在全球范圍內，農業集約化、單一化種植以及農藥化肥的過度投入，導致土壤退化、面源污染及病蟲害 嚴重等一系列環境問題，需要依靠科學技術的進步來逐步解決這些制約農業可持續發展的技術瓶頸。 無 土栽培技術沖破傳統種植模式，不使用天然土壤，而用營養液或固體基質加營養液的方法栽培作物，極大 拓展了農業生產的空間，有效克服了土壤栽培引發的一系列環境問題，成為人類農業文明的里程碑事件， 為革新傳統農業生產方式帶來了曙光。 與土壤栽培相比，無土栽培能有效拓展農業生產空間，水肥利用率 高，省工、省力，有利于實現機械化和智能化以及作物高產、優質、高效益，并能有效預防病蟲害，降低根際 病害發生，減少種植過程中農藥、除草劑等化學投入品的使用，控制面源污染。 因此，無土栽培對于解決人類資源、環境、食物三大關鍵生存問題發揮重要作用，是現代化農業中先進的栽培技術，必將成為未來農業 的重要發展方向。一、國內外無土栽培發展概況

據統計，２０１９ 年全世界應用無土栽培技術的國家和地區已達100多個，蔬菜無土栽培面積達到19.7萬 ｈｍ ２ 。 目前，世界上商業性無土栽培以基質栽培為主，其中荷蘭的基質栽培占無土栽培總面積的 ９０％ 以上、法國占81％、日本占80％以上、加拿大占80％、比利時占 50％左右。 近年來，無土栽培面積和效益 都在快速發展和持續增長。

1國外無土栽培發展概況
歐洲

歐洲國家發展無土栽培較早。21世紀以來，歐洲共同體要求所有成員國的園藝作物生產都 要采用無土栽培。 無土栽培技術最先進的國家是荷蘭，占設施栽培面積的 ９５％；比利時、波蘭 ８０％ ～９５％ 的溫室采用無土栽培；而西班牙、意大利、希臘溫室采用無土栽培的比例僅為 ７％ ～９％，但近年來擴展速度 較快。 這些國家的無土栽培以巖棉、珍珠巖、椰糠等基質栽培為主 （表 １）。其他歐洲國家無土栽培面積 有限，約1500ｈｍ２ 。 俄羅斯溫室面積在蘇聯解體后的20 年里減少了一半 ，最近 １０ 年快速增長回到 3600ｈｍ２ ，其中新建大型現代溫室占總面積 20％，均以無土栽培為主 。

美洲

美國將花卉的無土栽培列為農業十大技術之一并開發推廣，2019年蔬菜和草莓、香草等食 用植物設施栽培面積826ｈｍ ２ ，總產量39萬 ｔ，其中通過水培系統生產的產量占 ５４％。 ２０１８ 年水培農場總 數 ２１９ 家，產值870萬美元，其中營養液膜技術占36％，浮板和深水培占14％，霧培占 ８％。 目前，美國苗 木生產 ４３ 萬 ｈｍ ２ ，絕大部分是基質栽培，其中露地容器栽培面積41.5萬 ｈｍ ２。2019年美國園藝生產企業 購買栽培基質的費用達到 ３.６億美元，其中83％用于各種觀賞植物和苗木生產，蔬菜和草莓育苗占 ５％，蔬 菜等作物栽培占 ５.７％ 。 加拿大溫室面積約 2600ｈｍ ２ ，其中水培約600ｈｍ ２ 。 拉丁美洲設施園藝總面積約10萬 ｈｍ ２ ，其中墨西哥約4萬 ｈｍ ２ ，水培17.5ｈｍ ２ ；巴西３ 萬 ｈｍ ２ ，水培50ｈｍ２ ，預計每年增長５％  。

亞洲

亞洲國家的無土栽培以日本和韓國為主。 日本設施園藝總面積４３２３２ ｈｍ ２ （不包括植物工 廠），其中無土栽培 １８２６ ｈｍ ２ ，占比４.２％，其中約 １/４ 為水培。 韓國設施園藝面積 ５２４００ ｈｍ ２ ，無土栽培 ３１８４ ｈｍ ２ 。 土耳其無土栽培從 １９９５ 年開始時的 １０ ｈｍ ２，到 ２０１６ 年已經增加到 １２００ ｈｍ ２ ，占總溫室面積 的 ２.３％，且以珍珠巖、巖棉和椰糠基質培為主。 新加坡主要發展以水培、霧培為主的垂直農場（植物工廠），魚菜共生，屋頂農場，物聯網精準都市農業等 。 中東和阿拉伯半島可耕地少，節水高產的無土栽培具有廣闊的發展前景。2018 年，阿聯酋和阿曼分 別有 １１００個和 ４２０個溫室采用無土栽培，也門、巴林、科威特、卡塔爾等也在推進無土栽培技術 。沙特 溫室主要栽培番茄和黃瓜，但其溫室栽培面積卻由 ２００９年的 ９６７２ ｈｍ ２ 減少到２０１８ 年的 ３２６５ ｈｍ ２ 。 阿聯酋則在阿布扎比、迪拜投資上億美元建設超大型植物工廠用于無土栽培。 以色列是中東設施園藝產 品、設備和技術輸出國家，其設施園藝面積 １．５ 萬 ｈｍ ２ ，絕大多數采用無土栽培。 伊朗設施園藝發展迅猛， 溫室面積接近 ２．１ 萬 ｈｍ ２ ，有 ３７．３％的溫室采用無土栽培，主要栽培作物包括黃瓜（３７．３％）、切花（２５．６％）、 草莓（１８．２％）和番茄（９．１％） 。

非洲和大洋洲

埃及有 １ ３５０ ｈｍ ２ 塑料溫室和 ５ 萬 ｈｍ ２ 大棚，而采用水培的僅 １０ ｈｍ ２ ，政府曾啟 動 ４ 萬 ｈｍ ２ 的大規模溫室建設項目，大力發展設施園藝，其中相當大的比例采用無土栽培。 在南非，水培 主要用來生產高附加值蔬菜。 在東非，肯尼亞、坦桑尼亞和烏干達也有小規模采用無土栽培技術生產。 在大洋洲，澳大利亞約 １ ３１０ ｈｍ ２ 溫室采用無土栽培。

2我國無土栽培發展概況

改革開放以后，無土栽培在我國開始蓬勃發展。 ２０００ 年以來，多地大量興建超大型連棟溫室，促進了 無土栽培的發展。 近年來，我國無土栽培進入迅速發展階段，２０１５ 年無土栽培面積約 ２ 萬 ｈｍ ２ ，２０１６ 年 達到 ３ 萬 ｈｍ ２ ，２０２０ 年在 ５ 萬 ｈｍ ２ 左右，其中有 １．３ 萬 ｈｍ ２ 的玻璃溫室均采用無土栽培 。 我國無土栽培中有機基質培約占 ５０％，無土栽培技術大多用于黃瓜、番茄、葉用萵苣、甜瓜、甜椒等蔬 菜作物的生產，部分花卉、果樹也開始大面積應用。 工廠化育苗和水稻育秧均采用固體基質，其中，蔬菜年 無土育苗量超過 １ ０００ 億株 ，２０１５ 年我國花卉無土育苗花卉超過 ８６ 億株、水稻無土育秧栽培面積 ２ ７１９ 萬 ｈｍ ２ 。 值得關注的是，在我國甘肅河西走廊地區，利用荒漠戈壁等非耕地發展有機基質培無土栽 培，面積超過 ３ ５００ 萬 ｍ ２ 。

二、國內外無土栽培取得的技術進步

國內外有關無土栽培的研究大多圍繞營養液、栽培基質和栽培系統及其配套裝備三方面開展，呈現出 蓬勃向上的發展態勢 。

1營養液管理技術日趨成熟

營養液配方、酸堿度（ｐＨ）、濃度（以 ＥＣ 表示）、溫度、溶氧量（ＤＯ）、氮素形態等是無土栽培營養液管 理的主要研究內容，有機營養液、營養液供液裝置等的研發也取得了許多進展。

營養液配方

營養液配方是無土栽培成敗的關鍵。 呂炯璋等研究結果表明，對番茄幼苗的生長 發育荷蘭營養液配方效果最好，其次是山東農業大學研制的番茄專用營養液配方；而孫敏紅等認為，日 本山崎配方營養液能明顯促進番茄種子發芽和幼苗生長；Ｋｉｌｉｎｃ 等報道了營養液配方對無花果幼苗生 長和生理特性的影響，顯示休伊特（Ｈｕｅｔｔ’ｓ）和霍格蘭德（Ｈｏａｇｌａｎｄ）配方對植株生長的促進作用優于其他 配方。

在無土栽培 １００ 多年的發展歷程中，各國科學家根據不同作物種類、生育階段、栽培方式、水質和氣候 條件以及營養元素化合物來源，研制并經過實踐形成了以 Ｈｏａｇｌａｎｄ、日本園式等為代表的通用營養液配 方，以及以日本山崎、華南農業大學等為代表的專用營養液配方 。此后，關于營養液配方的研究多在經 典配方的基礎上對營養液的 ｐＨ、ＥＣ 進行優化，或者對單個離子的濃度進行優化，或者引入螯合物、有機物 質替代傳統的無機離子等。

營養液配方的優化多為陽離子濃度和比例的調節，以提高肥料利用率以及產品的產量和品質。 研究 表明，９０ ｍｇ·Ｌ －１ Ｋ、２９ ｍｇ·Ｌ －１Ｍｇ 和 ７７ ｍｇ·Ｌ －１ Ｃａ 組合營養液栽培的紅色葉用萵苣抗氧化物質酚類的含量 最高 ；與日本園式營養液配方相比較，提高營養液 Ｐ、Ｋ 濃度（ ＥＣ ０． ９ ｄＳ·ｍ －１ ，ＰＯ － ４ ?Ｐ ４． ６ ｍｇ·Ｌ －１ ， Ｋ ５．８ ｍｇ·Ｌ －１ ）顯著改善番茄植株長勢；宋夏夏等以水果型黃瓜‘戴多星’為材料，在醋糟基質栽培條件 下，以日本山崎黃瓜專用營養液配方為基礎配方，篩選出 ２０． ６７ ｍｍｏｌ·Ｌ －１ Ｎ、１０． ５８ ｍｍｏｌ·Ｌ －１ Ｋ、４． ５４ ｍｍｏｌ·Ｌ －１ Ｃａ 為最佳濃度。 Ｑｕ 等利用四元二次回歸分析建立了 Ｎ、Ｋ、Ｃａ、Ｍｇ 對黃瓜產量品質綜合評分 的回歸模型，得到優化的 Ｎ、Ｋ、Ｃａ 和 Ｍｇ 濃度分別為 １４．８３、６．８９、３．５５ 和 ４．１７ ｍｍｏｌ·Ｌ －１ ；與黃瓜專用日本 山崎營養液配方處理植株相比，優化的營養液配方栽培黃瓜果實的可溶性蛋白、維生素 Ｃ 和可溶性總糖 ９００含量分別提高了 ２１．０７％、４０．９１％和 ５３．３３％，有機酸和硝酸鹽含量顯著降低。

截至 ２０２１ 年 １０ 月，從萬方數據庫搜索得到 ６３９ 篇關于營養液配方研究的期刊論文，涉及作物包括草 莓、大部分蔬菜和花卉，而果樹和園林植物相對較少。 自 １９９８ 年以來，我國科技工作者開展的營養液配方 的研究文獻呈上升趨勢，由 １９９８ 年的 １ 篇上升到 ２０１９ 年的 ３８ 篇。 中國知網的檢索結果表明，“營養液配 方”為關鍵詞的發明專利公開 １３０ 件。 說明不斷優化營養液配方以滿足不同作物、不同生育期和不同栽 培目的是無土栽培領域持續的研究主題。

營養液 ｐＨ 值

低 ｐＨ 值會直接引起水合 Ｈ ＋增加，降低 ｐＨ 值依賴的陽離子的有效性。 水培條件 下，營養液 ｐＨ 值為 ５．５～６．５ 時對番茄植株生長有利；歐洲報春適宜生長的營養液 ｐＨ 值為 ５．８ ～ ６．２，并且 在此 ｐＨ 值條件下葉片葉綠素含量和光合速率較高；適合水培魔芋生長的營養液 ｐＨ 值為 ６.０ ～ ８.０，營 養液 ｐＨ６.０ 有利于水培非洲菊的生長，營養液 ｐＨ 值在堿性（７.０ ～ ８.５）條件下甘蔗生長良好，最適合綠蘿 生長的 ｐＨ 值為 ７．０，ｐＨ８．０ 的營養液促進了大麥根尖細胞的增殖和伸長；Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅ 等研究表明，ｐＨ４．０ 條件下，菠菜植株生長尤其是根系生長明顯受抑制，營養液 ｐＨ４．５ 或 ５．０ 條件下，植株生長和形態表現正 常，但株型變小；Ａｌｅｘｏｐｏｕｌｏｓ 等研究發現藥用蒲公英和賴卡菊在營養液 ｐＨ５.５ 時的生長表現較好， ｐＨ４.０ 對植株的生長有抑制作用。

營養液 ｐＨ 值不僅影響植物生長和干物質積累，而且影響根系元素吸收利用和病蟲害發生，甚至影響 產品營養品質。 在營養液 ｐＨ４．５、ＥＣ １．４ ｄＳ·ｍ －１條件下，菠菜葉片中 Ｐ、Ｋ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ 含量低于 對照植株（ｐＨ５．５，ＥＣ １．４ ｄＳ·ｍ －１ ）。ｄａ Ｓｉｌｖａ Ｃｅｒｏｚｉ 等研究發現，在魚菜共生營養液中，營養液的 ｐＨ 值會影響溶液中磷離子的種類和利用率，磷的利用率隨 ｐＨ 值升高而減小，因此建議魚菜共生系統的營養 液 ｐＨ 值應保持在 ５．５～７．２。 營養液 ｐＨ 值升高與植株吸收 Ｎｉ 的能力呈正相關，與吸收 Ｚｎ 的能力呈負相 關。 低 ｐＨ 值可以增加蒲公英和賴卡菊總可溶性固形物、總酚、葉綠素和類胡蘿卜素含量，降低硝酸鹽含 量，提高 ２ 種植物的營養價值和膳食功能 。 研究表明，營養液 ｐＨ５.５ 時煙草的根腐病發病率最低，而 ｐＨ８．５ 時根腐病發病率達 ４８．８６％；Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅ 等研究發現，營養液 ｐＨ４．０ 可以有效抑制營養液中腐霉病 菌病原體的繁殖，提高營養液的 ｐＨ 值可以抑制草莓植株上鐮刀菌枯萎病的發生。

適宜的營養液 ｐＨ 值可以緩解某些元素對植株的毒害作用。 低 ｐＨ 值與鋁毒性存在協同作用，將營養 液 ｐＨ 值從 ２．５ 提高到 ４．０ 會降低植株根系對 Ａｌ 元素的吸收，增加植株對 Ｎ、Ｐ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓ 和 Ｂ 的吸收量。 Ｇｈｅｓｈｌａｇｈｉ 等發現缺 Ｆｅ 脅迫下，ｐＨ 值為 ５．５ 和 ７．５ 時會促進營養液中黃芩對 Ｆｅ 的吸收，并且通過增加 分泌黃素來緩解 Ｆｅ 脅迫，且隨著 ｐＨ 值的升高，分泌黃素的能力也增強。

營養液 ＥＣ

Ｇａｒｃíａ?Ｓａｎｔｉａｇｏ 等研究了地面滲灌條件下營養液濃度對容器栽培番茄生長的影響， 表明營養液 ＥＣ 值降低到總濃度的 ６０％時，對無土栽培番茄生長和產量沒有明顯影響。 低 ＥＣ 營養液不利 于網紋甜瓜植株生長，而高 ＥＣ 營養液使植株營養生長過旺，產量降低，品質變劣 。

生產中，常通過調控營養液 ＥＣ 來調控產品品質，如：適當提高營養液 ＥＣ 值能夠顯著提高番茄的果實 品質，提高營養液 ＥＣ 可提高草莓果實品質，較高營養液 ＥＣ 可增加萵苣葉片含糖量，提高商品 性 ，標準濃度的 １ ／ ２ 日本山崎營養液配方的水培葉用萵苣硝酸鹽含量最低 ，１ ／ ２ 濃度的 Ｈｏａｇｌａｎｄ 營 養液栽培的韭菜硝酸鹽、亞硝酸鹽含量較低 ，增加營養液濃度辣椒果實中大量營養元素含量降低， 營養液 ＥＣ 影響迷迭香中香精油的含量，但不影響其化學組成 。

營養液 ＥＣ 不僅影響植株的生長發育和品質，也影響其對營養元素的吸收利用 、果實發育以及 耐儲性等 分吸收 。 降低營養液 ＥＣ，可顯著提高番茄植株養分利用率，“少量多次”的澆灌模式可能更有利于養 。

營養液溫度

Ｔｈａｋｕｌｌａ 等采用營養膜技術（ＮＦＴ）試驗研究不同水溫對葉用萵苣生長的影響，結 果表明，將水溫保持在 ２１．１ ℃時，葉用萵苣的生長和生物量更大。 Ｓａｍｕｅｌ 等發現水培萵苣產量最高的 營養液溫度是 ２５ ℃ ，葉片光合參數、礦質元素含量、葉片和根系生長均處于最佳狀態。 Ｏｒａｂｙ 等研究表 明，將營養液溫度降至 １８ ℃可顯著增加馬鈴薯的生長量和塊莖產量。

在無土栽培中調控營養液溫度比調控溫室大環境的氣溫更經濟、快速、有效。 因此，越來越多無土栽 培裝備增加了營養液溫度調控功能，甚至家庭園藝產品中也可以看到營養液控溫系統，如日本三菱葉菜生 產系統通過設定營養液溫度、流量和流速，控制作物根區溫度在 １８ ～ ２２ ℃ 。 Ｌｉ 等 采用冷水機降溫技 術，將營養液溫度控制在（２０±１）℃ ，實現了水培葉用萵苣的越夏生產。

營養液溶氧濃度（ＤＯ）

充足的氧氣供應可維持水培植物良好的根際環境。 根際低氧對水培萵苣 生長、生理和品質均有明顯抑制作用，較低的 ＤＯ 會抑制萵苣根系對水分的吸收 。 此外，缺氧脅迫下根 系發育不良、抗性降低，病原微生物菌容易侵染根系。 高溫季節營養液 ＤＯ 是限制作物生長的主要因素。 郭世榮等研究表明，高液溫下黃瓜植株耐低氧性明顯降低；Ｙｏｓｈｉｄａ 等研究也指出，常液溫（２５ ℃ ） 下營養液 ＤＯ 濃度降至 １ ｍｇ·Ｌ －１時，黃瓜植株仍能正常生育，顯示出較高的耐低氧性；但在高液溫（３３ ℃ ） 下，ＤＯ 在 ２ ｍｇ·Ｌ －１以下時，生長發育即受到顯著抑制 ，黃瓜植株耐低氧性明顯降低。 因此，保持營養液 中有足夠的 ＤＯ 是越夏水培作物能夠取得優質高產的關鍵。 除了調控營養液溫度外，目前生產者使用壓 縮空氣泵、添加化學增氧劑、營養液循環流動等措施提高營養液 ＤＯ。 在水培蔬菜生產中，常采用營養液 間隔時間循環流動的方式來增加根際 ＤＯ，除此之外，使用微納米氣泡快速發生裝置，能夠產生納米級別 的氣泡，快速增加營養液 ＤＯ 值；應用 Ｈ２Ｏ２ 也有助于增加營養液 ＤＯ。

營養液氮素形態

植物在長期進化過程中形成了對不同 Ｎ 素形態吸收的偏好性。 如黃瓜和番茄 在硝態氮為氮源時生長良好，甘藍和芥藍也更傾向于吸收硝態氮，而水稻和針葉類樹木則偏好吸收銨態 氮 ，但大多數植物在混合氮源中生長更好。Ｚｈｕ 等改變營養液中銨態氮／ 硝態氮的含量，增加銨態氮 含量將營養液的 ｐＨ 值調整到 ５．８ 時，可以提高菜心的產量。 一般來說，營養液中 ＮＨ ＋ ４ 高比例會導致作物 生長不良，但對有些植物生長卻有促進作用 。

Ｎ 素形態還影響作物品質和養分積累。 較多的硝態氮培養菊苣的酚類化合物的含量更高，而較多的 銨態氮有利于脂肪酸積累 。 Ｋｕｍａｒｉ 等認為營養液中 ＮＯ － ３ 與 ＮＨ ＋ ４ 濃度比例為 ７５ ∶２５ 時可提高香菜產 量和品質；與硝態氮相比，銨態氮增加了茄子葉片中 Ｎ、Ｐ、Ｋ、Ｚｎ 和根系中 Ｚｎ、Ｃｕ 的濃度，降低了葉片中 Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎａ 和根系中 Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎａ 的濃度 ；當 ＮＨ ＋ ４ 的臨界濃度高于 ５．７ ｍｍｏｌ·Ｌ －１時，營養液中 陽離子的吸收、氮肥利用率（ＮＵＥ）和百香果干物質均降低 。

營養液中總氮含量一定時，硝態氮與銨態氮的比值越大，農產品中硝酸鹽含量越高。 Ｓｃａｉｆｅ 等 發 現，當營養液中僅有銨態氮時，葉用萵苣葉片中硝酸鹽含量僅為只有硝態氮時的 ２５％，而當硝態氮與銨態 氮比例過低時，作物會產生氨毒害。 營養液氮素形態還影響作物的缺素癥，當營養液氮源為銨態氮時，植 物易出現缺鈣或缺鎂癥，如營養液培養的茄果類蔬菜以銨鹽為氮源時，易造成果實缺鈣而引發“臍腐病”； 用硝態氮為氮源的營養液培養作物，易造成植株缺鐵或缺鎂。 許多研究表明，無土栽培營養液管理中，硝 態氮和銨態氮等比例對作物生長最好。 在不結球白菜營養液栽培中，硝態氮與銨態氮的比例各占 ５０％時 效果最好；營養液培養二色補血草，純銨態氮營養嚴重抑制其生長，硝態氮和銨態氮等比例混合最有利 于植株生長 ；以硝態氮與銨態氮配比為 １ ∶１ 的營養液培養煙草，效果最佳。

有機營養液

有機營養液中不僅含有大量植物所需的礦質元素，而且含有諸多有益微生物及其代 謝產物，可部分代替無機營養液用于作物無土栽培，生產成本低、養分含量高，還具有生物防治和肥效的雙 重作用，應用前景較好。 無土栽培中常采用有機營養液替代無機營養液，以改善植物的生長。 有機營養液 水培的葉用萵苣、番茄及玉米，與無機營養液栽培的產量沒有顯著差異。 更多的研究證明，有機營養液可 以提高作物產量，例如從松葉中提取的有機營養液可以提高不結球白菜和萵苣產量 ；徐大兵等研究 表明，豬糞堆肥浸提液促進棉花植株生長發育的效果明顯，可提高產量；李惠等從堆漚腐熟好的豬糞、 牛糞、菇渣＋雞糞、菇渣＋牛糞中提取獲得浸提原液，結果表明 １/３ 浸提液有利于番茄和黃瓜幼苗生長，可 作為有機營養液用于番茄和黃瓜育苗。 有機營養液還有利于培育煙草、番茄、黃瓜等作物壯苗，提高秧苗 質量。

有機營養液替代無機營養液還可改善植物產品的品質。 采用豬糞、牛糞、羊糞（體積比 ４ ∶１ ∶１）發酵液 復配的有機營養液滴灌番茄，與傳統日本園式配方栽培的番茄相比，可溶性糖、有機酸、番茄紅素、抗壞血 酸、可溶性蛋白含量和特征香氣顯著提高；范兵華等的研究結果也證明，‘佳西娜’串番茄在基質袋栽 培條件下，豬糞、牛糞、羊糞（體積比 １ ∶２ ∶１）的有機營養液稀釋 ２．９３ 倍后滴灌栽培，果實品質顯著優于滴 灌日本山崎營養液的番茄果實。 Ａｈｍｅｄ 等比較萵苣在化學營養液和有機營養液中的生長，結果表明， 從魚類廢棄物中提取的有機營養液栽培的萵苣的總葉綠素、胡蘿卜素、酚類化合物和類黃酮含量以及抗氧 化酶活性顯著高于無機營養液栽培的萵苣；有機營養液可以提高荔枝中的氨基酸含量 ，可以提高黃瓜 的抗氧化能力。

沼液是最常見的一種有機營養液。 將沼液作為營養液培養蔬菜，蔬菜產量和品質均有所提高。 雞糞沼液可作為基質栽培葉用萵苣、油麥菜、茼蒿、不結球白菜、菠菜、黃瓜和番茄的營養液，明顯促進葉菜生長 ；以沼液為營養液，可使葉用萵苣中硝態氮含量降低 ７２．２６％，總糖和維生素 Ｃ 含量分別提高 ６．４０％ 和 ４２．３７％  ；將沼液作為水培蔬菜的營養液，可使葉用萵苣和番茄產量分別提高 ３．４％和 ８．８％，粗蛋白分 別增加 ０．０５ 和 ０．０３ ｍｇ·ｋｇ －１ ，維生素 Ｃ 含量分別提高 １８．７ 和 １３．４ ｍｇ·ｋｇ －１ ，硝態氮含量分別降低 ６８．１１ 和 ６０．１ ｍｇ·ｋｇ －１ 。

營養液供液裝置

營養液供液裝置是無土栽培系統的核心組件之一。 目前，以色列、荷蘭等國已 研發出功能完善的營養液灌溉設備，如荷蘭 Ｐｒｉｖａ 公司研發的 ＮｕｔｒｉＦｉｔ 灌溉施肥機和以色列 Ｎｅｔａｆｉｍ 公司 研發的 Ｎｅｔａｊｅｔ 自動灌溉施肥機，均能實現對營養液 ＥＣ 和 ｐＨ 值的精確控制；在番茄根部安裝傳感器，通 過連續監測營養液水分、ｐＨ 值、溫度和 ＥＣ，執行灌溉調節，縮短了番茄的生長期 。 近年來，我國營養液 供液裝置的研發取得重大突破。 鄧曉棟等設計了基于 ＺｉｇＢｅｅ 的水肥一體化智能灌溉系統，可以把采 集到的數據實時傳送到 ＺｉｇＢｅｅ 網絡服務器上，實現對營養液的精確控制；江新蘭等設計了基于云計算 和兩線解碼技術的智能云灌溉系統，通過 ３Ｇ／ ４Ｇ 網絡將從各個傳感器采集到的數據傳輸到云平臺，同樣 實現了營養液的精確控制；郝雅潔等也設計出了智能營養液供液裝置控制系統；胡國強開發出基于 ＺｉｇＢｅｅ 和 ＩＰｖ６ 技術的灌溉系統，利用 ＺｉｇＢｅｅ 網絡采集設施環境和肥水信息，通過 ＩＰｖ６ 上傳至灌溉控制服 務器，適用于現代溫室的無土栽培。

2栽培基質研發成績斐然

草炭替代品的挖掘與利用

草炭是無土栽培中用途最廣泛的一種基質，但由于草炭資源有限、再 生速度慢，過度開采會破壞生態環境。 因此，尋找草炭替代基質是基質培的關鍵。 大量研究表明，許多農 業廢棄物如花生殼、鋸末、秸稈以及醋糟、木薯渣等，經微生物發酵腐熟后，均可作為無土栽培基質。 在木 材工業較發達的歐洲國家，如德國和法國，大多使用木材工廠產生的下腳料堆肥腐熟后代替草炭基質；在 澳大利亞、美國等植物覆蓋率高、地廣人稀的國家，多以樹皮堆腐后作為基質使用；在熱帶一些椰殼原產地 的國家，多以椰糠代替草炭使用。 Ｔｚｏｒｔｚａｋｉｓ 等采用發酵玉米秸稈替代草炭與珍珠巖、浮石混配栽培番 茄獲得成功；番茄和黃瓜等蔬菜生產中，食用菌菇渣發酵料可以代替一定比例的草炭；利用石楠、榿木和貓 尾草生物質堆制發酵可以作為花卉苗木生產的草炭替代品；園林廢棄物發酵料用于紅掌等花卉植物栽培， 其替代 ６０％以上草炭時仍具有較好的栽培效果；以 １０％木炭、２５％磷礦石、６５％園林廢棄物發酵料混合基 質作為玉簪栽培基質，可以顯著增加玉簪生物量。 蚯蚓糞可作為花卉、蔬菜無土栽培的草炭替代品。 生物 炭是草炭潛在的替代品，例如：果樹等修剪殘留生物炭可以作為無土蔬菜生產的草炭替代品，木材下腳料 生物炭可以全部或部分替代草炭用來生產蔬菜，竹條炭化制備的生物炭可部分替代草炭栽培鐵皮石斛。

有機廢棄物基質化利用發酵技術

近年來，國內外有機廢棄物基質化利用發酵技術取得顯著進步 的領域集中在發酵專用微生物的分離和利用方面。 在有機廢棄物發酵過程中添加發酵微生物菌，可加速 堆體快速升溫和腐殖化過程，降低 Ｃ ／ Ｎ 值，縮短腐熟時間，提高發酵效率和質量。 童江云等篩選出可 降解纖維素并加快食用菌菌渣腐熟進程的菌株；陳立華等篩選出發酵淤泥的真菌菌株 Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｈａｒｚｉａｎｕｍ Ｔ８３ 和細菌菌株 Ｂａｃｉｌｌｕｓ ａｍｙｌｏｌｉｑｕｅｆａｃｉｅｎｓ ＩＡＥ。 王偉東利用雞糞、牛糞和干枯麥秸進行共發 酵試驗，發現接種纖維素降解菌可加速木質纖維素的分解速度，半纖維素、木質素和纖維素的降解率分別 提高 ４．３％、３．４％和 ３．０％；張曉倩等利用稻草和牛糞進行共靜態好氧堆肥試驗表明，接種木質素降解菌 復合菌（變色栓菌和黃孢原毛平革菌）可加速有機質分解轉化和木質纖維素降解；黃丹蓮等研究發現， 經過 １２ ｄ 的發酵處理，接種發酵菌的有機物、木質素降解率分別達 ８．２％和 １．１１％，第 ２０ 天木質素降解率 達 １１．０％，與自然堆體相比，添加發酵菌劑處理纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別提高了 ３１．３１％、 １９．５７％和 １４．３３％；黃孢原毛平革菌可提高有機物發酵效率，放線菌可促進有機物發酵過程中的纖維素 降解。

采用單一菌株發酵，存在有機物中纖維素難以徹底降解的缺陷，而混合菌株不同功能酶作用于纖維素 的不同位點，能彌補菌種間的差異，從而提高纖維素酶活性和酶解效果，縮短發酵周期，提高發酵效率和質 量。 混合菌株比單一菌株發酵的纖維素降解率提高 １２．４７％，復合菌對秸稈纖維素降解率達到 ３４．８％，降 解效果比單一菌種要好。 分離高產纖維素酶的混合菌株發酵，實現菌株之間優勢互補，是近年來有機 物生物發酵的重點研究領域。 國內外在研制復合微生物發酵菌劑方面取得積極進展，主要集中在對農牧 業產生的秸稈、糞便和生活有機垃圾，以及各種食品生產過程中產生的下腳料的基質化處理。 王戰等研究發現，由高地芽胞桿菌、地衣芽胞桿菌、灰略紅鏈霉菌、綠色木霉菌混合制備的混合微生物發酵菌劑可 使木薯渣纖維素質量分數降低到 ２４．４％；楊新等 將從高溫酒糟中分離得到的 ７ 株優勢菌按比例混合， 研制出了酒糟發酵菌劑。

近年來，利用昆蟲發酵有機廢棄物取得積極進展。 黑水虻和微生物可協同分解有機廢棄物，并將其轉 換成腐殖質，其中微生物負責有機物的生物化學降解，黑水虻作為轉化過程中的關鍵驅動因素，借助腸道 產生的消化酶，促進有機廢棄物的降解；黑水虻幼蟲利用有機廢棄物中的營養物質，將其轉化為高質量的 幼蟲類生物質，殘留物可用作基質 。 生物轉化過程中臭氣排放少，溫室氣體排放低，碳、氮損失減少，不 會對環境產生二次污染，是一種生態環保型的有機物生物發酵技術，具有巨大的應用前景。 此外，黃粉蟲 可對多種有機廢棄物進行轉化利用，包括畜禽糞便、尾菜、米糠、豆餅粕、豆渣、果渣等。

除了發酵微生物研究外，國內外學者也研制了一批發酵裝備，有力推動了有機廢棄物發酵的工業化水 平。 郭兆峰等研制了棉秸稈基質發酵機，合理設計上料機、攪拌裝置、加熱腔、出料以及電控部分的主 要部件，實現發酵作業的智能化全自動控制，發酵時間縮短、發酵效率提高，勞動力投入減少。 李萍萍等針對番茄秸稈基質化處理過程中秸稈碎料與發酵菌種難以混合問題，研制出立式螺旋混合攪拌裝置 。

基質配方研制和產品開發

實際生產中，需要將 ２ 種或 ２ 種以上的基質按照一定比例混合制成復 合基質，以克服單一基質可能出現的偏酸或偏堿、通氣不良或過盛、容重過小或過大等問題。 國內外學者 針對不同作物種類，利用不同基質原料研制出大量的混合基質配方，開發出眾多復合基質產品。 南京農業 大學等單位研制出適于園藝作物育苗和水稻育秧的通用型、專用型、功能性系列基質產品，與傳統草炭相 比，成本降低 ３０％，蔬菜壯苗指數提高 ２７％ ～ ３６％，枯萎病發病率降低 ２４％ ～ ５８％，根結線蟲防治效果達 ６８％ ～８５％，增產 １２％ ～２２％ 。

近年來，在成品基質中通過添加促生菌、保水劑、緩釋肥、氨基酸肥、腐植酸肥、生物炭等開發功能性基 質產品成為研究熱點。 在育苗基質中添加微生物菌劑（安克菌劑、芽胞桿菌、叢枝菌根菌等）制成的生物 活性基質，可促進辣椒、黃瓜、葉用萵苣和番茄等作物生長；在育苗基質中添加叢枝菌根真菌，可消減鹽堿 土對番茄植株的危害；在連作基質中添加叢枝菌根真菌，可促進番茄生長，提高抗性；在醋糟和草炭質量比 為 １ ∶１ 的混配基質中，添加 ２％微生物菌劑（ＢＯＦ），對西瓜和黃瓜枯萎病的預防效果明顯 ；將 １０％功能 菌株 ＳＱＲ９ 添加到基質中，黃瓜枯萎病發病率降低 ４０．３９％。 功能性基質還能改善作物品質。 在草炭、椰 糠和珍珠巖的復配基質中，添加解淀粉芽胞桿菌制成的功能性基質，不但可提高空心菜產量，而且增加維 生素 Ｃ、可溶性蛋白和可溶性糖含量，并顯著降低葉片中硝酸鹽含量。

3無土栽培系統和配套裝備不斷優化

總體而言，十多年以來國內外無土栽培系統沒有取得特別具有標志性的成果，大都是在原系統的基礎 上進行改良升級，使之更加符合某種特殊需求。 對國內外無土栽培系統的有關專利進行檢索，發現有國外 專利 １５ 件，國內專利 １８３ 件。 可見，我國在無土栽培系統研發方面在國際上走在前列。

改良無土栽培系統

目前，無土栽培的主流系統包括巖棉培栽培、深液流（ＤＦＴ）、營養液膜（ＮＦＴ）、 魯 ＳＣ 型無土栽培、有機生態型無土栽培、浮板毛管（ＦＣＨ）等，在這些系統的基礎上，根據不同作物、不同 地域和不同用途，國內外學者開發設計了許多適應性更強的無土栽培系統。 Ｎｉｃｏｌａ 等開發了一種新型 封閉的再循環無土栽培系統———ＮＧＳ ? ，并證明其可以提高作物產量和質量，延長收獲后的保質期；卜崇 興針對植物無土栽培過程中根際缺氧問題，設計了一種新型儲液儲氣式桶式栽培系統，解決了無土栽 培中根際供液和供氧的矛盾；陳偉等設計的滲吸式無土栽培裝置，以其較好的保肥、保水效果及合理科 學的供水方式，在無土栽培蔥苗上獲得成功；周金平等研發了可調節根際溫度的無土栽培系統，適用于冬季番茄生產。

休閑無土栽培系統

Ｇｕｏ等設計了一種基于 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 的由栽培池、直立柱、底座以及灌溉、輔 助照明和控制系統組成的家用基質栽培設備。 針對陽臺農業和家庭園藝的興起，北京市農業技術推廣站 開發設計了立柱式、梯架式、壁掛式、臺燈式陽臺蔬菜無土栽培裝置 ；王久興等 設計了一種插管式家 庭室內使用的無土栽培裝置；黃秋鑾設計了庭院草莓靜水無土栽培系統；劉全國設計了 ＤＩＹ 立體管 道水培種植裝置，適用于辦公室和居家無土栽培。

智慧無土栽培系統

ｄｅｌａ Ｃｒｕｚ 等開發的智能自動灌溉系統（ＳＦＡＩＳ）包含 ３ 個子系統，即水箱監控系統、開放式灌溉控制系 統和室內灌溉控制系統，使用神經網絡將專家系統整合到 ＳＦＡＩＳ 中，實現智能化灌溉；Ｋａｎｇ 等研發了 一種智能無土栽培裝置，不僅實現點播和智能補光以及營養液的自動濃度平衡、自動加熱、自動循環，還可 以通過手機實現遠程監控；Ｃｈａｎｇ 等開發了一種基于微機電系統（ＭＥＭｓ）的水培營養液混合系統，該 系統以微控制器為核心，控制 ５ 個營養液罐向混合罐的輸出，在混合罐中保持適當的 ｐＨ 和 ＥＣ 范圍，操作 員可以在用戶界面上查看營養液中 ｐＨ、ＥＣ、ＤＯ 和其他值的變化，也可以手動或自動混合營養液。 王佳明 等設計了一套無土栽培遠程營養液控制系統，實時監測栽培過程中營養液的 ＥＣ、ｐＨ 和溫度，通過 ＢＰ 神經網絡調節 ｐＨ 和 ＥＣ，實現遠距離營養液數據檢測及實時調控；邱彩虹等運用互聯網、新材料等技 術研究蔬菜無土栽培，設計了基于 ＷｉＦｉ 的室內智能蔬菜無土栽培結構，通過 ＷｉＦｉ 的控制，可以使栽培過 程中溫室、根際環境因子之間的關系處于最佳狀態，從而有利于蔬菜的生長發育；付強 設計的仿輪作 無土栽培系統包括營養液緩沖箱、霧培箱、巖棉栽培床等設備，利用計算機技術實時監測和自動調節營養 液 ｐＨ 和 ＥＣ，結合巖棉培和霧培技術開發出蔬菜立體種植模式；上海綠立方公司的綠葉蔬菜 ＮＦＴ 栽培系 統，實現了栽培過程中的移栽、傳送、采收的半自動化。

無土栽培根區環境監測傳感器

為了測量和優化無土栽培中的根區環境因子，需要相應的傳感 器。 Ｌｉｕ 等利用滴灌下基質濕潤模式和葉用萵苣根區的匹配模型，研究基于 ＥＣＨ２Ｏ 水分傳感器 （ＥＣ?５）的灌溉調度，為可靠測量基質含水量和合理灌溉提供了依據；ｄａ Ｍｏｔａ 等開發了一種散熱傳感 器，以低成本準確測量基質中 ０～５ ｋＰａ 范圍內的吸力，從而實現灌溉系統的自動控制；Ｃｈｏｉ 等使用頻 域反射法（ＦＤＲ）傳感器自動灌溉（ＦＡＩ）改善椰殼纖維底物水培系統中的水和肥料輸送，對比傳統的基于 固定定時器的灌溉（ＴＩＭＥＲ），ＦＡＩ 節省約 ４１％的成本，實現水肥的可持續利用。

三、無土栽培技術的研發重點

1加強無土栽培基礎理論研究

自 １９ 世紀中葉無土栽培誕生以來，國內外科技工作者在無土栽培應用技術方面開展了大量的研究工 作，但基礎理論研究還很薄弱，導致無土栽培在近 ３０ 年里沒有出現重大的技術突破。 我國自 ２０００ 年以 來，無土栽培相關基礎研究逐步得到關注，如國家現代農業產業技術體系、國家重點研發計劃、國家自然科 學基金等項目均將無土栽培礦質營養理論、根際低氧和鹽脅迫逆境理論等列入研究計劃，但這些研究的系 統性、深度和廣度還不夠，遠遠不能滿足行業高速發展的需要，特別是對無土栽培條件下作物根際環境、溫 室環境與作物生長發育之間的關系還不清楚，作物礦質營養特點及營養液配方改良還一直停滯不前，根際 病害發生規律及特點等問題還沒有引起關注，導致營養液配方及管理、栽培設施及應用、植株生育及調整、 根際環境及控制等技術的開發滯后，嚴重制約了無土栽培技術在更大范圍內的推廣應用。

2開展無土栽培技術標準研制

目前，各國政府均沒有統一的無土栽培技術標準，需要各國或國際組織進一步協調和制定。如果能從環境條件、栽培設施、營養液配方、消毒方法、關鍵栽培技術、采后儲運等關鍵環節制定相應的安全生產規范，必將對今后的無土栽培起到重要的推動作用。我國與無土栽培相關的國家標準、行業標準、地方標準等較少，安全生產指導性文件仍缺乏標準性、規范性。以基質的技術標準為例，《花木栽培基質：ＬＹ／ Ｔ２７００—２０１６》和《蔬菜育苗基質：ＮＹ／ Ｔ ２１１８—２０１２》均是以進口草炭的指標進行規定，對ＥＣ 等指標限制過高，以有機廢棄物為原料制備的基質難以達到標準要求，且對有機廢棄物原料中含有的抗生素、農藥殘留等特征污染物未進行規定；基質ｐＨ、ＥＣ 和物理性狀測定的地方標準仍然以土壤測定方法為基礎制定，存在一定的缺陷。據不完全統計，我國與無土栽培有關的地方標準有２５ 個，涉及草莓、厚皮甜瓜、水稻、番茄、水果黃瓜等作物，但這些標準遠不能滿足無土栽培行業發展的要求，而且有些標準的局限性還很大。基質用途廣泛，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，單一標準無法涵蓋多數基質產品的應用范圍。因此，對于不同原料、作物和用途的基質產品，有必要從作物品種選擇、處理技術、基質配伍、特征指標、分析方法等方面，開展標準化技術研究，建立基質利用標準體系，為基質的應用和推廣提供技術支撐。

3研發有機基質培無土栽培的配套技術

有機基質培無土栽培技術具有操作簡單、節肥、節水、節藥、省力、產品清潔衛生等優點，已成為我國無土栽培的主流模式，在西班牙、希臘、意大利等國也廣泛采用。然而，這種無土栽培模式尚未形成技術體系，許多關鍵技術尚未突破。今后應當重點進行以下幾個方面的研究。

基質結構與生產工藝

基質結構不僅是基質培營養管理的依據和基質重復利用的前提，也是基質標準化生產的技術基礎。與土壤類似，結構決定基質水分和養分的供應、吸收甚至運轉，與透氣性和養分吸附性能密切相關，直接影響植物根系的生長。然而，有關基質結構的系統研究還很缺乏。基質結構應該與土壤結構一樣，是穩定的團聚體結構，不僅有利于水分的吸收、排放，而且有利于通氣、根系伸長。目前對基質粒徑、比重、容重、總孔隙度、大小孔隙比等物理性狀參數的研究報道較多，有的甚至涉及水分養分運移等，但還沒有模擬出與土壤結構完全一樣的基質產品，也缺少針對特定作物的基質標準物理性狀參數的研究。由于基質結構的研究尚處于起步階段，因此，基質生產工藝缺乏理論支撐，成為這一領域重要的技術瓶頸。同時，如何按標準參數控制基質結構的形成技術，以適應標準化、規模化、工廠化生產基質的需要，即基質生產工藝，就成為重點研發的內容。

功能性基質產品的開發

Ｇｅｒａｌｄ將基質研究分為４ 個階段：第１ 階段是指１９５０ 年之前，研發重點是有機物的混配；第２ 階段是指１９５０—１９７５ 年，研發的重點是基質的物理和化學性質；第３ 階段是指１９７５—２０００ 年，重點是草炭替代品研發；第４ 階段是指２０００—２０２０ 年，研究重點是將微生物特性與基質的物理、化學和生物學特性整合，即功能型基質研發。傳統有機基質養分難以有效釋放，對作物促生作用不理想，在增強作物抵抗病原菌侵染和提高不利環境抗性方面的作用甚微，功能型基質可克服上述缺陷。因此，未來重點是將有益微生物有效導入基質，研發功能性基質，充分發揮微生物的作用。

基質重復利用和無害化處理技術

隨著人們環保意識的增強，同時為解決基質成本過高的問題，基質的重復利用和無害化處理成為研究重點。基質在使用過程中，會殘留大量的根系、分泌物、鹽分和病原微生物，同時基質結構在灌溉和根系作用下會有所改變，重復利用會對下茬作物造成不利影響。因此，基質在重復利用之前要進行必要的消毒處理等，而蒸汽消毒、化學消毒和太陽能消毒等不同的消毒方式會對基質的理化性質產生不同影響，進一步導致基質結構發生改變。因此，研究合適的基質消毒方式是基質重復利用的前提。然而，目前國內外尚無經濟有效的基質消毒方法，影響了基質的重復利用。

基質培中根際營養與水肥供應技術

與土壤栽培相比，基質培的根際水分和養分充足，特別是鉀、鈣、鐵的含量可達到土壤的上百倍。但植物如何適應根際高水分和養分？ 根際營養、微生物和根系分泌物如何調節植物養分？ 對這些問題的回答有助于解釋基質栽培下植物吸收水分和養分的規律。根據基質營養、水分特點進行水肥供應是基質栽培成敗的關鍵。主要包括２ 個方面內容：一方面，基質對水分和養分的吸附、保持、釋放性能以及根系對營養和水分的吸收過程不同于土壤，因此水肥供應技術應該與土壤不同，但這方面的研究還不夠深入，還不清楚基質水分和養分的需求、運移規律；另一方面，基質栽培不同于營養液栽培，目前大多參照水培營養液配方、配制以及灌溉制度進行基質栽培的水肥管理，缺乏針對性研究，制約了基質栽培的科學水肥供應。因此，基質培營養液配方及配制、灌溉頻率及灌溉量、營養液回收液的監測調整、植株營養診斷、專用滴灌肥料研制等將是研究和應用的重點。

規范化管理技術

有機基質中含有豐富的有機物質和礦質營養，對栽培過程中基質根際環境的ｐＨ值具有較大的緩沖性，并為作物提供一些營養元素，其成本較低、栽培管理技術較為簡單，因此經營失敗的風險較低。由于有機基質的來源不同、種類較多、理化性質不統一且不穩定、營養不定量，使用時需要合理的配比，而目前肥水和植株管理主要靠生育表象和經驗判斷，因此難以實現基質培管理的準確控制和規范化生產。今后應重點研究主要作物有機基質培的基質配方、營養特點、理化性狀，制定相應的營養液和植株管理技術，實行規范化管理和標準化生產。

4重視低成本輕簡化無土栽培技術的集成

雖然無土栽培具有諸多方面的優越性和特點，但與土壤栽培相比，設施設備仍需要一定的資金投入，投資過大和技術難度高是制約無土栽培大面積推廣應用的主要原因。據統計，水培系統的一次性投資一般為１２ 萬元·ｈｍ－２以上，有的甚至高達７５～９０ 萬元·ｈｍ－２，用于配制營養液用的肥料等材料每年支出也需４．５ 萬元·ｈｍ－２以上。即使采用基質培無土栽培系統（如有機生態型），其一次性投資也達４．５ 萬元·ｈｍ－２以上，每年的肥料支出也需２．４ 萬元·ｈｍ－２左右，這種投入遠遠高于土壤栽培水平。一方面由于無土栽培并沒有大幅度提高作物產量和品質，導致生產者采用無土栽培的積極性不高；另一方面，農藝與工程之間缺乏跨學科的聯系和有效協作，導致無土栽培設施和裝置結構不合理，不適合作物生長需要，再加上成本高、可靠性較低、栽培效果較差，這些都影響了無土栽培技術的推廣應用。更為重要的是，無土栽培作為一種現代農業生產技術，涉及作物栽培、植物營養、植物保護、農業工程、農業信息、農業經濟和自動化控制等多個學科領域，管理復雜，技術難度大，不易被生產者所掌握。這就要求集成輕簡化無土栽培技術，提出簡便易行的操作步驟，生產者只需按此操作即可完成作物無土栽培。

5強化營養液循環利用研究

采用封閉式無土栽培比傳統土壤和開放式基質栽培在利用資源、節約用水、提高產量和水肥利用效率方面具有顯著優勢，是更加可持續的環保型發展方式，但營養液循環利用還存在許多技術難題沒有從根本上解決。重復利用未經處理的營養液廢液易造成根部病害，并通過營養液循環在栽培系統中迅速傳播，會造成重大損失。在營養液循環利用中，滅除營養液中病原菌、去除生長阻害物質以及保持營養元素平衡都是必須解決的基本技術問題，特別是營養液除（殺）菌是諸多問題中的核心。目前，營養液除（殺）菌的方法有：高溫處理、紫外線殺菌、臭氧殺菌、砂過濾和膜分離等。其中，高溫處理殺菌效果較好，裝置要求不高，操作簡單，但耗能高，難以進行大批量營養液處理。目前，已經開發出了紫外線和臭氧的營養液殺菌裝置，并在生產中廣泛采用，但這種殺菌方法會導致營養液中Ｆｅ 和Ｍｎ 元素的沉淀。砂過濾法具有低成本、節能等優點，但達不到１００％的除菌率。另外，在營養液循環利用過程中，會滋生大量藻類，一方面會與作物競爭利用營養液中氧氣和養分，導致作物生長狀況變差，另一方面會造成營養液滴灌系統堵塞，影響供液。因此，如何有效去除藻類，也是值得重點關注的問題。將間套種植應用于無土栽培，利用植物的化感作用來控制藻類滋生和病原微生物也許是一種安全低成本的解決途徑，但研究尚十分缺乏。上述諸多新法在應用于實際生產時，其可靠性、經濟性、安全性仍有待進一步驗證，但無疑會為無土栽培營養液的循環利用提供重要的研發方向。

6開發智慧型無土栽培技術

智慧型無土栽培包括營養液控制、環境控制和基質生產的智慧化三方面。由于作物模型、計算機、軟件、傳感器、專家系統等的研究和發展，營養液控制和環境控制的智慧化進展較大，但需要精準化控制和深入研究開發；基質生產的智慧化起步較晚、應用水平較低，需要系統、深入研究和加大力度開發應用。近年來，使用人工智能（ＡＩ）算法優化作物無土栽培種植決策與溫室遠程控制方案，種植者可以根據自己的市場營銷需求制定最有利的栽培策略并通過人工智能較為精準實現。

營養液調控智慧化

盡管國內外對營養液控制系統開展了大量的研發工作，但現有營養液控制無論手動還是自動系統仍以調節ＥＣ 和ｐＨ 值為主，控制系統整體仍較為粗放。未來研發的重點是灌溉控制系統與溫室氣候調控系統耦合，將營養液調控邏輯與太陽輻射、基質質量變化等經驗模型耦合，以便于管理不同溫室區、不同環境條件下的不同作物的營養液供應需求，智能化調控營養液，確定灌溉觸發條件和灌溉量。

環境控制智慧化

環境控制智慧化包括氣象環境的智能控制和有害成分的智能控制兩方面。一方面，通過系列傳感器采集無土栽培作物生長的溫度、濕度、養分、光照、水分、氣體等信息，然后通過自動控制系統實時調控生長環境因子，以滿足作物良好生長發育所需的環境條件，實現對作物生長環境的有效監測和及時調整。同時，可通過遠程監控和實時分析，實現遠程指導與實時動態管理，實現無土栽培的智慧生產。另一方面，智能控制系統可以提前感知環境中的不利因素，一旦檢測到有害因子等不利因素，系統會及時發出警告，并自動進行調整以應對不利因素。目前，大多數環境控制系統還沒有實現完全智能化，自動化系統能夠清除的有害因子種類有限，有些有害因子仍無法清除。未來研發的重點是無土栽培環境控制的完全智能化和有害成分的自動檢測與清除。

基質生產智慧化

孟憲民認為，基質產業發展經歷了４ 個階段：基質１．０，實現了基質產品大規模工業生產；基質２．０，實現了基質的標準化生產；基質３．０，實現了基質的定制生產，即基質產品定制化和柔性化；基質４．０，可以實現基質的智慧生產，即基質生產管理的智慧化和生產過程的智能化。基質４．０ 即智慧基質，集ＰＣ 網、移動網、物聯網和云計算為一體，依托部署在基質生產現場的無線通信網絡和各種傳感器，對基質原料類型、粒度分布、水分含量、養分濃度、酸堿度、容重等技術指標進行實時采集上傳，利用數據挖掘、云計算等技術對采集的數據進行多層次分析，最后將分析指令與各種控制設備聯動，完成基質生產和質量管理，為基質生產提供精準化調控、可視化管理和智能化決策，從而實現智慧基質原料資源的高效利用、物料之間協同友好與性狀優異穩定，為客戶提供定制化、按需使用的基質產品和專業服務。目前，國內外對智慧基質的研發基本屬于空白，這將是未來基質研發的重點。

四、無土栽培的應用前景

無土栽培開創了高效農業發展的新模式，為農業生產走出田間、離開土壤提供了可能，同時開創了綠色環保農業新途徑。隨著科學技術的發展，無土栽培必然會緊密結合作物栽培學、植物營養學、植物保護

學、機械工程學、電子信息學、農業經濟學等學科，呈現出蓬勃發展的態勢。我國無土栽培起步較晚，技術水平還有待提高，但隨著國民經濟和社會發展，特別是有待通過無土栽培的技術手段來解決傳統土壤栽培出現的一系列難以解決的問題，必將在農業生產的各個方面顯示出良好的作用。無土栽培的興起，將使農業、園藝、林業、觀賞植物生產乃至非耕地利用、沙漠海島開發、城市美化等進入一個新的發展階段。無土栽培技術在綠色農業、節水農業、高效設施農業、高品質農產品生產、都市農業、拓寬農業生產空間、環境保護等方面均具有廣闊的應用前景。

1在綠色農業中的應用
推進綠色發展是農業發展觀的一場深刻革命。無土栽培具有投入品和生產過程嚴格管控的優勢，通過提升無土栽培水肥管理技術，提高農業用水、用肥的效率，可以實現無土栽培農產品的綠色生產。無土栽培可大大減少農藥、化肥用量，消除作物連作障礙。此外，無土栽培可以隔斷土壤病原菌和蟲卵侵染危害，不必施用農藥，防止農藥污染。封閉式無土栽培系統還可以創造出潔凈、穩定的生長環境，保障作物綠色安全生產。同時，實行營養液循環利用，可避免廢液排放帶來的環境污染。我國大面積推廣應用的有機生態型無土栽培采用的營養液配方簡易、成本低、易于配制，與傳統全量化學營養液配方相比，大、中量元素用量減少２０％～４７％，微量元素化肥用量減少９０％以上，成本降低４０％以上。采用有機生態型無土栽培技術種植高品質番茄，與常規土壤種植相比，鉀用量增加６．９６％，但氮用量減少５１．５６％，磷用量減少８２．０２％。因此，無土栽培將是２１ 世紀綠色農業中最具生命力的栽培技術，在我國農業進入綠色轉型的新階段，具有廣闊的應用前景 。

2在節水農業中的應用

與一般土壤栽培相比，無土栽培技術可節水５０％～７０％；與土壤滴灌栽培相比，可節水２０％～２５％。據研究，無土栽培種植茄子每生產１ ｋｇ 產品耗水４６ ｋｇ，而土壤栽培生產１ ｋｇ 產品需水４００ ｋｇ，無土栽培可節水８８．５％ 。因此，無土栽培對淡水貧乏國家或地區更為重要。我國存在大面積的沙漠、干旱及半干旱地區，地域性和季節性干旱問題仍將持續存在，是農業生產的主要制約因素之一。據報道，我國目前有４５％的地區年均降雨量小于４００ ｍｍ，農田灌溉和生活用水在某些地區嚴重匱乏 。因此，解決缺水問題對中國農業可持續發展十分關鍵。無土栽培是提高作物水分利用率的有效途徑，可減少農業灌溉用水，在節水農業中具有廣闊的應用前景。

3在高效農業中的應用

無土栽培的作物產量是土壤常規栽培的幾倍或幾十倍。無土栽培比土壤栽培四季豆增產３．２ 倍，甘藍增產０．４ 倍，黃瓜增產３ 倍，番茄１．２～２ 倍，彩椒產量可達８２．５～９０ ｔ·ｈｍ－２；朱世東等研究顯示，與土壤栽培相比，基質栽培條件下番茄、辣椒、黃瓜產量分別提高了２７．３４％、３２．９８％和２３．８３％；胡玥 試驗表明，水培芹菜較土壤栽培增產了２５５．８１％，基質栽培葉用萵苣、芹菜、青菜、菠菜分別增產３７．３９％、８２．１３％、１５５．７６％、１８２．９０％。２０ 世紀９０ 年代以來，我國高效設施農業發展迅猛，但是日光溫室等設施在使用３～４ 年后都會出現不同程度的鹽漬化等土壤障礙，導致作物產量和品質下降。無土栽培技術是克服設施土壤連作障礙最有效、最經濟和最徹底的辦法，但目前我國無土栽培面積不足設施總面積的１％。無可置疑，無土栽培技術在我國高效設施農業中具有廣闊的應用前景。

4在高品質農業中的應用

無土栽培中使用的營養液是根據作物正常生長狀態下對養分的需求規律，把土壤中所能提供的各類營養元素以更純凈高效的形態和更合理的配比供應給植株，可認為化學肥料營養液提供的養分是“土壤中有效養分的精華”，與土壤里的“有效養分”形態（離子狀態）沒有本質的區別；“有機農業”和“自然農耕”生產施用的有機肥等進入土壤后，各種有機狀態的營養元素必須經過溶解、分解、轉化等過程，形成“有效養分”形態（無機離子狀態）植物根系才能吸收利用。而無土栽培作物吸收營養的方式更直接，與“有機農業”和“自然農耕”中營養吸收方式沒有差別，因此不存在產品安全隱患問題。

營養液是無土栽培的主要養分來源，作物生長過程中依靠營養液養分的供給比土壤栽培有機肥等肥料直接、充足、及時、高效，因此無土栽培的蔬菜等產品的產量和質量要高于土壤栽培，這也得到國內外高水平管理無土栽培生產基地的充分證實。鄭回勇等 對國內外５４ 個無土栽培的番茄品種（系）進行營養成分分析發現，主要營養成分平均值分別為：抗壞血酸３６９．６０ ｍｇ·ｋｇ－１、番茄紅素５４．９２ ｍｇ·ｋｇ－１、可溶性固形物４．２７％、總糖４．６６％、總酸０．４８％，硝酸鹽含量３０．１５ ｍｇ·ｋｇ－１、亞硝酸鹽含量１．０８ μｇ·ｇ－１，營養成分含量明顯高于土壤栽培，而硝酸鹽、亞硝酸鹽含量均明顯低于國家無公害蔬菜安全標準值。與土壤栽培相比，基質栽培甜瓜果實的甜度、甜味和鮮味氨基酸含量、維生素Ｃ 含量均有所增加 。