孫錦,李謙盛,岳冬,高洪波,康云艷,田婧,李晶,郭世榮

(南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院,江蘇 南京 210095)

在全球范圍內(nèi),農(nóng)業(yè)集約化、單一化種植以及農(nóng)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(huán)境問題,需要依靠科學技術的進步來逐步解決這些制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術瓶頸。無土栽培技術沖破傳統(tǒng)種植模式,不使用天然土壤,而用營養(yǎng)液或固體基質(zhì)加營養(yǎng)液的方法栽培作物,極大拓展了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的空間,有效克服了土壤栽培引發(fā)的一系列環(huán)境問題,成為人類農(nóng)業(yè)文明的里程碑事件,為革新傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式帶來了曙光。與土壤栽培相比,無土栽培能有效拓展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間,水肥利用率高,省工、省力,有利于實現(xiàn)機械化和智能化以及作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效益,并能有效預防病蟲害,降低根際病害發(fā)生,減少種植過程中農(nóng)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(huán)境、食物三大關鍵生存問題發(fā)揮重要作用,是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中先進的栽培技術,必將成為未來農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。

1 國內(nèi)外無土栽培發(fā)展概況

據(jù)統(tǒng)計,2019年全世界應用無土栽培技術的國家和地區(qū)已達100多個,蔬菜無土栽培面積達到19.7萬hm2[1]。目前,世界上商業(yè)性無土栽培以基質(zhì)栽培為主,其中荷蘭的基質(zhì)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[2]。近年來,無土栽培面積和效益都在快速發(fā)展和持續(xù)增長。

1.1 國外無土栽培發(fā)展概況

1.1.1 歐洲歐洲國家發(fā)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(chǎn)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(zhì)栽培為主[3](表1)。其他歐洲國家無土栽培面積有限,約1 500 hm2。俄羅斯溫室面積在蘇聯(lián)解體后的20年里減少了一半[4],最近10年快速增長回到 3 600 hm2,其中新建大型現(xiàn)代溫室占總面積20%,均以無土栽培為主[5]。

表1 歐洲主要國家無土栽培面積和類型[3]Table 1 Area and types of soilless cultivation in major European countries[3]

1.1.2 美洲美國將花卉的無土栽培列為農(nóng)業(yè)十大技術之一并開發(fā)推廣,2019年蔬菜和草莓、香草等食用植物設施栽培面積826 hm2,總產(chǎn)量39萬t,其中通過水培系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)量占54%。2018年水培農(nóng)場總數(shù)219家,產(chǎn)值870萬美元,其中營養(yǎng)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(chǎn)43萬hm2,絕大部分是基質(zhì)栽培,其中露地容器栽培面積41.5萬hm2。2019年美國園藝生產(chǎn)企業(yè)購買栽培基質(zhì)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(chǎn),蔬菜和草莓育苗占5%,蔬菜等作物栽培占5.7%[6]。加拿大溫室面積約2 600 hm2,其中水培約600 hm2。拉丁美洲設施園藝總面積約10萬hm2,其中墨西哥約4萬hm2,水培17.5 hm2;巴西3萬hm2,水培50 hm2,預計每年增長5%[2]。

1.1.3 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43 232 hm2(不包括植物工廠),其中無土栽培1 826 hm2,占比4.2%,其中約1/4為水培。韓國設施園藝面積52 400 hm2,無土栽培 3 184 hm2。土耳其無土栽培從1995年開始時的10 hm2,到2016年已經(jīng)增加到1 200 hm2,占總溫室面積的2.3%,且以珍珠巖、巖棉和椰糠基質(zhì)培為主。新加坡主要發(fā)展以水培、霧培為主的垂直農(nóng)場(植物工廠),魚菜共生,屋頂農(nóng)場,物聯(lián)網(wǎng)精準都市農(nóng)業(yè)等[7]。

中東和阿拉伯半島可耕地少,節(jié)水高產(chǎn)的無土栽培具有廣闊的發(fā)展前景。2018年,阿聯(lián)酋和阿曼分別有1 100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[8]。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9 672 hm2減少到2018年的3 265 hm2[9]。阿聯(lián)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(chǎn)品、設備和技術輸出國家,其設施園藝面積1.5萬hm2,絕大多數(shù)采用無土栽培。伊朗設施園藝發(fā)展迅猛,溫室面積接近2.1萬hm2,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%)[10]。

1.1.4 非洲和大洋洲埃及有1 350 hm2塑料溫室和5萬hm2大棚,而采用水培的僅10 hm2[11],政府曾啟動4萬hm2的大規(guī)模溫室建設項目,大力發(fā)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(chǎn)高附加值蔬菜。在東非,肯尼亞、坦桑尼亞和烏干達也有小規(guī)模采用無土栽培技術生產(chǎn)[12]。在大洋洲,澳大利亞約1 310 hm2溫室采用無土栽培。

1.2 我國無土栽培發(fā)展概況

改革開放以后,無土栽培在我國開始蓬勃發(fā)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(fā)展。近年來,我國無土栽培進入迅速發(fā)展階段,2015年無土栽培面積約2萬hm2[13],2016年達到3萬hm2,2020年在5萬hm2左右,其中有1.3萬hm2的玻璃溫室均采用無土栽培[14]。

我國無土栽培中有機基質(zhì)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(chǎn),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(zhì),其中,蔬菜年無土育苗量超過1 000億株[15],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hm2。值得關注的是,在我國甘肅河西走廊地區(qū),利用荒漠戈壁等非耕地發(fā)展有機基質(zhì)培無土栽培,面積超過3 500萬m2[16]。

2 國內(nèi)外無土栽培取得的技術進步

國內(nèi)外有關無土栽培的研究大多圍繞營養(yǎng)液、栽培基質(zhì)和栽培系統(tǒng)及其配套裝備三方面開展,呈現(xiàn)出蓬勃向上的發(fā)展態(tài)勢。

2.1 營養(yǎng)液管理技術日趨成熟

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

2.1.1 營養(yǎng)液配方營養(yǎng)液配方是無土栽培成敗的關鍵。呂炯璋等[17]研究結果表明,對番茄幼苗的生長發(fā)育荷蘭營養(yǎng)液配方效果最好,其次是山東農(nóng)業(yè)大學研制的番茄專用營養(yǎng)液配方;而孫敏紅等[18]認為,日本山崎配方營養(yǎng)液能明顯促進番茄種子發(fā)芽和幼苗生長;Kilinc等[19]報道了營養(yǎng)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(yōu)于其他配方。

在無土栽培100多年的發(fā)展歷程中,各國科學家根據(jù)不同作物種類、生育階段、栽培方式、水質(zhì)和氣候條件以及營養(yǎng)元素化合物來源,研制并經(jīng)過實踐形成了以Hoagland、日本園式等為代表的通用營養(yǎng)液配方,以及以日本山崎、華南農(nóng)業(yè)大學等為代表的專用營養(yǎng)液配方[9]。此后,關于營養(yǎng)液配方的研究多在經(jīng)典配方的基礎上對營養(yǎng)液的pH、EC進行優(yōu)化,或者對單個離子的濃度進行優(yōu)化,或者引入螯合物、有機物質(zhì)替代傳統(tǒng)的無機離子等。

截至2021年10月,從萬方數(shù)據(jù)庫搜索得到639篇關于營養(yǎng)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(yǎng)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(wǎng)的檢索結果表明,“營養(yǎng)液配方”為關鍵詞的發(fā)明專利公開130件。說明不斷優(yōu)化營養(yǎng)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(xù)的研究主題。

2.1.2 營養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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[23];適合水培魔芋生長的營養(yǎng)液pH值為6.0～8.0,營養(yǎng)液pH6.0有利于水培非洲菊的生長,營養(yǎng)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(yǎng)液促進了大麥根尖細胞的增殖和伸長;Gillespie等[24]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(yǎng)液pH4.5或5.0條件下,植株生長和形態(tài)表現(xiàn)正常,但株型變小;Alexopoulos等[25]研究發(fā)現(xiàn)藥用蒲公英和賴卡菊在營養(yǎng)液pH5.5時的生長表現(xiàn)較好,pH4.0對植株的生長有抑制作用。

營養(yǎng)液pH值不僅影響植物生長和干物質(zhì)積累,而且影響根系元素吸收利用和病蟲害發(fā)生,甚至影響產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)。在營養(yǎng)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)[24]。da Silva Cerozi等[26]研究發(fā)現(xiàn),在魚菜共生營養(yǎng)液中,營養(yǎng)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(tǒng)的營養(yǎng)液pH值應保持在5.5～7.2。營養(yǎng)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(yǎng)價值和膳食功能[25]。研究表明,營養(yǎng)液pH5.5時煙草的根腐病發(fā)病率最低,而pH8.5時根腐病發(fā)病率達48.86%;Gillespie等[27]研究發(fā)現(xiàn),營養(yǎng)液pH4.0可以有效抑制營養(yǎng)液中腐霉病菌病原體的繁殖,提高營養(yǎng)液的pH值可以抑制草莓植株上鐮刀菌枯萎病的發(fā)生。

適宜的營養(yǎng)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(xié)同作用,將營養(yǎng)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[28]發(fā)現(xiàn)缺Fe脅迫下,pH值為5.5和7.5時會促進營養(yǎng)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。

2.1.3 營養(yǎng)液ECGarcía-Santiago等[29]研究了地面滲灌條件下營養(yǎng)液濃度對容器栽培番茄生長的影響,表明營養(yǎng)液EC值降低到總濃度的60%時,對無土栽培番茄生長和產(chǎn)量沒有明顯影響。低EC營養(yǎng)液不利于網(wǎng)紋甜瓜植株生長,而高EC營養(yǎng)液使植株營養(yǎng)生長過旺,產(chǎn)量降低,品質(zhì)變劣[30]。

生產(chǎn)中,常通過調(diào)控營養(yǎng)液EC來調(diào)控產(chǎn)品品質(zhì),如:適當提高營養(yǎng)液EC值能夠顯著提高番茄的果實品質(zhì)[31-32],提高營養(yǎng)液EC可提高草莓果實品質(zhì)[33],較高營養(yǎng)液EC可增加萵苣葉片含糖量,提高商品性[34],標準濃度的1/2日本山崎營養(yǎng)液配方的水培葉用萵苣硝酸鹽含量最低[35],1/2濃度的Hoagland營養(yǎng)液栽培的韭菜硝酸鹽、亞硝酸鹽含量較低[36],增加營養(yǎng)液濃度辣椒果實中大量營養(yǎng)元素含量降低[37],營養(yǎng)液EC影響迷迭香中香精油的含量,但不影響其化學組成[38]。

營養(yǎng)液EC不僅影響植株的生長發(fā)育和品質(zhì),也影響其對營養(yǎng)元素的吸收利用[32]、果實發(fā)育[39]以及耐儲性[40]等。降低營養(yǎng)液EC,可顯著提高番茄植株養(yǎng)分利用率,“少量多次”的澆灌模式可能更有利于養(yǎng)分吸收[41]。

2.1.4 營養(yǎng)液溫度Thakulla等[42]采用營養(yǎng)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[43]發(fā)現(xiàn)水培萵苣產(chǎn)量最高的營養(yǎng)液溫度是25 ℃,葉片光合參數(shù)、礦質(zhì)元素含量、葉片和根系生長均處于最佳狀態(tài)。Oraby等[44]研究表明,將營養(yǎng)液溫度降至 18 ℃可顯著增加馬鈴薯的生長量和塊莖產(chǎn)量。

在無土栽培中調(diào)控營養(yǎng)液溫度比調(diào)控溫室大環(huán)境的氣溫更經(jīng)濟、快速、有效。因此,越來越多無土栽培裝備增加了營養(yǎng)液溫度調(diào)控功能,甚至家庭園藝產(chǎn)品中也可以看到營養(yǎng)液控溫系統(tǒng),如日本三菱葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)通過設定營養(yǎng)液溫度、流量和流速,控制作物根區(qū)溫度在18～22 ℃。Li等[45]采用冷水機降溫技術,將營養(yǎng)液溫度控制在(20±1)℃,實現(xiàn)了水培葉用萵苣的越夏生產(chǎn)。

2.1.5 營養(yǎng)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(huán)境。根際低氧對水培萵苣生長、生理和品質(zhì)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[46]。此外,缺氧脅迫下根系發(fā)育不良、抗性降低,病原微生物菌容易侵染根系。高溫季節(jié)營養(yǎng)液DO是限制作物生長的主要因素。郭世榮等[47]研究表明,高液溫下黃瓜植株耐低氧性明顯降低;Yoshida等[48]研究也指出,常液溫(25 ℃)下營養(yǎng)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(fā)育即受到顯著抑制[49],黃瓜植株耐低氧性明顯降低。因此,保持營養(yǎng)液中有足夠的DO是越夏水培作物能夠取得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關鍵。除了調(diào)控營養(yǎng)液溫度外,目前生產(chǎn)者使用壓縮空氣泵、添加化學增氧劑、營養(yǎng)液循環(huán)流動等措施提高營養(yǎng)液DO。在水培蔬菜生產(chǎn)中,常采用營養(yǎng)液間隔時間循環(huán)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(fā)生裝置,能夠產(chǎn)生納米級別的氣泡,快速增加營養(yǎng)液DO值;應用H2O2也有助于增加營養(yǎng)液DO。

營養(yǎng)液中總氮含量一定時,硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的比值越大,農(nóng)產(chǎn)品中硝酸鹽含量越高。Scaife等[57]發(fā)現(xiàn),當營養(yǎng)液中僅有銨態(tài)氮時,葉用萵苣葉片中硝酸鹽含量僅為只有硝態(tài)氮時的25%,而當硝態(tài)氮與銨態(tài)氮比例過低時,作物會產(chǎn)生氨毒害。營養(yǎng)液氮素形態(tài)還影響作物的缺素癥,當營養(yǎng)液氮源為銨態(tài)氮時,植物易出現(xiàn)缺鈣或缺鎂癥,如營養(yǎng)液培養(yǎng)的茄果類蔬菜以銨鹽為氮源時,易造成果實缺鈣而引發(fā)“臍腐病”;用硝態(tài)氮為氮源的營養(yǎng)液培養(yǎng)作物,易造成植株缺鐵或缺鎂。許多研究表明,無土栽培營養(yǎng)液管理中,硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等比例對作物生長最好。在不結球白菜營養(yǎng)液栽培中,硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的比例各占50%時效果最好[58];營養(yǎng)液培養(yǎng)二色補血草,純銨態(tài)氮營養(yǎng)嚴重抑制其生長,硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等比例混合最有利于植株生長[59];以硝態(tài)氮與銨態(tài)氮配比為1∶1的營養(yǎng)液培養(yǎng)煙草,效果最佳[60]。

2.1.7 有機營養(yǎng)液有機營養(yǎng)液中不僅含有大量植物所需的礦質(zhì)元素,而且含有諸多有益微生物及其代謝產(chǎn)物,可部分代替無機營養(yǎng)液用于作物無土栽培,生產(chǎn)成本低、養(yǎng)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(yǎng)液替代無機營養(yǎng)液,以改善植物的生長。有機營養(yǎng)液水培的葉用萵苣、番茄及玉米,與無機營養(yǎng)液栽培的產(chǎn)量沒有顯著差異。更多的研究證明,有機營養(yǎng)液可以提高作物產(chǎn)量,例如從松葉中提取的有機營養(yǎng)液可以提高不結球白菜和萵苣產(chǎn)量[61];徐大兵等[62]研究表明,豬糞堆肥浸提液促進棉花植株生長發(fā)育的效果明顯,可提高產(chǎn)量;李惠等[63]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(yǎng)液用于番茄和黃瓜育苗。有機營養(yǎng)液還有利于培育煙草、番茄、黃瓜等作物壯苗,提高秧苗質(zhì)量。

有機營養(yǎng)液替代無機營養(yǎng)液還可改善植物產(chǎn)品的品質(zhì)。采用豬糞、牛糞、羊糞(體積比4∶1∶1)發(fā)酵液復配的有機營養(yǎng)液滴灌番茄,與傳統(tǒng)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[64]的研究結果也證明,‘佳西娜’串番茄在基質(zhì)袋栽培條件下,豬糞、牛糞、羊糞(體積比1∶2∶1)的有機營養(yǎng)液稀釋2.93倍后滴灌栽培,果實品質(zhì)顯著優(yōu)于滴灌日本山崎營養(yǎng)液的番茄果實。Ahmed等[65]比較萵苣在化學營養(yǎng)液和有機營養(yǎng)液中的生長,結果表明,從魚類廢棄物中提取的有機營養(yǎng)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(yǎng)液栽培的萵苣;有機營養(yǎng)液可以提高荔枝中的氨基酸含量[66],可以提高黃瓜的抗氧化能力[67]。

沼液是最常見的一種有機營養(yǎng)液。將沼液作為營養(yǎng)液培養(yǎng)蔬菜,蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)均有所提高。雞糞沼液可作為基質(zhì)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(yǎng)液,明顯促進葉菜生長[68];以沼液為營養(yǎng)液,可使葉用萵苣中硝態(tài)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%[69];將沼液作為水培蔬菜的營養(yǎng)液,可使葉用萵苣和番茄產(chǎn)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(tài)氮含量分別降低68.11和60.1 mg·kg-1[70]。

2.1.8 營養(yǎng)液供液裝置營養(yǎng)液供液裝置是無土栽培系統(tǒng)的核心組件之一。目前,以色列、荷蘭等國已研發(fā)出功能完善的營養(yǎng)液灌溉設備,如荷蘭Priva公司研發(fā)的NutriFit灌溉施肥機和以色列Netafim公司研發(fā)的Netajet自動灌溉施肥機,均能實現(xiàn)對營養(yǎng)液EC和pH值的精確控制;在番茄根部安裝傳感器,通過連續(xù)監(jiān)測營養(yǎng)液水分、pH值、溫度和EC,執(zhí)行灌溉調(diào)節(jié),縮短了番茄的生長期[71]。近年來,我國營養(yǎng)液供液裝置的研發(fā)取得重大突破。鄧曉棟等[72]設計了基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng),可以把采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到ZigBee網(wǎng)絡服務器上,實現(xiàn)對營養(yǎng)液的精確控制;江新蘭等[73]設計了基于云計算和兩線解碼技術的智能云灌溉系統(tǒng),通過3G/4G網(wǎng)絡將從各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_,同樣實現(xiàn)了營養(yǎng)液的精確控制;郝雅潔等[74]也設計出了智能營養(yǎng)液供液裝置控制系統(tǒng);胡國強[75]開發(fā)出基于ZigBee和IPv6技術的灌溉系統(tǒng),利用ZigBee網(wǎng)絡采集設施環(huán)境和肥水信息,通過IPv6上傳至灌溉控制服務器,適用于現(xiàn)代溫室的無土栽培。

2.2 栽培基質(zhì)研發(fā)成績斐然

2.2.1 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(zhì),但由于草炭資源有限、再生速度慢,過度開采會破壞生態(tài)環(huán)境。因此,尋找草炭替代基質(zhì)是基質(zhì)培的關鍵。大量研究表明,許多農(nóng)業(yè)廢棄物如花生殼、鋸末、秸稈以及醋糟、木薯渣等,經(jīng)微生物發(fā)酵腐熟后,均可作為無土栽培基質(zhì)。在木材工業(yè)較發(fā)達的歐洲國家,如德國和法國,大多使用木材工廠產(chǎn)生的下腳料堆肥腐熟后代替草炭基質(zhì);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(zhì)使用;在熱帶一些椰殼原產(chǎn)地的國家,多以椰糠代替草炭使用。Tzortzakis等[76]采用發(fā)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(chǎn)中,食用菌菇渣發(fā)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(zhì)堆制發(fā)酵可以作為花卉苗木生產(chǎn)的草炭替代品;園林廢棄物發(fā)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(fā)酵料混合基質(zhì)作為玉簪栽培基質(zhì),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(chǎn)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(chǎn)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。

2.2.2 有機廢棄物基質(zhì)化利用發(fā)酵技術近年來,國內(nèi)外有機廢棄物基質(zhì)化利用發(fā)酵技術取得顯著進步的領域集中在發(fā)酵專用微生物的分離和利用方面。在有機廢棄物發(fā)酵過程中添加發(fā)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(fā)酵效率和質(zhì)量。童江云等[77]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[78]篩選出發(fā)酵淤泥的真菌菌株TrichodermaharzianumT83和細菌菌株BacillusamyloliquefaciensIAE。王偉東[79]利用雞糞、牛糞和干枯麥秸進行共發(fā)酵試驗,發(fā)現(xiàn)接種纖維素降解菌可加速木質(zhì)纖維素的分解速度,半纖維素、木質(zhì)素和纖維素的降解率分別提高4.3%、3.4%和3.0%;張曉倩等[80]利用稻草和牛糞進行共靜態(tài)好氧堆肥試驗表明,接種木質(zhì)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(zhì)分解轉(zhuǎn)化和木質(zhì)纖維素降解;黃丹蓮等[81]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過12 d的發(fā)酵處理,接種發(fā)酵菌的有機物、木質(zhì)素降解率分別達8.2%和1.11%,第20天木質(zhì)素降解率達11.0%,與自然堆體相比,添加發(fā)酵菌劑處理纖維素、半纖維素和木質(zhì)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(fā)酵效率,放線菌可促進有機物發(fā)酵過程中的纖維素降解。

采用單一菌株發(fā)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(fā)酵周期,提高發(fā)酵效率和質(zhì)量。混合菌株比單一菌株發(fā)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[82]。分離高產(chǎn)纖維素酶的混合菌株發(fā)酵,實現(xiàn)菌株之間優(yōu)勢互補,是近年來有機物生物發(fā)酵的重點研究領域。國內(nèi)外在研制復合微生物發(fā)酵菌劑方面取得積極進展,主要集中在對農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)生的秸稈、糞便和生活有機垃圾,以及各種食品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的下腳料的基質(zhì)化處理。王戰(zhàn)等[83]研究發(fā)現(xiàn),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(fā)酵菌劑可使木薯渣纖維素質(zhì)量分數(shù)降低到24.4%;楊新等[84]將從高溫酒糟中分離得到的7株優(yōu)勢菌按比例混合,研制出了酒糟發(fā)酵菌劑。

近年來,利用昆蟲發(fā)酵有機廢棄物取得積極進展。黑水虻和微生物可協(xié)同分解有機廢棄物,并將其轉(zhuǎn)換成腐殖質(zhì),其中微生物負責有機物的生物化學降解,黑水虻作為轉(zhuǎn)化過程中的關鍵驅(qū)動因素,借助腸道產(chǎn)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(yǎng)物質(zhì),將其轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的幼蟲類生物質(zhì),殘留物可用作基質(zhì)[85]。生物轉(zhuǎn)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(huán)境產(chǎn)生二次污染,是一種生態(tài)環(huán)保型的有機物生物發(fā)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(zhuǎn)化利用,包括畜禽糞便、尾菜、米糠、豆餅粕、豆渣、果渣等[86]。

除了發(fā)酵微生物研究外,國內(nèi)外學者也研制了一批發(fā)酵裝備,有力推動了有機廢棄物發(fā)酵的工業(yè)化水平。郭兆峰等[87]研制了棉秸稈基質(zhì)發(fā)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(xiàn)發(fā)酵作業(yè)的智能化全自動控制,發(fā)酵時間縮短、發(fā)酵效率提高,勞動力投入減少。李萍萍等[88]針對番茄秸稈基質(zhì)化處理過程中秸稈碎料與發(fā)酵菌種難以混合問題,研制出立式螺旋混合攪拌裝置。

2.2.3 基質(zhì)配方研制和產(chǎn)品開發(fā)實際生產(chǎn)中,需要將2種或2種以上的基質(zhì)按照一定比例混合制成復合基質(zhì),以克服單一基質(zhì)可能出現(xiàn)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(nèi)外學者針對不同作物種類,利用不同基質(zhì)原料研制出大量的混合基質(zhì)配方,開發(fā)出眾多復合基質(zhì)產(chǎn)品。南京農(nóng)業(yè)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(zhì)產(chǎn)品,與傳統(tǒng)草炭相比,成本降低30%,蔬菜壯苗指數(shù)提高27%～36%,枯萎病發(fā)病率降低24%～58%,根結線蟲防治效果達68%～85%,增產(chǎn)12%～22%[89]。

近年來,在成品基質(zhì)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(fā)功能性基質(zhì)產(chǎn)品成為研究熱點。在育苗基質(zhì)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(zhì),可促進辣椒、黃瓜、葉用萵苣和番茄等作物生長;在育苗基質(zhì)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(zhì)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(zhì)量比為1∶1的混配基質(zhì)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[90];將10%功能菌株SQR9添加到基質(zhì)中,黃瓜枯萎病發(fā)病率降低40.39%。功能性基質(zhì)還能改善作物品質(zhì)。在草炭、椰糠和珍珠巖的復配基質(zhì)中,添加解淀粉芽胞桿菌制成的功能性基質(zhì),不但可提高空心菜產(chǎn)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。

2.3 無土栽培系統(tǒng)和配套裝備不斷優(yōu)化

總體而言,十多年以來國內(nèi)外無土栽培系統(tǒng)沒有取得特別具有標志性的成果,大都是在原系統(tǒng)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(nèi)外無土栽培系統(tǒng)的有關專利進行檢索,發(fā)現(xiàn)有國外專利15件,國內(nèi)專利183件?？梢?我國在無土栽培系統(tǒng)研發(fā)方面在國際上走在前列。

2.3.1 改良無土栽培系統(tǒng)目前,無土栽培的主流系統(tǒng)包括巖棉培栽培、深液流(DFT)、營養(yǎng)液膜(NFT)、魯SC型無土栽培、有機生態(tài)型無土栽培、浮板毛管(FCH)等,在這些系統(tǒng)的基礎上,根據(jù)不同作物、不同地域和不同用途,國內(nèi)外學者開發(fā)設計了許多適應性更強的無土栽培系統(tǒng)。Nicola等[91]開發(fā)了一種新型封閉的再循環(huán)無土栽培系統(tǒng)——NGS?,并證明其可以提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量,延長收獲后的保質(zhì)期;卜崇興[92]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(tǒng),解決了無土栽培中根際供液和供氧的矛盾;陳偉等[93]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[94]研發(fā)了可調(diào)節(jié)根際溫度的無土栽培系統(tǒng),適用于冬季番茄生產(chǎn)。

2.3.2 休閑無土栽培系統(tǒng)Guo等[95]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(tǒng)組成的家用基質(zhì)栽培設備。針對陽臺農(nóng)業(yè)和家庭園藝的興起,北京市農(nóng)業(yè)技術推廣站開發(fā)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[96];王久興等[97]設計了一種插管式家庭室內(nèi)使用的無土栽培裝置;黃秋鑾[98]設計了庭院草莓靜水無土栽培系統(tǒng);劉全國[99]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。

2.3.3 智慧無土栽培系統(tǒng)隨著信息技術的發(fā)展,無土栽培系統(tǒng)智能化、自動化、網(wǎng)絡化水平不斷提高。dela Cruz等[100]開發(fā)的智能自動灌溉系統(tǒng)(SFAIS)包含3個子系統(tǒng),即水箱監(jiān)控系統(tǒng)、開放式灌溉控制系統(tǒng)和室內(nèi)灌溉控制系統(tǒng),使用神經(jīng)網(wǎng)絡將專家系統(tǒng)整合到SFAIS中,實現(xiàn)智能化灌溉;Kang等[101]研發(fā)了一種智能無土栽培裝置,不僅實現(xiàn)點播和智能補光以及營養(yǎng)液的自動濃度平衡、自動加熱、自動循環(huán),還可以通過手機實現(xiàn)遠程監(jiān)控;Chang 等[102]開發(fā)了一種基于微機電系統(tǒng)(MEMs)的水培營養(yǎng)液混合系統(tǒng),該系統(tǒng)以微控制器為核心,控制5個營養(yǎng)液罐向混合罐的輸出,在混合罐中保持適當?shù)膒H 和EC范圍,操作員可以在用戶界面上查看營養(yǎng)液中pH、EC、DO和其他值的變化,也可以手動或自動混合營養(yǎng)液。王佳明等[103]設計了一套無土栽培遠程營養(yǎng)液控制系統(tǒng),實時監(jiān)測栽培過程中營養(yǎng)液的EC、pH和溫度,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡調(diào)節(jié)pH和EC,實現(xiàn)遠距離營養(yǎng)液數(shù)據(jù)檢測及實時調(diào)控;邱彩虹等[104]運用互聯(lián)網(wǎng)、新材料等技術研究蔬菜無土栽培,設計了基于WiFi 的室內(nèi)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(huán)境因子之間的關系處于最佳狀態(tài),從而有利于蔬菜的生長發(fā)育;付強[105]設計的仿輪作無土栽培系統(tǒng)包括營養(yǎng)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(jiān)測和自動調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH和EC,結合巖棉培和霧培技術開發(fā)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(tǒng),實現(xiàn)了栽培過程中的移栽、傳送、采收的半自動化。

2.3.4 無土栽培根區(qū)環(huán)境監(jiān)測傳感器為了測量和優(yōu)化無土栽培中的根區(qū)環(huán)境因子,需要相應的傳感器。Liu 等[106]利用滴灌下基質(zhì)濕潤模式和葉用萵苣根區(qū)的匹配模型,研究基于ECH2O水分傳感器(EC-5)的灌溉調(diào)度,為可靠測量基質(zhì)含水量和合理灌溉提供了依據(jù);da Mota等[107]開發(fā)了一種散熱傳感器,以低成本準確測量基質(zhì)中0～5 kPa范圍內(nèi)的吸力,從而實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的自動控制;Choi 等[108]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(tǒng)中的水和肥料輸送,對比傳統(tǒng)的基于固定定時器的灌溉(TIMER),FAI 節(jié)省約41%的成本,實現(xiàn)水肥的可持續(xù)利用。

3 無土栽培技術的研發(fā)重點

3.1 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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目均將無土栽培礦質(zhì)營養(yǎng)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(tǒng)性、深度和廣度還不夠,遠遠不能滿足行業(yè)高速發(fā)展的需要,特別是對無土栽培條件下作物根際環(huán)境、溫室環(huán)境與作物生長發(fā)育之間的關系還不清楚,作物礦質(zhì)營養(yǎng)特點及營養(yǎng)液配方改良還一直停滯不前,根際病害發(fā)生規(guī)律及特點等問題還沒有引起關注,導致營養(yǎng)液配方及管理、栽培設施及應用、植株生育及調(diào)整、根際環(huán)境及控制等技術的開發(fā)滯后,嚴重制約了無土栽培技術在更大范圍內(nèi)的推廣應用。

3.2 開展無土栽培技術標準研制

目前,各國政府均沒有統(tǒng)一的無土栽培技術標準,需要各國或國際組織進一步協(xié)調(diào)和制定。如果能從環(huán)境條件、栽培設施、營養(yǎng)液配方、消毒方法、關鍵栽培技術、采后儲運等關鍵環(huán)節(jié)制定相應的安全生產(chǎn)規(guī)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(yè)標準、地方標準等較少,安全生產(chǎn)指導性文件仍缺乏標準性、規(guī)范性。以基質(zhì)的技術標準為例,《花木栽培基質(zhì):LY/T 2700—2016》和《蔬菜育苗基質(zhì):NY/T 2118—2012》均是以進口草炭的指標進行規(guī)定,對EC等指標限制過高,以有機廢棄物為原料制備的基質(zhì)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(nóng)藥殘留等特征污染物未進行規(guī)定;基質(zhì)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(jù)不完全統(tǒng)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(yè)發(fā)展的要求,而且有些標準的局限性還很大?；|(zhì)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(shù)基質(zhì)產(chǎn)品的應用范圍。因此,對于不同原料、作物和用途的基質(zhì)產(chǎn)品,有必要從作物品種選擇、處理技術、基質(zhì)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(zhì)利用標準體系,為基質(zhì)的應用和推廣提供技術支撐。

3.3 研發(fā)有機基質(zhì)培無土栽培的配套技術

有機基質(zhì)培無土栽培技術具有操作簡單、節(jié)肥、節(jié)水、節(jié)藥、省力、產(chǎn)品清潔衛(wèi)生等優(yōu)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。

3.3.1 基質(zhì)結構與生產(chǎn)工藝基質(zhì)結構不僅是基質(zhì)培營養(yǎng)管理的依據(jù)和基質(zhì)重復利用的前提,也是基質(zhì)標準化生產(chǎn)的技術基礎。與土壤類似,結構決定基質(zhì)水分和養(yǎng)分的供應、吸收甚至運轉(zhuǎn),與透氣性和養(yǎng)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(zhì)結構的系統(tǒng)研究還很缺乏。基質(zhì)結構應該與土壤結構一樣,是穩(wěn)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(zhì)粒徑、比重、容重、總孔隙度、大小孔隙比等物理性狀參數(shù)的研究報道較多,有的甚至涉及水分養(yǎng)分運移等,但還沒有模擬出與土壤結構完全一樣的基質(zhì)產(chǎn)品,也缺少針對特定作物的基質(zhì)標準物理性狀參數(shù)的研究。由于基質(zhì)結構的研究尚處于起步階段,因此,基質(zhì)生產(chǎn)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(shù)控制基質(zhì)結構的形成技術,以適應標準化、規(guī)?；⒐S化生產(chǎn)基質(zhì)的需要,即基質(zhì)生產(chǎn)工藝,就成為重點研發(fā)的內(nèi)容。

3.3.2 功能性基質(zhì)產(chǎn)品的開發(fā)Gerald[109]將基質(zhì)研究分為4個階段:第1階段是指1950年之前,研發(fā)重點是有機物的混配;第2階段是指1950—1975年,研發(fā)的重點是基質(zhì)的物理和化學性質(zhì);第3階段是指1975—2000年,重點是草炭替代品研發(fā);第4階段是指2000—2020年,研究重點是將微生物特性與基質(zhì)的物理、化學和生物學特性整合,即功能型基質(zhì)研發(fā)。傳統(tǒng)有機基質(zhì)養(yǎng)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(huán)境抗性方面的作用甚微,功能型基質(zhì)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(zhì),研發(fā)功能性基質(zhì),充分發(fā)揮微生物的作用。

3.3.3 基質(zhì)重復利用和無害化處理技術隨著人們環(huán)保意識的增強,同時為解決基質(zhì)成本過高的問題,基質(zhì)的重復利用和無害化處理成為研究重點?；|(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的理化性質(zhì)產(chǎn)生不同影響,進一步導致基質(zhì)結構發(fā)生改變。因此,研究合適的基質(zhì)消毒方式是基質(zhì)重復利用的前提。然而,目前國內(nèi)外尚無經(jīng)濟有效的基質(zhì)消毒方法,影響了基質(zhì)的重復利用。

3.3.4 基質(zhì)培中根際營養(yǎng)與水肥供應技術與土壤栽培相比,基質(zhì)培的根際水分和養(yǎng)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(yǎng)分?根際營養(yǎng)、微生物和根系分泌物如何調(diào)節(jié)植物養(yǎng)分?對這些問題的回答有助于解釋基質(zhì)栽培下植物吸收水分和養(yǎng)分的規(guī)律。根據(jù)基質(zhì)營養(yǎng)、水分特點進行水肥供應是基質(zhì)栽培成敗的關鍵。主要包括2個方面內(nèi)容:一方面,基質(zhì)對水分和養(yǎng)分的吸附、保持、釋放性能以及根系對營養(yǎng)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(zhì)水分和養(yǎng)分的需求、運移規(guī)律;另一方面,基質(zhì)栽培不同于營養(yǎng)液栽培,目前大多參照水培營養(yǎng)液配方、配制以及灌溉制度進行基質(zhì)栽培的水肥管理,缺乏針對性研究,制約了基質(zhì)栽培的科學水肥供應。因此,基質(zhì)培營養(yǎng)液配方及配制、灌溉頻率及灌溉量、營養(yǎng)液回收液的監(jiān)測調(diào)整、植株營養(yǎng)診斷、專用滴灌肥料研制等將是研究和應用的重點。

3.3.5 規(guī)范化管理技術有機基質(zhì)中含有豐富的有機物質(zhì)和礦質(zhì)營養(yǎng),對栽培過程中基質(zhì)根際環(huán)境的pH值具有較大的緩沖性,并為作物提供一些營養(yǎng)元素,其成本較低、栽培管理技術較為簡單,因此經(jīng)營失敗的風險較低。由于有機基質(zhì)的來源不同、種類較多、理化性質(zhì)不統(tǒng)一且不穩(wěn)定、營養(yǎng)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(jīng)驗判斷,因此難以實現(xiàn)基質(zhì)培管理的準確控制和規(guī)范化生產(chǎn)。今后應重點研究主要作物有機基質(zhì)培的基質(zhì)配方、營養(yǎng)特點、理化性狀,制定相應的營養(yǎng)液和植株管理技術,實行規(guī)范化管理和標準化生產(chǎn)。

3.4 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(yōu)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(jù)統(tǒng)計,水培系統(tǒng)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(yǎng)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(zhì)培無土栽培系統(tǒng)(如有機生態(tài)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(chǎn)量和品質(zhì),導致生產(chǎn)者采用無土栽培的積極性不高;另一方面,農(nóng)藝與工程之間缺乏跨學科的聯(lián)系和有效協(xié)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術,涉及作物栽培、植物營養(yǎng)、植物保護、農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)信息、農(nóng)業(yè)經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)者只需按此操作即可完成作物無土栽培。

3.5 強化營養(yǎng)液循環(huán)利用研究

采用封閉式無土栽培比傳統(tǒng)土壤和開放式基質(zhì)栽培在利用資源、節(jié)約用水、提高產(chǎn)量和水肥利用效率方面具有顯著優(yōu)勢,是更加可持續(xù)的環(huán)保型發(fā)展方式,但營養(yǎng)液循環(huán)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(jīng)處理的營養(yǎng)液廢液易造成根部病害,并通過營養(yǎng)液循環(huán)在栽培系統(tǒng)中迅速傳播,會造成重大損失。在營養(yǎng)液循環(huán)利用中,滅除營養(yǎng)液中病原菌、去除生長阻害物質(zhì)以及保持營養(yǎng)元素平衡都是必須解決的基本技術問題,特別是營養(yǎng)液除(殺)菌是諸多問題中的核心。目前,營養(yǎng)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(yǎng)液處理。目前,已經(jīng)開發(fā)出了紫外線和臭氧的營養(yǎng)液殺菌裝置,并在生產(chǎn)中廣泛采用,但這種殺菌方法會導致營養(yǎng)液中Fe和Mn元素的沉淀。砂過濾法具有低成本、節(jié)能等優(yōu)點,但達不到100%的除菌率。另外,在營養(yǎng)液循環(huán)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(yǎng)液中氧氣和養(yǎng)分,導致作物生長狀況變差,另一方面會造成營養(yǎng)液滴灌系統(tǒng)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。上述諸多新方法在應用于實際生產(chǎn)時,其可靠性、經(jīng)濟性、安全性仍有待進一步驗證,但無疑會為無土栽培營養(yǎng)液的循環(huán)利用提供重要的研發(fā)方向。

3.6 開發(fā)智慧型無土栽培技術

智慧型無土栽培包括營養(yǎng)液控制、環(huán)境控制和基質(zhì)生產(chǎn)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(tǒng)等的研究和發(fā)展,營養(yǎng)液控制和環(huán)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(fā);基質(zhì)生產(chǎn)的智慧化起步較晚、應用水平較低,需要系統(tǒng)、深入研究和加大力度開發(fā)應用。近年來,使用人工智能(AI)算法優(yōu)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(jù)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(xiàn)。

3.6.1 營養(yǎng)液調(diào)控智慧化盡管國內(nèi)外對營養(yǎng)液控制系統(tǒng)開展了大量的研發(fā)工作,但現(xiàn)有營養(yǎng)液控制無論手動還是自動系統(tǒng)仍以調(diào)節(jié)EC和pH值為主,控制系統(tǒng)整體仍較為粗放。未來研發(fā)的重點是灌溉控制系統(tǒng)與溫室氣候調(diào)控系統(tǒng)耦合,將營養(yǎng)液調(diào)控邏輯與太陽輻射、基質(zhì)質(zhì)量變化等經(jīng)驗模型耦合,以便于管理不同溫室區(qū)、不同環(huán)境條件下的不同作物的營養(yǎng)液供應需求,智能化調(diào)控營養(yǎng)液,確定灌溉觸發(fā)條件和灌溉量。

3.6.2 環(huán)境控制智慧化環(huán)境控制智慧化包括氣象環(huán)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(yǎng)分、光照、水分、氣體等信息,然后通過自動控制系統(tǒng)實時調(diào)控生長環(huán)境因子,以滿足作物良好生長發(fā)育所需的環(huán)境條件,實現(xiàn)對作物生長環(huán)境的有效監(jiān)測和及時調(diào)整。同時,可通過遠程監(jiān)控和實時分析,實現(xiàn)遠程指導與實時動態(tài)管理,實現(xiàn)無土栽培的智慧生產(chǎn)。另一方面,智能控制系統(tǒng)可以提前感知環(huán)境中的不利因素,一旦檢測到有害因子等不利因素,系統(tǒng)會及時發(fā)出警告,并自動進行調(diào)整以應對不利因素。目前,大多數(shù)環(huán)境控制系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)完全智能化,自動化系統(tǒng)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(fā)的重點是無土栽培環(huán)境控制的完全智能化和有害成分的自動檢測與清除。

3.6.3 基質(zhì)生產(chǎn)智慧化孟憲民[110]認為,基質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了4個階段:基質(zhì)1.0,實現(xiàn)了基質(zhì)產(chǎn)品大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn);基質(zhì)2.0,實現(xiàn)了基質(zhì)的標準化生產(chǎn);基質(zhì)3.0,實現(xiàn)了基質(zhì)的定制生產(chǎn),即基質(zhì)產(chǎn)品定制化和柔性化;基質(zhì)4.0,可以實現(xiàn)基質(zhì)的智慧生產(chǎn),即基質(zhì)生產(chǎn)管理的智慧化和生產(chǎn)過程的智能化。基質(zhì)4.0即智慧基質(zhì),集PC網(wǎng)、移動網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算為一體,依托部署在基質(zhì)生產(chǎn)現(xiàn)場的無線通信網(wǎng)絡和各種傳感器,對基質(zhì)原料類型、粒度分布、水分含量、養(yǎng)分濃度、酸堿度、容重等技術指標進行實時采集上傳,利用數(shù)據(jù)挖掘、云計算等技術對采集的數(shù)據(jù)進行多層次分析,最后將分析指令與各種控制設備聯(lián)動,完成基質(zhì)生產(chǎn)和質(zhì)量管理,為基質(zhì)生產(chǎn)提供精準化調(diào)控、可視化管理和智能化決策,從而實現(xiàn)智慧基質(zhì)原料資源的高效利用、物料之間協(xié)同友好與性狀優(yōu)異穩(wěn)定,為客戶提供定制化、按需使用的基質(zhì)產(chǎn)品和專業(yè)服務。目前,國內(nèi)外對智慧基質(zhì)的研發(fā)基本屬于空白,這將是未來基質(zhì)研發(fā)的重點。

4 無土栽培的應用前景

無土栽培開創(chuàng)了高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的新模式,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)走出田間、離開土壤提供了可能,同時開創(chuàng)了綠色環(huán)保農(nóng)業(yè)新途徑。隨著科學技術的發(fā)展,無土栽培必然會緊密結合作物栽培學、植物營養(yǎng)學、植物保護學、機械工程學、電子信息學、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學等學科,呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)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(jīng)濟和社會發(fā)展,特別是有待通過無土栽培的技術手段來解決傳統(tǒng)土壤栽培出現(xiàn)的一系列難以解決的問題,必將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面顯示出良好的作用。無土栽培的興起,將使農(nóng)業(yè)、園藝、林業(yè)、觀賞植物生產(chǎn)乃至非耕地利用、沙漠海島開發(fā)、城市美化等進入一個新的發(fā)展階段。無土栽培技術在綠色農(nóng)業(yè)、節(jié)水農(nóng)業(yè)、高效設施農(nóng)業(yè)、高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、都市農(nóng)業(yè)、拓寬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、環(huán)境保護等方面均具有廣闊的應用前景。

4.1 在綠色農(nóng)業(yè)中的應用

推進綠色發(fā)展是農(nóng)業(yè)發(fā)展觀的一場深刻革命。無土栽培具有投入品和生產(chǎn)過程嚴格管控的優(yōu)勢,通過提升無土栽培水肥管理技術,提高農(nóng)業(yè)用水、用肥的效率,可以實現(xiàn)無土栽培農(nóng)產(chǎn)品的綠色生產(chǎn)。無土栽培可大大減少農(nóng)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(nóng)藥,防止農(nóng)藥污染。封閉式無土栽培系統(tǒng)還可以創(chuàng)造出潔凈、穩(wěn)定的生長環(huán)境,保障作物綠色安全生產(chǎn)。同時,實行營養(yǎng)液循環(huán)利用,可避免廢液排放帶來的環(huán)境污染。我國大面積推廣應用的有機生態(tài)型無土栽培采用的營養(yǎng)液配方簡易、成本低、易于配制,與傳統(tǒng)全量化學營養(yǎng)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(tài)型無土栽培技術種植高品質(zhì)番茄,與常規(guī)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(nóng)業(yè)中最具生命力的栽培技術,在我國農(nóng)業(yè)進入綠色轉(zhuǎn)型的新階段,具有廣闊的應用前景[111]。

4.2 在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應用

與一般土壤栽培相比,無土栽培技術可節(jié)水50%～70%;與土壤滴灌栽培相比,可節(jié)水20%～25%。據(jù)研究,無土栽培種植茄子每生產(chǎn)1 kg產(chǎn)品耗水46 kg,而土壤栽培生產(chǎn)1 kg產(chǎn)品需水400 kg,無土栽培可節(jié)水88.5%[112]。因此,無土栽培對淡水貧乏國家或地區(qū)更為重要。我國存在大面積的沙漠、干旱及半干旱地區(qū),地域性和季節(jié)性干旱問題仍將持續(xù)存在,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素之一。據(jù)報道,我國目前有45%的地區(qū)年均降雨量小于400 mm,農(nóng)田灌溉和生活用水在某些地區(qū)嚴重匱乏[113]。因此,解決缺水問題對中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)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(nóng)業(yè)灌溉用水,在節(jié)水農(nóng)業(yè)中具有廣闊的應用前景。

4.3 在高效農(nóng)業(yè)中的應用

無土栽培的作物產(chǎn)量是土壤常規(guī)栽培的幾倍或幾十倍。無土栽培比土壤栽培四季豆增產(chǎn)3.2 倍,甘藍增產(chǎn)0.4倍,黃瓜增產(chǎn)3倍,番茄1.2～2倍,彩椒產(chǎn)量可達82.5～90 t·hm-2;朱世東等[114]研究顯示,與土壤栽培相比,基質(zhì)栽培條件下番茄、辣椒、黃瓜產(chǎn)量分別提高了27.34%、32.98%和23.83%;胡玥[115]試驗表明,水培芹菜較土壤栽培增產(chǎn)了255.81%,基質(zhì)栽培葉用萵苣、芹菜、青菜、菠菜分別增產(chǎn)37.39%、82.13%、155.76%、182.90%。20世紀90年代以來,我國高效設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛,但是日光溫室等設施在使用3～4年后都會出現(xiàn)不同程度的鹽漬化等土壤障礙,導致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。無土栽培技術是克服設施土壤連作障礙最有效、最經(jīng)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(nóng)業(yè)中具有廣闊的應用前景。

4.4 在高品質(zhì)農(nóng)業(yè)中的應用

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

營養(yǎng)液是無土栽培的主要養(yǎng)分來源,作物生長過程中依靠營養(yǎng)液養(yǎng)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(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量要高于土壤栽培,這也得到國內(nèi)外高水平管理無土栽培生產(chǎn)基地的充分證實。鄭回勇等[116]對國內(nèi)外54個無土栽培的番茄品種(系)進行營養(yǎng)成分分析發(fā)現(xiàn),主要營養(yǎng)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(yǎng)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(zhì)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[117]。

4.5 在都市農(nóng)業(yè)中的應用

4.5.1 在城市美化中的應用利用無土栽培技術可以綠化城市空間,增加城市綠化面積。建造城市樓頂平臺無土花園和菜園,既能改善城市小氣候,提高空氣質(zhì)量,減少疾病,增進市民身體健康,又能增強城市環(huán)保力度。在城市中,利用無土栽培培育景觀植物,可以大大提高其觀賞性。以景觀蔬菜為例,因其風韻獨特、氣味芳香、顏色鮮艷、形態(tài)奇異等特點,近年來被廣泛應用于城市植物觀光、庭院景觀、園林綠化等領域,克服了土壤栽培造景困難、搬運不便、觀賞期短等缺陷,已成為城市美化的重要手段之一。

4.5.2 在屋頂綠化中的應用屋頂綠化歷史悠久。美國加利福尼亞奧克蘭市凱澤中心的屋頂花園,北歐斯堪地納維亞地區(qū)在屋頂鋪設草皮等,是屋頂綠化非常好的代表?，F(xiàn)代屋頂綠化于19世紀末期第一次出現(xiàn),發(fā)展到20世紀中期在歐洲普遍流行起來,20世紀末廣泛應用于歐美等發(fā)達國家?，F(xiàn)階段,屋頂綠化應用最好的國家是德國,在有關政策扶持下,30%～40%的新建屋頂都有配置綠植,屋頂綠化的技術水平也居世界領先地位;日本的屋頂綠化也較發(fā)達,其中東京屋頂綠化占45%左右。我國的屋頂綠化發(fā)展比較緩慢,即便是北京、上海等大城市,屋頂綠化率也不到1%,其他城市的屋頂綠化率則更低[118]。無土栽培因其獨特的優(yōu)勢,必將成為屋頂綠化的首選技術,具有廣闊的應用前景。

4.5.3 在陽臺農(nóng)業(yè)中的應用陽臺農(nóng)業(yè)是都市農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種重要形式,是新奇特植物新品種應用、室內(nèi)設計、無土栽培、環(huán)境美學、科普教育、生態(tài)環(huán)保等有機融合和高度集成的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術,是都市農(nóng)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的方向之一。近年來,隨著城鎮(zhèn)一體化的推動影響,環(huán)保綠化與城市建設二者的矛盾愈發(fā)明顯,人們?yōu)榱嗽黾泳G色,充分使用陽臺有限的空間,從單一的休閑放松轉(zhuǎn)換為種植花果蔬菜,進而美化、綠化、改善居住環(huán)境,為城市環(huán)保貢獻一份力。陽臺農(nóng)業(yè)的發(fā)展得益于無土栽培技術,目前能夠應用于陽臺農(nóng)業(yè)的植物已有100多種,技術已經(jīng)成熟。隨著社會和經(jīng)濟的進步,居民的物質(zhì)水平不斷提高,人們對娛樂休閑的要求逐漸增加,未來陽臺農(nóng)業(yè)的總需求量將會逐年遞增,因此基于無土栽培的陽臺農(nóng)業(yè)也必將呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢。

4.5.4 在城市草坪生產(chǎn)中的應用隨著社會及城市的快速發(fā)展,草坪的應用越來越廣泛。草坪種植是城市綠化中一項必不可少的手段,然而傳統(tǒng)草皮或草毯生產(chǎn)給生態(tài)環(huán)境帶來嚴重損害?，F(xiàn)階段,生產(chǎn)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時會帶走大量的地表土壤,使得土層結構遭到嚴重破壞。另外,帶土草毯質(zhì)量大,運輸成本高,大批量生產(chǎn)難度大,迫切需要新的草坪生產(chǎn)技術取代傳統(tǒng)有土草坪,在這種背景下無土草毯應運而生。早在20世紀40年代就有基質(zhì)草坪生產(chǎn)的相關研究報道,但鑒于技術和社會經(jīng)濟發(fā)展水平所限,沒有得到廣泛應用。無土草毯生產(chǎn)方式既能利用有機廢棄物作為基質(zhì),變廢為寶,又能保護地表土壤,具有生產(chǎn)周期短、質(zhì)量小、不帶土、成坪快、易成活、無病蟲害等優(yōu)點,是一種潛力巨大、技術含量高的草坪生產(chǎn)技術,在保護土壤環(huán)境方面發(fā)揮重要作用,具有廣闊的應用前景。

4.6 在非耕地農(nóng)業(yè)中的應用

土地資源短缺、耕地有限、人口增長是困擾各國農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本問題,食物安全世界矚目。一方面人口增長帶來的糧食安全問題日益凸顯,另一方面隨著工業(yè)化進程、城市建設、交通運輸?shù)鹊某掷m(xù)發(fā)展,導致耕地面積持續(xù)減少,果樹、蔬菜和花卉等園藝作物與糧食作物爭地矛盾加劇。同時,隨著全球產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整和優(yōu)化,出現(xiàn)了大量的廢棄工礦地,這些土地經(jīng)平整復墾后,土壤有機質(zhì)含量低,幾乎不含有機質(zhì),短期內(nèi)不可直接種植農(nóng)作物,浪費了土地資源。此外,地球上還分布著較多的戈壁荒灘、沙漠、荒溝、鹽堿地、島嶼等非耕地。運用無土栽培技術,能夠在非耕地以及中低產(chǎn)田、廢棄工礦區(qū)等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以耕作的地區(qū)進行園藝作物的生產(chǎn),從而緩解人地矛盾,避免園藝植物與糧食爭地的矛盾。以我國戈壁日光溫室甜椒生產(chǎn)為例,一般產(chǎn)量為57.75 t·hm-2,產(chǎn)值為75萬元·hm-2,純收入可達52.13萬元·hm-2[119]?？梢?利用戈壁、荒灘等非耕地開展作物無土栽培,不僅可有效利用非耕地資源,拓寬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間,而且可取得顯著的經(jīng)濟效益。

4.7 在環(huán)保農(nóng)業(yè)中的應用

一方面,隨著無土栽培和工廠化育苗的快速發(fā)展,需要大量質(zhì)優(yōu)價廉的基質(zhì)產(chǎn)品,而傳統(tǒng)草炭基質(zhì)因環(huán)保政策限制和成本較高等原因,迫切需要開發(fā)草炭替代品;另一方面,地球上每年產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈、工業(yè)有機廢棄物、園林修剪枝條等,對生態(tài)環(huán)境造成重大威脅,急需要對這些有機廢棄物資源化利用。因此,基于提供可替代基質(zhì)和環(huán)境目標的考慮,利用工農(nóng)業(yè)有機廢棄物生產(chǎn)性能穩(wěn)定、價格低廉、養(yǎng)分充足且適宜規(guī)?；a(chǎn)的基質(zhì)產(chǎn)品,是各國特別是發(fā)展中國家高效生態(tài)農(nóng)業(yè)提質(zhì)升級、節(jié)約農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境友好及循環(huán)利用的迫切需要。以我國為例,每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約8億t、糞污排放量約39.8億t、食用菌菌渣約6 000萬t、花生殼達140萬t,并且以年均5%～10%的速度遞增,但我國有機廢棄物利用率不到30%,資源浪費,且對環(huán)境造成巨大壓力?；|(zhì)化利用這些有機廢棄物資源,可有效減輕環(huán)境壓力,實現(xiàn)環(huán)境保護目的。值得關注的是,我國城市污泥排放量巨大,年排放量約6 000萬t,城市污泥中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),對土壤具有改良作用,經(jīng)過堆肥和發(fā)酵處理后,可用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)以及花卉、草坪草等的種植。充分利用城市污泥開發(fā)無土栽培基質(zhì),不僅可減少污泥對城市環(huán)境的污染,而且可為無土栽培提供優(yōu)良的基質(zhì)產(chǎn)品。