水培蔬菜的種植模式、品質(zhì)及其應(yīng)用研究進展

摘 要：水培技術(shù)是無土栽培中較為先進的一種，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，作為無公害農(nóng)業(yè)的象征，水培蔬菜受到各級政府和廣大消費者的重視。近年來，水培技術(shù)的研究更趨完善，種植形式也日益豐富；其在水質(zhì)改善方面的作用受到廣泛關(guān)注；而隨著水培蔬菜逐漸進入人們的生活，其與傳統(tǒng)蔬菜在營養(yǎng)價值和品質(zhì)安全等方面的差異也引起了某些爭議。基于此，從水培蔬菜種植形式、水培蔬菜與傳統(tǒng)蔬菜在營養(yǎng)和品質(zhì)上的比較以及水培蔬菜水質(zhì)改善效果等3個方面進行綜述，以期為我國水培蔬菜產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：水培蔬菜；種植形式；水質(zhì)改善；營養(yǎng)品質(zhì)；綜述

中圖分類號：S604+.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）09-0127-04

Research Progress on Cultivation Pattern， Quality and Application of Hydroponic Vegetables

LI Xi，QIU Yu-jie，HE Jiang，YANG Pin-hong

（College of Life and Environmental Sciences， Hunan University of Arts and Science， Key Laboratory of Health Aquaculture and Product Processing in Dongting Lake Area of Hunan Province， Collaborative Innovation Center for Efficient and Health Production of Fisheries in Hunan Province， Changde 415000， PRC）

Abstract： Hydroponic culture is a kind of advanced cultivation method in soilless culture. With the rapid development of our national economy， hydroponic culture is regarded as the symbol of pollution-free agriculture， which is valued by governments at all levels and people. In recent years， due to the in-depth research on hydroponics， the technology has been improved and the cultivation forms have become more abundant. In addition， the research of water quality improvement based on hydroponics technology has been paid much attention. Moreover， as hydroponic vegetables gradually enter our lives， the difference between hydroponic and traditional vegetables in terms of nutritional value and quality safety has caused some controversy. Based on this， the hydroponic vegetable planting form， hydroponic vegetable water quality improvement effect， hydroponic vegetable and traditional vegetable nutrition and quality comparison have been summarized， which provide the reference for the further development of hydroponic vegetable industry in our country.

Key words： hydroponic vegetables； form of cultivation； improved water quality； nutrition； review

“萬物土中生”是長久以來人們對于作物種植所形成的觀念。但是隨著種植用地的減少，土培受到限制，由此興起了無土栽培。水培蔬菜指大部分根系生長在營養(yǎng)液液層中，只通過營養(yǎng)液為其提供水分、養(yǎng)分的一種無土栽培蔬菜。水培技術(shù)始于1842年德國科學(xué)家威格曼（wiegman）和泊斯托洛夫（Postolof）建立的營養(yǎng)液栽培雛形；在此基礎(chǔ)上，1865年薩克斯（JuliuSvonsachs）與克諾普（W. Knop）利用棉花塞固定植物，將植物根系置于營養(yǎng)液中培養(yǎng)，并稱此方法為“水培”[1]。我國直到20世紀70年代末，才首次在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)開展水培生產(chǎn)試驗，并取得成功；隨后，相繼從國外引入溫室和水培設(shè)施，我國水培技術(shù)逐漸步入商業(yè)化。

2005年，我國水培蔬菜的種植總面積約為315 hm2 [2]，截止到2017年全國水培蔬菜總面積已擴大到3 335～6 670 hm2。隨著水培蔬菜生產(chǎn)工藝研究的深入，其技術(shù)更趨完善，種植模式也多種多樣。在此基礎(chǔ)之上，專家學(xué)者們還就水培蔬菜在水質(zhì)改善方面的功效進行了相關(guān)研究。然而，任何新興事物都會受到一定的質(zhì)疑。水培蔬菜進入人們的日常生活后，其與傳統(tǒng)蔬菜在營養(yǎng)價值和品質(zhì)安全等方面的差異就引起了某些爭議。因此，筆者擬從水培蔬菜的種植模式、水培蔬菜的營養(yǎng)價值和品質(zhì)安全及水培蔬菜水質(zhì)改善效果等3個方面對水培蔬菜的研究進展進行綜述。

1 水培蔬菜的種植模式

目前，水培蔬菜生產(chǎn)中使用的裝置較多，雖原理相似，但在操作控制、營養(yǎng)液吸收、栽培模式的設(shè)計、采光因素等方面均有所差別；而從水培蔬菜的場地及規(guī)模來看，有工廠大規(guī)模自動化種植，休閑式家庭陽臺種植以及與魚、蝦等水生動物進行種養(yǎng)結(jié)合等模式。

1.1 按照水培裝置的設(shè)計劃分

1.1.1 深液液流法 深液液流水培裝置如圖1所示，通過該裝置使一層較深的營養(yǎng)液（5～10 cm）不斷循環(huán)流經(jīng)蔬菜根系，從而保證不斷供給作物水分和養(yǎng)分，是最早成功應(yīng)用于商業(yè)化植物生產(chǎn)的一種水培技術(shù)。在發(fā)展過程中，世界各國對其作了不少改進，現(xiàn)已成為一種實用、高效的無土栽培設(shè)施類型。廣東綠垠農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司應(yīng)用此技術(shù)取得較高經(jīng)濟效益，種植的蔬菜品種超過40種，并全部取得了無公害蔬菜產(chǎn)品認證[3]。

1.1.2 營養(yǎng)液膜技術(shù) 營養(yǎng)液膜水培裝置如圖2所示，該裝置中營養(yǎng)液以淺層流動的形式在種植槽中從較高的一端流向較低的另一端；植物根系上部暴露在濕氣中吸氧，下部在淺液流中吸水、吸肥，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾。該裝置在生菜、番茄等作物的栽培中廣泛應(yīng)用，效果良好，其中以南京大廠區(qū)無公害蔬菜園藝場應(yīng)用規(guī)模最大，超過3 hm2[4]。

1.1.3 浮板毛管水培 浮板毛管水培裝置如圖3所示，這種形式是浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所東南沿海地區(qū)無土栽培研究中心研制成功的一種新型無土栽培系統(tǒng)[5]。該裝置中蔬菜的部分根系伸向液面上鋪設(shè)的濕氈泡沫浮板，生長為氣生根，吸收氧氣；部分根系伸入營養(yǎng)液內(nèi)，為水生根，吸收養(yǎng)分。該系統(tǒng)適應(yīng)性廣，適宜于我國南北各種氣候生態(tài)類型條件，目前已在番茄、辣椒、芹菜、生菜等植物上應(yīng)用，效果良好[6]。

1.2 按照水培場地及規(guī)模劃分

1.2.1 自動化大規(guī)模種植 在工廠自動化大規(guī)模種植過程中利用系列傳感系統(tǒng)和自動調(diào)控系統(tǒng)，對種植設(shè)施內(nèi)溫、光、水、肥、氣（CO2）等條件進行自動調(diào)節(jié)和控制，可最大限度地滿足不同作物生長發(fā)育對環(huán)境的需求，從而發(fā)揮最大的生產(chǎn)潛力。歐洲一家水培葉菜生產(chǎn)工廠，通過播種、育苗和培育等多個環(huán)節(jié)的高度自動化，最終達到高產(chǎn)高效益的目的。

1.2.2 家庭陽臺種植 根據(jù)蔬菜根系與營養(yǎng)液接觸情況，陽臺種植可分為基質(zhì)水培法和箱式靜止水培法2種。2016年日本新推出一種名為foop的全自動迷你水培蔬菜種植裝置，其內(nèi)置程序能控制箱內(nèi)的LED照明，監(jiān)測CO2、水分和肥料供應(yīng)，用戶只需在裝置內(nèi)投入種子，通過手機APP監(jiān)測便能得到可食用的蔬菜[7]。目前家庭水培菜園系統(tǒng)仍在不斷開發(fā)完善中，已有20種以上常見的蔬果實現(xiàn)了水培種植，其中以瓜果類、葉菜類和豆類的種植效果較好。家庭蔬菜種植充分利用樓頂、陽臺等空間不僅可生產(chǎn)出清潔、衛(wèi)生、無公害的綠色蔬菜，同時還可以美化室內(nèi)環(huán)境。隨著人們對自然生態(tài)的向往，陽臺種植可作為一種休閑方式滿足人們的這一需求。

1.2.3 池塘種養(yǎng)結(jié)合 池塘種養(yǎng)結(jié)合模式是利用生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)和水處理學(xué)等相關(guān)技術(shù)，形成“養(yǎng)、種、凈化”三合一的種植模式。該模式利用植物的固氮作用達到節(jié)水節(jié)肥、綠色環(huán)保、魚菜同時增收的效果。任泓旭[8]的研究發(fā)現(xiàn)，九龍坡地區(qū)采用魚菜共養(yǎng)模式，水產(chǎn)品產(chǎn)值達101萬元，空心菜產(chǎn)值達7.2萬元；張凱等[9]比較了不同養(yǎng)殖系統(tǒng)中羅非魚的產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)魚菜共生試驗組羅非魚產(chǎn)量最高，為（4.31±0.13）kg/m3。

美國在該方面也進行了大量研究，現(xiàn)已實現(xiàn)多種魚類養(yǎng)殖與生菜、西紅柿、黃瓜等多種蔬菜種植的結(jié)合。

2 水培蔬菜營養(yǎng)與品質(zhì)相關(guān)研究

水培蔬菜無論是從安全性，還是蔬菜口感、內(nèi)在品質(zhì)，都優(yōu)于土壤栽培。正因為如此，水培蔬菜目前在世界范圍內(nèi)都作為高檔蔬菜消費。但近年來，隨著人們生活水平的提高，對蔬菜的營養(yǎng)品質(zhì)也有更高的要求，故其營養(yǎng)價值及安全品質(zhì)還需進一步明確。

2.1 水培蔬菜營養(yǎng)價值研究

水培蔬菜的營養(yǎng)價值是決定蔬菜優(yōu)劣的重要因素，主要包括葉綠素、還原糖和VC等。不同營養(yǎng)液配方生產(chǎn)出的蔬菜在產(chǎn)量和營養(yǎng)價值上會表現(xiàn)出一定差異。例如：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)和安徽技術(shù)師范學(xué)院擬定的配方生產(chǎn)的辣椒還原糖含量分別達26.7和26.5 g/kg，

VC含量分別為891和886 mg/kg，顯著高于其他學(xué)者的配方[10]；而日本園式配方出產(chǎn)的西葫蘆中還原糖含量高達29.4 g/kg，與其他配方差異顯著[11]。這表明營養(yǎng)液的配方對蔬菜品質(zhì)有較大影響，在生產(chǎn)過程中可以根據(jù)不同品種選擇適宜的營養(yǎng)配方來提高蔬菜的營養(yǎng)價值。

研究還表明，在營養(yǎng)液中加入某些營養(yǎng)元素也可使蔬菜的品質(zhì)發(fā)生較大變化。盧敏敏[12]通過設(shè)置6個含有不同濃度硒營養(yǎng)液的處理發(fā)現(xiàn)還原糖和VC含量隨硒濃度的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在硒濃度為0.5 mg/L的情況下，蔬菜營養(yǎng)成分含量達到最高。而在營養(yǎng)液中加入不同濃度鉀、鈣、鎂也可以提高蔬菜的營養(yǎng)品質(zhì)。唐小付等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，當營養(yǎng)液中添加490 mg/L鉀、206 mg/L鈣和65 mg/L鎂時，甜瓜的葉綠素、總糖及VC含量均達最高水平。由此說明，在營養(yǎng)液中加入適量的鉀、硒等營養(yǎng)元素可以提高蔬菜的營養(yǎng)價值。此外，向溫室內(nèi)增加適量的CO2同樣可以提高蔬菜的營養(yǎng)價值，如黃瓜葉片中葉綠素含量在增施CO2后由0.93 mg/g增加到1.10 mg/g，增福為18.28%。

2.2 水培蔬菜安全品質(zhì)研究

水培蔬菜能否食用、是否安全一直是人們爭議的話題，而影響水培蔬菜食用安全的指標主要是硝酸鹽含量。有研究發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)液中N的濃度對蔬菜硝酸鹽含量影響顯著。杜紅艷等[14]在研究水培韭菜與N濃度關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)液中總氮濃度為4 mmol/L時，蔬菜中硝酸鹽含量最低；同時，隨著營養(yǎng)液中氮濃度的增加，硝酸鹽含量呈現(xiàn)出先升高再降低的趨勢。不同營養(yǎng)液配方培育的蔬菜中硝酸鹽含量會有一定差異，且隨著水培時間的延長，蔬菜硝酸鹽含量也會隨之增加。鄭佳偉[15]比較了不同營養(yǎng)液配方對葉菜型甘薯硝酸鹽含量的影響，結(jié)果表明園氏配方培養(yǎng)出的甘薯葉中硝酸鹽含量最低。營養(yǎng)液更換頻率對硝酸鹽含量也有較大影響。雷玉玲等[16]的研究表明當營養(yǎng)液更換頻率從10 d變更為30 d時，小白菜中硝酸鹽含量降低了41.2%，既節(jié)約了生產(chǎn)成本，又改善了蔬菜品質(zhì)。添加不同形式的氮素也會影響蔬菜的硝酸鹽含量。陳選陽等[17]在研究葉菜型甘薯莖尖營養(yǎng)品質(zhì)與硝酸鹽含量的影響時發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)N提高了蔬菜硝酸鹽含量，而氨態(tài)N會減緩水培葉菜型甘薯硝酸鹽含量的增加，酰氨態(tài)氮可以降低硝酸鹽含量。此外，營養(yǎng)液中元素的種類及濃度也會對硝酸鹽含量產(chǎn)生一定影響。在營養(yǎng)液中加入不同濃度硒元素，蔬菜中的硝酸鹽含量在一定時間內(nèi)會隨硒濃度的增加而下降，硒元素濃度為0.10 mg/L時，硝酸鹽含量最低，比對照降低了37%；但硒濃度過高又會增加蔬菜中的硝酸鹽含量[18]；故在營養(yǎng)液中加入適量硒元素可降低蔬菜中硝酸鹽含量，提高蔬菜食用安全品質(zhì)。

3 水培蔬菜在水質(zhì)改善中的應(yīng)用

水是人類生活賴以生存的物質(zhì)，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和現(xiàn)代化進程的加快，人口增長和經(jīng)濟發(fā)展對水環(huán)境造成嚴重破壞，工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污染以及生活污水的排放等人為污染以及生物量、水體養(yǎng)分的增加使得水體在較短周期內(nèi)迅速富營養(yǎng)化[19]。

在水培系統(tǒng)中，植物根部可形成獨特的水體-植物根系-微生物生態(tài)系統(tǒng)，使水體通過植物同化作用和根系微生物的硝化/反硝化、好氧區(qū)/厭氧區(qū)間的相互協(xié)調(diào)作用而達到凈化、改善的目的。表1介紹了幾種蔬菜在不同污水中培育對水體總氮、總磷和氨氮含量的影響。由表1可知，水培蔬菜的培育對污水凈化的效果非常顯著，污水中氮、磷含量均有大幅度下降；其中，在自配污水中培育番茄，污水中氮、磷的消除率分別為93.74%、85.62%，培育萵筍的消除率分別為66.4%、96.44%；在藕田污水中培育油菜和生菜，污水中氨氮的消除率分別為89.40%和92.74%；在生活污水中培育空心菜，污水中氮、磷分別降低了82.53%、57.14%。蔬菜根部較強的呼吸作用是污水氮、磷含量下降的主要原因；而植物正常生理代謝產(chǎn)生的有機物可促進水體微生物的生長，水體微生物與植物的共同作用也可消除氮、磷達到凈水目的。

除表1中的蔬菜可凈化污水以外，油麥和包菜也有不錯的污水凈化效果。汪小將等[23]發(fā)現(xiàn)包菜對污水中磷的凈化效果與生菜類似，去除率高達92%；刺苦草對水體中磷的凈化也有重要作用，其對富營養(yǎng)化水體的TN、TP、NH4+-N、COD的去除率分別為66.64%、90.02%、91.94%、71.17% [24]。水培蔬菜不僅可以凈化水體、提高水體良性循環(huán)利用，還可以提高生態(tài)修復(fù)的經(jīng)濟效益，Lu等[25]利用水生植物凈化城市黑臭河水，結(jié)果表明，黑臭河水中COD、TN、TP、NH4+-N等污染指標的去除率高達60%，并且水培蔬菜生長良好、產(chǎn)量較高，極大地增加了經(jīng)濟收益；Vaillant等[26]利用水培植物處理農(nóng)村生活污水，發(fā)現(xiàn)COD和TP的去除率可達到82%和（38±9）%，氨氮去除率則高達93%。還有研究表明，水雍菜（空心菜）改進凡納濱對蝦養(yǎng)殖池水的能力較強[27]，不僅提高了凡納濱對蝦的產(chǎn)量，而且水雍菜成活率達到100%，達到了對蝦與蔬菜雙增益的目的。

4 展 望

近年來水培技術(shù)發(fā)展迅速，其種植形式多樣化，能準確控制蔬菜生長所需養(yǎng)分的供給，實現(xiàn)養(yǎng)分的高效利用；同時，還能隔絕土傳病蟲害的侵染，減少農(nóng)藥的施用，最終獲得的蔬菜產(chǎn)品達到無公害農(nóng)產(chǎn)品的要求。而且水培新模式——池塘種養(yǎng)結(jié)合，作為一種新型的水體凈化技術(shù)，在凈化水質(zhì)的同時實現(xiàn)了魚菜共同增產(chǎn)。目前，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對蔬菜營養(yǎng)與品質(zhì)的要求不斷提高，高效化、無污染、高品質(zhì)的有機蔬菜將供不應(yīng)求，市場前景十分廣闊。

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（責任編輯：成 平）