设施栽培对作物生长发育影响的研究进展

木农布　郭蓉　木丽海　和杨祥　杜光辉　郭鸿彦　杨明

摘要 设施栽培是一种利用设施设备控制作物生长环境从而实现高效生产的栽培模式，目前在很多作物上已得到广泛应用。综述了不同形式的设施栽培对不同类型作物产量、品质、生理与病虫害方面的影响及存在的问题，为设施栽培的高效应用提供参考。

关键词 设施栽培；作物；环境因子；产量；品质；病虫害

中图分类号 S62 文献标识码 A

文章编号 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－hai3 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

设施栽培是通过人为控制作物生长过程中的环境因子，同时结合使用智能化、自动化技术设备的一种高效农业生产模式。相比传统种植手段，设施栽培不受外界气候环境的限制，能根据作物自身特点制定高产高质的培育方案，且可以通过立体栽培等方式将空间充分利用，具有土地利用率高、提高资源利用率、提高作物产量、减少环境污染的特点，并且适于机械化操作，可以规模化生产，与可持续农业理念相符。

20世纪80年代至今，我国设施农业快速发展，目前已成为全球设施农业种植面积最大的国家。但目前我国设施农业发展仍存在很多问题，如设施农业高消耗、高污染的不合理发展模式，设施农业装备与技术水平低下和设施农业建设布局不合理等［1］，导致目前我国设施农业生产效率并不高，较西方农业发达国家相比依然存在一定的差距。

1 设施栽培的主要形式

根据设施栽培类型划分，设施栽培可以分为普通设施栽培和高级设施栽培。普通设施栽培是通过搭建日光温室，达到避雨和保温效果的一种简易栽培方式。高级设施栽培是以智能温室为代表的新型农业生产模式，主要通过物联网技术、无线通信技术和农业信息感知技术等多种智慧农业技术相结合对作物生长环境进行实时调控，给予作物最佳的生长环境，从而保证高品质的作物生产［2］。

根据栽培目的不同，设施栽培可分为避雨栽培、促早栽培和延时栽培。避雨栽培是通过搭建避雨设施减少雨水对植株的影响，达到提高作物品质的效果［3］。促早栽培是通过人为手段（如加温、喷施化学试剂、修剪整形等），缩短植株的生育期，提升农产品的经济效益［4］。延迟栽培是通过控制温度和光照使作物成熟延后，以提高作物品质与延长供应时间［5］。

2 设施栽培对作物生长发育的影响

2.1 设施栽培对作物产量和品质的影响

在果树方面，相比露天栽培，避雨栽培的杧果坐果率和产量均显著提高，维C含量显著提升，且果实酸度降低，内在品质优于露天栽培［3］；避雨栽培下的鲜桃生长表现类似杧果，不仅果实体积增大，而且果实内的可溶性糖、可滴定酸与花青苷的含量都相对提升［6］；而酿酒葡萄在避雨栽培下能够增加果实中醇类、醛类物质，赋予果实更浓郁的香气［7］；蜜柑、红地球葡萄和杨梅通过采用延后栽培延长其鲜果的供应时间，不仅满足了广大消费者的需求，还大幅提高了经济效益，尤其像上市时间短的水果杨梅在延迟栽培下能延长13～20 d收获，产值达到71.88万元/hm2，是露天栽培的6.09倍［5］；虽然在调控作物生育期方面促早栽培与延后栽培截然相反，但是在丰富消费市场和提升经济效益方面两者的效果是基本相同的。在温室大棚促早培育的赞皇大枣、梨枣年果实成熟期比露天栽培提早15～30 d，平均产量分别是露天栽培的2.80與1.70倍，平均年收益为露天栽培的2.79倍［8］；设施内枇杷成熟期能比露天提早15～20 d，并且结合高密度栽培系统，可以将单位面积产量提升3～4倍［9］；在对吐鲁番设施葡萄促早栽培技术的研究中，通过设施内控温满足葡萄需冷量后，再使用20%石灰氮处理葡萄枝条，能打破植株休眠期，并在幼穗第三期花序喷施30 mg/L赤霉素，能够使葡萄在5月初开始成熟，并且能够提高坐果率、增加果实含糖量［10］。

在蔬菜方面，相比露天栽培，设施栽培下番茄采收期延长30 d，其坐果率显著提升，增产量达74.56%［11］；无土栽培条件下4个番茄品种在水培条件下生理增长最快且生物量显著高于基质栽培与土培，其中品种“夏日阳光”水培产量增幅达120.20%［12］；生菜、青菜、菠菜、芹菜4种绿叶菜在基质栽培下分别较土培增产37.39%、155.76%、182.99%、82.31%，同时综合品质佳，相比水培硝酸盐含量降低［13］；除无土栽培外，设施栽培还能通过独特的二氧化碳施肥技术提高作物的产量与品质。设施大棚中施用二氧化碳气肥能够提升白菜植株的光合速率，提高叶数、叶面积、株高、鲜重，增加作物产量，同时增加可溶性固形物产量［14］；设施内黄瓜施用二氧化碳肥也具有与白菜相同的增产效果，当施肥浓度达到800 μmol/mol 时，增产幅度达43.3%［15］。除控制二氧化碳浓度外，光照的调控也是设施蔬菜增产的重要方式。在莴苣棚内使用绿光代替部分红光、蓝光作为光源，当绿光相对量设置为30与60时，莴苣地上部分干重分别增加16.3%与24.5%，绿光相对量为60和90时可溶性糖含量分别增加了39.4%与19.4%，硝酸盐含量降低了40.3%与43.4%［16］；当对甜椒的冠层进行LED补光，能够使冠层内部叶片光合速率提高3.5～5.7倍，春季果实产量增量达30.0%［17］。

在花卉方面，栽培基质和光照条件对花卉产量和品质的影响研究报道较多。当使用V泥炭∶V蛭石∶V腐殖土=1∶1∶1作为薰衣草和郁金香栽培基质时，前者的株高、冠幅、叶片数、分枝数、地上干鲜重、地下干鲜重都显著高于园土对照，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］；长寿花在V椰糠∶V珍珠岩=4∶2的基质下各项生长指标均高于其他比例基质，相比土培还具有容重低、便于管理运输的优点［20］。除基质选择外，根据花卉品种特性调控光照也能显著提升产品品质。如观赏玫瑰在室内10～20 μmol/（m2·s2）的光照下不能让玫瑰开花甚至无法保持叶片的绿色，此时补充向上或向下光照均能促进花芽成熟，并且向下光照比向上光照能促进更多花朵成功开放［21］；当使用蓝光和红光对郁金香在凌晨和傍晚进行补光时，能显著提升花、叶部位干物质的积累量，促进营养生长且为郁金香提前开花提供保障［22］；同样使用蓝光对菊花进行补光能将全盛花期提前12 d，单株花蕾数与开花数相比自然光增幅达98%与120%，叶片氨基酸与含糖量高出32.0%与8.9%［23］；与郁金香不同，不同光质对一品红的影响并不一致，红光对花侧枝伸长、花叶面积都有显著促进作用，但红光显著降低了叶片中可溶性蛋白含量，花期推迟了2～4 d，而蓝光在中后期对侧枝伸长、叶面积均出现抑制效益，但蓝光具有稳定的促进作用，能使花期提前约6～8 d［24］。

在药用植物方面，通过对大棚环境的调控，可以使人参出苗期、花期和果期提前，其叶数、根重等指标均有显著的提升［25］。使用V泥炭∶V蛭石=2∶1的基质与1倍的Hoagland和Aron混合营养液进行黄芪幼苗培育，其株高、茎粗和分枝数分别相比普通园土增幅达55.77%、23.46%和30.18%，壮苗数显著增加［26］；栽培基质不局限于常规基质，比如使用石灰岩碎石滤水层5 cm+锯末8 cm+活苔藓2 cm作为铁皮石斛的栽培基质时，搭配营养液能够使产品增产幅达197.80%［27］；同样使用菇渣废料和园土1∶1混合作为白术幼苗生长基质时，相比普通园土能大幅提高幼苗壮苗率［28］；与蔬菜、花卉一样，药用植物也可以通过光照调控提升产量与品质。由于秋冬季节百里香易出现光照不足的情况，此时使用LED补光能大幅提升产量与质量，并且相比传统高压钠灯与荧光灯每平方米产量提高达43.1%与88.6%，能耗也大大减少［29］；工业大麻是一种短日照作物，当光照时间低于14 h时其生育期会缩短，限制产量，延长光照时间能使其生育期显著延长，株高与干物质产量显著提高［30］。

2.2 设施栽培对作物生理上的影响

在果树方面，相比于露天栽培，由于棚膜对光照强度影响较大，发现未设置补光情况下葡萄与大樱桃植株成熟期均有所延长，而葡萄还出现新梢成熟度与果实着色度差的问题［31-32］；但由于微环境的改变，设施内环境会对部分植株光合作用有一定的补偿。宫枣在设施条件下植株气孔开度大，气体交换速率高，且宫枣二氧化碳补偿点与饱和点均低于露天栽培，因此净光合速率有一定的提高［33］；同时，可以通过补光弥补设施内光照不足的情况。蓝莓在蓝光补光下光合速率显著提升，并且调控相关花青素调控基因的表达，大幅提高花青素的积累量［34］。

在蔬菜方面，常通过增施二氧化碳气肥的方法来提升植株的光合速率。如在黄瓜与白菜设施栽培过程中增施二氧化碳能够达到抑制光呼吸，提高净光合速率，从而增加干物质积累量的效果［14-15］；调控光照也是提升蔬菜植株光合速率的重要方法。对黄瓜幼苗进行4 h红蓝复合光补光能够提升其叶面积与干物质量，同时叶片的叶绿素与可溶性蛋白含量显著增加［35］；设施辣椒在红蓝光8∶3比例下补光6 h和8 h能够大幅提升辣椒叶片的光合速率，提高有机物质积累［36］；欧芹和莳萝采收前3 d使用635 nm红光进行19 h光照，能促进维生素C和碳水化合物的积累，减少硝酸盐积累量［37］。无土栽培基质的选择也是提升蔬菜光合速率的方法之一。采用V粗粒椰糠∶V珍珠岩=3∶1的混合基质栽培菱白幼苗时，其叶绿素含量大幅提升，净光合速率提高35.91%，地上与地下部鲜重增量分别达205.52%与263.45%［38］。

在花卉方面，不同的补光处理对植物的影响不一致。如牡丹品种“洛阳红”在红蓝黄绿紫LED复合光的补光下，其叶绿素a与叶绿素b含量大幅提高，同时增加了可溶性糖含量［39］；使用红光对金银花进行12 h补光，能够显著提升其株高、叶面积和叶片数［40］；不同于金银花的补光效益，菊花红光处理叶绿素含量与净光合速率分别减少了11.6%与8.1%，花期提前6 d［23］；不同光质会影响花卉植株次生代谢物的生成。矮牵牛花在红光和远红光处理下其挥发性香气物质2-苯基乙醇含量会增加［41］。光周期也是调控花卉植株生理指标的重要因素。在每日19：00至次日08：00对菊花进行遮光处理，其花期相比对照能提前15 d左右［42］；同样神农香菊在10 h/14 h（晝/夜）的光周期处理下能够使花期提前35 d，并且仍能保持良好的植株形态与开花品质［43］。同蔬菜一样，栽培基质的选择也是改善花卉生理指标的重要途径之一。使用V泥炭∶V椰糠∶V珍珠岩=2∶1∶2配比基质栽培的万寿菊叶绿素含量与光合速率均显著提升，且植株的氮磷钾含量也为较高水平［44］；同样V泥炭∶V蛭石∶V腐殖土=1∶1∶1基质栽培下的薰衣草净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、瞬时水分利用率都为最大，可溶性糖、可溶性蛋白含量也为最高［18］。

在药用植物方面，黄芪栽培过程使用泥炭∶蛭石=2∶1的基质与1倍Hoagland和Aron混合营养液时，能提高植株叶片中的叶绿素含量，增强根系活力［26］；采用黄芪药渣、棉籽壳和梨木屑作为基质栽培灵芝时，能将林芝多糖与游离氨基酸含量提升至0.98%与0.76%，并且降低灵芝实体中的铅、砷、汞的含量［45］。光照对于药用作物中有效成分的生成有重要的作用。在对设施内甘草进行UV-B的照射刺激，能使甘草在3～6月内达到田间条件下需要3～4年才能达到的甘草酸浓度［46］；将R∶B=16.8∶1 PPFD 252作为工业大麻栽培的光源时，大麻花叶产量增加了61.50%，大麻二酚含量提高4.27%［47］；罗勒的香气风味主要来源萜类与苯丙烷类物质，研究发现其在蓝/红/黄复合光下会释放更高水平的单萜类挥发物，蓝/红/远红光下则会释放更高水平的倍半萜类挥发物［48］；使用高光合有效辐射PAR［1 150.0 μmol/（m2·s）］和UV-B辐射（0.6 W/m2）下薄荷精油产量与质量均能得到显著提升［49］；对白兰木苗进行16 h/8 h（昼/夜）的光周期处理能够大幅提高净光合速率，并且降低光饱和点与光下呼吸速率［50］；西红花进行8 h/16 h（昼/夜）的遮光处理能促进植株提早开花，增加开花数量，同时减少种球中淀粉与可溶性蛋白等营养物质的流失［51］；人参菜则在14 h/10 h（昼/夜）的光周期条件下农艺性状数据达到最大值，且可溶性糖与可溶性蛋白含量均达峰值［52］。

2.3 设施栽培对作物病虫害的影响

在果树方面，避雨栽培可以通过改变葡萄种植的微环境，切断病原菌雨水傳播方式来有效控制部分葡萄真菌病害的发生［53］，相比露天栽培，避雨栽培下葡萄叶片霜霉病病情指数降低了19.55%，而葡萄果实白腐病降低1.91%［32］；在杜飞对葡萄避雨栽培下病情的研究中，避雨栽培下的葡萄叶片与果实的黑痘病的发病率与病情指数下降42.00%，并且棚内的葡萄植株环境能够加强木质素的合成，阻碍病原菌的入侵［54］；苹果品种金冠在避雨栽培下的轮纹果病、炭疽病和斑点落叶病降低了6.80%、2.80%和86.50%［55］；在进行“先促成后避雨”的梨树设施栽培下，梨产品可以提前10 d上市，并且棚内的锈病、轮纹病相比露天栽培发病率几乎为0，但由于棚内高温潮湿的环境，会导致部分虫害如红蜘蛛、梨木虱的发生［56］。

在蔬菜方面，避雨栽培下的番茄脐腐病发病率降低2.80%，晚疫病与早疫病分别降低24.90%与3.58%［57］；在研究避雨栽培对魔芋软腐病的影响中，德宏与西双版纳2个实验点避雨栽培下的软腐病发病率分别为4.81%与8.33%，均显著低于露天栽培处理与药剂处理［58］；由于设施内早晚温差大、高温高湿和连作等特点，导致部分病害易发生与传播［59］。在环境恶劣的拉达克地区，设施内具有适宜作物生长的气候条件，但由于设施下叶片长期处于高湿度环境下，使得叶片组织极易受到真菌与细菌的侵染，番茄、甘蓝病害发生率分别能达51.5%与30.9%［60］。

在花卉方面，相比露天栽培，设施下的杜鹃植株能避免灼伤，大幅降低高山杜鹃植株感染疫霉病概率［61］；设施栽培环境具有一定的密闭性，易发生一些土传病害、真菌病害、喜湿虫害与地下虫害等［62］。东方百合在大棚多年连作下，土传真菌病害如丝核菌、霉腐菌和葡萄球菌等菌染病害严重［63］；月季在多年设施栽培下霜霉病、白粉病和根腐病年发病率最高分别能达49.5%、94.4%、9.8%，月季螨与月季蚜病情指数能达22.4与4.8［64］。

在药用植物方面，无土基质栽培的山药可以减少其受到的物理机械损伤，同时能消除土壤污染与地下害虫的影响［65］；益母草采用水培能够显著提高肥料利用率，解决土壤连作障碍与传染性病害的问题［66］；设施内部环境发生改变，可能导致棚内一些新型病虫害爆发。设施栽培下的三七由于多年连作导致连作障碍日益突出，根腐病造成的损失能占到三七病害的70%～85%，严重影响其经济效益［67］。汉中市设施铁皮石斛由于空气流动性差且高湿的微环境特点，导致黑斑病、煤污病、软腐病、锈病等病害频发，红蜘蛛、铁皮石斛菲盾蚧、蜗牛、蛞蝓等虫害泛滥［68］。

3 问题与展望

设施栽培是通过各种技术手段调控设施内环境因子从而提升作物品质和产量的现代化生产模式。相较于传统露天栽培，设施栽培具有诸多优点。第一，设施栽培可通过控制光照与温度调控作物的生育期，提早或延长农产品的供应时间，从而提高作物的经济效益；第二，设施栽培能通过调控光质等环境因子增加水果中可溶性糖、维C和花青苷等有机物和药用植物中有效成分的含量，还可增加花卉中和香气、花色相关的次生代谢物的合成；第三，设施内无土栽培通过立体栽培可达到节省空间、提高土地利用率的效果；第四，设施栽培不受外界气候环境的影响，能够实现作物的规模化、周年化生产。但设施栽培并不只有正面效应，比如对果树等植株高大型作物进行设施栽培时，容易出现局部采光不足、产量品质下降等问题；并且目前高级设施栽培模式存在投入成本高与缺乏相关技术人员的问题［69］。

随着设施栽培技术不断发展，已经在逐步实现对植株生理与环境的精准调控，为作物提供最适宜的生长环境，最大程度提高资源利用率与产品品质，这与未来世界发展所要求的环保、高效、节能、绿色的发展趋势相契合，农业是国家发展的重要基石，发展设施农业对于国家乃至世界都具有十分重要的意义。

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基金項目 国家现代农业产业技术体系资助项目（CARS-16-E07）；云岭产业技术领军人才项目；丽江市专家工作站项目（2021-9）。

作者简介 木农布（1997—），男，云南丽江人，硕士研究生，研究方向：工业大麻的高效设施栽培。*通信作者，研究员，从事工业大麻育种及栽培技术的研究。

收稿日期 2022-05-12；修回日期 2022-06-22