無土栽培技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展研究進展*

李瑞杰

（四川文理學院特色植物開發(fā)研究四川省高校重點實驗室，四川 達州635000）

國際無土栽培學會規(guī)定，無土栽培是指不采用自然的土壤，使用或不使用基質(zhì)，用營養(yǎng)液培養(yǎng)植物根系或采取其他方式來栽植植物的方法。也有學者定義無土栽培，是一種在作物栽培過程中不使用天然土壤作為營養(yǎng)基質(zhì)，而將作物栽植在由人工做成基質(zhì)材料非土壤的栽培床上的技術(shù)[1]。

與傳統(tǒng)的土壤栽培相比，無土栽培生產(chǎn)減少了土傳病害以及作物栽植后水肥管理、土壤性質(zhì)變化等所應(yīng)采取的措施，能夠克服作物連作障礙，提高資源利用率，提升生產(chǎn)值，達到提高生產(chǎn)效益的目的。近年來，隨著人類對地球的過度開發(fā)和無限索取，土壤嚴重退化，土壤理化性質(zhì)問題愈發(fā)嚴峻，部分作物的土傳病害研究亟待突破，無土栽培技術(shù)的發(fā)展成為必然。

1 無土栽培的中外發(fā)展簡史

在19世紀40年代，就有德國化學家李比希提出無土栽培營養(yǎng)液配置的相關(guān)學說——礦質(zhì)營養(yǎng)學說，認為植物體可利用礦質(zhì)鹽配制液來完成生長。而后到20世紀20年代末，美國的格里克完成了營養(yǎng)液栽植番茄的研究，單株產(chǎn)14.5 kg，自此無土栽培走進大眾視野。自20世紀五六十年代，無土栽培在西方國家發(fā)展空前繁盛。20世紀70年代慘遭石油危機，倚靠石化發(fā)展的無土栽培業(yè)被重挫。而后英國溫室作物研究所開發(fā)的營養(yǎng)液膜技術(shù)（NTF），丹麥開發(fā)的巖棉培技術(shù)（RW），使得無土栽培產(chǎn)業(yè)在危機中存活。到20世紀80年代，隨著技術(shù)的進步以及設(shè)施園藝技術(shù)的不斷完善，無土栽培技術(shù)越來越完善，許多發(fā)達國家實現(xiàn)了無土栽培技術(shù)的工廠化、集約化生產(chǎn)。植物工廠興起，無土栽培成為其核心技術(shù)[2]。

我國在20世紀末引進成套無土栽培設(shè)施，近年逐漸走上集約化生產(chǎn)。1931年，中山大學的羅宗洛研究銨鹽、硝酸鹽營養(yǎng)，取得顯著成果[2]；1937年，上海思維農(nóng)場運用基質(zhì)栽培生產(chǎn)番茄；1947年，美國軍人在南京御道街利用無土栽培進行小規(guī)模作物生產(chǎn)；1969年，臺灣龍?zhí)掇r(nóng)校對蔬菜的礫配進行研究；1975年，山東農(nóng)業(yè)大學對番茄等作物的基質(zhì)栽培取得成功卻未推廣市場[3]；1982年，山東農(nóng)大研制出“魯SCI型”無土多層栽培設(shè)施后，研制出“魯SC-II型”[4]，并在“八五”期間開發(fā)出“浮板毛管水培（FCH）”。我國無土栽培面積迄今為止已超過3 000 hm2。

2 無土栽培形式的對比

2.1 傳統(tǒng)的無土栽培

首先，要用各種無機化肥配制成營養(yǎng)液，既要保證各種元素間的平衡又要保證作物生長需求得到滿足，尤其要關(guān)注微量元素的有效性。其次，在配制過程中，還需要各種設(shè)備配套使用。在灌溉過程中排水流出系統(tǒng)外時，營養(yǎng)液中的鹽會污染環(huán)境[5]。

2.2 有機生態(tài)型無土栽培

有機生態(tài)型無土栽培是指不用傳統(tǒng)無土栽培所用的培養(yǎng)液灌溉作物根系，而是使用有機固態(tài)肥且直接灌溉作物的一種栽培技術(shù)[6]。有機生態(tài)型可通過追肥和清水灌溉來實現(xiàn)肥水管理，有機基質(zhì)即植物營養(yǎng)構(gòu)成的基礎(chǔ)，且成本相較于無機肥料所配置的營養(yǎng)液要更低。由于有機生態(tài)型無土栽培是用清水灌溉，即便有液體排出系統(tǒng)外，對環(huán)境的污染較傳統(tǒng)無土栽培也很小。

在傳統(tǒng)的有機生態(tài)型配方中的草炭、蛭石、珍珠巖，草炭是不可再生資源，過度開采會破壞濕地環(huán)境；蛭石鍛燒條件要求高，三者都為高成本基質(zhì)材料。對此，魏淑蓮（2021）對比四種無土栽培組合基質(zhì)對番茄品質(zhì)和效益的影響，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈、食用菌渣和雞糞以5∶3∶2對照同比例草炭、蛭石和珍珠巖，前者番茄株高、莖粗、單果質(zhì)量、單株果質(zhì)量和產(chǎn)量增加8.38%、8.80%、10.68%、10.76%、9.55%。番茄有機物含量和營養(yǎng)成分如溶性糖、固形物、VC和蛋白質(zhì)含量增加19.57%、25.04%、15.10%和17.74%[7]。但部分研究發(fā)現(xiàn)，有機基質(zhì)混合部分無機養(yǎng)料植物吸收會更高效。李佳瑩（2017）對番茄和黃瓜進行五組配方研究對比，以常規(guī)土壤栽培對照，黃瓜栽培基質(zhì)中，加入了1.9 g尿素和0.55 g的S1T5處理最好，未加入化肥但與S1T5同基本物料配方的S1T4處理次之[8]。

3 無土栽培的類別

3.1 液體基質(zhì)栽培

3.1.1 水培

水培是指植物根系部分浸沒在營養(yǎng)液中吸收所需生長養(yǎng)分，部分根系裸露在潮濕環(huán)境內(nèi)。分為深液流技術(shù)（DFT）和營養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT)。營養(yǎng)液的pH值和EC值是其重要指標，象征著營養(yǎng)液中各種離子和鹽分的含量。較早的營養(yǎng)液自動調(diào)控技術(shù)是國外的Hatou等研發(fā)的營養(yǎng)液控制專家系統(tǒng)[9]，我國在該方向較具有代表性的有牛靜娟的無土栽培營養(yǎng)液調(diào)配及灌溉控制系統(tǒng)[10]，何海東（2011）基于Q-學習設(shè)置的營養(yǎng)液自適應(yīng)系統(tǒng)[11]。

3.1.2 氣霧栽培

氣霧栽培，簡稱霧培。是一種在封閉不透光的環(huán)境中，通過自動控制系統(tǒng)噴灑霧化營養(yǎng)液來滿足作物正常生長需求的栽培模式。作物被懸掛在環(huán)境中且根系裸露。根系的呼吸代謝在富足的氧氣參與的情況下，呼吸代謝產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)化率才能達到最大化，才能更好地吸收外界提供的水分和營養(yǎng)物質(zhì)[12]。韋慧明等（2021）對比水培和霧培對上海青生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響，得到霧培條件下栽培的上海青生理體征等方面均優(yōu)于水培的結(jié)論[13]。高健敏等（2015）對土人參、刺芫荽、奇亞三種藥用植物進行霧培生長研究，對照土培，發(fā)現(xiàn)奇亞株高及根長是土培的1.6倍和3.8倍，土人參和刺芫荽經(jīng)霧培后其平均鮮重是土培的2.9倍和3.4倍[14]。說明霧培有利于植株生物量積累。

劉晶（2013）綜合植物生理、霧培技術(shù)理論、超聲波霧化技術(shù)等知識，設(shè)計了一種名為“超聲霧化自動噴霧栽培”的系統(tǒng)。該系統(tǒng)所噴灑的營養(yǎng)液微粒直徑僅1 μm～5 μm，讓植株更好地吸收養(yǎng)分[15]。

姚利軍（2019）通過設(shè)計雨水利用型霧培裝置的控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)對試驗地長春雨水霧培可行性的檢測。且通過葉菜類雨水霧培實驗證明該系統(tǒng)栽培的作物質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)霧培系統(tǒng)[16]。

霧培作為一種新型栽培技術(shù)，其核心技術(shù)僅掌握在少數(shù)發(fā)達國家中，國內(nèi)研究仍需攻堅。

3.2 固體基質(zhì)栽培

3.2.1 無機基質(zhì)

無機基質(zhì)中包含巖棉、砂礫、珍珠巖等。固體基質(zhì)常伴隨著通透性良好，但保水性差的特點。砂礫是最早用來栽培作物的無土栽培基質(zhì)。巖棉在隨著近年北歐對pH值、鹽分淋洗的深入研究，突破了鹽分在巖棉中堆積的難題，實現(xiàn)了巖棉培營養(yǎng)液的可控[17]。

3.2.2 有機基質(zhì)

索琳娜（2012）對農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物進行處理，并將其利用到無土栽培基質(zhì)中。對充分腐熟發(fā)酵的玉米芯和經(jīng)過高溫惰化處理的玉米芯及其他園林綠化廢棄物進行理化性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)處理后的基質(zhì)性能優(yōu)良，可替代泥炭基質(zhì)[17]。但部分傳統(tǒng)有機基質(zhì)保水性差，如蘆葦末基質(zhì)、泥炭、樹皮等疏水性強，失水干燥后易結(jié)塊[18]，可以結(jié)合高吸水性樹脂，增強固體基質(zhì)的保水性，同時不損害其透氣性[19]。

4 無土栽培相關(guān)技術(shù)

4.1 新型潮汐式無土栽培設(shè)施（NSCD）

靳露等（2018）的新型潮汐式無土栽培設(shè)施較傳統(tǒng)潮汐式設(shè)施，即魯SC-II，其在具有類似抗張能力的情況下，其水對分隔板的壓力遠大于魯SC-II中水對分隔板的壓力，故其供水效率更高，它能在15 min內(nèi)將基質(zhì)含水量提升到80%。此外，NSCD的建造成本減少7.77%。

4.2 仿輪作蔬菜無土栽培系統(tǒng)研究

由付強（2017）設(shè)計的仿輪作無土栽培系統(tǒng)：包含營養(yǎng)液緩沖箱、霧培箱、巖棉栽培床等設(shè)備，結(jié)合巖棉培和霧培技術(shù)，采用立體栽植的方式，運用計算機技術(shù)對營養(yǎng)液pH值和EC值進行實時監(jiān)測和自動調(diào)控，建立兩種仿輪作模式——霧培生菜巖棉培櫻桃蘿卜模式、霧培生菜與巖棉培豌豆苗。通過與同等氣候條件下傳統(tǒng)霧培生產(chǎn)的作物對比，發(fā)現(xiàn)仿輪作模式的栽培效益更高。生菜硝酸鹽含量下降，在兩模式中分別下降14.4%和28.29%，且氮素利用率上升，能源投入大幅度降低。

4.3 滲灌式栽培方式

李飄飄（2014）研制了一種毛細滲灌式無土栽培系統(tǒng)以及毛細吸水材料。其結(jié)構(gòu)簡單，省時省力，設(shè)置在半空中的栽培槽有效減少了病蟲害感染，且塑料薄膜的覆蓋有效減少水分蒸發(fā)。該系統(tǒng)最優(yōu)在于其滿足作物生長需求且保有節(jié)水能力。

4.4 無土栽培遠程灌溉控制系統(tǒng)

王家明等（2020）針對在傳統(tǒng)無土栽培中不完善的勞動力問題設(shè)計了一套無土栽培遠程灌溉控制系統(tǒng)。采用了MSP430F149微處理器配合基于Qt編程設(shè)計的上位機軟件，實時監(jiān)測作物pH值、EC值、溫度，且該系統(tǒng)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來調(diào)控pH值及EC值，實現(xiàn)遠距離檢測數(shù)據(jù)及實時調(diào)控。

4.5 立體栽培

立體栽培分為地面立體栽培和空間立體栽培。地面立體栽培主要依靠間作、套作結(jié)構(gòu)，調(diào)整主群結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)資源利用率的提升。空間立體栽培分為床式兩側(cè)立體栽培、吊掛式兩層立體栽培、框式立體栽培、階梯式栽培、立柱或長帶狀栽培。目前，我國立體栽培多應(yīng)用在綠葉蔬菜、菌類及部分草本蔬果。有研究表明，多層立體栽培作物產(chǎn)量顯著高于土壤栽培，并且多層立體栽培可應(yīng)用到延后栽培技術(shù)中。陳玉波等（2017）采用A字型架研究日光溫室中光溫條件對于草莓立體栽培的影響，研究結(jié)果表明，草莓中下層的成熟期晚于上層，且產(chǎn)量僅占總量的19%～23%。說明不同植株光溫條件對于其在立體栽培中的生長指標有顯著影響，可以根據(jù)這一特性在不同層栽植不同習性同生長期作物，或是調(diào)整層間距以改善光溫環(huán)境對于植株生長的影響以及調(diào)整其管理技術(shù)。桑政（2018）通過改變層間距，設(shè)置80 cm、110 cm、140 cm三個不同層間距的雙層栽培架對番茄進行栽培。研究發(fā)現(xiàn)，80 cm下層番茄較上層第一二花序坐果數(shù)差異不顯著，但平均果重顯著減少。110 cm、140 cm第一第二花序坐果數(shù)和平均果重與上層相較都不顯著。但三個層距中下層番茄第三第四花序坐果數(shù)及平均果重都明顯減少。故針對不同情況應(yīng)采取不同的農(nóng)業(yè)措施來改善下層作物的生長狀況。如層距80 cm的下層番茄留兩穗果打頂，上層留四或五穗果打頂。

5 展望

隨著我國“三農(nóng)”問題的日益嚴峻以及城鎮(zhèn)化步伐的加快，農(nóng)業(yè)人口逐年減少。對于中國這樣人口基數(shù)大的發(fā)展中國家，園藝產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化、集約化、高度機械化已然成為趨勢。對于像中國這樣的后發(fā)國家，在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的前提下，將無土栽培技術(shù)結(jié)合自身國情，走出一條獨具特色的、適合自己的無土栽培產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路是切實可行的。但顯然，我國的無土栽培技術(shù)遠不及發(fā)達國家，廣大科研工作者仍需努力。