测试计量技术研究所

中国家用电器研究院

我国植物无土栽培情况调研报告

2017-06-26 14:20来源:家电科技作者:潘清网址:http://www.jiadiantech.org浏览数:1609 

我国植物无土栽培情况调研报告

中国家用电器研究院测试技术研究所潘清

一、无土栽培概念及类型

国际无土栽培学会规定:无土栽培是指不用天然土壤,使用基质或不使用基质,用营养液灌溉植物根系或用其它方式来种植植物的方法。

无土栽培根据作物生长的环境条件和采用的栽培方式,一般分为两大类,即基质栽培和无基质栽培。

A基质培:基质培的研究和利用是我国无土栽培的热点,是中国近期无土栽培发展的主要方向。基质栽培中可用单一的基质培养法,也可用几种基质按比例组成混合基质培养法。基质是营养液的介质和载体,是植物的固定物质。基质培的研究方向主要集中在基质的选择及配方。

B水培:植物根系直接生长在营养液层中的栽培技术。常采用溶液流动培养方法,主要特征为“深悬流”,即提供的营养液的液层较深,植株悬挂在营养液的水平面上,营养液进行循环流动。目前水培在技术上已趋成熟和完善,并且由于水培具有干净实用等特点今后会向着规模化、集约化、自动化以及家用化发展。

C雾培:雾培是把植株悬挂于雾化空间让其根系从高湿度空气中获取水分氧气及其它营养的一种栽培方式。是当前农业生产中最先进的栽培模式之一,雾培中的营养液是循环利用的,它能实现植物短期内的快速生长与发育对农业生产意义重大。雾化栽培特别适用于以地下块茎为产品器官的作物生产。

二、国内外发展及现状

1、国内情况

我国无土栽培技术在研究应用起步较晚,但较原始的无土栽培技术却有悠久历史。生豆芽、种水仙早有记载,但较正规的科学研究和生产试验,则是近十几年的事。我国最早进行无土栽培是在1941年,由浙江农业大学教授陈子元在上海开展无土栽培试验,后因成本太高而放弃。山东农业大学于1975年开始用蛭石栽培西瓜、黄瓜、番茄等,均获成功。1990年,无土栽培面积增长到15hm21995年无土栽培的面积发展到50hm22000年无土栽培的面积达100hm2左右,2005年无土栽培的总面积约为315hm2。近几年,我国在消化吸收国外无土栽培先进技术的基础上,进行了无土栽培设备配套技术国产化的研究与开发。我国从事无土栽培技术研究的部门和单位约50多个,除研制不同类型的栽培装置外,重点研究营养液膜栽培和不同材料基质培的配套技术,并在全国普及推广,使我国的无土栽培从实验研究阶段进入商品化生产时期。我国无土栽培进入迅速发展阶段,无土栽培的面积和栽培技术水平都得到空前的提高。

2、国外情况

美国的Gericke1929年首先建立了商业性的无土栽培体系,但由于在栽培技术上存在一些问题,直至20世纪40年代前该项技术均未应用于生产,这阶段可称为无土栽培的实验研究阶段。20世纪40年代以后无土栽培才开始由实验室走向生产,最先服务于军事。到20世纪60年代无土栽培技术在发达国家得到广泛应用。

美国是世界上最早进行无土栽培商业化生产的国家,主要集中在干旱、沙漠地区,主要栽培作物有黄瓜、番茄等蔬菜,无土栽培面积超过2000hm2。荷兰是无土栽培最发达的国家,其无土栽培面积达4000hm2,有64%的温室都采用无土栽培技术。日本也是无土栽培较发达的国家,其无土栽培以岩棉培和NFT为主,无土栽培面积约300hm2。现在世界上商业性无土栽培是以基质栽培为主。荷兰的基质栽培占无土栽培总面积的90%以上,法国占81%,加拿大占80%,日本各种循环水栽培占80%以上,比利时基质栽培面积占50%左右。世界各国采用无土栽培主要生产蔬菜、花卉和水果。在欧盟国家温室蔬菜、水果和花卉生产中,已有80%采用无土栽培方式。欧盟规定,2010年之前该组织所有成员国的温室必须采用无土栽培。产量高是无土栽培的最大特点,世界上先进的无土栽培技术其番茄产量可以达到45~55kgPm2,黄瓜产量达到50~70kgPm2。为此,发达国家已经实现了采用计算机实施自动测量和自动控制,先进的无土栽培技术可以较好的保护环境,生产出绿色食品。

近年来,发达国家又采用了专家系统的最新技术,应用知识工程总结专家的知识和经验,使其规范化、系统化,形成专家系统软件,它可以完成与专家水平相当的咨询工作,并可为用户提供建议和决策。目前,专家系统逐渐成为自动化控制的重要组成部分,专家系统是一个包含极其丰富专业知识资源的软件,是智能型的计算机程序,它可以代替传统的人工诊断,利用专家系统中包含的图像分析模式识别等功能对农作物进行研究,通过计算机内信息的总结对比做出推理,从而解决农作物生长中遇到的种种复杂问题。在无土栽培这一现代农业生产的过程中,农民势必会遇到一些以前从未遇到过的新问题,这些问题凭借他们以往的劳作经验根本无法得到及时有效的解决,这是就需要自动化控制的专家系统以及灌溉系统等来对农作物进行全方位的检测管理,帮助农作物健康快速的成长,从而推动现代农业的进一步发展。

三、无土栽培的设施

无土栽培属于一种设施栽培。它利用一定的栽培设施、通过协调植物与环境、营养液与植物根系间的相互作用、满足植物生长需要的温光水肥气条件、并达到高产、优质、高效的目的。经过大量研究总结,适用无土栽培的主要是蔬菜作物,其中以瓜果类较适应。无土栽培还常用于花卉植物、果树育苗、水果培育以及牧草的种植。

无土栽培设施包括:①塑料大棚或玻璃温室,用来遮风雨、保温、控温。②种植槽或种植床,它既可让植物生长在其中,又能提供营养液,是植物根际周围营养液移动的特殊装置,基质栽培的基质分布在种植床中。③营养液的循环系统,包括贮液池、供液管道、水泵、自动调控装置设备、计算机管理系统等。

1、自动化控制设备

无土栽培中的自动化控制台

无土栽培需要在自动化控制设备的帮助才能顺利实施,首先需要中央计算机控制系统对于无土栽培的各个阶段进行实时监控,根据不同的植物对于营养物质以及水的需求来进行培植。无土栽培需要栽培容器、贮液容器、营养液输排管道等设备,这些设备通过自动化控制系统连接在一起,自动化控制系统可实现自动供养导流滴灌等工作,这就大大节约了劳力,同时提高了种植效率,生产出来的农产品也可以保质保量。

2、自然通风系统

自然通风系统

该系统主要用于温室春秋季节降温和温室常规的通风换气,也具有节能、防雾滴等功能。按功能可以分为顶开窗和侧开窗。侧开窗主要有电动外翻窗、塑钢推拉窗,窗顶系统主要有连续式、交错式、扭矩分配式等。

3、遮阳系统

  

遮阳                       内遮阳

遮阳系统分内、外两种,主要有钢索拉幕传动和齿轮齿条传动两种方式。外遮阳系统启动可组织强光直接射入温室,避免作物被强光灼伤,有效降低室温。通过调节遮阳网的开关,可以满足温室对光线的需求,另外,高强度的遮阳网具有防雹保护的作用。内遮阳系统是可使室温降低,并且在系统闭合时能有效阻止温室内形成雾气及滴露,还能有效防止温室内热能通过辐射或热交换形式外溢,降低温室运行能耗。

4、通风系统

        

      湿帘风机降温                        环流风机

通风系统有湿帘风机降温系统和环流风机搅拌系统两种。

湿帘风机降温系统是夏季强制降温方式,主要通过负压通风和水的蒸发降温达到降温目的,操作简单,降温效果好还可以净化空气,是最经济有效的降温方式。环流风机搅拌系统可对温室内气体进行强制搅拌使其均匀并促进其流动,降低温度、减少滴流,适用于常年处于高温环境,且相对密闭的温室。

5、苗床补光、加温系统

苗床和补光系统

苗床的主体结构是热镀锌钢板,铝合金边框,可在水平和竖直方向做有限调整,可提高温室面积的利用率。补光灯是专门设计用于温室内对作物生长进行补充采光的高强度钠气灯,它可以提供与植物生长需要最吻和的光谱分布,可以使作物的生长环境得到更好的控制,使作物生长更快、质量更好。采暖系统主要有燃气、燃煤、燃油以及多种方式结合的热风机采暖,各种散热器件的热水锅炉采暖等。

6、施肥灌溉系统

  

全自动灌溉施肥系统             比例施肥器

    灌溉系统主要有只能移动式喷灌机、倒挂喷淋、滴管和滴箭几种类型。施肥系统有自动施肥机和比例施肥泵两种,施肥机可以在计算机程序操作下实现自动控制,还可以在控制系统同时修正环境温湿度;比例施肥机可以直接接入供液管道,无需电驱动,安装后无需看管,溶液剂量总是严格与进入设备的水量成正比。

7、其中涉及到的设备


   80年代中期,进口的温室及无土栽培设施相继投产以来,通过不断地创新,目前,我国已从引进无土栽培技术与设备走向引进、消化到自行设计研制及开发应用阶段。立体栽培装置可提高土地利用率3-5倍,新型立体栽培装置能更好的协调根区的固、液、气态,为植物的生长提供更好的外界坏境因子,推动无土栽培产业的发展。

新型立体装置的调控原理:使用时,可以将蔬菜或花卉等种子播种在栽培盆的基质中,也可以将菜苗、花苗等直接移栽在基质中。当植株处于苗期时,苗的根系直接生长在基质中,随着植株的生长需水量也增大,基质内的水分会逐渐减少,负压增大,水分在基质内从上到下形成梯度,这时底部储存的营养液可通过网芯周围基质经毛细管作用向上运动,不断向上部基质中补充并被根系吸收,直至底部营养液全部被耗尽。在底部营养液被消耗完或即将被消耗完前,必须补充新的营养液。

8、无土栽培装置设计的技术路线:

(同样方法,也可设计出其他更科学合理的栽培装置。)

无土栽培体系设计路线

四、无土栽培主要技术:

1.营养液膜技术NFT:作物的根系在栽培槽内直接与营养液接触,营养液深度不到25px,营养液循环利用。NFT的主要特点是在一定斜度的槽式栽培床中有一薄层营养液(2~3mm)间歇的在床上流动,根系定植部分或全部露出水面,以达到供水、供氧、供营养的目的。但如果一旦停电或水泵损坏,则植株根系将会长期暴露于空气中而导致其萎蔫。此外,该系统随环境变化大,设备成本高。

2.深液流法DFT:作物的根系浸在营养液里,温度变化比较平缓。DFT是一种水泥砖砌成的以种植槽为主体的深液流水培种植系统,具有投资省、管理方便、适种植物广泛、较好解决根系对氧的需要等特点。

3.浮板毛管水培法FCH:用聚苯乙烯板做成栽培槽,槽内铺0.8mm厚的聚乙烯薄膜,营养液深3~150px,液面漂浮31.25px厚的泡沫板,上覆亲水性的无纺布(50gPm2),两侧延伸入营养液内,作物气根生长在无纺布上下,营养液循环利用。FCH是在引进世界各国无土栽培设施优点的基础上研制而成的新型水培设备,具有改善水培设施投资和节省生产成本等特点。

4.-SC无土栽培:槽体是用铁皮、水泥或粘土制成的倒三角形槽,土制槽内铺一层聚乙烯农用膜,槽中部放一垫蓖,铺棕皮或尼龙编织布,然后填入基质,基质以下空间供根系生长及营养液流动,栽培槽一端用于供液,另一端设虹吸管用于排液,该系统集基质培与水培优点于一身。

5.有机生态型无土栽培法:栽培槽用3块砖平地叠起,底部铺1层厚0.1mm聚乙烯薄膜以隔离土壤病虫害,其上铺1325px厚的基质,基质以草炭、炉渣、椰子壳等配制,在基质中施入10kgPm3消毒鸡粪、3kgPm3向日葵秆粉、1kgPm3大豆饼肥,定植以后20d内不追肥,以后根据作物需要,每10d1次有机肥。因其生产过程中全部使用有机肥,以固体肥料施入,灌溉用清水,耗能低,灌溉排出液对环境无污染,因此称为有机生态型无土栽培。

6.雾培技术:作物的根系悬挂生长在封闭、不透光的容器(槽、箱或床)内,营养液经特殊设备形成雾状,间歇性喷到作物根系上,以提供作物生长所需的水分和养分的一类无土栽培技术,又称喷雾培或气雾培。根系生长在相对湿度100%的空气中,而不是生长在营养液中。雾培以雾状的营养液同时满足作物根系对水分、养分和氧气的需要,根系生长在潮湿的空气中比生长在营养液或固体基质或土壤中更易吸收氧气,它是所有无土栽培方式中根系水、气矛盾解决得最好的一种形式,这是雾培得以成功的生理基础。同时雾培易于自动化控制和进行立体栽培,提高温室空间的利用率。

7.立柱式水培:盆钵是由高硬度、抗老化、无毒性的ABS工程塑料铸塑而成。盆钵的hd均为375px;周壁向外有5条半圆形凸起是栽培位置,鸟瞰形如梅花。5条凸起外壁中部各有1只耳环,用于固扎高杆植物。盆钵上沿有5只凹扣,下沿有5只凸扣,凸凹扣相连组成盆钵立柱。另外,盆钵中央有一中轴管道,立柱的中轴通过管道串联诸多盆钵,再加上凸凹扣的作用使柱上盆钵构成一稳固的柱体。该系统主要用于家庭栽培和观光。


五、无土栽培的操作方法

首先从盆底孔将花卉根系连土一起顶出并将其置于与环境温度相近的水中洗净,再将根系浸泡于已配好的营养液中10min,使其充分吸收养分后,再将其放入无土栽培花盆中扶正。花盆必须洗净,并在其底孔中放置填塞物,并放入少许蛭石、珍珠岩等轻型基质,确保根系与基质接触紧密后,应立即浇灌营养液,至盆底有营养液流出为止,再用英石碎块等放于轻型基质上方,以加固植株,防止其倒伏。无土栽培花卉的温度及光照条件应与常规土培保持一致。

1、营养液

营养液是无土栽培作物根系营养的主要来源,必须含有植物生长所必需的各种营养元素。无论是大量元素还是微量元素都必须根据作物栽培条件进行合理组配以保证作物平衡吸收满足其生长需要。营养液要因农作物而异,由于作物生长习性各异对养分的要求差异很大,营养液的配方需要通过大量试验来筛选才能达到最佳的生长效果。

营养液的原料是水和含有营养元素的化合物及辅助物质。营养液的配制是根据营养液配方中营养元素化合物的用量和性质以及相互关系溶于水中配制成浓缩贮备液和工作液。营养液的配方有通用型和专用型,可酌情选择使用。在磷、钾营养平衡条件下,分化细胞朝着有利于发育的正常方向发展,贮藏物多且植株生长量大。营养不平衡时,分化细胞的发育受阻,贮藏物少,生长量下降。配置和贮存营养液切勿使用金属容器,而应使用陶瓷、搪瓷塑料和玻璃器皿。

目前国外的现代化自控温室营养液的电脑管理基本上停留在依靠调控EC(离子浓度)的水平上,大多采取过量灌溉,是一种半精确的水分养分供应方式。国内的塑料大棚也采取类似的经验灌溉。

2、基质

无土基质栽培的核心是使营养液通过基质来供应水分、养分,由于植物根系是与基质相接触,因而基质对营养液的吸附特性直接决定了植物营养的供给情况。基质的选用应以保水保肥能力强、通气性好、pH条件适宜、有一定容重可支撑作物生长的基质为佳。

基质一般包括无机基质和有机基质。根据基质的形态、成分、形状,目前国内外使用的基质可分为无机基质、有机基质和混合基质。无机基质:一般很少含有营养。包括砂、砾、陶粒、炉渣、泡沫(聚苯乙烯泡沫,尿醛泡沫)、浮石、岩棉、蛭石、珍珠岩等。有机基质:是一类天然或合成的有机材料。如泥炭、树皮、锯木屑、秸秆、稻壳、蔗渣、苔藓、堆肥、沼渣等。混合基质:无机-无机混合、有机-有机混合、有机-无机混合。由于混合基质由结构性质不同的原料混合而成,可以扬长避短,在水、气、肥相互协调方面优于单一基质。基质的开发应该是以适应不同设施档次、不同地域、不同植物,以成本低、效果好、管理方便为标准,并与该基质和营养液管理配套。

基质在灌溉和植物根系作用下结构会有所改变,也可能存在病虫等,因此基质如果要重复利用,就应该进行一些处理,如结构重组、水分淋洗、消毒等。消毒措施有蒸汽消毒、溴甲烷、甲醛、氯化苦消毒,太阳曝晒等,但目前还没有经济可靠的大批量基质消毒的办法。

六、无土栽培特点(优点)

1、提高产量和品质   应用无土栽培比一般大田栽培可提高产量1~2倍,产品品质好,生产出的番茄,形状端正、颜色鲜艳、味道好,营养价值高,维生素C含量比土壤种植的增加30%,矿物质含量也增多。

2、病虫害少污染率低  无土栽培用营养液生产的是一种无公害蔬菜,病虫很少感染,干净卫生。

3、作物生长易于控制  无土栽培的特点是人工为作物创造其根系环境、营养和水分条件,以取代土壤环境。它不仅能满足作物对矿物质营养、水分和空气条件的需要,而且可以应用现代科学技术,通过人工或自动化控制调节这些条件,使植物吸收的水分、养分平衡协调,以促进作物的生长和发育,使其发挥最大的生产力。

4、不受土地限制。无土栽培可以在不适宜于农作物生长的地方进行,不选择土地的肥沃性,在荒地、沙滩、山岭坡地及城市屋顶、阳光充足的空闲地都可地进行栽培,既可扩大作物生产种植面积,又可以改善城市环境。

5、节约人力物力资源   无土栽培因简化栽培工序,节省劳力,应用设施进行操作、管理,利用电脑自动控制营养液浓度、用量、酸碱度以及氧气供应和温度调节等,向现代化生产方式发展,实现了蔬菜种植工厂化。

七、目前存在的问题及对策

1、栽培技术不配套

1.1 基质选择不合理 虽然目前对基质的研究取得了不少进展,但有些基质造价很高,如泥炭、椰壳粉等,并且其中有的基质是不可再生的;有些基质所带杂菌较多,不符合卫生要求;有的基质配比不合理。应因地制宜,就地取材,降低成本,进一步进行基质配方的筛选研究。

1.2 营养液配方通用型为多,专用型较少 由于作物种类繁多,且同一作物不同生长发育阶段所需营养也有所不同,故应根据具体作物种类及不同的生长期合理选用营养液,有关该方面的研究仍需深入进行。

1.3 管理技术不配套 无土条件下的管理技术不同于土培条件的管理技术,但在实际生产中,往往不能根据无土条件进行科学管理,经常存在经验管理的做法。应进一步进行无土条件下的管理技术体系研究,探索无土栽培条件下的管理措施及方法。

2、有些无土栽培设备复杂,造价过高。这种情况制约了无土栽培技术在某些地区的发展。应进一步简化设施,增强无土栽培的可操作性。

3、专业品种的选育工作跟不上。即适宜无土栽培的作物品种选育工作应加紧进行,目前这一领域的研究在国内尚属空白。

4、从事无土栽培研究、推广的人才缺少应加紧培养,以适应目前迅猛发展形势的需要。因地制宜发展具有本地特色的无土栽培技术,如大力发展立体栽培模式、发展有机生态型无土栽培技术等。

八、无土栽培的发展趋势及前景

综观国内外无土栽培的现状与趋势,该项技术已由试验阶段进入生产应用阶段,其关键技术也日臻完善,发展速度将会加快。无土栽培新技术,开创了高效农业发展的新模式,它给农业生产从田间生产走向工厂化、集约化生产带来了可能,同时它也是绿色环保食品生产的重要途经,是一项充分利用自然资源的栽培模式。

目前,世界上的无土栽培技术发展有两种趋势:一种是高投资、高技术、高效益类型,如荷兰、日本、美国、英国、法国、以色列及丹麦等发达国家,无土栽培生产实现了高度机械化,其温室环境、营养液调配、生产程序控制完全由计算机调控,实现了工厂化生产和产品周年供应,产值高、经济效益显著。另一种趋势是以发展中国家为主,根据本国的国情和经济技术条件,就地取材搞土法上马,手工操作,采用简易的设备。这些国家发展无土栽培的目的是改造环境、节约用水和土地资源,解决人民的基本生活需要。

无土栽培作为一项较新的栽培形式,在我国的起步虽然较晚,但其迅猛发展的势头已初步表现出来,发展前景极为广阔。在今后一段时间里,其发展速度将更加快,集约化、现代化、自动化程度也会日益提高,生产效益会愈发明显。但由于我国地区间经济发展不均衡,在栽培水平和效果上仍会有较大差异,高度设施化与简易栽培并存的局面仍会持续较长时间。