我國(guó)無(wú)土栽培技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 挑戰(zhàn)及展望

李瑞紅，韓奕奕，張維誼

（上海市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，上海 200335）

隨著全球人口的持續(xù)增長(zhǎng)，如何利用有限的自然資源為人類(lèi)提供足夠的食物成為一大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)顯示，2014～2019 年全球營(yíng)養(yǎng)不良人口增加了6 000 萬(wàn)人，總量高達(dá)6.9 億人[1]。我國(guó)人均耕地面積僅為全球平均水平的42%，較其他國(guó)家明顯偏低。在全球氣候變暖、水資源匱乏、荒漠化加劇等不確定因素的影響下，要充分重視如何保證食物的安全供應(yīng)，無(wú)土栽培技術(shù)將是解決這一問(wèn)題的重要途徑?；贑NKI、WoS、Espacenet 等數(shù)據(jù)庫(kù)有關(guān)無(wú)土栽培的文獻(xiàn)和專(zhuān)利，通過(guò)比較分析法，分析我國(guó)無(wú)土栽培技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)，旨為更好地促進(jìn)我國(guó)無(wú)土栽培技術(shù)可持續(xù)發(fā)展與應(yīng)用提高理論依據(jù)。

1 無(wú)土栽培的概念及發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)土栽培技術(shù)是指在不利用傳統(tǒng)土壤的條件下進(jìn)行栽培和生產(chǎn)活動(dòng)[2]。各國(guó)根據(jù)生產(chǎn)與實(shí)踐對(duì)無(wú)土栽培技術(shù)進(jìn)行了命名，如中國(guó)、歐洲、日本的設(shè)施農(nóng)業(yè)（protected agriculture）[3]，美國(guó)的可控環(huán)境農(nóng)業(yè)（controlled environment agriculture）以及室內(nèi)農(nóng)業(yè)（indoor farming），均指通過(guò)人為技術(shù)手段擺脫外界環(huán)境變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響[4]。根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)是否以傳統(tǒng)土壤為生長(zhǎng)基質(zhì)，則又可以進(jìn)一步分為土培、水培、魚(yú)菜共生、氣培、混合培養(yǎng)等類(lèi)型，除土培外其他培植方式均為無(wú)土栽培[5]；數(shù)據(jù)顯示，無(wú)土栽培模式中水培占比為49%，居第1 位[6，7]（圖1），水培技術(shù)主要包括營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)、深液流技術(shù)、漂浮水培法等[5，8～10]。根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)采用的設(shè)施類(lèi)型可以分為日光溫室、垂直農(nóng)業(yè)、容器農(nóng)業(yè)、簡(jiǎn)易塑料大棚等[4]。由于無(wú)土栽培技術(shù)具有環(huán)境可控、減少土傳病發(fā)生、提高產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量[11]、提高土地利用效率[12，13]和經(jīng)濟(jì)效益等[14～16]優(yōu)勢(shì)在世界各國(guó)得到了推廣與應(yīng)用，其中西紅柿、黃瓜、香草、生菜采用水培無(wú)土栽培種植技術(shù)的占比較大 （圖 2）。

圖1 設(shè)施農(nóng)業(yè)分類(lèi)與占比Fig.1 Classification and proportion of facility agriculture

圖2 主要水培作物種類(lèi)與占比Fig.2 Types and proportion of main hydroponic crops

2 無(wú)土栽培相關(guān)文獻(xiàn)及專(zhuān)利申請(qǐng)情況

2.1 無(wú)土栽培相關(guān)文獻(xiàn)

以“無(wú)土”為主題詞、年限為1978～2020 年檢索中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的中文文獻(xiàn)，共檢索到5 051 篇；以“soilless”為主題詞、年限為1978～2020年檢索Web of Science（WoS）數(shù)據(jù)庫(kù)所收錄的英文文獻(xiàn)，共檢索到4 878 篇，通過(guò)對(duì)檢索結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，英文文獻(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)為波動(dòng)緩慢增長(zhǎng)期―快速增長(zhǎng)期―急速下降期，1997～2013 年是緩慢增長(zhǎng)期，文獻(xiàn)數(shù)量由14 篇增長(zhǎng)至164 篇，2013 年后進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，到2018 年達(dá)到峰值706 篇，年平均增長(zhǎng)速率為35.31%，2019 年發(fā)表文獻(xiàn)快速降低到449 篇，下降幅度為36.4% （圖3）；發(fā)表數(shù)量最多的國(guó)家依次為中國(guó)、美國(guó)、意大利、西班牙，總發(fā)文量均超過(guò)100 篇（圖4）。中文文獻(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)為波動(dòng)緩慢增長(zhǎng)期―平穩(wěn)增長(zhǎng)期―波動(dòng)緩慢下降期，其中，1978～1997年為波動(dòng)緩慢增長(zhǎng)期，文獻(xiàn)數(shù)量由38 篇增長(zhǎng)至74篇；1998～1999 年文獻(xiàn)數(shù)量平均增長(zhǎng)率為56.30%；2000～2007 年進(jìn)入平穩(wěn)增長(zhǎng)期，文獻(xiàn)數(shù)量保持在191～222篇；2008 ～2020 年進(jìn)入波動(dòng)緩慢下降期，平均降低了5.68% （圖 3）。

圖3 CNKI、WoS 數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的無(wú)土栽培文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Soilless cultivation literatures included in CNKI and WoS databases

圖4 WoS 數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的無(wú)土栽培論文來(lái)源國(guó)家統(tǒng)計(jì)Fig.4 Source countries of soilless cultivation papers included in WoS database

通過(guò)分析文獻(xiàn)的主題關(guān)鍵詞（圖5）顯示，研究的重點(diǎn)領(lǐng)域包括基質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)液、植物品種與研究法方向、無(wú)土栽培設(shè)施?；|(zhì)是無(wú)土栽培技術(shù)的關(guān)鍵與核心[17，18]，有機(jī)生態(tài)型基質(zhì)是重要的研究方向[15，19～21]；營(yíng)養(yǎng)液是無(wú)土栽培技術(shù)重點(diǎn)，不同品種的養(yǎng)育液需求不同[22～24]；無(wú)土栽培已經(jīng)較為廣泛的應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，除瓜果蔬菜外，育苗育秧和花卉園藝等也是重要應(yīng)用領(lǐng)域[11，13，25，26]；無(wú)土栽培設(shè)施研究包括環(huán)境可控的溫室、提高空間利用效率的立體栽培模式等[4，17]。

圖5 CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于無(wú)土栽培文獻(xiàn)主題關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistical results of topic keywords of soilless cultivation literature in CNKI database

2.2 無(wú)土栽培專(zhuān)利申請(qǐng)

以“soilless”“soil-less”“hydroponics”“aquaponics”“aeroponics”為主題詞、年限為 1978～2020 年檢索歐洲專(zhuān)利局Espacenet 數(shù)據(jù)庫(kù)所收錄的各國(guó)專(zhuān)利，共檢索到5 998 項(xiàng)。有關(guān)無(wú)土栽培技術(shù)專(zhuān)利數(shù)量前4位的國(guó)家依次是中國(guó)、日本、韓國(guó)和美國(guó)（圖6）。我國(guó)無(wú)土栽培相關(guān)專(zhuān)利從20 世紀(jì)80 年代起步，2008 年專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量躍居第1 位，2011 年起專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量快速提升，并與2018 年達(dá)到峰值（圖7）。

圖6 各國(guó)的無(wú)土栽培專(zhuān)利申請(qǐng)情況Fig.6 Patent applications for soilless cultivation in various countries

圖7 1978～2020 年國(guó)內(nèi)外無(wú)土栽培相關(guān)專(zhuān)利數(shù)量Fig.7 Number of patents related to soilless cultivation at home and abroad in 1978-2020

3 無(wú)土栽培技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

無(wú)土栽培技術(shù)近年來(lái)得到了快速發(fā)展，但仍然是一種面臨著諸多困難和挑戰(zhàn)，如資金投入、環(huán)境設(shè)施、人力成本、可持續(xù)性、食品認(rèn)證等[27]。無(wú)土栽培技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，有一定的環(huán)境設(shè)施要求以進(jìn)行有效控制和克服外界因素影響[28]，這就要求前期設(shè)施投入資金、運(yùn)行資金要充足[29]，如水培技術(shù)的主要運(yùn)行成本包括勞動(dòng)力、物質(zhì)（培養(yǎng)基質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)液、種子等） 投入、產(chǎn)品運(yùn)輸、土地租金、產(chǎn)品包裝、能源等，占用資金較大。在無(wú)土栽培技術(shù)應(yīng)用的環(huán)節(jié)中，如營(yíng)養(yǎng)液配置、栽培過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、管理控制等需要高素質(zhì)人才，因此人力成本較高[30，31]。無(wú)土栽培技術(shù)與設(shè)施需要定期升級(jí)以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，如數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、農(nóng)場(chǎng)管理系統(tǒng)、自動(dòng)包裝裝置、LED 光源、有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（培養(yǎng)基質(zhì)）等[32]；各種作物以及種植區(qū)需要的無(wú)土栽培技術(shù)差異加大[4]，且在技術(shù)轉(zhuǎn)化過(guò)程中需要通過(guò)不斷地實(shí)踐才能得以落地實(shí)施。無(wú)土栽培產(chǎn)品目前無(wú)法通過(guò)有機(jī)食品認(rèn)證、綠色食品認(rèn)證等，嚴(yán)重阻礙其可持續(xù)性發(fā)展[33，34]。

4 未來(lái)展望

雖然我國(guó)的無(wú)土栽培技術(shù)起步較晚[30]，但近年來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，目前相關(guān)領(lǐng)域的研究與成果列舉世界第1 位，但是應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)土栽培技術(shù)占比仍然較低，開(kāi)展水培、魚(yú)菜共生等無(wú)土栽培技術(shù)生產(chǎn)模式的企業(yè)仍然較少。我國(guó)人均耕地面積低于世界平均水平，水資源匱乏，無(wú)土栽培技術(shù)發(fā)展前景廣闊[35]。未來(lái)要積極引導(dǎo)和規(guī)范無(wú)土栽培的規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，加強(qiáng)無(wú)土栽培相關(guān)研究、提高專(zhuān)利轉(zhuǎn)化率，進(jìn)一步豐富和提升人民的農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)水平和質(zhì)量。