無(wú)基質(zhì)栽培根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)技術(shù)專利綜述

黃歡 梁韜

摘要：本文在CNABS、DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)無(wú)基質(zhì)栽培中營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，從申請(qǐng)總量、年度變化、技術(shù)分支分布及技術(shù)演進(jìn)4個(gè)方面對(duì)無(wú)基質(zhì)栽培中根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)專利技術(shù)狀況進(jìn)行分析，梳理無(wú)基質(zhì)栽培領(lǐng)域的根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)現(xiàn)狀，揭示該技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)研究的重點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：無(wú)基質(zhì)；根系；營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)；專利技術(shù)

中圖分類號(hào)：S317-18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）21-0062-03

Review of Patents Technology of Root Nutrition Supply in the Matrix-less Culture

HUANG Huan LIANG Tao

（Patent Examination Cooperation Sichuan Center，State Intellectual Property Office， Chengdu Sichuan 610000）

Abstract： In this paper， based on the databases of CNABS，DWPI， the domestic and foreign patents application about the technology of root nutrition supply in the matrix-less culture were analyzed by data examination and collection， from four aspects of total application amount， annual variation， technical branches distribution and technological evolution， hoping to have a review of the patent application condition and provide valuable information of the development direction in this field.

Key words： matrix-less； root； nutrition supply； patents technology

1 根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)研究概況

無(wú)土基質(zhì)栽培的核心是用營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)基質(zhì)來(lái)供應(yīng)水分養(yǎng)分，基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)液配合，完成固定、支持植物，調(diào)節(jié)供氧、供水和養(yǎng)分的任務(wù)[1]。根據(jù)基質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行養(yǎng)分供應(yīng)研究是無(wú)土基質(zhì)栽培技術(shù)的關(guān)鍵，主要包括兩方面內(nèi)容：一是基質(zhì)對(duì)養(yǎng)分的吸附、保持、釋放以及植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收過(guò)程，二是營(yíng)養(yǎng)液的組成、配制、灌溉制度。由于植物對(duì)水分和養(yǎng)分吸收、運(yùn)輸?shù)南鄬?duì)性，加之基質(zhì)的水分和養(yǎng)分運(yùn)移特點(diǎn)復(fù)雜，因此營(yíng)養(yǎng)液的灌溉和管理比較復(fù)雜，其中以起源較早的浮板式吸水栽培和目前實(shí)際應(yīng)用更廣泛的家庭蔬菜機(jī)都涉及了不同的根系營(yíng)養(yǎng)液的供應(yīng)技術(shù)。

1.1 無(wú)基質(zhì)栽培中根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)技術(shù)

無(wú)土栽培主要分為無(wú)基質(zhì)栽培和有固體基質(zhì)栽培。雖然固體基質(zhì)栽培的性能穩(wěn)定、一次性投資少、效果好，但是，基質(zhì)來(lái)源較少、成本高，病害方面特別是根系病害缺乏有效的防治藥劑和營(yíng)養(yǎng)液消毒設(shè)備，而且基質(zhì)栽培中無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)根系營(yíng)養(yǎng)供給量、時(shí)間、成分進(jìn)行分時(shí)段準(zhǔn)確控制。雖然隨著有機(jī)生態(tài)型基質(zhì)的研究及推廣，配合營(yíng)養(yǎng)液滴灌的方法，克服了根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不均的問(wèn)題，但仍存在難度大、操作復(fù)雜等問(wèn)題[2]。因此，有基質(zhì)栽培存在推廣應(yīng)用的限制。相比而言，無(wú)基質(zhì)栽培表現(xiàn)出了如下突出優(yōu)點(diǎn)：一是縮短植物生長(zhǎng)期；二是比基質(zhì)培法栽培的蔬菜含有更高的鈣和鉀含量，生產(chǎn)更清潔；三是便于規(guī)模化、工廠化生產(chǎn)，因此得到了廣泛推廣和利用。

1.2 無(wú)基質(zhì)栽培中根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)技術(shù)存在的問(wèn)題

目前，應(yīng)用無(wú)基質(zhì)栽培主要采用定植塊來(lái)固定植物，但定植塊種類較多、來(lái)源不同、性質(zhì)不統(tǒng)一，需要進(jìn)行消毒，而且其透水吸水性限制了其在特殊植物根系上的應(yīng)用。雖然無(wú)基質(zhì)栽培中營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)流動(dòng)，但一旦病菌傳播速度快，感染病菌就會(huì)帶來(lái)極為嚴(yán)重的群發(fā)病害。因此，營(yíng)養(yǎng)液供應(yīng)的均勻性、營(yíng)養(yǎng)液消毒設(shè)備、有效防治藥劑也是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題[3-5]。

2 無(wú)基質(zhì)栽培根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)鍵詞

本文選擇CNABS（中國(guó)專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)）、DWPI（德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫(kù)），對(duì)2017年之前涉及無(wú)基質(zhì)栽培的根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的專利技術(shù)進(jìn)行檢索?；跓o(wú)基質(zhì)栽培根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)方式分類概括得到技術(shù)分支，對(duì)申請(qǐng)年度分布、地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)主要技術(shù)分支布局和技術(shù)演進(jìn)發(fā)展進(jìn)行梳理。

2.2 無(wú)基質(zhì)栽培根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)技術(shù)分支

依據(jù)技術(shù)分支的概括，無(wú)基質(zhì)栽培根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)方式分為非液體形式和液體形式2種（見(jiàn)圖1）。其中，非液體式是指將植物所需的根系養(yǎng)料進(jìn)行霧化或氣化以噴射形式供給，或隨水分子以彌霧形式供給；液體式是指將植物所需的根系營(yíng)養(yǎng)溶于水中，以間歇更換或循環(huán)流動(dòng)方式進(jìn)行供給。

非液體式的專利技術(shù)主要包括全霧式、半霧式2個(gè)研究方向（見(jiàn)圖2），其中全霧式是指將植物根系懸空于一個(gè)空間中，將營(yíng)養(yǎng)液或養(yǎng)料霧化后以霧狀形式噴灑到植物根系表面；半霧式是指除了以霧化形式供應(yīng)養(yǎng)分外，同時(shí)以水浸沒(méi)部分主根以進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)。液體式的專利技術(shù)主要包括液膜式、漂浮式、半浸潤(rùn)式、直立式吸水和毛管浮板式吸水5個(gè)研究方向，其中液膜式（NFT）是指作物根系一部分浸在淺層營(yíng)養(yǎng)液中，另一部分暴露于種植槽內(nèi)濕空氣之中，僅維持淺層的營(yíng)養(yǎng)液在根系周圍循環(huán)流動(dòng)；漂浮式是指在定植塊的作用下，種子萌發(fā)后的植物根系完全浸沒(méi)在營(yíng)養(yǎng)液中；半浸潤(rùn)式（DFT）是指提供的營(yíng)養(yǎng)液的液層較深，但仍有一部分根系懸掛在營(yíng)養(yǎng)液的水平面上；直立式是指定植塊在毛管吸力的作用下濕潤(rùn)，以保持根系的營(yíng)養(yǎng)供給；毛管浮板式（FCH）是指控制一定的營(yíng)養(yǎng)液深度，泡沫板上覆蓋兩側(cè)延伸入營(yíng)養(yǎng)液的親水性材料，使浮板始終保持濕潤(rùn)狀態(tài)，作物根系一部分生長(zhǎng)在浮板上，一部分從浮板兩側(cè)伸入營(yíng)養(yǎng)液中，吸收氧氣、營(yíng)養(yǎng)元素和水分。

如圖1和圖2所示，以液體形式供應(yīng)的專利文獻(xiàn)量大于非液體形式供應(yīng)的專利，約占到總申請(qǐng)量的64%。這主要是由于目前無(wú)基質(zhì)栽培主要集中于蔬菜類植物的種植上，而諸如生菜、白菜類植物的根系多為淺根，養(yǎng)分吸收能力弱，液體式供應(yīng)更利于其營(yíng)養(yǎng)的吸收利用。此外，非液體式中的霧化供應(yīng)對(duì)泵、噴頭及消毒方式的要求較高，其在部分國(guó)家僅用于科學(xué)研究。而在液體式供應(yīng)中，半浸潤(rùn)式所占比例最大（28%），占液體式總申請(qǐng)量的43%，這主要是由于實(shí)際生產(chǎn)中半浸潤(rùn)式（DFT）供應(yīng)方式無(wú)論是以間歇性還是流動(dòng)性進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液的更換或循環(huán)，大部分采用的營(yíng)養(yǎng)液具有較強(qiáng)的緩沖能力，同時(shí)所依托循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅可以降低管理難度，而且能保證因暫時(shí)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題發(fā)生時(shí)，植物生長(zhǎng)不受影響。

2.3 年度申請(qǐng)量

在基于優(yōu)先權(quán)日或最早申請(qǐng)日在2017年5月之前的申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照每年申請(qǐng)量進(jìn)行分析，由圖3可以看出總體發(fā)展為波動(dòng)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。從圖3可以看出具體無(wú)基質(zhì)栽培中根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的專利申請(qǐng)始于20世紀(jì)70年代，并于90年代開(kāi)始，申請(qǐng)量開(kāi)始呈現(xiàn)迅速上升；對(duì)于無(wú)土栽培技術(shù)，中國(guó)的專利申請(qǐng)始于20世紀(jì)90年代，以后申請(qǐng)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，這主要由于1985年農(nóng)業(yè)部正式將無(wú)土栽培立項(xiàng)進(jìn)行協(xié)作攻關(guān)研究。此外，可以看出中國(guó)申請(qǐng)量于2000—2005年出現(xiàn)第一次申請(qǐng)高峰與全球申請(qǐng)具有相同的趨勢(shì)，這主要是由于隨著計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，為根系營(yíng)養(yǎng)液供應(yīng)技術(shù)向智能化、精細(xì)化發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

2.4 申請(qǐng)地域分布

圖4反映了全球無(wú)基質(zhì)栽培根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)技術(shù)的地域分布情況。中國(guó)、日本、美國(guó)、韓國(guó)、俄羅斯和澳大利亞是主要的專利申請(qǐng)地區(qū)。其中，日本和美國(guó)的申請(qǐng)基本持平，多集中于深液浸潤(rùn)式與液膜式供應(yīng)方式，而美國(guó)作為無(wú)土栽培研究最早的國(guó)家，其對(duì)于無(wú)基質(zhì)栽培根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的研究廣泛得益于美國(guó)家庭無(wú)土栽培的廣泛推廣。而中國(guó)的專利布局占全球的40%，而且多為本國(guó)申請(qǐng)。

2.5 重要技術(shù)分支專利技術(shù)演進(jìn)

按照時(shí)間對(duì)無(wú)基質(zhì)栽培中根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)技術(shù)的重點(diǎn)專利技術(shù)進(jìn)行梳理得到圖5所示的重點(diǎn)技術(shù)分支演進(jìn)圖，可見(jiàn)20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初是無(wú)基質(zhì)栽培根系營(yíng)養(yǎng)供給技術(shù)快速發(fā)展的階段。有關(guān)根系營(yíng)養(yǎng)供給技術(shù)，無(wú)液體式供應(yīng)起源較早，而且主要集中于對(duì)噴霧角度、噴霧循環(huán)方式、供氣式噴霧及噴霧均勻度方面的改進(jìn)；而在非液體式供應(yīng)技術(shù)方面，20世紀(jì)90年代之前集中在毛管吸水式的營(yíng)養(yǎng)供給，特別是液模式供應(yīng)技術(shù)和半浸沒(méi)式供應(yīng)技術(shù)方面，其主要技術(shù)發(fā)展在于解決根系浸沒(méi)在營(yíng)養(yǎng)液中而伴隨的透氣性低、根系營(yíng)養(yǎng)利用能力不同以及根系養(yǎng)分利用持續(xù)性不高的技術(shù)問(wèn)題。而且借助于噴霧式中泵送空氣、氧氣和二氧化碳的氣體循環(huán)技術(shù)以及毛管吸水技術(shù)中的根塊濕潤(rùn)保持的技術(shù)融合，從目前的專利申請(qǐng)情況來(lái)看，半浸潤(rùn)式結(jié)合噴霧技術(shù)為該領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從申請(qǐng)總量年度變化、地域分布、技術(shù)分支及技術(shù)發(fā)展4個(gè)方面對(duì)無(wú)基質(zhì)栽培中根系營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)專利技術(shù)狀況進(jìn)行了分析，反映了該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的主要方向，以期能夠?yàn)槲覈?guó)無(wú)基質(zhì)栽培的技術(shù)研究提供參考。

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