無土栽培技術的發展與應用

李霞+張軼婷+劉厚誠

【摘要】無土栽培采用營養液栽培，以人工制造的作物根系環境取代了土壤環境，結合環控技術能合理調節作物生長的光、溫、水、氣、肥等環境條件，充分發揮作物的生長潛力。隨著設施農業的發展，無土栽培技術越來越受到重視。

無土栽培技術的發展

第2次世界大戰中，美軍就開始采用無土栽培技術為軍隊生產新鮮蔬菜，在20世紀50年代，美國開始在溫室內采用無土栽培方式生產蔬菜，成為了最早實現無土栽培商業化的國家[1]。美國早期無土栽培主要為砂袋培和巖棉培，主要種植萵苣、番茄、黃瓜等蔬菜和少部分花卉，集中在干旱和沙漠地區。第2次大戰后，美國在日本建立的無土栽培設施為日本的無土栽培奠定了基礎，早期主要為DFT栽培和巖棉栽培，目前主要以無機和有機基質栽培為主體。日本基于無土栽培技術研發和應用人工光型葉菜類植物工廠，成為全球植物工廠最多的國家[2]。荷蘭是世界上無土栽培最先進的國家。荷蘭的無土栽培作物主要是番茄、黃瓜、甜椒和花卉，大部分實現了微電腦控制，達到了現代化、自動化管理水平[3]。

中國正式進行無土栽培研究是在1975年山東農業大學開始用蛭石栽培西瓜、黃瓜、番茄等。20世紀90年代前，中國處于引進、吸收消化國外的無土栽培技術，90年代以后，國內開始自主研發出適合中國環境資源情況的新型無土栽培技術，如有機生態型無土栽培系統、浮板毛管系統，以及一些低成本、優質的栽培基質及其配套的營養液配方[4]，促進了無土栽培技術在國內的推廣應用。

目前中國無土栽培技術主要用于設施園藝中番茄、黃瓜、甜椒、甜瓜、生菜等蔬菜作物及花卉植物。近幾年國內各研究所對無土栽培的模式、基質配方、肥料配方、灌溉模式及產品品質等方面都做了深入研究。由于無土栽培在防止肥料導致的環境污染、節約水資源、提高作物產量方面的潛在優勢，無土栽培面積不斷擴大，目前已成為設施作物生產的重要栽培方式。

無土栽培的優勢有以下4點：（1）有利于實現工廠化生產。無土栽培在一定程度上擺脫了傳統植物種植以及作物生產模式的束縛，不受土壤環境以及氣候等自然因素的干擾，可以避免設施栽培出現土壤連作障礙，減少栽培工序、節省勞動力，有利于實現操作管理向自動化、現代化方面的發展。（2）栽培條件寬泛。無土栽培有效地擺脫了土壤條件的限制，在戈壁、荒地、沙灘地、鹽堿地、海島、城市等地都可以進行無土栽培，生產優質、新鮮的蔬菜。（3）栽培的肥水利用率較高。無土栽培的營養液營養全面且均衡，營養的有效性高，供應充分、迅速，有利于植物對營養的吸收，肥水利用率得到大幅度提升。（4）產量高質量好。無土栽培很大程度上滿足了作物對溫度、光照、水分、養分的需求，作物的產量大幅提高，產品品質也有顯著改善。

無土栽培的類別和特點

水培

水培指植物的根系直接生長在營養液液層的栽培技術。水培可以充分利用種植空間，1年可以收獲多茬，具有節水、節肥等優點[5]。

營養液膜技術

營養液膜技術（ NFT，Nutrient Film Technique ），

是指將植物種植在淺層循環流動的營養液中，植物根系能夠從循環的淺層營養液吸收充足的養分，又能從空氣中獲得呼吸代謝所需要的氧氣，可以充分的協調水、肥、氣之間的關系（圖1）。營養液膜技術設備包括種植槽、貯液池、營養液循環流動裝置及其他輔助設備等。營養液膜栽培技術中的營養液在泵的驅動下從貯液池流到種植槽內，使作物根系充分接觸一層很薄的營養液，然后流回至儲藏液池內，形成循環式供液體系。NFT栽培技術相對簡單、設施投資少、易于實時檢測與實現生產過程的自動化管理。但NFT栽培技術也存在根系只能接觸淺層的營養液，對環境溫度、濕度的緩沖能力小；營養液循環需要電供應動力，對電源條件要求嚴格；循環供液，易傳播病害等不足。

NFT栽培技術能顯著提高產量和品質，研究證實，NFT栽培的番茄植株性狀和果實品質均優于土培番茄[6]；與椰糠、巖棉栽培比較，NFT栽培的生菜產量最高，葉片中的硝酸鹽含量有所降低[7]。NFT栽培可以增強作物的抗性，與土培相比，NFT栽培的櫻桃番茄對弱光、高溫的適應能力增強[8-9]。

深液流技術

深液流技術（DFT，Deep Flow Technique）是指植物生長在循環流動液深大約5～10 cm的營養液層的一種水培方式[10]，主要包括種植槽、定植板/網、貯液池和循環系統4部分（圖2）。DFT技術具有效率高、設施穩定并耐用、管理操作簡單等特點，是最早成功應用于商業化植物生產的無土栽培技術。DFT技術還可以通過加熱或者冷卻營養液等措施來調節根系溫度，具有良好的溫度調控作用[11]。DFT栽培植物的根系大部分接觸營養液，所以在調節營養液與氧氣之間的關系較弱，需要的設施設備復雜。

浮板水培技術

浮板水培技術（FHT，Floating Hydroponics Technique）是指作物定植在浮板上（圖3），浮板放置于營養液中，可自由漂浮的一種栽培方式。該技術是由浙江省農業科學院和南京農業大學研制成功的一種新型無土栽培系統，具有成本低、投資少、管理方便、節能、實用等特點[12]。浮板水培技術適應性廣，在番茄、辣椒、芹菜等多種蔬菜栽培上應用取得良好效果。

霧培

霧培技術又稱噴霧栽培、氣霧培（圖4），是指通過噴霧裝置將霧狀的營養液噴灑到作物的根系上，是在無土栽培技術中水肥氣協調得最好的栽培方式[12]，霧培主要由栽培系統、營養液供給系統、控制系統3大部分組成。霧培具有節約水資源、水肥利用效率高、操作簡單等優點。但是霧培系統對電力供應要求較高，植物的根系生長發育過于發達、經濟系數較低。

霧培能夠促進作物的產量和品質的提高，研究表明，霧培能促進網紋甜瓜植株生長，提升產量和品質[13]。霧培下的馬鈴薯生長速度快、生長周期延長[14]，還能提高馬鈴薯塊莖的繁殖能力，從而繁育出無毒高質量的馬鈴薯種苗[15]。霧氣還可以提高麝香、非洲白等藥用植物的產量、品質以及產品的均勻度[16]。

基質培

基質栽培是用固體基質（介質）固定植物根系，施用營養液的一種無土栽培方式（圖5）?；|不僅能夠固定、支撐作物，還充當養分和水分的載體，穩定植物根系環境的作用。根據栽培基質的形態、成分、形狀可分為無機基質栽培、有機基質栽培和混合基質栽培3種類型。

無機基質栽培

無機基質栽培是指以砂、礫、陶粒、巖棉、蛭石、珍珠巖等基質進行的栽培方式（圖6）。無機基質生產成本低、消毒后可以重復利用。無機基質的營養成分含量低，作物所需的營養養分完全靠營養液供給，緩沖性較小，對營養液的要求嚴格[17]。一般情況下，單一的無機基質不利于植物生長，多種基質按一定的比例配比進行種植更能促進作物的生長發育，或者可以通過改變營養液的成分有效地提高作物的產量和品質。

有機基質栽培

有機基質栽培是將作物種植在天然或合成的有機材料的栽培方式（圖7）。有機基質主要有樹皮、秸稈、稻殼、蔗渣、苔蘚、堆肥、沼渣、泥炭等。有機基質因來源不同而含有的有機營養成分、理化性質等都存在較大差異，并且基質成分也隨著環境的改變而變化。基質原料主要來自農業生產過程中剩余的生物質，具有成本低、高效、減少營養液流失、富含有機營養、保水性能好、環保等優點[12]。根據作物的特性，選用合適的有機基質是提高作物產量和品質至關重要的環節。

混合基質栽培

混合基質栽培是指采用無機-無機、有機-有機、有機-無機混合的基質進行植物栽培（圖8）。混合基質是由結構性質不同的原料混合而成，在水、氣、肥相互補充、混合基質優于單一基質，是運用廣泛、低成本、使用效果穩定的一種栽培方式[18-19]。不同的作物對栽培基質的理化性質的需求是存在差異的。因此，在不同的作物育苗、生長發育及產品品質提升時需要根據作物、當地的資源而選擇適宜的栽培基質配方。

有機生態型無土栽培

有機生態型無土栽培是指在有機基質栽培的基礎上施用有機固態肥后直接用清水灌溉作物的一種無土栽培技術（圖9），是20世紀90年代由中國農業科學院蔬菜花卉研究所研發的一種生態環保新型無土栽培方式[4]。有機生態型無土栽培既具有傳統無土栽培的優勢，也擁有營養元素齊全、節約成本、生態、高產優質等優點。

有機生態型無土栽培形式主要有槽式栽培、袋式栽培、立體栽培。通常，生產上采用槽式栽培方式，主要有2種形式：一種是用磚砌成的，另一種是直接在水平面挖成槽型的簡易栽槽，在生產過程中應根據作物的株型選擇相應的栽培槽。同時，也應根據作物的需求和當地的資源選擇經濟、高效的基質。

無土栽培技術的發展趨勢

中國無土栽培技術的廣泛應用起步較晚，無土栽培技術水平還處于不斷發展階段，隨著設施農業的發展，未來無土栽培將會出現蓬勃發展的新局面，無土栽培技術具有十分廣闊的發展前景。

基質栽培是中國目前主要的無土栽培形式，由于中國資源、環境存在很大的差異，應該根據各地的資源情況選擇適合的栽培基質，營養液配方也因各地水質等的不同而進行適合的調整，發展各地特色的無土栽培技術。此外，我們還需加強研究替代草炭和巖棉的無土栽培生態型基質，開發生態型復合無土栽培基質，優化栽培基質配制技術，研究無土栽培作物根區環境的調控技術，營養液的消毒技術和配套設施設備以及無土栽培灌溉自動控制技術和配套裝備。

以NFT為代表的葉菜水培方式，易于實現蔬菜生產的標準化、自動化，是今后無土栽培重要的發展方向。為此，需加強營養液各種離子在線檢測技術、營養液自動配比技術、營養液消毒技術以及機械化移栽等技術的研發。

植物工廠是高技術密集型植物生產系統，也是未來設施園藝重要的發展方向之一，以NFT和DFT技術為基礎的多種立體多層無土栽培技術（圖10）已經得到了開發應用，立體多層無土栽培借助栽培床和層架管路裝備，實現植物在多層立體栽培架上進行生產。能提高植物生產效率，充分發揮水肥一體化優勢，拓展垂直空間，提高土地利用效率。但立體無土栽培中光照不足與均勻性的問題值得重視，應該加強改善光環境（包括立體栽培形式、補光方式等）的技術研究和開發。

利用無土栽培營養液的精準可調性，可用于生產高品質番茄、哈密瓜以及功能性葉菜類（如富含蘿卜硫素、β-胡蘿卜素、維生素C、維生素E等、用于透析腎臟病患者食用的低鉀生菜與菠菜等），建立高效無土栽培盈利模式。

物聯網技術快速發展的同時也改變著傳統農業的種植，使其向著智能化、集約化、高效化的方向發展。物聯網應用于無土栽培是現代信息技術與無土栽培技術（圖11）相結合的產物。物聯網技術在無土栽培中主要應用在對栽培環境相關參數的智能化監控和調節，以及輔助人工進行智能化管理，感知和調控栽培基質或營養液溫度、營養液組成、pH、水分含量、植物生長等相關指標，最終實現工廠化生產和效益的最大化。

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