智能水凝胶作为无土栽培基质研究与应用的发展.docx

智能水凝胶作为无土栽培基质研究与应用的发展 吉乐涵 翁滨伟 竺寅威摘 要智能水凝胶是水凝胶的一种，其性能能够随着外部环境（如温度，pH，电场，溶剂性能，光的强度和波长，压力，离子强度等）的变化而改变、响应，具有环境响应性。本文简介了智能水凝胶在药物控释、组织工程、材料分离、酶固定和调光材料等方面的应用。同时介绍了无土栽培的发展历史和无土栽培在国内外的总体情况，无土栽培在国内的主要实施方法和无土栽培技术的类型、特点和优势，分析并预测其现状和发展前景。关键词无土栽培;水凝胶;发展;前景S688.4 A1 无土栽培发展概况国际无土栽培学会将无土栽培定义为用基质代替天然土壤，移栽后用植物所需养分浇灌代替基质的栽培方法。与传统的栽培方式相比，无土栽培具有自身极大的优势。有效地解决了植物所需的生长条件矛盾，充分发挥了作物产量增发潜力。已经有许多国家和地区使用并发展无土栽培技术，其栽培技术日趋成熟完善。无土栽培技术的推广应用，推动了农业、园艺、林业的生产发展，使其进入了一个新的发展阶段，对于今后的农业发展具有十分重大的发展意义。我国无土栽培的应用始于1941年，但因当时的生产条件限制、生产成本高而被放弃。70年代末，山东农业大学首次开展了无土栽培生产试验，取得了成功。80年代中期，随着改革开放技术的提升和人民生活水平的提高，国外的温室无土栽培设施投入生产，蔬菜生产不再是一味地追求高产，人们对于其质量要求也越来越高，在这种情况下，全国各地的无土栽培技术迅速发展，国内的技术状态也从研究变为了生产。据不完全统计，1989年我国无土栽培面积只有5.0 hm左右，90年代中期仅在北京一地就达到2.5 hm左右，我国无土栽培面积为118.0 hm左右，近年来我国无土栽培进入了快速发展阶段。目前，随著100多个采用无土栽培技术的国家和地区技术的逐步成熟和发展，无土栽培的应用范围和栽培面积也不断扩大，技术水平也有了质一般的飞跃，实现了集约化、量产化，实现了优质、高产、高效的目标。2 技术的定义及分类无土栽培作为一门研究无土栽培原理、栽培模式和管理技术的综合应用科学，是根据植物生长的需要使植物直接吸收利用，在植物完全摆脱对土壤的依赖的前提下将各种营养素转化为营养液。在无土栽培中，人为创造的作物根系取代了土壤环境，有效地解决了传统土壤栽培难以解决的水、气、养分供应矛盾，使作物根系处于良好的环境条件。无土栽培技术主要包括水培、薄雾栽培和基质栽培，基质栽培是无土栽培技术中的重要形式。目前，世界上大部分的商品无土栽培由于应用成本、实用性和经营管理难度的影响，采用基质栽培法。支持和固定植物是无土栽培基质的主要功能，其能够植物根系提供稳定和谐的养物。基质的研究是基质培养的基础和关键。中国的无土技术发展较晚，目前主要采用营养液膜技术（NFT）、深液流技术（DFT）、浮板毛细水培法（FCH）等水培技术，以及岩棉培养、袋式培养、罐式培养、无土栽培法、有机生态等基质培养技术。3 无土栽培技术的应用情况无土栽培在一定程度上可以代替土培，但其推广和应用在很多方面都会有困难。因此，在实际生活运用中，无土栽培不能完全取代土培，而只能作为土培的另外一种形式，使无土栽培发挥更大的价值。无土栽培技术的主要应用范围很广，包括航空、航海、空间站等。宇航员在太空中生产果蔬供应，而且在海洋中储存空间有圆甲板、仓库水培箱、水培袋等，可解决各种问题。一是长期在海上工作，以满足新鲜蔬菜的需求。二是能够为生活民众提供微缩栽培，比如说像小型无土栽培箱、袋可以安装在住宅楼的阳台、屋顶甚至是家中，这样一来便利民众，绿化城市，两全其美。三是作为观光农业项目，回归自然，在郊区和旅游区设立无土栽培示范区，吸引游客，在丰富旅游资源的同时，拓展民众们的植物生态科学知识，与生物和谐相处。四是用于生产淡季或者高档园艺产品，可以提高农作物的产量，促进销售。五是作为研究科研的道具，进购于中小学校或者科研中心。4 无土栽培技术的主要缺点无土栽培技术有许多优势，但在一定程度上，它只是农业科技发展的产物，与土壤栽培相比，无土栽培需要一定的设施、资金，包括各种应用。离子营养液灌溉作物无土栽培系统，一般一次性投资至少9万元/hm2，有的甚至高达75万90万元/hm2，用于配置肥料营养液，也需要每年花费45200元/hm2以上;甚至对于更为实用的有机生态土壤无土栽培系统，一次性投资34.5万元/hm2，年化肥成本约24万元/hm2。由于各种原因，现今大部分生产者对于无土栽培的积极性不高。因此，根据各种实践，无土栽培有以下主要缺点：与土壤栽培相比，它具有较高的投资和较高的经营成本;严格的技术要求;管理要求最严格，一旦管理不当，容易发生某些疾病的迅速蔓延，造成严重后果，损失惨重。5 无土栽培技术的分类及特点5.1 按是否使用基质分类5.1.1 无底物培养。无基质培养无固定根基质，根与营养液直接接触。可分为水文化和雾文化。水培栽培，又称水耕栽培，其特点是为植物根系提供充足的营养物质，而且能够很好地稳固根系。水培法主要包括营养液膜法、深液流法和浮板毛细管法。喷雾培养，是一种利用喷雾装置雾化营养液，直接喷洒植物根系的无土栽培形式。该方法解决了营养吸收与供氧矛盾解决的根源，主要特点是在超声波传感器的作用下，以微小颗粒形式存在的营养液，为植物的生长提供营养，经超声波处理后的营养液，实现了超声波对植物生长的影响。消炎杀菌，控制部分叶片的病情发生蔓延。5.1.2 培养基。无土栽培基质的协调可以为植物提供水温、气温、脂肪结构的生长介质，它除了支撑、固定植物外，更重要的是起到“枢纽”的作用，使养分和水分从营养液中转移，使植物根系能够根据需要从中吸收。根据基体的形态、组成和形状，国内外使用的基体可分为以下四种类型。无机基质：包括无机颗粒基质，如砂、陶瓷、砾石等。纤维基质，如岩棉、矿棉等。还有其他基质，如珍珠岩、蛭石等。人造基质：常用的合成化学基质，如聚乙烯、聚丙烯、酚醛树脂、脲醛泡沫塑料等。有机基质：锯末、甘蔗渣、稻草、稻壳、水苔、烟炭、树皮、麦草、椰壳糠、真菌糠等。混合基质：无机基质与无机基质混合的培养基质，有机基质与无机基质混合，有机基质与无机基质混合。5.2 按无土栽培能耗及其对环境和生态条件的影响分类5.2.1 有机生态无土栽培。有机生态无土栽培的排放溶液对环境无污染，在灌溉时用清水，用有机肥代替营养液，能生产出合格的绿色食品。有机生态无土栽培的优点是：用有机固体肥代替传统的营养液，操作管理简单，减少了无土栽培设施系统的投资，大大节约了生产成本，对环境无污染，产品质量优良。有机生态无土栽培可以满足当前生态农业和绿色食品发展的需要。5.2.2 无机耗能无土栽培。无机耗能无土栽培均采用化肥来调配植物所需的营养液，大量能量会在营养液循环中消耗，灌溉液的排放会对环境造成污染，同时生产出的食品可能会硝酸盐含量过高。6 无土栽培的优势及发展方向以人工研制的基质代替土壤环境，有效地缓解了传统土壤栽培难以解决的水、气、养分供应矛盾，使根作物在最佳状态下生长，充分发挥其生长潜力。作物产量增加。无土栽培可以避免土传病虫害，避免土壤污染，生产清洁、少污染、无污染、优质的产品。同时，无土栽培不再被土壤连作所障碍，具有节水、省肥、省力等高效生产的不可比拟的优势。然而，由于无土栽培作物根际的环境（营养液或固体基质）比土壤缓冲性差，根系易受外界条件的影响，如温度、营养液酸碱度、设施内营养状况等，更容易出现生理障碍。在生产中迫切需要克服的是土壤耕作和相应的对策。由于我国大部分地区采用的是无机消能型无土栽培方式，不仅能耗大，环境污染大，且这种方式所生产的食品硝酸盐含量超标，将给人体带来极大危害，因此应大力促进节约投资，降低成本。劳动力少、操作方便、产量高、产品质量好的有机生态型无土栽培技术，引导我国向更新、更好的无土栽培技术发展。发展生产无公害、安全、优质、营养的绿色产品，是社会技术发展的必然，也是维护人类健康、保护环境、发展可持续农业的紧迫任务。无土栽培作为世界农业科技中广泛应用的先进技术，已成为发展生产无公害绿色产品的可靠方法。随着中国与世界的融合，传统蔬菜种植将得到更大的发展。无土栽培因为能够生产出符合国家食品卫生标准的“绿色食品”，将为农业产业的发展提供技术支持，逐渐成为我国高科技农业生产的主要模式。针对世界无土栽培的现状和趋势，将无土栽培技术从试验阶段逐渐转化为投入运用阶段。现状表明，自动化程度越高，无土栽培的集约化、现代化程度越高，投产效率越高，但由于经济、技术、设备等条件的不同，无土栽培技术水平及其应用效果也会有巨大的差异。对于新时代的无土栽培来说，无土栽培将是一个高度和简易并存的种植设施。在我国，无土栽培技术水平还处于初级阶段，同时其在我国的应用起步较晚，但我国作为一个发展中国家，具有巨大的發展潜力。随着科技的快速发展、人民生活水平的不断提高和经济的迅速蓬勃，无土栽培在未来的发展不可小觑。兴起的无土栽培产业，会同时带动农业、园艺、林业、花卉生产发展，甚至能让耕地利用和沙产业有进一步的发展。在前几十年，我国无土栽培技术发展缓慢，发展速度从70年代开始加快。80年代后，随着改革开放，在全国范围内，由于我国与国际的科技交流增多，同时旅游业发展迅速，无土栽培技术得到了普及，经过改革开放后，无土栽培技术得到了普及。多年后经过研究人员的实践，发现了系列无土栽培技术，能够很好地适应我国国情。之后在一系列技术的开发后，开发了新的实用、节能、高效无土蔬菜栽培技术，在一定程度上与我国国情契合，我国无土栽培的状态从试验研究阶段迅速进入商品化生产阶段，并使我国无土蔬菜的栽培技术在我国的推广应用成为现实。同时引用国外较为发达农业技术，引进国外大型现代化温室、现代化的无土栽培设施，开始实现自国自产。调整实践各类无土栽培技术，使其适应我国国情，同时开始全面发展农业技术。虽然无土栽培作为一种新型农业技术在我国的实践运用时间短，但随着民众对生活质量要求的日益严格，大家也会越来越重视无土栽培技术，其仍具有很大的发展前景和运用潜力。7 我国无土栽培技术存在的问题及展望在我国现今的技术下，无土栽培的开发技术还不够成熟，但在其开发过程中需要多个技术条件同时发挥作用，因此造成了无土栽培技术滞后。具体原因有以下几点：（1）局限性，无土栽培的局限于特定地区，而且只有部分作物具有较高的经济价值;（2）基质价格昂贵，许多资源属于不可再生资源，需求量大;（3）生产的成本昂贵，造成销出的限制与困难，对于消费者来说也有一定的压力;（4）无土栽培的基质影响，其硝酸盐含量容易过高，对环境有一定的污染。对于我国无土栽培技术的现状来说，虽然全面推广有着一定的难度，但相信在今后科技的进步、科研人员的努力和与国外无土栽培技术发达的国家交流下，其运用将会有更为广阔的前景。参考文献1 邢禹贤.世界无土栽培及发展趋势J.农业新技术新方法，1997（03）.2 柴晓芹.无土栽培及其发展趋势J.甘肃农业科技，1999（01）.3 田吉林，汪寅虎.设施无土栽培基质的研究现状、存在问题与展望J.上海农业学报，2000（04）.4 李式军，高丽红，庄仲连.我国无土栽培研究新技术新成果及发展动向J.长江蔬菜，1997（05）.5 蒋卫杰，郑光华，刘伟.有机生态型无土栽培技术J.中国蔬菜，1997（03）.6 范双喜.蔬菜无土栽培的主要生理障碍及对策J.北方园艺，2002（03）. -全文完-