智能水凝膠作為無土栽培基質(zhì)研究與應(yīng)用的發(fā)展

吉樂涵 翁濱偉 竺寅威

[摘 要]智能水凝膠是水凝膠的一種，其性能能夠隨著外部環(huán)境（如溫度，pH，電場，溶劑性能，光的強度和波長，壓力，離子強度等）的變化而改變、響應(yīng)，具有環(huán)境響應(yīng)性。本文簡介了智能水凝膠在藥物控釋、組織工程、材料分離、酶固定和調(diào)光材料等方面的應(yīng)用。同時介紹了無土栽培的發(fā)展歷史和無土栽培在國內(nèi)外的總體情況，無土栽培在國內(nèi)的主要實施方法和無土栽培技術(shù)的類型、特點和優(yōu)勢，分析并預(yù)測其現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]無土栽培;水凝膠;發(fā)展;前景

[中圖分類號]S688.4 [文獻標識碼]A

1 無土栽培發(fā)展概況

國際無土栽培學(xué)會將無土栽培定義為用基質(zhì)代替天然土壤，移栽后用植物所需養(yǎng)分澆灌代替基質(zhì)的栽培方法。與傳統(tǒng)的栽培方式相比，無土栽培具有自身極大的優(yōu)勢。有效地解決了植物所需的生長條件矛盾，充分發(fā)揮了作物產(chǎn)量增發(fā)潛力。已經(jīng)有許多國家和地區(qū)使用并發(fā)展無土栽培技術(shù)，其栽培技術(shù)日趨成熟完善。無土栽培技術(shù)的推廣應(yīng)用，推動了農(nóng)業(yè)、園藝、林業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展，使其進入了一個新的發(fā)展階段，對于今后的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有十分重大的發(fā)展意義。

我國無土栽培的應(yīng)用始于1941年，但因當時的生產(chǎn)條件限制、生產(chǎn)成本高而被放棄。70年代末，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)首次開展了無土栽培生產(chǎn)試驗，取得了成功。80年代中期，隨著改革開放技術(shù)的提升和人民生活水平的提高，國外的溫室無土栽培設(shè)施投入生產(chǎn)，蔬菜生產(chǎn)不再是一味地追求高產(chǎn)，人們對于其質(zhì)量要求也越來越高，在這種情況下，全國各地的無土栽培技術(shù)迅速發(fā)展，國內(nèi)的技術(shù)狀態(tài)也從研究變?yōu)榱松a(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，1989年我國無土栽培面積只有5.0 hm左右，90年代中期僅在北京一地就達到2.5 hm左右，我國無土栽培面積為118.0 hm左右，近年來我國無土栽培進入了快速發(fā)展階段。目前，隨著100多個采用無土栽培技術(shù)的國家和地區(qū)技術(shù)的逐步成熟和發(fā)展，無土栽培的應(yīng)用范圍和栽培面積也不斷擴大，技術(shù)水平也有了質(zhì)一般的飛躍，實現(xiàn)了集約化、量產(chǎn)化，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的目標。

2 技術(shù)的定義及分類

無土栽培作為一門研究無土栽培原理、栽培模式和管理技術(shù)的綜合應(yīng)用科學(xué)，是根據(jù)植物生長的需要使植物直接吸收利用，在植物完全擺脫對土壤的依賴的前提下將各種營養(yǎng)素轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)液。在無土栽培中，人為創(chuàng)造的作物根系取代了土壤環(huán)境，有效地解決了傳統(tǒng)土壤栽培難以解決的水、氣、養(yǎng)分供應(yīng)矛盾，使作物根系處于良好的環(huán)境條件。

無土栽培技術(shù)主要包括水培、薄霧栽培和基質(zhì)栽培，基質(zhì)栽培是無土栽培技術(shù)中的重要形式。目前，世界上大部分的商品無土栽培由于應(yīng)用成本、實用性和經(jīng)營管理難度的影響，采用基質(zhì)栽培法。支持和固定植物是無土栽培基質(zhì)的主要功能，其能夠植物根系提供穩(wěn)定和諧的養(yǎng)物?；|(zhì)的研究是基質(zhì)培養(yǎng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。中國的無土技術(shù)發(fā)展較晚，目前主要采用營養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT）、深液流技術(shù)（DFT）、浮板毛細水培法（FCH）等水培技術(shù)，以及巖棉培養(yǎng)、袋式培養(yǎng)、罐式培養(yǎng)、無土栽培法、有機生態(tài)等基質(zhì)培養(yǎng)技術(shù)。

3 無土栽培技術(shù)的應(yīng)用情況

無土栽培在一定程度上可以代替土培，但其推廣和應(yīng)用在很多方面都會有困難。因此，在實際生活運用中，無土栽培不能完全取代土培，而只能作為土培的另外一種形式，使無土栽培發(fā)揮更大的價值。無土栽培技術(shù)的主要應(yīng)用范圍很廣，包括航空、航海、空間站等。宇航員在太空中生產(chǎn)果蔬供應(yīng)，而且在海洋中儲存空間有圓甲板、倉庫水培箱、水培袋等，可解決各種問題。一是長期在海上工作，以滿足新鮮蔬菜的需求。二是能夠為生活民眾提供微縮栽培，比如說像小型無土栽培箱、袋可以安裝在住宅樓的陽臺、屋頂甚至是家中，這樣一來便利民眾，綠化城市，兩全其美。三是作為觀光農(nóng)業(yè)項目，回歸自然，在郊區(qū)和旅游區(qū)設(shè)立無土栽培示范區(qū)，吸引游客，在豐富旅游資源的同時，拓展民眾們的植物生態(tài)科學(xué)知識，與生物和諧相處。四是用于生產(chǎn)淡季或者高檔園藝產(chǎn)品，可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，促進銷售。五是作為研究科研的道具，進購于中小學(xué)?；蛘呖蒲兄行?。

4 無土栽培技術(shù)的主要缺點

無土栽培技術(shù)有許多優(yōu)勢，但在一定程度上，它只是農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的產(chǎn)物，與土壤栽培相比，無土栽培需要一定的設(shè)施、資金，包括各種應(yīng)用。離子營養(yǎng)液灌溉作物無土栽培系統(tǒng)，一般一次性投資至少9萬元/hm2，有的甚至高達75萬～90萬元/hm2，用于配置肥料營養(yǎng)液，也需要每年花費45200元/hm2以上;甚至對于更為實用的有機生態(tài)土壤無土栽培系統(tǒng)，一次性投資3～4.5萬元/hm2，年化肥成本約24萬元/hm2。由于各種原因，現(xiàn)今大部分生產(chǎn)者對于無土栽培的積極性不高。因此，根據(jù)各種實踐，無土栽培有以下主要缺點：與土壤栽培相比，它具有較高的投資和較高的經(jīng)營成本;嚴格的技術(shù)要求;管理要求最嚴格，一旦管理不當，容易發(fā)生某些疾病的迅速蔓延，造成嚴重后果，損失慘重。

5 無土栽培技術(shù)的分類及特點

5.1 按是否使用基質(zhì)分類

5.1.1 無底物培養(yǎng)。無基質(zhì)培養(yǎng)無固定根基質(zhì)，根與營養(yǎng)液直接接觸?？煞譃樗幕挽F文化。水培栽培，又稱水耕栽培，其特點是為植物根系提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，而且能夠很好地穩(wěn)固根系。水培法主要包括營養(yǎng)液膜法、深液流法和浮板毛細管法。噴霧培養(yǎng)，是一種利用噴霧裝置霧化營養(yǎng)液，直接噴灑植物根系的無土栽培形式。該方法解決了營養(yǎng)吸收與供氧矛盾解決的根源，主要特點是在超聲波傳感器的作用下，以微小顆粒形式存在的營養(yǎng)液，為植物的生長提供營養(yǎng)，經(jīng)超聲波處理后的營養(yǎng)液，實現(xiàn)了超聲波對植物生長的影響。消炎殺菌，控制部分葉片的病情發(fā)生蔓延。

5.1.2 培養(yǎng)基。無土栽培基質(zhì)的協(xié)調(diào)可以為植物提供水溫、氣溫、脂肪結(jié)構(gòu)的生長介質(zhì)，它除了支撐、固定植物外，更重要的是起到“樞紐”的作用，使養(yǎng)分和水分從營養(yǎng)液中轉(zhuǎn)移，使植物根系能夠根據(jù)需要從中吸收。根據(jù)基體的形態(tài)、組成和形狀，國內(nèi)外使用的基體可分為以下四種類型。無機基質(zhì)：包括無機顆粒基質(zhì)，如砂、陶瓷、礫石等。纖維基質(zhì)，如巖棉、礦棉等。還有其他基質(zhì)，如珍珠巖、蛭石等。人造基質(zhì)：常用的合成化學(xué)基質(zhì)，如聚乙烯、聚丙烯、酚醛樹脂、脲醛泡沫塑料等。有機基質(zhì)：鋸末、甘蔗渣、稻草、稻殼、水苔、煙炭、樹皮、麥草、椰殼糠、真菌糠等?；旌匣|(zhì)：無機基質(zhì)與無機基質(zhì)混合的培養(yǎng)基質(zhì)，有機基質(zhì)與無機基質(zhì)混合，有機基質(zhì)與無機基質(zhì)混合。

5.2 按無土栽培能耗及其對環(huán)境和生態(tài)條件的影響分類

5.2.1 有機生態(tài)無土栽培。有機生態(tài)無土栽培的排放溶液對環(huán)境無污染，在灌溉時用清水，用有機肥代替營養(yǎng)液，能生產(chǎn)出合格的綠色食品。有機生態(tài)無土栽培的優(yōu)點是：用有機固體肥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的營養(yǎng)液，操作管理簡單，減少了無土栽培設(shè)施系統(tǒng)的投資，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，對環(huán)境無污染，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。有機生態(tài)無土栽培可以滿足當前生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠色食品發(fā)展的需要。

5.2.2 無機耗能無土栽培。無機耗能無土栽培均采用化肥來調(diào)配植物所需的營養(yǎng)液，大量能量會在營養(yǎng)液循環(huán)中消耗，灌溉液的排放會對環(huán)境造成污染，同時生產(chǎn)出的食品可能會硝酸鹽含量過高。

6 無土栽培的優(yōu)勢及發(fā)展方向

以人工研制的基質(zhì)代替土壤環(huán)境，有效地緩解了傳統(tǒng)土壤栽培難以解決的水、氣、養(yǎng)分供應(yīng)矛盾，使根作物在最佳狀態(tài)下生長，充分發(fā)揮其生長潛力。作物產(chǎn)量增加。無土栽培可以避免土傳病蟲害，避免土壤污染，生產(chǎn)清潔、少污染、無污染、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。同時，無土栽培不再被土壤連作所障礙，具有節(jié)水、省肥、省力等高效生產(chǎn)的不可比擬的優(yōu)勢。然而，由于無土栽培作物根際的環(huán)境（營養(yǎng)液或固體基質(zhì)）比土壤緩沖性差，根系易受外界條件的影響，如溫度、營養(yǎng)液酸堿度、設(shè)施內(nèi)營養(yǎng)狀況等，更容易出現(xiàn)生理障礙。在生產(chǎn)中迫切需要克服的是土壤耕作和相應(yīng)的對策。由于我國大部分地區(qū)采用的是無機消能型無土栽培方式，不僅能耗大，環(huán)境污染大，且這種方式所生產(chǎn)的食品硝酸鹽含量超標，將給人體帶來極大危害，因此應(yīng)大力促進節(jié)約投資，降低成本。勞動力少、操作方便、產(chǎn)量高、產(chǎn)品質(zhì)量好的有機生態(tài)型無土栽培技術(shù)，引導(dǎo)我國向更新、更好的無土栽培技術(shù)發(fā)展。發(fā)展生產(chǎn)無公害、安全、優(yōu)質(zhì)、營養(yǎng)的綠色產(chǎn)品，是社會技術(shù)發(fā)展的必然，也是維護人類健康、保護環(huán)境、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的緊迫任務(wù)。無土栽培作為世界農(nóng)業(yè)科技中廣泛應(yīng)用的先進技術(shù)，已成為發(fā)展生產(chǎn)無公害綠色產(chǎn)品的可靠方法。隨著中國與世界的融合，傳統(tǒng)蔬菜種植將得到更大的發(fā)展。無土栽培因為能夠生產(chǎn)出符合國家食品衛(wèi)生標準的“綠色食品”，將為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持，逐漸成為我國高科技農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要模式。

針對世界無土栽培的現(xiàn)狀和趨勢，將無土栽培技術(shù)從試驗階段逐漸轉(zhuǎn)化為投入運用階段。現(xiàn)狀表明，自動化程度越高，無土栽培的集約化、現(xiàn)代化程度越高，投產(chǎn)效率越高，但由于經(jīng)濟、技術(shù)、設(shè)備等條件的不同，無土栽培技術(shù)水平及其應(yīng)用效果也會有巨大的差異。對于新時代的無土栽培來說，無土栽培將是一個高度和簡易并存的種植設(shè)施。在我國，無土栽培技術(shù)水平還處于初級階段，同時其在我國的應(yīng)用起步較晚，但我國作為一個發(fā)展中國家，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著科技的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提高和經(jīng)濟的迅速蓬勃，無土栽培在未來的發(fā)展不可小覷。興起的無土栽培產(chǎn)業(yè)，會同時帶動農(nóng)業(yè)、園藝、林業(yè)、花卉生產(chǎn)發(fā)展，甚至能讓耕地利用和沙產(chǎn)業(yè)有進一步的發(fā)展。在前幾十年，我國無土栽培技術(shù)發(fā)展緩慢，發(fā)展速度從70年代開始加快。80年代后，隨著改革開放，在全國范圍內(nèi)，由于我國與國際的科技交流增多，同時旅游業(yè)發(fā)展迅速，無土栽培技術(shù)得到了普及，經(jīng)過改革開放后，無土栽培技術(shù)得到了普及。多年后經(jīng)過研究人員的實踐，發(fā)現(xiàn)了系列無土栽培技術(shù)，能夠很好地適應(yīng)我國國情。之后在一系列技術(shù)的開發(fā)后，開發(fā)了新的實用、節(jié)能、高效無土蔬菜栽培技術(shù)，在一定程度上與我國國情契合，我國無土栽培的狀態(tài)從試驗研究階段迅速進入商品化生產(chǎn)階段，并使我國無土蔬菜的栽培技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用成為現(xiàn)實。同時引用國外較為發(fā)達農(nóng)業(yè)技術(shù)，引進國外大型現(xiàn)代化溫室、現(xiàn)代化的無土栽培設(shè)施，開始實現(xiàn)自國自產(chǎn)。調(diào)整實踐各類無土栽培技術(shù)，使其適應(yīng)我國國情，同時開始全面發(fā)展農(nóng)業(yè)技術(shù)。雖然無土栽培作為一種新型農(nóng)業(yè)技術(shù)在我國的實踐運用時間短，但隨著民眾對生活質(zhì)量要求的日益嚴格，大家也會越來越重視無土栽培技術(shù)，其仍具有很大的發(fā)展前景和運用潛力。

7 我國無土栽培技術(shù)存在的問題及展望

在我國現(xiàn)今的技術(shù)下，無土栽培的開發(fā)技術(shù)還不夠成熟，但在其開發(fā)過程中需要多個技術(shù)條件同時發(fā)揮作用，因此造成了無土栽培技術(shù)滯后。具體原因有以下幾點：（1）局限性，無土栽培的局限于特定地區(qū)，而且只有部分作物具有較高的經(jīng)濟價值;（2）基質(zhì)價格昂貴，許多資源屬于不可再生資源，需求量大;（3）生產(chǎn)的成本昂貴，造成銷出的限制與困難，對于消費者來說也有一定的壓力;（4）無土栽培的基質(zhì)影響，其硝酸鹽含量容易過高，對環(huán)境有一定的污染。

對于我國無土栽培技術(shù)的現(xiàn)狀來說，雖然全面推廣有著一定的難度，但相信在今后科技的進步、科研人員的努力和與國外無土栽培技術(shù)發(fā)達的國家交流下，其運用將會有更為廣闊的前景。

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