氣霧栽培的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

高莉平 陳小文 劉魯江

|摘要|氣霧栽培是一種新型的無土栽培模式，是未來設(shè)施栽培的主要方向。文章對氣霧栽培的栽培系統(tǒng)、栽培模式、存在問題及改進(jìn)措施、應(yīng)用前景等進(jìn)行了綜合表述，探討氣霧栽培目前的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。

20世紀(jì)50年代，美國開始在溫室內(nèi)采用無土栽培的生產(chǎn)方式生產(chǎn)蔬菜，成為最早實現(xiàn)無土栽培商業(yè)化的國家[1]。90年代前，中國無土栽培技術(shù)的研究以引進(jìn)、吸收和消化為主，90年代以后，國內(nèi)開始自主研發(fā)適合中國環(huán)境資源情況的無土栽培技術(shù)[2]。目前中國無土栽培技術(shù)已廣泛應(yīng)用于蔬菜、花卉、果樹、中藥材等。無土栽培具有利于實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)、不受土壤栽培條件限制、肥水利用率高、產(chǎn)量高、產(chǎn)品品質(zhì)高等諸多優(yōu)勢，已成為設(shè)施作物生產(chǎn)的重要栽培方式，但是在基質(zhì)栽培和水培中仍有諸多的問題待解決，比如科學(xué)灌溉問題、水中溶氧含量低的問題，而以上問題在氣霧栽培中較少出現(xiàn)。

氣霧栽培的概念在1968年被提出，該技術(shù)通過噴霧裝置將霧狀的營養(yǎng)液噴灑到作物的根系上，解決了基質(zhì)對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸附、營養(yǎng)液中亞硝酸鹽積累、根系缺氧等問題，被認(rèn)為是在無土栽培技術(shù)中水肥氣協(xié)調(diào)得最好的栽培方式[3]。氣霧栽培的栽培方式已被用于自動化生產(chǎn)和立體栽培中，以有效提高空間生產(chǎn)效率。在科研中，由于作物根系裸露在外，有利于及時、方便地對生長情況進(jìn)行監(jiān)查，制定管理措施，為科研人員研究無土栽培技術(shù)提供充足的案例和試驗數(shù)據(jù)。專家研究表明，氣霧栽培能提高網(wǎng)紋甜瓜、麝香、非洲白蔘等植株的產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5];還可以縮短馬鈴薯的生長周期、加快原種的繁殖速度，并且可清晰直觀地觀察馬鈴薯根系、結(jié)薯情況[6]。

氣霧栽培系統(tǒng)

氣霧栽培系統(tǒng)主要包括栽培系統(tǒng)和營養(yǎng)液供給系統(tǒng)，隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)自動控制系統(tǒng)已在氣霧栽培的營養(yǎng)液供給系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

栽培系統(tǒng)

氣霧栽培作物的根系懸空生長，植株依靠定植空中的填塞或定植籃固定，物理支撐以栽培床的形式實現(xiàn)，栽培床的大小和形態(tài)可根據(jù)需求自由設(shè)計。依據(jù)栽培床的不同類型，氣霧栽培的栽培系統(tǒng)主要分為苗床式、立桶式、立體式 。

苗床式栽培系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較普及、易建造的一種栽培系統(tǒng)，一般在平地上建立苗床，在床底設(shè)置捎帶坡度且不滲漏的底面，并鋪設(shè)帶有霧化噴頭的彌霧管道，選擇合適材質(zhì)的栽培床用來定植植株[7]。苗床式栽培系統(tǒng)主要用于較矮或可以引縛固蔓的植株。立桶式栽培系統(tǒng)是一種以簡易圍桶作為根域空間、以大空間霧化作為供液方式的栽培系統(tǒng)，可以創(chuàng)造較大的根域空間，以最大限度地發(fā)揮植株的生長潛能，主要用于番茄樹、南瓜王、蔬菜樹等大株型植株的栽培[7]。立體式栽培系統(tǒng)，包括“A”字式、梯架式、立柱式等多種栽培模式，可以提高空間利用率，大大提高單位面積的產(chǎn)值，以實現(xiàn)從平面發(fā)展到立體空間的飛躍，這種栽培模式一般用來種植葉菜類等小株型植物[8]，是目前發(fā)展最快的一種氣霧栽培模式。

營養(yǎng)液供給系統(tǒng)

營養(yǎng)液供給系統(tǒng)主要包括水泵、管道、儲液池、噴霧裝置和控制器等。儲液池中的營養(yǎng)液通過水泵經(jīng)霧化噴頭形成氣霧供給植物根系吸收，剩余的營養(yǎng)液經(jīng)回流管道過濾后重新進(jìn)入儲液池，進(jìn)而實現(xiàn)營養(yǎng)液的循環(huán)可持續(xù)利用[9]。營養(yǎng)液供給系統(tǒng)的核心為噴霧裝置，營養(yǎng)液的霧滴大小、氣霧的均勻程度等，會直接影響到植物根系的生長。目前霧化的方式有加壓霧化、機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)離心霧化和超聲霧化等，以超聲霧化和高壓霧化為主。噴霧裝置中霧化噴頭的選擇最為關(guān)鍵，以高壓霧化噴頭的選擇為例，高壓霧化噴頭主要包括組合式陶瓷噴頭、壓不透鋼片式噴頭、全不銹鋼微霧噴頭、撞擊式噴頭等，其中壓不透鋼片式噴頭是目前應(yīng)用較廣泛的噴頭之一，具有不會滴水、表面平整度較好、價格較低、易于清洗、耐壓值較理想等優(yōu)點(diǎn)。

徐偉忠[10]等已設(shè)計出由計算機(jī)智能控制、水泵或超聲波霧化器供液的氣霧栽培裝置;而高建民[11]等專家以PIC16F877A芯片為核心構(gòu)建噴霧控制系統(tǒng)，使氣霧栽培設(shè)施進(jìn)一步實現(xiàn)智能化控制;劉義飛[12]開展基于LabVIEW的溫室番茄霧培控制系統(tǒng)研究，解決溫室番茄對智能控制的技術(shù)需求，系統(tǒng)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)人機(jī)交互界面良好、操作簡便、能夠全方位地實現(xiàn)溫室氣霧栽培番茄生產(chǎn)的自動化管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

氣霧栽培的模式

徐偉忠[12]等將氣霧栽培的模式分為科研及觀光模式、低成本模式、高效化產(chǎn)業(yè)模式、山地模式、都市模式等5大模式。

氣霧栽培的科研及觀光模式，以滿足科研和觀光需求為主，主要包括玻璃箱槽式、分根式、鋼構(gòu)樹式、轉(zhuǎn)盤移動式、廂房式等氣霧栽培方式;氣霧栽培的低成本模式，工藝簡單、成本較低，很適合普通設(shè)施內(nèi)開展氣霧栽培使用，主要包括桶式、拱形式、溝槽式、箱床式等氣霧栽培方式;氣霧栽培的高效產(chǎn)業(yè)化模式，投資較高、生產(chǎn)效率高，適合在現(xiàn)代化設(shè)施內(nèi)使用，主要包括塔式、梯架式、立柱式、垂面式、“V”槽籬壁式、“X”架式等氣霧栽培方式;氣霧栽培的山地模式，獨(dú)立性強(qiáng)，適合在山地中使用，主要包括避雨防蟲立柱式、洞桶式、伸縮管式、樹杈懸吊式等氣霧栽培方式;氣霧栽培的都市模式，造型簡單美觀、易于管理，適合在都市環(huán)境中使用，主要包括屋頂果園的PVC管式、層架式LED補(bǔ)光的植物工廠式、室內(nèi)綠植的墻面式等氣霧栽培方式。

通過多種霧培模式的綜合利用，可以有效解決城市發(fā)展與耕地減少之間的矛盾，特別是在生態(tài)環(huán)境惡劣、無法耕作的地域，可利用氣霧栽培技術(shù)解決極地、海島、沙漠、鹽堿地等環(huán)境下的耕作問題。氣霧栽培是解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境污染、生態(tài)危機(jī)的重要技術(shù)。

存在問題及改進(jìn)措施

根系生長過于發(fā)達(dá)

在氣霧栽培條件下，植物的根系可以保持較為發(fā)達(dá)的薄壁組織，具有很強(qiáng)的再生和修復(fù)能力，并且根系表面能均勻地吸附營養(yǎng)液、水分、氧氣，促進(jìn)其快速生長[13]，這樣易導(dǎo)致植物的根系生長發(fā)育過于發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)系數(shù)較低，如何更好的控制根系在合適的范圍內(nèi)生長是需解決的一項技術(shù)難題，需進(jìn)一步開展此方向的研究。

管理技術(shù)要求高

氣霧栽培對營養(yǎng)液的配比有嚴(yán)格要求，需專業(yè)人士管理，管理成本較高[9]。解決植物營養(yǎng)健全和配比的問題是當(dāng)前氣霧栽培面臨的主要技術(shù)問題[14]。

投資較高、電力依賴性強(qiáng)

氣霧栽培的前期一次性投資較高，后期運(yùn)行費(fèi)用也較高，對電力供應(yīng)的依賴性高，普通農(nóng)業(yè)從事者無法承擔(dān)高額開銷，電力不發(fā)達(dá)的地區(qū)也較難推廣此種栽培模式。在未來，可充分利用太陽能、風(fēng)能、生物能等進(jìn)行發(fā)電，以滿足氣霧栽培對電力的需求，同時應(yīng)開展氣霧栽培的離電生產(chǎn)研究，降低氣霧栽培對電力的依賴。

自動化的氣霧栽培環(huán)境控制系統(tǒng)不完善

雖然隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)、氣霧栽培技術(shù)的發(fā)展，越來越多的環(huán)境控制系統(tǒng)已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)栽培的自動化控制，氣霧栽培技術(shù)也得到提高，但是氣霧栽培發(fā)展時間有限，對其的試驗研究并不特別深入，數(shù)據(jù)積累受限，間接地限制了自動化氣霧栽培環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展，并且存在生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、種植面積普遍較小等問題[13]。故需有統(tǒng)籌地對氣霧栽培技術(shù)在各個品種上的應(yīng)用做進(jìn)一步深入的研究，同時增強(qiáng)計算機(jī)精確化模擬控制的研究，逐漸取代根據(jù)人工經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)控的手段。

應(yīng)用前景

氣霧栽培可以大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少人力、肥料、水、及農(nóng)藥的投入，比如蟲害控制可減少75%以上、節(jié)水效率可達(dá)90%，在蔬菜生產(chǎn)中可實現(xiàn)肥料、廢物、廢液的零外排，是一種可持續(xù)循環(huán)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，是未來設(shè)施栽培的一個主要發(fā)展方向[15]。氣霧栽培已在地下根莖類、葉菜類、瓜果類、藥用植物、喬木類等植物中得到應(yīng)用，可以有效地促進(jìn)作物的生長，并促進(jìn)產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[16]。

世界上的發(fā)達(dá)國家，如日本，在2005年以前就已把氣霧栽培技術(shù)作為植物工廠建設(shè)中的一項重要項目，在提高設(shè)施利用率、生產(chǎn)速度、單位面積產(chǎn)量等方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢[17]。氣霧栽培可用于各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中植物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培，具有很廣泛的市場，同時氣霧栽培不受外界環(huán)境的制約，可在沙漠、海島、太空、鹽堿地等特殊環(huán)境下完成作物的生產(chǎn)，具有廣闊的市場空間和發(fā)展前景。

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作者簡介：高莉平（1989-），女，河北保定人，碩士，研究方向為果蔬高效栽培。

[引用信息]高莉平，陳小文，劉魯江.氣霧栽培的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（25）：82-85.