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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
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1 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3～4.5万元/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。
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