中小棚膜，加盖地膜和小棚外保温幕)的方式，在极端含量的天气下使用炉子和电热加温等简易加温装置，番茄就能进行越冬栽培，比“春提前”番茄早上市30天以上，其产出投入比可能得到大幅度的提高。 4．3改善投入结构 在固定资产(即温室框架结构)投入一定的前提下，重点是要改善生产资料的投入结构和环境控制。 4．3．1协调生产资料投入结构 生产资料除了种子种苗以外，主要是肥料和农药两大类。首先，要协调养分投入结构。各地温室生产中注重施用氮肥，轻视磷和钾肥，造成氮肥过量，利用效率下降，面源污染增加，土地的可持续生产力下降，所以要注重N，P，K的协调;同时要注重有机肥和无机肥的协调，即土壤碳氮比的协调，增强土壤微生物的活力，提高养分的有效性。其次，要协调有害生物防治的投入结构，加强病虫害综合防治。如果采用生物防治和物理防治的方法，多投入生物农药和黄板诱蚜等物理防治，减少化学农药使用。通过健康的生产方式培养健康的植株，生产出内在质量高的绿色食品或者有机食品(绿色食品AA级)蔬菜，提高农产品的经济价值。 4．3．2改善环境控制投入结构 现代化温室产业发展快的城市和地区的多年生产实践表明，在环境控制程度高的现代化温室中，生产的目标必须是高产量而不是低的运行能耗，只有高产量才能有高产值和高效益［4－5］，才能使高投入得到高的回报。但是环境控制能量投入并不是越高越好，而是要寻找合理的投入量和投入结构。作物生长是多种环境因子综合作用的结果，但是目前生产上环境控制能耗主要是在温度的控制上，而其它方面的控制能耗很少。事实上，在晴天光温条件适宜的条件下进行CO2施肥，在连续阴雨天的情况下采用移动式补光，都是促进光合作用的有效手段。在温度控制上，大多数温室都采用经验值设定法，没有根据光照强度的变化进行动态管理，达不到最佳的控制效果;而有些温室为了减少运行能耗，采用临界值控制法，则更不能使温室的增产潜力得到应有的发挥。