国内外无土栽培技术研究现状与应用前景

孙锦,李谦盛,岳冬,高洪波,康云艳,田婧,李晶,郭世荣

(南京农业大学园艺学院,江苏 南京 210095)

在全球范围内,农业集约化、单一化种植以及农药化肥的过度投入,导致土壤退化、面源污染及病虫害严重等一系列环境问题,需要依靠科学技术的进步来逐步解决这些制约农业可持续发展的技术瓶颈。无土栽培技术冲破传统种植模式,不使用天然土壤,而用营养液或固体基质加营养液的方法栽培作物,极大拓展了农业生产的空间,有效克服了土壤栽培引发的一系列环境问题,成为人类农业文明的里程碑事件,为革新传统农业生产方式带来了曙光。与土壤栽培相比,无土栽培能有效拓展农业生产空间,水肥利用率高,省工、省力,有利于实现机械化和智能化以及作物高产、优质、高效益,并能有效预防病虫害,降低根际病害发生,减少种植过程中农药、除草剂等化学投入品的使用,控制面源污染。因此,无土栽培对于解决人类资源、环境、食物三大关键生存问题发挥重要作用,是现代化农业中先进的栽培技术,必将成为未来农业的重要发展方向。

1 国内外无土栽培发展概况

据统计,2019年全世界应用无土栽培技术的国家和地区已达100多个,蔬菜无土栽培面积达到19.7万hm2[1]。目前,世界上商业性无土栽培以基质栽培为主,其中荷兰的基质栽培占无土栽培总面积的90%以上、法国占81%、日本占80%以上、加拿大占80%、比利时占50%左右[2]。近年来,无土栽培面积和效益都在快速发展和持续增长。

1.1 国外无土栽培发展概况

1.1.1 欧洲欧洲国家发展无土栽培较早。21世纪以来,欧洲共同体要求所有成员国的园艺作物生产都要采用无土栽培。无土栽培技术最先进的国家是荷兰,占设施栽培面积的95%;比利时、波兰80%～95%的温室采用无土栽培;而西班牙、意大利、希腊温室采用无土栽培的比例仅为7%～9%,但近年来扩展速度较快。这些国家的无土栽培以岩棉、珍珠岩、椰糠等基质栽培为主[3](表1)。其他欧洲国家无土栽培面积有限,约1 500 hm2。俄罗斯温室面积在苏联解体后的20年里减少了一半[4],最近10年快速增长回到 3 600 hm2,其中新建大型现代温室占总面积20%,均以无土栽培为主[5]。

表1 欧洲主要国家无土栽培面积和类型[3]Table 1 Area and types of soilless cultivation in major European countries[3]

1.1.2 美洲美国将花卉的无土栽培列为农业十大技术之一并开发推广,2019年蔬菜和草莓、香草等食用植物设施栽培面积826 hm2,总产量39万t,其中通过水培系统生产的产量占54%。2018年水培农场总数219家,产值870万美元,其中营养液膜技术占36%,浮板和深水培占14%,雾培占8%。目前,美国苗木生产43万hm2,绝大部分是基质栽培,其中露地容器栽培面积41.5万hm2。2019年美国园艺生产企业购买栽培基质的费用达到3.6亿美元,其中83%用于各种观赏植物和苗木生产,蔬菜和草莓育苗占5%,蔬菜等作物栽培占5.7%[6]。加拿大温室面积约2 600 hm2,其中水培约600 hm2。拉丁美洲设施园艺总面积约10万hm2,其中墨西哥约4万hm2,水培17.5 hm2;巴西3万hm2,水培50 hm2,预计每年增长5%[2]。

1.1.3 亚洲亚洲国家的无土栽培以日本和韩国为主。日本设施园艺总面积43 232 hm2(不包括植物工厂),其中无土栽培1 826 hm2,占比4.2%,其中约1/4为水培。韩国设施园艺面积52 400 hm2,无土栽培 3 184 hm2。土耳其无土栽培从1995年开始时的10 hm2,到2016年已经增加到1 200 hm2,占总温室面积的2.3%,且以珍珠岩、岩棉和椰糠基质培为主。新加坡主要发展以水培、雾培为主的垂直农场(植物工厂),鱼菜共生,屋顶农场,物联网精准都市农业等[7]。

中东和阿拉伯半岛可耕地少,节水高产的无土栽培具有广阔的发展前景。2018年,阿联酋和阿曼分别有1 100个和420个温室采用无土栽培,也门、巴林、科威特、卡塔尔等也在推进无土栽培技术[8]。沙特温室主要栽培番茄和黄瓜,但其温室栽培面积却由2009年的9 672 hm2减少到2018年的3 265 hm2[9]。阿联酋则在阿布扎比、迪拜投资上亿美元建设超大型植物工厂用于无土栽培。以色列是中东设施园艺产品、设备和技术输出国家,其设施园艺面积1.5万hm2,绝大多数采用无土栽培。伊朗设施园艺发展迅猛,温室面积接近2.1万hm2,有37.3%的温室采用无土栽培,主要栽培作物包括黄瓜(37.3%)、切花(25.6%)、草莓(18.2%)和番茄(9.1%)[10]。

1.1.4 非洲和大洋洲埃及有1 350 hm2塑料温室和5万hm2大棚,而采用水培的仅10 hm2[11],政府曾启动4万hm2的大规模温室建设项目,大力发展设施园艺,其中相当大的比例采用无土栽培。在南非,水培主要用来生产高附加值蔬菜。在东非,肯尼亚、坦桑尼亚和乌干达也有小规模采用无土栽培技术生产[12]。在大洋洲,澳大利亚约1 310 hm2温室采用无土栽培。

1.2 我国无土栽培发展概况

改革开放以后,无土栽培在我国开始蓬勃发展。2000年以来,多地大量兴建超大型连栋温室,促进了无土栽培的发展。近年来,我国无土栽培进入迅速发展阶段,2015年无土栽培面积约2万hm2[13],2016年达到3万hm2,2020年在5万hm2左右,其中有1.3万hm2的玻璃温室均采用无土栽培[14]。

我国无土栽培中有机基质培约占50%,无土栽培技术大多用于黄瓜、番茄、叶用莴苣、甜瓜、甜椒等蔬菜作物的生产,部分花卉、果树也开始大面积应用。工厂化育苗和水稻育秧均采用固体基质,其中,蔬菜年无土育苗量超过1 000亿株[15],2015年我国花卉无土育苗花卉超过86亿株、水稻无土育秧栽培面积 2 719万hm2。值得关注的是,在我国甘肃河西走廊地区,利用荒漠戈壁等非耕地发展有机基质培无土栽培,面积超过3 500万m2[16]。

2 国内外无土栽培取得的技术进步

国内外有关无土栽培的研究大多围绕营养液、栽培基质和栽培系统及其配套装备三方面开展,呈现出蓬勃向上的发展态势。

2.1 营养液管理技术日趋成熟

营养液配方、酸碱度(pH)、浓度(以EC表示)、温度、溶氧量(DO)、氮素形态等是无土栽培营养液管理的主要研究内容,有机营养液、营养液供液装置等的研发也取得了许多进展。

2.1.1 营养液配方营养液配方是无土栽培成败的关键。吕炯璋等[17]研究结果表明,对番茄幼苗的生长发育荷兰营养液配方效果最好,其次是山东农业大学研制的番茄专用营养液配方;而孙敏红等[18]认为,日本山崎配方营养液能明显促进番茄种子发芽和幼苗生长;Kilinc等[19]报道了营养液配方对无花果幼苗生长和生理特性的影响,显示休伊特(Huett’s)和霍格兰德(Hoagland)配方对植株生长的促进作用优于其他配方。

在无土栽培100多年的发展历程中,各国科学家根据不同作物种类、生育阶段、栽培方式、水质和气候条件以及营养元素化合物来源,研制并经过实践形成了以Hoagland、日本园式等为代表的通用营养液配方,以及以日本山崎、华南农业大学等为代表的专用营养液配方[9]。此后,关于营养液配方的研究多在经典配方的基础上对营养液的pH、EC进行优化,或者对单个离子的浓度进行优化,或者引入螯合物、有机物质替代传统的无机离子等。

截至2021年10月,从万方数据库搜索得到639篇关于营养液配方研究的期刊论文,涉及作物包括草莓、大部分蔬菜和花卉,而果树和园林植物相对较少。自1998年以来,我国科技工作者开展的营养液配方的研究文献呈上升趋势,由1998年的1篇上升到2019年的38篇。中国知网的检索结果表明,“营养液配方”为关键词的发明专利公开130件。说明不断优化营养液配方以满足不同作物、不同生育期和不同栽培目的是无土栽培领域持续的研究主题。

2.1.2 营养液pH值低pH值会直接引起水合H+增加,降低pH值依赖的阳离子的有效性。水培条件下,营养液pH值为5.5～6.5时对番茄植株生长有利;欧洲报春适宜生长的营养液pH值为5.8～6.2,并且在此pH值条件下叶片叶绿素含量和光合速率较高[23];适合水培魔芋生长的营养液pH值为6.0～8.0,营养液pH6.0有利于水培非洲菊的生长,营养液pH值在碱性(7.0～8.5)条件下甘蔗生长良好,最适合绿萝生长的pH值为7.0,pH8.0的营养液促进了大麦根尖细胞的增殖和伸长;Gillespie等[24]研究表明,pH4.0条件下,菠菜植株生长尤其是根系生长明显受抑制,营养液pH4.5或5.0条件下,植株生长和形态表现正常,但株型变小;Alexopoulos等[25]研究发现药用蒲公英和赖卡菊在营养液pH5.5时的生长表现较好,pH4.0对植株的生长有抑制作用。

营养液pH值不仅影响植物生长和干物质积累,而且影响根系元素吸收利用和病虫害发生,甚至影响产品营养品质。在营养液pH4.5、EC 1.4 dS·m-1条件下,菠菜叶片中P、K、Ca、Mg、S、Cu、Mn、Zn含量低于对照植株(pH5.5,EC 1.4 dS·m-1)[24]。da Silva Cerozi等[26]研究发现,在鱼菜共生营养液中,营养液的pH值会影响溶液中磷离子的种类和利用率,磷的利用率随pH值升高而减小,因此建议鱼菜共生系统的营养液pH值应保持在5.5～7.2。营养液pH值升高与植株吸收Ni的能力呈正相关,与吸收Zn的能力呈负相关。低pH值可以增加蒲公英和赖卡菊总可溶性固形物、总酚、叶绿素和类胡萝卜素含量,降低硝酸盐含量,提高2种植物的营养价值和膳食功能[25]。研究表明,营养液pH5.5时烟草的根腐病发病率最低,而pH8.5时根腐病发病率达48.86%;Gillespie等[27]研究发现,营养液pH4.0可以有效抑制营养液中腐霉病菌病原体的繁殖,提高营养液的pH值可以抑制草莓植株上镰刀菌枯萎病的发生。

适宜的营养液pH值可以缓解某些元素对植株的毒害作用。低pH 值与铝毒性存在协同作用,将营养液pH值从2.5提高到4.0会降低植株根系对Al元素的吸收,增加植株对N、P、Ca、Mg、S和B的吸收量。Gheshlaghi等[28]发现缺Fe胁迫下,pH值为5.5和7.5时会促进营养液中黄芩对Fe的吸收,并且通过增加分泌黄素来缓解Fe胁迫,且随着pH值的升高,分泌黄素的能力也增强。

2.1.3 营养液ECGarcía-Santiago等[29]研究了地面渗灌条件下营养液浓度对容器栽培番茄生长的影响,表明营养液EC值降低到总浓度的60%时,对无土栽培番茄生长和产量没有明显影响。低EC营养液不利于网纹甜瓜植株生长,而高EC营养液使植株营养生长过旺,产量降低,品质变劣[30]。

生产中,常通过调控营养液EC来调控产品品质,如:适当提高营养液EC值能够显著提高番茄的果实品质[31-32],提高营养液EC可提高草莓果实品质[33],较高营养液EC可增加莴苣叶片含糖量,提高商品性[34],标准浓度的1/2日本山崎营养液配方的水培叶用莴苣硝酸盐含量最低[35],1/2浓度的Hoagland营养液栽培的韭菜硝酸盐、亚硝酸盐含量较低[36],增加营养液浓度辣椒果实中大量营养元素含量降低[37],营养液EC影响迷迭香中香精油的含量,但不影响其化学组成[38]。

营养液EC不仅影响植株的生长发育和品质,也影响其对营养元素的吸收利用[32]、果实发育[39]以及耐储性[40]等。降低营养液EC,可显著提高番茄植株养分利用率,“少量多次”的浇灌模式可能更有利于养分吸收[41]。

2.1.4 营养液温度Thakulla等[42]采用营养膜技术(NFT)试验研究不同水温对叶用莴苣生长的影响,结果表明,将水温保持在 21.1 ℃时,叶用莴苣的生长和生物量更大。Samuel等[43]发现水培莴苣产量最高的营养液温度是25 ℃,叶片光合参数、矿质元素含量、叶片和根系生长均处于最佳状态。Oraby等[44]研究表明,将营养液温度降至 18 ℃可显著增加马铃薯的生长量和块茎产量。

在无土栽培中调控营养液温度比调控温室大环境的气温更经济、快速、有效。因此,越来越多无土栽培装备增加了营养液温度调控功能,甚至家庭园艺产品中也可以看到营养液控温系统,如日本三菱叶菜生产系统通过设定营养液温度、流量和流速,控制作物根区温度在18～22 ℃。Li等[45]采用冷水机降温技术,将营养液温度控制在(20±1)℃,实现了水培叶用莴苣的越夏生产。

2.1.5 营养液溶氧浓度(DO)充足的氧气供应可维持水培植物良好的根际环境。根际低氧对水培莴苣生长、生理和品质均有明显抑制作用,较低的DO会抑制莴苣根系对水分的吸收[46]。此外,缺氧胁迫下根系发育不良、抗性降低,病原微生物菌容易侵染根系。高温季节营养液DO是限制作物生长的主要因素。郭世荣等[47]研究表明,高液温下黄瓜植株耐低氧性明显降低;Yoshida等[48]研究也指出,常液温(25 ℃)下营养液DO浓度降至1 mg·L-1时,黄瓜植株仍能正常生育,显示出较高的耐低氧性;但在高液温(33 ℃)下,DO在2 mg·L-1以下时,生长发育即受到显著抑制[49],黄瓜植株耐低氧性明显降低。因此,保持营养液中有足够的DO是越夏水培作物能够取得优质高产的关键。除了调控营养液温度外,目前生产者使用压缩空气泵、添加化学增氧剂、营养液循环流动等措施提高营养液DO。在水培蔬菜生产中,常采用营养液间隔时间循环流动的方式来增加根际DO,除此之外,使用微纳米气泡快速发生装置,能够产生纳米级别的气泡,快速增加营养液DO值;应用H2O2也有助于增加营养液DO。

营养液中总氮含量一定时,硝态氮与铵态氮的比值越大,农产品中硝酸盐含量越高。Scaife等[57]发现,当营养液中仅有铵态氮时,叶用莴苣叶片中硝酸盐含量仅为只有硝态氮时的25%,而当硝态氮与铵态氮比例过低时,作物会产生氨毒害。营养液氮素形态还影响作物的缺素症,当营养液氮源为铵态氮时,植物易出现缺钙或缺镁症,如营养液培养的茄果类蔬菜以铵盐为氮源时,易造成果实缺钙而引发“脐腐病”;用硝态氮为氮源的营养液培养作物,易造成植株缺铁或缺镁。许多研究表明,无土栽培营养液管理中,硝态氮和铵态氮等比例对作物生长最好。在不结球白菜营养液栽培中,硝态氮与铵态氮的比例各占50%时效果最好[58];营养液培养二色补血草,纯铵态氮营养严重抑制其生长,硝态氮和铵态氮等比例混合最有利于植株生长[59];以硝态氮与铵态氮配比为1∶1的营养液培养烟草,效果最佳[60]。

2.1.7 有机营养液有机营养液中不仅含有大量植物所需的矿质元素,而且含有诸多有益微生物及其代谢产物,可部分代替无机营养液用于作物无土栽培,生产成本低、养分含量高,还具有生物防治和肥效的双重作用,应用前景较好。无土栽培中常采用有机营养液替代无机营养液,以改善植物的生长。有机营养液水培的叶用莴苣、番茄及玉米,与无机营养液栽培的产量没有显著差异。更多的研究证明,有机营养液可以提高作物产量,例如从松叶中提取的有机营养液可以提高不结球白菜和莴苣产量[61];徐大兵等[62]研究表明,猪粪堆肥浸提液促进棉花植株生长发育的效果明显,可提高产量;李惠等[63]从堆沤腐熟好的猪粪、牛粪、菇渣+鸡粪、菇渣+牛粪中提取获得浸提原液,结果表明1/3浸提液有利于番茄和黄瓜幼苗生长,可作为有机营养液用于番茄和黄瓜育苗。有机营养液还有利于培育烟草、番茄、黄瓜等作物壮苗,提高秧苗质量。

有机营养液替代无机营养液还可改善植物产品的品质。采用猪粪、牛粪、羊粪(体积比4∶1∶1)发酵液复配的有机营养液滴灌番茄,与传统日本园式配方栽培的番茄相比,可溶性糖、有机酸、番茄红素、抗坏血酸、可溶性蛋白含量和特征香气显著提高;范兵华等[64]的研究结果也证明,‘佳西娜’串番茄在基质袋栽培条件下,猪粪、牛粪、羊粪(体积比1∶2∶1)的有机营养液稀释2.93倍后滴灌栽培,果实品质显著优于滴灌日本山崎营养液的番茄果实。Ahmed等[65]比较莴苣在化学营养液和有机营养液中的生长,结果表明,从鱼类废弃物中提取的有机营养液栽培的莴苣的总叶绿素、胡萝卜素、酚类化合物和类黄酮含量以及抗氧化酶活性显著高于无机营养液栽培的莴苣;有机营养液可以提高荔枝中的氨基酸含量[66],可以提高黄瓜的抗氧化能力[67]。

沼液是最常见的一种有机营养液。将沼液作为营养液培养蔬菜,蔬菜产量和品质均有所提高。鸡粪沼液可作为基质栽培叶用莴苣、油麦菜、茼蒿、不结球白菜、菠菜、黄瓜和番茄的营养液,明显促进叶菜生长[68];以沼液为营养液,可使叶用莴苣中硝态氮含量降低72.26%,总糖和维生素C含量分别提高6.40%和42.37%[69];将沼液作为水培蔬菜的营养液,可使叶用莴苣和番茄产量分别提高3.4%和8.8%,粗蛋白分别增加0.05和0.03 mg·kg-1,维生素C含量分别提高18.7和13.4 mg·kg-1,硝态氮含量分别降低68.11和60.1 mg·kg-1[70]。

2.1.8 营养液供液装置营养液供液装置是无土栽培系统的核心组件之一。目前,以色列、荷兰等国已研发出功能完善的营养液灌溉设备,如荷兰Priva公司研发的NutriFit灌溉施肥机和以色列Netafim公司研发的Netajet自动灌溉施肥机,均能实现对营养液EC和pH值的精确控制;在番茄根部安装传感器,通过连续监测营养液水分、pH值、温度和EC,执行灌溉调节,缩短了番茄的生长期[71]。近年来,我国营养液供液装置的研发取得重大突破。邓晓栋等[72]设计了基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统,可以把采集到的数据实时传送到ZigBee网络服务器上,实现对营养液的精确控制;江新兰等[73]设计了基于云计算和两线解码技术的智能云灌溉系统,通过3G/4G网络将从各个传感器采集到的数据传输到云平台,同样实现了营养液的精确控制;郝雅洁等[74]也设计出了智能营养液供液装置控制系统;胡国强[75]开发出基于ZigBee和IPv6技术的灌溉系统,利用ZigBee网络采集设施环境和肥水信息,通过IPv6上传至灌溉控制服务器,适用于现代温室的无土栽培。

2.2 栽培基质研发成绩斐然

2.2.1 草炭替代品的挖掘与利用草炭是无土栽培中用途最广泛的一种基质,但由于草炭资源有限、再生速度慢,过度开采会破坏生态环境。因此,寻找草炭替代基质是基质培的关键。大量研究表明,许多农业废弃物如花生壳、锯末、秸秆以及醋糟、木薯渣等,经微生物发酵腐熟后,均可作为无土栽培基质。在木材工业较发达的欧洲国家,如德国和法国,大多使用木材工厂产生的下脚料堆肥腐熟后代替草炭基质;在澳大利亚、美国等植物覆盖率高、地广人稀的国家,多以树皮堆腐后作为基质使用;在热带一些椰壳原产地的国家,多以椰糠代替草炭使用。Tzortzakis等[76]采用发酵玉米秸秆替代草炭与珍珠岩、浮石混配栽培番茄获得成功;番茄和黄瓜等蔬菜生产中,食用菌菇渣发酵料可以代替一定比例的草炭;利用石楠、桤木和猫尾草生物质堆制发酵可以作为花卉苗木生产的草炭替代品;园林废弃物发酵料用于红掌等花卉植物栽培,其替代60%以上草炭时仍具有较好的栽培效果;以10%木炭、25%磷矿石、65%园林废弃物发酵料混合基质作为玉簪栽培基质,可以显著增加玉簪生物量。蚯蚓粪可作为花卉、蔬菜无土栽培的草炭替代品。生物炭是草炭潜在的替代品,例如:果树等修剪残留生物炭可以作为无土蔬菜生产的草炭替代品,木材下脚料生物炭可以全部或部分替代草炭用来生产蔬菜,竹条炭化制备的生物炭可部分替代草炭栽培铁皮石斛。

2.2.2 有机废弃物基质化利用发酵技术近年来,国内外有机废弃物基质化利用发酵技术取得显著进步的领域集中在发酵专用微生物的分离和利用方面。在有机废弃物发酵过程中添加发酵微生物菌,可加速堆体快速升温和腐殖化过程,降低C/N值,缩短腐熟时间,提高发酵效率和质量。童江云等[77]筛选出可降解纤维素并加快食用菌菌渣腐熟进程的菌株;陈立华等[78]筛选出发酵淤泥的真菌菌株TrichodermaharzianumT83和细菌菌株BacillusamyloliquefaciensIAE。王伟东[79]利用鸡粪、牛粪和干枯麦秸进行共发酵试验,发现接种纤维素降解菌可加速木质纤维素的分解速度,半纤维素、木质素和纤维素的降解率分别提高4.3%、3.4%和3.0%;张晓倩等[80]利用稻草和牛粪进行共静态好氧堆肥试验表明,接种木质素降解菌复合菌(变色栓菌和黄孢原毛平革菌)可加速有机质分解转化和木质纤维素降解;黄丹莲等[81]研究发现,经过12 d的发酵处理,接种发酵菌的有机物、木质素降解率分别达8.2%和1.11%,第20天木质素降解率达11.0%,与自然堆体相比,添加发酵菌剂处理纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别提高了31.31%、19.57%和14.33%;黄孢原毛平革菌可提高有机物发酵效率,放线菌可促进有机物发酵过程中的纤维素降解。

采用单一菌株发酵,存在有机物中纤维素难以彻底降解的缺陷,而混合菌株不同功能酶作用于纤维素的不同位点,能弥补菌种间的差异,从而提高纤维素酶活性和酶解效果,缩短发酵周期,提高发酵效率和质量。混合菌株比单一菌株发酵的纤维素降解率提高12.47%,复合菌对秸秆纤维素降解率达到34.8%,降解效果比单一菌种要好[82]。分离高产纤维素酶的混合菌株发酵,实现菌株之间优势互补,是近年来有机物生物发酵的重点研究领域。国内外在研制复合微生物发酵菌剂方面取得积极进展,主要集中在对农牧业产生的秸秆、粪便和生活有机垃圾,以及各种食品生产过程中产生的下脚料的基质化处理。王战等[83]研究发现,由高地芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌、灰略红链霉菌、绿色木霉菌混合制备的混合微生物发酵菌剂可使木薯渣纤维素质量分数降低到24.4%;杨新等[84]将从高温酒糟中分离得到的7株优势菌按比例混合,研制出了酒糟发酵菌剂。

近年来,利用昆虫发酵有机废弃物取得积极进展。黑水虻和微生物可协同分解有机废弃物,并将其转换成腐殖质,其中微生物负责有机物的生物化学降解,黑水虻作为转化过程中的关键驱动因素,借助肠道产生的消化酶,促进有机废弃物的降解;黑水虻幼虫利用有机废弃物中的营养物质,将其转化为高质量的幼虫类生物质,残留物可用作基质[85]。生物转化过程中臭气排放少,温室气体排放低,碳、氮损失减少,不会对环境产生二次污染,是一种生态环保型的有机物生物发酵技术,具有巨大的应用前景。此外,黄粉虫可对多种有机废弃物进行转化利用,包括畜禽粪便、尾菜、米糠、豆饼粕、豆渣、果渣等[86]。

除了发酵微生物研究外,国内外学者也研制了一批发酵装备,有力推动了有机废弃物发酵的工业化水平。郭兆峰等[87]研制了棉秸秆基质发酵机,合理设计上料机、搅拌装置、加热腔、出料以及电控部分的主要部件,实现发酵作业的智能化全自动控制,发酵时间缩短、发酵效率提高,劳动力投入减少。李萍萍等[88]针对番茄秸秆基质化处理过程中秸秆碎料与发酵菌种难以混合问题,研制出立式螺旋混合搅拌装置。

2.2.3 基质配方研制和产品开发实际生产中,需要将2种或2种以上的基质按照一定比例混合制成复合基质,以克服单一基质可能出现的偏酸或偏碱、通气不良或过盛、容重过小或过大等问题。国内外学者针对不同作物种类,利用不同基质原料研制出大量的混合基质配方,开发出众多复合基质产品。南京农业大学等单位研制出适于园艺作物育苗和水稻育秧的通用型、专用型、功能性系列基质产品,与传统草炭相比,成本降低30%,蔬菜壮苗指数提高27%～36%,枯萎病发病率降低24%～58%,根结线虫防治效果达68%～85%,增产12%～22%[89]。

近年来,在成品基质中通过添加促生菌、保水剂、缓释肥、氨基酸肥、腐植酸肥、生物炭等开发功能性基质产品成为研究热点。在育苗基质中添加微生物菌剂(安克菌剂、芽胞杆菌、丛枝菌根菌等)制成的生物活性基质,可促进辣椒、黄瓜、叶用莴苣和番茄等作物生长;在育苗基质中添加丛枝菌根真菌,可消减盐碱土对番茄植株的危害;在连作基质中添加丛枝菌根真菌,可促进番茄生长,提高抗性;在醋糟和草炭质量比为1∶1的混配基质中,添加2%微生物菌剂(BOF),对西瓜和黄瓜枯萎病的预防效果明显[90];将10%功能菌株SQR9添加到基质中,黄瓜枯萎病发病率降低40.39%。功能性基质还能改善作物品质。在草炭、椰糠和珍珠岩的复配基质中,添加解淀粉芽胞杆菌制成的功能性基质,不但可提高空心菜产量,而且增加维生素C、可溶性蛋白和可溶性糖含量,并显著降低叶片中硝酸盐含量。

2.3 无土栽培系统和配套装备不断优化

总体而言,十多年以来国内外无土栽培系统没有取得特别具有标志性的成果,大都是在原系统的基础上进行改良升级,使之更加符合某种特殊需求。对国内外无土栽培系统的有关专利进行检索,发现有国外专利15件,国内专利183件。可见,我国在无土栽培系统研发方面在国际上走在前列。

2.3.1 改良无土栽培系统目前,无土栽培的主流系统包括岩棉培栽培、深液流(DFT)、营养液膜(NFT)、鲁SC型无土栽培、有机生态型无土栽培、浮板毛管(FCH)等,在这些系统的基础上,根据不同作物、不同地域和不同用途,国内外学者开发设计了许多适应性更强的无土栽培系统。Nicola等[91]开发了一种新型封闭的再循环无土栽培系统——NGS®,并证明其可以提高作物产量和质量,延长收获后的保质期;卜崇兴[92]针对植物无土栽培过程中根际缺氧问题,设计了一种新型储液储气式桶式栽培系统,解决了无土栽培中根际供液和供氧的矛盾;陈伟等[93]设计的渗吸式无土栽培装置,以其较好的保肥、保水效果及合理科学的供水方式,在无土栽培葱苗上获得成功;周金平等[94]研发了可调节根际温度的无土栽培系统,适用于冬季番茄生产。

2.3.2 休闲无土栽培系统Guo等[95]设计了一种基于SolidWorks的由栽培池、直立柱、底座以及灌溉、辅助照明和控制系统组成的家用基质栽培设备。针对阳台农业和家庭园艺的兴起,北京市农业技术推广站开发设计了立柱式、梯架式、壁挂式、台灯式阳台蔬菜无土栽培装置[96];王久兴等[97]设计了一种插管式家庭室内使用的无土栽培装置;黄秋銮[98]设计了庭院草莓静水无土栽培系统;刘全国[99]设计了DIY立体管道水培种植装置,适用于办公室和居家无土栽培。

2.3.3 智慧无土栽培系统随着信息技术的发展,无土栽培系统智能化、自动化、网络化水平不断提高。dela Cruz等[100]开发的智能自动灌溉系统(SFAIS)包含3个子系统,即水箱监控系统、开放式灌溉控制系统和室内灌溉控制系统,使用神经网络将专家系统整合到SFAIS中,实现智能化灌溉;Kang等[101]研发了一种智能无土栽培装置,不仅实现点播和智能补光以及营养液的自动浓度平衡、自动加热、自动循环,还可以通过手机实现远程监控;Chang 等[102]开发了一种基于微机电系统(MEMs)的水培营养液混合系统,该系统以微控制器为核心,控制5个营养液罐向混合罐的输出,在混合罐中保持适当的pH 和EC范围,操作员可以在用户界面上查看营养液中pH、EC、DO和其他值的变化,也可以手动或自动混合营养液。王佳明等[103]设计了一套无土栽培远程营养液控制系统,实时监测栽培过程中营养液的EC、pH和温度,通过BP神经网络调节pH和EC,实现远距离营养液数据检测及实时调控;邱彩虹等[104]运用互联网、新材料等技术研究蔬菜无土栽培,设计了基于WiFi 的室内智能蔬菜无土栽培结构,通过WiFi的控制,可以使栽培过程中温室、根际环境因子之间的关系处于最佳状态,从而有利于蔬菜的生长发育;付强[105]设计的仿轮作无土栽培系统包括营养液缓冲箱、雾培箱、岩棉栽培床等设备,利用计算机技术实时监测和自动调节营养液pH和EC,结合岩棉培和雾培技术开发出蔬菜立体种植模式;上海绿立方公司的绿叶蔬菜NFT栽培系统,实现了栽培过程中的移栽、传送、采收的半自动化。

2.3.4 无土栽培根区环境监测传感器为了测量和优化无土栽培中的根区环境因子,需要相应的传感器。Liu 等[106]利用滴灌下基质湿润模式和叶用莴苣根区的匹配模型,研究基于ECH2O水分传感器(EC-5)的灌溉调度,为可靠测量基质含水量和合理灌溉提供了依据;da Mota等[107]开发了一种散热传感器,以低成本准确测量基质中0～5 kPa范围内的吸力,从而实现灌溉系统的自动控制;Choi 等[108]使用频域反射法(FDR)传感器自动灌溉(FAI)改善椰壳纤维底物水培系统中的水和肥料输送,对比传统的基于固定定时器的灌溉(TIMER),FAI 节省约41%的成本,实现水肥的可持续利用。

3 无土栽培技术的研发重点

3.1 加强无土栽培基础理论研究

自19世纪中叶无土栽培诞生以来,国内外科技工作者在无土栽培应用技术方面开展了大量的研究工作,但基础理论研究还很薄弱,导致无土栽培在近30年里没有出现重大的技术突破。我国自2000年以来,无土栽培相关基础研究逐步得到关注,如国家现代农业产业技术体系、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目均将无土栽培矿质营养理论、根际低氧和盐胁迫逆境理论等列入研究计划,但这些研究的系统性、深度和广度还不够,远远不能满足行业高速发展的需要,特别是对无土栽培条件下作物根际环境、温室环境与作物生长发育之间的关系还不清楚,作物矿质营养特点及营养液配方改良还一直停滞不前,根际病害发生规律及特点等问题还没有引起关注,导致营养液配方及管理、栽培设施及应用、植株生育及调整、根际环境及控制等技术的开发滞后,严重制约了无土栽培技术在更大范围内的推广应用。

3.2 开展无土栽培技术标准研制

目前,各国政府均没有统一的无土栽培技术标准,需要各国或国际组织进一步协调和制定。如果能从环境条件、栽培设施、营养液配方、消毒方法、关键栽培技术、采后储运等关键环节制定相应的安全生产规范,必将对今后的无土栽培起到重要的推动作用。我国与无土栽培相关的国家标准、行业标准、地方标准等较少,安全生产指导性文件仍缺乏标准性、规范性。以基质的技术标准为例,《花木栽培基质:LY/T 2700—2016》和《蔬菜育苗基质:NY/T 2118—2012》均是以进口草炭的指标进行规定,对EC等指标限制过高,以有机废弃物为原料制备的基质难以达到标准要求,且对有机废弃物原料中含有的抗生素、农药残留等特征污染物未进行规定;基质pH、EC和物理性状测定的地方标准仍然以土壤测定方法为基础制定,存在一定的缺陷。据不完全统计,我国与无土栽培有关的地方标准有25个,涉及草莓、厚皮甜瓜、水稻、番茄、水果黄瓜等作物,但这些标准远不能满足无土栽培行业发展的要求,而且有些标准的局限性还很大。基质用途广泛,育苗、栽培、土壤改良等方面均可使用,且不同作物的需求也不同,单一标准无法涵盖多数基质产品的应用范围。因此,对于不同原料、作物和用途的基质产品,有必要从作物品种选择、处理技术、基质配伍、特征指标、分析方法等方面,开展标准化技术研究,建立基质利用标准体系,为基质的应用和推广提供技术支撑。

3.3 研发有机基质培无土栽培的配套技术

有机基质培无土栽培技术具有操作简单、节肥、节水、节药、省力、产品清洁卫生等优点,已成为我国无土栽培的主流模式,在西班牙、希腊、意大利等国也广泛采用。然而,这种无土栽培模式尚未形成技术体系,许多关键技术尚未突破。今后应当重点进行以下几个方面的研究。

3.3.1 基质结构与生产工艺基质结构不仅是基质培营养管理的依据和基质重复利用的前提,也是基质标准化生产的技术基础。与土壤类似,结构决定基质水分和养分的供应、吸收甚至运转,与透气性和养分吸附性能密切相关,直接影响植物根系的生长。然而,有关基质结构的系统研究还很缺乏。基质结构应该与土壤结构一样,是稳定的团聚体结构,不仅有利于水分的吸收、排放,而且有利于通气、根系伸长。目前对基质粒径、比重、容重、总孔隙度、大小孔隙比等物理性状参数的研究报道较多,有的甚至涉及水分养分运移等,但还没有模拟出与土壤结构完全一样的基质产品,也缺少针对特定作物的基质标准物理性状参数的研究。由于基质结构的研究尚处于起步阶段,因此,基质生产工艺缺乏理论支撑,成为这一领域重要的技术瓶颈。同时,如何按标准参数控制基质结构的形成技术,以适应标准化、规模化、工厂化生产基质的需要,即基质生产工艺,就成为重点研发的内容。

3.3.2 功能性基质产品的开发Gerald[109]将基质研究分为4个阶段:第1阶段是指1950年之前,研发重点是有机物的混配;第2阶段是指1950—1975年,研发的重点是基质的物理和化学性质;第3阶段是指1975—2000年,重点是草炭替代品研发;第4阶段是指2000—2020年,研究重点是将微生物特性与基质的物理、化学和生物学特性整合,即功能型基质研发。传统有机基质养分难以有效释放,对作物促生作用不理想,在增强作物抵抗病原菌侵染和提高不利环境抗性方面的作用甚微,功能型基质可克服上述缺陷。因此,未来重点是将有益微生物有效导入基质,研发功能性基质,充分发挥微生物的作用。

3.3.3 基质重复利用和无害化处理技术随着人们环保意识的增强,同时为解决基质成本过高的问题,基质的重复利用和无害化处理成为研究重点。基质在使用过程中,会残留大量的根系、分泌物、盐分和病原微生物,同时基质结构在灌溉和根系作用下会有所改变,重复利用会对下茬作物造成不利影响。因此,基质在重复利用之前要进行必要的消毒处理等,而蒸汽消毒、化学消毒和太阳能消毒等不同的消毒方式会对基质的理化性质产生不同影响,进一步导致基质结构发生改变。因此,研究合适的基质消毒方式是基质重复利用的前提。然而,目前国内外尚无经济有效的基质消毒方法,影响了基质的重复利用。

3.3.4 基质培中根际营养与水肥供应技术与土壤栽培相比,基质培的根际水分和养分充足,特别是钾、钙、铁的含量可达到土壤的上百倍。但植物如何适应根际高水分和养分?根际营养、微生物和根系分泌物如何调节植物养分?对这些问题的回答有助于解释基质栽培下植物吸收水分和养分的规律。根据基质营养、水分特点进行水肥供应是基质栽培成败的关键。主要包括2个方面内容:一方面,基质对水分和养分的吸附、保持、释放性能以及根系对营养和水分的吸收过程不同于土壤,因此水肥供应技术应该与土壤不同,但这方面的研究还不够深入,还不清楚基质水分和养分的需求、运移规律;另一方面,基质栽培不同于营养液栽培,目前大多参照水培营养液配方、配制以及灌溉制度进行基质栽培的水肥管理,缺乏针对性研究,制约了基质栽培的科学水肥供应。因此,基质培营养液配方及配制、灌溉频率及灌溉量、营养液回收液的监测调整、植株营养诊断、专用滴灌肥料研制等将是研究和应用的重点。

3.3.5 规范化管理技术有机基质中含有丰富的有机物质和矿质营养,对栽培过程中基质根际环境的pH值具有较大的缓冲性,并为作物提供一些营养元素,其成本较低、栽培管理技术较为简单,因此经营失败的风险较低。由于有机基质的来源不同、种类较多、理化性质不统一且不稳定、营养不定量,使用时需要合理的配比,而目前肥水和植株管理主要靠生育表象和经验判断,因此难以实现基质培管理的准确控制和规范化生产。今后应重点研究主要作物有机基质培的基质配方、营养特点、理化性状,制定相应的营养液和植株管理技术,实行规范化管理和标准化生产。

3.4 重视低成本轻简化无土栽培技术的集成

虽然无土栽培具有诸多方面的优越性和特点,但与土壤栽培相比,设施设备仍需要一定的资金投入,投资过大和技术难度高是制约无土栽培大面积推广应用的主要原因。据统计,水培系统的一次性投资一般为12万元·hm-2以上,有的甚至高达75～90万元·hm-2,用于配制营养液用的肥料等材料每年支出也需4.5万元·hm-2以上。即使采用基质培无土栽培系统(如有机生态型),其一次性投资也达4.5万元·hm-2以上,每年的肥料支出也需2.4万元·hm-2左右,这种投入远远高于土壤栽培水平。

一方面由于无土栽培并没有大幅度提高作物产量和品质,导致生产者采用无土栽培的积极性不高;另一方面,农艺与工程之间缺乏跨学科的联系和有效协作,导致无土栽培设施和装置结构不合理,不适合作物生长需要,再加上成本高、可靠性较低、栽培效果较差,这些都影响了无土栽培技术的推广应用。更为重要的是,无土栽培作为一种现代农业生产技术,涉及作物栽培、植物营养、植物保护、农业工程、农业信息、农业经济和自动化控制等多个学科领域,管理复杂,技术难度大,不易被生产者所掌握。这就要求集成轻简化无土栽培技术,提出简便易行的操作步骤,生产者只需按此操作即可完成作物无土栽培。

3.5 强化营养液循环利用研究

采用封闭式无土栽培比传统土壤和开放式基质栽培在利用资源、节约用水、提高产量和水肥利用效率方面具有显著优势,是更加可持续的环保型发展方式,但营养液循环利用还存在许多技术难题没有从根本上解决。重复利用未经处理的营养液废液易造成根部病害,并通过营养液循环在栽培系统中迅速传播,会造成重大损失。在营养液循环利用中,灭除营养液中病原菌、去除生长阻害物质以及保持营养元素平衡都是必须解决的基本技术问题,特别是营养液除(杀)菌是诸多问题中的核心。目前,营养液除(杀)菌的方法有:高温处理、紫外线杀菌、臭氧杀菌、砂过滤和膜分离等。其中,高温处理杀菌效果较好,装置要求不高,操作简单,但耗能高,难以进行大批量营养液处理。目前,已经开发出了紫外线和臭氧的营养液杀菌装置,并在生产中广泛采用,但这种杀菌方法会导致营养液中Fe和Mn元素的沉淀。砂过滤法具有低成本、节能等优点,但达不到100%的除菌率。另外,在营养液循环利用过程中,会滋生大量藻类,一方面会与作物竞争利用营养液中氧气和养分,导致作物生长状况变差,另一方面会造成营养液滴灌系统堵塞,影响供液。因此,如何有效去除藻类,也是值得重点关注的问题。将间套种植应用于无土栽培,利用植物的化感作用来控制藻类滋生和病原微生物也许是一种安全低成本的解决途径,但研究尚十分缺乏。上述诸多新方法在应用于实际生产时,其可靠性、经济性、安全性仍有待进一步验证,但无疑会为无土栽培营养液的循环利用提供重要的研发方向。

3.6 开发智慧型无土栽培技术

智慧型无土栽培包括营养液控制、环境控制和基质生产的智慧化三方面。由于作物模型、计算机、软件、传感器、专家系统等的研究和发展,营养液控制和环境控制的智慧化进展较大,但需要精准化控制和深入研究开发;基质生产的智慧化起步较晚、应用水平较低,需要系统、深入研究和加大力度开发应用。近年来,使用人工智能(AI)算法优化作物无土栽培种植决策与温室远程控制方案,种植者可以根据自己的市场营销需求制定最有利的栽培策略并通过人工智能较为精准实现。

3.6.1 营养液调控智慧化尽管国内外对营养液控制系统开展了大量的研发工作,但现有营养液控制无论手动还是自动系统仍以调节EC和pH值为主,控制系统整体仍较为粗放。未来研发的重点是灌溉控制系统与温室气候调控系统耦合,将营养液调控逻辑与太阳辐射、基质质量变化等经验模型耦合,以便于管理不同温室区、不同环境条件下的不同作物的营养液供应需求,智能化调控营养液,确定灌溉触发条件和灌溉量。

3.6.2 环境控制智慧化环境控制智慧化包括气象环境的智能控制和有害成分的智能控制两方面。一方面,通过系列传感器采集无土栽培作物生长的温度、湿度、养分、光照、水分、气体等信息,然后通过自动控制系统实时调控生长环境因子,以满足作物良好生长发育所需的环境条件,实现对作物生长环境的有效监测和及时调整。同时,可通过远程监控和实时分析,实现远程指导与实时动态管理,实现无土栽培的智慧生产。另一方面,智能控制系统可以提前感知环境中的不利因素,一旦检测到有害因子等不利因素,系统会及时发出警告,并自动进行调整以应对不利因素。目前,大多数环境控制系统还没有实现完全智能化,自动化系统能够清除的有害因子种类有限,有些有害因子仍无法清除。未来研发的重点是无土栽培环境控制的完全智能化和有害成分的自动检测与清除。

3.6.3 基质生产智慧化孟宪民[110]认为,基质产业发展经历了4个阶段:基质1.0,实现了基质产品大规模工业生产;基质2.0,实现了基质的标准化生产;基质3.0,实现了基质的定制生产,即基质产品定制化和柔性化;基质4.0,可以实现基质的智慧生产,即基质生产管理的智慧化和生产过程的智能化。基质4.0即智慧基质,集PC网、移动网、物联网和云计算为一体,依托部署在基质生产现场的无线通信网络和各种传感器,对基质原料类型、粒度分布、水分含量、养分浓度、酸碱度、容重等技术指标进行实时采集上传,利用数据挖掘、云计算等技术对采集的数据进行多层次分析,最后将分析指令与各种控制设备联动,完成基质生产和质量管理,为基质生产提供精准化调控、可视化管理和智能化决策,从而实现智慧基质原料资源的高效利用、物料之间协同友好与性状优异稳定,为客户提供定制化、按需使用的基质产品和专业服务。目前,国内外对智慧基质的研发基本属于空白,这将是未来基质研发的重点。

4 无土栽培的应用前景

无土栽培开创了高效农业发展的新模式,为农业生产走出田间、离开土壤提供了可能,同时开创了绿色环保农业新途径。随着科学技术的发展,无土栽培必然会紧密结合作物栽培学、植物营养学、植物保护学、机械工程学、电子信息学、农业经济学等学科,呈现出蓬勃发展的态势。我国无土栽培起步较晚,技术水平还有待提高,但随着国民经济和社会发展,特别是有待通过无土栽培的技术手段来解决传统土壤栽培出现的一系列难以解决的问题,必将在农业生产的各个方面显示出良好的作用。无土栽培的兴起,将使农业、园艺、林业、观赏植物生产乃至非耕地利用、沙漠海岛开发、城市美化等进入一个新的发展阶段。无土栽培技术在绿色农业、节水农业、高效设施农业、高品质农产品生产、都市农业、拓宽农业生产空间、环境保护等方面均具有广阔的应用前景。

4.1 在绿色农业中的应用

推进绿色发展是农业发展观的一场深刻革命。无土栽培具有投入品和生产过程严格管控的优势,通过提升无土栽培水肥管理技术,提高农业用水、用肥的效率,可以实现无土栽培农产品的绿色生产。无土栽培可大大减少农药、化肥用量,消除作物连作障碍。此外,无土栽培可以隔断土壤病原菌和虫卵侵染危害,不必施用农药,防止农药污染。封闭式无土栽培系统还可以创造出洁净、稳定的生长环境,保障作物绿色安全生产。同时,实行营养液循环利用,可避免废液排放带来的环境污染。我国大面积推广应用的有机生态型无土栽培采用的营养液配方简易、成本低、易于配制,与传统全量化学营养液配方相比,大、中量元素用量减少20%～47%,微量元素化肥用量减少90%以上,成本降低40%以上。采用有机生态型无土栽培技术种植高品质番茄,与常规土壤种植相比,钾用量增加6.96%,但氮用量减少51.56%,磷用量减少82.02%。因此,无土栽培将是21世纪绿色农业中最具生命力的栽培技术,在我国农业进入绿色转型的新阶段,具有广阔的应用前景[111]。

4.2 在节水农业中的应用

与一般土壤栽培相比,无土栽培技术可节水50%～70%;与土壤滴灌栽培相比,可节水20%～25%。据研究,无土栽培种植茄子每生产1 kg产品耗水46 kg,而土壤栽培生产1 kg产品需水400 kg,无土栽培可节水88.5%[112]。因此,无土栽培对淡水贫乏国家或地区更为重要。我国存在大面积的沙漠、干旱及半干旱地区,地域性和季节性干旱问题仍将持续存在,是农业生产的主要制约因素之一。据报道,我国目前有45%的地区年均降雨量小于400 mm,农田灌溉和生活用水在某些地区严重匮乏[113]。因此,解决缺水问题对中国农业可持续发展十分关键。无土栽培是提高作物水分利用率的有效途径,可减少农业灌溉用水,在节水农业中具有广阔的应用前景。

4.3 在高效农业中的应用

无土栽培的作物产量是土壤常规栽培的几倍或几十倍。无土栽培比土壤栽培四季豆增产3.2 倍,甘蓝增产0.4倍,黄瓜增产3倍,番茄1.2～2倍,彩椒产量可达82.5～90 t·hm-2;朱世东等[114]研究显示,与土壤栽培相比,基质栽培条件下番茄、辣椒、黄瓜产量分别提高了27.34%、32.98%和23.83%;胡玥[115]试验表明,水培芹菜较土壤栽培增产了255.81%,基质栽培叶用莴苣、芹菜、青菜、菠菜分别增产37.39%、82.13%、155.76%、182.90%。20世纪90年代以来,我国高效设施农业发展迅猛,但是日光温室等设施在使用3～4年后都会出现不同程度的盐渍化等土壤障碍,导致作物产量和品质下降。无土栽培技术是克服设施土壤连作障碍最有效、最经济和最彻底的办法,但目前我国无土栽培面积不足设施总面积的1%。无可置疑,无土栽培技术在我国高效设施农业中具有广阔的应用前景。

4.4 在高品质农业中的应用

无土栽培中使用的营养液是根据作物正常生长状态下对养分的需求规律,把土壤中所能提供的各类营养元素以更纯净高效的形态和更合理的配比供应给植株,可认为化学肥料营养液提供的养分是“土壤中有效养分的精华”,与土壤里的“有效养分”形态(离子状态)没有本质的区别;“有机农业”和“自然农耕”生产施用的有机肥等进入土壤后,各种有机状态的营养元素必须经过溶解、分解、转化等过程,形成“有效养分”形态(无机离子状态)植物根系才能吸收利用。而无土栽培作物吸收营养的方式更直接,与“有机农业”和“自然农耕”中营养吸收方式没有差别,因此不存在产品安全隐患问题。

营养液是无土栽培的主要养分来源,作物生长过程中依靠营养液养分的供给比土壤栽培有机肥等肥料直接、充足、及时、高效,因此无土栽培的蔬菜等产品的产量和质量要高于土壤栽培,这也得到国内外高水平管理无土栽培生产基地的充分证实。郑回勇等[116]对国内外54个无土栽培的番茄品种(系)进行营养成分分析发现,主要营养成分平均值分别为:抗坏血酸369.60 mg·kg-1、番茄红素54.92 mg·kg-1、可溶性固形物4.27%、总糖4.66%、总酸0.48%,硝酸盐含量30.15 mg·kg-1、亚硝酸盐含量1.08 μg·g-1,营养成分含量明显高于土壤栽培,而硝酸盐、亚硝酸盐含量均明显低于国家无公害蔬菜安全标准值。与土壤栽培相比,基质栽培甜瓜果实的甜度、甜味和鲜味氨基酸含量、维生素C含量均有所增加[117]。

4.5 在都市农业中的应用

4.5.1 在城市美化中的应用利用无土栽培技术可以绿化城市空间,增加城市绿化面积。建造城市楼顶平台无土花园和菜园,既能改善城市小气候,提高空气质量,减少疾病,增进市民身体健康,又能增强城市环保力度。在城市中,利用无土栽培培育景观植物,可以大大提高其观赏性。以景观蔬菜为例,因其风韵独特、气味芳香、颜色鲜艳、形态奇异等特点,近年来被广泛应用于城市植物观光、庭院景观、园林绿化等领域,克服了土壤栽培造景困难、搬运不便、观赏期短等缺陷,已成为城市美化的重要手段之一。

4.5.2 在屋顶绿化中的应用屋顶绿化历史悠久。美国加利福尼亚奥克兰市凯泽中心的屋顶花园,北欧斯堪地纳维亚地区在屋顶铺设草皮等,是屋顶绿化非常好的代表。现代屋顶绿化于19世纪末期第一次出现,发展到20世纪中期在欧洲普遍流行起来,20世纪末广泛应用于欧美等发达国家。现阶段,屋顶绿化应用最好的国家是德国,在有关政策扶持下,30%～40%的新建屋顶都有配置绿植,屋顶绿化的技术水平也居世界领先地位;日本的屋顶绿化也较发达,其中东京屋顶绿化占45%左右。我国的屋顶绿化发展比较缓慢,即便是北京、上海等大城市,屋顶绿化率也不到1%,其他城市的屋顶绿化率则更低[118]。无土栽培因其独特的优势,必将成为屋顶绿化的首选技术,具有广阔的应用前景。

4.5.3 在阳台农业中的应用阳台农业是都市农业发展的一种重要形式,是新奇特植物新品种应用、室内设计、无土栽培、环境美学、科普教育、生态环保等有机融合和高度集成的新型农业生产技术,是都市农业实现可持续发展的方向之一。近年来,随着城镇一体化的推动影响,环保绿化与城市建设二者的矛盾愈发明显,人们为了增加绿色,充分使用阳台有限的空间,从单一的休闲放松转换为种植花果蔬菜,进而美化、绿化、改善居住环境,为城市环保贡献一份力。阳台农业的发展得益于无土栽培技术,目前能够应用于阳台农业的植物已有100多种,技术已经成熟。随着社会和经济的进步,居民的物质水平不断提高,人们对娱乐休闲的要求逐渐增加,未来阳台农业的总需求量将会逐年递增,因此基于无土栽培的阳台农业也必将呈现出高速发展的态势。

4.5.4 在城市草坪生产中的应用随着社会及城市的快速发展,草坪的应用越来越广泛。草坪种植是城市绿化中一项必不可少的手段,然而传统草皮或草毯生产给生态环境带来严重损害。现阶段,生产草毯多利用土壤培植,一方面大量占用耕地,另一方面在移植草毯时会带走大量的地表土壤,使得土层结构遭到严重破坏。另外,带土草毯质量大,运输成本高,大批量生产难度大,迫切需要新的草坪生产技术取代传统有土草坪,在这种背景下无土草毯应运而生。早在20世纪40年代就有基质草坪生产的相关研究报道,但鉴于技术和社会经济发展水平所限,没有得到广泛应用。无土草毯生产方式既能利用有机废弃物作为基质,变废为宝,又能保护地表土壤,具有生产周期短、质量小、不带土、成坪快、易成活、无病虫害等优点,是一种潜力巨大、技术含量高的草坪生产技术,在保护土壤环境方面发挥重要作用,具有广阔的应用前景。

4.6 在非耕地农业中的应用

土地资源短缺、耕地有限、人口增长是困扰各国农业发展的基本问题,食物安全世界瞩目。一方面人口增长带来的粮食安全问题日益凸显,另一方面随着工业化进程、城市建设、交通运输等的持续发展,导致耕地面积持续减少,果树、蔬菜和花卉等园艺作物与粮食作物争地矛盾加剧。同时,随着全球产业结构的调整和优化,出现了大量的废弃工矿地,这些土地经平整复垦后,土壤有机质含量低,几乎不含有机质,短期内不可直接种植农作物,浪费了土地资源。此外,地球上还分布着较多的戈壁荒滩、沙漠、荒沟、盐碱地、岛屿等非耕地。运用无土栽培技术,能够在非耕地以及中低产田、废弃工矿区等传统农业难以耕作的地区进行园艺作物的生产,从而缓解人地矛盾,避免园艺植物与粮食争地的矛盾。以我国戈壁日光温室甜椒生产为例,一般产量为57.75 t·hm-2,产值为75万元·hm-2,纯收入可达52.13万元·hm-2[119]。可见,利用戈壁、荒滩等非耕地开展作物无土栽培,不仅可有效利用非耕地资源,拓宽农业生产空间,而且可取得显著的经济效益。

4.7 在环保农业中的应用

一方面,随着无土栽培和工厂化育苗的快速发展,需要大量质优价廉的基质产品,而传统草炭基质因环保政策限制和成本较高等原因,迫切需要开发草炭替代品;另一方面,地球上每年产生大量的农作物秸秆、工业有机废弃物、园林修剪枝条等,对生态环境造成重大威胁,急需要对这些有机废弃物资源化利用。因此,基于提供可替代基质和环境目标的考虑,利用工农业有机废弃物生产性能稳定、价格低廉、养分充足且适宜规模化生产的基质产品,是各国特别是发展中国家高效生态农业提质升级、节约农业资源、环境友好及循环利用的迫切需要。以我国为例,每年农作物秸秆产量约8亿t、粪污排放量约39.8亿t、食用菌菌渣约6 000万t、花生壳达140万t,并且以年均5%～10%的速度递增,但我国有机废弃物利用率不到30%,资源浪费,且对环境造成巨大压力。基质化利用这些有机废弃物资源,可有效减轻环境压力,实现环境保护目的。值得关注的是,我国城市污泥排放量巨大,年排放量约6 000万t,城市污泥中含有丰富的营养物质,对土壤具有改良作用,经过堆肥和发酵处理后,可用于农业和林业生产以及花卉、草坪草等的种植。充分利用城市污泥开发无土栽培基质,不仅可减少污泥对城市环境的污染,而且可为无土栽培提供优良的基质产品。