气雾栽培的应用与研究综述
气雾栽培作为一种新型的栽培模式,是基于工程技术、生物技术、计算机控制技术等基础上的一种全新栽培模式,在理论及实际操作中还有极大的改进与提升空间。目前已有对部分城市的露天阳台、楼顶、广场、公园等场合采用气雾栽培设施种植观赏植物,均取得较好的效果。气雾栽培是未来发展高效农业的最佳栽培模式,露天自然条件下形成可操作的气雾栽培技术体系将会彻底改变当前的耕作模式。
气雾栽培简称雾培,是一种以雾化营养液方式满足植物根系对水肥需求的新型无土栽培模式,其基本原理是使植物的根系悬挂生长在封闭、不透光的环境内,营养液通过特殊设备形成喷雾,在自动控制系统的调控下间歇性喷到植物根系上,以提供植物生长所需的水分和养分。雾培与传统土培及普通水培相比,植物根系直接暴露在充满雾化营养的空气中,具有充足的自由伸展空间,可以毫无机械阻力的延伸;营养液雾化过程中不断溶解空气中的氧,可以有效解决普通水培中供氧、供肥的矛盾,具有土壤栽培和普通水培所没有的优势。气雾栽培可提高单位面积内作物的产量,具有产量高、品质好、污染少的优点,可达到高产、优质、高效的目的,符合未来农业生产发展的方向,是实现农业现代化的重要途径。
栽培系统的核心部分是栽培床,可根据空间利用率和个人审美设计出不同形状。目前较常见的有3 种,分别为金字塔式、苗床式和立柱式。
2.1.1 增加作物产量
气雾栽培有效改善了植物的根系生长环境,使得营养吸收更加直接,水和肥的利用率增大,立体式的栽培也使得植物对光的吸收利用增强。在同一生长期,气雾栽培的植物生长速度比土培和水培要快,生物量也高于其他栽培方式, 比如马铃薯(Solanum tuberosum)微型原薯的气雾栽培增产幅度一般在30% 以上,有的达到100%[4];雾培番茄的单株产量比土壤栽培增加15.3%[5]。
气雾栽培有效改善了植物的根系生长环境,使得营养吸收更加直接,水和肥的利用率增大,立体式的栽培也使得植物对光的吸收利用增强。在同一生长期,气雾栽培的植物生长速度比土培和水培要快,生物量也高于其他栽培方式, 比如马铃薯(Solanum tuberosum)微型原薯的气雾栽培增产幅度一般在30% 以上,有的达到100%[4];雾培番茄的单株产量比土壤栽培增加15.3%[5]。
2.1.2 提高作物品质
气雾栽培条件下,人们根据不同植物的营养需求制定不同的营养配方,以满足植物对水肥的需求,可以达到个性化管理和自主控制。营养条件的改善使得作物的品质得到很大的提高。2.1.3 提高水肥利用率,减轻环境污染
在传统的土壤栽培中,肥料平均利用率只有30%~40%[6];而气雾栽培可根据植物品种、对氮钾营养的喜好、处于何种生长阶段,科学合理地供给营养物质,解决养分流失问题,因此,水肥利用率可提高至90%~95%[1]。其原因在于营养液雾化后,使得根系接触营养液的表面积远远大于其他栽培方式。另一方面,在雾培模式下,植物根系的生长没有土壤阻力,亦不存在水培中的根系缺氧问题,因此,植物的气生状须根根系非常发达,根系数量庞大,提高了根系对养分的吸收,从而可以实现作物的快速生长。采用气雾栽培技术通常比常规模式栽培的植物2.1.4 可解决水培中根系缺氧问题
普通水培中,植物根系需要浸没在营养液中来保证植株的营养吸收。由于营养液中溶解氧浓度低,而根系不断的耗氧,根系供氧状况不断恶化,从而导致植物缺氧烂根,影响植物的生长。与水培不同,雾培模式下,植物的根系直接裸露在空气中,根系与空气直接接触,营养液有规律的间隔从雾化喷头中喷出,不断溶解空气中的氧气,供给植物根系呼吸,促进根系呼吸代谢,使植物体内的其他代谢机能也增强,植物生长速度加快。2.1.5 可有效避免植物的连作障碍
常规的土壤栽培或者基质栽培常有土传病害引起的连作障碍产生,需要进行隔年轮作方可继续进行生产,或者直接施用防止连作障碍的化学药品,影响生产又导致土壤污染和化学残留。而不需要土壤和基质的气雾栽培可从根本上解决土壤连作障碍的问题,只需要对营养液进行合理的调配,即可在同一套设施下可以连续多年重复栽种同一种作物。
2.1.6 提高土地利用率,实现农业现代化
气雾栽培摆脱了土壤的约束,极大地扩展了农业生产空间,在耕地面积日益减少,土壤污染愈发严重的今天显得尤为重要。常见的3 种气雾栽培模式均属于立体栽培方式,发展多层立体栽培,可提高土地利用率和单位面积产量,这是弥补我国耕地面积不足的重要途径。在人口密集的城市,可利用楼顶、阳台等空间,应用气雾栽培技术培育蔬菜,无需中耕、除草、追肥,营养液管理完全自动化,一方面可以实现居民蔬菜的自我供给,另一方面可以陶冶市民的情操,是现代农业的发展方向。
常规的土壤栽培或者基质栽培常有土传病害引起的连作障碍产生,需要进行隔年轮作方可继续进行生产,或者直接施用防止连作障碍的化学药品,影响生产又导致土壤污染和化学残留。而不需要土壤和基质的气雾栽培可从根本上解决土壤连作障碍的问题,只需要对营养液进行合理的调配,即可在同一套设施下可以连续多年重复栽种同一种作物。2.1.6 提高土地利用率,实现农业现代化
气雾栽培摆脱了土壤的约束,极大地扩展了农业生产空间,在耕地面积日益减少,土壤污染愈发严重的今天显得尤为重要。常见的3 种气雾栽培模式均属于立体栽培方式,发展多层立体栽培,可提高土地利用率和单位面积产量,这是弥补我国耕地面积不足的重要途径。在人口密集的城市,可利用楼顶、阳台等空间,应用气雾栽培技术培育蔬菜,无需中耕、除草、追肥,营养液管理完全自动化,一方面可以实现居民蔬菜的自我供给,另一方面可以陶冶市民的情操,是现代农业的发展方向。
2.2.1 设施投资大,运行费用高
气雾栽培属于设施栽培,前期建造设施和采购设备需投入大量资金,后期运行费用也较高。在我国,普通农民无法承担如此高的费用,这也是目前气雾栽培技术在我国未普及的一个根本原因。
气雾栽培属于设施栽培,前期建造设施和采购设备需投入大量资金,后期运行费用也较高。在我国,普通农民无法承担如此高的费用,这也是目前气雾栽培技术在我国未普及的一个根本原因。2.2.2 对电力依赖性大
气雾栽培技术需要电力保证一整套设施的正常运作,一旦供电不足或断电,营养液无法供给,短时间内植物将因缺水而萎蔫,严重时造成死亡。2.2.3 管理技术要求高
气雾栽培生产中需要依据植物种类和生长阶段选用适宜的营养液配方,不同植物的营养液最适宜EC 值、pH 值不同,并且需要专业人员进行管理和调配,增加了气雾栽培技术的管理成本。气雾栽培生产中需要依据植物种类和生长阶段选用适宜的营养液配方,不同植物的营养液最适宜EC 值、pH 值不同,并且需要专业人员进行管理和调配,增加了气雾栽培技术的管理成本。
营养液是雾培等无土栽培技术中植物根系营养的唯一来源,其营养元素的组成、离子浓度的高低、pH 值等物理条件都会对植物的生长发育产生影响。植物能否正常生长、品质是否有所提高与营养液配制是否合理息息相关,因此,营养液的配制、优化和调控是气雾栽培技术的核心。不同的植物有不同的根系构造,有不一样的需肥特征,必须根据植物的栽培条件和生理特征对现有的经典水培营养液配方进行筛选和改善,为常见的植物制定出特有的雾培营养液通用配方,才能真正实现植物的优质高产。目前,国内对雾培马铃薯的营养液进行了较深入的研究,内容包括营养液的配方、氮钾比例、氮源的形态到营养液离子浓度、外源离子的添加、pH 值等,为马铃薯的气雾栽培生产提供了丰富的理论基础和科学的技术指导[18]。例如,王素梅等[19] 提出,在营养液中适当增加K+ 的浓度,降低N 素的含量,有利于马铃薯块茎的膨大。卢泳全等[20] 研究认为氨态氮和硝态氮的混合使用所得的产量比使用单一形态的氮源产量要高。氨态氮有利于块茎的增大,而硝态氮可以刺激马铃薯匍匐茎的分支,主要促进主茎的生长。两种形态的氮混合使用可同时促进分支的增多和块茎的增大,这项研究结果与之前OSAKI等[21] 的研究一致。另外,研究发现在黄瓜的雾培营养液中添加2~4 mol/L 的HCO3-,有利于稳定营养液的pH 值,促进黄瓜根系对NO3-、K+、Ca2+ 的吸收,从而促进植物的生长[22]。
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