学术服务内容

在线编辑 学术顾问

咨询率高的期刊

农业论文

植物无土栽培技术研究进展

时间:2022年05月10日 所属分类:农业论文 点击次数:

为了解植物无土栽培技术的发展,以无 土 栽 培、基质 栽 培、雾培和水 培为 关 键 词,依 据 WebofScience、Pub-Med和知网等数据库,检索了19892021年发表的相关文献,对无土栽培发展历程、主要技术以及未来趋势进行了总结和分析。结果表明:1)无土栽培包括水培、雾培

  为了解植物无土栽培技术的发展,以“无 土 栽 培”、“基质 栽 培”、“雾培”和“水 培”为 关 键 词,依 据 WebofScience、Pub-Med和知网等数据库,检索了1989—2021年发表的相关文献,对无土栽培发展历程、主要技术以及未来趋势进行了总结和分析。结果表明:1)无土栽培包括水培、雾培、基质栽培等,其中成本低、操作简单的基质栽培是主要方式,而操作、成本均更高的雾培和水培在高效植物栽培工厂建设上潜力巨大;2)探索高效、节水、可持续有机种植技术,融合人工智能和物联网技术,发展适配常规环境和恶劣环境的智慧农业是发展趋势之一;3)针对室内及楼宇空间等个体化种植需求,发展小型化、家庭化、精致化、智能化无土栽培技术是发展趋势之二;4)密闭空间种植和太空种植技术的研究也将受到更多关注。

  关键词 无土栽培;有机种植;智慧农业;太空种植

无土栽培

  无土栽培是一门新兴并迅速发展成为热潮的植物栽培种植技术,其生产的农业产品普遍具有绿色、健康、无污染的特点[1]。与传统农业相比,无土栽培用水大幅减少,过程无需翻地、除草等作业,大大减少了人力 资 源 的 投 入。作为一种高新作物种植方法,无土栽培摆脱了传统意义上对土壤的需求,能避免土壤病虫害和土壤盐渍化等问题;同时,土壤资源不再是植物种植的限制条件,在沙漠、岛礁等地区也可推广,扩 展 了 农 业 生 产 空 间,提高了空间利用率[2]。

  此外,无土栽培可以根据需求对作物生长环境进行调控,从而使农业生产摆脱自然环境的制约,更易于管理,发展无土栽培技术有利于实现农业机械化、自动化[3]。无土栽培技术的推广应用为农业生产提供了新思路。目前,世界上将无土栽培技术投放到市场的国家 和 地 区 已 经 超 过 100 个,栽 培 技 术 不 断 进步[4-6]。相对于世界其他发达国家,我国对无土栽培技术的关注较晚,但在短时间内发展迅速,涌现出了许多符合我国国情的无土栽培技术[7]。

  不足 的 是,现阶段我国发展的新型无土栽培技术大多处于规模较小的试验示范阶段,与国外成熟的无土栽培技术体系和广泛 的 市 场 认 可 度 相 比,存 在 一 定 差 距:美国、日本、荷兰等发达国家,无土栽培机械化程度高,大量采用计算机自动控制,实现了产品周年供应,产值高,经济效益显著;与之相比,我国大多采用人工、半人工管理 的 方 式,由 于 效 率 低,相对投资成本偏高,无土栽培在我国的推广也受到限制,无土栽培技术仍有巨大的发展空间[8-9]。因此,为了解国内外无土栽培技术 的 发 展 历 程、主要形式和应用领域,以“无土栽培”、“基质 栽 培”、“雾培”和“水 培”为 关 键词,依据 WebofScience,Pub-Med,知网等数据库,检索了1989—2021年国内外相关文献,对无土栽培技术类型、特点和发展方向进行了总结和分析,以期为我国无土栽培技术的研究及产业发展提供参考。

  1 无土栽培发展历程

  1.1 外无土栽培发展概况

  Surareungchai等[10]在文章 中 提 及 无 土 栽 培 起源于欧洲。19世纪中叶,德国科学家vonLiebig提出了矿质营养对植物生长影响的相关理论,该理论成为无土栽 培 技 术 发 展 的 基 石。李 程 等[11]总结 了蔬菜无土栽培发展现状及趋势:早至1865年,德国科学家Sachs和 Knop成功利用广口瓶和棉塞对植物进行水培试 验,是现代无土栽培技术的先驱;进入20世纪,无土栽培技术在欧美日等农业发达国家和地区 得 到 迅 速 发 展,1929年,美国 加 州 福尼亚大学的 Gericke利用 自 己 设 计 的“水 培 植 物 设施”成功培育出了番茄果实,他也是将无土栽培进行市场化 的 第 一 人,无 土 栽 培 技 术 从 此 进 入 实 用 化阶段。1964年,日本园艺研究所设计出驱动循环式水培设施,成为最早的深液流水培设备[12]。

  汪兴汉[13]总结了营养液膜(NFT)栽培技术,该技术由英国科学家 Cooper于1973年发明,其原理是使种植槽中水培营养液以浅层流动的形式从较高的一端流向较低的一端,其出现进一步推动了无土栽培技术的发展。1980年,国际 无 土 栽 培 学 会 在 荷 兰 成 立,标 志着无土栽培技术研究进入了一个国际化合作的新阶段。此后,随着耕地资源和水资源日益稀缺,如何养活快速增长的人口成为现代农业急需解决的难题,这也极大促进了无土栽培技术的发展。

  21世纪初,日本研制出全自动控制的植物工厂;2009年英国推出了家用电动无土栽培机;2010 年,欧 洲 环 境 署(EEA)鼓励 建 立 垂 直 农 场,以 克 服 气 候 变 化 的 挑战,并以更环保的方式生产食品。上述工作极大地促进了无土栽培区域市场的增长,无土栽培技术已然在实际生活中落地。据统计,2018年全球水培市场规模高达13.3亿美元,展示了无土栽培技术的广阔前景[14]。

  1.2 国内无土栽培发展概况上海四维 农 场 是 中 国 发 展 现 代 无 土 栽 培 的 先锋。20世纪30年代,四 维 农 场 邀 请 一 些 无 土 栽 培技术发达国家技师来华开展无土蔬菜培养,为当时上流西餐厅提供无土栽培番茄、黄瓜等果蔬,深受消费者欢迎,也推动了无土栽培技术在中国的发展。随着二战 爆 发,市 场 萧 条,该 农 场 不 得 不 停 办。

  20世纪40年代,我国科学家曾尝试将无土栽培技术应用到实际农业生产中,但受限于设备、技术和经济条件未能成功。进入50年代后期,在经济较为发达的上海,研究者重新开始小规模的无土栽培试验。80年代中期,随着民众对蔬菜、花卉和特种水果需求的增大,我国开始成套引进国外的无土栽培设备与技术,极大地提升了无土栽培技术在民间的接受度和认可度,无土栽培的推广速度逐步加快[15]。1995年,随着有机生态型无土栽培技术的市场认可度增加,我国无土栽培的种植面积扩展到50hm2 左右。在这之后,我国对无土栽培科研项目的投入力度不断加大,国外技术引进和自主研发并重,推动我国无土栽培朝大规模生产、智能化管理和高经济效益的方向发展,无土栽培推广取得显著成果:

  例如,2016年,中国科学院植物研究所和福建三安集团共同成立福建省中科生物股份有限公司,并建立了当时世界面积最大的、带智能控制的全人工光植物工厂—中科三安植物工厂,实现了无土栽培蔬菜生产的产业化应用;2018年12月,以日本水培技术为基础、面积超过10000 m2 的京东智能水培蔬菜工厂建成,该植物工厂是中国最大的采用日本技术的太阳光和人工光结合型植物工厂。截止2018年,我国无土栽培面积高达6250.5hm2;预计到2023年种植面积将增长到16561.3hm2[14]。

  2 无土栽培的主要形式

  无土栽培技术的研究历史已经超过150年,经过多年积累,该技术成功地从实验室走向了商品化市场。目前为止,已发展出了多种现代化无土栽培方法[16]。无土栽培大致可分为水培、雾 培、基 质 栽培3类,3种栽培方式所需要的种植条件、适用地区范围和经济效益等皆有所不同(表1)。其中,基 质栽培成本投入相对较少,技术难度也相对较低,效率居中;水培和雾培成本投入和技术难度更高,但效率也相对更高;3种栽培方式的产量和植物生长速度与其成本投入和技术难度成正比。

  2.1 质栽培基质

  栽培是使用有机或者无机的固体基质,代替土壤实现植物的根系固定。同时,利用营养液代替水和营养物质,营养液包含硝酸钾、硝酸铵、磷酸二氢钾、硫酸镁、铁盐、微量元素等不同营养成分,植物根系可以吸取基质中的营养液,从中获得生长所需要的 氮、磷、钾 等 营 养 物 质[17]。早在1860年,美国科学家就进行了相关试验,证实营养元素丰富的基质能够支持植物的正常生长[18]。随着 技 术 的 不断进步和资金投入,基质栽培在一些园艺设施发达国家得到了快速的推广应用,是一种商品化较为成功的无土栽培模式。目前,基质栽培面积占我国商业性无土栽培面积的90%,是无土栽培的主要形式。

  与常规土壤种植的作物相比,基质栽培蔬菜产量高、品质好,也更加省水、省肥、省 力[19]。因为基质栽培在相对密闭隔离的环境中进行,在很大程度上还可以预防种植系统外部环境和土壤连作障碍带来的病虫害。虽然相较于土壤种植,基质栽培的投入成本较大,操作技术较为复杂;但相比于无土栽培中的水培和雾培技术,该方法仍具有投资相对较少、设备简单、易于操作的特点[16]。

  2.1.1 岩棉栽培无土栽培基质可以分为有机基质和无机基质。有机基质包括腐叶、泥炭、树皮等,无机基质包括砾石、陶粒、岩 棉、珍 珠 岩、蛭 石 等[18]。其 中,岩 棉 方便、易用,具有高保水性和透气性,为根系的生长提供了良好条件,也更利于调控作物的营养和生长,实现高产,是目前荷兰等国家和地区的主要无土栽培基质[18]。岩棉栽培的基本操作模式是将岩棉基质分割成规格大小相同的块状,用塑料膜制作成包裹形状,然后用于植物的种植。根据营养液是否循环利用,可将其分为开放式和循环封闭式岩棉栽培2类,封闭式岩棉栽培在开放式岩棉栽培的基础上增加了营养液收集通道,进行多余营养液的循环利用。

  20世纪初,岩棉栽培技术在欧美国家地区进入成熟阶段,得到广泛应用。最初,岩棉栽培在国内的推广速度较为缓慢,主要原因是岩棉栽培对岩棉材质要求较高,要具有良好的亲水性,保证长久使用后形状和孔隙率不变;内部纤维要分布均匀,有利于植物根系延伸和生长;而我国农业用岩棉质量多数达不到种植标准,且管理技术不完善。但国内公司在消化吸收国外技术的基础上不断创新,极大地推动了技术发展,我国岩棉栽培也愈发走向成熟。2020年,浙江轩鸣新材料有限公司开发了有利于植株根系横向生长的农 用 种 植 岩 棉,能 提 高 作 物 产 量[20];次年公开了一种利于蓄水种植岩棉结构[21]。岩棉 栽 培能最大程度减少病虫害发生,可生产出绿色、无公害的食品,相信随着消费市场对绿色蔬菜需求的增加,岩棉栽培技术将越来越受到种植者的青睐。

  2.1.2 有机生态型无土栽培有机生态型无土栽培是我国根据国情研发的一种基质栽培技术,该技术利用有机固态肥为植物提供养分,以清水灌溉,上述有机固态肥采用种植业和养殖业的副产品及废料加工而成,配制操作简单,管理方便[22]。有机固态肥富含植物生长所需要营养物质,无需额外添加营养液,因此极大地降低了植物批量培养所需的资金和时间成本。栽培系统废水硝酸盐含量仅1~4mg/L,对环境 不 会 造 成 污 染[23]。有机生态型无土栽培多用于种植对品质要求较高的蔬菜,通过选用优质、高产、抗病性强的新品种,能最大程度地增产增效。目前,适用于此技术的优质蔬菜种类还较为缺乏;此外,有机基质的理化性状变化较大,稳 定 性 相 对 较 差,使 用 过 后,土 质 的 pH 值、EC值等一些 理 化 性 状 可 能 出 现 变 化,容 易 造 成 作物产量和品质的下降。与之相比,无机基质虽然含有营养很少,但理化性状稳定;考虑到两者优点,采用有机无机混合基质的方案成为基质栽培新的发展方向[24]。

  2.1.3 基质栽培袋基质栽培袋栽培是一种新型无土栽培方式。实际使用中,会选择适宜材料做成袋状,将调配好的基质装入袋中用来种植植物。目前,已应用于我国多种蔬菜(番茄、黄瓜等)以及花卉的种植过程中[25-26]。

  基质栽培袋具有如下优点:1)基质栽培袋的制作要求较低,选择普通材料制作成培养袋即可,制作工艺简单,成本低廉;2)袋与袋之间相互独立,可以防止病虫害传播;3)系统简洁,移动方便,可根据需求为植物寻找合适的环境,不受气候等自然条件的限制,因此,还可进行作物的反季节栽培。除了应用于农业果蔬的种植,基质栽培袋还可以用于家庭阳台、庭院等地的园艺栽培,栽培袋材料多样、色彩丰富,因此可用于装饰,起到美化环境的作用。

  2.2水培法种 植 植 物 不 需 要 用 基 质 来 固 定 植 物 根系,植物的根能够直接与营养液接触来吸收水分和营养[27]。水培技 术 的 优 点 在 于 栽 培 人 员 可 以 通 过调整营养液的配比来实现植物营养供给均衡,能有效避免土传 病 虫 害,节 约 水 土 资 源,适 用 于 蔬 菜 种植[28-30]。但是,该技术对资金投入和操作技术要求较高,对水培种植系统的自动化、机械化和信息化管理的研究仍需进一步深入[31]。

  2.2.1 深液流水培技术深液流水培系统在运行过程中需要更多的营养液,通常其所需的营养液深度可达到几厘米甚至几分米[32]。

  现有深液流水培设施有十多种,可以分为深水培类型和半深水培类型,深水培类型设施有 M式、久保田式等,半深水培类型设施有协和式、神园式、新和等量交换式等。不同类型主要差异是液层深度,深水培类型液层相对较深。同时,不同类型结构上也有或多或少的差异:久保田式深水培设施一般由种植槽、定植板、贮液池、营养液循环流动系统等4大部分组成[33];M 式深水培设施是利用泡沫塑料或水泥预制板拼装成种植槽,槽内铺垫塑料薄膜以盛装营养液,槽底安装供液管,通过水泵实现营养液循环,水泵出口附近安装有空气混入器[12]。

  协和式半深水培设施的种植槽为塑料拼装式的,可拆迁,安装较为简单,其主要由种植槽、定植板、营养液循环系统、贮液池和供液控制系统等部分组成[12];神园式半深水培设施的种植槽中有一层流动的营养液层,其营养液 通 过 供 液 管 喷 头,以喷雾的形式来提供;新和等量交换式半深水培设施不设置储液池,其种植槽是由 U 形聚苯乙烯泡沫塑料拼接而成,槽内衬塑料薄膜,槽框上安装植物定植板,通过水泵进行营养液循环[12]。上述不同类型的深液流水培的营养液层都较深,通常由定时器控制小水泵抽取营养液在栽培管中循环流动,因此植株根系所处液层的营养液具有较高的稳定性,能为根系提供良好的生长环境,其不足是容易导致植物根系缺氧。

  2.2.2 营养液膜水培技术营养液膜栽培技术是另一种典型的水培技术,能有效解决深液流水培技术植物根系缺氧的不足。营养液膜种植槽中的营养液较浅,深度大约在几毫米或1~2cm。营养液膜栽培系统使用倾斜种植槽,较浅的营养液层能够使植物根系的一部分伸展在流动的营养液中,另一部分则可以接触到培养槽的湿气环境,这样就能够有效解决植物根系需氧的问题[34-35]。营养液膜栽培所使用的营养液可以循环利用,种植槽的制作材料选择多样,如塑料、模板等,大部分材料成本都不高,容易获得,这有利于进一步向自动化生产发展,因此这项技术在世界上被广为推崇,并获得研究人员和市场的青睐,成为代表性的无土栽培方式[36-37]。

  2.2.3 浮板毛管水培技术浮板 毛 管 水 培(FloatingCapillaryHydroponics,FHC)是1991年由浙江省农业科学院和南京农业大学参考国外营养液膜水培设施的优点改良研制的一款无土栽培系统,属于水培的一种[38]。

  该技术利用漂浮在营养液上的浮板无纺布湿毡为植株创造气生根生长的湿润丰氧环境,使根系能从空气中汲取游离氧。浮 板 毛 管 栽 培 的 营 养 液 供 给 通 常 维 持 在3~6cm,是普通蔬菜日常所需液量的3~6倍,因此即使设备短期停电,也不会对作物生长产生较大影响,解决了营养液膜栽培系统因停电导致的营养液供给不足的问题。此外,浮板毛管水培系统的种植槽采用聚苯乙烯泡沫板制作而成,隔热性能好,营养液循环在全封闭的状态下进行,因此槽内空间受外界环境变化的影响较小,液温稳定。目前,浮板毛管水培已被推广至北京、山东等十几个省,主要应用于浙江、江苏等东南沿海一带[38]。

  3 无土栽培技术的应用

  3.1 民用领域无土栽培具有一定技术要求,经济成本也相对较高,但无土栽培可在完全可控的环境下进行,植物生长不受地域条件的限制,产品品质高,因而得到了较为广泛的应用,主要包括如下几个方面:

  1)无土育苗:无土育苗的主要形式有播种育苗、组织培养 育 苗 和 扦 插 育 苗 等。与传统育苗方式相比,无土育苗具有壮苗率高、繁殖系数高、幼苗健壮整齐、省工省时等特点,便于科学规范管理,适合大规模工厂化育苗[46]。

  2)蔬菜培养:通过无土栽培可有效解决土壤盐渍化、土传病虫害等土壤连作障碍,并且可以充分利用土地空间,适合在沙漠、盐碱地、矿区等不适宜土壤种植蔬菜的地方推广[47-48]。通过该技术种植出的蔬菜病害少、无污染,生产过程省肥省水省力,是实现蔬菜生产自动化、规模化、量产化的重要途径[49]。

  3)花卉培养:无土栽培培育的花卉生长快、花朵娇艳、品质上乘,并且清洁卫生,病虫害少,这些优势使得花卉无土栽培在世界上得到了一致好评,尤其是在荷兰等园艺技术发达的国家,花卉无土栽培更是得到了大面积推广。国内对花卉无土栽培的起步较晚,仍处于发展阶段,目前主要利用水培和基质栽培进行花卉无土种植[50]。

  4)生态观光:无土栽培还可用于生态酒店、生态餐厅、生态园等观光农业以及现代化无土栽培基地等中小学农业科普教育基地的建设,这些地方利用无土植物栽培方式作为技术支撑,很好地体现了人与自然和谐发展的新观念[51]。

  5)鱼菜共生:是鱼产养殖技术和植物水培栽种技术相互结合诞生的综合性系统,是一种复合型植物、作物栽培体系。在该共生系统中,鱼类产生的代谢废物,通过硝化细菌的生物转化作用成为植物可以利用的养料,被植物净化吸收后的干净水资源,再次汇入鱼池给鱼苗提供适宜的生存环境,由此形成良性循环[52]。鱼菜共生系统采用无土栽培,避免了土壤重金属污染,又因为有鱼的存在,因此种植过程中不能使用任何农药,使得生产产品绿色健康。此外,推广鱼菜共生技术可以节约大量优质耕地,以池塘鱼菜共生为例,每养殖65000m2 鱼,水面可增加6500~14000m2 蔬菜种植。同时,鱼菜共生系统的用水可以循环净化使用,与传统农业相比用水量节省了90%以上[53]。

  4 结与展望

  综合无土栽培技术以及新材料、人工智能等的发展,未来无土栽培技术可以针对不同地区和环境的需求,重点考虑如下3个发展方向:

  1)可在气候极端、耕地缺乏的地区推广无土栽培技术,融合 人 工 智 能 和 物 联 网 技 术,发 展 智 慧 种植、生态种植,充分利用有限的水土资源提高作物产出。考虑到资金和资源高效利用的问题,可以尝试大力推广有机生态型无土栽培技术。同时,还可以研究新型无土栽培模式,例如基质土壤相结合的二元栽培法,有机无土栽培与滴灌技术相结合等,充分利用耕地淡水资源,以获取良好的经济、生态效益。

  2)无土 栽 培 技 术 可 以 在 经 济 发 达 地 区 朝 小 型化、家庭化、精致化、智能化的方向发展。可以将无土栽培应用于屋顶花园、阳台农场等,城市居民可利用小型无土栽培装置,发挥家中的小规模闲置空间,进行种菜、养 花,将 都 市 农 业 和 家 庭 园 艺 栽 培 相 结合,既可以收获新鲜果蔬,又具有娱乐性和一定的观赏价值。同时可以建设小型植物工厂、生态园等,通过造型多样的立体水培、雾培设施进行造景,既可以应用于中小学农业科普教育,成为展示未来农业的窗口,还可以为餐饮提供现吃现摘的绿色食材,在城市内完成消费闭环,提高人民生活水平的同时也倡导人与自然的和谐发展。

  3)空间无土栽培技术需要大力探索和开展。对地球之外的太空探索是未来的研究方向,在空间站或外星基地实现有效的生物循环则成为关键因素。空间无土栽培技术的发展,将会使人类不受外太空环境限制从而实现有效种植,迈出在外太空生存的第一步。无土栽培技术的发展对于实现人类可持续生存和保护生态环境具有重要意义,因此积极解决该技术在实用化进程中涉及到的一些问题,例如成本相对偏高、经济效益不显著等,可以更好地实现无土栽培技术的价值。

  References

  [1] 李春霖,顿春垚,张瑛,向 朝 辉,李 双 龙,孙 明 伟.春 石 斛 无土栽培基质与营养液选择的研究方法概述[J].林业调查规划,2021,46(3):163-166LiCL,DunCY,ZhangY,XiangZ H,LiSL,Sun M W.SelectionofsubstrateandnutrientsolutionforsoillesscultureofDendrobiumcandidum[J].ForestInventoryandPlanning,2021,46(3):163-166(inChinese)

  [2] 谢小玉,邹志荣,江雪飞,妙晓莉.中国蔬菜无土栽培基质研究进展[J].中国农学通报,2005,21(6):280-283XieXY,ZhouZR,JiangXF,MiaoXL.Researchadvancesofsubstratesinsoil-lesscultureofvegetablesin China[J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2005,21(6):280-283(inChinese)

  [3] 殷学云,张国森,刘华.戈壁日光温室西葫芦:菜豆有机生态型无土栽培技术[J].中国蔬菜,2020(11):113-115Yin X Y,Zhang G S,Liu H.Gobisunlightgreenhousezucchini:Organicecologicalsoillesscultivationtechniquesofkidneybeans[J].ChinaVegetables,2020(11):113-115 (inChinese)

  [4] Fascella G, Montoneri E, Rouphael Y.Biowaste-derivedhumic-likesubstancesimprovegrowthandqualityoforangejasmine(MurrayapaniculataLjacq)plantsinsoillesspottedculture[J].Resources,2021,10(8):80-91

  作者:晏 琼1 刘晓宇1 虞昊安1 李翎慈1 刘潇漪2 张育新2戴昊鸣1 陈斯琳1 成喜雨1*