無土栽培領域發展態勢研究

陳奕穎，羅予均，史子玄，孫會軍，2，3

（1.中國農業大學圖書館 北京 100193；2.中國農業大學國家農業科技戰略研究院國際農業科技信息研究中心 北京 100193；3.中國農業大學國家知識產權信息服務中心 北京 100193）

無土栽培（soilless culture）是一種不用天然土壤種植植物的栽培技術，它是將植物栽培在一定裝置的含植物生長發育所必須營養元素的營養液中，或者栽培在充滿營養液的用砂、礫石、蛭石等非土壤的基質材料做成的栽培床上，能夠使植物正常地完成生活周期的種植技術[1]。無土栽培在設施蔬菜種植中得到廣泛應用，據統計，2019 年全球蔬菜無土栽培面積達到19.7 萬hm2[2]。改革開放以后，無土栽培在我國開始蓬勃發展，截至2018 年，我國無土栽培面積高達6 250.5 hm2，預計到2023 年種植面積將增長到16 561.3 hm2[3]。我國無土栽培技術大多用于黃瓜、番茄、葉用萵苣、甜瓜、甜椒等蔬菜作物的生產[4]。無土栽培的方式有水培、基質培和霧培[5]。其中，基質培為主要栽培形式[6-7]。基質培的基質有沙、礫、鋸末、泥炭、蛭石、珍珠巖、巖棉等[8]。

全球農業發展面臨氣候變化、農藥化肥的過度使用等導致的土壤退化、病蟲害以及食品安全重大問題，干旱脅迫也已成為限制全球農業生產的主要因素[9-10]，無土栽培可以克服土壤栽培易產生的土傳病害等多種問題[11-12]，還可以解決保護地蔬菜生產土壤連作障礙問題，尤其對生長期較長的果菜類生產極為友好，能有效防止連作造成的病原菌積累導致的病害流行，大幅度提高產量。當前，基質培是瓜菜、果菜無土栽培中的主要方式，在解決土壤泛鹽、土傳病害等問題中發揮了重要作用[13-15]。無土栽培技術已成為瓜菜栽培技術研究的主攻方向[16]。

全球人口快速增長，食物需求激增，糧食安全備受挑戰[17]。無土栽培無需占用土地資源，在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大樓里均可進行正常生產，不受氣候環境制約，可以實現周年種植[18]。無土栽培技術可以源源不斷地為人類生產所需要的農產品，產量更高，果菜類蔬菜產量為土壤栽培的數倍甚至數十倍[19]。因此無土栽培被認為是21 世紀解決糧食安全、人口、資源、環境問題的重要途徑，同時也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實現食物自給的重要手段。無土栽培必將成為未來農業的重要發展方向[4]。

雖然近幾年我國無土栽培領域飛速發展，但是由于我國無土栽培起步較晚，現階段我國發展的新型無土栽培技術大多處于規模較小的試驗示范階段，與國外成熟的無土栽培技術體系、大規模的植物工廠模式以及廣泛的市場認可度相比，存在一定差距[3]。此外，因缺乏技術、工藝、經驗等支撐，規模化、高效的無土栽培生產一直是我國的短板[20]。隨著我國政府重視程度和科技競爭力的提高，目前我國無土栽培技術也進入了自主研發設計及應用的歷史階段，無土栽培正在朝著大規模生產、智能化管理和高經濟效益的方向發展[21]。

無土栽培是技術含量高和應用性強的領域，適合通過專利布局構建技術壁壘和搶占先進農業市場，發達國家已經大規模向我國進行該領域的技術擴張。基于此，筆者在本文中通過國內外專利數據的系統分析，揭示無土栽培領域全球申請趨勢、地域布局、技術構成、主要發明人及龍頭企業等情況，挖掘研發熱點并對未來發展趨勢進行研判，為政府管理部門相關制度的制定、高校及科研院所的技術研發，以及相關企業的技術布局及發展方向的調整提供參考依據。

1 數據來源

2022 年10 月通過incoPat 專利數據庫進行專利數據采集。incoPat 是被廣泛認可的專利檢索和分析工具，收錄全球120 個國家/組織/地區的一億多件基礎專利數據，擁有專利全文，數據字段完善，數據質量高。為了保證查全率和查準率，采用中英文檢索詞混合檢索策略，并使用國際專利分類（IPC分類）以及歐洲專利局和美國專利商標局共同開發的聯合專利分類體系（CPC 分類）進行技術領域的限定，共獲得1934—2022 年10 月間無土栽培領域專利40 318 件，經過人工去噪及申請號合并去掉重復數據后得到34 575 件專利。專利數據的分析工作除了使用incoPat 自帶的分析功能，還結合DDA、Excel 等工具開展深入計量分析和可視化分析。

2 研究結果與分析

專利申請數量能夠反映一個領域的技術發展程度及其發展水平[22]。申請趨勢的年度變化可以揭示該領域不同階段發展的快慢以及受到學界和企業等關注的程度。通過進行專利的地域布局分析，可以了解世界各國專利發展情況，獲取不同國家產業發展決策的重要信息進而促進技術研發的方向科學調整[23]。對領域內技術構成的分析，可以了解技術領域的組成及國際前沿熱點，并對未來發展趨勢進行研判，以掌握技術領域的全局狀況[24]。

2.1 總體發展趨勢

無土栽培領域全球專利申請趨勢年度變化情況如圖1 所示，無土栽培領域的技術研發起步較早，1934 年，無土栽培領域的專利申請已經開始，第一件專利是美國的“一種無土栽培育苗及發芽種子的方法”的發明專利，但之后約40 年一直處于止步不前的狀態。從1974 年開始專利技術的發展有抬頭的趨勢，直到2007 年，專利數量急速增長，2018年達到峰值。由于專利從申請、審查到公布存在一定的時滯，可能導致2019 年之后的數據不全，不能真實反映專利變化趨勢，因此2019 年之后的數據僅供參考。

圖1 無土栽培領域專利數量變化趨勢

2.2 全球地域布局

無土栽培領域全球專利申請數量前十國家技術擁有量和專利布局情況如表1 所示，專利申請數量可以體現一個國家的技術擁有量，專利公開數量體現本國和其他國家在本國的專利布局情況。由于荷蘭、以色列在無土栽培領域發展突出，在表1中加入荷蘭、以色列。可以看出，我國在無土栽培領域專利申請數量最多，其次為日本、韓國和美國。我國技術擁有量較大，但是我國嚴重缺乏國外專利布局，在別國公開專利數量僅為285 件，國外專利布局數量僅占申請數量約1.4%。而美國在別國公開數量為1270，占專利申請總數的55.3%，可見美國極為重視國外專利布局，在其他國家布局了大量專利。英國、意大利也十分重視國外專利布局，意大利對國外專利布局量占技術擁有量比例高達79.2%，英國高達62.6%。此外，中國被日本布局的專利最多，是日本在無土栽培領域國外專利布局數量第二的國家，因此中國是日本無土栽培領域的第二大市場。

表1 無土栽培領域技術強國專利量及布局情況

荷蘭和以色列在無土栽培領域上世界領先，但是專利申請數量并不多，分別為154 和73 件，但在國外布局的專利比例較高。荷蘭國外專利布局量占技術擁有量的55.2%，高于俄羅斯和西班牙，與美國基本持平；以色列國外專利布局量占技術擁有量的69.9%，遠高于俄羅斯、西班牙和美國。可以看出荷蘭和以色列較為重視國外專利布局，同時也說明荷蘭、以色列在無土栽培領域的專利申請質量較高，因此在專利數量較少的情況下仍能處于全球領先地位。

PCT 是《專利合作條約》（Patent Cooperation Treaty）的英文縮寫，是有關專利的國際條約。根據PCT 的規定，專利申請人可以通過PCT 途徑遞交國際專利申請，向多個國家申請專利。經濟合作與發展組織（OECD）國家已將PCT 申請作為衡量世界技術前沿具有重要的技術和經濟價值的技術創新的重要指標[25]。PCT 申請數量前五國家的情況如表2 所示，可以看出日本和美國PCT 申請數量遠高于其他國家，美國PCT 申請數量在專利申請總數中占比約15.6%。我國20 795 件專利中，提出PCT 申請的僅有84 件，占比0.4%，說明我國無土栽培領域國外專利布局意識較為缺乏。我國與美國、日本在無土栽培領域的PCT 專利申請數量變化趨勢的比較如圖2 所示。可以看出，美國2014—2019 年PCT 申請數量總體上呈上升趨勢，尤其2017—2019 年上升趨勢極為明顯，說明美國越來越注重國際專利的申請，拓展國際技術布局，積極開拓國際市場。日本2014 年PCT 申請數量達到峰值，之后逐年下降，從2019 年開始被中國超越，說明日本在該領域的國際發展重視程度有所下降，而中國則在逐漸加強。

表2 PCT 申請數量Top 5 國家情況

圖2 Top3 國家近10 年PCT 專利申請量變化趨勢

2.3 Top 10國家專利數量年度變化情況

無土栽培領域Top10 國家專利數量年度變化趨勢如圖3 所示。中國1985 年開始實施專利制度，因此圖3 展示了Top10 國家1985 年至2021 年在無土栽培領域的專利申請趨勢。可以看出中國在無土栽培領域專利申請數量從2007 年開始呈急劇上升趨勢，中國總申請量遠超其他國家。同時美國、日本、韓國均呈膨脹式增長，這說明國內外均較為重視無土栽培領域專利申請，該領域發展趨勢較好。

圖3 無土栽培領域Top10 國家專利申請趨勢

2.4 技術構成及未來發展趨勢

無土栽培領域近20 年國外主要國家技術構成如表3 所示。在無土栽培領域的專利申請中，自動澆水裝置（A01G27）方面日本、韓國、美國的專利數量最多，且遠高于除中國以外的其他國家，說明在無土栽培自動化技術領域，日本、韓國、美國較為突出；在營養繁殖、無性繁殖（A01G1）領域，日本尤為重視，其次是美國和韓國；A01K63 類包含的專利主要是關于水培種植和水產養殖的生態循環系統、魚菜共生系統方面的技術研發，這一技術構成下韓國專利數量最多，其次為日本和美國；美國和韓國在水、廢水或污水的生物處理（C02F3）方面的專利數量較為突出，韓國在水、廢水或污水的（加熱、蒸餾或蒸發、萃取、吸附等）處理（C02F1）方面尤為突出，可見美國和韓國較為注重生態環境保護；韓國在植物保護（A01G13）、專門適用于液體廄肥或其他液體肥料（A01C23）技術構成下專利數量明顯高于除中國外其他國家，可以看出近20 年在無土栽培領域，韓國在植物保護技術、液體肥料技術等多個技術領域進行了大量研發投入，發展迅速。

表3 國外Top10 國家近20 年無土栽培領域主要技術構成

近20 年，中國的熱點技術領域發展趨勢如圖4所示，可以看出，我國在復合肥（C05G3）方面非常重視，尤其在2014—2018 年間，專利數量占絕對優勢，2018 年之后有所下降，而在水培種植和水產養殖的生態循環系統/魚菜共生系統（A01K63）及污、廢水的生物處理及多級處理（C02F9）方面技術研發能力逐漸凸顯，專利申請數量增長顯著，但自動化技術（G05B19、C05B13）、組培等植物再生技術（A01H4）、有機肥料（C05F11）以及污泥的處理（C02F11）技術近些年未有顯著發展。

圖4 近20 年中國熱點技術發展趨勢

無土栽培領域PCT 申請數量前三國家PCT 申請技術構成如圖5 所示。可以看出日本在無性繁殖（A01G1）、魚菜共生系統（A01K63）方面最為突出；美國在自動澆水裝置（A01G27）、水、廢水或污水的生物處理（C02F3）、復合肥（C05G3）、種植基質（A01G24）方面PCT 申請數量均領先于其他國家，說明美國在自動灌溉技術、復合肥、種植基質、污廢水處理技術等方面均較為重視，并通過PCT 申請進行國外專利布局，專利質量高。中國PCT 申請數量較少，應當注重加強無性繁殖、自動灌溉技術、種植基質、污廢水處理的PCT 申請。

圖5 PCT 申請數量前三國家PCT 技術構成

2.5 機構分析

2.5.1 全球Top20 機構分析 通過全球專利申請人排名分析，了解專利技術主要掌握在哪些機構手中。無土栽培領域Top20 機構如表4 所示。無土栽培領域專利數量Top20 的申請人中，中國的機構有14 個，其中包括8 所高校、3 所科研院所和3 家企業，說明在專利數量上，我國機構占絕對優勢，且主要掌握在高校手中。除我國機構之外，日本企業有4 家，法國和韓國企業各一家，說明日本無土栽領域的技術也較強，且主要技術掌握在少數幾家企業手中。

表4 無土栽培領域Top 20 機構

2.5.2 專利數量Top5 國家的突出機構 無土栽培領域Top 5 國家的專利數量排名前列的企業、高校及科研單位如表5 所示。可以看出日本、美國和德國的企業專利數量明顯高于本國高校和科研單位，而韓國的科研單位專利數量高于企業。在該五國的研究機構，中國、美國和德國排在前三位的均是高校，日本和韓國均是研究所。中國表現最為突出企業是福建省中科生物股份有限公司，突出高校是四川農業大學，科研單位為中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所。從表5 還可以看出，中國高校、科研院所相對其他國家的高校和科研院所在無土栽培領域的專利申請數量較大，對于無土栽培領域技術研發貢獻較大。

表5 Top5 國家無土栽培領域突出機構

對專利數量貢獻突出的申請人福建省中科生物股份有限公司、法國Saint Gobain Isover（圣戈班?依索維爾）和美國MJNN LLC（萬明納有限責任公司）的專利技術構成進行分析，如表6 所示。可以看出除了A01G31（無土栽培，例如水培）、A01G9（在容器、促成溫床或溫室中栽培；花壇、草坪或類似物的邊飾）技術領域各申請機構均有較多涉及外，福建省中科生物股份有限公司在肥料的混合物（C05G1）方面與另外兩家機構相比較占優勢，萬明納有限責任公司在自動澆水裝置（A01G27）技術構成下表現相對較好，圣戈班?依索維爾在營養繁殖、無性繁殖（A01G1）方面較為突出，我國企業應當注重自動灌溉技術和無性繁殖技術的研發。

表6 突出申請人專利技術構成

2.6 專利運營分析

中國和美國近20 年專利轉讓情況如圖6 所示，可以看出，在2002—2016 年，美國專利轉讓數量均高于中國，在2017—2022 年，中國專利轉讓數量超過美國，且在2020—2022 年遠超美國。這說明中國近五年專利質量不斷提高，創新成果轉化能力增強，無土栽培領域產業化水平不斷提升。

圖6 中國和美國無土栽培領域近20 年專利轉讓趨勢比較

2.7 高價值專利分析

incoPat 數據庫開發了一套專利價值評估體系，該體系通過衡量專利類型、同族個數、被引證次數、權利要求個數、同族國家的數量、涉及IPC 大組個數、發明人個數等20 多個指標，根據每個指標對價值度的影響力，設定各指標的影響因子，用優化方法使各個指標權重合理化，并將以上指標和因子計算應用到每件專利中，用于價值度的10 級排序，價值度數值越大表明專利的價值越高。

專利申請數量Top5 國家專利價值度情況如圖7 所示。可以看到雖然中國專利申請數量遠高于美國、日本等國家，但是低價值度專利數量明顯多于其他國家，且價值度為10 的專利數量小于美國和日本，美國價值度為10 的專利最多，這說明我國需要注重無土栽培領域高價值專利的培育。

圖7 無土栽培領域專利申請數量Top5 國家專利價值度

表7 是無土栽培領域專利申請數量Top5 國家專利價值度為8 及以上的高價值專利數量及占比統計。可以看出，申請數量Top5 國家中，美國價值度8 及以上的專利占總專利數量比例最高，達到53.5%，日本、韓國、德國無土栽培領域高價值專利占比也均高于30%，中國高價值專利占比最低，僅為23.1%。這更加說明我國應當提高無土栽培領域高價值專利質量，注重高價值專利的培育和研發。

表7 無土栽培領域專利申請數量Top5 國家高價值專利統計

3 總 結

無土栽培是將先進技術用于生產上的設施農業，在國際上廣泛應用于生產實踐后，顯示出了無限的生命力，取得了應用土壤栽培得不到的社會效益和經濟效益，將成為今后農業和園藝生產的發展方向[5]。在1934 年無土栽培領域的專利申請已經開始，說明該領域的研究起步較早。當前，國內外極為重視無土栽培領域的技術研發，近15 年專利數量急速增長，中國、美國、日本和韓國發展尤為迅猛，說明該領域具有較好的發展前景。

無土栽培領域專利數量排名前五位的國家依次為中國、日本、韓國、美國和德國。中國專利申請量遠超其他國家，但是我國對國外進行專利布局較少，在別國公開數量僅占總申請數量約1.4%，PCT申請數量也遠低于美國、日本。

從全球無土栽培領域專利技術構成分析可以看出，自動灌溉技術、魚菜共生系統、通過組織培養的植物再生技術、無性繁殖、液體肥料技術、以及污、廢水的處理技術為無土栽培的主要技術領域。在無土栽培自動化技術領域，日本、韓國、美國較為突出。美國和韓國在水、廢水或污水的生物處理（C02F3）方面的專利數量較為突出，對生態環境保護相關技術的注重程度很高，污、廢水處理技術較為先進。且美國、日本在營養繁殖、自動灌溉技術、復合肥、種植基質、污廢水處理相關技術領域對其他國家進行了大量專利布局。

我國非常注重復合肥方面的專利研發，2014—2018 年專利數量占絕對優勢，但近3 年專利數量有所下降；魚菜共生系統、廢水的生物處理及多級處理方面專利數量顯著增長；但是近年來組織培養等植物再生技術、有機肥料、污泥的處理以及自動化技術方面發展不足。

在無土栽培領域，企業專利數量前三名為福建省中科生物股份有限公司、法國的圣戈班?依索維爾（Saint Gobain Isover）、北京中農富通園藝有限公司。全球Top20 機構中，中國高校有8 所，說明高校是我國無土栽培技術領域的核心力量，我國企業中，福建省中科生物股份有限公司是國內排名靠前的優勢企業。

我國專利申請數量最多，但是高價值專利數量卻少于美國和日本，專利價值度≥8 的高價值專利僅占23.1%。美國專利價值度≥8 的專利比例最高，達到53.5%，日本達到了35.3%，說明我國無土栽培專利質量有待提升。近年來我國專利轉讓數量增長迅速，說明我國專利申請人專利轉化意識不斷增強，近年來專利運營能力得到提升。

4 建 議

針對上述結論，對我國無土栽培領域的研發和發展提出如下建議：

（1）在該領域全球專利申請數量呈大幅增長趨勢，說明無土栽培領域發展前景廣闊，可以考慮在該領域增加科研投入，提升研發力度。當前國際上該領域的主導發展方向為自動灌溉技術、無性繁殖以及污、廢水的處理技術等領域，我國研發人員應當緊跟國際前沿，加強組織培養等植物再生技術、污泥的處理以及自動化技術方面的相關研發。

（2）本研究表明，我國國外專利布局嚴重缺乏，在國外的專利公開數量和PCT 專利申請量遠遠低于美國、日本，但日本、美國、韓國等國家已經在我國進行了較多的技術布局，逐漸占領我國技術市場。我國應當出臺相應政策制度，大力推動有價值有市場的核心專利的海外布局，增強我國在無土栽培領域的國際競爭力。

（3）我國高校掌握著大量的技術，但高校研發人員多重視科研，忽視成果的轉化運用，雖然我國近幾年專利轉化運用數量顯著增長，但高校成果多處于沉睡狀態。高校應當重視校企合作，促進科技創新成果的轉化，避免研發投入和技術資源的浪費，使得專利成果通過轉化和運用實現其經濟價值，大力提高我國無土栽培領域發展水平，增強國際競爭力。