植物無土栽培技術研究進展

晏 瓊 劉曉宇 虞昊安 李翎慈 劉瀟漪 張育新 戴昊鳴 陳斯琳 成喜雨*

(1.北京交通大學 物理科學與工程學院，北京 100044； 2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045)

無土栽培是一門新興并迅速發(fā)展成為熱潮的植物栽培種植技術，其生產的農業(yè)產品普遍具有綠色、健康、無污染的特點。與傳統農業(yè)相比，無土栽培用水大幅減少，過程無需翻地、除草等作業(yè)，大大減少了人力資源的投入。作為一種高新作物種植方法，無土栽培擺脫了傳統意義上對土壤的需求，能避免土壤病蟲害和土壤鹽漬化等問題；同時，土壤資源不再是植物種植的限制條件，在沙漠、島礁等地區(qū)也可推廣，擴展了農業(yè)生產空間，提高了空間利用率。此外，無土栽培可以根據需求對作物生長環(huán)境進行調控，從而使農業(yè)生產擺脫自然環(huán)境的制約，更易于管理，發(fā)展無土栽培技術有利于實現農業(yè)機械化、自動化。

無土栽培技術的推廣應用為農業(yè)生產提供了新思路。目前，世界上將無土栽培技術投放到市場的國家和地區(qū)已經超過100 個，栽培技術不斷進步。相對于世界其他發(fā)達國家，我國對無土栽培技術的關注較晚，但在短時間內發(fā)展迅速，涌現出了許多符合我國國情的無土栽培技術。不足的是，現階段我國發(fā)展的新型無土栽培技術大多處于規(guī)模較小的試驗示范階段，與國外成熟的無土栽培技術體系和廣泛的市場認可度相比，存在一定差距：美國、日本、荷蘭等發(fā)達國家，無土栽培機械化程度高，大量采用計算機自動控制，實現了產品周年供應，產值高，經濟效益顯著；與之相比，我國大多采用人工、半人工管理的方式，由于效率低，相對投資成本偏高，無土栽培在我國的推廣也受到限制，無土栽培技術仍有巨大的發(fā)展空間。因此，為了解國內外無土栽培技術的發(fā)展歷程、主要形式和應用領域，以“無土栽培”、“基質栽培”、“霧培”和“水培”為關鍵詞，依據Web of Science，Pub-Med，知網等數據庫，檢索了1989—2021年國內外相關文獻，對無土栽培技術類型、特點和發(fā)展方向進行了總結和分析，以期為我國無土栽培技術的研究及產業(yè)發(fā)展提供參考。

1 無土栽培發(fā)展歷程

1.1 國外無土栽培發(fā)展概況

Surareungchai等在文章中提及無土栽培起源于歐洲。19世紀中葉，德國科學家von Liebig提出了礦質營養(yǎng)對植物生長影響的相關理論，該理論成為無土栽培技術發(fā)展的基石。李程等總結了蔬菜無土栽培發(fā)展現狀及趨勢：早至1865年，德國科學家Sachs和Knop成功利用廣口瓶和棉塞對植物進行水培試驗(圖1)，是現代無土栽培技術的先驅；進入20世紀，無土栽培技術在歐美日等農業(yè)發(fā)達國家和地區(qū)得到迅速發(fā)展，1929年，美國加州福尼亞大學的Gericke利用自己設計的“水培植物設施”成功培育出了番茄果實，他也是將無土栽培進行市場化的第一人，無土栽培技術從此進入實用化階段。

圖1 Sachs和Knop的水培裝置Fig.1 Sachs and Knop’s hydroponic planting device

1964年，日本園藝研究所設計出驅動循環(huán)式水培設施，成為最早的深液流水培設備。汪興漢總結了營養(yǎng)液膜(NFT)栽培技術，該技術由英國科學家Cooper于1973年發(fā)明，其原理是使種植槽中水培營養(yǎng)液以淺層流動的形式從較高的一端流向較低的一端，其出現進一步推動了無土栽培技術的發(fā)展。1980年，國際無土栽培學會在荷蘭成立，標志著無土栽培技術研究進入了一個國際化合作的新階段。此后，隨著耕地資源和水資源日益稀缺，如何養(yǎng)活快速增長的人口成為現代農業(yè)急需解決的難題，這也極大促進了無土栽培技術的發(fā)展。21世紀初，日本研制出全自動控制的植物工廠；2009年英國推出了家用電動無土栽培機；2010年，歐洲環(huán)境署(EEA) 鼓勵建立垂直農場，以克服氣候變化的挑戰(zhàn)，并以更環(huán)保的方式生產食品。上述工作極大地促進了無土栽培區(qū)域市場的增長，無土栽培技術已然在實際生活中落地。據統計，2018年全球水培市場規(guī)模高達13.3億美元，展示了無土栽培技術的廣闊前景。

1.2 國內無土栽培發(fā)展概況

上海四維農場是中國發(fā)展現代無土栽培的先鋒。20世紀30年代，四維農場邀請一些無土栽培技術發(fā)達國家技師來華開展無土蔬菜培養(yǎng)，為當時上流西餐廳提供無土栽培番茄、黃瓜等果蔬，深受消費者歡迎，也推動了無土栽培技術在中國的發(fā)展。隨著二戰(zhàn)爆發(fā)，市場蕭條，該農場不得不停辦。20世紀40年代，我國科學家曾嘗試將無土栽培技術應用到實際農業(yè)生產中，但受限于設備、技術和經濟條件未能成功。進入50年代后期，在經濟較為發(fā)達的上海，研究者重新開始小規(guī)模的無土栽培試驗。80年代中期，隨著民眾對蔬菜、花卉和特種水果需求的增大，我國開始成套引進國外的無土栽培設備與技術，極大地提升了無土栽培技術在民間的接受度和認可度，無土栽培的推廣速度逐步加快。1995年，隨著有機生態(tài)型無土栽培技術的市場認可度增加，我國無土栽培的種植面積擴展到50 hm左右。在這之后，我國對無土栽培科研項目的投入力度不斷加大，國外技術引進和自主研發(fā)并重，推動我國無土栽培朝大規(guī)模生產、智能化管理和高經濟效益的方向發(fā)展，無土栽培推廣取得顯著成果：例如，2016年，中國科學院植物研究所和福建三安集團共同成立福建省中科生物股份有限公司，并建立了當時世界面積最大的、帶智能控制的全人工光植物工廠—中科三安植物工廠，實現了無土栽培蔬菜生產的產業(yè)化應用；2018年12月，以日本水培技術為基礎、面積超過10 000 m的京東智能水培蔬菜工廠建成，該植物工廠是中國最大的采用日本技術的太陽光和人工光結合型植物工廠。截止2018年，我國無土栽培面積高達6 250.5 hm；預計到2023年種植面積將增長到16 561.3 hm。

2 無土栽培的主要形式

無土栽培技術的研究歷史已經超過150年，經過多年積累，該技術成功地從實驗室走向了商品化市場。目前為止，已發(fā)展出了多種現代化無土栽培方法。無土栽培大致可分為水培、霧培、基質栽培3類，3種栽培方式所需要的種植條件、適用地區(qū)范圍和經濟效益等皆有所不同(表1)。其中，基質栽培成本投入相對較少，技術難度也相對較低，效率居中；水培和霧培成本投入和技術難度更高，但效率也相對更高；3種栽培方式的產量和植物生長速度與其成本投入和技術難度成正比。

表1 不同栽培方式的經濟效率指標
Table 1 Economic efficiency indicators of different cultivation methods

指標Index傳統土壤栽培Traditionalsoil culture無土栽培 Soilless culture基質栽培Substrate水培Hydroponic霧培Aeroponics投入成本 Investment costs低適中較高較高技術難度 Technical difficulty低適中較高高管理維護工作量Management and maintenance workload大適中適中較大產量及生長速度 Yield and growth rate低適中較高高

2.1 基質栽培

基質栽培是使用有機或者無機的固體基質，代替土壤實現植物的根系固定。同時，利用營養(yǎng)液代替水和營養(yǎng)物質，營養(yǎng)液包含硝酸鉀、硝酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、鐵鹽、微量元素等不同營養(yǎng)成分，植物根系可以吸取基質中的營養(yǎng)液，從中獲得生長所需要的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質。早在1860年，美國科學家就進行了相關試驗，證實營養(yǎng)元素豐富的基質能夠支持植物的正常生長。隨著技術的不斷進步和資金投入，基質栽培在一些園藝設施發(fā)達國家得到了快速的推廣應用，是一種商品化較為成功的無土栽培模式。

目前，基質栽培面積占我國商業(yè)性無土栽培面積的90%，是無土栽培的主要形式。與常規(guī)土壤種植的作物相比，基質栽培蔬菜產量高、品質好，也更加省水、省肥、省力。因為基質栽培在相對密閉隔離的環(huán)境中進行，在很大程度上還可以預防種植系統外部環(huán)境和土壤連作障礙帶來的病蟲害。雖然相較于土壤種植，基質栽培的投入成本較大，操作技術較為復雜；但相比于無土栽培中的水培和霧培技術，該方法仍具有投資相對較少、設備簡單、易于操作的特點。

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巖棉栽培

無土栽培基質可以分為有機基質和無機基質。有機基質包括腐葉、泥炭、樹皮等，無機基質包括礫石、陶粒、巖棉、珍珠巖、蛭石等。其中，巖棉方便、易用，具有高保水性和透氣性，為根系的生長提供了良好條件，也更利于調控作物的營養(yǎng)和生長，實現高產，是目前荷蘭等國家和地區(qū)的主要無土栽培基質。巖棉栽培的基本操作模式是將巖棉基質分割成規(guī)格大小相同的塊狀，用塑料膜制作成包裹形狀，然后用于植物的種植。根據營養(yǎng)液是否循環(huán)利用，可將其分為開放式和循環(huán)封閉式巖棉栽培2類，封閉式巖棉栽培在開放式巖棉栽培的基礎上增加了營養(yǎng)液收集通道，進行多余營養(yǎng)液的循環(huán)利用。20世紀初，巖棉栽培技術在歐美國家地區(qū)進入成熟階段，得到廣泛應用。最初，巖棉栽培在國內的推廣速度較為緩慢，主要原因是巖棉栽培對巖棉材質要求較高，要具有良好的親水性，保證長久使用后形狀和孔隙率不變；內部纖維要分布均勻，有利于植物根系延伸和生長；而我國農業(yè)用巖棉質量多數達不到種植標準，且管理技術不完善。但國內公司在消化吸收國外技術的基礎上不斷創(chuàng)新，極大地推動了技術發(fā)展，我國巖棉栽培也愈發(fā)走向成熟。2020年，浙江軒鳴新材料有限公司開發(fā)了有利于植株根系橫向生長的農用種植巖棉，能提高作物產量；次年公開了一種利于蓄水種植巖棉結構。巖棉栽培能最大程度減少病蟲害發(fā)生，可生產出綠色、無公害的食品，相信隨著消費市場對綠色蔬菜需求的增加，巖棉栽培技術將越來越受到種植者的青睞。

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有機生態(tài)型無土栽培

有機生態(tài)型無土栽培是我國根據國情研發(fā)的一種基質栽培技術，該技術利用有機固態(tài)肥為植物提供養(yǎng)分，以清水灌溉，上述有機固態(tài)肥采用種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的副產品及廢料加工而成，配制操作簡單，管理方便。有機固態(tài)肥富含植物生長所需要營養(yǎng)物質，無需額外添加營養(yǎng)液，因此極大地降低了植物批量培養(yǎng)所需的資金和時間成本。栽培系統廢水硝酸鹽含量僅1～4 mg/L，對環(huán)境不會造成污染。有機生態(tài)型無土栽培多用于種植對品質要求較高的蔬菜，通過選用優(yōu)質、高產、抗病性強的新品種，能最大程度地增產增效。目前，適用于此技術的優(yōu)質蔬菜種類還較為缺乏；此外，有機基質的理化性狀變化較大，穩(wěn)定性相對較差，使用過后，土質的pH值、EC值等一些理化性狀可能出現變化，容易造成作物產量和品質的下降。與之相比，無機基質雖然含有營養(yǎng)很少，但理化性狀穩(wěn)定；考慮到兩者優(yōu)點，采用有機無機混合基質的方案成為基質栽培新的發(fā)展方向。

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基質栽培袋

基質栽培袋栽培是一種新型無土栽培方式。實際使用中，會選擇適宜材料做成袋狀，將調配好的基質裝入袋中用來種植植物。目前，已應用于我國多種蔬菜(番茄、黃瓜等)以及花卉的種植過程中?；|栽培袋具有如下優(yōu)點：1)基質栽培袋的制作要求較低，選擇普通材料制作成培養(yǎng)袋即可，制作工藝簡單，成本低廉；2)袋與袋之間相互獨立，可以防止病蟲害傳播；3)系統簡潔，移動方便，可根據需求為植物尋找合適的環(huán)境，不受氣候等自然條件的限制，因此，還可進行作物的反季節(jié)栽培。除了應用于農業(yè)果蔬的種植，基質栽培袋還可以用于家庭陽臺、庭院等地的園藝栽培，栽培袋材料多樣、色彩豐富，因此可用于裝飾，起到美化環(huán)境的作用。

2.2 水培

水培法種植植物不需要用基質來固定植物根系，植物的根能夠直接與營養(yǎng)液接觸來吸收水分和營養(yǎng)。水培技術的優(yōu)點在于栽培人員可以通過調整營養(yǎng)液的配比來實現植物營養(yǎng)供給均衡，能有效避免土傳病蟲害，節(jié)約水土資源，適用于蔬菜種植。但是，該技術對資金投入和操作技術要求較高，對水培種植系統的自動化、機械化和信息化管理的研究仍需進一步深入。

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深液流水培技術

深液流水培系統在運行過程中需要更多的營養(yǎng)液，通常其所需的營養(yǎng)液深度可達到幾厘米甚至幾分米?，F有深液流水培設施有十多種，可以分為深水培類型和半深水培類型，深水培類型設施有M式、久保田式等，半深水培類型設施有協和式、神園式、新和等量交換式等。不同類型主要差異是液層深度，深水培類型液層相對較深。同時，不同類型結構上也有或多或少的差異：久保田式深水培設施一般由種植槽、定植板、貯液池、營養(yǎng)液循環(huán)流動系統等4大部分組成；M式深水培設施是利用泡沫塑料或水泥預制板拼裝成種植槽，槽內鋪墊塑料薄膜以盛裝營養(yǎng)液，槽底安裝供液管，通過水泵實現營養(yǎng)液循環(huán)，水泵出口附近安裝有空氣混入器；協和式半深水培設施的種植槽為塑料拼裝式的，可拆遷，安裝較為簡單，其主要由種植槽、定植板、營養(yǎng)液循環(huán)系統、貯液池和供液控制系統等部分組成；神園式半深水培設施的種植槽中有一層流動的營養(yǎng)液層，其營養(yǎng)液通過供液管噴頭，以噴霧的形式來提供；新和等量交換式半深水培設施不設置儲液池，其種植槽是由U形聚苯乙烯泡沫塑料拼接而成，槽內襯塑料薄膜，槽框上安裝植物定植板，通過水泵進行營養(yǎng)液循環(huán)。上述不同類型的深液流水培的營養(yǎng)液層都較深，通常由定時器控制小水泵抽取營養(yǎng)液在栽培管中循環(huán)流動，因此植株根系所處液層的營養(yǎng)液具有較高的穩(wěn)定性，能為根系提供良好的生長環(huán)境，其不足是容易導致植物根系缺氧。

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營養(yǎng)液膜水培技術

營養(yǎng)液膜栽培技術是另一種典型的水培技術，能有效解決深液流水培技術植物根系缺氧的不足。營養(yǎng)液膜種植槽中的營養(yǎng)液較淺，深度大約在幾毫米或1～2 cm。營養(yǎng)液膜栽培系統使用傾斜種植槽，較淺的營養(yǎng)液層能夠使植物根系的一部分伸展在流動的營養(yǎng)液中，另一部分則可以接觸到培養(yǎng)槽的濕氣環(huán)境，這樣就能夠有效解決植物根系需氧的問題。營養(yǎng)液膜栽培所使用的營養(yǎng)液可以循環(huán)利用，種植槽的制作材料選擇多樣，如塑料、模板等，大部分材料成本都不高，容易獲得，這有利于進一步向自動化生產發(fā)展，因此這項技術在世界上被廣為推崇，并獲得研究人員和市場的青睞，成為代表性的無土栽培方式。

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浮板毛管水培技術

浮板毛管水培(Floating Capillary Hydroponics， FHC)是1991年由浙江省農業(yè)科學院和南京農業(yè)大學參考國外營養(yǎng)液膜水培設施的優(yōu)點改良研制的一款無土栽培系統，屬于水培的一種。該技術利用漂浮在營養(yǎng)液上的浮板無紡布濕氈為植株創(chuàng)造氣生根生長的濕潤豐氧環(huán)境，使根系能從空氣中汲取游離氧。浮板毛管栽培的營養(yǎng)液供給通常維持在3～6 cm，是普通蔬菜日常所需液量的3～6倍，因此即使設備短期停電，也不會對作物生長產生較大影響，解決了營養(yǎng)液膜栽培系統因停電導致的營養(yǎng)液供給不足的問題。此外，浮板毛管水培系統的種植槽采用聚苯乙烯泡沫板制作而成，隔熱性能好，營養(yǎng)液循環(huán)在全封閉的狀態(tài)下進行，因此槽內空間受外界環(huán)境變化的影響較小，液溫穩(wěn)定。目前，浮板毛管水培(圖2)已被推廣至北京、山東等十幾個省，主要應用于浙江、江蘇等東南沿海一帶。

1.定植板；2.浮板；3.無紡布；4.定植杯；5.植株；6.營養(yǎng)液；7. 定型聚苯乙烯種植槽；8.地面1.Planting board; 2.Floating board; 3.Non-woven fabric; 4.Planting cup; 5.Plant; 6.Nutrient solution; 7.Stereotyped polystyrene planting trough; 8.Ground圖2 浮板毛管水培種植槽橫斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of cross section of FHC planting trough

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納米水凝膠膜無土栽培技術

納米水凝膠膜(例如Imec膜)是一種由日本MebioL株式會社研發(fā)的透析膜，該水凝膠通常由包含大量親水基團的聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、丙烯酸酯類等共聚而成，該材料對環(huán)境無害，可重復利用且具有良好的生物相容性。膜上面有無數個納米大小的細孔，該膜具有單向滲透的特點，即液流從一個方向流向另一個方向而不能返回，這種特點使得Imec膜能使生物小分子(主要指無機物、O、CO、離子狀態(tài)的化合物等)自由通過，而害蟲和病菌則無法穿過。在Imec膜栽培栽培體系中，吸附于Imec上的植株根系可根據環(huán)境條件和自身需求主動從Imec膜內吸收生長所需營養(yǎng)，在養(yǎng)分汲取壓力的誘導下，植物的根毛數量會大大增加，生長力顯著增強(圖3)。Imec膜栽培技術作為一種新型的無土栽培方式，已被證實可提高番茄、生菜等蔬菜植物的產量和質量。我國從2013年開始引進并推廣該技術，例如，上海市金山區(qū)蔬菜技術推廣中心使用該技術種植櫻桃番茄，在保證其生產數量穩(wěn)定的同時，提高番茄果實的甜度與含糖量，大大提升了果實風味；廣州慧揚農業(yè)科技有限公司與日本MebioL公司展開合作，于2014年9月5日在慧揚農場花都基地合作建成第一座工廠化Imec膜栽培溫室并投入運行，種植新型小番茄品種，為Imec膜栽培技術在中國的進一步推廣奠定了基礎。

圖3 納米水凝膠膜基種植裝置Fig.3 Nanohydrogel membrane based planting device

2.3 霧培

霧培是指將經過特殊設備霧化后的營養(yǎng)液間歇性噴灑在植物根系上的一種無土栽培方式。通過水培法栽培的植物，根系浸潤在水中，植物根系汲取氧氣容易受到限制，而氣霧培則將霧化的營養(yǎng)液直接噴灑在植物根系上，使其既能夠充分地接觸到空氣又能夠從營養(yǎng)液中汲取水肥，同時還有非常大的自由生長空間。霧培可以用于水生、陸生、喬木、灌木等幾乎所有作物的栽培生產，還可以實現水生陸生植物的共生栽培，是適應性最廣的栽培模式。霧培的技術理念最早由美國和日本提出，20世紀50年代，三角支架型氣霧培(圖4(a))、立柱式氣霧培和半氣霧培(圖4(b))形式得到發(fā)展，研究者利用霧化營養(yǎng)液成功培養(yǎng)了蘋果樹、菠蘿、番茄等植株，霧培的研究逐漸得到重視。1996年，韓國進行馬鈴薯植物的無土栽培嘗試，在眾多手段中選擇并成功實現了馬鈴薯的氣霧培；2001年，利用氣霧培進行的馬鈴薯微型薯試驗也取得了成功，此后，氣霧培被廣泛用于種植微型薯。目前，在荷蘭、美國、日本等農業(yè)發(fā)達國家，霧培已經得到了很好的發(fā)展，生產技術較為先進。美國AeroFarms公司的垂直農場就很好地結合了霧培和立體栽培技術，該公司利用其自主研發(fā)的霧氣栽培系統種植作物，與一般的農田耕作相比，可節(jié)省95%的水，與水培法相比，也可節(jié)省40%的水，是垂直農業(yè)領域的領導者。而我國關于氣霧培的研究起步較晚，目前仍處于研究階段，沒有得到大面積推廣。

霧培的應用不受地域限制，設施中的營養(yǎng)液可以循環(huán)利用，因此可充分利用水資源，且能實現廢液、廢料、廢物的零排放，十分適合在戈壁、沙漠等水資源匱乏的地區(qū)推廣。同時，還可在氣霧培棚架上搭建防蟲板等防蟲設施，可阻擋80%以上的害蟲，有利于做到無農藥生產，使蔬菜更加綠色健康。此外，氣霧培更易于與AI人工智能和物聯網技術結合，實現遠程控制、智能管理。霧培也存在一些不足：一方面是資金投入和生產技術要求都較高，這部分限制了氣霧培的發(fā)展；另一方面，由于蔬菜的不同種類、不同生長時期對營養(yǎng)成分的需求不一，營養(yǎng)液的配制管理較為復雜，如何突破傳統營養(yǎng)液的礦質營養(yǎng)理論，充分滿足植物對營養(yǎng)的需求，也是霧培技術需要進一步完善的關鍵環(huán)節(jié)。

圖4 氣霧培示意圖Fig.4 Schematic diagram of aerosol culture device

3 無土栽培技術的應用

3.1 民用領域

無土栽培具有一定技術要求，經濟成本也相對較高，但無土栽培可在完全可控的環(huán)境下進行，植物生長不受地域條件的限制，產品品質高，因而得到了較為廣泛的應用，主要包括如下幾個方面：

1)無土育苗：無土育苗的主要形式有播種育苗、組織培養(yǎng)育苗和扦插育苗等。與傳統育苗方式相比，無土育苗具有壯苗率高、繁殖系數高、幼苗健壯整齊、省工省時等特點，便于科學規(guī)范管理，適合大規(guī)模工廠化育苗。

2)蔬菜培養(yǎng)：通過無土栽培可有效解決土壤鹽漬化、土傳病蟲害等土壤連作障礙，并且可以充分利用土地空間，適合在沙漠、鹽堿地、礦區(qū)等不適宜土壤種植蔬菜的地方推廣。通過該技術種植出的蔬菜病害少、無污染，生產過程省肥省水省力，是實現蔬菜生產自動化、規(guī)?；?、量產化的重要途徑。

3)花卉培養(yǎng)：無土栽培培育的花卉生長快、花朵嬌艷、品質上乘，并且清潔衛(wèi)生，病蟲害少，這些優(yōu)勢使得花卉無土栽培在世界上得到了一致好評，尤其是在荷蘭等園藝技術發(fā)達的國家，花卉無土栽培更是得到了大面積推廣。國內對花卉無土栽培的起步較晚，仍處于發(fā)展階段，目前主要利用水培和基質栽培進行花卉無土種植。

4)生態(tài)觀光：無土栽培還可用于生態(tài)酒店、生態(tài)餐廳、生態(tài)園等觀光農業(yè)以及現代化無土栽培基地等中小學農業(yè)科普教育基地的建設，這些地方利用無土植物栽培方式作為技術支撐，很好地體現了人與自然和諧發(fā)展的新觀念。

5)魚菜共生：是魚產養(yǎng)殖技術和植物水培栽種技術相互結合誕生的綜合性系統，是一種復合型植物、作物栽培體系。在該共生系統中，魚類產生的代謝廢物，通過硝化細菌的生物轉化作用成為植物可以利用的養(yǎng)料，被植物凈化吸收后的干凈水資源，再次匯入魚池給魚苗提供適宜的生存環(huán)境，由此形成良性循環(huán)(圖5)。魚菜共生系統采用無土栽培，避免了土壤重金屬污染，又因為有魚的存在，因此種植過程中不能使用任何農藥，使得生產產品綠色健康。此外，推廣魚菜共生技術可以節(jié)約大量優(yōu)質耕地，以池塘魚菜共生為例，每養(yǎng)殖65 000 m魚，水面可增加6 500～14 000 m蔬菜種植。同時，魚菜共生系統的用水可以循環(huán)凈化使用，與傳統農業(yè)相比用水量節(jié)省了90%以上。

圖5 魚菜共生系統循環(huán)原理Fig.5 Circulation principle of fish and vegetable symbiosis system

3.2 軍用領域

除了在農業(yè)種植、設施園藝等民用領域，無土栽培在軍事領域的應用也有研究。早在在二戰(zhàn)期間，無土栽培技術，尤其是水培技術，在解決軍需供應方面就做出了突出貢獻。郭世榮在無土栽培學一書中提到：泛美航空公司曾在Gericke的指導下，在太平洋中部荒蕪的威克島上成功利用無土栽培進行種植，為乘客和空乘人員提供新鮮蔬菜；1945年，英國空軍部隊在波斯灣的巴林群島和伊拉克的哈巴尼亞利用水培進行蔬菜種植，成功解決了部隊無法自主供應蔬菜而需要從巴勒斯坦空運的問題；1944年，日本研究人員在硫磺島建設了無土栽培基地，生產蔬菜以供軍需。

隨著和平社會的建設以及科學技術的發(fā)展，無土栽培在軍事方面的應用重點更多地轉向了太空蔬菜種植?？臻g無土栽培技術是一項典型的民技軍用案例，美國宇航中心的研究使該技術趨于成熟，推動其向產業(yè)化階段邁進。在太空中，植物生長處于失重的環(huán)境下，需要考慮植物生長的“向性”問題，即控制植物根系“向下”進行生長，而不會朝著光源位置自由“向上”生長。因此，太空中的種植通常會先將植物種子進行萌發(fā)，后給植物施加較強的電壓、電場環(huán)境，以強制誘導植物幼苗生長的“向性”。例如，在一個空心圓柱內壁種滿生菜，通過一定強度的電壓和光照誘導植物，并讓營養(yǎng)液在圓柱外壁循環(huán)流經生菜根系，為植物提供水分和養(yǎng)分(圖6)。

圖6 太空種植用圓柱種植裝置示意圖Fig.6 Space planting with cylindrical planting device

除了植物生長的“向性”問題，還要考慮營養(yǎng)液在失重環(huán)境下的運輸問題，避免液體“飛”起來而無法供應給植物。為此，研究人員設計了“多孔管植物生長系統”裝置，利用多孔管中的毛細管，給植物根系緩慢滲透滴灌生長所需的營養(yǎng)液，由于毛細管的存在，植物根系出于生物驅動性主要分布于多孔管與塑料薄膜的夾層間。利用這些裝置，人類已經成功在太空中種植培育出了生菜、小麥、水稻、番茄等植物，而空間種植技術的成熟化和產業(yè)化發(fā)展對于人類的太空探索進程具有重要意義。太空植物種植，可以為宇航員提供新鮮蔬菜水果，有利于宇航員身體健康；植物可以消耗二氧化碳并產生氧氣，凈化航天器和空間站中的空氣；植物的存在還能給航天員帶來積極的心理影響，在維持宇航人員的心理健康方面起著關鍵作用。同時，太空植物種植，可以大幅降低火箭發(fā)射時的食品配重，降低發(fā)射成本，為其他設備器材提供更多配重空間。

除此之外，無土栽培技術在未來或可應用于海洋的開發(fā)利用，無論是對于解決航海人員的蔬菜供應問題，還是緩解陸地上日益嚴重的土壤資源短缺的問題，都有著深遠的意義。

4 總結與展望

綜合無土栽培技術以及新材料、人工智能等的發(fā)展，未來無土栽培技術可以針對不同地區(qū)和環(huán)境的需求，重點考慮如下3個發(fā)展方向：

1)可在氣候極端、耕地缺乏的地區(qū)推廣無土栽培技術，融合人工智能和物聯網技術，發(fā)展智慧種植、生態(tài)種植，充分利用有限的水土資源提高作物產出。考慮到資金和資源高效利用的問題，可以嘗試大力推廣有機生態(tài)型無土栽培技術。同時，還可以研究新型無土栽培模式，例如基質土壤相結合的二元栽培法，有機無土栽培與滴灌技術相結合等，充分利用耕地淡水資源，以獲取良好的經濟、生態(tài)效益。

2)無土栽培技術可以在經濟發(fā)達地區(qū)朝小型化、家庭化、精致化、智能化的方向發(fā)展?？梢詫o土栽培應用于屋頂花園、陽臺農場等，城市居民可利用小型無土栽培裝置，發(fā)揮家中的小規(guī)模閑置空間，進行種菜、養(yǎng)花，將都市農業(yè)和家庭園藝栽培相結合，既可以收獲新鮮果蔬，又具有娛樂性和一定的觀賞價值。同時可以建設小型植物工廠、生態(tài)園等，通過造型多樣的立體水培、霧培設施進行造景，既可以應用于中小學農業(yè)科普教育，成為展示未來農業(yè)的窗口，還可以為餐飲提供現吃現摘的綠色食材，在城市內完成消費閉環(huán)，提高人民生活水平的同時也倡導人與自然的和諧發(fā)展。

3)空間無土栽培技術需要大力探索和開展。對地球之外的太空探索是未來的研究方向，在空間站或外星基地實現有效的生物循環(huán)則成為關鍵因素?？臻g無土栽培技術的發(fā)展，將會使人類不受外太空環(huán)境限制從而實現有效種植，邁出在外太空生存的第一步。

無土栽培技術的發(fā)展對于實現人類可持續(xù)生存和保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義，因此積極解決該技術在實用化進程中涉及到的一些問題，例如成本相對偏高、經濟效益不顯著等，可以更好地實現無土栽培技術的價值。