水培蔬菜技术现状与发展趋势
引言
水 培 蔬 菜 种 植 于 环 境 相对 可 控 或 能 精 确 调 控 的 设 施条 件 下， 通 过 营 养 液 直 接 为根系提供营养和水分，同时解决土壤连作障碍问题，其生长速度、产量、品质、口感及食用安全性皆优于传统土壤栽培或 基 质 栽 培。 相 较 于 土 壤 栽培， 同 等 的 蔬 菜 产 量， 水 培技 术 的 水 分 利 用 效 率 可 提 高50%~100% 。国外水培蔬菜规模化、标准化、工厂化程度高，多用于生产鲜切沙拉菜等。中国水培蔬菜的产业化、工厂化程度也逐年提高，可有效增强大中城市的蔬菜抵御风险能力。目前，规模化的水培蔬菜生产模式主要包括：营养液膜栽培系统、深液流水培系统、漂浮板栽培系统。
营养液膜技术（图 1）是一种将蔬菜种植在浅层流动的营养液（0.5~1.0 cm）中的方法，蔬菜根系能从空气中吸收呼吸代谢所需的氧气，又能通过循环装置中的浅层营养液里获得水分和营养。该系统主要由种植槽、贮液池、营养液循环流动系统组成，其种植槽一般为塑料薄膜或塑料板、塑料管等，其造价低廉、施工快捷简便，易于在生产中推广，并可实现实时检测与生产自动化管理等优点，但该系统缺点也较为明显，例如，耐用性较差，后期维护投入增加；当系统发生故障或停电时，植株会因营养液层薄而易在短时间内受到较大影响。
图 1 营养液膜技术（NFT）
图 1 营养液膜技术（NFT）
深 液 流 水 培 技 术 与 营 养液 膜 技 术 大 致 相 似， 但 蔬 菜根 系 流 经 的 营 养 液 层 较 深（5~10 cm），总量较多且在蔬菜生长过程中其组分、浓度、酸碱度和温度等不易产生急剧变化，使蔬菜根系生长环境相对稳定，同时能够较好地应对系统故障及停电等突发情况。深液流水培技术广泛适用于各种果菜及叶菜的栽培，是最早成功应用于商业化植物生产的无土栽培技术，其种植效果良好、管理简便。然而，由于深液流水培是一个相对封闭的系统，营养液不断循环利用，一旦发生根系病害，极易造成病害在整个系统中蔓延，因此，该系统运行前后的消毒和运行中的管理尤为重要。
浮板毛管水培由种植槽、营养液池、循环系统和控制系统四大部分组成，种植槽内放置适宜规格的聚苯乙烯泡沫板作为浮板，上覆一层无纺布作为湿毡，蔬菜的一部分根系在湿毡上生长，称为湿气根，吸收空气中的氧气，一部分根系浸在营养液中，称为液中根，吸收水分和营养。整个系统内营养液供给稳定，根际供氧充分，不会因临时停电对蔬菜造成太大影响。浮板毛管水培系统具有成本低、管理简单、节能实用和适应性广等特点，适宜在我国南北各种气候生态类型条件应用，目前已在番茄、辣椒、芹菜、生菜等植物上应用，效果良好。
本文重点总结了水培蔬菜技术在都市农业领域、鱼菜共生系统、矿质营养调控上的应用现状，并对水培蔬菜未来的发展趋势进行展望。
水培技术在都市农业上的应用
国际粮农组织预计，全球人口在 2050 年将达到 100 亿，城 市 居 民 将 占 67%， 对 粮 食的 需 求 将 增 加 到 2013 年 的1.5 倍 。但由于城市的急剧膨 胀、 耕 地 逐 年 减 少、 自 然资 源 的 迅 速 退 化 及 全 球 气 候变 化 等 问 题， 全 球 粮 食 供 应存在较大的不稳定性。因此，都 市 农 业 受 到 广 泛 关 注 并 开始实施。
都市农业将农业的生产、生活、生态等功能结合于一体，缩短食品供应链、减少温室气体排放、改善小气候环境、提高水分利用效率，同时能够减轻城市居民压力。园艺作物，
特别是水培蔬菜结合立体栽培的方式，能够在小范围内达到高产量的周年生产，兼具生产与观光价值，适于在城市中推行种植 。研究表明，将全球城市总面积的 1/3 用来推行都市农业，即可满足全球城市居民的蔬菜消费。
近年来，随着都市农业的发展，蔬菜的生产模式发生了变化，其生产功能逐渐与生活、生态功能相交融。水培蔬菜搭配透明容器可实现良好的植物根系观赏效果，相比于花草，以水培蔬菜装点家庭居室和阳台，不仅有物美价廉、种类丰富、易于栽培优势，还使部分生活废弃物得到循环利用，同时能收获安全放心的绿色无公害蔬菜。而商用建筑露台和楼顶具有面积大、阳光充足和通风良好等条件，利用营养液膜技术结合立体栽培装置建设小型水培菜园，可在一定程度上增加蔬菜栽培面积、改善城市生态，美化、绿化、净化城市居民的生活环境，营造绿色购物和餐饮环境。
水培蔬菜在鱼菜共生系统上的应用
水产养殖产业为人类提供了大约 50% 的鱼和鱼产品 。传统水产产业通过更换水体维持良好的水质，但因此产生的巨量废水导致了广泛的环境问题，如富营养化 。近年来，鱼菜共生系统因其生产可持续性、消除营养不良和贫穷的能力而吸引了世界范围内的关注，并被认为是传统水产养殖的替代技术。
鱼菜共生系统（图 2）是一种将水产养殖循环系统和水培蔬菜技术整合为一体化的组合系统。按鱼菜共生系统循环的工艺来说，分为 3 种类型：直接共生模式、开环共生模式和闭环共生模式。直接共生模式是采用鱼菜直接接触共生的方法，即养殖池中采用浮筏栽培水生蔬菜，蔬菜直接利用养殖水中的氨氮物质，但吸收率仅为 40%，无法达到其对氨氮等营养的需求，并且其可栽培的面积小，效率不高，还存在杂食性的鱼吞食根系的问题，需对根系进行围筛网保护。开环共生的鱼菜共生模式是指养殖池与种植槽之间不形成闭路循环，由养殖池排放的废水作为一次性灌溉用水直接供应蔬菜种植系统而不返还回流，每次只对养殖池补充新水。而闭环共生模式是指养殖池排放的水经硝化床微生物处理后，进入蔬菜栽培系统，再经蔬菜根系的生物吸收过滤，把处理后的废水返回至养殖池，这种闭锁环工艺的鱼菜共生系统可用于大规模生产，效率高，很大程度上减少水资源的使用。国内外众多的研究都是基于闭环共生开展的。目前常见的闭环鱼菜共生类型有：漂浮筏型（如 UVI 模式）、营养液膜型（如 NFT 模式）和基质床型（如NCSU 模式）。这些类型系统中，鱼类代谢废物主要为溶解在水中的氨，通过添加硝化细菌可将氨转化为亚硝酸盐，进而转化为蔬菜作物生长所需的硝酸盐 。养殖废水被循环到植物水培部分进行消化，同时蔬菜从其中吸收营养，然后净化的水将重新用于鱼类养殖。在这个过程中，使用集约化循环技术的鱼菜共生系统仅需补充少量的鱼池水体，没有废水的排放，既满足了高品质新鲜鱼类和蔬菜生产的需求，又避免了污染环境的养分流失。
图 2 鱼菜共生系统
图 2 鱼菜共生系统
研究表明，养殖大理石虾虎鱼且种植了水菠菜的鱼菜共生系统中，能有效去除 83% 氨态氮、70% 硝态氮、87% 亚硝酸 盐、60% 总 磷 和 88% 固 体悬浮物；相比于黄瓜，番茄能实现更高的鱼菜共生系统中养分去除率，69% 氮素能够转化为果实被收获。因此，鱼菜共生系统成为一种可持续的有机农业生产系统，并在缺水地区极具有吸引力。在鱼菜共生系统中，氮素是鱼类和植物共同需求的最重要的营养，其来源仅为鱼类饲料。通常，氮素在鱼类和植物中的积累量被视作有效益的氮素回收，并且这种氮素占总氮素投入量的比例即氮素利用效率。有研究表明，鱼菜共生系统中由于番茄和小白菜的存在，其氮素利用效率达到 41.3% 和 34.4%，显著高于常规的水产养殖系统的 25.0% ，虽然鱼菜共生系统中番茄叶面积（1.15 m 2 ）显著小于常规水培番茄叶面积（1.36 m 2 ），但其叶片中叶绿素含量显著提升 17.9%，并且其果实的番茄红素含量、类胡萝卜素含量、果实总产量和可销售果实量与常规水培系统的番茄无显著性差异 。调查显示，鱼菜共生系统中养殖鱼类是罗非鱼占 85%，而种植的植物 75% 是叶菜类蔬菜，UVI商业鱼菜共生系统中，生菜比白菜和罗勒适应性更强，秋葵的产值高于黄瓜、甜瓜和西葫芦，但综合水培作物密度、生长期产量及经济价值考虑，鱼菜共生系统中种植叶菜类的效益远远高于果菜类。
水培蔬菜矿质元素调控技术
蔬菜正常的生长发育需要环境因子和营养因子相协调，否则会造成胁迫进而导致生长发育不良。蔬菜所需的营养元素，除碳是直接来源于大气外，其他大量或微量元素均依靠土壤或营养液提供。氮在蔬菜生长过程中占有首要位置，对其产量和品质有非常重要的作用，但大田栽培时氮肥利用率不足40%，而利用水培的方式能够减少肥料对环境的污染。另外，人体从蔬菜中摄取的硝酸盐占总摄入量的 70%~80%，硝酸盐的还原态亚硝酸盐与胺会反应生成致癌物亚硝胺，而水培蔬菜中氮素的施用若不恰当，很容易造成硝酸盐的积累。因此适当改变营养液中氮素的配比，从而生产低硝酸盐含量的蔬菜是一项十分重要的品质调控手段。改变氮素的用量或形态会使叶菜类蔬菜中硝酸 盐 含 量 迅 速 产 生 变 化， 当硝态氮与铵态氮之比为 2:6 和0:8 时，水培叶用甜菜中硝酸盐 含 量 显 著 降 低； 相 比 于8、9 mmol/L 的营养液中氮素水平，3、4、6 mmol/L 的氮素水平能显著降低水培生菜中的硝酸盐含量。
钾 是 蔬 菜 生 长 所 需 的 三大必需元素之一，参与许多重要的生理代谢，其含量大约为蔬菜干物质总量的 1%~5%。正 常 人 摄 入 钾 的 90% 可 以 通过肾脏排出体外，但慢性肾脏疾病患者丧失排钾功能，血清钾含量易升高，导致人体代谢紊乱，严重时甚至威胁生命。限制饮食中钾的摄入是降低血钾的有效途径，但很多蔬菜及其制品都含有很高的钾，例如。目前对蔬菜广泛采用的控钾方法主要是筛选低钾蔬菜和改进烹饪方式，但这 2 种方法不仅减少了患者对蔬菜选择的余地，也在一定程度上破坏了食物原本的营养和口味。因此，通过农艺方法生产低钾蔬菜并保留其风味和营养，成为了 慢 性 肾 脏 病 人 们 的 迫 切 需求。研究表明，调整营养液配方中钾的含量能够有效降低水培蔬菜的含钾量。使用不含钾元素或者含钾为 29.1 mg/L 的营养液能够显著降低水培菊苣和生菜中的钾含量，仅为慢性肾脏病患者推荐摄入钾含量的7.7%~8.6% [23] ；在开花期至收获期对甜瓜植株进行降钾处理（1/4 K、1/16 K 和 0 K， 园试营养液配方）能够有效降低甜瓜中钾含量（39%、35% 和43%），但对其产量无明显影响 。对于部分水培叶菜而言，降低营养液的钾含量将对其产量造成影响，如当营养液中钾含量降至 2.37 mmol/L 后，芥菜、菠菜、花叶生菜和奶白菜的产量出现下降，而上海青和生菜的产量在钾浓度低于1.19、0.79 mmol/L 后出现下降，但这 6 种水培蔬菜中的钾含量比对照（华南农业大学叶菜 B 配方）降低 54%~61% 。
硒是人体必需微量元素，具有预防心血管病、防治癌症及延长人类寿命等作用。目前，人们可以通过食用亚硒酸钠片补充硒，但无机硒具有蓄积性毒性和致突变等副作用。相比之下，有机硒具有毒性低、生物 利 用 率 高 等 优 点， 因 此，通 过 农 艺 手 段 调 控 蔬 菜 中 有机硒含量成为近年来的研究热点 。研究表明，在 1/2 霍格兰营养液中添加 0.5 mg/L 亚硒酸钠能够使水培生菜中有机硒含量提升 10 倍，且显著提升其维生素 C 及总酚含量，还能显著降低生菜根系对硝酸盐的外排，并提升其产量 ；添加 5~45 mg/L 亚硒酸钠均能提高羽衣甘蓝中的有机硒总含量，其中 30 mg/L 亚硒酸钠的效果最佳，而 45 mg/L 亚硒酸钠则抑制其生长速率 。
钙是蔬菜必须的矿质营养元素，不仅是结构成分，而且是一种作为生理调节物质。一般来说，绿叶蔬菜中有较高的钙含量，并且水培技术对蔬菜根系环境和营养的可控性高，能够更好地监控和促进其对钙元素的吸收，生产富含钙的蔬菜可以满足人们的健康需求。研 究 表 明， 相 比 于 钙 含 量 为100 mg/L 的营养液，当钙浓度为 200 mg/L 时，水培罗勒，日本芜菁、乌塌菜和菊苣中的钙含量均有提升，但这 4 种蔬菜中的草酸含量并未受钙强化水平的影响 。
水培蔬菜的发展趋势与展望
随 着 社 会 不 断 进 步 以 及全球经济的快速发展，人们对生活品质的要求逐渐提高，对食品质量安全的意识也越来越强，因此绿色无污染健康食品的市场潜力广阔。水培技术能对蔬菜的整个生长发育过程进行精准的养分控制，避免了肥料的浪费，生产出的蔬菜产量和品质及经济价值高，同时水培蔬菜不受土传病害的侵袭，减少了农药的使用，在一定程度上缓解了蔬菜类食品安全问题。而近年来基于计算机技术、传感技术和互联网技术的快速发展，物联网技术不断成熟，智能控制系统逐渐应用于园艺设施内水培蔬菜的生产中，并衍生出一系列适用于无土栽培的智能控制系统，利用传感器对设施内的环境因子自动化采集和校验，将数据传输至手机端 APP，实现了远程智能化调控，同时也能够让消费者完全了解和参与水培蔬菜的整个生产管理过程，有效地宣传和普及水培蔬菜技术，推动水培蔬菜系统的快速发展。
另外，作为未来农业的发展方向，植物工厂（图 3~4）能借助 LED 灯具等人工光源，在完全密闭可控的环境下对蔬菜进行光照，运用现代化营养液栽培与物联网环境调控等技术，进行水培蔬菜的周年生产，虽然投资成本偏高、能源负荷较大，但植物工厂内叶菜生产效率是露地的 108 倍 。目前大多数植物工厂尚处于试验示范阶段，但是，植物工厂的水培系统结合营养液的自动检测与控制、综合环境控制来调控水培蔬菜产量与品质、水培蔬菜生产的智能化与自动化等也是未来的重点发展方向。
图 3 植物工厂
图 4 家庭植物工厂
