智能水凝膠作為無土栽培基質研究與應用的發展

吉樂涵 翁濱偉 竺寅威

[摘 要]智能水凝膠是水凝膠的一種，其性能能夠隨著外部環境（如溫度，pH，電場，溶劑性能，光的強度和波長，壓力，離子強度等）的變化而改變、響應，具有環境響應性。本文簡介了智能水凝膠在藥物控釋、組織工程、材料分離、酶固定和調光材料等方面的應用。同時介紹了無土栽培的發展歷史和無土栽培在國內外的總體情況，無土栽培在國內的主要實施方法和無土栽培技術的類型、特點和優勢，分析并預測其現狀和發展前景。

[關鍵詞]無土栽培;水凝膠;發展;前景

[中圖分類號]S688.4 [文獻標識碼]A

1 無土栽培發展概況

國際無土栽培學會將無土栽培定義為用基質代替天然土壤，移栽后用植物所需養分澆灌代替基質的栽培方法。與傳統的栽培方式相比，無土栽培具有自身極大的優勢。有效地解決了植物所需的生長條件矛盾，充分發揮了作物產量增發潛力。已經有許多國家和地區使用并發展無土栽培技術，其栽培技術日趨成熟完善。無土栽培技術的推廣應用，推動了農業、園藝、林業的生產發展，使其進入了一個新的發展階段，對于今后的農業發展具有十分重大的發展意義。

我國無土栽培的應用始于1941年，但因當時的生產條件限制、生產成本高而被放棄。70年代末，山東農業大學首次開展了無土栽培生產試驗，取得了成功。80年代中期，隨著改革開放技術的提升和人民生活水平的提高，國外的溫室無土栽培設施投入生產，蔬菜生產不再是一味地追求高產，人們對于其質量要求也越來越高，在這種情況下，全國各地的無土栽培技術迅速發展，國內的技術狀態也從研究變為了生產。據不完全統計，1989年我國無土栽培面積只有5.0 hm左右，90年代中期僅在北京一地就達到2.5 hm左右，我國無土栽培面積為118.0 hm左右，近年來我國無土栽培進入了快速發展階段。目前，隨著100多個采用無土栽培技術的國家和地區技術的逐步成熟和發展，無土栽培的應用范圍和栽培面積也不斷擴大，技術水平也有了質一般的飛躍，實現了集約化、量產化，實現了優質、高產、高效的目標。

2 技術的定義及分類

無土栽培作為一門研究無土栽培原理、栽培模式和管理技術的綜合應用科學，是根據植物生長的需要使植物直接吸收利用，在植物完全擺脫對土壤的依賴的前提下將各種營養素轉化為營養液。在無土栽培中，人為創造的作物根系取代了土壤環境，有效地解決了傳統土壤栽培難以解決的水、氣、養分供應矛盾，使作物根系處于良好的環境條件。

無土栽培技術主要包括水培、薄霧栽培和基質栽培，基質栽培是無土栽培技術中的重要形式。目前，世界上大部分的商品無土栽培由于應用成本、實用性和經營管理難度的影響，采用基質栽培法。支持和固定植物是無土栽培基質的主要功能，其能夠植物根系提供穩定和諧的養物?；|的研究是基質培養的基礎和關鍵。中國的無土技術發展較晚，目前主要采用營養液膜技術（NFT）、深液流技術（DFT）、浮板毛細水培法（FCH）等水培技術，以及巖棉培養、袋式培養、罐式培養、無土栽培法、有機生態等基質培養技術。

3 無土栽培技術的應用情況

無土栽培在一定程度上可以代替土培，但其推廣和應用在很多方面都會有困難。因此，在實際生活運用中，無土栽培不能完全取代土培，而只能作為土培的另外一種形式，使無土栽培發揮更大的價值。無土栽培技術的主要應用范圍很廣，包括航空、航海、空間站等。宇航員在太空中生產果蔬供應，而且在海洋中儲存空間有圓甲板、倉庫水培箱、水培袋等，可解決各種問題。一是長期在海上工作，以滿足新鮮蔬菜的需求。二是能夠為生活民眾提供微縮栽培，比如說像小型無土栽培箱、袋可以安裝在住宅樓的陽臺、屋頂甚至是家中，這樣一來便利民眾，綠化城市，兩全其美。三是作為觀光農業項目，回歸自然，在郊區和旅游區設立無土栽培示范區，吸引游客，在豐富旅游資源的同時，拓展民眾們的植物生態科學知識，與生物和諧相處。四是用于生產淡季或者高檔園藝產品，可以提高農作物的產量，促進銷售。五是作為研究科研的道具，進購于中小學?；蛘呖蒲兄行摹?/p>

4 無土栽培技術的主要缺點

無土栽培技術有許多優勢，但在一定程度上，它只是農業科技發展的產物，與土壤栽培相比，無土栽培需要一定的設施、資金，包括各種應用。離子營養液灌溉作物無土栽培系統，一般一次性投資至少9萬元/hm2，有的甚至高達75萬～90萬元/hm2，用于配置肥料營養液，也需要每年花費45200元/hm2以上;甚至對于更為實用的有機生態土壤無土栽培系統，一次性投資3～4.5萬元/hm2，年化肥成本約24萬元/hm2。由于各種原因，現今大部分生產者對于無土栽培的積極性不高。因此，根據各種實踐，無土栽培有以下主要缺點：與土壤栽培相比，它具有較高的投資和較高的經營成本;嚴格的技術要求;管理要求最嚴格，一旦管理不當，容易發生某些疾病的迅速蔓延，造成嚴重后果，損失慘重。

5 無土栽培技術的分類及特點

5.1 按是否使用基質分類

5.1.1 無底物培養。無基質培養無固定根基質，根與營養液直接接觸。可分為水文化和霧文化。水培栽培，又稱水耕栽培，其特點是為植物根系提供充足的營養物質，而且能夠很好地穩固根系。水培法主要包括營養液膜法、深液流法和浮板毛細管法。噴霧培養，是一種利用噴霧裝置霧化營養液，直接噴灑植物根系的無土栽培形式。該方法解決了營養吸收與供氧矛盾解決的根源，主要特點是在超聲波傳感器的作用下，以微小顆粒形式存在的營養液，為植物的生長提供營養，經超聲波處理后的營養液，實現了超聲波對植物生長的影響。消炎殺菌，控制部分葉片的病情發生蔓延。

5.1.2 培養基。無土栽培基質的協調可以為植物提供水溫、氣溫、脂肪結構的生長介質，它除了支撐、固定植物外，更重要的是起到“樞紐”的作用，使養分和水分從營養液中轉移，使植物根系能夠根據需要從中吸收。根據基體的形態、組成和形狀，國內外使用的基體可分為以下四種類型。無機基質：包括無機顆?；|，如砂、陶瓷、礫石等。纖維基質，如巖棉、礦棉等。還有其他基質，如珍珠巖、蛭石等。人造基質：常用的合成化學基質，如聚乙烯、聚丙烯、酚醛樹脂、脲醛泡沫塑料等。有機基質：鋸末、甘蔗渣、稻草、稻殼、水苔、煙炭、樹皮、麥草、椰殼糠、真菌糠等?；旌匣|：無機基質與無機基質混合的培養基質，有機基質與無機基質混合，有機基質與無機基質混合。

5.2 按無土栽培能耗及其對環境和生態條件的影響分類

5.2.1 有機生態無土栽培。有機生態無土栽培的排放溶液對環境無污染，在灌溉時用清水，用有機肥代替營養液，能生產出合格的綠色食品。有機生態無土栽培的優點是：用有機固體肥代替傳統的營養液，操作管理簡單，減少了無土栽培設施系統的投資，大大節約了生產成本，對環境無污染，產品質量優良。有機生態無土栽培可以滿足當前生態農業和綠色食品發展的需要。

5.2.2 無機耗能無土栽培。無機耗能無土栽培均采用化肥來調配植物所需的營養液，大量能量會在營養液循環中消耗，灌溉液的排放會對環境造成污染，同時生產出的食品可能會硝酸鹽含量過高。

6 無土栽培的優勢及發展方向

以人工研制的基質代替土壤環境，有效地緩解了傳統土壤栽培難以解決的水、氣、養分供應矛盾，使根作物在最佳狀態下生長，充分發揮其生長潛力。作物產量增加。無土栽培可以避免土傳病蟲害，避免土壤污染，生產清潔、少污染、無污染、優質的產品。同時，無土栽培不再被土壤連作所障礙，具有節水、省肥、省力等高效生產的不可比擬的優勢。然而，由于無土栽培作物根際的環境（營養液或固體基質）比土壤緩沖性差，根系易受外界條件的影響，如溫度、營養液酸堿度、設施內營養狀況等，更容易出現生理障礙。在生產中迫切需要克服的是土壤耕作和相應的對策。由于我國大部分地區采用的是無機消能型無土栽培方式，不僅能耗大，環境污染大，且這種方式所生產的食品硝酸鹽含量超標，將給人體帶來極大危害，因此應大力促進節約投資，降低成本。勞動力少、操作方便、產量高、產品質量好的有機生態型無土栽培技術，引導我國向更新、更好的無土栽培技術發展。發展生產無公害、安全、優質、營養的綠色產品，是社會技術發展的必然，也是維護人類健康、保護環境、發展可持續農業的緊迫任務。無土栽培作為世界農業科技中廣泛應用的先進技術，已成為發展生產無公害綠色產品的可靠方法。隨著中國與世界的融合，傳統蔬菜種植將得到更大的發展。無土栽培因為能夠生產出符合國家食品衛生標準的“綠色食品”，將為農業產業的發展提供技術支持，逐漸成為我國高科技農業生產的主要模式。

針對世界無土栽培的現狀和趨勢，將無土栽培技術從試驗階段逐漸轉化為投入運用階段。現狀表明，自動化程度越高，無土栽培的集約化、現代化程度越高，投產效率越高，但由于經濟、技術、設備等條件的不同，無土栽培技術水平及其應用效果也會有巨大的差異。對于新時代的無土栽培來說，無土栽培將是一個高度和簡易并存的種植設施。在我國，無土栽培技術水平還處于初級階段，同時其在我國的應用起步較晚，但我國作為一個發展中國家，具有巨大的發展潛力。隨著科技的快速發展、人民生活水平的不斷提高和經濟的迅速蓬勃，無土栽培在未來的發展不可小覷。興起的無土栽培產業，會同時帶動農業、園藝、林業、花卉生產發展，甚至能讓耕地利用和沙產業有進一步的發展。在前幾十年，我國無土栽培技術發展緩慢，發展速度從70年代開始加快。80年代后，隨著改革開放，在全國范圍內，由于我國與國際的科技交流增多，同時旅游業發展迅速，無土栽培技術得到了普及，經過改革開放后，無土栽培技術得到了普及。多年后經過研究人員的實踐，發現了系列無土栽培技術，能夠很好地適應我國國情。之后在一系列技術的開發后，開發了新的實用、節能、高效無土蔬菜栽培技術，在一定程度上與我國國情契合，我國無土栽培的狀態從試驗研究階段迅速進入商品化生產階段，并使我國無土蔬菜的栽培技術在我國的推廣應用成為現實。同時引用國外較為發達農業技術，引進國外大型現代化溫室、現代化的無土栽培設施，開始實現自國自產。調整實踐各類無土栽培技術，使其適應我國國情，同時開始全面發展農業技術。雖然無土栽培作為一種新型農業技術在我國的實踐運用時間短，但隨著民眾對生活質量要求的日益嚴格，大家也會越來越重視無土栽培技術，其仍具有很大的發展前景和運用潛力。

7 我國無土栽培技術存在的問題及展望

在我國現今的技術下，無土栽培的開發技術還不夠成熟，但在其開發過程中需要多個技術條件同時發揮作用，因此造成了無土栽培技術滯后。具體原因有以下幾點：（1）局限性，無土栽培的局限于特定地區，而且只有部分作物具有較高的經濟價值;（2）基質價格昂貴，許多資源屬于不可再生資源，需求量大;（3）生產的成本昂貴，造成銷出的限制與困難，對于消費者來說也有一定的壓力;（4）無土栽培的基質影響，其硝酸鹽含量容易過高，對環境有一定的污染。

對于我國無土栽培技術的現狀來說，雖然全面推廣有著一定的難度，但相信在今后科技的進步、科研人員的努力和與國外無土栽培技術發達的國家交流下，其運用將會有更為廣闊的前景。

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