我國無土栽培技術發展現狀 挑戰及展望

李瑞紅，韓奕奕，張維誼

（上海市農產品質量安全中心，上海 200335）

隨著全球人口的持續增長，如何利用有限的自然資源為人類提供足夠的食物成為一大挑戰。數據顯示，2014～2019 年全球營養不良人口增加了6 000 萬人，總量高達6.9 億人[1]。我國人均耕地面積僅為全球平均水平的42%，較其他國家明顯偏低。在全球氣候變暖、水資源匱乏、荒漠化加劇等不確定因素的影響下，要充分重視如何保證食物的安全供應，無土栽培技術將是解決這一問題的重要途徑。基于CNKI、WoS、Espacenet 等數據庫有關無土栽培的文獻和專利，通過比較分析法，分析我國無土栽培技術發展態勢及面臨的挑戰，旨為更好地促進我國無土栽培技術可持續發展與應用提高理論依據。

1 無土栽培的概念及發展現狀

無土栽培技術是指在不利用傳統土壤的條件下進行栽培和生產活動[2]。各國根據生產與實踐對無土栽培技術進行了命名，如中國、歐洲、日本的設施農業（protected agriculture）[3]，美國的可控環境農業（controlled environment agriculture）以及室內農業（indoor farming），均指通過人為技術手段擺脫外界環境變化對農業生產造成的影響[4]。根據設施農業是否以傳統土壤為生長基質，則又可以進一步分為土培、水培、魚菜共生、氣培、混合培養等類型，除土培外其他培植方式均為無土栽培[5]；數據顯示，無土栽培模式中水培占比為49%，居第1 位[6，7]（圖1），水培技術主要包括營養液膜技術、深液流技術、漂浮水培法等[5，8～10]。根據設施農業采用的設施類型可以分為日光溫室、垂直農業、容器農業、簡易塑料大棚等[4]。由于無土栽培技術具有環境可控、減少土傳病發生、提高產品產量與質量[11]、提高土地利用效率[12，13]和經濟效益等[14～16]優勢在世界各國得到了推廣與應用，其中西紅柿、黃瓜、香草、生菜采用水培無土栽培種植技術的占比較大 （圖 2）。

圖1 設施農業分類與占比Fig.1 Classification and proportion of facility agriculture

圖2 主要水培作物種類與占比Fig.2 Types and proportion of main hydroponic crops

2 無土栽培相關文獻及專利申請情況

2.1 無土栽培相關文獻

以“無土”為主題詞、年限為1978～2020 年檢索中國知網（CNKI）數據庫收錄的中文文獻，共檢索到5 051 篇；以“soilless”為主題詞、年限為1978～2020年檢索Web of Science（WoS）數據庫所收錄的英文文獻，共檢索到4 878 篇，通過對檢索結果分析發現，英文文獻數量變化趨勢為波動緩慢增長期―快速增長期―急速下降期，1997～2013 年是緩慢增長期，文獻數量由14 篇增長至164 篇，2013 年后進入快速增長期，到2018 年達到峰值706 篇，年平均增長速率為35.31%，2019 年發表文獻快速降低到449 篇，下降幅度為36.4% （圖3）；發表數量最多的國家依次為中國、美國、意大利、西班牙，總發文量均超過100 篇（圖4）。中文文獻數量變化趨勢為波動緩慢增長期―平穩增長期―波動緩慢下降期，其中，1978～1997年為波動緩慢增長期，文獻數量由38 篇增長至74篇；1998～1999 年文獻數量平均增長率為56.30%；2000～2007 年進入平穩增長期，文獻數量保持在191～222篇；2008 ～2020 年進入波動緩慢下降期，平均降低了5.68% （圖 3）。

圖3 CNKI、WoS 數據庫收錄的無土栽培文獻數量統計Fig.3 Soilless cultivation literatures included in CNKI and WoS databases

圖4 WoS 數據庫收錄的無土栽培論文來源國家統計Fig.4 Source countries of soilless cultivation papers included in WoS database

通過分析文獻的主題關鍵詞（圖5）顯示，研究的重點領域包括基質、營養液、植物品種與研究法方向、無土栽培設施。基質是無土栽培技術的關鍵與核心[17，18]，有機生態型基質是重要的研究方向[15，19～21]；營養液是無土栽培技術重點，不同品種的養育液需求不同[22～24]；無土栽培已經較為廣泛的應用在實際生產中，除瓜果蔬菜外，育苗育秧和花卉園藝等也是重要應用領域[11，13，25，26]；無土栽培設施研究包括環境可控的溫室、提高空間利用效率的立體栽培模式等[4，17]。

圖5 CNKI 數據庫中關于無土栽培文獻主題關鍵詞統計結果Fig.5 Statistical results of topic keywords of soilless cultivation literature in CNKI database

2.2 無土栽培專利申請

以“soilless”“soil-less”“hydroponics”“aquaponics”“aeroponics”為主題詞、年限為 1978～2020 年檢索歐洲專利局Espacenet 數據庫所收錄的各國專利，共檢索到5 998 項。有關無土栽培技術專利數量前4位的國家依次是中國、日本、韓國和美國（圖6）。我國無土栽培相關專利從20 世紀80 年代起步，2008 年專利申請數量躍居第1 位，2011 年起專利申請數量快速提升，并與2018 年達到峰值（圖7）。

圖6 各國的無土栽培專利申請情況Fig.6 Patent applications for soilless cultivation in various countries

圖7 1978～2020 年國內外無土栽培相關專利數量Fig.7 Number of patents related to soilless cultivation at home and abroad in 1978-2020

3 無土栽培技術面臨的挑戰

無土栽培技術近年來得到了快速發展，但仍然是一種面臨著諸多困難和挑戰，如資金投入、環境設施、人力成本、可持續性、食品認證等[27]。無土栽培技術是現代農業技術，有一定的環境設施要求以進行有效控制和克服外界因素影響[28]，這就要求前期設施投入資金、運行資金要充足[29]，如水培技術的主要運行成本包括勞動力、物質（培養基質、營養液、種子等） 投入、產品運輸、土地租金、產品包裝、能源等，占用資金較大。在無土栽培技術應用的環節中，如營養液配置、栽培過程實時監控、數據分析、管理控制等需要高素質人才，因此人力成本較高[30，31]。無土栽培技術與設施需要定期升級以滿足生產需求，如數據采集與分析系統、環境控制系統、農場管理系統、自動包裝裝置、LED 光源、有機營養物質（培養基質）等[32]；各種作物以及種植區需要的無土栽培技術差異加大[4]，且在技術轉化過程中需要通過不斷地實踐才能得以落地實施。無土栽培產品目前無法通過有機食品認證、綠色食品認證等，嚴重阻礙其可持續性發展[33，34]。

4 未來展望

雖然我國的無土栽培技術起步較晚[30]，但近年來發展態勢迅猛，目前相關領域的研究與成果列舉世界第1 位，但是應用在實際生產中無土栽培技術占比仍然較低，開展水培、魚菜共生等無土栽培技術生產模式的企業仍然較少。我國人均耕地面積低于世界平均水平，水資源匱乏，無土栽培技術發展前景廣闊[35]。未來要積極引導和規范無土栽培的規模化和標準化生產，加強無土栽培相關研究、提高專利轉化率，進一步豐富和提升人民的農產品消費水平和質量。