無土栽培技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

李霞+張軼婷+劉厚誠

【摘要】無土栽培采用營養(yǎng)液栽培，以人工制造的作物根系環(huán)境取代了土壤環(huán)境，結(jié)合環(huán)控技術(shù)能合理調(diào)節(jié)作物生長的光、溫、水、氣、肥等環(huán)境條件，充分發(fā)揮作物的生長潛力。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，無土栽培技術(shù)越來越受到重視。

無土栽培技術(shù)的發(fā)展

第2次世界大戰(zhàn)中，美軍就開始采用無土栽培技術(shù)為軍隊生產(chǎn)新鮮蔬菜，在20世紀50年代，美國開始在溫室內(nèi)采用無土栽培方式生產(chǎn)蔬菜，成為了最早實現(xiàn)無土栽培商業(yè)化的國家[1]。美國早期無土栽培主要為砂袋培和巖棉培，主要種植萵苣、番茄、黃瓜等蔬菜和少部分花卉，集中在干旱和沙漠地區(qū)。第2次大戰(zhàn)后，美國在日本建立的無土栽培設(shè)施為日本的無土栽培奠定了基礎(chǔ)，早期主要為DFT栽培和巖棉栽培，目前主要以無機和有機基質(zhì)栽培為主體。日本基于無土栽培技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用人工光型葉菜類植物工廠，成為全球植物工廠最多的國家[2]。荷蘭是世界上無土栽培最先進的國家。荷蘭的無土栽培作物主要是番茄、黃瓜、甜椒和花卉，大部分實現(xiàn)了微電腦控制，達到了現(xiàn)代化、自動化管理水平[3]。

中國正式進行無土栽培研究是在1975年山東農(nóng)業(yè)大學(xué)開始用蛭石栽培西瓜、黃瓜、番茄等。20世紀90年代前，中國處于引進、吸收消化國外的無土栽培技術(shù)，90年代以后，國內(nèi)開始自主研發(fā)出適合中國環(huán)境資源情況的新型無土栽培技術(shù)，如有機生態(tài)型無土栽培系統(tǒng)、浮板毛管系統(tǒng)，以及一些低成本、優(yōu)質(zhì)的栽培基質(zhì)及其配套的營養(yǎng)液配方[4]，促進了無土栽培技術(shù)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。

目前中國無土栽培技術(shù)主要用于設(shè)施園藝中番茄、黃瓜、甜椒、甜瓜、生菜等蔬菜作物及花卉植物。近幾年國內(nèi)各研究所對無土栽培的模式、基質(zhì)配方、肥料配方、灌溉模式及產(chǎn)品品質(zhì)等方面都做了深入研究。由于無土栽培在防止肥料導(dǎo)致的環(huán)境污染、節(jié)約水資源、提高作物產(chǎn)量方面的潛在優(yōu)勢，無土栽培面積不斷擴大，目前已成為設(shè)施作物生產(chǎn)的重要栽培方式。

無土栽培的優(yōu)勢有以下4點：（1）有利于實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。無土栽培在一定程度上擺脫了傳統(tǒng)植物種植以及作物生產(chǎn)模式的束縛，不受土壤環(huán)境以及氣候等自然因素的干擾，可以避免設(shè)施栽培出現(xiàn)土壤連作障礙，減少栽培工序、節(jié)省勞動力，有利于實現(xiàn)操作管理向自動化、現(xiàn)代化方面的發(fā)展。（2）栽培條件寬泛。無土栽培有效地擺脫了土壤條件的限制，在戈壁、荒地、沙灘地、鹽堿地、海島、城市等地都可以進行無土栽培，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、新鮮的蔬菜。（3）栽培的肥水利用率較高。無土栽培的營養(yǎng)液營養(yǎng)全面且均衡，營養(yǎng)的有效性高，供應(yīng)充分、迅速，有利于植物對營養(yǎng)的吸收，肥水利用率得到大幅度提升。（4）產(chǎn)量高質(zhì)量好。無土栽培很大程度上滿足了作物對溫度、光照、水分、養(yǎng)分的需求，作物的產(chǎn)量大幅提高，產(chǎn)品品質(zhì)也有顯著改善。

無土栽培的類別和特點

水培

水培指植物的根系直接生長在營養(yǎng)液液層的栽培技術(shù)。水培可以充分利用種植空間，1年可以收獲多茬，具有節(jié)水、節(jié)肥等優(yōu)點[5]。

營養(yǎng)液膜技術(shù)

營養(yǎng)液膜技術(shù)（ NFT，Nutrient Film Technique ），

是指將植物種植在淺層循環(huán)流動的營養(yǎng)液中，植物根系能夠從循環(huán)的淺層營養(yǎng)液吸收充足的養(yǎng)分，又能從空氣中獲得呼吸代謝所需要的氧氣，可以充分的協(xié)調(diào)水、肥、氣之間的關(guān)系（圖1）。營養(yǎng)液膜技術(shù)設(shè)備包括種植槽、貯液池、營養(yǎng)液循環(huán)流動裝置及其他輔助設(shè)備等。營養(yǎng)液膜栽培技術(shù)中的營養(yǎng)液在泵的驅(qū)動下從貯液池流到種植槽內(nèi)，使作物根系充分接觸一層很薄的營養(yǎng)液，然后流回至儲藏液池內(nèi)，形成循環(huán)式供液體系。NFT栽培技術(shù)相對簡單、設(shè)施投資少、易于實時檢測與實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化管理。但NFT栽培技術(shù)也存在根系只能接觸淺層的營養(yǎng)液，對環(huán)境溫度、濕度的緩沖能力??；營養(yǎng)液循環(huán)需要電供應(yīng)動力，對電源條件要求嚴格；循環(huán)供液，易傳播病害等不足。

NFT栽培技術(shù)能顯著提高產(chǎn)量和品質(zhì)，研究證實，NFT栽培的番茄植株性狀和果實品質(zhì)均優(yōu)于土培番茄[6]；與椰糠、巖棉栽培比較，NFT栽培的生菜產(chǎn)量最高，葉片中的硝酸鹽含量有所降低[7]。NFT栽培可以增強作物的抗性，與土培相比，NFT栽培的櫻桃番茄對弱光、高溫的適應(yīng)能力增強[8-9]。

深液流技術(shù)

深液流技術(shù)（DFT，Deep Flow Technique）是指植物生長在循環(huán)流動液深大約5～10 cm的營養(yǎng)液層的一種水培方式[10]，主要包括種植槽、定植板/網(wǎng)、貯液池和循環(huán)系統(tǒng)4部分（圖2）。DFT技術(shù)具有效率高、設(shè)施穩(wěn)定并耐用、管理操作簡單等特點，是最早成功應(yīng)用于商業(yè)化植物生產(chǎn)的無土栽培技術(shù)。DFT技術(shù)還可以通過加熱或者冷卻營養(yǎng)液等措施來調(diào)節(jié)根系溫度，具有良好的溫度調(diào)控作用[11]。DFT栽培植物的根系大部分接觸營養(yǎng)液，所以在調(diào)節(jié)營養(yǎng)液與氧氣之間的關(guān)系較弱，需要的設(shè)施設(shè)備復(fù)雜。

浮板水培技術(shù)

浮板水培技術(shù)（FHT，F(xiàn)loating Hydroponics Technique）是指作物定植在浮板上（圖3），浮板放置于營養(yǎng)液中，可自由漂浮的一種栽培方式。該技術(shù)是由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功的一種新型無土栽培系統(tǒng)，具有成本低、投資少、管理方便、節(jié)能、實用等特點[12]。浮板水培技術(shù)適應(yīng)性廣，在番茄、辣椒、芹菜等多種蔬菜栽培上應(yīng)用取得良好效果。

霧培

霧培技術(shù)又稱噴霧栽培、氣霧培（圖4），是指通過噴霧裝置將霧狀的營養(yǎng)液噴灑到作物的根系上，是在無土栽培技術(shù)中水肥氣協(xié)調(diào)得最好的栽培方式[12]，霧培主要由栽培系統(tǒng)、營養(yǎng)液供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)3大部分組成。霧培具有節(jié)約水資源、水肥利用效率高、操作簡單等優(yōu)點。但是霧培系統(tǒng)對電力供應(yīng)要求較高，植物的根系生長發(fā)育過于發(fā)達、經(jīng)濟系數(shù)較低。

霧培能夠促進作物的產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，研究表明，霧培能促進網(wǎng)紋甜瓜植株生長，提升產(chǎn)量和品質(zhì)[13]。霧培下的馬鈴薯生長速度快、生長周期延長[14]，還能提高馬鈴薯塊莖的繁殖能力，從而繁育出無毒高質(zhì)量的馬鈴薯種苗[15]。霧氣還可以提高麝香、非洲白等藥用植物的產(chǎn)量、品質(zhì)以及產(chǎn)品的均勻度[16]。

基質(zhì)培

基質(zhì)栽培是用固體基質(zhì)（介質(zhì)）固定植物根系，施用營養(yǎng)液的一種無土栽培方式（圖5）?；|(zhì)不僅能夠固定、支撐作物，還充當養(yǎng)分和水分的載體，穩(wěn)定植物根系環(huán)境的作用。根據(jù)栽培基質(zhì)的形態(tài)、成分、形狀可分為無機基質(zhì)栽培、有機基質(zhì)栽培和混合基質(zhì)栽培3種類型。

無機基質(zhì)栽培

無機基質(zhì)栽培是指以砂、礫、陶粒、巖棉、蛭石、珍珠巖等基質(zhì)進行的栽培方式（圖6）。無機基質(zhì)生產(chǎn)成本低、消毒后可以重復(fù)利用。無機基質(zhì)的營養(yǎng)成分含量低，作物所需的營養(yǎng)養(yǎng)分完全靠營養(yǎng)液供給，緩沖性較小，對營養(yǎng)液的要求嚴格[17]。一般情況下，單一的無機基質(zhì)不利于植物生長，多種基質(zhì)按一定的比例配比進行種植更能促進作物的生長發(fā)育，或者可以通過改變營養(yǎng)液的成分有效地提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

有機基質(zhì)栽培

有機基質(zhì)栽培是將作物種植在天然或合成的有機材料的栽培方式（圖7）。有機基質(zhì)主要有樹皮、秸稈、稻殼、蔗渣、苔蘚、堆肥、沼渣、泥炭等。有機基質(zhì)因來源不同而含有的有機營養(yǎng)成分、理化性質(zhì)等都存在較大差異，并且基質(zhì)成分也隨著環(huán)境的改變而變化?；|(zhì)原料主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中剩余的生物質(zhì)，具有成本低、高效、減少營養(yǎng)液流失、富含有機營養(yǎng)、保水性能好、環(huán)保等優(yōu)點[12]。根據(jù)作物的特性，選用合適的有機基質(zhì)是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

混合基質(zhì)栽培

混合基質(zhì)栽培是指采用無機-無機、有機-有機、有機-無機混合的基質(zhì)進行植物栽培（圖8）。混合基質(zhì)是由結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同的原料混合而成，在水、氣、肥相互補充、混合基質(zhì)優(yōu)于單一基質(zhì)，是運用廣泛、低成本、使用效果穩(wěn)定的一種栽培方式[18-19]。不同的作物對栽培基質(zhì)的理化性質(zhì)的需求是存在差異的。因此，在不同的作物育苗、生長發(fā)育及產(chǎn)品品質(zhì)提升時需要根據(jù)作物、當?shù)氐馁Y源而選擇適宜的栽培基質(zhì)配方。

有機生態(tài)型無土栽培

有機生態(tài)型無土栽培是指在有機基質(zhì)栽培的基礎(chǔ)上施用有機固態(tài)肥后直接用清水灌溉作物的一種無土栽培技術(shù)（圖9），是20世紀90年代由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研發(fā)的一種生態(tài)環(huán)保新型無土栽培方式[4]。有機生態(tài)型無土栽培既具有傳統(tǒng)無土栽培的優(yōu)勢，也擁有營養(yǎng)元素齊全、節(jié)約成本、生態(tài)、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點。

有機生態(tài)型無土栽培形式主要有槽式栽培、袋式栽培、立體栽培。通常，生產(chǎn)上采用槽式栽培方式，主要有2種形式：一種是用磚砌成的，另一種是直接在水平面挖成槽型的簡易栽槽，在生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)作物的株型選擇相應(yīng)的栽培槽。同時，也應(yīng)根據(jù)作物的需求和當?shù)氐馁Y源選擇經(jīng)濟、高效的基質(zhì)。

無土栽培技術(shù)的發(fā)展趨勢

中國無土栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用起步較晚，無土栽培技術(shù)水平還處于不斷發(fā)展階段，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，未來無土栽培將會出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的新局面，無土栽培技術(shù)具有十分廣闊的發(fā)展前景。

基質(zhì)栽培是中國目前主要的無土栽培形式，由于中國資源、環(huán)境存在很大的差異，應(yīng)該根據(jù)各地的資源情況選擇適合的栽培基質(zhì)，營養(yǎng)液配方也因各地水質(zhì)等的不同而進行適合的調(diào)整，發(fā)展各地特色的無土栽培技術(shù)。此外，我們還需加強研究替代草炭和巖棉的無土栽培生態(tài)型基質(zhì)，開發(fā)生態(tài)型復(fù)合無土栽培基質(zhì)，優(yōu)化栽培基質(zhì)配制技術(shù)，研究無土栽培作物根區(qū)環(huán)境的調(diào)控技術(shù)，營養(yǎng)液的消毒技術(shù)和配套設(shè)施設(shè)備以及無土栽培灌溉自動控制技術(shù)和配套裝備。

以NFT為代表的葉菜水培方式，易于實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的標準化、自動化，是今后無土栽培重要的發(fā)展方向。為此，需加強營養(yǎng)液各種離子在線檢測技術(shù)、營養(yǎng)液自動配比技術(shù)、營養(yǎng)液消毒技術(shù)以及機械化移栽等技術(shù)的研發(fā)。

植物工廠是高技術(shù)密集型植物生產(chǎn)系統(tǒng)，也是未來設(shè)施園藝重要的發(fā)展方向之一，以NFT和DFT技術(shù)為基礎(chǔ)的多種立體多層無土栽培技術(shù)（圖10）已經(jīng)得到了開發(fā)應(yīng)用，立體多層無土栽培借助栽培床和層架管路裝備，實現(xiàn)植物在多層立體栽培架上進行生產(chǎn)。能提高植物生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮水肥一體化優(yōu)勢，拓展垂直空間，提高土地利用效率。但立體無土栽培中光照不足與均勻性的問題值得重視，應(yīng)該加強改善光環(huán)境（包括立體栽培形式、補光方式等）的技術(shù)研究和開發(fā)。

利用無土栽培營養(yǎng)液的精準可調(diào)性，可用于生產(chǎn)高品質(zhì)番茄、哈密瓜以及功能性葉菜類（如富含蘿卜硫素、β-胡蘿卜素、維生素C、維生素E等、用于透析腎臟病患者食用的低鉀生菜與菠菜等），建立高效無土栽培盈利模式。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的同時也改變著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植，使其向著智能化、集約化、高效化的方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于無土栽培是現(xiàn)代信息技術(shù)與無土栽培技術(shù)（圖11）相結(jié)合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無土栽培中主要應(yīng)用在對栽培環(huán)境相關(guān)參數(shù)的智能化監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以及輔助人工進行智能化管理，感知和調(diào)控栽培基質(zhì)或營養(yǎng)液溫度、營養(yǎng)液組成、pH、水分含量、植物生長等相關(guān)指標，最終實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)和效益的最大化。

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