為了解植物無土栽培技術的發展，以“無 土 栽 培”、“基質 栽 培”、“霧培”和“水 培”為 關 鍵 詞，依 據 WebofScience、Pub-Med和知網等數據庫，檢索了1989—2021年發表的相關文獻，對無土栽培發展歷程、主要技術以及未來趨勢進行了總結和分析。結果表明：1)無土栽培包括水培、霧培、基質栽培等，其中成本低、操作簡單的基質栽培是主要方式，而操作、成本均更高的霧培和水培在高效植物栽培工廠建設上潛力巨大;2)探索高效、節水、可持續有機種植技術，融合人工智能和物聯網技術，發展適配常規環境和惡劣環境的智慧農業是發展趨勢之一;3)針對室內及樓宇空間等個體化種植需求，發展小型化、家庭化、精致化、智能化無土栽培技術是發展趨勢之二;4)密閉空間種植和太空種植技術的研究也將受到更多關注。

　　關鍵詞 無土栽培;有機種植;智慧農業;太空種植

　　無土栽培是一門新興并迅速發展成為熱潮的植物栽培種植技術，其生產的農業產品普遍具有綠色、健康、無污染的特點[1]。與傳統農業相比，無土栽培用水大幅減少，過程無需翻地、除草等作業，大大減少了人力 資 源 的 投 入。作為一種高新作物種植方法，無土栽培擺脫了傳統意義上對土壤的需求，能避免土壤病蟲害和土壤鹽漬化等問題;同時，土壤資源不再是植物種植的限制條件，在沙漠、島礁等地區也可推廣，擴 展 了 農 業 生 產 空 間，提高了空間利用率[2]。

　　此外，無土栽培可以根據需求對作物生長環境進行調控，從而使農業生產擺脫自然環境的制約，更易于管理，發展無土栽培技術有利于實現農業機械化、自動化[3]。無土栽培技術的推廣應用為農業生產提供了新思路。目前，世界上將無土栽培技術投放到市場的國家 和 地 區 已 經 超 過 100 個，栽 培 技 術 不 斷 進步[4-6]。相對于世界其他發達國家，我國對無土栽培技術的關注較晚，但在短時間內發展迅速，涌現出了許多符合我國國情的無土栽培技術[7]。

　　不足 的 是，現階段我國發展的新型無土栽培技術大多處于規模較小的試驗示范階段，與國外成熟的無土栽培技術體系和廣泛 的 市 場 認 可 度 相 比，存 在 一 定 差 距：美國、日本、荷蘭等發達國家，無土栽培機械化程度高，大量采用計算機自動控制，實現了產品周年供應，產值高，經濟效益顯著;與之相比，我國大多采用人工、半人工管理 的 方 式，由 于 效 率 低，相對投資成本偏高，無土栽培在我國的推廣也受到限制，無土栽培技術仍有巨大的發展空間[8-9]。因此，為了解國內外無土栽培技術 的 發 展 歷 程、主要形式和應用領域，以“無土栽培”、“基質 栽 培”、“霧培”和“水 培”為 關 鍵詞，依據 WebofScience，Pub-Med，知網等數據庫，檢索了1989—2021年國內外相關文獻，對無土栽培技術類型、特點和發展方向進行了總結和分析，以期為我國無土栽培技術的研究及產業發展提供參考。

　　1 無土栽培發展歷程

　　1.1 外無土栽培發展概況

　　Surareungchai等[10]在文章 中 提 及 無 土 栽 培 起源于歐洲。19世紀中葉，德國科學家vonLiebig提出了礦質營養對植物生長影響的相關理論，該理論成為無土栽 培 技 術 發 展 的 基 石。李 程 等[11]總結 了蔬菜無土栽培發展現狀及趨勢：早至1865年，德國科學家Sachs和 Knop成功利用廣口瓶和棉塞對植物進行水培試 驗，是現代無土栽培技術的先驅;進入20世紀，無土栽培技術在歐美日等農業發達國家和地區 得 到 迅 速 發 展，1929年，美國 加 州 福尼亞大學的 Gericke利用 自 己 設 計 的“水 培 植 物 設施”成功培育出了番茄果實，他也是將無土栽培進行市場化 的 第 一 人，無 土 栽 培 技 術 從 此 進 入 實 用 化階段。1964年，日本園藝研究所設計出驅動循環式水培設施，成為最早的深液流水培設備[12]。

　　汪興漢[13]總結了營養液膜(NFT)栽培技術，該技術由英國科學家 Cooper于1973年發明，其原理是使種植槽中水培營養液以淺層流動的形式從較高的一端流向較低的一端，其出現進一步推動了無土栽培技術的發展。1980年，國際 無 土 栽 培 學 會 在 荷 蘭 成 立，標 志著無土栽培技術研究進入了一個國際化合作的新階段。此后，隨著耕地資源和水資源日益稀缺，如何養活快速增長的人口成為現代農業急需解決的難題，這也極大促進了無土栽培技術的發展。

　　21世紀初，日本研制出全自動控制的植物工廠;2009年英國推出了家用電動無土栽培機;2010 年，歐 洲 環 境 署(EEA)鼓勵 建 立 垂 直 農 場，以 克 服 氣 候 變 化 的 挑戰，并以更環保的方式生產食品。上述工作極大地促進了無土栽培區域市場的增長，無土栽培技術已然在實際生活中落地。據統計，2018年全球水培市場規模高達13.3億美元，展示了無土栽培技術的廣闊前景[14]。

　　1.2 國內無土栽培發展概況上海四維 農 場 是 中 國 發 展 現 代 無 土 栽 培 的 先鋒。20世紀30年代，四 維 農 場 邀 請 一 些 無 土 栽 培技術發達國家技師來華開展無土蔬菜培養，為當時上流西餐廳提供無土栽培番茄、黃瓜等果蔬，深受消費者歡迎，也推動了無土栽培技術在中國的發展。隨著二戰 爆 發，市 場 蕭 條，該 農 場 不 得 不 停 辦。

　　20世紀40年代，我國科學家曾嘗試將無土栽培技術應用到實際農業生產中，但受限于設備、技術和經濟條件未能成功。進入50年代后期，在經濟較為發達的上海，研究者重新開始小規模的無土栽培試驗。80年代中期，隨著民眾對蔬菜、花卉和特種水果需求的增大，我國開始成套引進國外的無土栽培設備與技術，極大地提升了無土栽培技術在民間的接受度和認可度，無土栽培的推廣速度逐步加快[15]。1995年，隨著有機生態型無土栽培技術的市場認可度增加，我國無土栽培的種植面積擴展到50hm2 左右。在這之后，我國對無土栽培科研項目的投入力度不斷加大，國外技術引進和自主研發并重，推動我國無土栽培朝大規模生產、智能化管理和高經濟效益的方向發展，無土栽培推廣取得顯著成果：

　　例如，2016年，中國科學院植物研究所和福建三安集團共同成立福建省中科生物股份有限公司，并建立了當時世界面積最大的、帶智能控制的全人工光植物工廠—中科三安植物工廠，實現了無土栽培蔬菜生產的產業化應用;2018年12月，以日本水培技術為基礎、面積超過10000 m2 的京東智能水培蔬菜工廠建成，該植物工廠是中國最大的采用日本技術的太陽光和人工光結合型植物工廠。截止2018年，我國無土栽培面積高達6250.5hm2;預計到2023年種植面積將增長到16561.3hm2[14]。

　　2 無土栽培的主要形式

　　無土栽培技術的研究歷史已經超過150年，經過多年積累，該技術成功地從實驗室走向了商品化市場。目前為止，已發展出了多種現代化無土栽培方法[16]。無土栽培大致可分為水培、霧 培、基 質 栽培3類，3種栽培方式所需要的種植條件、適用地區范圍和經濟效益等皆有所不同(表1)。其中，基 質栽培成本投入相對較少，技術難度也相對較低，效率居中;水培和霧培成本投入和技術難度更高，但效率也相對更高;3種栽培方式的產量和植物生長速度與其成本投入和技術難度成正比。

　　2.1 質栽培基質

　　栽培是使用有機或者無機的固體基質，代替土壤實現植物的根系固定。同時，利用營養液代替水和營養物質，營養液包含硝酸鉀、硝酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、鐵鹽、微量元素等不同營養成分，植物根系可以吸取基質中的營養液，從中獲得生長所需要的 氮、磷、鉀 等 營 養 物 質[17]。早在1860年，美國科學家就進行了相關試驗，證實營養元素豐富的基質能夠支持植物的正常生長[18]。隨著 技 術 的 不斷進步和資金投入，基質栽培在一些園藝設施發達國家得到了快速的推廣應用，是一種商品化較為成功的無土栽培模式。目前，基質栽培面積占我國商業性無土栽培面積的90%，是無土栽培的主要形式。

　　與常規土壤種植的作物相比，基質栽培蔬菜產量高、品質好，也更加省水、省肥、省 力[19]。因為基質栽培在相對密閉隔離的環境中進行，在很大程度上還可以預防種植系統外部環境和土壤連作障礙帶來的病蟲害。雖然相較于土壤種植，基質栽培的投入成本較大，操作技術較為復雜;但相比于無土栽培中的水培和霧培技術，該方法仍具有投資相對較少、設備簡單、易于操作的特點[16]。

　　2.1.1 巖棉栽培無土栽培基質可以分為有機基質和無機基質。有機基質包括腐葉、泥炭、樹皮等，無機基質包括礫石、陶粒、巖 棉、珍 珠 巖、蛭 石 等[18]。其 中，巖 棉 方便、易用，具有高保水性和透氣性，為根系的生長提供了良好條件，也更利于調控作物的營養和生長，實現高產，是目前荷蘭等國家和地區的主要無土栽培基質[18]。巖棉栽培的基本操作模式是將巖棉基質分割成規格大小相同的塊狀，用塑料膜制作成包裹形狀，然后用于植物的種植。根據營養液是否循環利用，可將其分為開放式和循環封閉式巖棉栽培2類，封閉式巖棉栽培在開放式巖棉栽培的基礎上增加了營養液收集通道，進行多余營養液的循環利用。

　　20世紀初，巖棉栽培技術在歐美國家地區進入成熟階段，得到廣泛應用。最初，巖棉栽培在國內的推廣速度較為緩慢，主要原因是巖棉栽培對巖棉材質要求較高，要具有良好的親水性，保證長久使用后形狀和孔隙率不變;內部纖維要分布均勻，有利于植物根系延伸和生長;而我國農業用巖棉質量多數達不到種植標準，且管理技術不完善。但國內公司在消化吸收國外技術的基礎上不斷創新，極大地推動了技術發展，我國巖棉栽培也愈發走向成熟。2020年，浙江軒鳴新材料有限公司開發了有利于植株根系橫向生長的農 用 種 植 巖 棉，能 提 高 作 物 產 量[20];次年公開了一種利于蓄水種植巖棉結構[21]。巖棉 栽 培能最大程度減少病蟲害發生，可生產出綠色、無公害的食品，相信隨著消費市場對綠色蔬菜需求的增加，巖棉栽培技術將越來越受到種植者的青睞。

　　2.1.2 有機生態型無土栽培有機生態型無土栽培是我國根據國情研發的一種基質栽培技術，該技術利用有機固態肥為植物提供養分，以清水灌溉，上述有機固態肥采用種植業和養殖業的副產品及廢料加工而成，配制操作簡單，管理方便[22]。有機固態肥富含植物生長所需要營養物質，無需額外添加營養液，因此極大地降低了植物批量培養所需的資金和時間成本。栽培系統廢水硝酸鹽含量僅1～4mg/L，對環境 不 會 造 成 污 染[23]。有機生態型無土栽培多用于種植對品質要求較高的蔬菜，通過選用優質、高產、抗病性強的新品種，能最大程度地增產增效。目前，適用于此技術的優質蔬菜種類還較為缺乏;此外，有機基質的理化性狀變化較大，穩 定 性 相 對 較 差，使 用 過 后，土 質 的 pH 值、EC值等一些 理 化 性 狀 可 能 出 現 變 化，容 易 造 成 作物產量和品質的下降。與之相比，無機基質雖然含有營養很少，但理化性狀穩定;考慮到兩者優點，采用有機無機混合基質的方案成為基質栽培新的發展方向[24]。

　　2.1.3 基質栽培袋基質栽培袋栽培是一種新型無土栽培方式。實際使用中，會選擇適宜材料做成袋狀，將調配好的基質裝入袋中用來種植植物。目前，已應用于我國多種蔬菜(番茄、黃瓜等)以及花卉的種植過程中[25-26]。

　　基質栽培袋具有如下優點：1)基質栽培袋的制作要求較低，選擇普通材料制作成培養袋即可，制作工藝簡單，成本低廉;2)袋與袋之間相互獨立，可以防止病蟲害傳播;3)系統簡潔，移動方便，可根據需求為植物尋找合適的環境，不受氣候等自然條件的限制，因此，還可進行作物的反季節栽培。除了應用于農業果蔬的種植，基質栽培袋還可以用于家庭陽臺、庭院等地的園藝栽培，栽培袋材料多樣、色彩豐富，因此可用于裝飾，起到美化環境的作用。

　　2.2水培法種 植 植 物 不 需 要 用 基 質 來 固 定 植 物 根系，植物的根能夠直接與營養液接觸來吸收水分和營養[27]。水培技 術 的 優 點 在 于 栽 培 人 員 可 以 通 過調整營養液的配比來實現植物營養供給均衡，能有效避免土傳 病 蟲 害，節 約 水 土 資 源，適 用 于 蔬 菜 種植[28-30]。但是，該技術對資金投入和操作技術要求較高，對水培種植系統的自動化、機械化和信息化管理的研究仍需進一步深入[31]。

　　2.2.1 深液流水培技術深液流水培系統在運行過程中需要更多的營養液，通常其所需的營養液深度可達到幾厘米甚至幾分米[32]。

　　現有深液流水培設施有十多種，可以分為深水培類型和半深水培類型，深水培類型設施有 M式、久保田式等，半深水培類型設施有協和式、神園式、新和等量交換式等。不同類型主要差異是液層深度，深水培類型液層相對較深。同時，不同類型結構上也有或多或少的差異：久保田式深水培設施一般由種植槽、定植板、貯液池、營養液循環流動系統等4大部分組成[33];M 式深水培設施是利用泡沫塑料或水泥預制板拼裝成種植槽，槽內鋪墊塑料薄膜以盛裝營養液，槽底安裝供液管，通過水泵實現營養液循環，水泵出口附近安裝有空氣混入器[12]。

　　協和式半深水培設施的種植槽為塑料拼裝式的，可拆遷，安裝較為簡單，其主要由種植槽、定植板、營養液循環系統、貯液池和供液控制系統等部分組成[12];神園式半深水培設施的種植槽中有一層流動的營養液層，其營養液 通 過 供 液 管 噴 頭，以噴霧的形式來提供;新和等量交換式半深水培設施不設置儲液池，其種植槽是由 U 形聚苯乙烯泡沫塑料拼接而成，槽內襯塑料薄膜，槽框上安裝植物定植板，通過水泵進行營養液循環[12]。上述不同類型的深液流水培的營養液層都較深，通常由定時器控制小水泵抽取營養液在栽培管中循環流動，因此植株根系所處液層的營養液具有較高的穩定性，能為根系提供良好的生長環境，其不足是容易導致植物根系缺氧。

　　2.2.2 營養液膜水培技術營養液膜栽培技術是另一種典型的水培技術，能有效解決深液流水培技術植物根系缺氧的不足。營養液膜種植槽中的營養液較淺，深度大約在幾毫米或1～2cm。營養液膜栽培系統使用傾斜種植槽，較淺的營養液層能夠使植物根系的一部分伸展在流動的營養液中，另一部分則可以接觸到培養槽的濕氣環境，這樣就能夠有效解決植物根系需氧的問題[34-35]。營養液膜栽培所使用的營養液可以循環利用，種植槽的制作材料選擇多樣，如塑料、模板等，大部分材料成本都不高，容易獲得，這有利于進一步向自動化生產發展，因此這項技術在世界上被廣為推崇，并獲得研究人員和市場的青睞，成為代表性的無土栽培方式[36-37]。

　　2.2.3 浮板毛管水培技術浮板 毛 管 水 培(FloatingCapillaryHydroponics，FHC)是1991年由浙江省農業科學院和南京農業大學參考國外營養液膜水培設施的優點改良研制的一款無土栽培系統，屬于水培的一種[38]。

　　該技術利用漂浮在營養液上的浮板無紡布濕氈為植株創造氣生根生長的濕潤豐氧環境，使根系能從空氣中汲取游離氧。浮 板 毛 管 栽 培 的 營 養 液 供 給 通 常 維 持 在3～6cm，是普通蔬菜日常所需液量的3～6倍，因此即使設備短期停電，也不會對作物生長產生較大影響，解決了營養液膜栽培系統因停電導致的營養液供給不足的問題。此外，浮板毛管水培系統的種植槽采用聚苯乙烯泡沫板制作而成，隔熱性能好，營養液循環在全封閉的狀態下進行，因此槽內空間受外界環境變化的影響較小，液溫穩定。目前，浮板毛管水培已被推廣至北京、山東等十幾個省，主要應用于浙江、江蘇等東南沿海一帶[38]。

　　3 無土栽培技術的應用

　　3.1 民用領域無土栽培具有一定技術要求，經濟成本也相對較高，但無土栽培可在完全可控的環境下進行，植物生長不受地域條件的限制，產品品質高，因而得到了較為廣泛的應用，主要包括如下幾個方面：

　　1)無土育苗：無土育苗的主要形式有播種育苗、組織培養 育 苗 和 扦 插 育 苗 等。與傳統育苗方式相比，無土育苗具有壯苗率高、繁殖系數高、幼苗健壯整齊、省工省時等特點，便于科學規范管理，適合大規模工廠化育苗[46]。

　　2)蔬菜培養：通過無土栽培可有效解決土壤鹽漬化、土傳病蟲害等土壤連作障礙，并且可以充分利用土地空間，適合在沙漠、鹽堿地、礦區等不適宜土壤種植蔬菜的地方推廣[47-48]。通過該技術種植出的蔬菜病害少、無污染，生產過程省肥省水省力，是實現蔬菜生產自動化、規模化、量產化的重要途徑[49]。

　　3)花卉培養：無土栽培培育的花卉生長快、花朵嬌艷、品質上乘，并且清潔衛生，病蟲害少，這些優勢使得花卉無土栽培在世界上得到了一致好評，尤其是在荷蘭等園藝技術發達的國家，花卉無土栽培更是得到了大面積推廣。國內對花卉無土栽培的起步較晚，仍處于發展階段，目前主要利用水培和基質栽培進行花卉無土種植[50]。

　　4)生態觀光：無土栽培還可用于生態酒店、生態餐廳、生態園等觀光農業以及現代化無土栽培基地等中小學農業科普教育基地的建設，這些地方利用無土植物栽培方式作為技術支撐，很好地體現了人與自然和諧發展的新觀念[51]。

　　5)魚菜共生：是魚產養殖技術和植物水培栽種技術相互結合誕生的綜合性系統，是一種復合型植物、作物栽培體系。在該共生系統中，魚類產生的代謝廢物，通過硝化細菌的生物轉化作用成為植物可以利用的養料，被植物凈化吸收后的干凈水資源，再次匯入魚池給魚苗提供適宜的生存環境，由此形成良性循環[52]。魚菜共生系統采用無土栽培，避免了土壤重金屬污染，又因為有魚的存在，因此種植過程中不能使用任何農藥，使得生產產品綠色健康。此外，推廣魚菜共生技術可以節約大量優質耕地，以池塘魚菜共生為例，每養殖65000m2 魚，水面可增加6500～14000m2 蔬菜種植。同時，魚菜共生系統的用水可以循環凈化使用，與傳統農業相比用水量節省了90%以上[53]。

　　4 結與展望

　　綜合無土栽培技術以及新材料、人工智能等的發展，未來無土栽培技術可以針對不同地區和環境的需求，重點考慮如下3個發展方向：

　　1)可在氣候極端、耕地缺乏的地區推廣無土栽培技術，融合 人 工 智 能 和 物 聯 網 技 術，發 展 智 慧 種植、生態種植，充分利用有限的水土資源提高作物產出�？紤]到資金和資源高效利用的問題，可以嘗試大力推廣有機生態型無土栽培技術。同時，還可以研究新型無土栽培模式，例如基質土壤相結合的二元栽培法，有機無土栽培與滴灌技術相結合等，充分利用耕地淡水資源，以獲取良好的經濟、生態效益。

　　2)無土 栽 培 技 術 可 以 在 經 濟 發 達 地 區 朝 小 型化、家庭化、精致化、智能化的方向發展�？梢詫�無土栽培應用于屋頂花園、陽臺農場等，城市居民可利用小型無土栽培裝置，發揮家中的小規模閑置空間，進行種菜、養 花，將 都 市 農 業 和 家 庭 園 藝 栽 培 相 結合，既可以收獲新鮮果蔬，又具有娛樂性和一定的觀賞價值。同時可以建設小型植物工廠、生態園等，通過造型多樣的立體水培、霧培設施進行造景，既可以應用于中小學農業科普教育，成為展示未來農業的窗口，還可以為餐飲提供現吃現摘的綠色食材，在城市內完成消費閉環，提高人民生活水平的同時也倡導人與自然的和諧發展。

　　3)空間無土栽培技術需要大力探索和開展。對地球之外的太空探索是未來的研究方向，在空間站或外星基地實現有效的生物循環則成為關鍵因素�？臻g無土栽培技術的發展，將會使人類不受外太空環境限制從而實現有效種植，邁出在外太空生存的第一步。無土栽培技術的發展對于實現人類可持續生存和保護生態環境具有重要意義，因此積極解決該技術在實用化進程中涉及到的一些問題，例如成本相對偏高、經濟效益不顯著等，可以更好地實現無土栽培技術的價值。

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　　作者：晏 瓊1 劉曉宇1 虞昊安1 李翎慈1 劉瀟漪2 張育新2戴昊鳴1 陳斯琳1 成喜雨1*