張建國何春梅凌 敏王洪峰

（1. 肇慶市國有大南山林場，廣東 四會 526242；2. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東廣州 510520；3. 湖南省婦幼保健院，湖南 長沙 410008）

氣霧栽培的應用與研究綜述*

張建國1何春梅2凌 敏3王洪峰2

（1. 肇慶市國有大南山林場，廣東 四會 526242；2. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東廣州 510520；3. 湖南省婦幼保健院，湖南 長沙 410008）

氣霧栽培是一種新型的無土栽培模式，是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的研究方向。文章綜述了氣霧栽培技術的設施、優(yōu)勢、局限性及目前所開展的相關研究，同時綜合展望了該技術廣闊的發(fā)展應用前景，探討了氣霧栽培技術用于解決中草藥種植困境的可能性。

氣霧栽培；栽培模式；藥用植物

氣霧栽培簡稱霧培，是一種以霧化營養(yǎng)液方式滿足植物根系對水肥需求的新型無土栽培模式，其基本原理是使植物的根系懸掛生長在封閉、不透光的環(huán)境內，營養(yǎng)液通過特殊設備形成噴霧，在自動控制系統(tǒng)的調控下間歇性噴到植物根系上，以提供植物生長所需的水分和養(yǎng)分。霧培與傳統(tǒng)土培及普通水培相比，植物根系直接暴露在充滿霧化營養(yǎng)的空氣中，具有充足的自由伸展空間，可以毫無機械阻力的延伸；營養(yǎng)液霧化過程中不斷溶解空氣中的氧，可以有效解決普通水培中供氧、供肥的矛盾，具有土壤栽培和普通水培所沒有的優(yōu)勢。氣霧栽培可提高單位面積內作物的產(chǎn)量，具有產(chǎn)量高、品質好、污染少的優(yōu)點，可達到高產(chǎn)、優(yōu)質、高效的目的，符合未來農業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的方向，是實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑。

1 氣霧栽培設施

氣霧栽培設施主要由栽培系統(tǒng)和營養(yǎng)液供給系統(tǒng)兩大部分構成，進行大規(guī)模生產(chǎn)種植時可利用計算機控制。

1.1 栽培系統(tǒng)

栽培系統(tǒng)的核心部分是栽培床，可根據(jù)空間利用率和個人審美設計出不同形狀。目前較常見的有3種，分別為金字塔式、苗床式和立柱式（圖1）。

金字塔型氣霧栽培模式又稱A型栽培模式，是氣霧栽培模式中最為常見、應用范圍最廣的一種方式。選用泡沫板以“A”形搭建苗床，內部鋪設營養(yǎng)液噴霧管道和回流管道，植物定植在兩側支撐板上，根系裸露在空氣中，營養(yǎng)液通過霧化噴頭直接供給根系，多余的營養(yǎng)液通過回流過濾系統(tǒng)重新進入儲液池進行循環(huán)利用。金字塔型氣霧栽培模式建造簡單，光照、空間的利用率高，適用于葉菜類植物的生長。苗床式的代表是梯形霧培，梯形霧培除了可在兩側種植矮小的葉菜類蔬菜，還可在頂部進行吊架栽培，種植番茄（Lycopersicon esculentum）、黃瓜（Cucumis sativus）等大株型蔬菜。立柱式霧培系統(tǒng)中植物種植在垂直的柱式容器的四周，在容器的頂部和中心裝有噴霧裝置，以輻射狀噴向四周。A型栽培模式的空間利用率在3種模式中最高，可充分利用建筑物上部和溫室內立體的光熱資源，實現(xiàn)立體空間的有效利用，適合于葉菜類和觀賞植物。

氣霧栽培的栽培系統(tǒng)要求密閉不透光，能夠盛裝營養(yǎng)液，并能夠使噴霧后剩余的營養(yǎng)液回流到營養(yǎng)液池中。其高度要考慮植物根系的生長，不能太低，以免阻擋植物根系生長。定植板可選用硬質塑料板或者泡沫板，既能支撐植物，又方便進行定植孔的調整。定植孔的距離要根據(jù)所種植物的冠幅設計。

1.2 供液系統(tǒng)

供液系統(tǒng)主要包括水泵、管道、儲液池、噴霧裝置和控制器。儲液池中的營養(yǎng)液通過水泵，經(jīng)霧化噴頭形成氣霧供給植物根系，剩余的營養(yǎng)液再經(jīng)回流管道過濾后重新進入儲液池，從而實現(xiàn)營養(yǎng)液的循環(huán)使用。

儲液池的體積可以根據(jù)植物生長期所需營養(yǎng)液的多少來設定，一般要求保證植物至少一周的營養(yǎng)需求。水泵材料需耐腐蝕，功率大小可根據(jù)生產(chǎn)面積和噴頭所需的壓力配置。管道選用塑料管，各級管道的大小應根據(jù)噴霧裝置所安裝噴頭要求的壓力大小而定。過濾裝置需定時更換清洗，避免水中或配制營養(yǎng)液原料中含有的雜質堵塞噴頭，造成局部根系無法吸收到水分而枯萎。噴頭的位置和霧化效果需要保證能夠噴灑到設施中所有的根系。

1.3 氣霧栽培設施的完善

氣霧栽培設施技術不斷更新升級并取得良好進展，例如超聲波霧化裝置的出現(xiàn)解決了氣霧栽培技術中營養(yǎng)液霧滴大、霧化效果欠缺導致的洗根現(xiàn)象。徐偉忠等[1]于2006年開發(fā)了可用于不同類型科研或生產(chǎn)的氣霧栽培系統(tǒng)。2012年，聞婧等[2]設計了一種新型超聲波霧化栽培裝置，由超聲波霧化器、超聲波霧化栽培槽、種植板和營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)供液與霧化器工作時間由定時器統(tǒng)一控制。2013年，高建民等[3]對衍架式超聲霧化栽培器進一步優(yōu)化，應用NIPCI-6110數(shù)據(jù)采集卡在 Labview 平臺上構建了溫濕度的實時采集系統(tǒng)；以 PIC16F877A 芯片為核心構建了噴霧控制系統(tǒng)，使氣霧栽培設施更加智能、更加完善。

圖1 3種霧培種植槽示意圖

2 氣霧栽培的優(yōu)勢及局限性

氣霧栽培與傳統(tǒng)土壤栽培比較具有改善根系水肥條件等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Γ瑫r也存在一些不足。

2.1 氣霧栽培的優(yōu)勢

2.1.1 增加作物產(chǎn)量 氣霧栽培有效改善了植物的根系生長環(huán)境，使得營養(yǎng)吸收更加直接，水和肥的利用率增大，立體式的栽培也使得植物對光的吸收利用增強。在同一生長期，氣霧栽培的植物生長速度比土培和水培要快，生物量也高于其他栽培方式,比如馬鈴薯（Solanum tuberosum）微型原薯的氣霧栽培增產(chǎn)幅度一般在30%以上，有的達到100%[4]；霧培番茄的單株產(chǎn)量比土壤栽培增加15.3%[5]。

2.1.2 提高作物品質 氣霧栽培條件下，人們根據(jù)不同植物的營養(yǎng)需求制定不同的營養(yǎng)配方，以滿足植物對水肥的需求，可以達到個性化管理和自主控制。營養(yǎng)條件的改善使得作物的品質得到很大的提高。

2.1.3 提高水肥利用率，減輕環(huán)境污染 在傳統(tǒng)的土壤栽培中，肥料平均利用率只有30%～40%[6]；而氣霧栽培可根據(jù)植物品種、對氮鉀營養(yǎng)的喜好、處于何種生長階段，科學合理地供給營養(yǎng)物質，解決養(yǎng)分流失問題，因此，水肥利用率可提高至90%～95%[1]。其原因在于營養(yǎng)液霧化后，使得根系接觸營養(yǎng)液的表面積遠遠大于其他栽培方式。另一方面，在霧培模式下，植物根系的生長沒有土壤阻力，亦不存在水培中的根系缺氧問題，因此，植物的氣生狀須根根系非常發(fā)達，根系數(shù)量龐大，提高了根系對養(yǎng)分的吸收，從而可以實現(xiàn)作物的快速生長。采用氣霧栽培技術通常比常規(guī)模式栽培的植物生長速度快3～5倍[1]。此外，營養(yǎng)液的循環(huán)利用，不僅節(jié)約了資源，還降低了生產(chǎn)成本，減輕了化學肥料對土壤和水環(huán)境的污染。

2.1.4 可解決水培中根系缺氧問題 普通水培中，植物根系需要浸沒在營養(yǎng)液中來保證植株的營養(yǎng)吸收。由于營養(yǎng)液中溶解氧濃度低，而根系不斷的耗氧，根系供氧狀況不斷惡化，從而導致植物缺氧爛根，影響植物的生長。與水培不同，霧培模式下，植物的根系直接裸露在空氣中，根系與空氣直接接觸，營養(yǎng)液有規(guī)律的間隔從霧化噴頭中噴出，不斷溶解空氣中的氧氣，供給植物根系呼吸，促進根系呼吸代謝，使植物體內的其他代謝機能也增強，植物生長速度加快。

2.1.5 可有效避免植物的連作障礙 常規(guī)的土壤栽培或者基質栽培常有土傳病害引起的連作障礙產(chǎn)生，需要進行隔年輪作方可繼續(xù)進行生產(chǎn)，或者直接施用防止連作障礙的化學藥品，影響生產(chǎn)又導致土壤污染和化學殘留。而不需要土壤和基質的氣霧栽培可從根本上解決土壤連作障礙的問題，只需要對營養(yǎng)液進行合理的調配，即可在同一套設施下可以連續(xù)多年重復栽種同一種作物。

2.1.6 提高土地利用率，實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化 氣霧栽培擺脫了土壤的約束，極大地擴展了農業(yè)生產(chǎn)空間，在耕地面積日益減少，土壤污染愈發(fā)嚴重的今天顯得尤為重要。常見的3種氣霧栽培模式均屬于立體栽培方式，發(fā)展多層立體栽培，可提高土地利用率和單位面積產(chǎn)量，這是彌補我國耕地面積不足的重要途徑。在人口密集的城市，可利用樓頂、陽臺等空間，應用氣霧栽培技術培育蔬菜，無需中耕、除草、追肥，營養(yǎng)液管理完全自動化，一方面可以實現(xiàn)居民蔬菜的自我供給，另一方面可以陶冶市民的情操，是現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展方向。

2.2 氣霧栽培的局限性

氣霧栽培目前多用于作物的營養(yǎng)研究，部分地區(qū)進行了試點生產(chǎn)，未達到普及，其局限性包括以下幾個方面。

2.2.1 設施投資大，運行費用高 氣霧栽培屬于設施栽培，前期建造設施和采購設備需投入大量資金，后期運行費用也較高。在我國，普通農民無法承擔如此高的費用，這也是目前氣霧栽培技術在我國未普及的一個根本原因。

2.2.2 對電力依賴性大 氣霧栽培技術需要電力保證一整套設施的正常運作，一旦供電不足或斷電，營養(yǎng)液無法供給，短時間內植物將因缺水而萎蔫，嚴重時造成死亡。

2.2.3 管理技術要求高 氣霧栽培生產(chǎn)中需要依據(jù)植物種類和生長階段選用適宜的營養(yǎng)液配方，不同植物的營養(yǎng)液最適宜EC值、pH值不同，并且需要專業(yè)人員進行管理和調配，增加了氣霧栽培技術的管理成本。

3 氣霧栽培研究現(xiàn)狀

3.1 氣霧栽培對植物生長的影響

RIETVELD[7]研究發(fā)現(xiàn)，加拿大短葉松（Pinus banksiana）根系在霧培中生長速度顯著快于營養(yǎng)液培養(yǎng)和土培。SOURET和WEATHERS[8]在霧培、營養(yǎng)液培與土培3種條件下對藏紅花（Crocus sativus）進行研究發(fā)現(xiàn)：霧培條件下，藏紅花球莖的干質量與其他栽培方法相比增長最快，但根的長度生長較慢。HAYDEN[9]用氣霧栽培牛蒡（Arctium lappa）和紫錐菊（Echinacea purpurea），生產(chǎn)周期大幅縮短，如牛蒡生產(chǎn)6個月的產(chǎn)量就相當于土培24個月的，紫錐菊6個月的產(chǎn)量相當于土培12個月的。

我國氣霧栽培的研究起步較晚，1997年從韓國首次引入馬鈴薯氣霧栽培技術，隨著研究的深入，目前已經(jīng)在多個品種上取得成功。采用霧化栽培馬鈴薯微型薯每株匍匐莖數(shù)可達到97條，膨大成薯76個，分別是對照組的6.5倍和13.3倍[4]。與營養(yǎng)液栽培和沙培比較，霧培馬鈴薯植株生長旺盛，塊莖產(chǎn)量顯著增加[10-11]。王珺玲等[12]采用無土研究表明，霧培黃瓜根系體積、根系長度和光合作用能力顯著高于液培和基質培，果實產(chǎn)量顯著增加。丁文雅等[13]研究發(fā)現(xiàn)在同一供氮水平下，霧培生菜（Lactuca sativavar.ramosa）的根系總長、根直徑、根總表面積、根體積和根系活力均顯著高于水培，在培養(yǎng)中后期兩者的差異更為明顯。

3.2 氣霧栽培對植物品質的影響

研究表明，氣霧栽培與傳統(tǒng)的土培和水培相比，不僅在促進植物生長方面有優(yōu)勢，還能增加植物體內干物質積累，提高植物營養(yǎng)品質。孫周平等[5]研究指出，霧培番茄葉片的葉綠素含量、凈光合速率與產(chǎn)量均顯著高于土壤栽培。丁一等[14]以基質栽培香菜（Coriandrum sativum）為對照，研究了氣霧栽培對香菜品質的影響。結果表明，氣霧栽培條件下的香菜維生素C含量為70.7 mg/100 g，較基質栽培的香菜維生素C含量（37.8 mg/100 g）有提高；礦質元素硒的含量比基質培香菜提高一倍。周劍等[15]以基質培和水培為對照，研究了霧培對網(wǎng)紋甜瓜（Cucumis melo）植株生長、產(chǎn)量和品質的影響。結果表明，霧培網(wǎng)紋甜瓜的株高、莖粗、葉片數(shù)、根長、根體積、根系活力和根干物質積累均高于水培和基質培，說明霧培能促進網(wǎng)紋甜瓜植株生長，使其根系發(fā)達，長勢旺盛。劉義玲等[16]研究發(fā)現(xiàn)霧培可促進網(wǎng)紋甜瓜根系的生長和干物質的積累，在植物生長前期促進作用不顯著，在開花后植物硝態(tài)氮還原酶活性增加。劉澤發(fā)等[17]研究了小型西洋南瓜（Cucurbita maxima）的氣霧栽培技術，通過與露地栽培的兩種小型西洋南瓜進行比較，發(fā)現(xiàn)氣霧栽培的小型西洋南瓜第一雌花節(jié)位降低1～2個節(jié)位，生育期縮短7～8 d，平均單果重和果實中維生素C含量增加。

3.3 霧培營養(yǎng)液的研究

營養(yǎng)液是霧培等無土栽培技術中植物根系營養(yǎng)的唯一來源，其營養(yǎng)元素的組成、離子濃度的高低、pH值等物理條件都會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響。植物能否正常生長、品質是否有所提高與營養(yǎng)液配制是否合理息息相關，因此，營養(yǎng)液的配制、優(yōu)化和調控是氣霧栽培技術的核心。不同的植物有不同的根系構造，有不一樣的需肥特征，必須根據(jù)植物的栽培條件和生理特征對現(xiàn)有的經(jīng)典水培營養(yǎng)液配方進行篩選和改善，為常見的植物制定出特有的霧培營養(yǎng)液通用配方，才能真正實現(xiàn)植物的優(yōu)質高產(chǎn)。目前，國內對霧培馬鈴薯的營養(yǎng)液進行了較深入的研究，內容包括營養(yǎng)液的配方、氮鉀比例、氮源的形態(tài)到營養(yǎng)液離子濃度、外源離子的添加、pH值等，為馬鈴薯的氣霧栽培生產(chǎn)提供了豐富的理論基礎和科學的技術指導[18]。例如，王素梅等[19]提出，在營養(yǎng)液中適當增加K+的濃度，降低N素的含量，有利于馬鈴薯塊莖的膨大。盧泳全等[20]研究認為氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的混合使用所得的產(chǎn)量比使用單一形態(tài)的氮源產(chǎn)量要高。氨態(tài)氮有利于塊莖的增大，而硝態(tài)氮可以刺激馬鈴薯匍匐莖的分支，主要促進主莖的生長。兩種形態(tài)的氮混合使用可同時促進分支的增多和塊莖的增大，這項研究結果與之前OSAKI等[21]的研究一致。另外，研究發(fā)現(xiàn)在黃瓜的霧培營養(yǎng)液中添加2～4 mol/L的HCO3-，有利于穩(wěn)定營養(yǎng)液的pH值，促進黃瓜根系對NO3-、K+、Ca2+的吸收，從而促進植物的生長[22]。

4 氣霧栽培前景展望

氣霧栽培技術通過給植物根域創(chuàng)造良好的生長環(huán)境條件，實現(xiàn)植物短期內的快速生長和發(fā)育，與傳統(tǒng)的土培相比可以節(jié)省大量的水和肥料的用量，是當前農業(yè)生產(chǎn)中最先進的栽培技術之一，在國內外引起了很大的反響。目前，氣霧栽培技術已經(jīng)應用到科研、生產(chǎn)、農業(yè)觀光等領域，雖然發(fā)展還不夠完善，但氣霧栽培是大勢所趨。目前在烏魯木齊市已建成全疆首個氣霧蔬菜栽培基地[23]，已經(jīng)投入生產(chǎn)使用，所種植的蔬菜生長周期與傳統(tǒng)的土壤種植相比縮短三分之一，產(chǎn)量則提高7～10倍，所有蔬菜均符合有機蔬菜標準。珠海市已建成一個高11 m，面積1 200 m2的采用氣霧栽培、具節(jié)能效果的球形鳥巢溫室[24]，目前用于觀光農業(yè)。

短期內實現(xiàn)植物的快速生長，成倍提高生物產(chǎn)量，有效提高作物營養(yǎng)品質，減少化學肥料對土壤和水環(huán)境的污染等優(yōu)勢使得氣霧栽培技術成為現(xiàn)代農業(yè)研究的熱點。國內氣霧栽培技術多應用于果菜類蔬菜，例如南瓜、黃瓜、番茄等，對藥用植物的研究報道較少[25-26]。藥用植物具有特殊性，一般生長周期較長，到一定的年限才能達到藥用采收標準；根莖類藥材的采挖往往需要連根拔起，極易破壞土壤層，造成水土流失；目前野生藥用植物資源逐年減少，藥材來源多為人工栽培。人工種植模式下，部分農戶濫用化肥、農藥、生長調節(jié)劑，造成農殘含量超標和土壤鹽漬化等問題，給藥品的安全使用帶來了極大的隱患。氣霧栽培有望解決中草藥種植面臨的難題，通過霧化的營養(yǎng)液滿足藥用植物對水肥的需求，避免了土壤鹽漬化、化肥污染等環(huán)境問題。同時，根莖類藥材不用破壞土壤就可采收。氣霧栽培設施多建于大棚內，可利用防蟲網(wǎng)預防蟲害的發(fā)生，減少農藥的使用。

氣霧栽培作為一種新型的栽培模式，是基于工程技術、生物技術、計算機控制技術等基礎上的一種全新栽培模式，在理論及實際操作中還有極大的改進與提升空間。目前已有對部分城市的露天陽臺、樓頂、廣場、公園等場合采用氣霧栽培設施種植觀賞植物，均取得較好的效果。氣霧栽培是未來發(fā)展高效農業(yè)的最佳栽培模式，露天自然條件下形成可操作的氣霧栽培技術體系將會徹底改變當前的耕作模式。

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Review on the Application and Research Progress of Aeroponic Cultivation

ZHANG Jianguo1HE Chunmei2LING Min3WANG Hongfeng2
（1. Dananshan State Forest Farm of Zhaoqing City，Sihui，Guangdong 526242, China；2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Silviculture, Protection and Utilization/Guangdong Academy of Forestry, Guangzhou, Guangdong 510520, China；3. The Maternal and Child Health Hospital of Hunan Province,Changsha, Hunan 410008, China)

Aeroponic cultivation is a new cultivation pattern and it is one of the important ways to promote the development of modern agriculture. The review focused on the system, merit and demerit, and relative researches of aeroponic technology at present. The extensive development and application of aeroponic cultivation were also prospected in the future, and the possibility that aeroponic cultivation would be a good way to solve the problem of medicinal plant cultivation was discussed.

aeroponic cultivation；cultivation pattern；medicinal plants

S318

：A

：2096-2053（2017）04-0130-05

廣東省林業(yè)科學創(chuàng)新項目“粵西油茶林下經(jīng)濟植物的培育技術研究”（2017KJCX049，2015KJCX034）。

張建國（1973— ），男，工程師，主要從事森林培育與管理工作，E-mail: dns-lc@163.com。

何春梅（1984— ），女，工程師，主要從事藥用植物資源與培育研究，E-mail：hcm_09@163.com。