屋顶温室番茄栽培的可持续资源优化：一项8年案例研究

《Agronomy for Sustainable Development》：Sustainable resource optimization for tomato cultivation in a rooftop greenhouse: an 8-year case study

　　

番茄是全球最受欢迎和广泛消费的作物之一，其水培（hydroponic）栽培技术已得到广泛应用。在这项研究中，研究人员评估了通过迭代系统设计在巴塞罗那一座一体化屋顶温室（integrated-rooftop greenhouse, i-RTG）中历经8年演变的管理策略的表现。研究分析了产量、太阳辐射、水与养分消耗，以及通过生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）评估的环境影响。研究人员假设，改善灌溉管理、部分以回收养分替代矿物肥料、并确保最佳太阳辐射，将提高番茄生产力同时降低环境影响。最高生产力出现在2023年（49 g plant^?1 day^?1），其中一个周期使用了100 g plant^?1的鸟粪石（struvite），另一个周期使用了矿物施肥。2023年更换老化的聚碳酸酯板提高了温室太阳透射率（solar transmissivity），从而实现了最高生产力。生命周期评价影响主要由作物产量、栽培系统特征以及驱动人工照明或雾化系统等所需的能源等因素决定。最低环境影响出现在2017年周期（0.54 kg CO₂ eq.），其次是2023年周期（0.94 kg CO₂ eq.），这两个周期因最佳太阳透射率、动态施肥灌溉（dynamic fertigation）和/或鸟粪石而获得了最高产量。最高环境影响（3.84–12.05 kg CO₂ eq.）出现在产量最低（0.9–3.3 kg m^?2）的周期，以及使用温室人工照明（3.71 kg CO₂ eq.）或室内环境（7.07 kg CO₂ eq.）的周期中。研究结果表明，采用鸟粪石基施肥并定期更换温室覆盖材料以确保最大光透射率，可以实现统计学上更高的产量和环境可持续性。该研究为优化屋顶温室番茄栽培、实现稳定产量和减少环境 footprint 从而促进可持续食物生产提供了宝贵且新颖的见解。

随着城市化进程加速和人口增长，新鲜食物需求持续上升，城市食物生产系统受到越来越多的关注。屋顶农业作为城市农业的重要模式，能够有效利用闲置空间、缩短运输距离并减少相关碳排放，同时具有减少城市废弃物、改善能量循环、提升城市生物多样性和空气质量等多重环境效益。水培系统因其减少屋顶负重、降低水和肥料需求的优势，在屋顶农业中得到广泛应用。然而，屋顶水培系统也面临着基质利用和基础设施建设带来的环境影响，且温室覆盖材料老化导致的太阳透射率下降会长期制约环境表现和作物产量。为降低环境影响，研究者提出了雨水收集、营养液回流循环以及从废弃物中回收养分替代矿物肥料等优化策略。尽管已有研究验证了这些策略在降低环境影响方面的潜力，但大多数研究为一次性实验，针对单一作物和特定资源减排策略，难以进行系统比较和优化策略筛选。因此，开展长期、多周期的纵向比较研究对于屋顶农业的发展具有重要意义。

本研究在巴塞罗那自治大学环境科学与技术研究所（ICTA-UAB）的一栋建筑上开展，研究对象为面积125 m²的东南朝向一体化屋顶温室（i-RTG）。研究人员在2015年至2023年期间对11个番茄栽培周期进行了系统监测与评估，采用迭代系统设计方法学，通过"设计-实施-评估-诊断"的学习循环逐步优化管理策略。研究期间，不同番茄品种被引入评估，施肥和灌溉策略逐步调整以降低与施肥灌溉系统相关的环境影响；辐射管理则通过两种对比途径探索：补充LED照明和更换温室覆盖材料以改善太阳透射率。

研究主要采用以下关键技术方法：一是基于现场传感器网络（CS215、LP02等）的长期环境与辐射监测，温度、相对湿度、室内外辐射以10分钟间隔连续记录，计算日光合有效辐射（PAR）累积量和光能利用效率（LUE）；二是建立水培系统的水平衡与养分平衡模型，其中养分平衡涵盖氮、磷、钾的输入及通过植物生物量（叶、茎、果、根）、淋失液和基质残留等途径的输出，并估算向大气和水体的排放；三是采用生命周期评价（LCA）方法（ISO 14040，ReCiPe中点层次，层次化视角），以1 kg番茄为功能单位，涵盖从原材料提取到温室生产的"从摇篮到大门"边界，分析辅助设备、栽培操作（含肥料、基质、排放等）、雨水收集系统和屋顶温室结构四大类别的环境影响；四是针对温室覆盖材料更换周期进行敏感性分析，模拟2年至10年不同更换情景下的环境影响变化。

研究结果部分，研究人员从产量、水分利用和环境表现三个维度进行了系统阐述。

在产量方面，研究显示最高产量以kg m^?2计出现在17-C、15-C和20-IE周期，而以g plant^?1 day^?1计，23-CA和23-EA周期均达到49 g plant^?1 day^?1的峰值。这一结果归因于新聚碳酸酯板带来的高光能利用效率（4.37和4.30 g mol^?1）以及更适合植物物候期需求的养分溶液管理。相比之下，2022年鸟粪石施肥周期出现显著低产，主要由于鸟粪石过量施用以及花期和果实发育期钾、硫的缺乏。值得注意的是，8年间产量总体下降31.2%，直接源于聚碳酸酯板老化导致的辐射透射率降低；而2023年更换部分板材后，透射率恢复至46.4%，使23-CA周期较22-CA产量提升56.5%。

在水分消耗方面，研究计算了各周期的水分利用效率（WUE）。20-IE室内环境因温湿度稳定、蒸腾作用低而达到最优WUE（30.3 g L^?1）；屋顶温室中，20-IS周期通过减少水分输入和实施循环，WUE从假设无循环时的25.4提升至36.8 g L^?1。2022年鸟粪石与Rosa de Cadiz品种的组合则表现最差，WUE仅为2.1至–7.9 g L^?1，与低产和低辐射水平密切相关。

在环境表现方面，研究揭示了产量、施肥方法和能源消耗对环境影响的决定性作用。17-C周期因高产和合理施肥在所有类别中影响最低（全球变暖0.54 kg CO₂ eq.），而22-EA、20-IE和21-L周期因低产或人工照明能源消耗呈现最高影响。对于海洋富营养化（ME）类别，循环系统和鸟粪石施肥表现优异：循环技术避免淋失液排放，而23-EA周期使用100 g plant^?1鸟粪石后，淋失液排放仅占ME影响的4.5%。人工照明的能源密集型特征显著推高了20-IE（93.1%的全球变暖影响来自能源）和21-L（71.8%）的环境足迹。雾化系统虽为2023年应对极端高温所必需，但其能源消耗使23-CA周期的全球变暖影响增加34.6%。敏感性分析表明，将聚碳酸酯板更换周期从10年缩短至4-6年，可在所有影响类别中实现环境效益（生态毒性除外），同时维持较高产量。

讨论部分，研究人员从辐射与养分管理、环境效益驱动因素、覆盖材料更换周期、学习循环与转型路径以及系统局限性五个维度进行了深入分析。

太阳辐射和养分管理被确认为主导作物生产力的核心因素。高太阳透射率（2015年50.9%、2017年47.2%、2023年恢复后46.4%）与高产量直接相关，而辐射每损失2.47%/年即导致产量显著下降。养分管理方面，基于物候期的动态施肥策略——特别是2023年调整氮浓度、添加适量NH₄⁺（约5.7 g plant^?1）以及将钾浓度维持在7-10 mM L^?1水平——是实现高产的关键。鸟粪石作为磷源的施用效果与剂量密切相关：100 g plant^?1可产生与矿物施肥相当的统计产量，而140 g plant^?1的过量施用则因营养失衡导致显著减产。

环境效益主要受产量、施肥方法和能源消耗三因素驱动。高产量有效分摊了基础设施的固定环境影响；循环系统减少水体排放但需确保养分供给充足；鸟粪石显著降低海洋富营养化影响（23-EA较23-CA低16.4倍）。能源密集型技术如人工照明（20-IE、21-L）虽可能提升产量，但环境代价巨大：21-L周期LED照明使单株产量提高41.6%，全球变暖影响却增加132.5%。敏感性分析证实4-6年更换聚碳酸酯板可兼顾产量提升（19.4-31.8%）和环境影响降低（全球变暖6.7-7.7%），优于制造商建议的10年周期。

研究强调了迭代学习循环在系统优化中的核心价值。2022年鸟粪石过量施用的"失败"经验促成了2023年的剂量优化，而21-L周期人工照明的高影响推动了2023年向覆盖材料更换的策略转型。这种基于规则的自适应管理方法，使系统从刚性技术采纳转向灵活的管理策略整合。

研究同时指出了若干局限性：气候区差异可能导致结果外推受限；部分周期样本量小、重复不足（如20-IE仅18株）以及COVID-19期间人员限制可能影响结果； pruning和授粉管理等变量未纳入评估。

研究结论部分指出：通过8年迭代设计框架的分析，该研究揭示了一体化屋顶温室中番茄栽培的可持续性优化路径。环境影响对功能单位、太阳透射率、养分溶液、灌溉技术和一般作物管理高度敏感。100 g plant^?1鸟粪石的使用可减少矿物肥料相关环境影响和磷酸盐向水体的排放，同时为Arawak和Montgrí品种带来最高产量（分别为49和36.6 g m^?2 day^?1），这一成果通过纠正先前过量施肥的学习循环得以实现。研究表明，类似环境中的可持续成果并非通过孤立干预获得，而是通过随时间系统测试和精炼管理规则来实现。循环策略的实施将减少水分消耗、降低淋失液量并防止水体污染，但需注意提供最佳养分并避免营养液中盐分积累对产量和品质的负面影响。每4-6年更换聚碳酸酯板以确保最佳太阳透射率，较制造商建议的10年更换周期可带来更高产量（增加19.4-31.8%）和更低环境影响（全球变暖降低6.7-7.7%）。基于单一有限样本周期的室内栽培环境可持续性尚不明确，其实现环境改善需要在照明和其他过程中采用清洁能源。未来研究应验证不同气候区和地点的研究发现，并探索替代氮源以进一步减少矿物肥料施用相关排放。该研究为地中海地区一体化屋顶温室番茄栽培提供了广泛的结果和替代方案，其发现可用于开发类似环境中作物栽培的可持续和循环解决方案。