无土栽培技术的发展与应用

李霞+张轶婷+刘厚诚

【摘要】无土栽培采用营养液栽培，以人工制造的作物根系环境取代了土壤环境，结合环控技术能合理调节作物生长的光、温、水、气、肥等环境条件，充分发挥作物的生长潜力。随着设施农业的发展，无土栽培技术越来越受到重视。

无土栽培技术的发展

第2次世界大战中，美军就开始采用无土栽培技术为军队生产新鲜蔬菜，在20世纪50年代，美国开始在温室内采用无土栽培方式生产蔬菜，成为了最早实现无土栽培商业化的国家[1]。美国早期无土栽培主要为砂袋培和岩棉培，主要种植莴苣、番茄、黄瓜等蔬菜和少部分花卉，集中在干旱和沙漠地区。第2次大战后，美国在日本建立的无土栽培设施为日本的无土栽培奠定了基础，早期主要为DFT栽培和岩棉栽培，目前主要以无机和有机基质栽培为主体。日本基于无土栽培技术研发和应用人工光型叶菜类植物工厂，成为全球植物工厂最多的国家[2]。荷兰是世界上无土栽培最先进的国家。荷兰的无土栽培作物主要是番茄、黄瓜、甜椒和花卉，大部分实现了微电脑控制，达到了现代化、自动化管理水平[3]。

中国正式进行无土栽培研究是在1975年山东农业大学开始用蛭石栽培西瓜、黄瓜、番茄等。20世纪90年代前，中国处于引进、吸收消化国外的无土栽培技术，90年代以后，国内开始自主研发出适合中国环境资源情况的新型无土栽培技术，如有机生态型无土栽培系统、浮板毛管系统，以及一些低成本、优质的栽培基质及其配套的营养液配方[4]，促进了无土栽培技术在国内的推广应用。

目前中国无土栽培技术主要用于设施园艺中番茄、黄瓜、甜椒、甜瓜、生菜等蔬菜作物及花卉植物。近几年国内各研究所对无土栽培的模式、基质配方、肥料配方、灌溉模式及产品品质等方面都做了深入研究。由于无土栽培在防止肥料导致的环境污染、节约水资源、提高作物产量方面的潜在优势，无土栽培面积不断扩大，目前已成为设施作物生产的重要栽培方式。

无土栽培的优势有以下4点：（1）有利于实现工厂化生产。无土栽培在一定程度上摆脱了传统植物种植以及作物生产模式的束缚，不受土壤环境以及气候等自然因素的干扰，可以避免设施栽培出现土壤连作障碍，减少栽培工序、节省劳动力，有利于实现操作管理向自动化、现代化方面的发展。（2）栽培条件宽泛。无土栽培有效地摆脱了土壤条件的限制，在戈壁、荒地、沙滩地、盐碱地、海岛、城市等地都可以进行无土栽培，生产优质、新鲜的蔬菜。（3）栽培的肥水利用率较高。无土栽培的营养液营养全面且均衡，营养的有效性高，供应充分、迅速，有利于植物对营养的吸收，肥水利用率得到大幅度提升。（4）产量高质量好。无土栽培很大程度上满足了作物对温度、光照、水分、养分的需求，作物的产量大幅提高，产品品质也有显著改善。

无土栽培的类别和特点

水培

水培指植物的根系直接生长在营养液液层的栽培技术。水培可以充分利用种植空间，1年可以收获多茬，具有节水、节肥等优点[5]。

营养液膜技术

营养液膜技术（ NFT，Nutrient Film Technique ），

是指将植物种植在浅层循环流动的营养液中，植物根系能够从循环的浅层营养液吸收充足的养分，又能从空气中获得呼吸代谢所需要的氧气，可以充分的协调水、肥、气之间的关系（图1）。营养液膜技术设备包括种植槽、贮液池、营养液循环流动装置及其他辅助设备等。营养液膜栽培技术中的营养液在泵的驱动下从贮液池流到种植槽内，使作物根系充分接触一层很薄的营养液，然后流回至储藏液池内，形成循环式供液体系。NFT栽培技术相对简单、设施投资少、易于实时检测与实现生产过程的自动化管理。但NFT栽培技术也存在根系只能接触浅层的营养液，对环境温度、湿度的缓冲能力小；营养液循环需要电供应动力，对电源条件要求严格；循环供液，易传播病害等不足。

NFT栽培技术能显著提高产量和品质，研究证实，NFT栽培的番茄植株性状和果实品质均优于土培番茄[6]；与椰糠、岩棉栽培比较，NFT栽培的生菜产量最高，叶片中的硝酸盐含量有所降低[7]。NFT栽培可以增强作物的抗性，与土培相比，NFT栽培的樱桃番茄对弱光、高温的适应能力增强[8-9]。

深液流技术

深液流技术（DFT，Deep Flow Technique）是指植物生长在循环流动液深大约5～10 cm的营养液层的一种水培方式[10]，主要包括种植槽、定植板/网、贮液池和循环系統4部分（图2）。DFT技术具有效率高、设施稳定并耐用、管理操作简单等特点，是最早成功应用于商业化植物生产的无土栽培技术。DFT技术还可以通过加热或者冷却营养液等措施来调节根系温度，具有良好的温度调控作用[11]。DFT栽培植物的根系大部分接触营养液，所以在调节营养液与氧气之间的关系较弱，需要的设施设备复杂。

浮板水培技术

浮板水培技术（FHT，Floating Hydroponics Technique）是指作物定植在浮板上（图3），浮板放置于营养液中，可自由漂浮的一种栽培方式。该技术是由浙江省农业科学院和南京农业大学研制成功的一种新型无土栽培系统，具有成本低、投资少、管理方便、节能、实用等特点[12]。浮板水培技术适应性广，在番茄、辣椒、芹菜等多种蔬菜栽培上应用取得良好效果。

雾培

雾培技术又称喷雾栽培、气雾培（图4），是指通过喷雾装置将雾状的营养液喷洒到作物的根系上，是在无土栽培技术中水肥气协调得最好的栽培方式[12]，雾培主要由栽培系统、营养液供给系统、控制系统3大部分组成。雾培具有节约水资源、水肥利用效率高、操作简单等优点。但是雾培系统对电力供应要求较高，植物的根系生长发育过于发达、经济系数较低。

雾培能够促进作物的产量和品质的提高，研究表明，雾培能促进网纹甜瓜植株生长，提升产量和品质[13]。雾培下的马铃薯生长速度快、生长周期延长[14]，还能提高马铃薯块茎的繁殖能力，从而繁育出无毒高质量的马铃薯种苗[15]。雾气还可以提高麝香、非洲白等药用植物的产量、品质以及产品的均匀度[16]。

基质培

基质栽培是用固体基质（介质）固定植物根系，施用营养液的一种无土栽培方式（图5）。基质不仅能够固定、支撑作物，还充当养分和水分的载体，稳定植物根系环境的作用。根据栽培基质的形态、成分、形状可分为无机基质栽培、有机基质栽培和混合基质栽培3种类型。

无机基质栽培

无机基质栽培是指以砂、砾、陶粒、岩棉、蛭石、珍珠岩等基质进行的栽培方式（图6）。无机基质生产成本低、消毒后可以重复利用。無机基质的营养成分含量低，作物所需的营养养分完全靠营养液供给，缓冲性较小，对营养液的要求严格[17]。一般情况下，单一的无机基质不利于植物生长，多种基质按一定的比例配比进行种植更能促进作物的生长发育，或者可以通过改变营养液的成分有效地提高作物的产量和品质。

有机基质栽培

有机基质栽培是将作物种植在天然或合成的有机材料的栽培方式（图7）。有机基质主要有树皮、秸秆、稻壳、蔗渣、苔藓、堆肥、沼渣、泥炭等。有机基质因来源不同而含有的有机营养成分、理化性质等都存在较大差异，并且基质成分也随着环境的改变而变化。基质原料主要来自农业生产过程中剩余的生物质，具有成本低、高效、减少营养液流失、富含有机营养、保水性能好、环保等优点[12]。根据作物的特性，选用合适的有机基质是提高作物产量和品质至关重要的环节。

混合基质栽培

混合基质栽培是指采用无机-无机、有机-有机、有机-无机混合的基质进行植物栽培（图8）。混合基质是由结构性质不同的原料混合而成，在水、气、肥相互补充、混合基质优于单一基质，是运用广泛、低成本、使用效果稳定的一种栽培方式[18-19]。不同的作物对栽培基质的理化性质的需求是存在差异的。因此，在不同的作物育苗、生长发育及产品品质提升时需要根据作物、当地的资源而选择适宜的栽培基质配方。

有机生态型无土栽培

有机生态型无土栽培是指在有机基质栽培的基础上施用有机固态肥后直接用清水灌溉作物的一种无土栽培技术（图9），是20世纪90年代由中国农业科学院蔬菜花卉研究所研发的一种生态环保新型无土栽培方式[4]。有机生态型无土栽培既具有传统无土栽培的优势，也拥有营养元素齐全、节约成本、生态、高产优质等优点。

有机生态型无土栽培形式主要有槽式栽培、袋式栽培、立体栽培。通常，生产上采用槽式栽培方式，主要有2种形式：一种是用砖砌成的，另一种是直接在水平面挖成槽型的简易栽槽，在生产过程中应根据作物的株型选择相应的栽培槽。同时，也应根据作物的需求和当地的资源选择经济、高效的基质。

无土栽培技术的发展趋势

中国无土栽培技术的广泛应用起步较晚，无土栽培技术水平还处于不断发展阶段，随着设施农业的发展，未来无土栽培将会出现蓬勃发展的新局面，无土栽培技术具有十分广阔的发展前景。

基质栽培是中国目前主要的无土栽培形式，由于中国资源、环境存在很大的差异，应该根据各地的资源情况选择适合的栽培基质，营养液配方也因各地水质等的不同而进行适合的调整，发展各地特色的无土栽培技术。此外，我们还需加强研究替代草炭和岩棉的无土栽培生态型基质，开发生态型复合无土栽培基质，优化栽培基质配制技术，研究无土栽培作物根区环境的调控技术，营养液的消毒技术和配套设施设备以及无土栽培灌溉自动控制技术和配套装备。

以NFT为代表的叶菜水培方式，易于实现蔬菜生产的标准化、自动化，是今后无土栽培重要的发展方向。为此，需加强营养液各种离子在线检测技术、营养液自动配比技术、营养液消毒技术以及机械化移栽等技术的研发。

植物工厂是高技术密集型植物生产系统，也是未来设施园艺重要的发展方向之一，以NFT和DFT技术为基础的多种立体多层无土栽培技术（图10）已经得到了开发应用，立体多层无土栽培借助栽培床和层架管路装备，实现植物在多层立体栽培架上进行生产。能提高植物生产效率，充分发挥水肥一体化优势，拓展垂直空间，提高土地利用效率。但立体无土栽培中光照不足与均匀性的问题值得重视，应该加强改善光环境（包括立体栽培形式、补光方式等）的技术研究和开发。

利用无土栽培营养液的精准可调性，可用于生产高品质番茄、哈密瓜以及功能性叶菜类（如富含萝卜硫素、β-胡萝卜素、维生素C、维生素E等、用于透析肾脏病患者食用的低钾生菜与菠菜等），建立高效无土栽培盈利模式。

物联网技术快速发展的同时也改变着传统农业的种植，使其向着智能化、集约化、高效化的方向发展。物联网应用于无土栽培是现代信息技术与无土栽培技术（图11）相结合的产物。物联网技术在无土栽培中主要应用在对栽培环境相关参数的智能化监控和调节，以及辅助人工进行智能化管理，感知和调控栽培基质或营养液温度、营养液组成、pH、水分含量、植物生长等相关指标，最终实现工厂化生产和效益的最大化。

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