荷兰番茄基质无土栽培主要技术的研究与探讨

宋发成，刘元义，Domenico Lofù，郭 佳

(1. 山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049;2.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049;3.意大利巴里理工大学 电气信息工程系，意大利 巴里 70126)

无土栽培技术(Soilless Culture)是一种不用土壤，而采用基质或营养液种植作物的栽培技术。该技术改变了传统以土壤栽培的种植方式，突破空间和地域限制，具有省肥、省水、提高产品质量品质等优点[1]。无土栽培技术可根据作物生长环境分为两大类，即基质栽培法和无基质栽培法。番茄营养丰富，味美价廉，是最受消费者欢迎的蔬菜之一。随着番茄需求量的增加和可用于番茄耕种土地的减少，无土栽培技术也逐渐应用到番茄培育生产之中，且发展非常成熟。番茄无土栽培多采用基质栽培法[2]，其中以荷兰为代表的欧洲地区的番茄基质无土栽培技术最为成熟，最具代表性。本文将从栽培设施、基质、定植栽培管理和营养液管理4个方面介绍该技术，并分析该技术在我国的应用现状以及对我国无土栽培技术发展的启示。

1 栽培设施

完善的栽培设施是实现番茄基质无土栽培不可或缺的硬件条件。番茄生长所必需的几个重要要素分别为：水分、光照、合适的温度湿度、CO2的供给、养分肥料的供给。为满足这些条件，荷兰设计了合理的温室结构和栽培槽，并配套自动化控制系统对环境条件进行调控。同时，为了提高工作效率，除了应用集成化系统将环境控制、水肥管理、数据检测等设施设备进行统一管理外，还配备采摘作业车、升降轨道车等省力配套机械，进一步提高工人操作效率。

1.1 玻璃温室

荷兰生产农作物的温室多为玻璃温室，其技术经过多年发展，结构已经非常成熟。用于番茄无土栽培的温室结构为典型的Venlo型全玻璃温室[3]，脊高7 m，天沟高6.3 m，支撑柱间距为5 m，跨度为8 m。较高的温室脊高能够满足温室内对番茄进行悬挂式栽培的需要，且能扩大缓冲空间。温室屋面采用透光率高的玻璃作为采光材料，且用专用铝型材做屋面梁，大大减少了屋面梁的断面尺寸，加之省去了屋面儃条和连接件等，减少了整个屋面体系的遮光，使整个温室的透光率大大提高，能有效缓解光照少带来的劣势。温室屋面相对地面投影的比例较高，每跨度内可具有2～4对屋面，即2～4个屋脊和天沟。采用间隔式开窗方式时，可提高通风率。通常，Venlo型温室的通风面积可达到温室地面积的10%左右[4]。温室设有露水收集装置，可防止屋面结露水下滴损伤作物，内保温系统及外遮阳系统可调节室内的光照强度和温度，冬季可保温，为番茄提供良好的生长发育条件[5]。玻璃温室如图1所示。

图1 玻璃温室

1.2 栽培槽

无土栽培中栽培槽用于盛放供作物生长的基质袋，其能够起到合理利用种植空间、隔绝土壤污染、免除土壤连作障碍并提高水肥利用率的作用。1979年荷兰的“Meteor Systems”公司创始人发明了首个番茄栽培槽[6]，经过三十多年的发展，番茄用栽培槽技术已经非常成熟完善。栽培槽按照在温室中的安装方式可分为悬挂式和地面支撑式。培养番茄常用的方式为栽培槽悬挂式，安装前首先确保温室的桁架设计能够承受栽培槽、栽培基质、作物植株、以及果实总重量。而后栽培槽沿玻璃温室脊线方向单行式配置，槽间隔为1.6 m，悬挂高度为离地面0.6～0.7 m。番茄无土栽培的栽培槽宽度约为200 mm，其横截面形状有口字型、凹字型和几字型等，其结构应能实现对营养液的回收利用[7]。图2所示为几字形栽培槽，基质袋放在栽培槽支撑面上，多余的营养液从基质袋割口流出并沿着支撑面流入排液通道，回收的营养液经处理可再次利用，提高利用率[8]。因此，为顺利收集多余营养液，栽培槽安装时还应有一定的安装坡度，约为3‰ ～5‰。

图2 几字形栽培槽

1.3 补光系统

为应对阴雨天气和冬季阳光少的问题，需采取措施保证番茄得到充足的光照。玻璃温室配有专业的玻璃清洗设备，以保证长年透光率维持在70%以上。同时，还会安装补光系统，最常见的补光设备是高压钠灯。一般而言，增加1%的光照，便可增加1%的产量。为了计算补光效能，荷兰的农业生产者甚至计算出维持每穗果实生长所需的能量为每天80 J/cm2，若每株挂果7穗，维持植株生长所需能量为100 J/cm2，所需总能量为660 J/cm2，相当于需自然光照18 h以上。然后根据番茄的能量需求，确保补光的强度满足番茄生长的需求[9]。值得一提的是，LED补光也逐渐应用到番茄无土栽培中，LED有着更好的发光效率，省电耐用，随着价格的下降，未来玻璃温室中LED补光会越来越普及。

1.4 温湿度调控

为实现温湿度的调控，培育番茄的玻璃温室常配有日常储能系统和长期储能系统，并合理铺设了配套的输水管道。前者白天把发电系统产生的热能储藏在保温水箱内，晚上放热。后者在温室区有冷水、热水水池，两个水池对温室在不同季节进行温度调节，以保证温室“冬暖夏凉”。通过热电联产和储能系统，荷兰的番茄生产者可以精准控制番茄在不同时期的生长温度：定植初期白天20 ℃，夜间19 ℃[10]。开花结果以后，白天最高温度22～24 ℃，夜间温度前半夜17～18 ℃，后半夜18～19 ℃。阴天时适当增大温差，白天最高26 ℃，夜间16～17 ℃。整个温室系统，不仅可以把温度控制在16～22 ℃之间，还可以控制空气湿度，让白天的RH为75%～80%， 夜间为85%～90%。

1.5 热电联产与二氧化碳供给系统

荷兰的天然气资源较丰富，很多温室都有自己的热电联产系统，即以天然气为燃料，在为温室生产提供热量的同时，将剩余热量转化为电能的锅炉系统。该系统白天运转，将所产生的热水储存，产生的电能除了供应温室需要外，多余的还会并入国家电网，而产生的二氧化碳则会用于番茄生长。一般大气中二氧化碳的体积分数仅为0.04%左右，但番茄的二氧化碳饱和点在0.14%，远不能满足番茄的生长需要。因此，有热电联产装置的温室，可以将温室二氧化碳的体积分数控制在0.08%～0.09%左右，让番茄获得比普通耕地更高的产能。其他没有热电联产系统的温室，则要靠近大型的能耗企业(如港口、工厂等)或有供能系统的温室，通过地下管道输送的方式获得二氧化碳气体。

1.6 自动化灌溉施肥和集雨设备

荷兰温室设施采用精确控制系统，能将番茄灌溉总量、灌溉频率数据和番茄生长及气候环境相结合，实现水肥一体化、智能化。不但可以根据作物不同时期调整灌水量，而且可以在一天当中，根据太阳辐射的情况及时调整供水量，以保证在满足作物需求的同时，避免水分浪费。并且配备集雨设备，收集雨水供灌溉使用。荷兰番茄生产的自动化施肥系统还具有高度的精准性，主要体现在两个方面，一是质量上，每周的肥料配方都是由肥料咨询公司为其提供，生产者根据回液测试值、雨水的测试值，调配符合某一特定时期配方的营养液母液。温室也会专门收集每天每株植株的供应量，并且每天都会收集岩棉块中的营养液，对EC值(可溶性盐浓度)、pH值等主要指标进行测试，同时及时输入施肥系统，以确保制定第二天所用营养液的合理配比[11]。二是用量上，番茄营养液用量由施肥系统控制，根据温度、光照等环境因素不同而不同。为保证植株生长期间施肥系统能够提供适宜的营养成分，荷兰温室生产一般采取定期的检测体系，及时进行调整。水肥灌溉方式为用插管滴灌，温室内建有蓄水池,其水位栽培槽之间至少有1～1.5 m 的水位差。蓄水池内的水用于给营养液加水并对番茄滴灌,栽培槽内设一两条滴灌带, 滴灌时将引出的插管插入到相应植株的基质中，可利用压差实现滴灌。自动灌溉和集雨设备如图3所示。

图3 自动灌溉和集雨设备

1.7 智能控制系统

上述提到的光照、温度、湿度、水肥供应及二氧化碳控制，全部由统一的传感系统监控并录入数据，由计算机根据软件设定进行统一的控制[12]。 以荷兰Red Harvest为例，该农场温室自动化控制系统基于Priva connext系统，该系统将加热系统、CO2增施系统、灌溉系统、通风降温系统、营养液回收利用系统等进行了集成，在一台电脑上就可以控制整个温室正常运转。通过智能控制系统，可以让每一株番茄处于最佳的生长状态，从而实现每株番茄种植一年，每周产一穗果，平均年生产时间为48周，一茬亩产十万斤的奇迹[13]。

1.8 温室配套机械

对于规模化的温室生产，为了提升效率，配套的机械设备是非常重要的一环。荷兰的番茄温室，一般配备有采摘作业车、植保车、可升降轨道车、运输作业车等。利用升降轨道，可操作蔓长达10～12 m、吊高3.5 m的番茄。温室配套机械设备不仅仅应用在番茄的生产过程中，在其他过程中也有相应的应用。如育苗过程的自动化播种机、生产后的清运设备、采果后的自动称重包装等等，都是荷兰番茄生产者实现高效管理的重要辅助机械。此外，上述提到的用于调节温度而铺设的输水管道，通过合理铺设，亦能作为各种作业车的运行轨道(作业车行走在输水管道上)，从而合理利用了空间(如图4所示)。

图4 输水管轨道和作业车

2 基质

荷兰的番茄无土栽培大部分采用岩棉作为基质栽培[14]，该基质生产面积占到生产总面积的90%以上。岩棉基质栽培是将植物栽植于预先制做好的岩棉中的栽培技术。岩棉是由60%的辉绿岩、20%的石灰岩和20%的焦炭，在1 600 ℃的高温下熔化，喷成0.005 mm的纤维，并压成块，使其重量为77～80 kg/m3而成的无机固体基质。岩棉具有很好的透气性和保水性，经过1 600 ℃的高温提炼，无菌、无污染，因此是欧洲主要的无土栽培基质。用于无土栽培的岩棉，在制作工艺过程中还需加入亲水剂以增强其亲水性。利用岩棉作基质的无土栽培称之为岩棉培(如图5所示)。岩棉培装置简易、安装和使用方便，其栽培床只需岩棉毡、黑色塑料薄膜、无纺布，并配以滴灌装置。在温室进行番茄无土栽培时，栽培槽采用悬挂式挂在桁架上，将岩棉毡放置在栽培槽上即可[15]。

图5 岩棉培

3 定植栽培管理

经过多年的经验累积，荷兰的番茄生产已经形成了标准化的流程，在品种选择、植株管理、授粉方式、病虫防控等技术上都有完善的配套。

3.1 品种选择

番茄的高产离不开优秀的品种，一般选择生长势强、抗早衰、连续结果能力强、果实大小均匀一致、畸形果率低、综合抗逆能力强、品质好的红果品种来进行生产。生产中大多选用单果重为120～150 g的中型果，且每个农场番茄品种相对固定。

3.2 长季节栽培

荷兰的番茄仅生产一茬，跨度为一年。一般在冬季低温寡照时育苗，12月上中旬定植，次年11月中下旬拉秧，平均年生产周期为48周。在这样的栽培模式下，番茄秧可长达10～12 m，需要复杂的植株管理。

3.3 植株管理

荷兰的番茄生产用工可分为：吊蔓、分枝、落秧、绕秧、打杈、疏花、打叶。荷兰番茄通常采用高秧吊蔓栽培，生长点离地3.5 m高。然后每周落秧一次，落秧采用挂钩翻转或挂绳解旋的方式，全程操作均在轨道车上进行，并需注意避免扭裂或折断茎蔓，保证生长点水平高度一致。整枝方式为多杆整枝，以“Tomato World”农场大番茄为例，初始密度为1.7株/m2，4周后通过分枝密度增加至2.7株/m2，再过12周后密度增加至3.6株/m2。吊蔓与分枝工作每年进行次数有限，因此与落秧工种合并管理。绕秧可造成茎秆内部轻微损伤，从而促进开花结果(生殖生长)。绕秧的同时要将叶腋间抽生的侧芽、侧枝全部去掉(即打杈，从基部去除，减少机械损伤)，避免养分消耗和植株间相互遮蔽，最后再将多余的花及花前枝去掉。打杈、疏花时，尽量少用手接触植株茎叶部，注意消毒，防止病菌传染。打叶每周进行一次，一次打掉2～3片以改善植株中下部通风透光条件，减少养分散失。操作时采用专用打叶刀紧贴叶柄离层去掉叶片，以减少打叶造成的机械损伤，减少病害感染的几率。打掉的叶片直接放置于栽培槽底部地面上，待生长结束时统一收集处理。

3.4 生物防治虫害与授粉

番茄栽培过程中，为了控制病虫害，温室的人员出入有着严格的消毒制度。荷兰番茄温室内几乎不使用农药进行虫害防治，而是以生物防治为主，以物理、化学防治为辅。温室番茄生产主要虫害防治对象为白粉虱、潜叶蝇、蚜虫等，白粉虱采用盲蝽、丽蚜小蜂等天敌防治；潜叶蝇采用潜蝇姬小蜂防治；采用蓝板防治蓟马、黄板防治白粉虱和蚜虫(如图6(a)所示)。

为减少人工授粉的成本以及化学激素的使用，荷兰温室一般采用熊蜂对番茄进行授粉(如图6(b)所示)。在多于20%的番茄开花后，开始使用熊蜂。蜂箱摆放要高于作物或者放置在栽培槽下面，熊蜂进出口不能有遮挡物，蜂箱上方放置遮阳设施。一箱熊蜂可以用于约660 m2的番茄授粉，当棚室面积超过860 m2后增加到两箱。

(a)黄板防治病虫 (b)熊蜂授粉

4 营养液管理

营养液作为无土栽培的核心部分，从配成后直至被植物吸收的全过程，如何精细管理对番茄整个生长过程至关重要，而荷兰现代化的营养液管理是实现番茄高产的保证。

4.1 营养液配方管理

番茄对无机元素的吸收量因品种和生育阶段不同而不同，所以应根据番茄品种、生育阶段、栽培季节进行管理。荷兰番茄一般都是串收品种，12月定植，一直持续到第二年12月，基本保持一年的生长时间，像这种长季节生长作物需根据作物长势及时调整配方，荷兰番茄生产每周一个营养液配方，由专业公司根据番茄长势、回液测试值制定。

4.2 供液方法与次数的管理

荷兰番茄一般都种植在岩棉块上，常采用间歇供液方式，这样可以强制循环增加营养液中的溶氧量，以满足根对氧气的需要。一般每天供液次数及每次供应时间要根据季节、天气、苗龄大小、生育期来决定。具体每天施用数量、时间均由该系统实时监控，系统中设置光照强度和时间间隔两个条件，满足其一即可，保证了营养液按需供给，一般8：30开始施肥，每隔20 min浇灌一次，每次每个滴箭吸收大约200 mL营养液，每天总用量约为7 L/m2[16]。

5 应用展望

荷兰番茄基质无土栽培技术经过多年发展，体系完整、技术成熟，能够充分发挥无土栽培的优势，大大提高了番茄的产量和质量，生产的番茄与土壤栽培相比，果型端正、果皮着色均匀、口感佳、维生素以及各种矿物质等营养成分也有所增加，例如维生素C的含量能达到150 mg/kg以上，比土壤栽培的提高了25%。同时该番茄基质无土栽培技术还有效提高了生产效率[17]。该技术虽然在我国也有一定的研究和应用，但是总体相对落后。在我国种植番茄的大部分为个体户菜农，文化水平普遍不高，难以掌握无土栽培这种复杂技术。并且该技术所需前期投资较高，如玻璃温室、水肥一体化系统搭建等，普通个体户没有能力负担这些必要设施的费用。基本知识、管理经验以及配套设施的匮乏导致我国无土栽培种植番茄产量与传统土壤栽培产量相差无几，甚至更低。近年来，随着我国城镇化进程进一步加快，农村务农人口大量流失，我国农业生产方式正经历着重要的转型升级，无土栽培技术的推广越来越迫切。但我国不能照搬荷兰的无土栽培模式，而是应该学习其精细管理、追求品质的精神，并结合我国农业生产的具体国情，发展适用于我国的无土栽培技术。