无基质栽培根系营养供应技术专利综述

黄欢 梁韬

摘要：本文在CNABS、DWPI数据库对无基质栽培中营养供应的专利文献进行检索，从申请总量、年度變化、技术分支分布及技术演进4个方面对无基质栽培中根系营养供应专利技术状况进行分析，梳理无基质栽培领域的根系营养供应技术相关专利申请现状，揭示该技术领域技术研究的重点和技术发展方向。

关键词：无基质；根系；营养供应；专利技术

中图分类号：S317-18 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）21-0062-03

Review of Patents Technology of Root Nutrition Supply in the Matrix-less Culture

HUANG Huan LIANG Tao

（Patent Examination Cooperation Sichuan Center，State Intellectual Property Office， Chengdu Sichuan 610000）

Abstract： In this paper， based on the databases of CNABS，DWPI， the domestic and foreign patents application about the technology of root nutrition supply in the matrix-less culture were analyzed by data examination and collection， from four aspects of total application amount， annual variation， technical branches distribution and technological evolution， hoping to have a review of the patent application condition and provide valuable information of the development direction in this field.

Key words： matrix-less； root； nutrition supply； patents technology

1 根系营养供应研究概况

无土基质栽培的核心是用营养液通过基质来供应水分养分，基质和营养液配合，完成固定、支持植物，调节供氧、供水和养分的任务[1]。根据基质结构特点进行养分供应研究是无土基质栽培技术的关键，主要包括两方面内容：一是基质对养分的吸附、保持、释放以及植物根系对营养的吸收过程，二是营养液的组成、配制、灌溉制度。由于植物对水分和养分吸收、运输的相对性，加之基质的水分和养分运移特点复杂，因此营养液的灌溉和管理比较复杂，其中以起源较早的浮板式吸水栽培和目前实际应用更广泛的家庭蔬菜机都涉及了不同的根系营养液的供应技术。

1.1 无基质栽培中根系营养供应技术

无土栽培主要分为无基质栽培和有固体基质栽培。虽然固体基质栽培的性能稳定、一次性投资少、效果好，但是，基质来源较少、成本高，病害方面特别是根系病害缺乏有效的防治药剂和营养液消毒设备，而且基质栽培中无法准确地对根系营养供给量、时间、成分进行分时段准确控制。虽然随着有机生态型基质的研究及推广，配合营养液滴灌的方法，克服了根系营养供应不均的问题，但仍存在难度大、操作复杂等问题[2]。因此，有基质栽培存在推广应用的限制。相比而言，无基质栽培表现出了如下突出优点：一是缩短植物生长期；二是比基质培法栽培的蔬菜含有更高的钙和钾含量，生产更清洁；三是便于规模化、工厂化生产，因此得到了广泛推广和利用。

1.2 无基质栽培中根系营养供应技术存在的问题

目前，应用无基质栽培主要采用定植块来固定植物，但定植块种类较多、来源不同、性质不统一，需要进行消毒，而且其透水吸水性限制了其在特殊植物根系上的应用。虽然无基质栽培中营养液循环流动，但一旦病菌传播速度快，感染病菌就会带来极为严重的群发病害。因此，营养液供应的均匀性、营养液消毒设备、有效防治药剂也是亟待解决的技术问题[3-5]。

2 无基质栽培根系营养供应技术发展状况

2.1 数据库与关键词

本文选择CNABS（中国专利文摘数据库）、DWPI（德温特世界专利索引数据库），对2017年之前涉及无基质栽培的根系营养供应的专利技术进行检索。基于无基质栽培根系营养供应方式分类概括得到技术分支，对申请年度分布、地区进行统计，对主要技术分支布局和技术演进发展进行梳理。

2.2 无基质栽培根系营养供应技术分支

依据技术分支的概括，无基质栽培根系营养供应方式分为非液体形式和液体形式2种（见图1）。其中，非液体式是指将植物所需的根系养料进行雾化或气化以喷射形式供给，或随水分子以弥雾形式供给；液体式是指将植物所需的根系营养溶于水中，以间歇更换或循环流动方式进行供给。

非液体式的专利技术主要包括全雾式、半雾式2个研究方向（见图2），其中全雾式是指将植物根系悬空于一个空间中，将营养液或养料雾化后以雾状形式喷洒到植物根系表面；半雾式是指除了以雾化形式供应养分外，同时以水浸没部分主根以进行营养的供应。液体式的专利技术主要包括液膜式、漂浮式、半浸润式、直立式吸水和毛管浮板式吸水5个研究方向，其中液膜式（NFT）是指作物根系一部分浸在浅层营养液中，另一部分暴露于种植槽内湿空气之中，仅维持浅层的营养液在根系周围循环流动；漂浮式是指在定植块的作用下，种子萌发后的植物根系完全浸没在营养液中；半浸润式（DFT）是指提供的营养液的液层较深，但仍有一部分根系悬挂在营养液的水平面上；直立式是指定植块在毛管吸力的作用下湿润，以保持根系的营养供给；毛管浮板式（FCH）是指控制一定的营养液深度，泡沫板上覆盖两侧延伸入营养液的亲水性材料，使浮板始终保持湿润状态，作物根系一部分生长在浮板上，一部分从浮板两侧伸入营养液中，吸收氧气、营养元素和水分。

如图1和图2所示，以液体形式供应的专利文献量大于非液体形式供应的专利，约占到总申请量的64%。这主要是由于目前无基质栽培主要集中于蔬菜类植物的种植上，而诸如生菜、白菜类植物的根系多为浅根，养分吸收能力弱，液体式供应更利于其营养的吸收利用。此外，非液体式中的雾化供应对泵、喷头及消毒方式的要求较高，其在部分国家仅用于科学研究。而在液体式供应中，半浸润式所占比例最大（28%），占液体式总申请量的43%，这主要是由于实际生产中半浸润式（DFT）供应方式无论是以间歇性还是流动性进行营养液的更换或循环，大部分采用的营养液具有较强的缓冲能力，同时所依托循环结构简单，不仅可以降低管理难度，而且能保证因暂时故障而导致系统无法运转的问题发生时，植物生长不受影响。

2.3 年度申请量

在基于优先权日或最早申请日在2017年5月之前的申请进行统计，按照每年申请量进行分析，由图3可以看出总体发展为波动式增长趋势。从图3可以看出具体无基质栽培中根系营养供应的专利申请始于20世纪70年代，并于90年代开始，申请量开始呈现迅速上升；对于无土栽培技术，中国的专利申请始于20世纪90年代，以后申请量稳步增长，这主要由于1985年农业部正式将无土栽培立项进行协作攻关研究。此外，可以看出中国申请量于2000—2005年出现第一次申请高峰与全球申请具有相同的趋势，这主要是由于随着计算机及自动化控制技术的发展，为根系营养液供应技术向智能化、精细化发展提供了基础。

2.4 申请地域分布

图4反映了全球无基质栽培根系营养供应技术的地域分布情况。中国、日本、美国、韩国、俄罗斯和澳大利亚是主要的专利申请地区。其中，日本和美国的申请基本持平，多集中于深液浸润式与液膜式供应方式，而美国作为无土栽培研究最早的国家，其对于无基质栽培根系营养供应的研究广泛得益于美国家庭无土栽培的广泛推广。而中国的专利布局占全球的40%，而且多为本国申请。

2.5 重要技术分支专利技术演进

按照时间对无基质栽培中根系营养供应技术的重点专利技术进行梳理得到图5所示的重点技术分支演进图，可见20世纪90年代至21世纪初是无基质栽培根系营养供给技术快速发展的阶段。有关根系营养供给技术，无液体式供应起源较早，而且主要集中于对喷雾角度、喷雾循环方式、供气式喷雾及喷雾均匀度方面的改进；而在非液体式供应技术方面，20世纪90年代之前集中在毛管吸水式的营养供给，特别是液模式供应技术和半浸没式供应技术方面，其主要技术发展在于解决根系浸没在营养液中而伴随的透气性低、根系营养利用能力不同以及根系养分利用持续性不高的技术问题。而且借助于喷雾式中泵送空气、氧气和二氧化碳的气体循环技术以及毛管吸水技术中的根块湿润保持的技术融合，从目前的专利申请情况来看，半浸润式结合喷雾技术为该领域重点发展方向之一。

3 结语

本文从申请总量年度变化、地域分布、技术分支及技术发展4个方面对无基质栽培中根系营养供应专利技术状况进行了分析，反映了该领域技术发展的主要方向，以期能够为我国无基质栽培的技术研究提供参考。

参考文献：

[1] 肖宝珠，肖庆元.无土栽培技术的应用前景[J].湖南农业科学，1994（2）：23.

[2] 劉士哲.现代实用无土栽培技术[M].北京：北京农业出版社，2001.

[3] 黄科，吴秋云.无土栽培的现状与展望[J].福建农业科技，2001（2）：14.

[4] 张燕，范宏伟，赵丽红，等.花卉无上栽培技术研究进展[J].北方园艺，2006（4）：125-126.

[5] 张成波，杨其长.植物工厂研究现状与发展趋势[J].华中农业大学学报，2004（35）：34-37.