资源高效紧凑型床塑料栽培：降低生产风险，实现农业可持续集约化

《npj Sustainable Agriculture》：Resource-efficient compact bed plasticulture reduces production risks and sustainably intensifies agriculture

为解决塑料栽培（Plasticulture）长期后果不明、环境影响大等问题，研究人员开展了紧凑型床塑料栽培（CBP）研究。结果表明，CBP 可增产、提高养分吸收、减少多种胁迫和污染，与替代农药协同能提升效益。这为农业可持续发展提供了新策略。

　　在全球农业发展的进程中，随着人口的不断增长，预计到 2050 年，粮食需求将大幅增加 70%。为了满足这一庞大的需求，农业必须在有限的土地资源上实现产量的提升，同时还要减少对环境的破坏。在众多农业生产方式中，塑料栽培（Plasticulture）凭借其能精准输送水和液体肥料、调节土壤环境等优势，在全球范围内得到了广泛应用，尤其是在中国，其使用量有显著增长。然而，这种生产方式也带来了诸多问题。大量使用的塑料薄膜在阳光照射下会降解，增加环境中的微塑料含量，这些微塑料有可能通过受损的植物根系进入可食用植物材料，对人体健康构成潜在威胁。而且，塑料覆盖的土地会增加径流，导致养分流失，影响区域淡水流动、地下水补给以及生态系统。此外，为了控制土壤中的病虫害，塑料栽培中常使用的熏蒸剂（如氯吡咯和 1,3 - 二氯丙烯）不仅对人体健康有害，还会影响土壤生态，加速土壤退化，降低土壤群落多样性。

面对这些问题，来自美国佛罗里达大学等研究机构的研究人员开展了一项关于紧凑型床塑料栽培（Compact Bed Plasticulture，CBP）的研究。他们的研究成果发表在《npj Sustainable Agriculture》上，为解决塑料栽培的困境带来了新的希望。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，在不同的商业农场进行实验，设置常规塑料栽培床（CONV）和两种紧凑型床（COMP1 和 COMP2），并设置不同的农药处理组。其次，通过安装土壤湿度传感器、监测灌溉情况、采集土壤溶液和土壤样本等方式，获取土壤湿度、养分、病虫害等多方面的数据。最后，运用统计分析方法，如双向方差分析（two - way ANOVA）等，对数据进行处理和分析。

重新设计以实现可持续集约化

研究人员发现，常规塑料栽培床（76 cm 宽，20 cm 高）在使用单条滴灌带灌溉时，湿润面积不足 50%，尤其是在沙质土壤中。为了弥补这一不足，常常需要延长灌溉周期，但这又会导致水和养分从作物根系所在的 0 - 30 cm 区域淋失。而紧凑型床设计（COMP1：61 cm 宽，25 cm 高；COMP2：46 cm 宽，30 cm 高）能更好地匹配滴灌湿润区域。在 2017 - 2018 年的实验中，COMP2 床在番茄生长和坐果的高峰期，即 4 月 19 日至 5 月 12 日，干旱胁迫期缩短了 18 天（15 cm）。同时，COMP2 床的灌溉水和养分在根系区域的停留时间更长，减少了淋失。此外，常规塑料栽培床会增加农场的不透水面积，导致径流和洪水增加，影响作物根系的氧气供应和抗病能力。相比之下，CBP 减少了 51 - 76% 的径流体积，降低了洪涝风险。在 2017 - 2018 年的实验中，COMP2 床在两次中等降雨事件后 24 小时内土壤湿度就能恢复到田间持水量，而 CONV 床则需要 72 小时以上。而且，COMP2 床中番茄枯萎病（Fusarium wilt）的发生率（6.7% 的症状植株）显著低于 CONV 床（10.7%）。虽然减小床宽可能会导致土壤盐分积累，但实验中所有处理的土壤电导率都低于对植物造成盐害的阈值（2.5 ds/m）。同时，COMP2 床还能减少硝酸盐淋溶到地下水，并且在根区对钾（K）的吸收更高，这些因素共同促进了 COMP2 床中特大号番茄果实的产量增加，提高了养分去除和利用效率。

替代农药的协同效益

CBP 与更具选择性的农药协同使用，可以进一步提高可持续性。例如，常用的土壤熏蒸剂（FUM：60% 氯吡咯 + 40% 1,3 - 二氯丙烯）是按床宽（即塑料覆盖面积）施用的，因此更窄的 COMP2 床比 CONV 床少使用 40% 的农药。采用 CBP 后，毒性较低但价格较高的替代农药（ALT：氯吡咯与氟噻虫砜搭配）在经济上变得可行。而且，CBP 增加的滴灌湿润覆盖面积，使得可以使用滴灌非熏蒸剂（NOFUM：氟噻虫砜和霜霉威），这些农药能减少与人体的接触，并且使用后种植等待时间更短。同时，CBP 和替代农药（ALT）的双重策略对土壤细菌和真菌群落多样性和组成产生了积极影响。在 COMP 床中，用 ALT 和 FUM 处理后，细菌多样性显著增加，而与 NOFUM 处理相比，真菌多样性显著降低。此外，在 COMP2 床中，有害真菌门的减少，结合干旱和饱和胁迫的降低，减少了疾病发生的风险。同时，根结线虫（RKN）的数量也随着床宽的减小而减少，尽管使用的 FUM 减少了，但由于熏蒸床高度增加和床宽减小导致的更好的混合和覆盖，使得 RKN 对植物的危害降低。

双重可持续集约化策略的成果

紧凑型床（COMP2）和替代农药制度（ALT）的双重策略在两个季节都增加了大型、高价值、晚季果实的产量，从而提高了净效益（收入减去不同处理间变化的成本）。在第一季，COMP2 - FUM 和 COMP2 - ALT 处理由于产量增加和塑料及农药成本降低，净利润分别增加了 1266 美元 / 公顷和 1134 美元 / 公顷。在第二季，COMP2 - ALT 处理提供了更高的净利润（4462 美元 / 公顷）。COMP2 - ALT 处理平均每公顷增加了 2798 美元的净效益。同时，CBP 和 ALT 的双重策略还降低了投入成本，减少了塑料和能源的使用，降低了碳足迹。COMP2 处理（COMP2 - FUM 和 COMP2 - ALT）与传统处理（CONV - FUM）相比，氮（N）、磷（P）和水的生产率提高了近 4%，塑料生产率在第一季提高了近 15%，第二季 COMP2 - ALT 和 COMP2 - FUM 分别提高了近 24% 和 11%。在可持续性指标排名中，COMP2 - FUM 和 COMP2 - ALT 处理在六个指标（N、P、农药减少百分比、塑料、水生产率和成本降低）中均位居前三。

该研究成果具有重要意义。在经济方面，已经使北美种植者受益，部分大型番茄种植者已采用 CBP 来降低投入和成本，提高系统效率。如果北美所有番茄农场都采用 CBP，每年可减少 400 万吨塑料使用，减少 2280 万吨种植前农药使用，增加 1.83 亿美元收入。在环境方面，CBP 减少了对区域生态系统的负面影响，减少了水、养分和农药的流失，降低了碳足迹，有助于实现碳中和。在应对气候变化方面，CBP 可以作为一种适应策略，减少极端天气（干旱和洪水）的风险，增加根区土壤湿度，减少灌溉用水，提高作物的抗逆性。同时，CBP 还可以减少对农业土地的需求，避免因土地转换带来的生态问题。然而，该研究也存在一定的局限性，未来需要在其他作物和不同土壤气候区域进行实地验证，并且需要开发针对床几何形状的灌溉管理方法，以进一步评估其节水潜力。但总体而言，这项研究为塑料栽培的可持续发展提供了新的方向和策略。