气雾栽培
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2019年3月11日 作者:xwz2367609 [返回]
引领垂直农业的主导技术---气雾栽培(1)

第一节、气雾栽培历史及发展现状

植物长在气雾当中,并不是人类的发明,其实是自然造化给人类的启示,在大自然中,有许许多多的植物就不需基质与土壤而直接生长附生于岩石及树皮上,其至根系直接悬长于空中而形成壮观的气根世界,这些根最后成熟膨大与盘根错节,成为现代雨林气候原始森林的生态景观,特别是生长于高湿雨林条件下的榕树,气根是它抗拒自然与适应自然所形成的生态适应性特征与形态的演变。从植物的起源来说,最早的植物是由原生态植物藻登陆后成为蕨类植物,许多蕨类植物就是以假根的方式附生于岩石上,从某种角度来说,它也是一种特异的气生根。还有现在还大量存在的攀崖类植的,它也常常具备遇高湿环境易于节部长出气生根的特性,还有从多的兰科植物,是一种附生于岩石或树皮上的气生兰,根系在空中起到吸收水份与营养元素的作用。其实生长于土壤中或沙漠中的植物它都有较大的空气间隙以满足根系对空气的需求,土壤颗粒也只是起到保持湿度与营养的作用,如果土壤间隙被水完全浸渍,根系会因缺乏空气而窒息而死,说明根系对空气的依赖性是进化过程中自然形成的,而且对空气中氧气的需求是不可或缺的,否则会导致生长不良而死亡,就如恐龙的灭绝曾经有种猜想,因为恐龙时期地球空气层中氧气的含量原来是30%以上,后来由于气候地质及环境的变化使氧气含量成为21%左右时,它因窒息而死的灭绝过程是一样的道理。所以植物生长的根域环境中,空气中氧的需求还是关键,从进化角度来说,植物登陆进化到现在千万种植物的分化,都是在空气含量充足的过程中完成的。所以当空气中湿度适合于根系或根原基发育时,这些气生根就会本能性地自然形成,这现象在热带雨林气候中就特别的多见。由此可见,空气栽培是植物进化过程中以及现存的特殊生境下,都会自然发生与形成的一种生态适应性表现。而它在生产上的运用也就是人工生境的创造,为根系形成发育创造最适的氧气水份营养环境的一种技术。

在人工气生生境的创造利用进行气雾栽培源于上个世纪四十年代,美国为了在和平号空间站上建立生命支撑系统,而首次构思运用的气雾技术进行蔬菜植物的种植,是空间技术研究的一个重要课题。在失重的空间用常规种植方式进行植物的栽培,不仅仅是操作不便利用率低,而且水肥的资源浪费及回收循环利用也较难,为了在窄小的空间内建立生命支撑系统以完成空间站内生态的平衡及人类新鲜蔬菜植物的需求,必须构建以植物代谢生产为中心的生命与食物支撑系统,利用植物的生物代谢转换氧气与吸收废气,保持良好的空气质量,人体活动放出的二氧化碳成为植物光合转化与释放氧气的主要原料,也成为微环境气候创造的生命支撑体。美国科学家率先大胆地设计了气雾种植系统,解决了植物在失重情况下对肥及水的获取问题与人们的管理栽培问题,同时也使运载的材料空间大大缩小,人可采用轻巧的气囊设计构建种植模型,可以折叠式的轻巧化的载入空间站,再行充气种植。目前,这种气雾栽培已成为空间站研究植物生长发育的主要模式,而且在雾化技术上也有了很大的发展与改进,气动雾化或超声雾化得以了有机结合,使雾栽培在空间站的发挥达到了尽致。从上世纪的八十年代启,一些商业运作者开始思考与运用雾化技术构思生产性的发展计划,在植物的克隆上开始偿试与运用,特别是对于一些较难生根的植物,产生了极好的生根效果,于是一种所谓“克隆机”的产品开始在生产上运用,为种苗的培育开发了一条新的路径,那就是气雾无性繁殖法。在生产蔬菜与药草上的运用,最早是以家庭生产的迷你型系统为主,到现在以设施大棚为基础的大型气雾生产基地渐渐形成,而且产业化的趋势越来越明显。美国利用气雾技术建立的番茄工厂,就是气雾栽培的一种产业化运用,以色列近年开发与运用的商业化基地也越来越多,这种方式更适合少水干旱地区的生产,它的节水性更强,而且可以做到正常的零排放,日本叫喷雾耕技术,也正在快速地发展着,特别是利用它进行番茄的高糖度栽培,已在生产上得到普遍的认可与形成规范化的生产规程。新加坡则是以立足城市市区农业为主,发展家庭或庭院型的小型气雾培生产绿化装置为主,为城市绿化美化及市区农产品的生产提供了最为高效与便捷的技术支撑,可以在楼顶阳台公共场所任何地方建立雾培系统,进行立体化的高效生产,为减缓新加坡农产品的供给作出极大的贡献。

气雾栽培从束之高阁到普及运用,到少有人知而成为农村农民的一种实用型新技术,其间的发展也经历了以下几个阶段,从利用它作为研究植物根系分泌物及根构形态到成为教育及实验室科研工具,到用于商业化的植物克隆,再到大面积地运用于种苗工程与生产性产业化发展,前后经历了数十年的发展历史。我国最早把气雾栽培主要用于马铃薯脱毒种薯培育,而且是简易的设施与简单的定时控制条件下进行,但也没有达到产业化发展的程度,只限于少部份科研院校的研究所需,根本没有商业化标准化的配套设施与设备。随着根系科学这门学科的兴起,利用它便于观察根系生长与提取根系分泌物的优点,进行了实验型设计的雾培研究,也没有让其成为一项重要的生产性的技术。一直到种苗工程上取得很好的无性生根效果后,才开始商业化雾培殖种苗技术的研究,在美国开发了各种各样称之为克隆机的种苗生产系统,但也没有进行大型基地或设施设备的专业化开发,只作为生产的一项辅助技术在运用,其间大家利用该系统进行了数百种植物无性快繁的应用研究,取得了极好的效果,对于它的产业化推动起到了较大的促进作用。各种各样商业化克隆机可以在市场上见到,或者利用小型的克隆机进行家庭式蔬菜的生产,这方面在美国较为普及而且运用走在了前列。以色列对于气雾培的研究运用也是从克隆植物,特别是在研究桃的无性生根过程中,获得了极好的效果,才引起了众多研究及生产者的重视,现在以色列开发的一种集装箱式的高度集约化的移动式植物工厂,其实也是利用了气雾培技术,在一个不大的集装箱内,可以生产出令人惊叹的产量,这就是立体化多层次的闭锁型气雾生产系统,也可以叫做未来城市生活机,能利用不大的空间生产出数十上百倍的平面面积产量。新加坡是从天台农业发展过程中,需要充分利用空间而开始重视气雾培的研究运用,但它在新加坡的发展较快,已成为城市农业发展的一种重要模式。在非洲一些少雨且高温的地区,也开始利用避雨棚或防虫网保护设施进行蔬菜的气雾栽培,这也是基于气雾培省水且耐高温的特性而引起人们研究与生产的兴趣。在日本发达的水耕业基础上,最近掀起了喷雾耕栽培,许多原本水耕的农场也开始改造成气雾耕农场,它可以比水耕投入更少的能源,产出更高的效益,所以也渐渐成为该国无土栽培发展的一个方向。在我国,这领域的起步较晚,这与农业基础薄弱工业落后有关,因为气雾栽培是一种新型的无土栽培技术,它所涉的设施与技术都得依托于高科技的工业支撑。但气雾的高效性与便捷性也成为许多行业老板的关注,所以它在我国的发展速度将会更快,而且将为成为世界上气雾培面积最大的国家。气雾培在生产上具有广阔的运用,据近年的生产研究表明,气雾培技术几乎适合于所有的植物生长,甚至是水生植物,它的广谱性是其它任何一种先进技术所不能相比的。所以气雾技术将成为农业革命史上的又一次伟大跨越,把它定名为第四代农业一点也不过份,它的的确确能使以往的技术发生一次质的跨越与改变,是革命性与普遍性的技术创新。

第二节、气雾栽培技术原理

从植物的生长发育来说,无非就是品种与环境,品种由基因决定,环境包括地上环境与地下环境,地上环境由气候影响较大,地下环境,传统农业受土质状况及肥水条件影响。地上环境的最优化通过设施条件得以改善,而地下环境只有通过栽培模式创新来实现。无土栽培就是通过地下环境的优化来提升作物产量与质量,通过根域环境人工控制达到相对理想状态。

根深叶茂描述的就是根系对于地上发育的影响,根深而广,需要良好的土壤条件,土壤是植物的培养床,它为植物带来了养料、水分及空气,同时土壤也会植物的附着固定保持生长形态提供了物理支撑。从传统观念认识土壤,都认为万物土中长,离开了土壤就不能存活,但有了无土栽壤技术的突破后,人们对土壤就有了更本质化的认知,土壤的功能也无非就是肥水气的供应及固定,土壤疏松代表空隙度大,可容更多的空气与氧气,也能为植物根系的深扎减少阻力。土壤墒性好,说明土壤吸水保湿性好,土壤肥沃,说明土壤能为植物提供充足的养分。所以日常农业生产大多数的劳作就是针对土壤环境创造而展开,如松土其实就是增氧的一种方式,施肥就是为根系提供丰富的矿物质元素,除草就是为了解决栽培植物与无用途草之间争肥夺水问题,灌溉就是让植物有充足水分,保持正常的水分代谢及肥料吸收。而这些劳作成为生产者主要投入与技术要求,成为农业生产与工业所特有的区别。一旦无土化耕作技术运用后,农业产业也从特质的区别中分化,变成类似工业化的生产,甚至发展为植物工厂的生产方式。

无土栽培是耕作技术的伟大创新,也是认知植物的一次跨越。无土栽培有基质培、水培、气雾培,我们称之为无土栽培三步曲。最早诞生以基质培中的沙培为主,后来发展为水中供氧通气的水培,再继尔演变成现在的气雾栽培,也叫空气栽培。每次的演变与创新都是针对肥水气三要素的科学有效解决而展开。不管哪种栽培模式,唯有气雾栽培,让三者之间实现最优化的调节,肥与水以营养液雾的方式直接喷洒至根系表面,让矿质元素及水以接触的方式供给,而基质培中,根系与肥水的接触没有雾培方式的直接,还需要有离子在基质间按浓度梯度的化学迁移和及根系的截获过程。水培虽然根系与肥水直接接触,但水中的溶氧是有限的,需不断的通气与曝氧或者流动与搅拌混入,如遇到营养液温室升高达至一定的上限,即使整天循环增氧也难以再溶入,水中溶氧已达饱和。所以常规水培最重要的就是解决供氧矛盾问题,供氧的丰缺成为根系环境优化的关键,也成为产量品质提升及发育是否加快的制限。以往对于水培的研究及技术体系模式的构建,大多数围绕溶氧寻找解决方案,也就为该因子而增加不少的设备投资。

基于肥水气三要素的科学调控,唯独只有气雾栽培技术才得以三者兼顾的有效解决,而且是低成本的实现。只需以弥雾的方式供液,把植物根系悬空或者半悬空,让根系生长于气雾环境中,充分获取充足的养分、水分及最充足的空气。

在悬空高湿的环境下,根系呼吸代谢加强,能量转换彻底,不会发生无氧呼吸的底物浪费以及产生有害的中间产物,为根系的吸收水分及矿质元素提供充足的能量,同时根系活力的增强又促进了各种生理合成,如激素、氨基酸、核酸、蛋白质等,许多次生代谢物都需要根系的合成调节,植物方可正常生长。根系在气雾环境下生长,因无穿行的阻力,可以无限延展,在基质或者土壤中生长,根系都需克服阻力,或者根系分泌大量润滑物质,来减少阻力,从而使基质根或土根形成大量骨架根,或者机械组织的木质化或木栓化的根,这些根从生理用途来说只起锚定及扩大根系范围和固定植株作用,没有扩大吸收肥水的表面积,从经济效率来说,是造成生物量的浪费。而气雾环境下生长的根系,不管是草本及木本植物,都有着大致共同的特征,不定根根系发达,数量多且表面积大,数量多的原因与无阻力有关,在物理障碍情况下,根原基可以最充分的表面,达,再加上根系活力足,合成激素多,不管是再生分裂还是伸长生长,都比基质培或土壤栽培旺盛,所以气雾培根系比任何一种栽培模式,根量都要大,甚至是土壤种植的几倍数十倍,再加上粗根少,细根多,又扩大的根系皮层及根毛的吸收表面积。吸收表面积越大,会带来两方面的生理作用,一时单位时间吸收肥水就多;二是耐肥性增强,不管是采用稀液或者浓液供雾,都不会对植物产生较大的生长影响。笔者曾用水培的废液进行蚕豆的雾培再利用种植,对蚕豆发育整体影响不大;三是表面积大又促进的根呼吸提高能量代谢效率,形成一个正反馈的良性循规过程,所以雾培的生长,随着根系的发达,生长速度会呈线性增长。培育出超常规发育的植株及组织器官,大大提高了单株生物量及经济产量。

根系悬空的模式,确保根域生态系统氧气供足给应,使根系微生物种群益生化,大量有益微生根附生于根系表面的凹凸处,甚至与根系共生。减少了有害菌的恶性竞争。根系与微生物之间建立良好的共生关系,根系大量呼吸及代谢泌出物为微生物提供基料,微生物合成的活性物质又促进了根系生长。在无阻力环境下,根系表皮细胞外突形成根毛的数量也大大增加,细微的根毛创造了巨大的表面积,让根面积与叶面积之比大大提高,构建起吸收高效代谢旺盛运转合成分解都极为高效的健康植株,从而也使抗逆性抗病虫能力提高,为安全保健生产创造了生理基础。

直接雾化供液,除了使水分充足摄氧外,水在弥雾过程中也让水分子团变小,更利于吸收,也不会如土壤中水一样,受土壤胶体的束缚,可以直接高效的捕获水分。喷雾的水处于循环活水状态,摄氧充足,也抑制了一些厌氧有害菌的滋生。气雾培的雾化过程其实也是活化水质的过程。从生理特性来说,作物根系吸收雾化的动态水比静态水的吸收更为高效,在植物体内的运转效率也会更高。

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