无土栽培新模式-营养液梯级利用初探

无土栽培新模式———营养液梯级利用初探

杨其长, 汪晓云, 刘文科, 魏灵玲, 段发民
（ 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081）

中国自20 世纪80 年代初开始发展设施农业以来，设施栽培面积不断扩大。截止到2002 年底，中国设施栽培面积已达210 余万hm2，与1981 年0.72 万hm2 相比增长了291 倍[1]。设施农业的发展不仅极大地丰富了中国城乡居民菜篮子，而且对推进农业结构调整、提高单位土地利用率和农业效益，以及增加农民收入均起到了十分重要的作用。设施栽培中又以无土栽培发展最为迅速，荷兰、英国、法国等欧盟国家问世主要果菜和花卉的生产近80%以上草用无土栽培的形式[2]。无土栽培因其可避免土壤的连作障碍（ 包括土传病虫害、化感作用、次生盐渍化等）等问题的发生，成为现代设施栽培发展的优先方向。目前，全国无土栽培面积达1070hm2，同10 年前相比，增加了20多倍[3]。在无土栽培中，又以营养液膜系统和深液流系统（ DFT 和NFT）等栽培方式为主。现今，营养液膜系统和深液流系统因其可调控性强，适宜规模化、工厂化生产，控制技术易于应用等优点正在广泛推广，成为大力发展无土栽培，未来满足城乡人们菜篮子需求的重要途径。

1 无土栽培存在的问题
营养液是无土栽培中植物生长的物质基础，为无土栽培的核心。因此，营养液的管理是无土栽培管理的核心环节[4]。营养液中养分有效性高，其养分利用率可以达到80%以上，远高于土壤栽培。而且，以纯净无机化合物配制的专用营养液栽培园艺作物，可按照植物不同生育阶段的水、养分需求规律进行营养液的组成和用量的调节，产量和品质的可控性比传统的土壤栽培显著提高。因此，营养液无土栽培在近一个世纪以来得到了较快的发展，也将成为今后温室设施栽培的主导技术而逐渐被广泛应用。目前，中国营养液栽培主要采用开放式栽培系统，栽培所用的营养液经过作物吸收后一般直接排出。即使一些DFT、NFT 等水培系统的营养液循环使用，但由于营养液中非营养成分的累积，每隔一段时期仍需要更换新营养液而将原液全部排出。随着中国设施园艺产业的发展以及与国际的接轨，无土栽培的快速发展是一个必然趋势，但如何既实现大幅度提高主要作物产量和品质，又能防止对环境污染，是一个急迫的课题。
常规营养液无土栽培分为营养液循环利用和不循环利用两种类型，循环利用型是指目前欧盟国家已经开始实行的一种环保和资源节约型的栽培模式，栽培过程中排出的营养液，经过滤、消毒和营养调配，可以重新在该栽培系统循环再利用[5]。据报道，无土栽培排出液重新（ 二次）利用时，处理过程所付出的成本要比新配制营养液高，而栽培的效果也有所下降，是完全出于环保的需要和资源再利用的考虑，并非是技术上的必然选择。此外，在营养液循环利用的无土栽培系统中，营养液的循环过程容易造成病虫害的传播，而一旦发生病害就会在短时间内导致系统内栽培作物的普遍感染，将造成毁灭性的损失。这种模式投资高，技术要求高，不适合在中国推广。
非循环利用型无土栽培就是目前大部分国家还普遍采用的一种栽培模式，栽培过程中每天排出一定比例的废液，或循环一段时期后进行更换，排放到环境中或灌溉到土壤栽培的作物中。此中方式养分资源利用率高，成本较低，但由于剩余营养液中未完全吸收的养分排放，不仅造成养分资源的浪费，而且其中大量的硝态氮和磷酸根离子，易随地表水径流或下渗，易形成面源污染。因此，此方法存在严重的资源和环境问题。所以，这种不利于环保的栽培模式必须作以改进，使之成为环境友好、资源节约型栽培模式，才能在中国推广。

2 新型栽培模式———营养液梯级利用的提出与原理
2.1 营养液梯级利用的提出
基于目前无土栽培中遇到以上的种种问题和制约因素，改进或提出新的栽培模式迫在眉睫。基于此背景，作者提出了“ 无土栽培营养液梯级利用生态栽培模式”的概念。该栽培模式是基于非循环利用型无土栽培而提出的一种新模式，是利用植物种属间的生物学和生理学上的差异实现多种植物共同栽培生长的高效营养液栽培模式。自2004 年底开始，在中国农科院的重大科技工程试验温室中进行了栽培试验，现已取得了阶段性成果。新型栽培模式应该具有资源高效利用、环境友好和高产优质等优点，符合中国国情。
2.2 营养液梯级利用模式的原理
2.2.1 植物相生相克原理无土栽培营养液梯级利用
生态栽培模式是受中国传统农业经验中的轮作和混作技术的启发而提出的，传统农业中的轮作技术就是通过改变上、下茬作物的种类来实现土壤中各种矿质养分吸收和分解释放的平衡，同时克服由于作物自身根系分泌物和残留物的积累，并切断专性寄生的病虫害在土壤中的延续和存活。在无土栽培系统中，可以把配制完全的营养液通过不同作物的截留吸收来充分消耗其中养分，也就是让营养液经流若干个不同种类的作物栽培系统，最终把营养液消耗完或把营养液中的有效养分充分甚至完全吸收，达到最后允许排放的标准，把这种通过多种作物梯级吸收利用营养的无土栽培模式称之为“ 无土栽培营养液梯级利用生态栽培模式”。其特点在于：利用不同科属作物间对养分吸收的差异可以平衡吸收营养液中的有效养分，解决常规无土栽培营养液在同一作物系统内因循环利用而逐渐引起养分不平衡的问题；利用不同科属作物的梯级搭配，可以有效减轻专性寄生的病菌危害和病菌的积累；利用没有克生关系的不同作物种类进行梯级搭配，可以消除根系分泌物积累造成对作物本身生长的抑制。通过作物最佳梯级组合的筛选，以达到上、下级作物间的互惠相生促进生长，而非拮抗相克关系产生而抑制下一级作物生长。
2.2.2 植物生长期和养分吸收差异性在设施栽培的园艺作物中，不同植物的生长时间周期差别很大。另外，不同植物对根际周围养分浓度、比例要求是不一样的。其中包括植物的养分需求量、最小吸收浓度，最适宜浓度，生育期（ 最大养分效率期和养分吸收关键期等）。
2.2.3 营养液可恢复原理营养液经过与植物根系长时间的共存后，可通过增加水、养分，调节EC 和pH等方式，恢复营养液的栽培性能，称之为营养液可恢复原理。
3 营养液梯级利用的试验及结果分析
3.1 栽培设施
试验在单跨分隔的连栋玻璃温室内进行，温室跨度为8m，肩高4m，温室及栽培设施配备齐全。第一级为营养液膜水耕栽培设施（ NFT），设并列四床，栽培床宽为80cm，长度为6m，床高为35~40cm 之间。用木板制成栽培床框架，用厚度2cm 的高密度聚苯板作保温隔热床板和定植盖板，床的坡度为100:1，床上铺0.15mm 厚的黑色聚乙烯塑料膜。盖板上的定植孔为双行交叉排列，株行距均为40cm。营养液池为容积2m3 的砖混水泥结构池，设在地面以下。营养液通过微型潜水泵向栽培床供液，并设分流管通过控制阀向第二级系统排放。第二级为箱式深液流水耕栽培设施
（ DFT），设并列四畦，栽培箱为体积12L 的泡沫箱，每箱栽培一棵瓜苗。营养液池也设在地面下，供液管由主管、支管、发丝管构成，每一栽培箱设2 根发丝管，营养液循环利用后向第三系统级排放。第三级和第四级均为深液流水耕栽培设施（ DFT），主体为镀锌钢板焊制而成的深度为15cm 的栽培床，床高80cm，宽度100cm，长度400cm，呈水平布置。第五级为深度60cm的地下水泥池，设在第三、第四级深液流叶菜栽培床下，以考虑充分利用温室的立体空间。池中保持40~50cm 深的水位，将第四级叶菜栽培后的废液排入该池中，供水草利用，水草可供鱼类游憩和采食。
3.2 试验设计
试验设五个梯级，第一茬的作物梯级组合是番茄→西葫芦→生菜、西芹→西洋菜→鱼（ 含水草）；第二茬的作物梯级组合是番茄→黄瓜→红叶甜菜、菊苣、油菜→空心菜、三叶芹、荆芥→鱼（ 水草）。作物梯级组合的设计是根据多年从事无土栽培的研究和实践观察，把对水质和营养液理化性状要求不高的空心菜、西洋菜排在最后营养级上，把主栽作物和对营养液理化性状要求高的番茄、黄瓜排在第一、二营养级上，以获得理想的栽培效果。试验设计的作物排列组合为：第一级栽培的品种是中果形的番茄品种“ 红太子1801”；第二级的第一茬为西葫芦品种“ 皇后”，第二茬和第三茬均为黄瓜；第三级栽培的品种有生菜、西芹、红叶甜菜、油菜、菊苣等品种；第四级栽培的品种有西洋菜、空心菜、三叶芹、荆芥等。第五级水草和鱼类。
3.3 营养液梯级利用的操作方法和指标控制
首先要设定每一级作物所需营养液的总离子浓度（ 即EC 值），先不考虑其中的成分变化。第一级作物，番茄的EC 值设在2.2~2.4ms/cm 之间；第二级瓜类作物，EC 值设在1.8~2.2ms/cm 之间；第三级叶菜设在1.5~1.8ms/cm 之间； 第四级叶菜设在1.2~1.4ms/cm 之间；排入最后一级的营养液EC 值不能高于0.8ms/cm。营养液梯级利用排放输送的操作，是按最后一级作物的需要为需求起点，也就是当最后一级作物需要补充营养时，要从上一级栽培系统中输入废液，上一级需要补充营养时从上上级的栽培系统中输入废液，依此上推到第一级栽培系统中废液的输出。因此，后面各级作物营养液需要量越大，前面各级废液需要排出的量也越大，排出的频率也越高，对前面主要栽培作物的营养液更换的机会就越多。一般从上一级栽培系统中排出的废液EC 值都高于下一级
作物的需要指标，因此需要补加清水来稀释才能在下一级栽培系统中供给使用。由于下一级栽培系统对上一级栽培系统的营养液输入的依赖，所以，上推到第一级的营养液排出是最频繁的，这对主栽作物来说，营养液经常排出（ 即更换）有利于其更好的生长，根际养分比例可以始终处于良好状态，不易出现有机酸和排泄脱落物及病菌的积累问题。
3.4 试验结果与分析
通过一年来的栽培试验，整个流程栽培的各种作物生长基本正常，尤其是第一、二级作物，没有出现生长和生理异常现象；第三、四级作物只出现过空心菜、油菜的黄花缺铁现象，适当补充铁营养即恢复正常生长，各系统未发生根际病害问题。从已试验的所有品种观测根系生长基本正常，没有出现由于植物次生代谢产物抑制根系生长的“ 相克现象”的发生。所以，可以这么认为，在不同梯级的无土栽培系统内或同一栽培系统中可以栽培多种具有互补适生的作物品种，利用不同作物的生态位和营养需求特性的差异，可以实现对营养液中各种营养元素的高效利用和均衡吸收，同时消除由于单一作物栽培的无土栽培系统内根际理化性质恶化和病菌积累的问题。

4 讨论
初步研究证明，无土栽培营养液梯级利用的生态栽培模式是可行的，是值得进一步深入研究的课题，今后研究重点如下（：1）营养液梯级利用生态栽培模式—作物品种最佳组合的筛选：通过栽培试验尽可能筛选出更多的梯级组合的品种，要获得每一组合的品种间上一级作物对下一级作物没有相克现象；没有共同的专性根际病害；营养吸收能实现相对互补（。2）营养液梯级利用生态栽培模式—作物营养吸收特性和吸收规律的研究：在设定主栽作物栽培系统内最适浓度和最佳配方的基础上，要对排出输入到下一级的废液进行成分分析，并在供给下一级作物前找出需要补充的营养元素种类和数量，以达到各级作物对养分需求的平衡。（ 3）营养液梯级利用生态栽培模式—根际环境研究：主要研究根系分泌物和脱落物的产生、积累、分解的规律；病源菌的发生、发展规律，提出相应的防治措施。（ 4）营养液梯级利用生态栽培模式—各梯级栽培系统最适面积比例的研究：要研究出为实现主栽作物的优质、高产、高效，次要作物栽培系统应该以多大面积与主栽作物面积相匹配；营养液梯级排放的时间、数量、周期与作物产量、品质的关系等（。5）营养液梯级利用生态栽培模式—配套栽培设施和自控设备的研究：要研究出营养液梯级利用生态栽培模式的专用栽培设施，以及有利于实现上、下级栽培系统营养液排放和输入的便利途径和养分的补充方法，并实现自动调控。无土栽培营养液梯级利用生态栽培模式的研究，可以进一步丰富无土栽培的技术内涵，将探索出无土栽培营养液合理、高效利用的新方法；解决营养液零排放和对环境无污染的技术途径；为栽作物创造最佳的根际环境条件和营养条件，为作物的优质、高产栽培奠定基础。将使无土栽培营养液得到更加合理、高效的利用，发挥其最大的生产潜能，避免浪费和消除其对环境的污染。