1、44 GREENHOUSE HORTICULTURE植物工厂系列谈 （三）植物工厂研究现状及其发展趋势 杨其长 张成波营养液栽培技术的进步为植物工厂的产生和发展奠定了良好的基础， 与土壤栽培相比， 营养液栽培能加速作物生育进程， 使一年的栽培茬数增加 15% 20% ，莴苣和 芹菜一年可栽培 6 8 茬， 黄瓜和番茄 1.8 2.2 茬。 目前， 植物工厂无论是移动式栽培系统还是固定立体式栽培系统全部采用营养液栽培技术。1840 年德国科学家李比希提出植物矿物质营养学说奠定了无土栽培的理论基础。1929 年美国加利福尼亚州立大学格里克教授应用营养液栽培番茄取得成功， 标志着营养液栽培进入生产应
2、用阶段。 最早应用于生产的国家是美国、 英国、 丹麦、 荷兰， 而最具特色尤其是近年来发展最快的当数日本， 他们不仅在营养液研究方面创造了著名的园试配方、 山崎配方， 而且在计算机应用于栽培设施自控系统方面也开发研制出许多先进的成套设备和管理控制软件， 有力地推动了营养液栽培技术和植物工厂的发展。营养液栽培定义与分类营养液栽培 （ Nutricultre ） 是一种不依赖土壤， 而是将植物种植在装有一定量的营养液的栽培装置中， 或是在配有营养液的砂、 砾石、 蛭石、 珍珠岩、 稻壳、 炉渣、岩棉、 蔗渣等非天然土壤基质材料做成的种植床上的栽培技术。 因其不用土壤， 故称无土栽培 （ Soill
3、ess Culture ）。营养液栽培的类型和方式很多。 根据其栽培是否使用固体基质材料， 可以分为两大基本类型， 即无基质栽培和基质栽培。（如图 1 ）无基质栽培即没有固定根系的基质， 根系直接和营养液接触， 主要包括以下几种 ：营养液膜栽培 （ NFT ） ； 深液流水培 （ DFT ） ；浮板毛管水培 （ FCH ） ； 喷雾培。固体基质培的使用材料可分为 ： 无机基质， 包括岩棉、 砂、 石砾、 蛭石、 珍珠岩、炉渣等 ； 有机基质， 包括锯木屑、 蔗渣、 草炭、 稻壳、 熏炭、 树皮、 麦秸等。营养液配制与管理营养液是营养液栽培生产方式中植物生长的物质基础， 营养液的组成、 浓度直接
4、影响栽培植物生长发育的速率， 关系到作物的产量、 品质和经济效益。 因此， 营养液管理是营养液栽培管理的核心环节。 针对具体的栽培作物， 选择适宜的营养液配方、 合理的养分浓度水平与配比， 给予最优的酸碱度，并对栽培过程中营养液的组分、 性质进行检测和调节管理， 是植物工厂生产的关键技术，也是保证产品产量和品质的重要措施。营养液配方的组成营养液是由含各种植物必需营养元素的化合物溶于水配制而成。 其组成成分通常包括水和含矿物质元素的化合物， 有时也含有一些辅助物质。 高等植物正常的生长必需有 16 种元素的合理供给， 除碳、 氢和氧可从空气和水中获得外， 其余 13 种元素必须通过人为补充来供给
5、。 其中包括大量元素氮、 磷和钾， 中量元素钙、 镁和硫，以及微量元素铁、 锰、 铜、 锌、 钼、 硼和氯。营养液配方组成原则由于不同的作物或同一作物的不同品种的需肥情况不同， 同一作物在不同生育期的需肥规律也不一致。 因此， 以作物需肥规律为中心设计营养液的组成是确立营养液的首要原则。 另外， 需选择合适的化合物种类， 以保证营养液中离子的生物有效性和溶液 pH 的稳定性。 最后， 从成本上来讲，除微量元素以外， 其他元素可以采用组成较为纯净的肥料， 但必须不含有害物质。营养液的浓度要求营养液的总盐分含量应控制在一定的水平， 对大多数作物而言， 一般需控制在 4 5 以下。 当然， 不同的作
6、物应根据其需肥的多少具体分析。 目前， 绝大多数的营养液栽培均采用 EC 值作为营养液总盐分管理的指标。 一般认为， 在开放式营养液栽培系统中，营养液 EC 值应控制在 2 3mS/cm ， 而在封闭式营养液栽培系统中， 营养液 EC 值不应低于 2mS/cm 。 当营养液 EC 小于 2mS/cm 时，就应该对营养液进行养分补充或替换。 更换营养液是保证按原设计浓度向作物供给养分的最佳方法， 但此方法的成本较高。 现在， 通常的做法是补加营养成分， 可以是母液， 也可以是固体化合物。 这种方法可延长注入营养液的使用时间， 也可节省人力， 但其缺陷也是明显的。 因此， 对营养液中的主要营养元素
7、进行在线检测， 使养分补充有的放矢，精确定量供给， 实现营养液的精准管理是未来植物工厂和无土栽培的发展方向。 营养液元素的在线检测技术已有一定的进步。营养液氮素的选择氮是作物需求量最大的元素， 其有效供给形态有无机态氮和有机态氮。 目前， 在营养液栽培中主要以无机态氮为主。 无机无 循环式基 水 培 深液流水培 （ DFT ） 通气式质 液面上下式栽 毛管式营 培 营养液膜栽培 （ NFT ）养 喷雾培液 固 无 岩棉培栽 体 机 砂培培 基 基 蛭石培质 质 珍珠岩培栽 栽 陶粒培培 培 煤渣培有 菇渣培机 树皮培基 锯末培质 草炭培栽 椰子壳纤维培培 稻壳、 棉籽皮培图 1 营养液栽培的类
8、型和方式GREENHOUSE HORTICULTURE 45态氮包括铵态氮和硝态氮。 就有效性而言，两种氮形态都是非常有效的氮源， 但两者在植物体内同化机理不同， 对营养液酸碱度的影响也不同。 如硫酸铵和氯化铵均为生理酸性盐， 铵离子被吸收同化的同时， 作物的根系释放出等量的氢离子， 导致根际酸化， 甚至使溶液的 pH 下降。 硝酸钠、 硝酸钾和硝酸钙为生理碱性盐， 硝态氮在体内同化时， 作物根系向根际释放氢氧根离子， 可使 pH 上升。 另外， 选用何种氮素还要考虑植物的种类。 一般来说， 在喜酸性土壤上生长的嫌钙植物和喜低氧化还原电位土壤条件的植物嗜好铵态氮。 相反， 喜钙的植物则优先利用
9、硝态氮。 对一般作物而言，同时使用两种氮素形态往往比单一氮源能获得较高的生长速率与产量， 其中的硝态氮源应占总氮源的 70% 以上。营养液的 pH 值营养液的 pH 维持在 5.5 6.5 内有利于多数植物的生长。 在栽培中植物对养分的吸收， 及营养液栽培方式中作物种植密度大， 生长旺盛， 根系生理代谢活跃， 植物不断地向营养液中释放大量的有机分泌物，都会影响溶液 pH 及其缓冲能力， 甚至影响养分的生物有效性。 因此， 有必要对营养液pH 进行实时检测， 及时进行 pH 的调节。营养液的配制技术营养液配制原则为了保证营养液中各元素的有效性，在进行营养液配制时应遵循以下原则 ： 任何营养液配方
10、中都含钙、 镁、 锰和铁等阳离子以及硫酸根和磷酸根等阴离子，彼此结合有可能产生沉淀。 在特定的温度和 pH 条件下， 当其中的某些阴阳离子间的离子浓度积超过其组成化合物的浓度积时，就会产生沉淀， 降低溶液中的离子浓度。 因此， 在化合物的选择、 浓度设置上应考虑是否会产生沉淀这一因素。 另外， 在配制过程中， 先将不同化合物分类配制成母液是防止沉淀的有效方法。 水质的好坏也是影响营养液质量的重要因素。 应在尽量降低成本的前提下， 选用较高质量的水源。 一般要求水的硬度不能超过 10 ， pH 应在 5.5 7.5 之间， 氯化钠的含量应小于 2mmoL/L 。 在这些指标中， 水的硬度大小是最
11、重要的一项指标， 直接影响到营养液质量。 当水的硬度过高， 很难配制出高质量的营养液。营养液配制技术在实际生产中， 营养液的配制方法有两种 ： 母液稀释法和直接配制法。 前者操作过程为 ： 首先， 按照一定的原则进行化合物分类， 分别配制成相应浓度的浓缩母液， 需要时按照稀释倍数再配制成工作溶液用于栽培实践。 后者是直接按需要称取各营养元素的化合物配制成工作溶液。 实践中， 母液稀释法被广泛应用。 下面对该方法的操作步骤进行介绍。母液的配制步骤及方法首先， 应根据营养液配方和栽培规模计算各元素化合物的需要量， 并确定母液的稀释倍数。 然后， 称取化合物， 准备水源。母液的配制具有一定的原则，
12、即按照不易产生沉淀的化合物一起混配的原则进行。常规的方法是把全营养液的组成分为三个类群进行母液的配制。 A 液 ： 以钙盐为中心， 凡不与钙盐形成沉淀的化合物均可放在一起溶解配制 ； B 液 ： 以磷酸盐为中心， 凡不与其产生沉淀的化合物可放在一起 ； C 液 ： 将微量元素放在一起配制 （ C 液最好存放在棕色的容器中）。 母液配制完成以后， 为了保证营养液的质量， 可加入浓度为1moL/L 的硫酸或硝酸酸化至 pH3 4 。 在栽培时， 将母液按稀释倍数稀释成工作溶液。工作溶液的配制步骤及方法首先， 在盛放工作溶液的容器或种植系统中放入大约需要配制体积的 60% 70% 的清水， 量取所需
13、 A 液的用量倒入， 开启水泵循环流动或搅拌使其均匀， 然后再量取所需 B 液所需的用量， 用较大量的清水将 B 液稀释后， 慢慢地将其倒入容器或种植系统中的清水入口处， 让水泵将其循环或搅拌均匀， 最后量取 C 液， 按照 B 液加入的方法加入容器或种植系统中， 即完成了工作溶液的配制。目前， 有关常用的营养液配方和通用微量元素配方都可参阅相关资料。营养液管理营养液管理是植物工厂栽培体系中的关键技术， 这里主要是指栽培过程中循环使用的营养液的管理 （图 2 为营养液搅拌设备）。作物的根系大部分生长在营养液中，并吸收其中的水分、 养分和氧气， 从而使其浓度、 成分、 pH 、 溶解氧等都在不断
14、变化。同时， 根系向营养液中分泌有机物， 少量衰老的残根脱落于营养液中， 也会使微生物在其中繁殖。 此外， 外界的温度也时刻影响着液温。 因此， 必须对上述诸因素 （如溶解氧、 EC 、 pH 、 液温） 的影响进行监测和调控， 使其经常处于符合作物生长发育的需要状态。 其管理重点见表 1 所示。 中国农科院农业环境与可持续发展研究所 100083表 1 营养液管理要点项 目 管理要点pH pH 值通常要保持在 5.5 6.5 范围内， 其养分的有效性最高， 适用于多种作物pH 的调整通过营养液配方来选定， 每次调整变化的幅度不要超过 0.5要用 EC 计来测定或自动在线检测与控制定期分析、
15、化验原水和营养液， 检测肥料中各种成分状况EC 1.5 2.0mS/cm ： 这一指标表明根系发育与养分吸收良好， 适宜于育苗时和定植后生长初期以及水分蒸发量多的高温期2.0 2.5mS/cm ： 这是一般性的使用浓度， 不同的作物之间会有细微的差异2.5 4.5mS/cm ： 这个指标适宜于控制生育和水分等特殊的目的营养液温度 不同的作物由于对养分、 水分的吸收不尽相同， 对营养液温度的要求也有细微差异， 一般情况下， 适宜的液温应保持在 18 22 液温低时 （ 12 以下） 养分溶解度降低， 根系生理活性减弱， 容易出现磷、 镁、 钙缺乏症液温高时 （ 25 以上） 容易出现根腐病， 导致长势和品质下降溶 解 氧 营养液中的溶解氧应保持 4 5mg/L 以上， 避免缺氧烂根营养液供给 供液管理必须与水分蒸发量、 液温、 EC 、 pH 、 溶解氧含量以及栽培系统等因素协调起来， 特别是根圈营养液浓度、 pH 与供液管理水平状况之间关系很大营养液灭菌 采用紫外线照射、 紫外线加臭氧、 超声波、 加热灭菌、 接种拮抗菌等方法进行营养液灭菌处理
