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植物基质栽培的研究进展
徐强1，张沛东1* ，涂忠2( 1． 中国海洋大学水产学院，山东青岛266003; 2． 山东省水生生物资源养护管理中心，山东烟台264003)
3 陆生植物栽培基质的研究进展
近年来，由于环境污染和人为破坏等因素，我国农业的健康可持续发展受到了严峻考验，发展绿色、安全、无污染的种植方式已成为当今社会经济发展的需要。目前植物的栽培方式主要分为土壤栽培和无土栽培两种，其中无土栽培是指不用天然土壤而用营养液或固体基质加营养液栽培作物的技术，因其具有病虫害少、节水节肥、栽种灵活、可控性较高等传统土壤栽培难以超越的优越性，目前在世界设施农业中被广泛采用。
无土栽培包括水培、雾培和基质栽培三种，其中水培和雾培是指将植物根系浸于营养液中或将营养液喷雾到植物根系上，而基质栽培是指用固体介质固定植物根系，通过添加一定量的营养液供植物吸收利用，因其具有技术要求低、前期投资少等优势而被广泛推广。
无土栽培包括水培、雾培和基质栽培三种，其中水培和雾培是指将植物根系浸于营养液中或将营养液喷雾到植物根系上，而基质栽培是指用固体介质固定植物根系，通过添加一定量的营养液供植物吸收利用，因其具有技术要求低、前期投资少等优势而被广泛推广。
基质栽培的基质一般称作营养基质，栽培基质的好坏直接影响到植物的生长和发育。关于栽培基质的研究国内外已有150 余年历史，早在19世纪60 年代Boussingault 和Salm － Horstmar 就通过试验证明植物可以通过稳定支撑的基质吸收营养元素并正常生长。20 世纪70 年代，丹麦的Grodan 公司开发出岩棉栽培技术，并在荷兰、法国、英国、新西兰等国家迅速推广应用，随后穴盘育苗技术等得以开发和应用，推动了基质栽培技术的发展。随着工程技术、计算机技术和自动化控制技术等在设施农业中的应用，欧洲和美国、日本、以色列等国家的全自控现代化温室技术已成为当今无土栽培技术最显著的标志。其温室栽培的黄瓜( Cucumis sativus) 、番茄( Lycopersivonesculentum) 和甜椒( Capsicum annuum) 产量分别达70、50、25 kg /m2，是传统露地栽培的十余倍。荷兰作为无土栽培技术最先进的国家之一，其3 /4 以上面积的温室均采用基质栽培，其鲜花产量占世界鲜花市场的60%，已成为荷兰的主要支柱产业。我国作为设施园艺大国，国土辽阔，资源丰富，但基质栽培面积所占比例不足1%，与荷兰等发达国家存在很大差距，因此发展基质栽培在今后的社会经济发展中显得格外重要。
目前常用的栽培基质有草炭、蛭石、珍珠岩、岩棉等。本文主要围绕栽培基质的材料分类、理化性质以及陆生植物和水生植物栽培基质的研究现状进行论述，总结了一些常用基质的理化性质及栽培效果，重点论述陆生、水生植物栽培基质的分类情况及其研究现状，探讨基质栽培存在的一些问题和局限性，对今后的发展方向进行了展望，以期为进一步发展基质栽培技术提供理论参考。
1 基质材料的研究
根据材料的来源、物质组成、性质及组分等，可将植物栽培基质分为不同的类型，这些类型间互相有重叠，最常用的分类标准是材料来源和物质组成。
按照来源不同，常用的栽培基质材料可分为天然基质和人工合成基质两类，如草炭、芦苇末、锯末等为天然基质，而岩棉、硅胶、多孔陶粒等为人工合成基质。
按照基本物质组成成分不同，可将基质分为无机基质和有机基质两类。无机基质主要包括浮石、陶粒、蛭石、珍珠岩、岩棉等，有机基质主要有砻糠灰、草炭、尿醛泡沫、木屑等由有机残体组成
的基质。
按照基质的性质不同，可将基质分为惰性基质和活性基质两类。一般把没有物理化学吸收能力、不具有缓冲能力的基质称为惰性基质，相反则称为活性基质。例如砂砾、岩棉、泡沫塑料等材料本身既不含养分也不具有阳离子代换量，属于惰性基质; 而泥炭、蛭石等含有植物可吸收利用的养分，且具有较强的阳离子代换量，属于活性基质。
按照使用时组分不同，可将基质分为单一基质和复合基质两类。单一基质是指用一种基质作为介质进行栽培，而复合基质是指用两种或两种以上基质通过不同配比组合进行栽培。
2 基质性状的研究
基质的性状包括物理性状、化学性状和生物性状。基质作为植物生长的介质，应该具备透气、持水、缓冲、提供养分以及支持和固定植株的功能。
2． 1 基质的物理性质
反映基质物理性质的重要参数有容重、通气孔隙度、持水孔隙度、总孔隙度、气水比、比重等。基质容重是指单位容积的基质干重，其与基质的粒径、总孔隙度有关，一般认为，小于0． 25g /cm3 属低容重基质，0． 25 ～ 0． 75 g /cm3 属中容重基质，大于0． 75 g /cm3 属高容重基质，通常育苗基质的容重以0． 2 ～ 0． 8 g /cm3 为宜。通气孔隙是指基质中空气所能够占据的空间，孔隙直径在0． 8 mm 以上时，灌溉后溶液不会吸持在这些孔隙中而随重力作用流出。持水孔隙是指基质中水分所能占据的空间，是反映基质持水能力的指标，当孔隙直径在0． 01 ～ 0． 8 mm 范围时，水分在这些孔隙中会由于毛细管作用而被吸持。总孔隙度是指基质中通气孔隙度和持水孔隙度的总和，总孔隙度大的基质疏松，通透性良好，有利于植物根系生长，但固定作用较差; 而总孔隙度小的基质虽利于植物固定，但不利于根系发育，通常基质的总孔隙度在54% ～ 96% 时为宜。通气孔隙与持水孔隙的比值称为气水比，是衡量物理性状的重要指标，一般在1∶ ( 2 ～ 4) 之间为宜。比重指单位体积固体基质( 不包括空隙所占的体积) 的绝对干重与同体积水重( 4℃)的比值，它的大小取决于土壤的矿物质组成、有机质含量等。一般来说，矿物质含量高、颗粒较小的基质比重较大，最好与有机质配合使用。育苗基质的粒径以0． 5 ～ 5． 0 mm 为宜，其中小于0． 5mm 的颗粒最好不超过总量的5%。
2． 2 基质的化学性质
栽培基质的化学性质主要指酸碱度( pH) 、电导率( EC) 、阳离子交换量( CEC) 、缓冲能力、各种矿质元素( N、P、K、Ca、Mg、Fe 等) 含量等，它们相互作用，共同影响基质的化学性质。不同植物对基质pH 值的要求不同，当pH 值超过7 时，Fe2 +、Mn2 +、Zn2 + 和Cu2 + 等将生成氢氧化物沉淀无法被幼苗根系吸收，因此陆生植物育苗基质的pH 值以5． 5 ～ 6． 5 为宜。电导率是反映基质可溶解性盐浓度的指标，其大小将直接影响营养液的平衡和幼苗的生长状况，其值以0． 5 ～ 1． 3mS /cm为宜。阳离子交换量是评价土壤保肥能力的指标，也是改良土壤和合理施肥的重要依据，通常值在10 ～ 100 me /100cm3 比较适宜。缓冲作用是指基质给植物根系的生长提供一个较为稳定环境的能力，即在根系生长过程中产生的一些有害物质或外加物质可能会危害到植物正常生长时，基质会通过其自身的一些理化性质将这些危害减轻或者化解的能力，有机基质通常比无机基质具有更大的缓冲能力。此外，矿质元素是植物生长的必需元素，不同植物对矿质元素的需求量不同。根据植物需求量的不同，将各种矿质元素分为大量元素( 氮、磷、钾等) 、中量元素( 钙、镁、硫等) 和微量元素( 硼、硅、镍等) 。不同元素对植物的作用也不同，如氮是植物体内糖类、脂类、氨基酸等物质代谢的基础; 磷是构成植物体内核酸、磷脂等重要有机化合物的成分，能够促进根系发育和植物新陈代谢; 钾能促进光合作用，提高净光合效率，加速同化产物向贮藏器官运输; 硅可以沉积在木质化细胞壁上，调节木质素的生物合成，影响高等植株的稳定性;硼通过影响植物细胞壁的形成、根系的生长、蛋白质的合成等，促进植物对氮、磷、钾的吸收和有效利用。
2． 3 基质的生物性质
基质的生物学性状是指基质中有机类物质的稳定性。常用指标有C /N、土壤呼吸强度和生物稳定性参数。在微生物和植物根系活动的影响下，有机质的腐蚀和降解会改变基质的理化性质，其中有机质的分解速率与C /N 密切相关。C /N高的基质，由于微生物对氮的争夺，会导致植物缺氮，因此使用前必须加入超过植物生长所需的氮，以补偿微生物对氮的需求，通常C /N 值宜低不宜高，在30∶ 1 左右时较适合植物的生长。
土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，主要是由微生物氧化有机物和根系呼吸产生，另有极少部分是由土壤动物和化学氧化所释放。土壤呼吸强度是衡量土壤微生物活性和评价土壤肥力的重要指标。生物稳定性参数是由Linères 和Djakovitch于1993 年提出，用有机基质中的纤维素、半纤维素、木质素等物质所占总体基质的比例来表示。目前基质生物特性的研究除稳定性外，还有生物控制( 以避免病害传播，淋洗液中杀虫剂的分解等) 的相关研究，通过研究土壤淋洗液的化学组成，有助于说明土壤的形成实质。
土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，主要是由微生物氧化有机物和根系呼吸产生，另有极少部分是由土壤动物和化学氧化所释放。土壤呼吸强度是衡量土壤微生物活性和评价土壤肥力的重要指标。生物稳定性参数是由Linères 和Djakovitch于1993 年提出，用有机基质中的纤维素、半纤维素、木质素等物质所占总体基质的比例来表示。目前基质生物特性的研究除稳定性外，还有生物控制( 以避免病害传播，淋洗液中杀虫剂的分解等) 的相关研究，通过研究土壤淋洗液的化学组成，有助于说明土壤的形成实质。
3 陆生植物栽培基质的研究进展
目前，在蔬果、花卉、草木等陆生植物种植方面普遍采用无土栽培。无土栽培通常是以通气良好的固体材料作为基质，利用各种营养元素配制的营养液来代替营养土进行育苗，具有育苗短、成本低、用种少、产量高等优点。
3． 1 陆生植物栽培基质的类型
目前常用的陆生植物栽培基质有草炭、岩棉、蛭石、炉渣、棉籽壳、珍珠岩、细砂等，其各有特点和优势。
( 1) 草炭，由泥炭类苔藓在酸性沼泽地条件下形成，其通透性较好，吸水能力强，是目前公认的性质优良、使用最广泛的育苗基质成分。然而草炭作为一种有限不可再生天然资源，过量开
采会严重破坏沼泽地的生态环境，目前许多学者都在不断研究、开发新的理想栽培基质，以供生产所需。
( 2) 岩棉，以玄武岩、白云石等为主要原材料，经高温熔融后由高速离心设备制成的人造无机纤维，具有通透性较好，昼夜温度变化不大，容重小，搬运方便，病菌少，持水强等特点。
( 3) 蛭石，是一种天然无毒的矿物质，具有容重小、总孔隙度大、较高的缓冲能力和阳离子交换能力等优点，此外，蛭石富含速效钾，是一种良好的供钾基质。
( 4) 炉渣灰，是一种民用燃料的废弃物，数量较大，取材方便，含有大量速效P、K 和丰富的微量元素( Cu、Fe、Zn、Mn) 及重金属元素( Cd、Pb、Ni) ，缺点是保水吸水性能差、热容量小、变温幅度大和偏碱性，使用时可作为基质的辅加成分，以调节基质的理化性质。
( 4) 炉渣灰，是一种民用燃料的废弃物，数量较大，取材方便，含有大量速效P、K 和丰富的微量元素( Cu、Fe、Zn、Mn) 及重金属元素( Cd、Pb、Ni) ，缺点是保水吸水性能差、热容量小、变温幅度大和偏碱性，使用时可作为基质的辅加成分，以调节基质的理化性质。
( 5) 棉籽壳，是棉籽经过剥壳机分离后除去棉仁剩下的外壳，一般采用蘑菇生产中的棉籽壳残料作为育苗基质，其容重小，持水能力强，含有丰富的有机质和N、P、K 元素，pH 较为适宜，C /N比较低。
( 6) 珍珠岩，是一种火山喷发的酸性熔岩经急剧冷却而成的玻璃质岩石。其可以吸持相当于本身重量2 ～ 4 倍的水分，具有搬运方便，病菌少等优点，但养分低，阳离子交换量小，可广泛用于低容重、物理性状稳定、可满足非毛管孔隙的混合基质。
( 7) 细砂，一般用于调节基质的物理特性。由于其搬运不便，缺乏可溶性营养元素等因素，一般用作复合基质的少量配料。
几种常用栽培基质理化性状的比较如表1 所示。此外，稻壳、椰糠、锯木屑、树皮、甘蔗渣等农林废弃物因具有低价环保、营养丰富的优点，也常用于陆生植物的栽培基质中。
3． 2 陆生植物基质的研究现状
早在20 世纪70 年代，Woods 等就通过番茄种植试验证实泥炭栽培的作物收益远高于土壤栽培。Postma 等通过试验发现，岩棉可以抑制黄瓜根冠瓜果腐霉的生长，发病率亦降低了52% ～ 100%。但由于单一基质一般在某些理化性状上存在一定的缺陷，如珍珠岩和细砂的持水能力低、棉籽壳C /N 较低、草炭资源有限、岩棉易污染环境等，使得在工厂化栽培研究中，综合考虑各种基质的理化性质，实现基质的相互配合使用以及新型有机基质的开发利用等，成为学者们研究的重点。
目前很多大型专业化育苗工厂主要采用的基质配方为加利福尼亚大学UC 系统的Ucmix、美国康奈尔大学研制开发的以泥炭为主而以砂、珍珠岩或蛭石为辅的基质配方和英国温室作物研究所开发的GCＲI 混合物等。在众多复合基质的配方中，草炭是最常见的配方成分之一，基于草炭为有限珍稀资源，很多学者将研究重点转移到草炭替代物的开发。Chaney 等将堆肥按照不同比例同康奈尔基质( 草炭∶ 苔藓∶ 蛭石= 1∶ 1∶ 1)混合进行种植试验，发现堆肥不仅提供植物所需的所有微量元素，还是提供植物N 元素的主要成分，并且可将基质pH 控制在6． 7 以上，使植物更好的吸收金属离子。Jayasinghe 等进行的莴苣( Lactuca sativa) 种植试验中，将甘蔗渣按照0%、10%、25%、40%和60%的比例与草炭混合作为栽培基质，结果表明25%混合组的莴苣长势最好，其地上部鲜重、干重和地下部鲜重、干重相比单一草炭基质组分别增加了53． 25%、43． 32%、36． 27%和56． 88%; 此外，60% 混合组的基质在为植物提供最丰富的K、Mg、Ca、Cu、Zn 等矿质元素的同时并没有对植物造成化学伤害。也有部分学者直接使用农林废弃物堆肥进行栽种，同样取得了良好的效果。Ostos 等利用由垃圾和污泥组成的堆肥与新鲜松树皮混合成的基质，与草炭按照不同比例混合对乳香黄连木( Pistacia lentiscus L． )进行栽培，结果显示灌木不仅能够正常生长并且其吸收P 的能力明显增强。在改善基质理化性能方面，除了使用复合基质，还可以添加适量的有机肥料、营养液等，或者用酸进行灌溉水的酸化处理降低pH 值，通过淋洗改善EC 值，减少重金属含量。
4 水生植物栽培基质的研究
根据水生植物的生活方式与形态特征，可将其划分为挺水植物、浮叶植物、浮水植物、沉水植物及海生植物五大类。水生植物的生长状态与基质有紧密联系，底质除了具有固持作用外，还可以为沉水植物提供各类营养元素以及微量元素，是水生植物生长所需各种营养盐的主要来源。
4． 1 水生植物栽培基质的类型
自然条件下，水生植物的基质类型有塘泥、沼泽、湖泥、潮滩盐土等。近年来，随着经济的飞速发展，人们对室内观赏需求逐渐增加，水生植物的无土栽培技术也逐渐发展起来。目前常见的栽培基质有: 草炭、蛭石、赤玉土、水苔藓、陶粒、水草砂等，其各有优缺点。
( 1) 塘泥，是由池塘里的淤泥晒干后而成，主要以粘土和泥沙组成，含有丰富的有机质、微生物和各种矿物质，为植物生长提供营养，并且有利于水生植物根部的固着。
( 2) 沼泽，是指地表长期受积水浸泡、腐泥和泥炭含量丰富的底质。具有有机质含量高、持水性强、透水性差、严重缺氧、物质分解缓慢等特点。
( 3) 陶粒，是一种圆形或者椭圆形的陶质球体。具有价格便宜、孔隙度大、通气保水性好、pH中性、保温隔热、固定性差等特点。
( 4) 水草砂，是一种新型缸内种植天然环保基质。具有软硬适中、色泽与天然砂相似、吸附水生动物排泄物等特点，并且可为水生植物提供生长所必需的十六种营养元素及其他营养物质。
( 5) 水苔，为苔藓植物，有较强的蓄水、透气能力，具有耐浸洗又耐干旱的特点，可长久使用。并且栽培容易，质量轻，种后基质不易脱落，便于花卉运输。其内含丰富的有机质及矿质元素，用
作栽培基质，可节约施肥量。
( 6) 赤玉土，是一种由火山灰堆积而成，暗红色圆粒状的高通透性火山泥。因其无有害细菌、pH 值呈弱酸性、蓄水和排水能力强等特点常被人们用于沉水植物的栽培等。
( 6) 赤玉土，是一种由火山灰堆积而成，暗红色圆粒状的高通透性火山泥。因其无有害细菌、pH 值呈弱酸性、蓄水和排水能力强等特点常被人们用于沉水植物的栽培等。
4． 2 水生植物栽培基质的研究进展
目前国内对于水生植物基质的研究主要围绕植物适宜底质类型的探究和改良等方面，多集中在对自然底质的研究，对无土栽培的研究比较少。丁华侨通过对水生植物在草炭、水苔藓和土壤三种基质中生长的生物量进行比较发现，挺水植物再力花( Thalia dealbata) 、海寿花( Pontederia cordata) 和石胡荽( Hydrocotyle verticillata)地栽的植株生物量分别为泥炭栽培的19倍、10 倍和15 倍及水苔藓栽培的6 倍、16 倍和30倍; 而根冠比，石胡荽在水苔藓和草炭中栽培的均约为9，地栽的则为1． 3，这可能是由于水苔藓和草炭相比土壤营养较缺乏，植物消耗大量的碳水化合物用于庞大根系的生长发育以更好地吸收营养，但由于水体景观不仅要考虑植物的生物量，还要考虑整体效果、清洁方便程度等，所以不能仅仅依据生物量就推断地栽好于草炭栽培和水苔藓栽培，必要时可以配合营养液进行使用。李宽意通过测定不同营养程度基质中两种植被的生长情况，发现基质营养水平是影响植物种间竞争关系的重要因素之一，轮叶黑藻( Hydrilla verticillata)在营养丰富的基质中占明显优势，美国苦草( Vallisneriaspiralis) 在营养贫瘠的基质中优势显著。
此外基质颗粒组成和密度的不同也会影响沉水植物的生长，如江鑫等 发现海生植物大叶藻( Zostera marina) 偏好泥与泥沙底质，而同属的丛生大叶藻( Z． caespitosa) 则偏好沙与砾石底质。李垒等通过研究不同比例( 5%，10%，30%，50%，80%) 的沙土、粘土和腐殖土与河岸边土进行混合形成的不同成分底质分别对沉水植物菹草( Potamogeton crispus) 、轮叶黑藻和微齿眼子菜( Potamogeton maackianus) 顶枝断枝恢复生长的影响，发现除微齿眼子菜在各种底质上生长无显著差异外; 菹草和轮叶黑藻长势最好的底质为50%粘土，植株分别高达48 cm 和82 cm，长势最差的底质为50%和80%的沙土，菹草在其生长第三周便全部死亡，轮叶黑藻虽有存活，植株高仅为38 cm。
此外基质颗粒组成和密度的不同也会影响沉水植物的生长，如江鑫等 发现海生植物大叶藻( Zostera marina) 偏好泥与泥沙底质，而同属的丛生大叶藻( Z． caespitosa) 则偏好沙与砾石底质。李垒等通过研究不同比例( 5%，10%，30%，50%，80%) 的沙土、粘土和腐殖土与河岸边土进行混合形成的不同成分底质分别对沉水植物菹草( Potamogeton crispus) 、轮叶黑藻和微齿眼子菜( Potamogeton maackianus) 顶枝断枝恢复生长的影响，发现除微齿眼子菜在各种底质上生长无显著差异外; 菹草和轮叶黑藻长势最好的底质为50%粘土，植株分别高达48 cm 和82 cm，长势最差的底质为50%和80%的沙土，菹草在其生长第三周便全部死亡，轮叶黑藻虽有存活，植株高仅为38 cm。
5 存在问题及发展趋势
5． 1 存在问题
虽然我国的基质栽培技术已经取得了一些进展，但仍存在较多的问题和局限性: ①应用不够广泛。中国是居世界第一位的设施园艺大国，设施园艺栽培面积在200 万hm2 以上，但据不完全统计，全国无土栽培面积仅1 070 hm2，所占比例不到0． 1%，与日本的20%、荷兰等国的90% 存在很大差距。②绿色环保型基质的开发和利用力度不够。随着人们环保意识的增强及一些栽培基质面临替代更新状况，开发新型环保基质显得十分必要。很多国家从20 世纪70 年代就陆续颁布了相应的法律法规，希望通过对农林废弃物等废物资源的再利用，实现对草炭等基质的部分或完全替换，而我国相应的法规政策比较少，对可长期利用的环保型基质的开发力度也比较欠缺。③水生植物基质栽培技术研究较少。目前国内关于基质栽培的研究大多集中于陆生植物，而对水生植物基质栽培的研究仅局限在天然底质改良等方面。④设施栽培技术较落后。虽然关于基质栽培的研究已有一百余年的历史，但我国真正大规模的研究起始于20 世纪80 年代，与栽培技术发达的欧洲和美国、日本等国家相比仍存在设施水平低、抗自然灾害能力差、栽培机械化程度低、自动控制设备不配套等问题。
5． 2 发展趋势
针对基质栽培的发展现状，今后应当重点进行以下几个方面的研究: 一是有机环保型基质的开发和利用。草炭是短期内不可再生资源，近些年的开采已使其资源量大幅减少，且严重破坏了湿地的生态环境，因此寻找新型环保基质替代草炭已成为近年的研究热点。目前各国学者通过利用腐烂树皮、锯木屑、蘑菇渣、松针、腐叶等农园林废弃物进行栽培试验，均取得了较理想的效果。农林废弃物具有数量巨大、再生周期短、可生物降解、环境友好等优点，对其进行人工合成以实现对草炭等不利于可持续发展基质的替代，将是今后一个时期内基质开发的主流和方向。二是基质混配的研究。由于单一基质存在一定理化性质的缺陷，将多种基质混合进行栽种早已成为大家研究的重点。但大多数混配方式仍处在试验阶段，比较理想的草炭∶ 蛭石= 2∶ 1 也因为草炭的珍稀而不被提倡使用，因此开发出便于工厂化应用的混配方式则是今后的研究重点之一。三是基质的重复利用和无害化处理。由于基质在使用过程中，累积了大量残留的根系分泌物和盐分，再次使用时需进行清洗、消毒等处理，而不同的消毒方式( 蒸汽消毒、化学药品消毒和太阳能消毒等)对基质的理化性质影响不同，因此探究合适的处理方式是基质再利用的首要前提。四是水生植物基质栽培的研究。随着近年来水生资源的破坏和人们对水生观赏植物需求的增加，探究更好的水生植物栽培方式，以达到资源增殖和生态观赏等目的已成为部分学者的研究重点。基质栽培对于水生植物来说具有清洁容易、运输方便等优势，因此加强对水生植物基质栽培的研究仍将是今后的研究方向。五是设施基质栽培技术的研究。在基质栽培中，采用的主要是穴盘育苗技术，该技术从20 世纪80 年代引进中国后，直接推动了我国无土栽培技术的发展，但由于设施落后、机械化水平低等原因，无法在实际生产中大规模使用。因此今后需加强向设施农业发达的日本、美国、以色列等国学习全自控现代化温室、玻璃温室等先进技术，注重设施农业机械化、自动化技术的研发。
