宋發(fā)成，劉元義，Domenico Lofù，郭 佳

(1. 山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049;2.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049;3.意大利巴里理工大學(xué) 電氣信息工程系，意大利 巴里 70126)

無土栽培技術(shù)(Soilless Culture)是一種不用土壤，而采用基質(zhì)或營養(yǎng)液種植作物的栽培技術(shù)。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)以土壤栽培的種植方式，突破空間和地域限制，具有省肥、省水、提高產(chǎn)品質(zhì)量品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[1]。無土栽培技術(shù)可根據(jù)作物生長環(huán)境分為兩大類，即基質(zhì)栽培法和無基質(zhì)栽培法。番茄營養(yǎng)豐富，味美價(jià)廉，是最受消費(fèi)者歡迎的蔬菜之一。隨著番茄需求量的增加和可用于番茄耕種土地的減少，無土栽培技術(shù)也逐漸應(yīng)用到番茄培育生產(chǎn)之中，且發(fā)展非常成熟。番茄無土栽培多采用基質(zhì)栽培法[2]，其中以荷蘭為代表的歐洲地區(qū)的番茄基質(zhì)無土栽培技術(shù)最為成熟，最具代表性。本文將從栽培設(shè)施、基質(zhì)、定植栽培管理和營養(yǎng)液管理4個方面介紹該技術(shù)，并分析該技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀以及對我國無土栽培技術(shù)發(fā)展的啟示。

1 栽培設(shè)施

完善的栽培設(shè)施是實(shí)現(xiàn)番茄基質(zhì)無土栽培不可或缺的硬件條件。番茄生長所必需的幾個重要要素分別為：水分、光照、合適的溫度濕度、CO2的供給、養(yǎng)分肥料的供給。為滿足這些條件，荷蘭設(shè)計(jì)了合理的溫室結(jié)構(gòu)和栽培槽，并配套自動化控制系統(tǒng)對環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)控。同時(shí)，為了提高工作效率，除了應(yīng)用集成化系統(tǒng)將環(huán)境控制、水肥管理、數(shù)據(jù)檢測等設(shè)施設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理外，還配備采摘作業(yè)車、升降軌道車等省力配套機(jī)械，進(jìn)一步提高工人操作效率。

1.1 玻璃溫室

荷蘭生產(chǎn)農(nóng)作物的溫室多為玻璃溫室，其技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常成熟。用于番茄無土栽培的溫室結(jié)構(gòu)為典型的Venlo型全玻璃溫室[3]，脊高7 m，天溝高6.3 m，支撐柱間距為5 m，跨度為8 m。較高的溫室脊高能夠滿足溫室內(nèi)對番茄進(jìn)行懸掛式栽培的需要，且能擴(kuò)大緩沖空間。溫室屋面采用透光率高的玻璃作為采光材料，且用專用鋁型材做屋面梁，大大減少了屋面梁的斷面尺寸，加之省去了屋面儃條和連接件等，減少了整個屋面體系的遮光，使整個溫室的透光率大大提高，能有效緩解光照少帶來的劣勢。溫室屋面相對地面投影的比例較高，每跨度內(nèi)可具有2～4對屋面，即2～4個屋脊和天溝。采用間隔式開窗方式時(shí)，可提高通風(fēng)率。通常，Venlo型溫室的通風(fēng)面積可達(dá)到溫室地面積的10%左右[4]。溫室設(shè)有露水收集裝置，可防止屋面結(jié)露水下滴損傷作物，內(nèi)保溫系統(tǒng)及外遮陽系統(tǒng)可調(diào)節(jié)室內(nèi)的光照強(qiáng)度和溫度，冬季可保溫，為番茄提供良好的生長發(fā)育條件[5]。玻璃溫室如圖1所示。

圖1 玻璃溫室

1.2 栽培槽

無土栽培中栽培槽用于盛放供作物生長的基質(zhì)袋，其能夠起到合理利用種植空間、隔絕土壤污染、免除土壤連作障礙并提高水肥利用率的作用。1979年荷蘭的“Meteor Systems”公司創(chuàng)始人發(fā)明了首個番茄栽培槽[6]，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，番茄用栽培槽技術(shù)已經(jīng)非常成熟完善。栽培槽按照在溫室中的安裝方式可分為懸掛式和地面支撐式。培養(yǎng)番茄常用的方式為栽培槽懸掛式，安裝前首先確保溫室的桁架設(shè)計(jì)能夠承受栽培槽、栽培基質(zhì)、作物植株、以及果實(shí)總重量。而后栽培槽沿玻璃溫室脊線方向單行式配置，槽間隔為1.6 m，懸掛高度為離地面0.6～0.7 m。番茄無土栽培的栽培槽寬度約為200 mm，其橫截面形狀有口字型、凹字型和幾字型等，其結(jié)構(gòu)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對營養(yǎng)液的回收利用[7]。圖2所示為幾字形栽培槽，基質(zhì)袋放在栽培槽支撐面上，多余的營養(yǎng)液從基質(zhì)袋割口流出并沿著支撐面流入排液通道，回收的營養(yǎng)液經(jīng)處理可再次利用，提高利用率[8]。因此，為順利收集多余營養(yǎng)液，栽培槽安裝時(shí)還應(yīng)有一定的安裝坡度，約為3‰ ～5‰。

圖2 幾字形栽培槽

1.3 補(bǔ)光系統(tǒng)

為應(yīng)對陰雨天氣和冬季陽光少的問題，需采取措施保證番茄得到充足的光照。玻璃溫室配有專業(yè)的玻璃清洗設(shè)備，以保證長年透光率維持在70%以上。同時(shí)，還會安裝補(bǔ)光系統(tǒng)，最常見的補(bǔ)光設(shè)備是高壓鈉燈。一般而言，增加1%的光照，便可增加1%的產(chǎn)量。為了計(jì)算補(bǔ)光效能，荷蘭的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者甚至計(jì)算出維持每穗果實(shí)生長所需的能量為每天80 J/cm2，若每株掛果7穗，維持植株生長所需能量為100 J/cm2，所需總能量為660 J/cm2，相當(dāng)于需自然光照18 h以上。然后根據(jù)番茄的能量需求，確保補(bǔ)光的強(qiáng)度滿足番茄生長的需求[9]。值得一提的是，LED補(bǔ)光也逐漸應(yīng)用到番茄無土栽培中，LED有著更好的發(fā)光效率，省電耐用，隨著價(jià)格的下降，未來玻璃溫室中LED補(bǔ)光會越來越普及。

1.4 溫濕度調(diào)控

為實(shí)現(xiàn)溫濕度的調(diào)控，培育番茄的玻璃溫室常配有日常儲能系統(tǒng)和長期儲能系統(tǒng)，并合理鋪設(shè)了配套的輸水管道。前者白天把發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能儲藏在保溫水箱內(nèi)，晚上放熱。后者在溫室區(qū)有冷水、熱水水池，兩個水池對溫室在不同季節(jié)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，以保證溫室“冬暖夏涼”。通過熱電聯(lián)產(chǎn)和儲能系統(tǒng)，荷蘭的番茄生產(chǎn)者可以精準(zhǔn)控制番茄在不同時(shí)期的生長溫度：定植初期白天20 ℃，夜間19 ℃[10]。開花結(jié)果以后，白天最高溫度22～24 ℃，夜間溫度前半夜17～18 ℃，后半夜18～19 ℃。陰天時(shí)適當(dāng)增大溫差，白天最高26 ℃，夜間16～17 ℃。整個溫室系統(tǒng)，不僅可以把溫度控制在16～22 ℃之間，還可以控制空氣濕度，讓白天的RH為75%～80%， 夜間為85%～90%。

1.5 熱電聯(lián)產(chǎn)與二氧化碳供給系統(tǒng)

荷蘭的天然氣資源較豐富，很多溫室都有自己的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，即以天然氣為燃料，在為溫室生產(chǎn)提供熱量的同時(shí)，將剩余熱量轉(zhuǎn)化為電能的鍋爐系統(tǒng)。該系統(tǒng)白天運(yùn)轉(zhuǎn)，將所產(chǎn)生的熱水儲存，產(chǎn)生的電能除了供應(yīng)溫室需要外，多余的還會并入國家電網(wǎng)，而產(chǎn)生的二氧化碳則會用于番茄生長。一般大氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)僅為0.04%左右，但番茄的二氧化碳飽和點(diǎn)在0.14%，遠(yuǎn)不能滿足番茄的生長需要。因此，有熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的溫室，可以將溫室二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)控制在0.08%～0.09%左右，讓番茄獲得比普通耕地更高的產(chǎn)能。其他沒有熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的溫室，則要靠近大型的能耗企業(yè)(如港口、工廠等)或有供能系統(tǒng)的溫室，通過地下管道輸送的方式獲得二氧化碳?xì)怏w。

1.6 自動化灌溉施肥和集雨設(shè)備

荷蘭溫室設(shè)施采用精確控制系統(tǒng)，能將番茄灌溉總量、灌溉頻率數(shù)據(jù)和番茄生長及氣候環(huán)境相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水肥一體化、智能化。不但可以根據(jù)作物不同時(shí)期調(diào)整灌水量，而且可以在一天當(dāng)中，根據(jù)太陽輻射的情況及時(shí)調(diào)整供水量，以保證在滿足作物需求的同時(shí)，避免水分浪費(fèi)。并且配備集雨設(shè)備，收集雨水供灌溉使用。荷蘭番茄生產(chǎn)的自動化施肥系統(tǒng)還具有高度的精準(zhǔn)性，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是質(zhì)量上，每周的肥料配方都是由肥料咨詢公司為其提供，生產(chǎn)者根據(jù)回液測試值、雨水的測試值，調(diào)配符合某一特定時(shí)期配方的營養(yǎng)液母液。溫室也會專門收集每天每株植株的供應(yīng)量，并且每天都會收集巖棉塊中的營養(yǎng)液，對EC值(可溶性鹽濃度)、pH值等主要指標(biāo)進(jìn)行測試，同時(shí)及時(shí)輸入施肥系統(tǒng)，以確保制定第二天所用營養(yǎng)液的合理配比[11]。二是用量上，番茄營養(yǎng)液用量由施肥系統(tǒng)控制，根據(jù)溫度、光照等環(huán)境因素不同而不同。為保證植株生長期間施肥系統(tǒng)能夠提供適宜的營養(yǎng)成分，荷蘭溫室生產(chǎn)一般采取定期的檢測體系，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。水肥灌溉方式為用插管滴灌，溫室內(nèi)建有蓄水池,其水位栽培槽之間至少有1～1.5 m 的水位差。蓄水池內(nèi)的水用于給營養(yǎng)液加水并對番茄滴灌,栽培槽內(nèi)設(shè)一兩條滴灌帶, 滴灌時(shí)將引出的插管插入到相應(yīng)植株的基質(zhì)中，可利用壓差實(shí)現(xiàn)滴灌。自動灌溉和集雨設(shè)備如圖3所示。

圖3 自動灌溉和集雨設(shè)備

1.7 智能控制系統(tǒng)

上述提到的光照、溫度、濕度、水肥供應(yīng)及二氧化碳控制，全部由統(tǒng)一的傳感系統(tǒng)監(jiān)控并錄入數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)軟件設(shè)定進(jìn)行統(tǒng)一的控制[12]。 以荷蘭Red Harvest為例，該農(nóng)場溫室自動化控制系統(tǒng)基于Priva connext系統(tǒng)，該系統(tǒng)將加熱系統(tǒng)、CO2增施系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、通風(fēng)降溫系統(tǒng)、營養(yǎng)液回收利用系統(tǒng)等進(jìn)行了集成，在一臺電腦上就可以控制整個溫室正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過智能控制系統(tǒng)，可以讓每一株番茄處于最佳的生長狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)每株番茄種植一年，每周產(chǎn)一穗果，平均年生產(chǎn)時(shí)間為48周，一茬畝產(chǎn)十萬斤的奇跡[13]。

1.8 溫室配套機(jī)械

對于規(guī)?；臏厥疑a(chǎn)，為了提升效率，配套的機(jī)械設(shè)備是非常重要的一環(huán)。荷蘭的番茄溫室，一般配備有采摘作業(yè)車、植保車、可升降軌道車、運(yùn)輸作業(yè)車等。利用升降軌道，可操作蔓長達(dá)10～12 m、吊高3.5 m的番茄。溫室配套機(jī)械設(shè)備不僅僅應(yīng)用在番茄的生產(chǎn)過程中，在其他過程中也有相應(yīng)的應(yīng)用。如育苗過程的自動化播種機(jī)、生產(chǎn)后的清運(yùn)設(shè)備、采果后的自動稱重包裝等等，都是荷蘭番茄生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)高效管理的重要輔助機(jī)械。此外，上述提到的用于調(diào)節(jié)溫度而鋪設(shè)的輸水管道，通過合理鋪設(shè)，亦能作為各種作業(yè)車的運(yùn)行軌道(作業(yè)車行走在輸水管道上)，從而合理利用了空間(如圖4所示)。

圖4 輸水管軌道和作業(yè)車

2 基質(zhì)

荷蘭的番茄無土栽培大部分采用巖棉作為基質(zhì)栽培[14]，該基質(zhì)生產(chǎn)面積占到生產(chǎn)總面積的90%以上。巖棉基質(zhì)栽培是將植物栽植于預(yù)先制做好的巖棉中的栽培技術(shù)。巖棉是由60%的輝綠巖、20%的石灰?guī)r和20%的焦炭，在1 600 ℃的高溫下熔化，噴成0.005 mm的纖維，并壓成塊，使其重量為77～80 kg/m3而成的無機(jī)固體基質(zhì)。巖棉具有很好的透氣性和保水性，經(jīng)過1 600 ℃的高溫提煉，無菌、無污染，因此是歐洲主要的無土栽培基質(zhì)。用于無土栽培的巖棉，在制作工藝過程中還需加入親水劑以增強(qiáng)其親水性。利用巖棉作基質(zhì)的無土栽培稱之為巖棉培(如圖5所示)。巖棉培裝置簡易、安裝和使用方便，其栽培床只需巖棉氈、黑色塑料薄膜、無紡布，并配以滴灌裝置。在溫室進(jìn)行番茄無土栽培時(shí)，栽培槽采用懸掛式掛在桁架上，將巖棉氈放置在栽培槽上即可[15]。

圖5 巖棉培

3 定植栽培管理

經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)累積，荷蘭的番茄生產(chǎn)已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)化的流程，在品種選擇、植株管理、授粉方式、病蟲防控等技術(shù)上都有完善的配套。

3.1 品種選擇

番茄的高產(chǎn)離不開優(yōu)秀的品種，一般選擇生長勢強(qiáng)、抗早衰、連續(xù)結(jié)果能力強(qiáng)、果實(shí)大小均勻一致、畸形果率低、綜合抗逆能力強(qiáng)、品質(zhì)好的紅果品種來進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)中大多選用單果重為120～150 g的中型果，且每個農(nóng)場番茄品種相對固定。

3.2 長季節(jié)栽培

荷蘭的番茄僅生產(chǎn)一茬，跨度為一年。一般在冬季低溫寡照時(shí)育苗，12月上中旬定植，次年11月中下旬拉秧，平均年生產(chǎn)周期為48周。在這樣的栽培模式下，番茄秧可長達(dá)10～12 m，需要復(fù)雜的植株管理。

3.3 植株管理

荷蘭的番茄生產(chǎn)用工可分為：吊蔓、分枝、落秧、繞秧、打杈、疏花、打葉。荷蘭番茄通常采用高秧吊蔓栽培，生長點(diǎn)離地3.5 m高。然后每周落秧一次，落秧采用掛鉤翻轉(zhuǎn)或掛繩解旋的方式，全程操作均在軌道車上進(jìn)行，并需注意避免扭裂或折斷莖蔓，保證生長點(diǎn)水平高度一致。整枝方式為多桿整枝，以“Tomato World”農(nóng)場大番茄為例，初始密度為1.7株/m2，4周后通過分枝密度增加至2.7株/m2，再過12周后密度增加至3.6株/m2。吊蔓與分枝工作每年進(jìn)行次數(shù)有限，因此與落秧工種合并管理。繞秧可造成莖稈內(nèi)部輕微損傷，從而促進(jìn)開花結(jié)果(生殖生長)。繞秧的同時(shí)要將葉腋間抽生的側(cè)芽、側(cè)枝全部去掉(即打杈，從基部去除，減少機(jī)械損傷)，避免養(yǎng)分消耗和植株間相互遮蔽，最后再將多余的花及花前枝去掉。打杈、疏花時(shí)，盡量少用手接觸植株莖葉部，注意消毒，防止病菌傳染。打葉每周進(jìn)行一次，一次打掉2～3片以改善植株中下部通風(fēng)透光條件，減少養(yǎng)分散失。操作時(shí)采用專用打葉刀緊貼葉柄離層去掉葉片，以減少打葉造成的機(jī)械損傷，減少病害感染的幾率。打掉的葉片直接放置于栽培槽底部地面上，待生長結(jié)束時(shí)統(tǒng)一收集處理。

3.4 生物防治蟲害與授粉

番茄栽培過程中，為了控制病蟲害，溫室的人員出入有著嚴(yán)格的消毒制度。荷蘭番茄溫室內(nèi)幾乎不使用農(nóng)藥進(jìn)行蟲害防治，而是以生物防治為主，以物理、化學(xué)防治為輔。溫室番茄生產(chǎn)主要蟲害防治對象為白粉虱、潛葉蠅、蚜蟲等，白粉虱采用盲蝽、麗蚜小蜂等天敵防治；潛葉蠅采用潛蠅姬小蜂防治；采用藍(lán)板防治薊馬、黃板防治白粉虱和蚜蟲(如圖6(a)所示)。

為減少人工授粉的成本以及化學(xué)激素的使用，荷蘭溫室一般采用熊蜂對番茄進(jìn)行授粉(如圖6(b)所示)。在多于20%的番茄開花后，開始使用熊蜂。蜂箱擺放要高于作物或者放置在栽培槽下面，熊蜂進(jìn)出口不能有遮擋物，蜂箱上方放置遮陽設(shè)施。一箱熊蜂可以用于約660 m2的番茄授粉，當(dāng)棚室面積超過860 m2后增加到兩箱。

(a)黃板防治病蟲 (b)熊蜂授粉

4 營養(yǎng)液管理

營養(yǎng)液作為無土栽培的核心部分，從配成后直至被植物吸收的全過程，如何精細(xì)管理對番茄整個生長過程至關(guān)重要，而荷蘭現(xiàn)代化的營養(yǎng)液管理是實(shí)現(xiàn)番茄高產(chǎn)的保證。

4.1 營養(yǎng)液配方管理

番茄對無機(jī)元素的吸收量因品種和生育階段不同而不同，所以應(yīng)根據(jù)番茄品種、生育階段、栽培季節(jié)進(jìn)行管理。荷蘭番茄一般都是串收品種，12月定植，一直持續(xù)到第二年12月，基本保持一年的生長時(shí)間，像這種長季節(jié)生長作物需根據(jù)作物長勢及時(shí)調(diào)整配方，荷蘭番茄生產(chǎn)每周一個營養(yǎng)液配方，由專業(yè)公司根據(jù)番茄長勢、回液測試值制定。

4.2 供液方法與次數(shù)的管理

荷蘭番茄一般都種植在巖棉塊上，常采用間歇供液方式，這樣可以強(qiáng)制循環(huán)增加營養(yǎng)液中的溶氧量，以滿足根對氧氣的需要。一般每天供液次數(shù)及每次供應(yīng)時(shí)間要根據(jù)季節(jié)、天氣、苗齡大小、生育期來決定。具體每天施用數(shù)量、時(shí)間均由該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)中設(shè)置光照強(qiáng)度和時(shí)間間隔兩個條件，滿足其一即可，保證了營養(yǎng)液按需供給，一般8：30開始施肥，每隔20 min澆灌一次，每次每個滴箭吸收大約200 mL營養(yǎng)液，每天總用量約為7 L/m2[16]。

5 應(yīng)用展望

荷蘭番茄基質(zhì)無土栽培技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，體系完整、技術(shù)成熟，能夠充分發(fā)揮無土栽培的優(yōu)勢，大大提高了番茄的產(chǎn)量和質(zhì)量，生產(chǎn)的番茄與土壤栽培相比，果型端正、果皮著色均勻、口感佳、維生素以及各種礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分也有所增加，例如維生素C的含量能達(dá)到150 mg/kg以上，比土壤栽培的提高了25%。同時(shí)該番茄基質(zhì)無土栽培技術(shù)還有效提高了生產(chǎn)效率[17]。該技術(shù)雖然在我國也有一定的研究和應(yīng)用，但是總體相對落后。在我國種植番茄的大部分為個體戶菜農(nóng)，文化水平普遍不高，難以掌握無土栽培這種復(fù)雜技術(shù)。并且該技術(shù)所需前期投資較高，如玻璃溫室、水肥一體化系統(tǒng)搭建等，普通個體戶沒有能力負(fù)擔(dān)這些必要設(shè)施的費(fèi)用?；局R、管理經(jīng)驗(yàn)以及配套設(shè)施的匱乏導(dǎo)致我國無土栽培種植番茄產(chǎn)量與傳統(tǒng)土壤栽培產(chǎn)量相差無幾，甚至更低。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程進(jìn)一步加快，農(nóng)村務(wù)農(nóng)人口大量流失，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正經(jīng)歷著重要的轉(zhuǎn)型升級，無土栽培技術(shù)的推廣越來越迫切。但我國不能照搬荷蘭的無土栽培模式，而是應(yīng)該學(xué)習(xí)其精細(xì)管理、追求品質(zhì)的精神，并結(jié)合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體國情，發(fā)展適用于我國的無土栽培技術(shù)。