摘要：生态农业是未来农业发展的方向，农业生物环境工程是发展生态农业的重要手段。本文对生态农业和农业生物环境工程技术的发展状况进行了概括，介绍了农业生物环境工程应用于生态农业的主要模式及其特点，就我国如何发展设施生态农业提出了一些建议。
关键词：农业生物环境工程工厂化设施农业生态农业农业可持续发展
引言
农业的快速发展使农产品的产量大幅度提高，但同时也带来了大量的负面影响。农作物产量的提高以大量化石燃料为代价；过度种植和超载放牧加速了土地资源退化，草场产草、载畜能力逐渐下降，土壤“荒漠化”、“沙化”现象严重；水浇地的农业种植方式加剧了我国水资源的紧缺；大量使用农药导致生态平衡失调和农产品污染超标；大量使用化肥导致水体富营养化甚至形成海水赤潮；集约化畜禽养殖粪便污染严重，导致环境卫生状况低下；水产品养殖造成水体直接污染等。现在人类正越来越多地认识到传统农业生产对农业生态环境破坏与污染问题的严重性，越来越多的专家学者正在提倡和研究大力利用农业生物环境工程，发展高效的设施生态农业。
1 农业生物环境工程的涵义与发展过程
农业生物环境工程是通过工程手段有效地调控动植物生产中的温、光、水、气等环境因素，创造最优的生长发育环境，改变传统农业生产依赖于自然气候条件的被动性，有效避免不利自然条件和自然灾害的影响，摆脱地域和季节的限制，以有限的能源、土地和水资源消耗，达到很高的生产效率，在实现稳定的周年连续生产，供应给市场优质农产品，满足人们生活的需要的同时，最大程度地保护生态环境。
农业生物环境工程在农业技术方面应用广泛，从上世纪50年代开始在发达国家发展起来，并在60多年来的发展过程中大大促进了设施农业的发展，当前世界设施园艺和集约化养殖生产都已具有相当规模，它正以传统农业所未有速率，创造出很高的生产效率和经济效益。
荷兰是世界上设施农业最为发达的国家，其蔬菜出口居世界首位，鲜花出口占全球市场的60％，大部分蔬菜和花卉的生产在温室内进行。目前，荷兰温室建筑面积为1.1亿平方米，占全世界玻璃温室面积的1／4。荷兰政府致力于农业的可持续发展，注重开发与保护相结合，有机生态农业贯穿于整个农业的发展之中，高新技术集成的工厂化农业在荷兰被广泛应用。在栽培上，荷兰温室农业采用基质营养栽培，采用生物病虫防治和使用生物农药来预防病虫害。为了适应水资源严重缺乏的环境，以色列研究发展了一条节水农业之路，经过半个多世纪的发展，以色列已经形成了完整的节水农业体系，研制出世界上最先进的喷灌、滴灌、微喷灌和微滴灌等节水灌溉技术，完全取代了传统的沟渠漫灌方式，实现了农业节水技术的飞跃。
我国于20世纪60年代中期开始发展塑料大棚，70年代未开始试验和应用现代化日光温室，近年来设施农业在我国迅速发展起来，全国建立了多种农业科技园区和以日光温室与塑料大棚为主的农业设施园区。20世纪未，我国设施园艺作物栽培面积比80年代初增长了128倍。
2生态农业概念及主要模式
2.1生态农业概念与基本原理
生态农业是20世纪70年代提出的一种新型农业，它是一种根据生态系统内物质循环和能量转化规律，在生态环境保护与经济建设协调发展的思想指导下，应用现代科学技术建立起来的多层次、多功能的综合性生态农业工程。经过40多年的探索实践，我国已建立了县、乡、村等不同类型和规模的生态农业试点，形成了独特的生态农业体系。农业应用生态学原理主要包括用生物之间相互关系和相互作用的原理、生物与环境之间相互适应和协同进化的原理、物质循环再生的原理和有机质生产和转化的原理。生态农业就是巧妙地应用这四个基本原理进行农业生产设计，最大限度地利用时间和空间，提高系统生产力，实现高功能及高效益的农业生产模式。
2.2生态农业主要应用模式
生态农业模式主要有食物链型、时空结构型和系统调节控制型三种类型。发展生态农业要根据当地环境、资源、科技等具体情况，选择合适的发展模式。
食物链型是一种按照农业生态系统的能量流动和物质循环规律而设计的良性循环的农业生态系统。在以“食物链”原理为依据发展起来的良性循环多级利用型模式中，生物之间通过食物链密切地联系在一起，系统中一个生产环节的产出是另一个生产环节的投入，系统中的废弃物多次循环利用，从而提高能量的转换率和资源利用率，获得较大的经济效益，并能有效防止农业废弃物对农业生态环境的污染。
时空结构型是据生物群落演替原理发展起来的时空演替合理配置型模式，是一种根据生物种群的生物学、生态学特征和生物之间的互利共生关系原理组建的农业生态系统，它按照生物群落生长的时空特点和整体规律，合理配置农业资源，组织农业生产。模式中处于不同生态位置的生物种群在系统中各得其所，相得益彰，更加充分地利用太阳能、水分和矿物质营养元素，形成时间上多序列、空间上多层次的三维结构，其经济效益和生态效益均佳，是生态农业重要内容之一，现以“立体农业”组合模式研究最为广泛。
“立体农业”模式根据不同生物的生长特性，利用它们在生长过程中的时空差，从多方面对自然资源进行综合利用，将其改造成为高级的农业生态系统，使其在一定面积上，用较少投入获得最大效益。时空结构型农业模式适应社会对农林牧副渔等产品的需求，符合我国人多地少的国情，在增加农牧民的收入的同时，还能缓解土地与人口的矛盾。因此，农业专家称之为我国农业发展的潜力和出路。近年来，在立体农业生产过程中已经形成了许多标准化的种养模式，具体如农田立体间套模式、林果地立体间套模式、山地立体种植式、水域立体养殖模式及农户庭院立体种养模式等。
系统调节控制型是在生态经济学原理指导下的生态农业模式。在一个生态系统中，生物为了繁衍生息，必须随时随地从环境中摄取物质和能量，同时环境在生物生命活动过程中也得到某些补给，以恢复生机和活力。环境与生物互相影响，生态农业必须通过合理安排、种养结合来调节控制生态系统，实现良性循环和可持续发展。如合理施用化肥、农药，有机和无机相结合，资源利用和保护相结合，促进生态和经济两方面的良性循环。
3.农业生物环境工程是高效生态农业的“突破口”
农业生物环境工程是实现高效利用农业资源，保护农业生态环境，实现农业长期可持续发展的有效途径。
首先，在农业生物环境工程技术提供的良好环境条件下，实行高密度养殖和种植，空间有效利用，物质与能量高效循环，可使单位农产品生产占用和消耗的空间、土地、水、肥都比传统农业大大减少。
第二，农业生物环境工程注重动、植物生产中能源的有效利用。虽然各种环境调控措施都在不同程度上需要消耗一定的能量，但一方面总是设法尽量减少生产中的能耗，有效利用可再生能源；另一方面，集约化的种植和养殖方式，容易达到能量的集中高效使用。
第三，农业生物环境工程可以提高对太阳能资源的利用。从广义上讲，农业生产的本质在于将太阳能转变成食物，农业生物环境工程技术的使用如温室设施可以实现传统农业在非作物生长季节无法进行的生产，有效地利用该季节的自然光热资源。
第四，农业生物环境工程技术注重农业生产的总体生产环境。在建设环境工程设施、组织设施农业生产中注意保护和改善农业环境，维护良好的生态平衡，对大量农业废弃物进行无害化处理，使其转化为可综合利用的资源，实现高效利用农业资源。
因此，农业生物环境工程手段是摆脱传统农业受到自然环境束缚，实现农产品优质、高产、高效、生态、安全生产的有效途径，是农业生产走向集约化、规模化、产业化、现代化道路的必然选择，具有重要战略意义。
4农业生物环境工程在生态农业中实际应用典范
农业生物环境工程应用生态农业的成功典范主要有桑基鱼塘养殖模式、三位一体生态农业模式、四位一体生态农业模式、间作套作与林粮复合模式、“桑羊互惠”模式等。随着设施生态农业建设的发展，如何将这些生态农业工程模式与农业生物环境工程技术应用于工厂化设施农业中是亟待研究的课题。目前设施农业已发展到使人们可以随意调节生物生长环境，调配生物的养料，控制生物病虫害，同时实现管理自动化与信息化的程度。
4.1“甲鱼——福寿螺——水葫芦——樱桃番茄”模式
“甲鱼——福寿螺——水葫芦——樱桃番茄”模式是一种比较典型的食物链模式，该设施生态农业模式主要生产对象为甲鱼与樱桃番茄，通过食物链加环技术，在甲鱼与樱桃番茄之间引人增益环一福寿螺和水葫芦，该系统可保证内部资源的循环利用，减少环境污染，提高其经济效益。该模式关键技术是首先将甲鱼设施与樱桃番茄温室通过管道相连，鉴于两边O2和CO2的不平衡，引起相互间气体渗透，按照一定比例组织生产完全可满足两边O2和CO2所需。甲鱼养殖最大问题是水环境问题，其养殖水中含有许多有机饲料残渣和排泄物等，通过处理一部分可供给番茄吸收，大部分通过所建的水塘由养殖水葫芦净化，经水葫芦处理简单过滤的水可重新循环供给甲鱼与樱桃番茄使用，但单靠水葫芦维持，则水葫芦自身繁殖也会引起环境污染，故引进福寿螺以水葫芦为食物即抑制了水葫芦的暴增，福寿螺长大后其肉口感不太好，不适宜供人们食用，经过处理可作为甲鱼高蛋白有机饲料，从而形成部分循环的食物链，大大提高了该设施生态农业模式的生态化。此模式整个生态设施仅需投入少量资源即可形成简单的循环系统，大大简化了设施处理机制，降低了设施运行成本，具有很高的推广价值。
4.2“羊——作物——猪”模式
“羊——作物——猪”模式，即将简易型大棚或温室与羊舍、猪舍有机结合起来进行小生态设施建设，保证各个单位独立性，又充分发挥整体工厂化管理优势。其方法简单易行，具有很大的发展潜力。该设施生态农业模式关键技术是以简易型温室大棚为基础，在温室大棚两端各建两个水泥家畜圈，一侧养猪，另一侧养羊，大棚中间种植农作物，猪、羊和作物形成小型生态系统。猪和羊呼出CO2，供作物光合作用，而作物光合作用释放的O2供猪和羊所需，按一定比例设置猪羊和植物数量，则完全可满足各生物的气体需求量。猪羊身体发出的热量形成一道天然保温墙，大大降低了温室的热量损失，特别是在冬天其效果更加明显。猪羊粪尿按一定比例配成有机肥料直接供设施内作物施用，不仅改善了简易型温室大棚的环境要求，又大幅度降低了温室运行成本。若按这种设施生态思路建成一定规模数量的温室大棚，则猪和羊产量十分可观，是目前农村值得大力推广的设施生态农业模式。
4.3三位一体生态农业模式
“猪——沼——果”生态农业工程是以沼气为纽带，使养殖和种植综合协调发展的生态农业循环。农户充分利用庭院土地和空间，建立沼气池、厕所、猪圈“一池三改”模式，猪圈地下建沼气池、猪圈养猪，猪圈上层养鸡，房前屋后种水果。人畜粪尿流人沼气池、厌氧发酵产生沼气，消除污染，改善环境：沼气用作农户燃料，照明，解决农村用能。沼液、沼渣可作优质有机肥、饲料添加剂，用以施肥、喂猪和防治病虫害等，从而实现内部物质和能量的多层次利用和良性循环，达到了家居温暖清洁化、庭院经济高效化、农业生产无害化。所以这种模式在用能方面达到省柴、省电、省劳力，在种植方面达到增肥、增效、增产，在养殖方面达到病虫害减少、投资减少的作用。
“猪——沼——果”模式是一种循环经济模式，具有循环经济的本质特征：以生态经济原理为基础，包含了清洁生产和绿色消费的内容，体现了“减量化、再利用、再循环”原则，具有良好的生态效益与经济效益。它以沼气池为核心，把种植(粮油作物、果树、蔬菜和牧草等)、养殖(猪、牛、鹅、鸭、水生物等)和农户组合成一个开放式的互补系统，使物质充分循环，让自然散发掉的生物质能集中利用。沼气池将一系列复杂的生化反应过程集聚在一起，加快了反应速率，提高了分解效率，并收集、储存、输送沼气，用于家庭烧饭照明，使传统种养模式中散失掉的生物质能得到充分的利用。沼液中含有丰富的氮、磷、钾、钠、钙营养元素，基本上可以直接被作物吸收；沼渣中除了沼液中所含的营养物质外，还有腐殖酸、沼气菌等，大部分可直接被作物吸收，仅少量残余的有机质还要经土壤中的微生物分解，比传统施肥方式所流失的养分要小得多，氮、磷分别仅损失5％和2％左右，对环境污染减轻很多。
4.4四位一体生态农业模式
相对于我国南方地区的三位一体生态农业模式，我国北方地区目前推广“日光温室种植一设施畜牧养殖——沼气发酵——厕所改良”的四位一体高效生态农业模式。该模式是以太阳能为动力，以沼气为纽带，把种蔬菜瓜果种植技术、畜牧养殖技术及厕所积肥技术有机结合在一起的技术工程。
从目前国内推广的四位一体设施农业主要为钢架式和半钢架式日光温室。日光温室具有采光充分、防寒保温和抗御外界恶劣环境的能力等特点，其空间较大且设备较完善，适合种植蔬菜、瓜果及花卉等。日光温室土壤肥力要求高，通过温室大棚内养殖猪、羊、牛、鸡等可解决有机肥不足问题。设施大棚内冬季、春季温度较高，猪、羊、牛、鸡等生长快，提高了生长量和出栏率。同时修建沼气池，所产沼气可做饭和照明，还可补充大棚蔬菜生长需要的C02和热量。从而达到经济效益高、科技含量高、物质和能量循环利用率高等特点。
4.5农林牧复合系统
农林牧复合系统，是指在同一土地管理单元上，按照生态经济学原理，人为地把多年生木本植物(如乔木、灌木、棕榈、竹类等)与其它栽培植物(如农作物、药用植物、经济植物以及真菌)及动物，在空间上或按一定的时序有机地排列在一起，形成具有多种群、多层次、多产品、多效益特点的人工生态系统。农林牧复合系统
是一个多组分、多层次、多生物种群、多功能、多目标的综合性开放式人工生态经济系统。近年来我国对农林牧复合系统的研究报道逐渐增多，如郑海水对海南浅山区农、林、牧人工生态系统的发展潜力的探讨，许林书对东北低山丘陵地区小流域复合生态系统效益的研究，张勃对西部干旱地区农牧生态系统模式的探讨等。农林牧复合系统最大的特点是对土地多方面的、可持续性的利用，这显然是其它土地利用方式无法比拟的。一个优化的复合结构模式必须使系统中各种群具有广泛的生态位分化，在结构设计时，要充分减少种群复合经营时的负互作，提高正互作，并从时、空、量和序四个方面进行系统调控，促进模式优化与系统的持续稳定。
5农业生物环境工程应用于生态农业的发展前景
生态农业即利用生态技术进行设施农业生产，研究生物在自然状态下的营养源循环条件，并将其推广用于大面积的设施生产中。生态农业的实施要依据地区自然环境和社会经济条件，不同国家或地区生态工程实施的原则、技术途径亦有所不同。目前国外所倡导的生态农业主要以恢复生态系统自组织能力为主，而我国根据自身国情要兼顾生态环境与社会经济，这就对我国生态农业提出了更大的要求。人世后国外大量进口绿色农产品对我国农产品产生了巨大冲击，国际绿色壁垒将限制我国许多农产品的生产、加工方式。按照国际标准，我国农业生态环境的恶化问题将成为新阶段农业和农村经济可持续发展的制约因素，只有大力发展设施生态农业，以生态学思路与技术进行农业设施规划与建设，生产绿色食品，才能走出困境，实现我国农产品的快速发展。
6结论及建议
实施设施农业可持续发展战略目标的关键在于生态建设，要根据我国生态工程的原则进行规划、设计和建设。首先要遵循与国民经济发展紧密结合的原则，充分考虑我国经济发展现状和自然资源、社会资源条件，应用生态技术或生态工艺建设高效人工生态系统；二要使生态效益、经济效益和社会效益相结合，实现农业的可持续发展；三要应坚持中国特色的原则，通过实践与探索，根据我国资源、环境和经济条件，因地制宜建立与完善生态农业工程理论体系和工艺技术体系；四要努力突破绿色壁垒，全面推进农业生产标准的国际化；五要遵循继承和发展协调的原则，应用现代科学技术丰富、改造和完善生态工程，逐步形成具有中国特色、又符合国情的生态农业工程建设体系。
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