淺析植物工廠(chǎng)無(wú)土栽培立體栽培架的應(yīng)用

　　摘要：立體栽培是植物工廠(chǎng)無(wú)土栽培的發(fā)展趨勢(shì)，立體栽培架是實(shí)現(xiàn)立體栽培的關(guān)鍵。近年來(lái)，我國(guó)植物工廠(chǎng)大力提倡無(wú)土栽培立體栽培種植模式，基于此，本文主要介紹無(wú)土栽培立體栽培架的幾種形式，分析無(wú)土栽培應(yīng)用立體栽培架的優(yōu)勢(shì)和不足。

　　關(guān)鍵詞：植物工廠(chǎng)；無(wú)土栽培；立體栽培；栽培架

　　20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)始研究無(wú)土栽培，相對(duì)于發(fā)達(dá)來(lái)說(shuō)起步較晚，主要研究水稻無(wú)土育秧、蔬菜作物無(wú)土育苗。我國(guó)人均耕地面積遠(yuǎn)低于世界水平，且水資源貧乏，無(wú)土栽培的栽培形式以立體栽培為主，栽培作物以蔬菜、花卉和水果為主，部分用于栽培中藥材。近幾年，我國(guó)無(wú)土栽培發(fā)展迅速，無(wú)土栽培的栽培面積、栽培形式和栽培技術(shù)都得到空前提高。發(fā)展至今，我國(guó)無(wú)土栽培已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化應(yīng)用。如由中科院和福建三安集團(tuán)聯(lián)合設(shè)計(jì)、創(chuàng)建的中科三安植物工廠(chǎng)采用全人工光多層立體栽培形式，實(shí)現(xiàn)了植物工廠(chǎng)無(wú)土立體栽培蔬菜的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；北京農(nóng)眾實(shí)業(yè)有限公司打造的農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠(chǎng)是世界上單體面積最大的全環(huán)控、立體態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)化的三層垂直植物工廠(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)土栽培高附加值經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)的量產(chǎn)化應(yīng)用。

　　1無(wú)土栽培的栽培架

　　栽培架的形式，按種植槽的形式可分為槽培、袋培和盆式栽培，按種植槽空間排列形式又可分為平面栽培和立體栽培。

　　立體栽培又稱(chēng)垂直栽培，這種栽培架的植物生長(zhǎng)向空間發(fā)展，充分利用時(shí)間、空間和光照等多方面栽培條件，發(fā)揮有限地面的生產(chǎn)潛力，有效提高土地和光、熱、水、肥、氣等自然資源的利用率，切實(shí)做到地盡其力、物盡其用，建立良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)復(fù)合體，解決人多地少、糧食作物與其它經(jīng)濟(jì)作物爭(zhēng)地等矛盾，提高單位土地產(chǎn)出率，是一種實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、節(jié)能、環(huán)保的栽培種植形式。與平面栽培相比，立體栽培對(duì)土地的利用率達(dá)到4～8倍，立體栽培的管理效率也遠(yuǎn)高于平面栽培，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化耕種。

　　2無(wú)土栽培立體栽培架的幾種形式

　　20世紀(jì)60年代，植物工廠(chǎng)無(wú)土栽培立體栽培模式首先在發(fā)達(dá)發(fā)展起來(lái)，美國(guó)、日本、西班牙、意大利等國(guó)研究開(kāi)發(fā)了不同形式的無(wú)土栽培立體栽培架，如多層式、垂掛式、單元疊加式等。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始研究并推廣無(wú)土栽培立體栽培架和技術(shù)，目前這項(xiàng)技術(shù)已相當(dāng)成熟，并不斷地發(fā)展和提升，且越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)人員不斷借助其來(lái)提升和改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。

　　經(jīng)過(guò)多年的探索和發(fā)展，我國(guó)植物工廠(chǎng)無(wú)土栽培的立體栽培架經(jīng)歷了由平面多層向圓柱體、多面體轉(zhuǎn)變，已形成平面多層、圓柱體、多面體以及幕墻式、垂掛式、管道式、錯(cuò)層槽式、移動(dòng)式多層立體栽培架等多種形式。

　　2.1平面多層立體栽培架

　　目前，平面多層立體栽培架普遍被以色列、美國(guó)、日本、等多個(gè)的絕大多數(shù)植物工廠(chǎng)采用。平面多層立體栽培架的栽培技術(shù)只能采用水培技術(shù)，它的供液箱置于栽培架的底部，營(yíng)養(yǎng)液由供液管道的上方注入平面栽培槽內(nèi)。這種栽培架每層都配有營(yíng)養(yǎng)池、栽培板，又因栽培架縱向?qū)訑?shù)的疊加，自然光照自上而下的遞減，所以無(wú)論用于自然光型植物工廠(chǎng)還是全人工光型植物工廠(chǎng)，都必須進(jìn)行人工補(bǔ)光。植物工廠(chǎng)的高度和空間有限，栽培作物的生長(zhǎng)需占用一定的高度和空間，再加上操作管理的制約，大多數(shù)情況下栽培架僅局限于3～4層，導(dǎo)致產(chǎn)量和效益只能在一定范圍內(nèi)提高。在一些管理高度自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化的大型示范性植物工廠(chǎng)內(nèi)，栽培架可以向空間延伸更多層，達(dá)到10層甚至是更多層，如我國(guó)浙江大學(xué)的植物工廠(chǎng)已達(dá)到10層，日本的LED人工光植物工廠(chǎng)已提高到15層，產(chǎn)量和效益得到很大提高，但是，其投入的自動(dòng)化、機(jī)械化設(shè)施費(fèi)用及損耗也高。

　　2.2圓柱體立體栽培架

　　圓柱體立體栽培架的定植孔均勻的分布于圓柱體表面，栽培的植物定植在圓柱體表面的定植孔上，而根系裸露在圓柱體內(nèi)部，植物根系不需要基質(zhì)，這種栽培架采用霧培技術(shù)，營(yíng)養(yǎng)液霧化后的小顆粒直接噴射到植物根系表面，植物根系更易吸收水分和營(yíng)養(yǎng)，大大促進(jìn)了植物代謝功能的發(fā)揮，植物生長(zhǎng)更快。這種栽培架擴(kuò)大了立體栽培面積，是平面栽培的幾十倍，極大地提高植物工廠(chǎng)的利用率和產(chǎn)出率。

　　2.3多面體立體栽培架

　　多面體立體栽培架是我國(guó)自主創(chuàng)新的栽培形式，與平面多層相比，其效果具有明顯優(yōu)勢(shì)。多面體立體栽培架提供多面栽培床栽培植物，其栽培技術(shù)采用霧培技術(shù)代替水培技術(shù)，每組栽培床共用一個(gè)營(yíng)養(yǎng)池，LED補(bǔ)光燈可以設(shè)置在栽培架頂部和側(cè)面，光照、肥料、空間利用率更高，實(shí)現(xiàn)水、肥、氣同補(bǔ)，使植物生長(zhǎng)更快、成本更低、重量更輕，產(chǎn)量和效益將最大化。

　　2.4幕墻式立體栽培架

　　幕墻式立體栽培架是利用植物工廠(chǎng)的墻壁或由人工設(shè)計(jì)建設(shè)的幕墻作為栽培床進(jìn)行植物栽培，其栽培技術(shù)采用水培技術(shù)，其供液方式采用潮汐灌溉法，栽培床下設(shè)營(yíng)養(yǎng)池，栽培架頂部可安裝LED補(bǔ)光燈。相比于平面多層立體栽培架，幕墻式立體栽培架可根據(jù)幕墻的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單面或雙面種植，光照利用更充分、布局更合理、操作更方便、栽培面更大、產(chǎn)量更高。

　　2.5垂掛式立體栽培架

　　垂掛式立體栽培架將植物栽培床垂掛于植物工廠(chǎng)頂部或懸置在離地面一定高度的固定支架上，然后在栽培床上播種、灌溉、施肥，栽培技術(shù)采用基質(zhì)栽培，營(yíng)養(yǎng)液供給采用滴灌方式。其栽培床離地設(shè)置，可以避免地表塵土、昆蟲(chóng)、病菌等對(duì)植物根系的污染和侵?jǐn)_；栽培床離地的高度設(shè)置，既保證作物的垂蔓高度，又保證嫩枝蔓向上的生長(zhǎng)高度；不僅可確保植物藤蔓枝葉高效利用植物工廠(chǎng)內(nèi)部的光照資源，還簡(jiǎn)化了對(duì)植物藤蔓的管理作業(yè)工作，有利于植物的再生栽培，提高植物藤蔓的掛果率。對(duì)于從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理者來(lái)說(shuō)，應(yīng)用垂掛式立體栽培架，不僅擴(kuò)大植物生長(zhǎng)空間、提高種植產(chǎn)量、增加經(jīng)濟(jì)效益、降低成本，而且操作方便，既增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生活體驗(yàn)，又生態(tài)環(huán)保，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

　　2.6管道式立體栽培架

　　管道式立體栽培架的植物栽培床由若干根徑向設(shè)置的管道間隔排列組成，管道上開(kāi)設(shè)用于栽種的天窗，植物栽培床通過(guò)上水和回水管道與營(yíng)養(yǎng)池連通。栽培的植物定植在管道上開(kāi)設(shè)的天窗，栽培技術(shù)采用水培技術(shù)，營(yíng)養(yǎng)液由自動(dòng)定時(shí)供水器定時(shí)定量送往植物栽培床，使植物部分根系浸入營(yíng)養(yǎng)液吸收營(yíng)養(yǎng)，滿(mǎn)足植物對(duì)水、氣、肥的需求。它可以根據(jù)不同的栽培空間做成不同造型的管道形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，管理又方便，有效利用栽培空間的同時(shí)，又達(dá)到降低成本、提高產(chǎn)量、增加效益的目的。

　　3無(wú)土栽培應(yīng)用立體栽培架的特點(diǎn)

　　調(diào)研發(fā)現(xiàn)，無(wú)土栽培立體栽培形式將是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)種植的重點(diǎn)，在植物工廠(chǎng)的有限空間里，更趨向于利用立體栽培架進(jìn)行植物的栽培種植，其特點(diǎn)集中反映在四個(gè)方面。

　　一是“集約”，即集約生產(chǎn)，體現(xiàn)出資源、技術(shù)、勞力整體綜合效益，提高單位面積的物質(zhì)產(chǎn)量，緩解食物供需矛盾。

　　二是“高效”，即充分挖掘農(nóng)業(yè)和工業(yè)副產(chǎn)品、光照、水源等資源的潛力，緩解人地矛盾，緩解糧食與經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、水果等爭(zhēng)地的矛盾，提高資源利用率，同時(shí)提高人工輔助功能的利用率和利用效率。

　　三是“持續(xù)”，即減少有害物質(zhì)的殘留，提高農(nóng)業(yè)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，緩解對(duì)生存環(huán)境的壓力。四是“安全”，即產(chǎn)品和環(huán)境安全，體現(xiàn)在利用多物種組合來(lái)避免種植污染和發(fā)展農(nóng)業(yè)，建立經(jīng)濟(jì)與環(huán)境融合觀。

　　4無(wú)土栽培應(yīng)用立體栽培架的優(yōu)勢(shì)

　　我國(guó)植物工廠(chǎng)無(wú)土栽培利用立體栽培架主要進(jìn)行蔬菜、水果、花卉以及中草藥等作物的栽培種植，借助栽培床和栽培架管路裝備，利用栽培技術(shù)和環(huán)境控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物在立體栽培架上進(jìn)行生產(chǎn)，不斷提高產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。它的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)。

　　首先，充分利用各種光線(xiàn)促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，提高作物的生長(zhǎng)速度。光線(xiàn)在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程中起到十分重要的作用，合理安排每種作物的光照時(shí)間可以縮短生長(zhǎng)周期。在土壤栽培種植過(guò)程中，人們不會(huì)對(duì)各種作物的光照時(shí)間以及利于作物生長(zhǎng)的光線(xiàn)進(jìn)行測(cè)定，各種作物在同一光線(xiàn)和相同光照時(shí)間光合作用后的產(chǎn)出物的產(chǎn)量和質(zhì)量是良莠不齊的。而利用立體栽培架種植的作物能夠根據(jù)每種作物的特性去確定利于作物生長(zhǎng)的光照時(shí)間和光線(xiàn)，在自然光照不足的情況下進(jìn)行人工補(bǔ)光，保證作物具有充足的光合作用時(shí)間，使作物可以跨季度周年生產(chǎn)。在這樣的環(huán)境中產(chǎn)出的作物，一定可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高質(zhì)量和一致性生產(chǎn)。

　　第二，提高栽培空間的利用率。由于利用自然光沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)多層立體種植，在植物工廠(chǎng)里，可增加人工補(bǔ)光，通過(guò)豎立起來(lái)的柱形或者層架、垂掛形式按垂直梯度分層栽培，向空間發(fā)展，充分利用栽培空間和空間光線(xiàn)，擴(kuò)大栽培面積，使作物的產(chǎn)量是平面栽培的十幾甚至幾十倍。

　　第三，可實(shí)現(xiàn)多元立體栽培作物。利用立體栽培架進(jìn)行多層種植，上層可以充分吸收自然光，中間層部分吸收自然光，底層幾乎完全吸收不到自然光。在植物工廠(chǎng)內(nèi)可以設(shè)立三層架式結(jié)構(gòu)，頂層垂掛式栽培陽(yáng)生藤本作物，中間層架式通過(guò)人工補(bǔ)光栽培葉菜，底層栽培耐陰作物，不僅可以擴(kuò)大栽培面積，還可以實(shí)現(xiàn)多元立體種植模式，實(shí)現(xiàn)栽培作物的多樣化。

　　5無(wú)土栽培應(yīng)用立體栽培架的不足

　　由于立體栽培架不是單一存在的，需要其它設(shè)施的輔助，雖然目前，我國(guó)植物工廠(chǎng)無(wú)土栽培一直在推廣利用立體栽培架進(jìn)行立體栽培種植，但仍然存在一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　一是缺乏對(duì)作物立體栽培種植的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化的運(yùn)行機(jī)制。一些利用立體栽培架進(jìn)行栽培種植的地方，缺乏對(duì)立體栽培種植的正確認(rèn)識(shí)或認(rèn)識(shí)還比較淺顯，沒(méi)有看到背后的巨大商機(jī)，很難形成產(chǎn)業(yè)化的運(yùn)行機(jī)制。

　　二是未進(jìn)行大面積推廣。一部分人已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用立體栽培架，并已從中受益，但是他們只局限于眼前利益，對(duì)立體栽培架和立體栽培技術(shù)仍停留在較淺顯的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有做深入地研究，專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)，不利于立體栽培的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

　　三是不具備普遍適用性。在設(shè)計(jì)和制作栽培架時(shí)，建造者需要考慮栽培空間的大小和其用于栽培什么品種的作物，栽培空間的大小和栽培作物的品種，直接影響到設(shè)計(jì)栽培架的規(guī)格參數(shù)。一旦確定了栽培架，那么與之相匹配的栽培技術(shù)也就確定了。因此，一種規(guī)格的栽培架基本上與栽培作物只能一一對(duì)應(yīng)，不能物盡其用。

　　四是投入的成本高，包括初裝成本、設(shè)施成本、環(huán)境控制成本。特別是對(duì)于全人工光植物工廠(chǎng)立體栽培架，一些輔助設(shè)施如人工光、營(yíng)養(yǎng)設(shè)備、環(huán)境控制系統(tǒng)等設(shè)施的成本都很高，并且運(yùn)行和維護(hù)成本也很高，再加上光源、環(huán)境控制系統(tǒng)等能耗偏高，對(duì)于一些要求低成本低投入的種植戶(hù)來(lái)說(shuō)，只能望其興嘆。

　　6結(jié)語(yǔ)

　　立體栽培是植物工廠(chǎng)無(wú)土栽培的發(fā)展趨勢(shì)，立體栽培架是實(shí)現(xiàn)立體栽培的關(guān)鍵，立體栽培架有很多形式，所采用的栽培技術(shù)也有多種選擇，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，要根據(jù)不同的植物品種選擇不同的立體栽培架，綜合產(chǎn)量、成本、品質(zhì)、操作性等多種因素，科學(xué)選擇，以實(shí)現(xiàn)利益最大化。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　王偉麗

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