《Horticulturae》：Design and Engineering Proof-of-Concept of a Robotic Variable-Height Vertical Farming System for Energy-Efficient Canopy Lighting
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全球人口增长正在增加对粮食的需求，推动大规模单一栽培和长距离供应链的发展。与此同时，需要更具韧性和可持续性的蔬菜生产——不仅要关注产量，还要关注环境健康、社会公平和经济可行性。有机蔬菜生产提供了一种整体性方法，依靠自然生态系统过程而非合成肥料或农药等外部投入，
全球人口增长正在增加对粮食的需求，推动大规模单一栽培和长距离供应链的发展。与此同时，需要更具韧性和可持续性的蔬菜生产——不仅要关注产量，还要关注环境健康、社会公平和经济可行性。有机蔬菜生产提供了一种整体性方法，依靠自然生态系统过程而非合成肥料或农药等外部投入，旨在维持生产力、稳定性和韧性。蔬菜具有显著特征，包括生长周期短、养分需求高、生产规模小、可在温室和露地条件下栽培、市场价值高以及采后易腐性强。这些特征使有机蔬菜生产尤为复杂且管理密集，需要精确及时的干预。在气候变化压力下，例如温度变率增加、极端天气事件更加频繁以及水资源日益短缺，这些挑战变得更加突出。因此，有效的土壤和作物管理成为有机生产系统的核心组成部分。这涵盖关键方面，如土壤肥力管理、高效用水、作物营养均衡、病虫害调控以及植物-土壤互作的优化。这些因素共同对于实现可持续、高产且富有韧性的系统至关重要。在此，研究人员综合了关于有机蔬菜生产技术与管理的现有科学知识，同时强调了现有挑战并明确了关键研究需求。
1. 引言
全球人口快速增长、气候变化影响加剧以及土壤持续退化，给世界农业系统带来巨大压力。土壤退化对全球农业生产率构成重大威胁。气温升高、降水模式异常和极端天气事件频发，对作物生产力和稳定性产生负面影响，加剧粮食安全担忧。同时，依赖高外部投入的传统农业实践加剧了环境退化和资源枯竭。农业在气候变化中扮演双重角色，既贡献排放又高度脆弱。有机农业通过促进土壤健康、增强生物多样性、减少合成投入和提高生态系统韧性，为应对气候变化提供了有前景的路径。有机实践如多样化轮作和综合耕作系统有助于保护土壤结构、增加土壤有机质，进而支持减缓气候变化，并可能促进《京都议定书》第三条第4款设定的碳封存目标。欧盟绿色协议设定了到2030年将至少25%农业用地转为有机耕作的目标，但当前进展（从2012年的5.9%升至2023年的10.8%）仍不足以实现该目标。全球有机农业持续增长，2023年有机管理面积达近9900万公顷，其中有机蔬菜面积46.37万公顷，转换面积5.11万公顷。全球有机食品市场约1360亿欧元，有机蔬菜市场预计从2025年的96亿欧元增长至2030年的131亿欧元（年复合增长率6.8%）。有机生产与传统农业根本不同，需要独特的管理方法。尽管产量常较低，但有机系统通常具有较低水足迹、较低环境影响和较低温室气体排放，并积极贡献于生物多样性和土壤微生物生物量。然而，关于有机蔬菜生产系统在气候变率和极端天气下的综合表现仍缺乏整体认识。现有研究常孤立地处理土壤管理、生物多样性或产量表现等单一组分，而农艺实践、气候韧性和产品品质之间的相互作用尚未充分探索。再生农业、数字技术和气候智慧实践等新兴趋势也很少在有机蔬菜系统背景下被评估。研究人员假设有机蔬菜生产系统对气候变化的韧性主要取决于适应性农艺实践（包括优化土壤管理和多样化种植系统）的整合，且这些策略在维持生产力、环境绩效和产品品质方面的有效性受场地特定环境条件、作物特征和管理强度的强烈影响。因此，本综述旨在（i）综合气候变化条件下有机蔬菜生产农艺技术与管理实践的最新知识，（ii）批判性评估其对生产力、环境绩效和产品品质的影响，以及（iii）明确关键趋势、挑战和研究空白，以支持发展更具韧性和可持续性的有机蔬菜系统。
2. 有机蔬菜生产实践在减缓气候变化中的作用
有机蔬菜生产通过减少温室气体排放、增强土壤碳封存和改善植物适应能力来减缓气候变化。研究表明，有机番茄、韭菜和马铃薯每千克产品的CO
2当量排放显著降低。有机农业的碳封存潜力可抵消全球农业年温室气体排放的40–70%。有机蔬菜生产通过堆肥施用、覆盖作物和轮作促进土壤碳封存，并通过改善土壤结构、保水性和生物多样性增强系统对气候变率和极端条件的韧性。与传统系统相比，有机农业每单位生产能耗约低15%，土壤氧化亚氮排放每公顷约低40%，全球农业温室气体排放可降低约20%。胡萝卜、洋葱和西兰花的能源投入分别减少约50%、65%和27%。有机系统平均宿主约30%更多物种和高达50%更高的生物丰度，稀有昆虫和蜘蛛丰度增加约55%、多样性增加27%。有机蔬菜生产中，胡萝卜和洋葱的无脊椎动物丰度较高。堆肥、改良品种、多样化轮作、减少耕作和覆盖作物均增加土壤碳储存。有机系统的土壤团聚体稳定性和入渗率提高（高达137%），土壤侵蚀和流失分别减少约22%和26%。干旱条件下有机土壤从绿肥中矿化的氮多约30%。有机土壤的高生物多样性和真菌群落有助于抑制土传病原体。有机农业减少合成肥料和农药使用，降低水污染风险，硝酸盐淋溶减少28–39%。
3. 有机蔬菜生产中的农艺实践与需求
有机蔬菜生产遵循有机农业原则和欧盟法规(EU) 2018/848。生产系统基于使用有机生产或未处理的植物繁殖材料、通过有机投入和生物过程维持土壤肥力、实施多样化轮作。养分管理依赖有机质循环和限制外部投入，灌溉实践注重高效用水和资源节约。病虫害管理主要依靠预防性、生态学和生物防治策略。有机种子可用性因作物和地区而异，欧盟将于2036年要求认证种子。蔬菜生产通常始于育苗，有机育苗需要符合有机标准的基质、投入和繁殖材料。研究发现含有玫瑰油加工废料、分离的奶牛粪便、家禽粪便和秸秆的本地混合物（1:1，v/v）与枯草芽孢杆菌（B. subtilis）组合，以及橄榄油生产废料在生长基质中25%比例具有应用前景。嫁接可在苗期应用以增强对土传病原体的抗性和非生物胁迫耐受性，但有机系统中采用仍有限。土壤肥力是有机蔬菜生产的基本组成部分，涵盖土壤物理、化学和生物性质。关键管理实践包括施用堆肥、动物粪便和植物残体等有机质改良剂，实施多样化轮作、覆盖作物和覆盖。有机生物刺激素（如海藻提取物、蛋白水解物和有益微生物）、减少耕作、侵蚀控制和pH调节也是维持土壤肥力的重要措施。有机覆盖物（堆肥、木纤维、秸秆）可调节土壤温度、减少蒸发、增强保水性并支持微生物活动和蚯蚓种群。秸秆覆盖可防止果实与土壤直接接触，提高产品清洁度和市场品质。有机覆盖物分解促进土壤有机质形成，改善结构，并缓慢释放养分。研究表明秸秆覆盖可提高番茄干物质、蛋白质和碳水化合物含量，提高西瓜单糖和总糖浓度，增加西兰花和番茄糖含量。秸秆来源的黄腐酸可作为生物刺激素改善蔬菜产量和营养品质。有机园艺中也可使用塑料覆盖膜（尤其是黑色聚乙烯膜）进行杂草抑制，通过限制光合有效辐射（PAR）透过来减少杂草出苗和生长，同时保持土壤水分、提高土温、减少果实-土壤接触并改善早季生长和可销售产量。然而塑料膜不贡献土壤有机质，并可能引起处置、塑料残留和微塑料污染问题。可生物降解、可堆肥和光降解塑料膜是减少环境影响的有前景策略，但其适用性取决于田间降解速率、无有害残留以及与有机标准的兼容性。有机肥料平衡提供大量元素（氮、磷、钾、硫）和微量元素（铁、锌），促进养分缓释并增强微生物活性。病虫害管理遵循有机农业四大原则（健康、生态、公平、关爱），通过促进有益生物增强作物韧性和生物防治。未加热温室中高湿度可能增加病害发生，光照强度和光谱变化可能改变害虫行为并促进真菌孢子形成。因此，结合小气候管理、生物防治、抗性品种和优化灌溉/施肥是最可持续的方法。非化学土壤消毒技术包括土壤日晒（利用透明塑料下太阳能加热提高土温）、厌氧土壤消毒（掺入易分解有机材料后灌溉覆盖创造厌氧条件）、生物熏蒸（利用含硫代葡萄糖苷植物材料释放生物活性化合物）以及生物防治剂（木霉属Trichoderma、芽孢杆菌属Bacillus和假单胞菌属Pseudomonas）等。
4. 产品品质与营养特性
产品品质取决于采前和采后属性。采时外观、硬度、营养和生物活性化合物含量、硝酸盐浓度和风味是重要品质特征，因为它们影响可销售性、营养价值、消费者接受度和感知新鲜度。采后属性（尤其是水分损失和货架期潜力）表明蔬菜在储存、运输和营销过程中维持这些品质特征的能力。基因型主要决定食品品质，而气候、土壤条件和作物管理是影响其表达的主要采前因素。有机生产对某些合成投入的限制可能增加管理这些因素的挑战，影响某些生产条件下可销售品质的一致性。关于有机管理是否改善营养品质仍存在争议。Smith-Spangler等人的荟萃分析发现有机和传统作物在维生素和矿物质含量方面无显著总体差异。Barański等人则报道有机作物中次生代谢物（尤其是多酚）浓度较高，但响应随作物物种和生产条件变化。理化品质参数也表现出混合响应：传统蔬菜可能表现出更优物理属性，而成分差异强烈依赖作物类型——有机生菜灰分含量较高，有机辣椒蛋白质、酸度和灰分较高，番茄则无一致的近似组成差异。有机蔬菜通常具有较高干物质和膳食纤维含量。硝酸盐积累是重要的品质和食品安全问题，尤其在叶菜中。有机作物通常表现出较低硝酸盐浓度，因为有机改良剂氮释放较慢，但这种趋势并非一致，部分有机蔬菜（如卷心菜、甜菜和豆瓣菜）据报道硝酸盐浓度较高。硝酸盐积累强烈依赖品种、生长条件和氮管理，而非仅生产系统。有机系统通常表现出较低产量和较大的品质性状变异性（如大小、均匀性和货架期）。养分管理在冬季寒冷地区面临环境挑战，在冻结或积雪土壤上施用有机肥料和粪肥会增加氮磷通过径流和融雪流失的风险。欧盟硝酸盐指令限制在冻结、涝渍或积雪土壤上施肥。在土壤-植物界面，有机改良剂可提高养分（尤其是磷和钾）的有效性，但植物吸收响应取决于基因型、环境条件和管理实践。有机和传统蔬菜之间的矿物质组成和重金属浓度存在差异，可能受施肥策略、灌溉制度、栽培实践、土壤特性和环境条件影响。现有文献提供了一些证据表明有机食品消费可能与不同人群的潜在健康益处相关，包括较高水平的维生素C、铁和镁，以及较低体重指数（BMI）和改善血液营养谱。然而这些关系主要为观察性研究，因果关系尚未确立，现有研究常受偏倚、样本量小和暴露/结局评估不一致的限制。当前证据不足以支持关于有机食品的明确膳食建议，需要更强有力的纵向研究和统计分析。
5. 当前趋势、焦点与挑战
基于Web of Science数据的文献计量分析揭示了有机农业研究焦点的时序演变：1991–2001年突出术语包括“可持续性、氮、轮作、动物福利和环境”；2001–2012年转向“生物多样性、可持续性、氮、传统农业、小麦和生物防治”；2013–2023年扩展至“可持续性、产量、农业生态学、有机食品、生态系统服务、生物多样性、传统农业、气候变化、生命周期评估和覆盖作物”；2019–2023年新兴主题包括“堆肥、菌根应用、有机农业采用、再生农业、杂草管理、健康意识、有机农业光谱学和环境可持续性”。再生农业起源于1980年代，已成为可持续农业生产的重要方法，是整合地方知识并组合可适应原则的多学科概念，优先考虑土壤保护。与禁止合成投入的有机农业不同，再生农业允许在必要时有限度、负责任地使用合成投入。新兴证据表明再生有机农业有助于更可持续和营养丰富的食品系统：再生农场种植的卷心菜维生素C、K和E浓度分别比传统农场高20%、41%和70%，酚类和植物甾醇含量超过两倍，类胡萝卜素浓度高48%。再生实践与传统番茄和豆类生产比较显示，所有再生实践均促进土壤细菌群落的更高富集和更异质组成，并伴随土壤养分谱差异。氮与堆肥联合施用产生协同效应，提高土壤肥力和作物产量。Machado等人表明有机堆肥与通过施肥提供的低速率无机氮联合施用是菠菜生产的有效策略，可增加鲜产量并实现与传统矿物施肥相当的生产力，同时减少无机氮施用量。堆肥施用还改善土壤性质，尤其是有机质含量和pH值。堆肥添加到有机改良剂中显著增强植物生长、生物量生产和微生物活性，可能由于氮有效性增加和易利用有机碳供应。快速、非破坏性分析土壤、肥料、植物健康监测和食品品质评估的需求引起对田间光谱学的关注。丛枝菌根真菌（AMF）在缓解有机和无机污染物方面的潜在作用成为菌根研究日益关注的焦点。随着有机产品市场需求上升，有机水培（organic hydroponics）受到越来越多关注。有机水培指利用有机营养源而非合成肥料的水培系统。在叶菜中，有机养分管理在某些生产条件下可降低叶片硝酸盐浓度。生物水培（bioponics）常作为有机水培的同义词使用。鱼菜共生（aquaponics）也可视为生物水培的一种形式，因为它依赖微生物将有机废物转化为植物可利用养分的生物过程。尽管有机农业因其环境和经济效益（包括减少劳动强度，尤其在小农场）被广泛认可，但仍面临若干重要挑战：复杂的法规要求、高认证成本和持续存在的产量差距。人工智能和精准农业的新发展显示出改善有机生产系统中养分管理和病虫害控制的强大潜力，从而支持更高的生产力和可持续性。特别是，与有机肥料养分释放同步、病虫害压力、杂草管理困难、产量差距以及再生农业与有机农业整合相关的限制因素仍是科学关注的重点。
6. 结论
总之，有机蔬菜种植通过增强土壤健康、支持生物多样性和减少对合成投入的依赖，为食品生产提供了一种可持续方法。尽管这些益处已得到公认，但产量差距、监管复杂性和认证成本等挑战继续限制其更广泛采用。包括精准农业和人工智能在内的新兴技术为改善有机系统中的资源效率和病虫害管理提供了新机遇。未来研究应侧重于跨学科方法，以更好地量化有机农业的环境、农艺和健康结果，同时改进方法和指标的标准化。加强这一证据基础对于指导政策和支持韧性可持续农业系统的长期发展至关重要。
