我国无土栽培技术发展现状 挑战及展望

李瑞红，韩奕奕，张维谊

（上海市农产品质量安全中心，上海 200335）

随着全球人口的持续增长，如何利用有限的自然资源为人类提供足够的食物成为一大挑战。数据显示，2014～2019 年全球营养不良人口增加了6 000 万人，总量高达6.9 亿人[1]。我国人均耕地面积仅为全球平均水平的42%，较其他国家明显偏低。在全球气候变暖、水资源匮乏、荒漠化加剧等不确定因素的影响下，要充分重视如何保证食物的安全供应，无土栽培技术将是解决这一问题的重要途径。基于CNKI、WoS、Espacenet 等数据库有关无土栽培的文献和专利，通过比较分析法，分析我国无土栽培技术发展态势及面临的挑战，旨为更好地促进我国无土栽培技术可持续发展与应用提高理论依据。

1 无土栽培的概念及发展现状

无土栽培技术是指在不利用传统土壤的条件下进行栽培和生产活动[2]。各国根据生产与实践对无土栽培技术进行了命名，如中国、欧洲、日本的设施农业（protected agriculture）[3]，美国的可控环境农业（controlled environment agriculture）以及室内农业（indoor farming），均指通过人为技术手段摆脱外界环境变化对农业生产造成的影响[4]。根据设施农业是否以传统土壤为生长基质，则又可以进一步分为土培、水培、鱼菜共生、气培、混合培养等类型，除土培外其他培植方式均为无土栽培[5]；数据显示，无土栽培模式中水培占比为49%，居第1 位[6，7]（图1），水培技术主要包括营养液膜技术、深液流技术、漂浮水培法等[5，8～10]。根据设施农业采用的设施类型可以分为日光温室、垂直农业、容器农业、简易塑料大棚等[4]。由于无土栽培技术具有环境可控、减少土传病发生、提高产品产量与质量[11]、提高土地利用效率[12，13]和经济效益等[14～16]优势在世界各国得到了推广与应用，其中西红柿、黄瓜、香草、生菜采用水培无土栽培种植技术的占比较大 （图 2）。

图1 设施农业分类与占比Fig.1 Classification and proportion of facility agriculture

图2 主要水培作物种类与占比Fig.2 Types and proportion of main hydroponic crops

2 无土栽培相关文献及专利申请情况

2.1 无土栽培相关文献

以“无土”为主题词、年限为1978～2020 年检索中国知网（CNKI）数据库收录的中文文献，共检索到5 051 篇；以“soilless”为主题词、年限为1978～2020年检索Web of Science（WoS）数据库所收录的英文文献，共检索到4 878 篇，通过对检索结果分析发现，英文文献数量变化趋势为波动缓慢增长期―快速增长期―急速下降期，1997～2013 年是缓慢增长期，文献数量由14 篇增长至164 篇，2013 年后进入快速增长期，到2018 年达到峰值706 篇，年平均增长速率为35.31%，2019 年发表文献快速降低到449 篇，下降幅度为36.4% （图3）；发表数量最多的国家依次为中国、美国、意大利、西班牙，总发文量均超过100 篇（图4）。中文文献数量变化趋势为波动缓慢增长期―平稳增长期―波动缓慢下降期，其中，1978～1997年为波动缓慢增长期，文献数量由38 篇增长至74篇；1998～1999 年文献数量平均增长率为56.30%；2000～2007 年进入平稳增长期，文献数量保持在191～222篇；2008 ～2020 年进入波动缓慢下降期，平均降低了5.68% （图 3）。

图3 CNKI、WoS 数据库收录的无土栽培文献数量统计Fig.3 Soilless cultivation literatures included in CNKI and WoS databases

图4 WoS 数据库收录的无土栽培论文来源国家统计Fig.4 Source countries of soilless cultivation papers included in WoS database

通过分析文献的主题关键词（图5）显示，研究的重点领域包括基质、营养液、植物品种与研究法方向、无土栽培设施。基质是无土栽培技术的关键与核心[17，18]，有机生态型基质是重要的研究方向[15，19～21]；营养液是无土栽培技术重点，不同品种的养育液需求不同[22～24]；无土栽培已经较为广泛的应用在实际生产中，除瓜果蔬菜外，育苗育秧和花卉园艺等也是重要应用领域[11，13，25，26]；无土栽培设施研究包括环境可控的温室、提高空间利用效率的立体栽培模式等[4，17]。

图5 CNKI 数据库中关于无土栽培文献主题关键词统计结果Fig.5 Statistical results of topic keywords of soilless cultivation literature in CNKI database

2.2 无土栽培专利申请

以“soilless”“soil-less”“hydroponics”“aquaponics”“aeroponics”为主题词、年限为 1978～2020 年检索欧洲专利局Espacenet 数据库所收录的各国专利，共检索到5 998 项。有关无土栽培技术专利数量前4位的国家依次是中国、日本、韩国和美国（图6）。我国无土栽培相关专利从20 世纪80 年代起步，2008 年专利申请数量跃居第1 位，2011 年起专利申请数量快速提升，并与2018 年达到峰值（图7）。

图6 各国的无土栽培专利申请情况Fig.6 Patent applications for soilless cultivation in various countries

图7 1978～2020 年国内外无土栽培相关专利数量Fig.7 Number of patents related to soilless cultivation at home and abroad in 1978-2020

3 无土栽培技术面临的挑战

无土栽培技术近年来得到了快速发展，但仍然是一种面临着诸多困难和挑战，如资金投入、环境设施、人力成本、可持续性、食品认证等[27]。无土栽培技术是现代农业技术，有一定的环境设施要求以进行有效控制和克服外界因素影响[28]，这就要求前期设施投入资金、运行资金要充足[29]，如水培技术的主要运行成本包括劳动力、物质（培养基质、营养液、种子等） 投入、产品运输、土地租金、产品包装、能源等，占用资金较大。在无土栽培技术应用的环节中，如营养液配置、栽培过程实时监控、数据分析、管理控制等需要高素质人才，因此人力成本较高[30，31]。无土栽培技术与设施需要定期升级以满足生产需求，如数据采集与分析系统、环境控制系统、农场管理系统、自动包装装置、LED 光源、有机营养物质（培养基质）等[32]；各种作物以及种植区需要的无土栽培技术差异加大[4]，且在技术转化过程中需要通过不断地实践才能得以落地实施。无土栽培产品目前无法通过有机食品认证、绿色食品认证等，严重阻碍其可持续性发展[33，34]。

4 未来展望

虽然我国的无土栽培技术起步较晚[30]，但近年来发展态势迅猛，目前相关领域的研究与成果列举世界第1 位，但是应用在实际生产中无土栽培技术占比仍然较低，开展水培、鱼菜共生等无土栽培技术生产模式的企业仍然较少。我国人均耕地面积低于世界平均水平，水资源匮乏，无土栽培技术发展前景广阔[35]。未来要积极引导和规范无土栽培的规模化和标准化生产，加强无土栽培相关研究、提高专利转化率，进一步丰富和提升人民的农产品消费水平和质量。