无土栽培技术创新发展研究进展*

李瑞杰

（四川文理学院特色植物开发研究四川省高校重点实验室，四川 达州635000）

国际无土栽培学会规定，无土栽培是指不采用自然的土壤，使用或不使用基质，用营养液培养植物根系或采取其他方式来栽植植物的方法。也有学者定义无土栽培，是一种在作物栽培过程中不使用天然土壤作为营养基质，而将作物栽植在由人工做成基质材料非土壤的栽培床上的技术[1]。

与传统的土壤栽培相比，无土栽培生产减少了土传病害以及作物栽植后水肥管理、土壤性质变化等所应采取的措施，能够克服作物连作障碍，提高资源利用率，提升生产值，达到提高生产效益的目的。近年来，随着人类对地球的过度开发和无限索取，土壤严重退化，土壤理化性质问题愈发严峻，部分作物的土传病害研究亟待突破，无土栽培技术的发展成为必然。

1 无土栽培的中外发展简史

在19世纪40年代，就有德国化学家李比希提出无土栽培营养液配置的相关学说——矿质营养学说，认为植物体可利用矿质盐配制液来完成生长。而后到20世纪20年代末，美国的格里克完成了营养液栽植番茄的研究，单株产14.5 kg，自此无土栽培走进大众视野。自20世纪五六十年代，无土栽培在西方国家发展空前繁盛。20世纪70年代惨遭石油危机，倚靠石化发展的无土栽培业被重挫。而后英国温室作物研究所开发的营养液膜技术（NTF），丹麦开发的岩棉培技术（RW），使得无土栽培产业在危机中存活。到20世纪80年代，随着技术的进步以及设施园艺技术的不断完善，无土栽培技术越来越完善，许多发达国家实现了无土栽培技术的工厂化、集约化生产。植物工厂兴起，无土栽培成为其核心技术[2]。

我国在20世纪末引进成套无土栽培设施，近年逐渐走上集约化生产。1931年，中山大学的罗宗洛研究铵盐、硝酸盐营养，取得显著成果[2]；1937年，上海思维农场运用基质栽培生产番茄；1947年，美国军人在南京御道街利用无土栽培进行小规模作物生产；1969年，台湾龙潭农校对蔬菜的砾配进行研究；1975年，山东农业大学对番茄等作物的基质栽培取得成功却未推广市场[3]；1982年，山东农大研制出“鲁SCI型”无土多层栽培设施后，研制出“鲁SC-II型”[4]，并在“八五”期间开发出“浮板毛管水培（FCH）”。我国无土栽培面积迄今为止已超过3 000 hm2。

2 无土栽培形式的对比

2.1 传统的无土栽培

首先，要用各种无机化肥配制成营养液，既要保证各种元素间的平衡又要保证作物生长需求得到满足，尤其要关注微量元素的有效性。其次，在配制过程中，还需要各种设备配套使用。在灌溉过程中排水流出系统外时，营养液中的盐会污染环境[5]。

2.2 有机生态型无土栽培

有机生态型无土栽培是指不用传统无土栽培所用的培养液灌溉作物根系，而是使用有机固态肥且直接灌溉作物的一种栽培技术[6]。有机生态型可通过追肥和清水灌溉来实现肥水管理，有机基质即植物营养构成的基础，且成本相较于无机肥料所配置的营养液要更低。由于有机生态型无土栽培是用清水灌溉，即便有液体排出系统外，对环境的污染较传统无土栽培也很小。

在传统的有机生态型配方中的草炭、蛭石、珍珠岩，草炭是不可再生资源，过度开采会破坏湿地环境；蛭石锻烧条件要求高，三者都为高成本基质材料。对此，魏淑莲（2021）对比四种无土栽培组合基质对番茄品质和效益的影响，发现玉米秸秆、食用菌渣和鸡粪以5∶3∶2对照同比例草炭、蛭石和珍珠岩，前者番茄株高、茎粗、单果质量、单株果质量和产量增加8.38%、8.80%、10.68%、10.76%、9.55%。番茄有机物含量和营养成分如溶性糖、固形物、VC和蛋白质含量增加19.57%、25.04%、15.10%和17.74%[7]。但部分研究发现，有机基质混合部分无机养料植物吸收会更高效。李佳莹（2017）对番茄和黄瓜进行五组配方研究对比，以常规土壤栽培对照，黄瓜栽培基质中，加入了1.9 g尿素和0.55 g的S1T5处理最好，未加入化肥但与S1T5同基本物料配方的S1T4处理次之[8]。

3 无土栽培的类别

3.1 液体基质栽培

3.1.1 水培

水培是指植物根系部分浸没在营养液中吸收所需生长养分，部分根系裸露在潮湿环境内。分为深液流技术（DFT）和营养液膜技术（NFT)。营养液的pH值和EC值是其重要指标，象征着营养液中各种离子和盐分的含量。较早的营养液自动调控技术是国外的Hatou等研发的营养液控制专家系统[9]，我国在该方向较具有代表性的有牛静娟的无土栽培营养液调配及灌溉控制系统[10]，何海东（2011）基于Q-学习设置的营养液自适应系统[11]。

3.1.2 气雾栽培

气雾栽培，简称雾培。是一种在封闭不透光的环境中，通过自动控制系统喷洒雾化营养液来满足作物正常生长需求的栽培模式。作物被悬挂在环境中且根系裸露。根系的呼吸代谢在富足的氧气参与的情况下，呼吸代谢产生能量转化率才能达到最大化，才能更好地吸收外界提供的水分和营养物质[12]。韦慧明等（2021）对比水培和雾培对上海青生长发育和产量的影响，得到雾培条件下栽培的上海青生理体征等方面均优于水培的结论[13]。高健敏等（2015）对土人参、刺芫荽、奇亚三种药用植物进行雾培生长研究，对照土培，发现奇亚株高及根长是土培的1.6倍和3.8倍，土人参和刺芫荽经雾培后其平均鲜重是土培的2.9倍和3.4倍[14]。说明雾培有利于植株生物量积累。

刘晶（2013）综合植物生理、雾培技术理论、超声波雾化技术等知识，设计了一种名为“超声雾化自动喷雾栽培”的系统。该系统所喷洒的营养液微粒直径仅1 μm～5 μm，让植株更好地吸收养分[15]。

姚利军（2019）通过设计雨水利用型雾培装置的控制系统，来实现对试验地长春雨水雾培可行性的检测。且通过叶菜类雨水雾培实验证明该系统栽培的作物质量优于传统雾培系统[16]。

雾培作为一种新型栽培技术，其核心技术仅掌握在少数发达国家中，国内研究仍需攻坚。

3.2 固体基质栽培

3.2.1 无机基质

无机基质中包含岩棉、砂砾、珍珠岩等。固体基质常伴随着通透性良好，但保水性差的特点。砂砾是最早用来栽培作物的无土栽培基质。岩棉在随着近年北欧对pH值、盐分淋洗的深入研究，突破了盐分在岩棉中堆积的难题，实现了岩棉培营养液的可控[17]。

3.2.2 有机基质

索琳娜（2012）对农林生物质废弃物进行处理，并将其利用到无土栽培基质中。对充分腐熟发酵的玉米芯和经过高温惰化处理的玉米芯及其他园林绿化废弃物进行理化性质的分析，发现处理后的基质性能优良，可替代泥炭基质[17]。但部分传统有机基质保水性差，如芦苇末基质、泥炭、树皮等疏水性强，失水干燥后易结块[18]，可以结合高吸水性树脂，增强固体基质的保水性，同时不损害其透气性[19]。

4 无土栽培相关技术

4.1 新型潮汐式无土栽培设施（NSCD）

靳露等（2018）的新型潮汐式无土栽培设施较传统潮汐式设施，即鲁SC-II，其在具有类似抗张能力的情况下，其水对分隔板的压力远大于鲁SC-II中水对分隔板的压力，故其供水效率更高，它能在15 min内将基质含水量提升到80%。此外，NSCD的建造成本减少7.77%。

4.2 仿轮作蔬菜无土栽培系统研究

由付强（2017）设计的仿轮作无土栽培系统：包含营养液缓冲箱、雾培箱、岩棉栽培床等设备，结合岩棉培和雾培技术，采用立体栽植的方式，运用计算机技术对营养液pH值和EC值进行实时监测和自动调控，建立两种仿轮作模式——雾培生菜岩棉培樱桃萝卜模式、雾培生菜与岩棉培豌豆苗。通过与同等气候条件下传统雾培生产的作物对比，发现仿轮作模式的栽培效益更高。生菜硝酸盐含量下降，在两模式中分别下降14.4%和28.29%，且氮素利用率上升，能源投入大幅度降低。

4.3 渗灌式栽培方式

李飘飘（2014）研制了一种毛细渗灌式无土栽培系统以及毛细吸水材料。其结构简单，省时省力，设置在半空中的栽培槽有效减少了病虫害感染，且塑料薄膜的覆盖有效减少水分蒸发。该系统最优在于其满足作物生长需求且保有节水能力。

4.4 无土栽培远程灌溉控制系统

王家明等（2020）针对在传统无土栽培中不完善的劳动力问题设计了一套无土栽培远程灌溉控制系统。采用了MSP430F149微处理器配合基于Qt编程设计的上位机软件，实时监测作物pH值、EC值、温度，且该系统利用BP神经网络来调控pH值及EC值，实现远距离检测数据及实时调控。

4.5 立体栽培

立体栽培分为地面立体栽培和空间立体栽培。地面立体栽培主要依靠间作、套作结构，调整主群结构来实现资源利用率的提升。空间立体栽培分为床式两侧立体栽培、吊挂式两层立体栽培、框式立体栽培、阶梯式栽培、立柱或长带状栽培。目前，我国立体栽培多应用在绿叶蔬菜、菌类及部分草本蔬果。有研究表明，多层立体栽培作物产量显著高于土壤栽培，并且多层立体栽培可应用到延后栽培技术中。陈玉波等（2017）采用A字型架研究日光温室中光温条件对于草莓立体栽培的影响，研究结果表明，草莓中下层的成熟期晚于上层，且产量仅占总量的19%～23%。说明不同植株光温条件对于其在立体栽培中的生长指标有显著影响，可以根据这一特性在不同层栽植不同习性同生长期作物，或是调整层间距以改善光温环境对于植株生长的影响以及调整其管理技术。桑政（2018）通过改变层间距，设置80 cm、110 cm、140 cm三个不同层间距的双层栽培架对番茄进行栽培。研究发现，80 cm下层番茄较上层第一二花序坐果数差异不显著，但平均果重显著减少。110 cm、140 cm第一第二花序坐果数和平均果重与上层相较都不显著。但三个层距中下层番茄第三第四花序坐果数及平均果重都明显减少。故针对不同情况应采取不同的农业措施来改善下层作物的生长状况。如层距80 cm的下层番茄留两穗果打顶，上层留四或五穗果打顶。

5 展望

随着我国“三农”问题的日益严峻以及城镇化步伐的加快，农业人口逐年减少。对于中国这样人口基数大的发展中国家，园艺产品生产产业化、集约化、高度机械化已然成为趋势。对于像中国这样的后发国家，在倡导可持续发展的前提下，将无土栽培技术结合自身国情，走出一条独具特色的、适合自己的无土栽培产业发展道路是切实可行的。但显然，我国的无土栽培技术远不及发达国家，广大科研工作者仍需努力。