國外有機設施園藝現狀及對中國設施農業可持續發展的啟示

劉霓紅，蔣先平，程俊峰，李惠玲，李 葦 ，薛坤鵬 ，侯 露 ，熊 征 ※

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣州 510640；2.廣東弘科農業機械研究開發有限公司，廣州 510530）

0 引 言

設施農業作為現代農業主要形式之一，已經成為世界各國農業發展的重點[1]。歐美國家及日本等發達國家在發展設施農業過程中，不僅能高水平地進行設施建設和能源利用，并且配套有先進的栽培、管理技術，獲得極高的經濟效益，并成為其支柱產業[2]。中國設施農業近年來也得到了前所未有的迅猛發展，主要表現為：設施建設逐步向大型化、規?；l展；設施裝備逐步向機械化、智能化發展。設施園藝技術逐步向標準化發展；作物品種逐步向設施專用化發展[3-6]。但是中國設施園藝產業在數量不斷增加的同時，其產業內部長期積累的生態環境惡化問題及由此帶來的農產品質量安全問題也日益凸顯[7]。

自然子刊《Nature Plant》撰文表明：在面對21世紀人口激增、氣候變化和環境惡化等問題，新有機農業是可持續農業發展的主力軍[8]。盡管通常認為有機農業產量雖然低于常規農業10% ~ 20%，但在經濟效益、環境影響、社會效益等方面都超過常規農業，更在提供營養、適應氣候變化、增進土壤健康、保護生物多樣性、增加就業和創造新的經濟模式等方面有著積極表現[8-9]。因此，一種有機設施園藝（organic greenhouse horticulture, OGH，歐盟也稱為BioGreenhouse）被提出解決設施農業發展的瓶頸問題[10]。本文將在下面介紹國外有機設施園藝發展現狀及對中國設施農業可持續發展的啟示。

1 國外有機設施園藝發展現狀

1.1 有機設施園藝產生的背景

國外有機設施園藝是在全球有機農業供需不足背景下產生的。2016年Willer和Lernoud統計出自1999年以來，全球有機農業耕種面積增長4倍，2014年達到4300萬hm2[11]。除酵母花、可可、椰子、咖啡豆、堅果、橄欖和茶等有機種植面積外，有機園藝共有133萬hm2，它包括290 137 hm2的有機蔬菜，835 315 hm2的有機水果，49 225 hm2的有機漿果，146 657 hm2的有機藥用植物，以及706 hm2的有機苗圃和觀賞花卉。全球十大有機蔬菜產地分別是美國(59 669 hm2)、墨西哥(46 573 hm2)、波蘭(26 664 hm2)、意大利(25 930 hm2)、中國(22 331 hm2)、法國(15 554 hm2)、西班牙(11 690 hm2)、德國(10 392 hm2)、烏克蘭(8014 hm2)、荷蘭(6003 hm2) （圖1）[11]。

與有機種植面積增長相比，全球有機農產品的銷售額增長更快。2014年有機農產品銷售額比1999年增長了5倍，達到了800億美元。其中，美國是最大的有機農產品消費市場，達到359億美元，占全球市場的45%，年增長超過11%；歐洲是第二大的有機農產品銷售市，2014年銷售額達到262億歐元，年增長超過7.6%（圖2）。Dorais和Cull認為有機蔬菜種植面積雖然僅占全球蔬菜種植面積的0.5%，但是全球消費者對有機果蔬的需求高達30%至 40%[12]。隨著消費者進一步對食品健康安全問題的擔憂，比如農藥殘留、激素殘留、抗生素殘留，轉基因風險和環境保護的意識進一步提高，有機農產品消費將會日益普及。預計2018年，全球有機農產品市場零售銷售額將會達到1500億美元[8-11]。

圖 1 全球10大有機蔬菜生產國Fig. 1 Top 10 countries producing organic vegetable

圖 2 全球有機食品市場消費份額Fig. 2 Ratio of global market by 10 top countries

通常認為有機農業產量低于傳統農業，但是加拿大麥基爾大學的 Seufert等統計分析過去 66項有機農場研究，結果表明一些有機農場的產量幾乎和傳統農場的一樣多，并且它們都有一個共同點：在特定的環境條件下，實施一定的管理實踐，某些作物品種的有機種植產量和傳統種植產量的差異非常小[13]。那么Seufert等指出的“這種特定的環境條件”，作為氣候環境可控的溫室或植物工廠，具有先天的優勢。因此，在設施農業里系統開展有機園藝已經成為有機農業產業發展的方向之一。

1.2 有機設施園藝定義、起源和目標

有機設施園藝是指在氣候環境可控的溫室或植物工廠里，以對環境影響最少的外部投入，采用天然，非化學合成物質進行有機作物的栽培[10]。有機設施園藝最早是由國際有機農業運動聯盟（international federal of organic agriculture movement, IFOAM）在2008年舉辦的“邁向可持續性和生產性的歐盟有機設施園藝”會議上被提出。當時會議的焦點是現有的有機種植法規主要是針對露天有機生產系統的，很大程度忽略了當時在歐美普遍存在溫室設施里的有機種植規范。隨后歐美專家成立工作小組對規范溫室有機生產的技術建議進行了數年的專題討論。直到2013年國際有機農業運動聯合會和歐洲有機保護栽培的技術平臺（TP organic）聯合發布了2份作業指導方針，分別是《溫室保護栽培生產最終報告》和《有機溫室生產意見書》[14]。報告將可持續性生產和消費作為有機設施園藝的基本目標，目的是在保護自然環境和生物多樣性同時，為消費者種植健康、安全的水果和蔬菜[15]。至此，有機設施園藝開始在國外快速發展。

1.3 國外有機設施園藝認證面積

歐美發達國家及其周邊的國家，通過有機認證的設施園藝面積擴張迅速[16]。截止2016年（表1），歐盟國家有機設施蔬菜經過有機認證的共有5236 hm2，其他非歐盟國家經過有機認證的有3066 hm2。其中歐盟內的意大利和西班牙各有2000 hm2，法國有500~600 hm2，德國有263 hm2。歐盟外的墨西哥有1875 hm2，以色列有500 hm2，摩洛哥有 230 hm2，加拿大有 214 hm2以及美國有 186 hm2[12]。經統計，有機設施蔬菜的平均比例是 8.4%。德國、丹麥、美國和墨西哥占比均超過 20%以上，其中最多的是與美國相鄰的墨西哥，占比達到了 51%。墨西哥不僅擁有規模為116 hm2高科技有機設施園藝，而且90%以上墨西哥有機設施園藝生產商都有擴大有機溫室種植規模的意愿[12]。

表 1 國外有機設施蔬菜種植面積及所占其比例[12,16]Table 1 Estimation of organic vegetable greenhouse area worldwide and share in terms of their respective country greenhouse vegetable greenhouse area[12, 16].

不僅如此，歐美國家的有機設施園藝推廣逐步形成規?；默F代農業產業園和專用的溫室種業[17]。其中，意大利有機設施蔬菜產區主要集中在西西里島，共有1000 hm2；西班牙有機設施蔬菜產區主要集中在安大路西亞，共有1800 hm2；法國有機設施蔬菜產區主要集中在地中海地區，法國西北的布列塔尼和西南的阿基坦地區也有較為集中的產業園；美國有機設施蔬菜產區主要集中在加州、俄勒岡州、佛羅里達州和賓夕法尼亞州；加拿大有機設施蔬菜產區主要集中在魁北克省、哥倫比亞省和安大略?。ū?2）。這些產區一個共同點是，以專用的溫室番茄、甜椒、黃瓜、生菜和草藥等品種為主。其中美國獲得有機認證的溫室番茄種植面積有59.55 hm2，黃瓜有13.91 hm2，生菜有12.26 hm2，草藥有28.2 hm2（表3）；其中墨西哥有機設施園藝大部分除種植不同大小和不同品種的番茄、黃瓜，甜椒外，以草莓、藍莓和黑莓等漿果為主的第三代水果也開始有機設施種植。

表 2 美國和加拿大的有機設施蔬菜主要產區及其面積[12, 14, 17]Table 2 Main producing regions of organic greenhouse vegetables in USA and Canada[12, 14, 17].

表 3 美國有機設施蔬菜主要品種及其面積[17]Table 3 Main crops of organic greenhouse vegetables in USA[17]

1.4 有機設施園藝產量和盈利分析

從國外發展經驗來看，各種因素影響有機設施生產的高效可持續性，包括：氣候條件、消費者需求、生產管理經驗、競爭機制和政府政策方針的支持。以高投入高產出為代表的高科技溫室，有機番茄產量已經達到45~55 kg/m2，有機辣椒產量達到20~30 kg/m2，有機黃瓜產量達到50~60 kg/m2[12]。由于國外有機農產品的市場需求增長遠超其市場供應，有機產品價格均表現出較高的溢價。以英國為例，即使有機農產品的產量只有 14.82 kg/m2，但每 hm2的年毛利可達到 66 996美元[18]。加拿大有機農產品的價格數指數也表明，有機溫室農產品價格比傳統溫室產品高 170%~346%[19]。Crowder和Reganold采用meta分析了過去40 a全球的55種作物的市場價格規律，證明有機農業比傳統農業更有利可圖[20]。他們認為，不管是有機農產品的產量較傳統農業低10%~18%，還是有機農業生產勞動力成本高出傳統農成本 7%~13%，亦或是有機農產品的市場溢價下降29%~32%，只要有機農產品溢價在5%~7%時，有機生產者就已經和常規生產者盈利持平，有機農業就可繼續擴張。

隨著有機設施園藝市場的逐步發展和成熟，有機蔬菜市場的供應增加和競爭力加大，有機生產和傳統農業生產之間的利潤空間將會逐漸被壓縮，其利潤率和盈利能力可能隨之出現下降。但是從設施農業發展趨勢來看，溫室有機品種的專用[21-22]、高效有機肥的投入[17,23]、可再生能源和資源的利用[24-25]、替代人工的園藝裝備上線[5]以及符合有機的植保技術研究[26,27]，有機設施園藝的運行成本也會下降，產量也會逐步與傳統農產品產量相持平，甚至超過傳統農產品產量（表 4）。因此，盡管有機設施園藝的資金投入和市場壓力可能讓農民或者中小企業面臨一些重大的挑戰，但它仍然被認為是改善他們生產經營的解決方案之一[28]。

表 4 溫室番茄有機種植和傳統種植的產量對比分析Table 4 Contrastive analysis of organic yield and traditional planting of greenhouse Tomato

1.5 有機設施園藝基本形式及認證規則要點

設施園藝是一種在局部范圍改善或創造環境，提供人為可控環境條件，進行蔬菜、瓜果等集約化的種植方式，大多為有土栽培[31]。但常規的設施種植“高投入、高產出”的特點使得養分在設施土壤中大量積累，形成土壤次生鹽漬化、土壤酸化、土傳病害等土壤障礙因子[32]。近年來，以建立和恢復農業生態系統生物多樣性和農業可持續發展為目標的有機種植受到廣泛關注，主要包括有機肥替代化肥施用和輪作方式[33-35]。前者增加了一些土壤有益細菌數量，如固氮菌等，這些有益細菌使土壤元素從有機形態轉化成被植物吸收利用的形態，增加土壤肥力，促進土壤養分循環和植物生長[36-37]；后者可均衡利用土壤中的營養元素、改善土壤理化特性、減少土傳病害[38]。此外，作為有效防止土壤連作障礙和土傳病害的有機無土栽培方式（主要是基質栽培）在歐美多數國家也被視為一種有機設施園藝，其中美國對有機水培也可進行有機認證[12]，在這一點上，一些歐盟國家和加拿大有機認證標準對離開土壤基質的純水培方式還不被接納，已經引起一些學者關于無土栽培是否適合有機生產的爭議[39-40]。

為引導溫室生產商開展有機種植，歐盟委員會于2010年成立有機溫室生產的技術咨詢專家小組（EGTOP），2013年該小組向歐盟委員會遞交了關于溫室有機生產的最終報告，涉及氣候控制、種植材料、土壤肥力、水資源管理、病蟲害管理、節能以及可持續性[41]。結合最新文獻對有機設施園藝的規則要點總結如下：1）堅持可持續發展作物有機溫室生產的理念，以維持公眾對有機農產品可持續性發展的信任[16,42]；2）堅持利用可再生資源和能源供熱，優化溫室隔熱和保溫技術。對沒有任何保溫措施的溫室，需要避免農作物受霜凍(5 ℃以下)[43-44]；3）允許在秋季、冬季和早春季節使用人工補光，但只允許在黑暗、陰天以及白天延長時間使用，且日光和人工補光總時長不應超過12 h[12,41]；4）可以施用CO2，但來源應是可再生生物質的燃燒或發酵。出于溫室氣體對環境影響的考慮，禁止在夏季燃燒化石燃料來施用CO2[45-46]；5）采用輪作、堆肥，堅持施用有機肥。需計算每一種溫室作物的養分投入產出平衡點，以確定補充可溶性養分的用量，避免過度施肥和土壤鹽漬化的環境風險[47-48]；6）加強水肥管理。禁止用水清洗土壤或基質，需對營養液進行回收處理，避免養分流失[49-50]；7）因泥炭土屬于稀缺資源，不接收泥炭土完全代替土壤種植，并且育苗時泥炭土不應超過 80%，再生的泥炭土可被接收，另外盡量采用可替代泥炭土的材料作為栽培基質，比如生物炭[41,51]；8）植物保護方面，采用天敵、物理防護為主，利用生物熏蒸（如十字花科或菊科植物殘渣，厭氧發酵）和熱處理（如：太陽能消毒、蒸汽消毒）為輔[52-54]；9）培育和選用優良抗病耐受性強的適合溫室種植的有機農作物品種[55-56]。10）設施農業的有機認證轉換期分為2種情況：一是在土壤中種植和露天種植一致；二是在基質中栽培，從技術角度講，不需要轉換期，比如歐盟有機標準（EC 889/2008）沒有規定的蘑菇有機生產轉換時間，但是強調了溫室內部必須整體同時清潔，規避污染風險，生產資材也必須符合有機生產的規則[41,57]。

由上可見，有機農業生產不僅僅指在生產中完全或基本不用人工合成的肥料、農藥、生長調節劑和畜禽飼料添加劑這種狹隘的有機農業觀點[58]。為了確保有機農業能夠促進可持續發展的目標，有機法規需要更多地強調與最佳環境的匹配實踐，這對在設施溫室里開展有機園藝尤其如此[59-60]。

2 中國發展有機設施園藝的意義及存在的問題

近年來，中國設施農業發展迅速，已成為優勢產業[61]。中國學者結合中國的氣候、經濟、資源、功能和技術等諸多因素，對中國設施農業的發展思路提出了諸多的模式探討[62]，比如：區域發展型[63-65]，輕簡增效型[66]，資源利用型[67]，休閑娛樂型以及新技術型[68-70]。當前以產量為主的粗放發展模式，讓中國溫室數量和產量均居世界第一，占比達到 88%，但中國是設施農業大國，卻不是設施農業強國[71]。其中中國設施蔬菜發展最為迅速，產量占到蔬菜總產量的 34%以上，為蔬菜周年均衡供應提供了重要保障。由于設施蔬菜生產周期長，產量高，用肥量大、施肥結構不合理，偏施氮肥現象嚴重，土壤次生鹽漬化等問題突出[72]。2017年農業部印發《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》，要求以果菜茶生產為重點，實施有機肥替代化肥[73]。因此，開展有機設施園藝，對中國農業綠色發展有著重要的意義[74]。

提到有機農業，人們往往會與“低產”“低效”和“傳統”等概念劃等號。21世紀的有機農業不僅僅是指不使用合成化肥農藥，而是應基于生物農業原則，采取改進品種多樣性、科學輪作、種養結合、保護土壤和水、加強生物防治以及綜合使用創新技術[8,75]。反觀中國設施農業正處在轉型的十字路口，推動農業由增產導向轉向提質導向的“質量興農戰略”已經進入行動期，未來的設施農業應該是有機農業、集成農業、種養結合等多種可持續發展模式的結合[76-77]。其中，中國設施農業開展有機園藝及其認證方面相關信息相對較少[78]。究其原因有，1）缺乏針對溫室的有機農產品標準。目前中國設施農業行業只有無公害農產品和綠色農產品的相關標準，唯獨缺乏適用設施農業的有機產品的生產標準。加入世貿組織以后，中國農產品出口頻遇“綠色屏障”，原因是發達國家常常以有機技術標準直接限制了中國農產品的出口。理應在有機設施園藝產品方面盡快與國際接軌[79]。2）溫室土壤生態環境惡化，導致有機園藝先天不足。中國設施土壤已經出現土壤板結、次生鹽漬化、土壤酸化、土壤養分失衡等質量退化問題，需要創新種植方式、合理輪作、科學施肥、加強田間管理、客土改良等設施農業土壤改良對策[7,31]。3）缺乏專用的溫室種植品種。生產者出于收益的考慮，往往采用高肥力、高密度種植。在相對封閉的高溫、高濕、弱光溫室小氣候環境里，極易受到諸多病蟲害的侵襲危害，生產者又會大量用藥。目前溫室高產的背后是：“化肥+農藥”，與國外相比，極其缺乏適合溫室的抗病害、耐弱光、高品質高產量的專用品種[80]。4）針對有機溫室園藝的系統技術研究較少?，F有的技術研究主要圍繞生產設施綠色食品的有機生態型無土栽培技術[81-83]、有機溫室水肥利用技術[84-86]、農業廢棄物與溫室二氧化碳利用技術[87]、有害生物綜合防治技術[88]、有機溫室產品評估[89]以及節能技術利用上[90]。缺乏圍繞有機設施園藝認證規則要點的技術集成研究和裝備開發。5）市場環境較差。一方面市場上以次充好、魚龍混雜的所謂有機農產品太多，已經嚴重挫傷消費者對有機農產品的信任。另一方面真正優質的有機農產品難有優價，導致有機生產商長期虧損，嚴重打擊生產者生產高品質農產品的積極性[91]。

3 中國開展有機設施園藝的建議

農業的發展關于國家食品安全，資源利用和生態平衡[92]。國外有機設施園藝在理念目標、種植面積、產量和盈利狀況、基本形式以及認證規則要點等方面的基本做法和成功經驗，對中國發展有機設施園藝具有寶貴的啟示作用。需要指出的是，國外有機設施園藝不能簡單等同于“溫室+有機種植”，它是一個以可持續發展為目標，包含溫室環境控制、種植材料選擇，土壤肥力保護，水資源管理，病蟲害控制管理，節能和可持續盈利的有機統一體。當前，中國設施蔬菜生產在內的農業生產面臨著成本不斷增加、資源短缺、環境惡化、非農用地大量擠占耕地等問題，對于資源稟賦本就不富足的中國農業來說，中國開展有機設施園藝的基本形式在借鑒國外經驗的同時，應立足國情合理利用并增殖自然資源，加快資源的循環利用并加速能量轉化，瞄準生物技術培育出溫室專用有機品種，通過溫室農業機械裝備提高設施蔬菜生產效率，積極推廣有機無土栽培模式，生產出品質安全且數量較多的有機農產品，滿足消費者對有機產品日益增長的需求，促進社會、經濟和環境的持續發展。因此在借鑒上述國外有機設施園藝基礎上，應開展以下工作：

1）進一步加強設施農業可持續性發展的理論和實踐研究，形成國家和行業部門的管理法案、標準和實踐指南的依據。有機農產品在國外有著嚴格的行業管理法案，比如美國由國家層面上制定的《有機食品法案》以及由美國農業部市場服務司制定的《美國有機農業條例》等，這些相關行業標準與管理措施對于美國有機農業的正常快速發展以及有機農產品的銷售都起到了積極的促進作用[93]。從借鑒國外經驗來看，首先，應確立可持續性發展為有機設施園藝發展目標，加強通過有機設施園藝在提高土或基質、種、肥、藥、水、光和二氧化碳等農業資源高效利用的基礎理論和實踐研究；其次，以此為基礎由國家層面制定一部適合中國國情發展的有機溫室園藝法案，明確其發展目標、技術要點、扶持重點、激勵機制、強制性處罰、政策保障等有關要求；最后，應由行業部門制定與國際接軌的《有機溫室園藝生產認證標準》和《中國有機設施園藝實踐指南》，對可再生能源和資源的合理利用，對維持最佳生產力的溫室結構設計，有機肥替代化肥方案，作物輪作和間作方式，有機無土栽培方法，生物防病，天敵除蟲和高效用水等方法做出具體明確的規定。

2）進一步加強有機設施園藝共性關鍵技術研究，探索自然的生物學過程管理農業方式，投入適當能量和資源，維持系統最佳的生產力。相比傳統農業，有機設施園藝由于杜絕化肥、農藥等化學制劑的使用，因此對有機農業相關作物的抗病性、抗逆性、病蟲害的抵抗性以及抵抗其他自然災害能力有更高的要求，而這些要求的解決主要依賴于科學技術的指導[94]。從借鑒國外經驗來看，有機設施園藝涉及到農業一些共性關鍵技術，比如：適合高溫高濕（南方）或低溫弱光（北方）等溫室環境的專用品種生物育種技術，土壤或基質、種、肥、藥、水、光和二氧化碳等資源高效協同利用技術，有機水培及精準施用技術，有益微生物促進作物抗病、增產和提質等關鍵技術。這些共性關鍵技術的解決，需要圍繞設施農業加強生物學基礎研究，尤其應探索自然的生物學過程管理農業方式，投入適當能量和資源，維持系統最佳的生產力。

3）進一步加強匹配有機設施園藝技術要求的農業機械裝備開發，彌補人力不足，提高有機設施農業生產效率，轉變人們對有機農業的 “低產”、“低效”和“傳統”等偏見。據統計，2015年中國60歲及以上人口達到2.22億，占總人口的16.15 %，預計到2025年，中國60歲以上人口將達到 3億[95]。中國農村人口老齡化進程快于城市老齡化，而農村青壯年勞動力仍將每年以 500萬的速度逃離農村，這就使留在農村從事農業生產的勞動力素質整體下滑[96]。老齡化和農業勞動力短缺問題將為中國社會經濟發展和農業轉型帶來新挑戰。從借鑒國外經驗來看，應由行業協會組織科研單位、大專院校、涉農企業、專業合作組織共同研發出符合有機設施園藝需求的農業機械設備，充分挖掘現代制造技術對自然生態利用和保護的潛力。

4）進一步加強有機設施園藝技術集成示范與推廣應用，構建多元化的有機設施園藝推廣服務體系，引導全方位的市場參與者之間建立互信機制。誠信體系是有機農業發展的根基，一些生產經營者投機取巧，弄虛作假，導致公眾對有機農產品的質疑，造成有機農產品叫好不叫座，歸根結底原因在于有機生產關鍵技術不配套、不完善，病蟲害防治成本高以及生產地環境污染等問題，嚴重影響有機農產品產量和質量。企業如果沒有效益，也就失去發展的動力[97]。從借鑒國外經驗來看，首先，應將有設施園藝作為一種系統工程來看，它涉及到生物、化學、農學、機械工程、電子信息等多學科，需強化技術集成示范實踐研究，在實踐過程中發現問題，探索適合中國國情的解決辦法；其次，構建以國家公益性推廣機構為主體，科研單位、大專院校、涉農企業、專業合作組織和消費者共同參與的多元化有機設施園藝推廣服務體系，全方位地為種植戶和消費者提供有機設施蔬菜生產消費信息和技術服務，保障中國設施蔬菜產業的健康發展。

4 結 論

中國農業已經突破了產量難關，人們已經從解決溫飽的需求，轉變到吃好、吃出品質的需求。設施蔬菜以其良好地經濟地位和社會效益成為發展現代農業的關鍵，然而中國設施農業總體上看大而不強，存在全要素生產率低，環境調控能力不足，機械化程度低，勞動生產率低，生產管理粗放和生態持續水平低等問題，隨著勞動力短缺和中產階級的消費觀念轉變與消費能力提升，必將倒逼中國設施農業生產的轉型和升級。作為從事二十多年的設施農業科研和市場推廣工作者來說，如何保障設施農業持續盈利一直是一個不可回避的問題。國外有機設施園藝業已證明在歐美發達國家和不發達國家均具有可持續性的生產和盈利，且以中低檔溫室為主，符合中國溫室 90%為中低檔設施的國情。中低檔設施溫室主要的問題是難以實現機械化生產，勞動效率低；另外通風差導致有害病菌泛濫，必須用藥控制，不利于食品安全。如果能借鑒國外有機設施園藝的可持續發展理念和實踐經驗，逐步把這些問題解決，筆者認為有機設施園藝可成為一種農藝與農機相結合的設施農業發展新模式，在保障國家食品安全，資源利用，生態平衡和提高農民收入方面有著突出的作用。