智能水凝胶作为无土栽培基质研究与应用的发展

吉乐涵,翁滨伟,竺寅威/2019-12-26/ 分类:栽培基质/阅读:
智能水凝胶是水凝胶的一种,其性能能够随着外部环境(如温度,pH,电场,溶剂性能,光的强度和波长,压力,离子强度等)的变化而改变、响应,具有环境响应性。本文简介了智能水凝胶在药物控释、组织工程、材料分离、酶固定和调光材料等方面的应用。同时介绍了无土栽培 ...
1 无土栽培发展概况
国际无土栽培学会将无土栽培定义为用基质代替天然土壤,移栽后用植物所需养分浇灌代替基质的栽培方法。与传统的栽培方式相比, 无土栽培具有自身极大的优势。有效地解决了植物所需的生长条件矛盾, 充分发挥了作物产量增发潜力。已经有许多国家和地区使用并发展无土栽培技术, 其栽培技术日趋成熟完善。无土栽培技术的推广应用, 推动了农业、园艺、林业的生产发展,使其进入了一个新的发展阶段, 对于今后的农业发展具有十分重大的发展意义。
我国无土栽培的应用始于1941 年, 但因当时的生产条件限制、生产成本高而被放弃。70 年代末, 山东农业大学首次开展了无土栽培生产试验, 取得了成功。80 年代中期, 随着改革开放技术的提升和人民生活水平的提高, 国外的温室无土栽培设施投入生产,蔬菜生产不再是一味地追求高产,人们对于其质量要求也越来越高, 在这种情况下, 全国各地的无土栽培技术迅速发展, 国内的技术状态也从研究变为了生产。据不完全统计,1989 年我国无土栽培面积只有5.0 hm 左右,90 年代中期仅在北京一地就达到2.5 hm左右, 我国无土栽培面积为118.0 hm 左右, 近年来我国无土栽培进入了快速发展阶段。目前, 随着100 多个采用无土栽培技术的国家和地区技术的逐步成熟和发展, 无土栽培的应用范围和栽培面积也不断扩大, 技术水平也有了质一般的飞跃, 实现了集约化、量产化, 实现了优质、高产、高效的目标。

2 技术的定义及分类
无土栽培作为一门研究无土栽培原理、栽培模式和管理技术的综合应用科学,是根据植物生长的需要使植物直接吸收利用,在植物完全摆脱对土壤的依赖的前提下将各种营养素转化为营养液。在无土栽培中,人为创造的作物根系取代了土壤环境,有效地解决了传统土壤栽培难以解决的水、气、养分供应矛盾,使作物根系处于良好的环境条件。
无土栽培技术主要包括水培、薄雾栽培和基质栽培,基质栽培是无土栽培技术中的重要形式。目前,世界上大部分的商品无土栽培由于应用成本、实用性和经营管理难度的影响,采用基质栽培法。支持和固定植物是无土栽培基质的主要功能,其能够植物根系提供稳定和谐的养物。基质的研究是基质培养的基础和关键。中国的无土技术发展较晚,目前主要采用营养液膜技术(NFT)、深液流技术(DFT)、浮板毛细水培法(FCH)等水培技术,以及岩棉培养、袋式培养、罐式培养、无土栽培法、有机生态等基质培养技术。

3 无土栽培技术的应用情况
无土栽培在一定程度上可以代替土培,但其推广和应用在很多方面都会有困难。因此,在实际生活运用中,无土栽培不能完全取代土培,而只能作为土培的另外一种形式,使无土栽培发挥更大的价值。无土栽培技术的主要应用范围很广,包括航空、航海、空间站等。宇航员在太空中生产果蔬供应,而且在海洋中储存空间有圆甲板、仓库水培箱、水培袋等,可解决各种问题。一是长期在海上工作,以满足新鲜蔬菜的需求。二是能够为生活民众提供微缩栽培,比如说像小型无土栽培箱、袋可以安装在住宅楼的阳台、屋顶甚至是家中,这样一来便利民众,绿化城市,两全其美。三是作为观光农业项目,回归自然,在郊区和旅游区设立无土栽培示范区,吸引游客,在丰富旅游资源的同时,拓展民众们的植物生态科学知识,与生物和谐相处。四是用于生产淡季或者高档园艺产品,可以提高农作物的产量,促进销售。五是作为研究科研的道具,进购于中小学校或者科研中心。

4 无土栽培技术的主要缺点
无土栽培技术有许多优势,但在一定程度上,它只是农业科技发展的产物,与土壤栽培相比,无土栽培需要一定的设施、资金,包括各种应用。离子营养液灌溉作物无土栽培系统,一般一次性投资至少9 万元/hm2,有的甚至高达75 万~ 90 万元/hm2,用于配置肥料营养液,也需要每年花费45200 元/hm2 以上;甚至对于更为实用的有机生态土壤无土栽培系统,一次性投资3 ~ 4.5 万元/hm2,年化肥成本约24 万元/hm2。由于各种原因,现今大部分生产者对于无土栽培的积极性不高。因此,根据各种实践,无土栽培有以下主要缺点:与土壤栽培相比,它具有较高的投资和较高的经营成本;严格的技术要求;管理要求最严格,一旦管理不当,容易发生某些疾病的迅速蔓延,造成严重后果,损失惨重。

5 无土栽培技术的分类及特点
5.1 按是否使用基质分类
5.1.1 无底物培养。
无基质培养无固定根基质,根与营养液直接接触。可分为水文化和雾文化。水培栽培,又称水耕栽培,其特点是为植物根系提供充足的营养物质,而且能够很好地稳固根系。水培法主要包括营养液膜法、深液流法和浮板毛细管法。喷雾培养,是一种利用喷雾装置雾化营养液,直接喷洒植物根系的无土栽培形式。该方法解决了营养吸收与供氧矛盾解决的根源,主要特点是在超声波传感器的作用下,以微小颗粒形式存在的营养液,为植物的生长提供营养,经超声波处理后的营养液,实现了超声波对植物生长的影响。消炎杀菌,控制部分叶片的病情发生蔓延。
5.1.2 培养基。
无土栽培基质的协调可以为植物提供水温、气温、脂肪结构的生长介质,它除了支撑、固定植物外,更重要的是起到“枢纽”的作用,使养分和水分从营养液中转移,使植物根系能够根据需要从中吸收。根据基体的形态、组成和形状,国内外使用的基体可分为以下四种类型。无机基质:包括无机颗粒基质,如砂、陶瓷、砾石等。纤维基质,如岩棉、矿棉等。还有其他基质,如珍珠岩、蛭石等。人造基质:常用的合成化学基质,如聚乙烯、聚丙烯、酚醛树脂、脲醛泡沫塑料等。有机基质:锯末、甘蔗渣、稻草、稻壳、水苔、烟炭、树皮、麦草、椰壳糠、真菌糠等。混合基质:无机基质与无机基质混合的培养基质,有机基质与无机基质混合,有机基质与无机基质混合。
5.2 按无土栽培能耗及其对环境和生态条件的影响分类
5.2.1 有机生态无土栽培。
有机生态无土栽培的排放溶液对环境无污染,在灌溉时用清水,用有机肥代替营养液,能生产出合格的绿色食品。有机生态无土栽培的优点是:用有机固体肥代替传统的营养液,操作管理简单,减少了无土栽培设施系统的投资,大大节约了生产成本,对环境无污染,产品质量优良。有机生态无土栽培可以满足当前生态农业和绿色食品发展的需要。
5.2.2 无机耗能无土栽培。
无机耗能无土栽培均采用化肥来调配植物所需的营养液,大量能量会在营养液循环中消耗,灌溉液的排放会对环境造成污染,同时生产出的食品可能会硝酸盐含量过高。

6 无土栽培的优势及发展方向
以人工研制的基质代替土壤环境,有效地缓解了传统土壤栽培难以解决的水、气、养分供应矛盾,使根作物在最佳状态下生长,充分发挥其生长潜力。作物产量增加。无土栽培可以避免土传病虫害,避免土壤污染,生产清洁、少污染、无污染、优质的产品。同时,无土栽培不再被土壤连作所障碍,具有节水、省肥、省力等高效生产的不可比拟的优势。然而,由于无土栽培作物根际的环境(营养液或固体基质)比土壤缓冲性差,根系易受外界条件的影响,如温度、营养液酸碱度、设施内营养状况等,更容易出现生理障碍。在生产中迫切需要克服的是土壤耕作和相应的对策。由于我国大部分地区采用的是无机消能型无土栽培方式,不仅能耗大,环境污染大,且这种方式所生产的食品硝酸盐含量超标,将给人体带来极大危害,因此应大力促进节约投资,降低成本。劳动力少、操作方便、产量高、产品质量好的有机生态型无土栽培技术,引导我国向更新、更好的无土栽培技术发展。发展生产无公害、安全、优质、营养的绿色产品,是社会技术发展的必然,也是维护人类健康、保护环境、发展可持续农业的紧迫任务。无土栽培作为世界农业科技中广泛应用的先进技术,已成为发展生产无公害绿色产品的可靠方法。随着中国与世界的融合,传统蔬菜种植将得到更大的发展。无土栽培因为能够生产出符合国家食品卫生标准的“绿色食品”,将为农业产业的发展提供技术支持,逐渐成为我国高科技农业生产的主要模式。
针对世界无土栽培的现状和趋势,将无土栽培技术从试验阶段逐渐转化为投入运用阶段。现状表明,自动化程度越高,无土栽培的集约化、现代化程度越高,投产效率越高,但由于经济、技术、设备等条件的不同,无土栽培技术水平及其应用效果也会有巨大的差异。对于新时代的无土栽培来说,无土栽培将是一个高度和简易并存的种植设施。在我国,无土栽培技术水平还处于初级阶段,同时其在我国的应用起步较晚,但我国作为一个发展中国家,具有巨大的发展潜力。随着科技的快速发展、人民生活水平的不断提高和经济的迅速蓬勃,无土栽培在未来的发展不可小觑。兴起的无土栽培产业,会同时带动农业、园艺、林业、花卉生产发展,甚至能让耕地利用和沙产业有进一步的发展。在前几十年,我国无土栽培技术发展缓慢,发展速度从70 年代开始加快。80 年代后,随着改革开放,在全国范围内,由于我国与国际的科技交流增多,同时旅游业发展迅速,无土栽培技术得到了普及,经过改革开放后,无土栽培技术得到了普及。多年后经过研究人员的实践,发现了系列无土栽培技术,能够很好地适应我国国情。之后在一系列技术的开发后,开发了新的实用、节能、高效无土蔬菜栽培技术,在一定程度上与我国国情契合,我国无土栽培的状态从试验研究阶段迅速进入商品化生产阶段,并使我国无土蔬菜的栽培技术在我国的推广应用成为现实。同时引用国外较为发达农业技术,引进国外大型现代化温室、现代化的无土栽培设施,开始实现自国自产。调整实践各类无土栽培技术,使其适应我国国情,同时开始全面发展农业技术。虽然无土栽培作为一种新型农业技术在我国的实践运用时间短,但随着民众对生活质量要求的日益严格,大家也会越来越重视无土栽培技术,其仍具有很大的发展前景和运用潜力。

7 我国无土栽培技术存在的问题及展望
在我国现今的技术下,无土栽培的开发技术还不够成熟,但在其开发过程中需要多个技术条件同时发挥作用,因此造成了无土栽培技术滞后。具体原因有以下几点:(1)局限性,无土栽培的局限于特定地区,而且只有部分作物具有较高的经济价值;(2)基质价格昂贵,许多资源属于不可再生资源,需求量大;(3)生产的成本昂贵,造成销出的限制与困难,对于消费者来说也有一定的压力;(4)无土栽培的基质影响,其硝酸盐含量容易过高,对环境有一定的污染。
对于我国无土栽培技术的现状来说,虽然全面推广有着一定的难度,但相信在今后科技的进步、科研人员的努力和与国外无土栽培技术发达的国家交流下,其运用将会有更为广阔的前景。

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