植物气雾栽培研究进展

来源:用户上传      作者:于洋洋 贾代东 庄正 朱晨曦 刘爱琴

　　摘要：气雾栽培是把植物根系完全置于由营养液形成的弥雾环境中生长的一种新型栽培方式。本文分别从气雾栽培设施建造、营养液配方研究、气雾栽培对植物生长、产量、品质的影响等方面对植物气雾栽培研究进行了综述，最后总结该方面研究的不足并提出展望，以期为气雾栽培在植物学领域的应用提供理论解析与技术支撑。
　　關键词：气雾栽培;栽培系统;营养液;植物雾培现状
　　中图分类号： S317文献标志码： A
　　文章编号：1002-1302（2019）18-0038-04
　　收稿日期：2018-05-28
　　基金项目：国家重点研发计划（编号：2016YFD0600301）;国家科技支撑计划（编号：2015BAD09B010102）;福建农林大学科技创新专项（编号：KF2017112）;人工林可持续经营福建省高校工程研究中心。
　　作者简介：于洋洋（1993—），女，河南舞钢人，硕士研究生，主要从事自然资源管理研究。E-mail：594209377@qq.com。
　　通信作者：刘爱琴，研究员，主要从事森林土壤研究。E-mail：fjlaq@126.com。
　　栽培模式的演进与革新对于植物的生长发育具有巨大的推动作用。随着现代农林科技的进步，植物栽培模式从平面空间发展到立体空间，总体沿袭了从土壤栽培到无土栽培模式的演进历程[1]。无土栽培模式包括基质栽培、水培和气雾栽培（aeroponics）等，主要通过利用人工基质或营养液代替自然界中的土壤因子，有效优化了植物吸收水分和养分的生长环境[2-3]。基质栽培的不透明性不利于观测根系[4]。水培植物的根系与水肥直接接触，但由于营养液中溶解氧水平有限，一旦遇到液温升高，溶解氧浓度趋于饱和状态，植物易出现通气不畅缺氧烂根的现象[5-6]。近年来出现的气雾栽培技术，是将植物根系完全置于气雾环境下生长的一种新型无土栽培模式。气雾栽培环境下的植物根系伸展自由，氧气、水分和矿质营养充足，成为植物快速生长的最佳栽培模式之一[3，7]。
　　气雾栽培是指植物根系生长在封闭、不透光的空间中，营养液经雾化器处理后形成雾状，间歇性均匀地喷至植物根系，提供植物生长所需要的水分和养分的一种新型无土栽培模式[8-9]。气雾环境中的植物根系完全处于水气肥3相一体化的环境中，能够充分发挥植物的生长潜能[10-11]。栽培模式影响植物对矿质营养和水分的转运与分配利用、光合呼吸作用以及新陈代谢等一系列生理生化过程，同时也影响植物的形态可塑性、产量和品质特性[12]。目前，植物无土栽培模式在设施农业生产研究中应用广泛，但主要集中于植物基质栽培和水培，甚少综合论述气雾栽培在植物生长发育过程中的应用[13]。本文分别从气雾栽培设施构成、气雾栽培营养液配方研究、气雾栽培对植物生长的影响、气雾栽培对植物产量和品质的影响等方面对植物气雾栽培研究进行了综述，最后总结了该方面研究的不足并提出研究展望，以期为气雾栽培在植物学领域的应用提供理论解析与技术支撑。
　　1 植物气雾栽培设施建造进展
　　气雾栽培设施主要包括植物栽培系统和供液系统2个部分。若是在大规模标准化生产中，系统运行、营养液供给及各种执行运作都可通过与计算机联网自动控制。
　　1.1 栽培系统
　　气雾栽培的根系处于悬空状态，植株只能依靠定植孔填塞或定植篮固定，物理支撑以栽培床、种植板等方式实现。因空间利用率及物理支撑的不同，目前气雾栽培系统主要有：苗床式气雾栽培、管道式气雾栽培、塔架式气雾栽培、立桶式气雾栽培等模式。苗床式气雾栽培又称A型雾培，最先是由美国亚利桑那大学设计发明的[3]。在平地上建造苗床，床底不渗漏且有轻微的坡度，在稍低的一侧开孔，便于营养液回流及循环利用。在苗床的侧面铺设弥雾管道并安装雾化喷头，喷头距离能保证所有根系可以均匀吸收水分。在苗床上部放定植板，种植时用海绵块固定植株植入种植孔中。管道式气雾栽培一般使用聚氯乙烯（PVC）塑料管为植物的气雾栽培创造根域空间，在管道内部安装雾化喷头，根据温度的变化调节营养液的间歇喷雾时间，以实现植物快速生长[14]。塔架式气雾栽培使植物的种植实现从平面发展到立体空间的飞跃，大大提高单位面积的使用效率，这种栽培模式一般种植叶菜类等小株型植物[15]。立桶式气雾栽培以简易桶式结构作为根域环境，主要用于较大植株的栽培。植物种植在容器的周围，在顶部和中间安装喷雾装置喷向四周，便于植物根系吸收水分[16]。
　　1.2 供液系统
　　气雾栽培的供液系统由于不断更新升级取得良好效果。气雾栽培的核心设备是雾化装置，出现的超声波雾化器有效解决了气雾栽培技术中营养液雾滴大而导致的洗根问题[17]。张静娴研制了一套由压缩机产生的压缩气体，净化后通过管路系统进入气液引射器，气液充分混合形成气雾喷入箱内的装置[18]。侯斌等设计的雾培装置于1998进行试生产并获得成功，是由定时器控制自吸泵工作，营养液通过自吸泵输入管道经雾化喷头形成弥雾，植株固定在定植板上，根系裸露在喷雾槽中，营养液形成雾状均匀喷洒在根系上，多余的营养液通过回流管道过滤后重新流入储液池，实现循环利用的供液模式[19]。徐伟忠等设计出由计算机控制，水泵或超声波雾化器供液的气雾栽培装置[7]。高建民等以PIC16F877A芯片为核心构建喷雾控制系统，使气雾栽培设施更加智能[20]。
　　2 气雾栽培营养液研究进展
　　营养液是气雾栽培环境中植物生长所需要营养的唯一来源，营养液的日常管理主要包括营养液浓度和pH值等。同时植株在生长过程中要选择最适宜的营养液配方，以期为植株根系提供最优质的营养条件。以下分别从营养液浓度、营养液酸碱度、营养液不同配方等方面对气雾栽培营养液研究进行综述。
　　2.1 营养液浓度 　　营养液浓度的大小影响植物的生长发育。王素梅使用不同浓度的营养液配方对大西洋品种的微型薯进行气雾栽培，试验表明，不同浓度会影响马铃薯植株的生长，电导率值过高、过低均会对植株的生长造成不同程度的伤害[21]。周元清采用华南农大叶菜B配方营养液，对生菜研究发现，营养液盐浓度（用电导率表示）由1.8 dS/m提高至3.0 dS/m，生菜根系指标、光合指标、可溶性蛋白和可溶性糖含量均显著增加，把盐浓度继续增加至3.6 dS/m和4.2 dS/m，上述全部指标均显著降低。结果表明，气雾栽培生菜营养液盐浓度适度提高可以加快生长，保证其产量和品质，降低硝酸盐含量[22]。营养液EC过低影响植株对养分的吸收，造成减产、降低品质;随着营养液EC逐渐升高，植物产量和品质也呈现升高的趋势，但升高到一定程度又出现下降的趋势，同时会增加硝酸盐的含量，不利于植物生长[23]。
　　不同植物对营养液浓度的需求量不同，同一种植物在不同生长时期对营养液浓度的需求量也不同。连青龙等气雾栽培切花菊，前2周供应常规营养液1/4的浓度，第2～6周内供应常规营养液1/2的浓度，6周后供应常规浓度的营养液，试验结果证明比供应单一浓度营养液更利于切花菊生长[24]。刘泽发等气雾栽培迷你西洋南瓜发现，幼苗时期EC值设置为0.8～1.0 mS/cm，到第1雌花盛开EC值设置为1.0～1.5 mS/cm，整朵花开放EC值设置为1.5～2.0 mS/cm，长出南瓜EC值设置为2.0～2.5 mS/cm最利于西洋南瓜生长[25]。林爱红等也认为在各生长期应设置适宜该植株生长的营养液EC值[26]。营养液浓度影响植物根系电解质交换和呼吸作用，进而影响植物产量和品质[16]。
　　2.2 营养液酸碱度
　　营养液酸碱度也会对植物生长产生影响[27]。Ibraimo在气雾栽培模式下，采用日本园式营养液配方栽培意大利生菜，营养液10 d更换1次，当pH值为6时，生菜生物量最大;pH值为7时次之;pH值为5时最小[28]。这与姚其盛关于雾培辣木将营养液pH值保持在6.0左右一致[29]。大量研究表明，营养液的pH值设置在6左右有助于植物生长，确保产量和品质提高[30-31]。
　　植物在生长过程中，根系吸收营养液的过程会改变营养液各种元素的总量和比例，从而导致植物正常生长受到影响[32-33]。针对上述情况，黄在范等建立营养液成分N、P、K浓度的在线检测系统，实现了营养液的自动化控制[34]。张浙烽提出T-S模糊控制算法，可以實时检测营养液中EC和pH值，实现母液、酸碱液等的加入，完成营养液的自动化供给[16]。
　　2.3 营养液不同配方
　　不同植物需要不同的营养液配方，同一种植物选择不同的营养液会出现不同的效果，因此，在生产中应选择适合植物生长的营养液配方，不仅高产，而且可以保证植物品质。罗月芳等研究发现英国Hweitt配方气雾栽培的益母草地上部分和根系鲜质量远高于其他几种配方[35]。丁文雅采用气雾栽培方法发现华南农大叶菜B处理的生菜根系指标、地上部分鲜质量最高，霍格兰氏配方处理下的最低;华南农大叶菜B处理的生菜叶片还原型抗坏血酸含量最高，日本山崎处理的最低[36]。
　　近年来正在兴起有机营养液研究。赵会纳研究发现沼泽营养液处理下的根系指标生长最好，因此气雾栽培也可以往有机肥方向发展[37]。
　　3 气雾栽培对植物生长的影响
　　气雾栽培可以使植物根域环境的水气肥在较长时间内保持相对稳定和适宜，对植物生长具有巨大的促进作用[3]。
　　3.1 对地下根茎类植物生长的影响
　　目前地下根茎类植物在气雾栽培技术中应用比较广泛，尤其是对马铃薯的培育已取得很大进展[38]。王淑菊以田间栽培为对照，发现在雾培环境下马铃薯开花数占优势，花粉生活力及萌发率在雾培方式下极显著优于对照[39]。贺晓霞等通过气雾栽培马铃薯发现，雾培马铃薯生产成本降低，生产周期缩短[40]。Buckseth等研究发现气雾栽培模式下马铃薯种植块茎成本大约是常规种植块茎的1/4，同时缩短马铃薯生长周期，从而降低生产成本，且能够提供质量好的种子，它缓解了优质种子短缺的问题[41]。气雾栽培模式不仅培育马铃薯占绝对优势，对竹笋等地下植物生长也有明显的促进作用。Liu等研究气雾栽培的竹苗发现，因为有足够的水分营养、良好的呼吸和低的生长阻力，竹笋可以快速生长[42]。此外，对竹根的形态观察也很方便。
　　3.2 对叶菜类植物生长的影响
　　叶菜已成为我国种植和消费的主要蔬菜品种[43]。丁文雅研究发现在同一供氮水平下，以水培为对照，气雾栽培环境下生菜光合作用强、生长速度快、生物量高，在适宜的供氮水平下这种优势更为明显[36]。艾炎军等发现气雾栽培生菜叶片数、地上部鲜质量和干质量、根系干质量均高于土壤栽培，二者差别显著[44]。
　　3.3 对瓜果类植物生长的影响
　　瓜果类植物种植地土壤处于人为特殊小气候环境下，加上水肥管理的不科学，导致盐分积累在土壤表面[45]，近年来出现的气雾栽培技术能有效解决根系水气矛盾，促进作物优质高效生长。鲁雪利采用基质和雾培研究黄瓜嫁接苗发现，气雾栽培模式缩短生根时间，生根率和根系活力也得到提高，说明气雾栽培生根法对黄瓜嫁接苗的生长发育更有优势[46]。刘泽发等研究发现气雾栽培条件下迷你型西洋南瓜生长速度快，单个瓜果生物量提高[25]。林爱红等对中大果型的麒麟瓜进行雾培模式种植，试验结果表明气雾栽培种植的瓜果生长快、成熟早[26]。
　　3.4 对药用植物生长的影响
　　姚其盛以辣木为研究对象，45 d后雾培的苗高、冠幅、根头直径和株质量高于土培[29]。凌敏研究指出，雾培车前草株高、叶面积、鲜质量、干质量均大于土壤栽培;雾培车前草的根系长度、根系体积和根系活力也大于土壤栽培[10]。 　　3.5 对乔木生长的影响
　　气雾栽培不仅适合小型植株的栽培，高大乔木同样可以在气雾栽培模式下生长。王谢等利用气雾栽培系统进行桑树生理学研究发现，雾培可以避免水培条件下养分不均和淹水胁迫对试验结果的影响[47]。Rietveld认为，气雾栽培的加拿大短叶松根系生长速度快于土壤栽培[48]。
　　4 气雾栽培对植物产量和品质的影响
　　气雾栽培环境使植物根系处于最佳生长状态，加快生长速度缩短周期，促进植物产量和品质的提高[46]。
　　4.1 对地下根茎类植物产量和品质的影响
　　周全卢等研究发现马铃薯在气雾栽培条件下的净光合速率较高，有利于马铃薯种薯产量和品质的提高[49]。孙慧生以双层基质无土栽培为对照，发现气雾栽培模式培育出单位面积1 g以上的马铃薯脱毒微型薯数量比双层基质无土栽培增加76.1%～125.0%[50]。王迪轩等进行微型薯气雾栽培，收获的马铃薯形状好、数量多、品质优，而且可以人为控制其大小，根据需要随时采摘[51]。气雾栽培技术提高马铃薯的产量和品质，大大促进马铃薯向现代化和规模化生产，也为其他地下根茎类植物工厂化气雾栽培提供了科学技术指导[52-53]。
　　4.2 对叶菜类植物产量和品质的影响
　　多数叶菜类植物在塑料大棚内生产，采用土培、基质栽培等生产方式[54]。出现的气雾栽培技术使植物根系悬挂生长，不仅克服了天然土壤所存在的连作障碍及污染等问题，而且也解决了水培中根系缺氧烂根的现象。这种栽培模式不仅清洁无污染，也使叶菜类植物更有效吸收养分，加快生长速度。赵琴琴等在气雾栽培和露地栽培两种条件下对生菜进行研究发现，雾培条件下培育出的生菜品质有显著性提高，它在保证粗纤维含量不变的情况下有效增加维生素C和氨基酸含量[55]。丁一等发现气雾栽培条件下香菜的矿质元素硒、维生素C含量高于基质栽培[56]。
　　4.3 对瓜果类植物产量和品质的影响
　　赵兰等进行了奶油草莓气雾立体栽培，发现气雾栽培奶油草莓可以任意选配营养液，不受土壤条件的限制，适宜种植的范围更加广泛;适当运用物理方法几乎可以做到免农药栽培，能够有效保证奶油草莓的品质[31]。赵旭等研究发现气雾栽培可显著增强植株根系的生理代谢水平，从而促进根系营养吸收和转运，提高果实的营养品质[57]。气雾栽培瓜果类植物在生产上意义重大，在矿质营养和水分供应充足的情况下，光合效率一直处于较强的状态，能够为果实提供更多的碳水化合物，使糖分得到积累[58]。
　　4.4 对药用植物产量和品质的影响
　　Pagliarulo等研究发现药用植物在次生代谢产物没有明显增加的情况下，生物量远高于土培，植物密度大大增加、品种得到优化以及多次收割的优势[59]。我国学者也对药用植物进行研究，高健敏研究香蜂草和碰碰香发现，在同一营养条件下，气雾栽培的生物量、可溶性糖含量高于土培，游离氨基酸和黄铜含量低于土培，有害物质硝酸盐远远高于土培。气雾栽培药用植物缩短生长周期，提高生长速度和产量，有助于生物量的积累，但气雾栽培对药用植物的一部分主要成分含量降低，影响其药用价值[60]。Hayden研究发现气雾栽培明显提高了牛蒡和紫锥菊的产量[61]。因此，在未来的研究中不仅应提高生物量增长而且要提高其药用成分，为高效培育中药材提供新途径。
　　4.5 对乔木产量和品质的影响
　　曾凡清研究发现气雾栽培桃树显著提高产量、改善果实品质及促进果实提早成熟[62]。安荣以枣树为研究对象发现，气雾栽培的树体蒸腾速率较稳定，尤其是在雨天，蒸腾速率无剧烈变化的过程，且气雾栽培裂果率低，能有效保证产量[63]。专家预测气雾栽培在果树种植上将会发生大的技术变革，取果树大枝气雾催根，移入温室短茬期栽培，不仅缩短果树投产期，而且可以实现超矮化小枝组高密度种植，有利于增加果树产量改善品质[13]。
　　5 气雾栽培的不足及展望
　　5.1 气雾栽培的不足
　　气雾栽培中的气雾快繁技术近年来发展迅速，成为一项全新的育苗手段，但气雾快繁的幼苗根系是较幼嫩的水汽根，移栽到基质或土壤环境要有一段较长的适应性缓苗期，所以对于移栽地的环境要求比基质培幼苗要求高，一般要有遮阴系统和弥雾增湿系统。徐伟忠等研究证明气雾栽培的速生杨移栽造林后基本很少有缓苗至死现象发生，可保证较高的成活率[3]，但不能保证所有林木都能很好适应环境。因此，气雾栽培模式下对于植物移栽问题须要进一步研究。
　　大量试驗证明气雾栽培蔬菜和水果等生长周期缩短，其品质指标不仅没有下降，相反矿质元素含量还有显著提高。但气雾栽培环境对药用植物的药用成分积累不利，可能是营养液配制问题[10]，当前营养液配制思路仅仅解决了植物必需元素配方问题，对于植物营养健全问题并未真正了解，这是气雾栽培面临的主要技术问题，有必要对其进行深入研究。
　　气雾栽培温室由于连作、重茬，导致室内残存许多病原菌，如果设备内遗留下的病原体发病，即随着营养液循环流动，病毒会快速传播，导致大棚内其他植物染病。长期使用矿质营养液会在栽培的植物中出现硝酸盐累积等问题，对植物生长不利，应该往有机营养液的方向发展。
　　目前气雾栽培技术几乎都是电网依赖模式，在种植过程中一旦遇到任何电路故障问题，直接危害植物正常生长甚至导致植物死亡。在一些偏远地区，电力尚不通达，阻碍气雾栽培模式的发展。有必要突破对电网的依赖，用太阳能发电、风力发电、沼气发电等满足电力供应。
　　5.2 气雾栽培的展望
　　气雾栽培植物的根系悬空生长，方便对根系生长观察和测量，也可以轻松收集根系分泌物进行根生理指标测定。如美国亚利桑那州大学建成了一个类似房间的根系研究实验室，科研人员可以在植物根环境中走动和研究，气雾栽培在科研上具有广阔的发展空间。 　　气雾栽培是基于工程技术、生物技术及计算机控制技术基础上的一种新型栽培模式，能够实现营养液调控、环境调控和多区域的信号克隆管理，能够更专业、更省事、更精准地管理基地，是对植物生长潜能开发最有效的栽培模式，加上气雾栽培在空间上的立体利用，在未来植物工厂化生产中具有良好的发展前景。
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