近几十年来,农业已成为中国主要消耗能源产业之一。在当前全球能源危机的背景下,如何减少农业生产过程中能源的使用以保持农业未来可持续发展已经成为各国关注的重点和热点问题。随着农业技术的发展,农业结构由传统农业向设施农业转变,设施农业成为农业的重要组成部分,也是高耗能的农业生态系统之一。随着农业技术的进步,农业市场的资源利用率将不断提高,设施结构也将不断改善,这些变化也必将引起设施农业能源消耗的变化。定量分析设施农业生命周期中的能源使用现状,并准确预测其在未来不同情景下的节能潜力,是优化设施农业布局和能源使用的前提。温室作物生产系统作为设施农业的主体,其运行方案的优化和设计过程的不断完善对设施农业节能具有重要的指导作用。本研究以中国3种典型温室(竹木土墙日光温室、塑料大棚和塑料连栋温室)作物生态系统为研究对象,运用生命周期评价法,使用国际上通用的能量当量模型,综合考虑温室建造和温室作物(番茄、黄瓜)生产过程,结合温室环境调控能耗预测模型,定量估算中国不同类型温室生态系统能源使用现状,确定影响能源使用的关键要素。在此基础上,利用情景分析法,分析提高资源利用率与改进温室建材后,3种温室作物生态系统的节能潜力,并采用成本分析法,对不同类型温室作物生态系统总生产成本现状及其节能潜力的经济可行性进行了评估。主要研究结果如下：1.温室生态系统能耗使用现状：采用生命周期评价法,利用收集到的文献资料数据和实验数据,计算3种温室生态系统生产单位产量番茄与黄瓜所需能耗并分析不同温室生态系统中可再生能源与不可再生能源的利用情况。结果表明：中国北方地区(320N-480N)日光温室生产单位产量番茄与黄瓜所需能耗分别为2.80MJ·kg-1～4.17 MJ·kg-1和2.90 MJ·kg-1～4.33 MJ·kg-1,无明显地域差异。对各区该系统单产能耗起决定作用的因素依次是温室建造(58%-70%)、氮肥(6%～17%)、灌溉水(5%～9%)和农药(2%～14%),而决定温室建造能耗的关键因素是墙体的建立。全国塑料连栋温室生态系统生产单位产量番茄与黄瓜所需能耗分别为11.0MJ.kg-1～270.0MJ·kg-1和14.0 MJ·kg-1～280.0 MJ·kg-1。控温能耗约占总能耗的80%～99%,是决定各地区单产能耗的关键因素,且控温能耗与地理纬度呈正相关,因此各地区连栋温室系统单产能耗随地理纬度的升高呈明显增加趋势。中国南方地区塑料大棚生产单位产量番茄与黄瓜所需能耗分别为1.24 MJ·kg-1～2.10 MJ·kg-1和1.32 MJ·kg-1～2.42 MJ·kg-1,在塑料大棚生态系统中起决定因素的是温室建造(17%～31%),其次是氮肥(7%～33%)、灌溉水(9%～20%)、农药(6%～16%)与人力(9%～15%)。日光温室生态系统可再生能源的利用率达到了60%～70%,塑料大棚生态系统的可再生能源利用率达到了40%,而连栋温室内生态系统可再生能源的使用比例几乎为0%。2.温室作物生态系统的节能潜力：结合中国设施农业能耗使用现状与影响能耗的关键要素,设定了三种情景,利用情景分析法来分析3种温室生态系统的节能潜力。(1)情景一：提高作物生产资源利用率,这里只考虑提高温室作物氮肥利用率、水分利用率和农药利用率。①假定在目前温室作物产量水平下,降低氮肥、灌溉水与农药的使用量,将氮肥与水分利用率由目前国内水平提高到国外水平,农药利用率提高10%。结果表明：提高作物生产资源利用率后,日光温室、连栋温室、塑料大棚生产单位产量番茄所需能耗分别降低了5.8%～11.0%、0.2%～3.7%、12.1%～20.1%；单产黄瓜所需能耗分别降低了7.1%～13.0%、0.2%～3.5%、12.6%～18.3%。②假定氮肥、灌水、农药供应充足,使用温室黄瓜无土栽培营养液氮素管理模型预测作物未来产量水平,本情景中只考虑连栋温室生产黄瓜的生态系统。结果表明提高产量水平后,连栋温室生产单位产量黄瓜所需能耗降低了约50%。(2)情景二：改进温室建材,本情景中只考虑日光温室建材改进,将竹木土墙变为土墙钢架与砖墙钢架日光温室。结果表明：与竹木土墙日光温室相比,土墙钢架可进一步降低日光温室生态系统生产单位产量番茄与黄瓜所需能耗,降低幅度分别为6.8%～7.9%和6.5%～8.0%；而砖墙钢架反而会增加单产所需能耗,增加幅度分别为10.9%～12.7%和10.5%～12.8%。(3)情景三：在提高作物生产资源利用率的基础上改进温室建材。结果表明：土墙钢架日光温室生产单位产量番茄与黄瓜所需能耗降低幅度分别为14.1%～18.1%和13.8%～18.9%；多数地区砖墙钢架日光温室生产单位产量番茄与黄瓜所需能耗增加幅度分别为0%～6.1%和0%～7.0%,少部分地区保持不变。3.温室作物生态系统在未来不同情景下节能潜力的经济可行性：利用成本分析法,结合生产资料的价格数据,估算3种温室作物生态系统生产单位产量番茄与黄瓜总生产成本及不同情景下的成本变化情况。结果表明：在目前生产水平下,中国北方地区日光温室生产单位产量番茄与黄瓜所需总生产成本分别为0.68 yuan-kg-1～1.16 yuan-kg-1和0.77 yuan·kg～1.23 yuan-kg-1;中国各地区塑料连栋温室生态系统生产单位产量番茄与黄瓜所需总生产成本分别为0.98 yuan·kg-1～5.97 yuan·kg-1和0.96 yuan·kg-1～5.72 yuan·kg-1;中国南方地区塑料大棚生产单位产量番茄与黄瓜所需总生产成本分别为0.99 yuan·kg-1～1.76 yuan-kg-1和1.08 yuan·kg-1～2.07 yuan-kg-1。提高作物生产资源利用率,若保持产量水平不变,减少氮肥、灌水与农药的施用量,不仅达到节能效果,3种温室生态系统单产总生产成本均有小幅度降低,其中塑料大棚生态系统较为明显；若保证氮肥、灌水与农药供应充足,连栋温室产量水平提高,能够较为明显降低单产成本。而改进日光温室建材导致单产总生产成本发生变化：使用土墙钢架日光温室总生产成本显著降低,单产番茄与黄瓜的降低幅度分别为8.06%～10.26%和7.680%～10.46%,而使用砖墙钢架会增加总生产成本,增加幅度分别为2.14%～8.06%和2.22%～8.45%。在提高作物生产资源利用率的基础上,使用土墙钢架日光温室总生产成本降低幅度分别为9.34%～11.56%和9.59%～11.95%,使用砖墙钢架日光温室总生产成本增加幅度分别为0.97%～7.02%和0.29%～7.06%。综上所述,未来我国北方地区日光温室生态系统采取的节能措施应考虑改进温室建材与提高作物生产资源利用率两方面；南方地区塑料大棚生态系统未来节能方式可以从提高作物生产资源利用率方面进行考虑；而连栋温室生态系统节能潜力较小除非提高作物产量水平。本研究为准确估算设施农业对农业节能的贡献提供了科学的研究方法和参考依据。深入研究了不同类型设施农业的节能措施以及节能潜力,为中国制定农业节能方案及优化设施农业布局提供科学的决策支持与理论依据。