無土栽培的應用前景
無土栽培開創(chuàng)了高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的新模式，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)走出田間、離開土壤提供了可能，同時開創(chuàng)了綠色環(huán)保農(nóng)業(yè)新途徑。隨著科學技術的發(fā)展，無土栽培必然會緊密結合作物栽培學、植物營養(yǎng)學、植物保護學、機械工程學、電子信息學、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學等學科，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。我國無土栽培起步較晚，技術水平還有待提高，但隨著國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，特別是有待通過無土栽培的技術手段來解決傳統(tǒng)土壤栽培出現(xiàn)的一系列難以解決的問題，必將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面顯示出良好的作用。無土栽培的興起，將使農(nóng)業(yè)、園藝、林業(yè)、觀賞植物生產(chǎn)乃至非耕地利用、沙漠海島開發(fā)、城市美化等進入一個新的發(fā)展階段。無土栽培技術在綠色農(nóng)業(yè)、節(jié)水農(nóng)業(yè)、高效設施農(nóng)業(yè)、高品質農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、都市農(nóng)業(yè)、拓寬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、環(huán)境保護等方面均具有廣闊的應用前景。
01
在綠色農(nóng)業(yè)中的應用
推進綠色發(fā)展是農(nóng)業(yè)發(fā)展觀的一場深刻革命。無土栽培具有投入品和生產(chǎn)過程嚴格管控的優(yōu)勢，通過提升無土栽培水肥管理技術，提高農(nóng)業(yè)用水、用肥的效率，可以實現(xiàn)無土栽培農(nóng)產(chǎn)品的綠色生產(chǎn)。無土栽培可大大減少農(nóng)藥、化肥用量，消除作物連作障礙。此外，無土栽培可以隔斷土壤病原菌和蟲卵侵染危害，不必施用農(nóng)藥，防止農(nóng)藥污染。封閉式無土栽培系統(tǒng)還可以創(chuàng)造出潔凈、穩(wěn)定的生長環(huán)境，保障作物綠色安全生產(chǎn)。同時，實行營養(yǎng)液循環(huán)利用，可避免廢液排放帶來的環(huán)境污染。我國大面積推廣應用的有機生態(tài)型無土栽培采用的營養(yǎng)液配方簡易、成本低、易于配制，與傳統(tǒng)全量化學營養(yǎng)液配方相比，大、中量元素用量減少20%~47%，微量元素化肥用量減少90%以上，成本降低40%以上。采用有機生態(tài)型無土栽培技術種植高品質番茄，與常規(guī)土壤種植相比，鉀用量增加6.96%，但氮用量減少51.56%，磷用量減少82.02%。因此，無土栽培將是21世紀綠色農(nóng)業(yè)中最具生命力的栽培技術，在我國農(nóng)業(yè)進入綠色轉型的新階段，具有廣闊的應用前景。
02
在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應用
與一般土壤栽培相比，無土栽培技術可節(jié)水50%~70%；與土壤滴灌栽培相比，可節(jié)水20%~25%。據(jù)研究，無土栽培種植茄子每生產(chǎn)1ｋg產(chǎn)品耗水46ｋg，而土壤栽培生產(chǎn)1ｋg產(chǎn)品需水400ｋg，無土栽培可節(jié)水88.5%
因此，無土栽培對淡水貧乏國家或地區(qū)更為重要。我國存在大面積的沙漠、干旱及半干旱地區(qū)，地域性和季節(jié)性干旱問題仍將持續(xù)存在，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素之一。據(jù)報道，我國目前有45%的地區(qū)年均降雨量小于400ｍｍ，農(nóng)田灌溉和生活用水在某些地區(qū)嚴重匱乏。因此，解決缺水問題對中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展十分關鍵。無土栽培是提高作物水分利用率的有效途徑，可減少農(nóng)業(yè)灌溉用水，在節(jié)水農(nóng)業(yè)中具有廣闊的應用前景。
03
在高效農(nóng)業(yè)中的應用
無土栽培的作物產(chǎn)量是土壤常規(guī)栽培的幾倍或幾十倍。無土栽培比土壤栽培四季豆增產(chǎn)3.2倍，甘藍增產(chǎn)0.4倍，黃瓜增產(chǎn)3倍，番茄1.2~2倍，彩椒產(chǎn)量可達82.5~90t·hm-2；朱世東等[114]研究顯示，與土壤栽培相比，基質栽培條件下番茄、辣椒、黃瓜產(chǎn)量分別提高了27.34%、32.98%和23.83%；胡玥[115]試驗表明，水培芹菜較土壤栽培增產(chǎn)了255.81%，基質栽培葉用萵苣、芹菜、青菜、菠菜分別增產(chǎn)37.39%、82.13%、155.76%、2.90%。20世紀90年代以來，我國高效設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，但是日光溫室等設施在使用3~4年后都會出現(xiàn)不同程度的鹽漬化等土壤障礙，導致作物產(chǎn)量和品質下降。無土栽培技術是克服設施土壤連作障礙最有效、最經(jīng)濟和最徹底的辦法，但目前我國無土栽培面積不足設施總面積的1%。無可置疑，無土栽培技術在我國高效設施農(nóng)業(yè)中具有廣闊的應用前景。
04
在高品質農(nóng)業(yè)中的應用
無土栽培中使用的營養(yǎng)液是根據(jù)作物正常生長狀態(tài)下對養(yǎng)分的需求規(guī)律，把土壤中所能提供的各類營養(yǎng)元素以更純凈高效的形態(tài)和更合理的配比供應給植株，可認為化學肥料營養(yǎng)液提供的養(yǎng)分是“土壤中有效養(yǎng)分的精華”，與土壤里的“有效養(yǎng)分”形態(tài)（離子狀態(tài)）沒有本質的區(qū)別；“有機農(nóng)業(yè)”和“自然農(nóng)耕”生產(chǎn)施用的有機肥等進入土壤后，各種有機狀態(tài)的營養(yǎng)元素必須經(jīng)過溶解、分解、轉化等過程，形成“有效養(yǎng)分”形態(tài)（無機離子狀態(tài)）植物根系才能吸收利用。而無土栽培作物吸收營養(yǎng)的方式更直接，與“有機農(nóng)業(yè)”和“自然農(nóng)耕”中營養(yǎng)吸收方式?jīng)]有差別，因此不存在產(chǎn)品安全隱患問題。
營養(yǎng)液是無土栽培的主要養(yǎng)分來源，作物生長過程中依靠營養(yǎng)液養(yǎng)分的供給比土壤栽培有機肥等肥料直接、充足、及時、高效，因此無土栽培的蔬菜等產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量要高于土壤栽培，這也得到國內(nèi)外高水平管理無土栽培生產(chǎn)基地的充分證實。鄭回勇等[116]對國內(nèi)外54個無土栽培的番茄品種（系）進行營養(yǎng)成分分析發(fā)現(xiàn)，主要營養(yǎng)成分平均值分別為：抗壞血酸369.60ｍg·ｋg-1、番茄紅素54.92ｍg·ｋg-1、可溶性固形物4.27%、總糖4.66%、總酸0.48%，硝酸鹽含量30.15ｍg·ｋg-1、亞硝酸鹽含量1.08μg·g-1，營養(yǎng)成分含量明顯高于土壤栽培，而硝酸鹽、亞硝酸鹽含量均明顯低于國家無公害蔬菜安全標準值。與土壤栽培相比，基質栽培甜瓜果實的甜度、甜味和鮮味氨基酸含量、維生素C含量均有所增加。
05
在都市農(nóng)業(yè)中的應用
(1)在城市美化中的應用
利用無土栽培技術可以綠化城市空間，增加城市綠化面積。建造城市樓頂平臺無土花園和菜園，既能改善城市小氣候，提高空氣質量，減少疾病，增進市民身體健康，又能增強城市環(huán)保力度。在城市中，利用無土栽培培育景觀植物，可以大大提高其觀賞性。以景觀蔬菜為例，因其風韻獨特、氣味芳香、顏色鮮艷、形態(tài)奇異等特點，近年來被廣泛應用于城市植物觀光、庭院景觀、園林綠化等領域，克服了土壤栽培造景困難、搬運不便、觀賞期短等缺陷，已成為城市美化的重要手段之一。
(2)在屋頂綠化中的應用
屋頂綠化歷史悠久。美國加利福尼亞奧克蘭市凱澤中心的屋頂花園，北歐斯堪地納維亞地區(qū)在屋頂鋪設草皮等，是屋頂綠化非常好的代表?，F(xiàn)代屋頂綠化于19世紀末期第一次出現(xiàn)，發(fā)展到20世紀中期在歐洲普遍流行起來，20世紀末廣泛應用于歐美等發(fā)達國家。現(xiàn)階段，屋頂綠化應用最好的國家是德國，在有關政策扶持下，30%~40%的新建屋頂都有配置綠植，屋頂綠化的技術水平也居世界領先地位；日本的屋頂綠化也較發(fā)達，其中東京屋頂綠化占45%左右。我國的屋頂綠化發(fā)展比較緩慢，即便是北京、上海等大城市，屋頂綠化率也不到1%，其他城市的屋頂綠化率則更低。無土栽培因其獨特的優(yōu)勢，必將成為屋頂綠化的首選技術，具有廣闊的應用前景。
(3)在陽臺農(nóng)業(yè)中的應用
陽臺農(nóng)業(yè)是都市農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種重要形式，是新奇特植物新品種應用、室內(nèi)設計、無土栽培、環(huán)境美學、科普教育、生態(tài)環(huán)保等有機融合和高度集成的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術，是都市農(nóng)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的方向之一。近年來，隨著城鎮(zhèn)一體化的推動影響，環(huán)保綠化與城市建設二者的矛盾愈發(fā)明顯，人們?yōu)榱嗽黾泳G色，充分使用陽臺有限的空間，從單一的休閑放松轉換為種植花果蔬菜，進而美化、綠化、改善居住環(huán)境，為城市環(huán)保貢獻一份力。陽臺農(nóng)業(yè)的發(fā)展得益于無土栽培技術，目前能夠應用于陽臺農(nóng)業(yè)的植物已有100多種，技術已經(jīng)成熟。隨著社會和經(jīng)濟的進步，居民的物質水平不斷提高，人們對娛樂休閑的要求逐漸增加，未來陽臺農(nóng)業(yè)的總需求量將會逐年遞增，因此基于無土栽培的陽臺農(nóng)業(yè)也必將呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢。
(4)在城市草坪生產(chǎn)中的應用
隨著社會及城市的快速發(fā)展，草坪的應用越來越廣泛。草坪種植是城市綠化中一項必不可少的手段，然而傳統(tǒng)草皮或草毯生產(chǎn)給生態(tài)環(huán)境帶來嚴重損害?，F(xiàn)階段，生產(chǎn)草毯多利用土壤培植，一方面大量占用耕地，另一方面在移植草毯時會帶走大量的地表土壤，使得土層結構遭到嚴重破壞。另外，帶土草毯質量大，運輸成本高，大批量生產(chǎn)難度大，迫切需要新的草坪生產(chǎn)技術取代傳統(tǒng)有土草坪，在這種背景下無土草毯應運而生。早在20世紀40年代就有基質草坪生產(chǎn)的相關研究報道，但鑒于技術和社會經(jīng)濟發(fā)展水平所限，沒有得到廣泛應用。無土草毯生產(chǎn)方式既能利用有機廢棄物作為基質，變廢為寶，又能保護地表土壤，具有生產(chǎn)周期短、質量小、不帶土、成坪快、易成活、無病蟲害等優(yōu)點，是一種潛力巨大、技術含量高的草坪生產(chǎn)技術，在保護土壤環(huán)境方面發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應用前景。
06
在非耕地農(nóng)業(yè)中的應用
土地資源短缺、耕地有限、人口增長是困擾各國農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本問題，食物安全世界矚目。一方面人口增長帶來的糧食安全問題日益凸顯，另一方面隨著工業(yè)化進程、城市建設、交通運輸?shù)鹊某掷m(xù)發(fā)展，導致耕地面積持續(xù)減少，果樹、蔬菜和花卉等園藝作物與糧食作物爭地矛盾加劇。同時，隨著全球產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整和優(yōu)化，出現(xiàn)了大量的廢棄工礦地，這些土地經(jīng)平整復墾后，土壤有機質含量低，幾乎不含有機質，短期內(nèi)不可直接種植農(nóng)作物，浪費了土地資源。此外，地球上還分布著較多的戈壁荒灘、沙漠、荒溝、鹽堿地、島嶼等非耕地。運用無土栽培技術，能夠在非耕地以及中低產(chǎn)田、廢棄工礦區(qū)等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以耕作的地區(qū)進行園藝作物的生產(chǎn)，從而緩解人地矛盾，避免園藝植物與糧食爭地的矛盾。以我國戈壁日光溫室甜椒生產(chǎn)為例，一般產(chǎn)量為57.75t·hm-2，產(chǎn)值為75萬元·hm-2，純收入可達52.13萬元·hm-2[119]。可見，利用戈壁、荒灘等非耕地開展作物無土栽培，不僅可有效利用非耕地資源，拓寬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間，而且可取得顯著的經(jīng)濟效益。
07
在環(huán)保農(nóng)業(yè)中的應用
一方面，隨著無土栽培和工廠化育苗的快速發(fā)展，需要大量質優(yōu)價廉的基質產(chǎn)品，而傳統(tǒng)草炭基質因環(huán)保政策限制和成本較高等原因，迫切需要開發(fā)草炭替代品；另一方面，地球上每年產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈、工業(yè)有機廢棄物、園林修剪枝條等，對生態(tài)環(huán)境造成重大威脅，急需要對這些有機廢棄物資源化利用。
因此，基于提供可替代基質和環(huán)境目標的考慮，利用工農(nóng)業(yè)有機廢棄物生產(chǎn)性能穩(wěn)定、價格低廉、養(yǎng)分充足且適宜規(guī)模化生產(chǎn)的基質產(chǎn)品，是各國特別是發(fā)展中國家高效生態(tài)農(nóng)業(yè)提質升級、節(jié)約農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境友好及循環(huán)利用的迫切需要。以我國為例，每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約8億t、糞污排放量約39.8億t、食用菌菌渣約6000萬t、花生殼達140萬t，并且以年均5%~10%的速度遞增，但我國有機廢棄物利用率不到30%，資源浪費，且對環(huán)境造成巨大壓力。基質化利用這些有機廢棄物資源，可有效減輕環(huán)境壓力，實現(xiàn)環(huán)境保護
目的。值得關注的是，我國城市污泥排放量巨大，年排放量約6000萬t，城市污泥中含有豐富的營養(yǎng)物質，對土壤具有改良作用，經(jīng)過堆肥和發(fā)酵處理后，可用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)以及花卉、草坪草等的種植。充分利用城市污泥開發(fā)無土栽培基質，不僅可減少污泥對城市環(huán)境的污染，而且可為無土栽培提供優(yōu)良的基質產(chǎn)品。