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现营养缺乏或过剩,植株立刻表现营养失调症状,基质较土壤的保水性差,灌水次数多,稍有缺水就出现萎蔫。
因此要求严格管理,稍有不慎就会造成失误。
10、一次性投资大,运行成本高无土栽培需要一定的设施及设备,例如栽培槽、营养液装置及循环系统、通气装置、基质等。
美国袋培初期投资最高达3.5万美元/公顷(18000
元/亩),我国1254元/亩;
沙培美国南部5万美元/公顷(26666.7元/亩);
深水岩棉培荷兰
6.8万美元/公顷(37000元/亩),如用循环水灌液,需7万美元(37000元/亩),我国需3500元/亩;
NFT法在西欧和北美自动化及有加液温系统,8.1万美元/公顷(43元/亩),有金属可移动栽培床的NFT系统21万美元。
表1我国主要无土栽培系统的一次性投资及运行成本
无土栽培系统 一次性投资(元/亩)运行成本(肥料)元/亩年
有机生态型无土栽培
4300
1500
槽培
5200
4000
袋培
5500
岩棉培
7900
鲁SC无土栽培
5400
3500
营养液膜培
15000
浮板毛管水培
18000
深液流栽培
三、无土栽培的主要应用范围
1.蔬菜生产 果菜、叶菜、草莓、西瓜、甜瓜等经济效益高的种类和绿色蔬菜生产。
2.花卉生产鲜花、苗木。
以荷兰最多。
3.饲料生产在南非、苏联的西伯利亚
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4.教育及科研上的应用 应用于植物生理学、植物病理学、植物营养学、植物学研究。
四、无土栽培发展简史及现状
(一)无土栽培发展简史
无土栽培是伴随着植物营养研究而发展起来的,是植物营养学研究、植物生理学研究、植物学研究的有效方法和手段。
原始的无土栽培要数生豆芽了,至于始于何时还无从考证,最晚出现于宋代林洪《山家清供》有生豆芽的记载。
我国南方的船家用竹木制的水上菜园多种空心菜;
墨西哥的阿兹提克早在17世纪就使用漂浮菜园;
一直沿用至今的萝卜芽、豌豆芽、蒜苗、水仙栽培等。
科学的无土栽培起源于1859~1865年,德国的沙奇斯(sachs)和克诺普(knop)的试验,属于试验探索时代。
德国的沙奇斯和克诺普把化学药品加入水中制成营养液栽培植物得到成功,他们把这种方法称为水培,1920年营养液的实验室制备达到标准化。
格利克(W.F.Gericke)是第一个将无土栽培用于商业化生产的人,这意味着无土栽培技术趋于成熟,迈进了实用化时代。
1929年美国加利福尼亚大学教授格利克根据前人的研究结果,用无土栽培成功地生产了番茄。
1933年他申请了一项水培植物施肥设备专利。
1935年在他的指导下美国一些蔬菜和花卉种植者进行了大规模的生产试验。
十年后的第二次世界大战末期,这项技术应用于均是需要可到进一步应用当时的盟军在太平洋关岛和中东的沙漠中用无土栽培生产蔬菜供应部队,给军队的后勤保障起到了积极作用。
并传入欧洲和亚洲。
1960~1965年间无土栽培主要是固体基质探索时期,70年代末80年代初岩棉培取得成功,并以其来源广泛、体轻、一般运等优点迅速在丹麦、荷兰、瑞典等国发展起来。
20世纪70年代英国的库柏(Cooper)发明了营养液膜技术(NFT)和丹麦首先开发后在荷兰普及的岩棉培技术(RW)的开发应用,是无土栽培技术重大突破。
意味着无土栽培高科技时代的到来。
由于无土栽培设施设备的开发应用,无土栽培技术的成熟,栽培模式的标准化、管理系统的建立及计算机控制技术的应用,使无土栽培实现了机械化、自动化操作和管理,集约化生产,朝着现代化农业的方向发展。
随着无土栽培技术的发展,世界上许多国家和地区前后成立了无土栽培技术研究和开发机构。
国际上于1955年在第十四届国际园艺学会上成立了国际无土栽培工作组((IWGSC),隶属于国际园艺学会,并于1963、1969、1973、1976年在意大利、西班牙轮流召开了四届国际无土栽培学术会议。
1980年在荷兰召开第五届国际无土栽培学术会议,并改名为“国际无土栽培学会”(ISOSC),以后每4年举行一次年会。
1984年、1988年均在荷兰召开。
(二)无土栽培发展的现状
1、国外无土栽培发展的历史及现状
荷兰是世界上无土栽培最发达的国家之一,国际无土栽培学会(ISOSC)总部设在荷兰,极大地促进了欧洲和荷兰的无土栽培的发展速度。
1971年问题无土栽培的面积仅20hm2,1986年发展到3522hm2,1995年达到8500hm2,2000年已超过1万hm2。
无土栽培的主要作物有番茄、黄瓜、甜椒和花卉(主要是切花),其中花卉占50%以上。
荷兰无土栽培的面积大;
稳产、高
2 2
产,番茄平均产量达到52kg/m黄瓜、75kg/m;
主要采用岩棉培,占无土栽培总面积的3/4;
机械化、自动化程度高;
管理水平高。
英国1073年发明了营养液膜技术,1080年资料记载有68个国家研究和应用该项技术,1981年在英国北部坎伯来斯福尔斯建立了一个面积为8hm2的水培温室,为当时世界上最大的“番茄工厂”。
但是由于其投资大、栽培管理还存在某些弊病,后来发展较慢。
据统计英国1984年无土栽培面积为158hm2,其中岩棉培和其他形式占2/3,NFT占1/3。
欧洲其他国家无土栽培也有一定面积,法国1978年无土栽面积达到400hm2,俄罗斯大约120hm2。
美国也是无土栽培应用最早的国家之一,且是世界上最早应用无土栽培进行商业化的国家。
他的无土栽培面积不大,1984年为蔬菜无土栽培面积为200hm2,花卉几乎全部是无土基质栽培面积为1700多hm2,共1900hm2;
1997年蔬菜无土栽培面积约308hm2。
但是美国无土栽培研究水平相当先进,且应用较广,多数用于干旱、沙漠地区及宇航中心。
1984年番茄产量达到27~33kg/m2(1.8~2.2万kg/亩)、黄瓜产量27~45kg/m2(1.8~3万kg/亩)、莴苣产量33~50kg/m2(2.2~3.3万kg/亩)。
日本不仅在无土栽培的实验研究和大面积应用方面处于世界领先水平,而且开展了卓有成效的超前性研究。
在营养液配方研究方面,山崎提出了植物吸水和吸肥按比例同步进行的概念,并以此为依据设计了一系列的山崎营养液配方;
由堀氏对霍格兰和阿农配方修正设计出一系列“园试配方”至今在世界广泛应用。
日本形成了独具特色的深液流水培技术如M式、神园式、协和式等,有引进了NFT和岩棉培技术。
研制了各种全自动控制的植物工厂,实现了机械化和自动化。
日本的无土栽培技术的起始和发展得益于美军基地大型无土栽培设施的建立。
1964年建立了22hm2的砾培鲜菜生产基地,1971年无土栽培面积发展到31hm2;
1981年增加至282hm2;
1993年达到609hm2;
1999年增加到1056hm2,其中岩棉培480hm约占%,深液流水培313hm2约占30%、营养液膜水培120hm2约占11%、其他形式143hm2约占14%。
无土栽培的作物种类有蔬菜约占72%,花卉约占27.4%果树约占0.9%。
1988年时番茄产量达到10kg/m2
(6867kg/亩),黄瓜8.6kg/m2(5733kg/亩),草莓4.4kg/m2(2933kg/亩),网纹甜瓜2.6kg/m2
(1733kg/亩),莴苣1.6kg/m2(1067kg/亩)。
2、我国无土栽培发展的历史及现状
我国无土栽培是从20世纪20~30年代开始起步,70年代开始无土栽培应用研究,80年代中期开始列入国家重点攻关项目,全国有30多个单位进行研究。
并于1985年在中国农业工程学会下设了无土栽培学组,至1992年每年召开一次年会,1992年年会上改名为“中国农业工程学会设施园艺工程专业委员会”,每两年召开一次年会。
研制开发出鲁SC-Ⅰ型、鲁SC-Ⅱ型、改进型水泥砖结构型深液流水培装置、简易NFT、有机生态型基质培、浮板毛管水培和华南深夜培等无土栽培装置,浮板毛管水培技术、有机生态型无土栽培技术、简易NFT技术、引进并广泛应用了岩棉培技术。
研究并开发了芦苇、菇渣等有机基质。
简化了无土栽培设施和营养液、基质等管理技术,降低了无土栽培的设备投资和生产成本。
出版了《无土种植法浅说》、《无土栽培》、无土栽培原理与技术》等著作。
我国无土栽培面积1985年15hm2、1990年7hm2、1995年50hm2、1999年200hm2、2000年500hm2、2002年865hm2、台湾50hm2。
番茄、黄瓜年产量1990年9kg/m2(6000kg/亩)、1995年15kg/m2(1万kg/亩)、2000年30gk/m2(2万kg/亩)。
第二章无土栽培类型及设施第一节 无土栽培类型及特点
一、无土栽培类型按有无基质可分:
无基质培 水培
无土栽培 雾培喷雾培、半喷雾培
基质培 无机基质培沙培、珍珠岩培、砾培、岩棉培、陶粒培、熏炭培、
塑料泡沫培
有机基质培草炭培、木屑培、秸秆培、炉渣培、混合基质培、有机生态型无土栽培
按设施不同可分:
槽培、袋培、立体培、雾培二、水培和雾培及其特点
(一)水培
水培是指定植后植物的根系直接与营养液接触。
根据营养液层的深浅,又可分为深液流水培技术(供氧问题)和浅水培技术。
特点是设施、营养液的配方和配置技术、自动化和计算机控制技术都比较完善。
存在的问题一次性投资大,生产成本高,管理操作复杂,系统能耗大,营养液为全无机营养对产品有污染,较难生产绿色食品。
1、深液流水培技术的几种主要形式
深液流法(DeepFlowingTechnique,简称DFT)即深液流循环栽培技术。
这种栽培方式与营养液膜技术(NFT)差不多,不同之处是流动的营养液层较深,植株大部分根系浸泡在营养液中,其根系的通气靠向营养液中加氧来解决。
这种系统的主要优点是营养液定期循环,解决了在停电期间NFT系统不能正常运转的困难。
该系统的基本设施包括:
营养液栽培槽、贮液池、水泵、营养液自动循环系统及控制系统、植株固定装置等部分。
深液流法目前主要在广东省推广面积较大。
(1)动态浮根法(DynamicRootFloatingSystem,简称DRF)动态浮根系统是指栽培作物在栽培床内进行营养液灌溉时,根系随着营养液的液位变化而上下左右波动。
灌满8厘米
的水层后,由栽培床内的自动排液器,将营养液排出去,使水位降至4厘米的深度。
此时上部根系暴露在空气中可以吸氧,下部根系浸在营养液中,不断吸收水分和养料,不怕夏季高温使营养液温度上升。
一般10~16时之间,每个小时抽气1次,每次15分钟。
其余时间,每2~3小时循环1次,每次15分钟。
动态浮根系统的主要结构是:
栽培床、营养液池、空气混入器、排液器与定时器等。
是我国台湾省开发应用的。
(2)M式水培特点是无贮液池,种植槽的营养液通过泵直接循环。
种植槽是预先生产定型的泡沫塑料槽,槽内铺垫一层塑料布装营养液,在槽底安装一条开有小孔的供液管,穿过槽底部薄膜按装营养液回流管并与水泵相连,同时在水泵的出口处附近安装一个空气混入器。
其水泵开启时,将种植槽内的营养液抽出流经空气混入器中,使营养液中的溶氧量增加,然后再从供液管上的小孔喷射回种植槽中。
此方法以栽培叶菜为主。
(3)协和式水培种植槽为塑料拼装式,是拆迁,安装较简单。
特点为整个栽培系统分成各个栽培床,每个栽培床分别设置供液、排液装置。
通过增大栽培槽面积,扩大贮液容积,采用连续供液法来提高栽培系统的稳定性,栽培结束时种植槽清洗、消毒不方便。
此法以栽培果菜为主。
协和式水培装置主要包括种植槽、定植板及定植杯、营养液循环系统、营养液自动控制系统四部分组成。
(4)日本神园式水培种植槽为水泥预制件拼装而成,需衬垫一层或两层塑料薄膜,在换茬时更换,便于清洗种植槽。
营养液以在种植槽中供液管上加上喷头的喷雾形式提供,使营养液的溶氧量达到较高水平。
同时有一层较深的流动营养液。
(5)水泥砖结构固定式水培是一种改进型日本神园式深液流水培具有建造方便、设施耐用、管理简单等特点。
目前在我国大面积使用推广。
改进型神园式水培装置主要由种植槽、定植板或定植网框、贮液池、营养液循环流动系统四部分
(6)新和当量交换式水培种植槽是由聚苯乙烯泡沫塑料压铸成U形,使用时拼接起来,槽内衬垫塑料薄膜,然后与供液管、水泵连接。
栽培槽分A、B两部分,两部分的营养液能在栽培槽之间的连接槽间,依靠安在每个槽上的水泵,相互进行等量交换,从而促进营养液的循环流动,因此整个系统没有设贮液池。
这种方式使根系的氧气补给不仅在营养液中进行,而且也在空气中进行。
因此该方法更适合果菜类栽培。
2、营养液膜技术(NutrientFilmTechnique,简称NFT)它是一种浅水培技术,为了解决深液流水培技术中生产设施笨重、造价昂贵、供氧不良等问题而设计的。
由营养液贮液池、泵、栽培槽、管道系统和调控系统构成。
营养液在泵的驱动下从贮液池流出经过根系(0.5~
1.0厘米厚的营养液薄层),然后又回到贮液池内,形成循环式供液体系。
根据栽培需要又可
以分为连续性供液和间歇式供液两种类型。
连续供液是指一天24h内连需不断的供液,每个
25米长的栽培槽的流量大致控制在 2~4L/min的范围内。
间歇式供液槽长 25米流量为4L/min,槽中铺设无纺布栽培番茄,夏季白天每小时供液15min,停止供液45min,夜间每2h供液15min,停止供液105min,;
冬季白天每1.5hn供液一次,停止供液75min,夜间同夏季。
间歇式供液可以节约能源,也可以控制植株的生长发育,解决了根系供氧和供液的矛盾,它的特点是在连续供液系统的基础上加一个定时器装置。
从NFT原理又派生出不少NFT改良装置,如:
水泥固定栽培槽,可移动式塑料槽栽培和A型架管道栽培等等。
这些改良后的设施都为工厂化大规模生产提供了便利条件,也给提高单位面积的利用效率,稳产高产提供了可能。
NFT系统对速生性叶菜的生产较理想。
适当扩宽栽培槽也可以种植番茄、甜瓜等作物。
目前江苏、浙江等地推广面积较大。
具有设施结构简单,容易建造,较深液流水培技术投资少,便于实现生产自动化。
但是技术要求严格,耐用性差、稳定性差、运行费用高。
3.其他水培技术
以下是在DFT和NFT水培技术基础上改进的方法
(1)浮板毛管法(FloatingCapillaryHydroponics简称FCH)浮板毛管法有效地克服了NFT的缺点,根际环境条件稳定,液温变化小,根际供氧充分,不怕因临时停电影响营养液的供给。
该系统已在番茄、辣椒、芹菜、生菜等作物上应用,效果良好,并在江、浙一带推广,广东省也有少量应用。
浮板毛管水培法由栽培床、贮液池、循环系统和控制系统四部分组成,栽培槽由聚苯乙烯板连接成长槽,一般长150~200厘米,宽40~50厘米,高10厘米安装在地面同一水平线上(图16-75)。
内铺0.8毫米厚的聚乙烯薄膜。
营养液深度为3~6厘米,液面飘浮1.25厘米厚的聚苯乙烯泡沫板,宽度为12厘米,板上覆盖亲水性无纺布(密度50g/m2),两侧延伸入营养液内。
通过毛细管作用,使浮板始终保持湿润,作物的气生根生长在无纺布的上下两面。
在湿气中吸收氧。
秧苗栽在有孔的定植钵中,然后悬挂在栽培床定植板的孔内,正好把行间的浮板夹在中间,根系从育苗孔中伸出时,一部分根就伸到浮板上,产生气生根毛吸收氧,栽培床一端安装进水管,另一端安装排液管,进水管处顶端安装空气混合器,增加营养液的溶氧量,这对刚定植的秧苗很重要,贮液池与排水管相通。
营养液的深度是通过排液口的垫板来调节。
一般在幼苗刚定植时,栽培床营养液深度为6厘米。
育苗钵下半部浸在营养
液内,以后随着植株生长,逐渐下降到3厘米左右,这种设施使吸氧和供液矛盾得到协调,设施造价便宜,相当于营养液膜系统三分之一的价钱,适合于经济实力不强的地区应用。
(2)深水漂浮法该系统在温室内,除了两端留出少量的空间作为工作通道及放置移
苗、定植的传送装置之外,全部建成一个深约80~100厘米的水池,整个水池中放入80~90厘米深的营养液。
水池底部安装有连接压缩空气泵的出气口和连接浓缩液分配泵的出液口。
池中的营养液通过回流管路与另一个水泵连接,通过该水泵进行整个贮液池中营养液的自体循环。
栽培床宽4~10米,数十米长,定植板依靠浮力漂浮在营养液上。
主要设施包括栽培床、定植板、营养液循环系统,自动控制系统和营养液消毒装置。
优点:
①营养液量大,缓冲性好,营养液的营养成分、PH和温度相对稳定。
②作物漂浮在营养液表面,操作方便。
③换茬迅速,土地利用率高。
④可实现自动化控制和周年生产。
缺点:
①设施投资高。
②首次使用营养液用量大,运行费用高。
③消毒和操作要求严格,一旦发生病害难以控制。
④仅适合与种植小株型作物。
(二)雾培(sprayculture)
是指作物的根系悬挂生长在封闭、不透光的容器(槽、箱或床)内,营养液经特殊设备形成雾状,间歇喷到作物根系上,以提供作物生长所需的水分和养分的一类无土栽培技术。
又称喷雾培或气雾培。
可分为雾培和半雾培两种类型。
特点是不使用额外的能源,以雾状营养液同时可满足作物根系对水分、养分和氧气的需要,是无土栽培方式中解决根系水气矛盾的最好方式。
养分和水分的利用率高,养分供应快速有效。
易于自动化控制、立体栽培,提高空间利用率。
但是雾培一次性投资大,设备的可靠性要求高,否则易雾培造成喷头堵塞,喷雾不均,雾滴过大等问题。
根系环境变化幅度大,缓冲性很差,要求管理技术较高。
一旦发生停电等故障,作物将面临死亡的危险。
因此目前尚未用于大规模的商业化生产,相信这是一种先进合理的栽培方式的代表将不断得到完善。
最早研制开发于意大利。
1、雾培雾培是根系完全裸露生长在含有营养液的雾状水汽中。
(1)A型雾培该类型的典型结构是A型栽培框架,作物生长在侧面板上,根系侧垂于A型容器内部,间歇性沐浴在雾状营养液中,若框架侧边与底边的夹角为60°
,则栽培面积占地面积的2倍,因此土地利用率高。
主要设施包括栽培床、喷雾装置、营养液循环系统和自动控制系统,类似的雾培还有梯形雾培。
适合种植叶菜及小型果菜、观赏植物。
(2)立柱式雾培 作物种植在垂直的柱式容器的四周,根系生长在容器内部,柱顶部有喷雾装置,将雾状营养液喷到根系上,多余的营养液经柱底部的排液管回收循环使用,主要设施有栽培柱,柱体高1.8~2.0米,直径25~35厘米,柱间距80~100厘米,有白色不透明硬质塑料制成;
喷雾装置,在每根立柱的顶部均有喷嘴,将雾状营养液及空气喷到柱内;
还有营养液循环系统和自动控制系统。
特点是充分利用空间,节省占地面积。
2、半雾培半雾培是指部分根系浸入营养液中,其余部分根系生长在雾状营养液中。
营养液以喷雾的形式喷入栽培床内。
当喷液量最大时,每次加液后,栽培床内迅速充满营养液,根系全部或部分浸泡在营养液中,停止喷雾后栽培床内的营养液以一定的速度从床底的排液管流出,根系重新暴露在潮湿的空气中。
因秒期间每次加液高度可达定植板下沿,淹没全部根系,每天加液一次。
植株长大后液面高度适当降低,只淹没根系下部,每天加液2~4次,两次加液间隔4h,夜间一般不加液高温时间段安排一次供液。
特点是解决了供液和供养的矛盾,节省能源消耗。
主要设施有栽培槽,槽宽40厘米,高30厘米;
喷雾装置在栽培床内侧壁上部,每隔1~1.5厘米一个喷嘴;
还有营养液和自动控制系统。
三、基质培及其特点
基质培是植物通过非土壤的固体基质材料固定植物根系,吸附营养液和氧气,通过浇灌营养液或固态肥和浇灌清水,供给作物生育所需的水分和养分的一种无土栽培方式。
特点是与水培相比基质培的设施简单,不需要特殊供养设施,成本低。
由于基质有缓冲作用,养分、水分、环境变化缓和。
栽培技术不复杂,容易掌握。
但是需要大量基质材料,对基质的理化性质有一定要求,且基质要进行处理、消毒、更换等作业较费工。
但是目前仍是我国大部分地区主要的无土栽培方式。
根据基质材料的不同,还可分为无机基质培和有机基质培。
(一)无机基质培
无机基质的理化性状稳定,但是几乎没有缓冲作用,自身含养分少,保肥能力差。
因此无机基质培必须采取多供营养液的方式来满足作物生长对水肥的需求。
这样即浪费又造成产品中硝酸盐过
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