现代温室无土栽培零排放可能性探究

李 鹏，王芳丽（上海由由农业科技有限公司，上海 200216）

随着人们环境保护意识的增强，对温室无土栽培灌溉系统中所产生排液的处理和再利用日益引起重视。荷兰政府规定在2027 年实现氮的零排放，也就是说温室灌溉要做到完全“封闭式”，即排液可以被收集、处理进而重复利用。近年来，以连栋玻璃温室为代表的高端温室在中国的发展非常快，无土栽培作为现代温室中常用的栽培方式也越来越普及。

无土栽培是指不用天然土壤，而用营养液或固体基质加营养液等栽培作物[1]。常见的栽培基质有椰糠、泥炭和岩棉等，在无土栽培中，为了确保温室各基质环境的一致性、基质环境营养离子的浓度平衡等，一般实际灌溉量需要多于作物需求量，这样就产生了排液。排液中一般包含大量的营养元素，直接排放将会严重影响当地环境比如地下水水质。如果排向河流或者湖泊将会引起水体的富营养化问题。此外，排液直排的话也会造成水肥的浪费，不利于无土栽培种植成本的控制。由此可以看出，现代温室无土栽培模式灌溉零排放是大势所趋。现从以下几个方面探究其可能性。

现代温室无土栽培模式产生排液排放的原因

定植初期基质的冲洗

无土栽培如果采用椰糠作为基质，由于椰糠自身带颜色（图1），会影响回液消毒设备，如紫外消毒机的穿透率，所以大部分种植者在定植的前3 周左右会将排液排掉。

图1 定植初期椰糠基质

水肥一体化设备过滤器的反冲洗

为保证灌溉系统的可靠性，根据不同的应用场景，施肥设备一般配置有不同目数的过滤器，例如Y 型过滤器或自动反冲洗过滤器（图2～3）。由于现在国内大多数项目将过滤器的冲洗管线连接到了废水管网，这类过滤器的冲洗过程也会造成一部分营养液的流出。

图2 Y 型过滤器

设备故障

在现代温室中，灌溉系统的排液收集以及提升至排液罐一般由收集管线、回液井（图4）、浮球开关、提升泵等设备组成。在一些运行年数较多的温室中，设备的可靠性逐渐下降，设备故障时，如果发现不及时，也会造成排液溢流。

图4 回液井装置

图3 自动反冲洗过滤器

营养液元素比例不平衡

由于植物的选择性吸收，排液中的元素比例往往是很不平衡的。在重复利用环节，在一定种植水平情况下，仅能通过使用有限的排液比例再加上一定的新肥比例来保证植株的生长。这个因素一定程度上也限制了重复利用的比例，多余的排液也会被排出。

根系钠离子的富集

由于在无土基质栽培中根系集中在有限的基质环境中，根系对基质环境要求非常高。如果灌溉原水水质不好，比如钠离子偏高的情况下，很容易造成根系的钠离子富集，进而影响植株生长。在这种情况下，一些种植者会对基质进行“冲洗”操作来降低基质环境中钠离子的含量。这也会造成一部分排液流出。有荷兰种植者曾表示，在一些水质不好的地区，该因素甚至成为了目前温室做不到零排放的主要因素。

减少排液排放的措施

收集并利用定植初期基质的冲洗水

针对种植初期椰糠自身颜色导致排液颜色过深而无法经过UV 消毒机的情况，可以从以下两个方面采取优化措施：一是种植者可以根据情况选择其他颜色浅或者无颜色的基质如岩棉等；二是在基质泡发以及日常灌溉过程中选择一些颜色较浅的肥料，带颜色的肥料主要为铁肥，比如采用一部分EDTA-Fe 肥。这样就可以收集并重复利用定植初期基质的冲洗水，避免了排液的外部排放。

收集并重复利用设备过滤器反冲洗的水

在项目的硬件设施中，改进现有的设备管线，将此部分过滤器冲洗水管线也接入排液收集系统（图5），使其进入杀菌环节后也能被重复利用进入灌溉系统。

图5 过滤器冲洗管线接入收集系统

加强水肥设备系统的维修维护

在设备可靠性方面，做好定期的灌溉系统的维修维护工作，避免一些突发故障的发生。

精准灌溉

在无土栽培管理中，种植者需要学会“阅读”植株，尽可能的按照植株所需要的营养元素进行灌溉。精准灌溉会有效降低排液的排出。

配方管理

比如在植株不同的生长阶段提供不同的适宜水肥配方，满足植株不同阶段的水肥需求。

灌溉管理

在植株不同的生长阶段、不同的天气情况采用合理的灌溉策略，做到精准灌溉。

加强监测以及控制

做好过程中的监测比如EC、pH 等的监测以及过程控制，有条件的情况下定期做好营养液的元素检测，包含进液、排液的检测，在回液重复利用的情况下，可以精准调控配方。

避免钠离子富集

避免钠离子富集可从以下几个方面采取措施。

水源选择

温室灌溉水源优先选用雨水。由于现在温室结构多采用文洛式结构，雨水收集比较容易实现，可以配置雨水蓄水池，确保雨水能够作为温室生产的首要水源。

增加水处理设备

在温室水源为地下水或者市政水的时候，可以使用反渗透纯水设备对原水进行处理，有效降低原水中钠离子的含量。

控制好肥料质量

使用高质量的水溶肥。现在市面上水溶肥厂家较多，一定要选用高质量纯度较高的水溶肥，避免肥料中所携带杂质引起钠离子或者其他重金属的富集。

排液重复利用的利弊

排液的重复利用好处很多，最重要的两点就是一方面能够降低肥料的投入，另一方面也能够大幅降低对环境的影响，对农业的可持续发展有着重要意义。甚至在缺水地区，重复利用排液也是确保温室栽培用水安全的重要措施。

当然，排液重复利用在前期也会带来一些温室项目的额外投入，比如排液的储水罐、回液井以及回液泵组等等。佐治亚大学曾做了一份调查：在个别地区，这部分投入甚至超过了重复利用所带来的效益。但是在大部分的案例来看，重复利用排液都是一个可行且经济有效的措施。

排液重复利用也带来另外的风险，那就是增加了一些病害的发生几率，例如腐霉菌属病害等，这就对排液重复利用之前的消毒处理要求比较严格，尤其对周年生产的作物比如番茄、黄瓜、彩椒等更为重要，消毒不彻底造成病害蔓延扩散会对温室生产造成严重打击。

常见的排液消毒处理方法

为了降低排液中病原菌带来的风险，常见的排液消毒方法有臭氧消毒、UV 消毒和加热消毒，目前大型连栋温室中使用比较多的是臭氧消毒与UV 消毒。

臭氧消毒

臭氧消毒可以用于破坏细菌、病原菌等结构。臭氧是一种强氧化剂，溶于水后，直接或利用反应中生成的大量羟基自由基及新生态氧间接氧化水中的无机物、有机物，并进入细菌的细胞内氧化胞内有机物，从而达到杀菌消毒、净化水质的目的。一般认为臭氧设备（图6）供给10 g/（h·m3）同时与水体充分接触1 h 即可足够杀死所有病原菌。

图6 臭氧消毒机

臭氧是一种强氧化剂，灭菌过程属生物化学氧化反应。臭氧灭菌有以下3 种形式：①臭氧能氧化分解细菌内部葡萄糖所需的酶，使细菌灭活死亡；②臭氧直接与细菌、病毒作用，破坏它们的细胞器、DNA 和RNA，使细菌的新陈代谢受到破坏，导致细菌死亡；③臭氧透过细胞膜组织，侵入细胞内，作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，使细菌发生通透性畸变而溶解死亡。

UV 消毒

紫外光UV 是一种有效且常见的消毒方式，可以对被微生物污染的空气、水源或者是表面进行消毒。有研究表明，在200～310 nm 的紫外辐射具有杀菌效果，在260 nm 的波长附近有最大的消毒效果。

在杀灭细菌以及真菌类微生物时候，建议剂量为100 mJ/cm2。进行杀灭病毒时，建议剂量为250 mJ/cm2。研究表明，紫外线主要是通过对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体) 的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死，从而达到消毒的目的。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等，从而改变了DNA 的生物活性，使微生物自身不能复制，这种紫外线损伤也是致死性损伤。目前常见的紫外消毒机有中压消毒机（图7）以及低压消毒机（图8）。此方式消毒对排液的颜色要求比较高，排液过深的话紫外灯不能穿过，进而会造成消毒效率降低。

图7 中压紫外消毒机

图8 低压紫外消毒机

加热消毒

研究表明，在灌溉水消毒方面，将水加热至95℃并持续30 s 以上即可杀死所有的病原菌。该消毒方式的缺点是需要消耗大量的能源，而且被加热的水含氧量一般会大幅度降低。此外是在重复利用前还需对被加热的水进行降温处理。

结论

综上所述，现代温室无土栽培模式的零排放是有可能实现的，需要广大种植者共同努力，这也是当今环保问题日益严峻的形势下的必然趋势。在新的温室项目设备选型中可以通过水源选择、增加反渗透纯水设备、精准灌溉、收集并重复利用设备反冲洗水以及排液进行消毒处理重复再利用实现温室生产的零排放。在采用紫外灯消毒方式时，为提高排液的紫外线穿透率值，增加消毒效率，可以使用一些颜色比较浅的肥料，影响比较大的一般是铁肥，可以优先选用EDTA或者DTPA 形式的铁肥。在一些旧项目中可以有方向的进行一些技术改进，优化现有系统，来减少甚至避免排液的直排，从而实现温室生产的零排放。