新農民技術貼（三）——植物工廠的水培系統

植物工廠最大的優勢在於環境可控，使農業擺脫了地區和自然環境的限制，實現了農業生產的高產和高品質；而可控的環境除了光照、溫度、氣體等環境因素，還包括水分和營養。今天我們就來討論一下植物工廠里水分和營養的調控。

水耕栽培的由來

植物工廠中大多採用水耕栽培(Hydroponics)技術，這是植物工廠的核心技術之一。水耕栽培也叫營養液栽培，是將植物生長需要的養分製成營養液供植物吸收的栽培技術，不需要土壤，植物的根系生長在營養液中。

植物根系生長在營養液中，不需要土壤。

歷史上有記載的最早提出不用土壤種植植物而用水培(water culture)的是英國文藝復興時期的散文家、哲學家，弗朗西斯·培根，他不僅在哲學發展史上做出了重大貢獻，被馬克思、恩格斯稱為「英國唯物主義的第一創始人」，培根也是實驗科學的先鋒，直到他去世之前，還在試驗冷凍對肉類防腐的作用。培根去世一年後的1627年，他提出的水培植物理論才被出版，從此人們開始關注水培技術。

此後，經歷了科學家們的試驗研究，發現蒸餾的純凈水不能滿足植物生長需求，含有特定的營養元素成分的溶液才是關鍵，由此人們把用含有礦質營養的溶液種植植物的技術叫做「溶液栽培」(solutionculture)，這項技術很快成為研究熱點；而今天，我們把這種溶液栽培稱為水耕栽培，Hydroponics源自希臘語，意為農業耕作中土壤換成了水。

水耕栽培為何風靡至今

自從水耕栽培技術被提出，相關的學術研究和技術創新不斷，至今一直受到廣泛的關注，這是因為水耕栽培具有顯而易見的優勢。

首先讓我們看一下營養液是如何被植物利用的。水由根部被吸收，經過根莖木質部運輸到植物體各部位，一部分水分用於植物生長，大部分經由葉片氣孔蒸騰出去，蒸騰出去的水分又需要補充，所以蒸騰作用也是根部吸水的主要動力，根系吸水與蒸騰作用形成了植物體的水循環；礦質營養的運輸則依靠水的運輸而流入植物生長所需的各個部位，所以，根系是植物水分與養分的最主要來源，也因此，根系外部環境密切影響著植物對水分和營養的吸收。

營養液可以為植物提供穩定的、源源不斷的水分和營養元素，這對原本依賴於土壤中水分和礦質營養生存的植物來說簡直是從粗茶淡飯到自助大餐的區別。因此，在營養液中生長的植物生長速率遠高於土壤中生長的植物，並且人工可控的營養供給使產品質量也得到了提高。

離開了含有各種有害病菌的土壤，水耕栽培避免了一大部分植物病害，大大降低了噴施農藥的需求，植物工廠中的蔬菜是安全無公害的優質產品。

同時，水耕栽培便於自動化操作，節約人力，甚至還可以達到節約水分肥料的效果。以中環易達果菜工廠為例，採取了水耕栽培技術，將灌溉與施肥融為一體，藉助壓力系統和EC/pH感測器，將液體肥母液按作物種類和需肥特點進行水、肥配比，並依據智能溫室提供的溫濕度、光照強度等條件，進行全自動智能調節，實現全生育期水分和養分定量、定時、按比例供應，有效控制灌溉水量和施肥量，達到科學種植與提高水肥利用率的效果。同時，通過對灌溉余水進行回收，消毒，再配比的循環使用能夠實現50%的節肥率和高達90%的節水率。

營養液配方

水耕栽培技術的關鍵無疑是營養液的配方，植物需要哪些礦質元素，多少濃度下有利於植物吸收，都是配製營養液需要回答的問題。從16世紀著名的柳樹實驗起，植物生理學經歷了幾個世紀的發展，植物生理學家們把植物根系吸收的生長發育必需的營養元素分為大量元素和微量元素，大量元素有氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂、硅，這些元素是植物需要量較多的元素，所以常見的人工化肥也以氮肥、磷肥等居多；微量元素包括鐵、錳、鋅、銅、鉬、氯、鈉、鎳等。這些礦質元素以礦質離子的形式存在於營養液中被植物根系吸收。

雖然植物對大量元素與微量元素有需要量多少的差別，但它們都是必不可少的營養元素，各自對植物生長起著獨特的作用，缺少任何一種元素都會影響到植物的正常發育。不同的植物缺少礦質元素的表現也是不同的，三杯雞中的配菜羅勒是植物工廠常見的水耕栽培作物，美國康奈爾大學的NeilMattson博士和TanyaMerrill對羅勒的缺素症進行了相對完整的對比實驗，結果表明每一種礦質元素的缺少都會給植物造成病症：

氮肥的缺少會導致老葉變黃，植株個頭較小；

顯然，營養液的配製需要經過反覆實驗，調整各種礦質元素的濃度，針對不同種類的作物，或者同一種作物的不同品種，配製出專用的營養液，甚至同一品種的作物不同生長時期在礦質營養的需求方面都會有差別。另外，各種礦質離子全都溶於營養液，營養液總的離子濃度和酸鹼度也要控制在適宜植物生長的範圍內，這就要考慮到各種離子之間的化學反應、溶解度等。

如果說先進的技術設備為植物工廠的運營提供了堅實的硬體基礎，那麼營養液配方和光配方就是植物工廠實現高效高品質生產最重要的技術後盾。中環易達的植物工廠在培育不同品種的果菜、葉菜時給植物定製營養配方，保證了不同作物對礦質營養的不同需求一一得到滿足，從而實現高效的生產。

植物工廠的營養液循環與控制系統

對一株植物進行水耕栽培很簡單，但是對於成百成千株植物就不同了：水耕作物工廠化生產的過程中，定期換水是不現實的，而培養過程中，營養液中可能產生的水藻、植物本身代謝產生的有毒物質會抑制植物的生長，以及培養液的濃度、酸鹼度等性質也會隨著植物吸收水分和營養而改變，這些因素給植物工廠水耕栽培帶來了挑戰。

目前，營養液循環與控制系統是植物工廠中十分重要的水肥控制系統，它是一種將植物利用後剩餘的營養液回收利用的技術，完成了對植物的營養液供給與調控進行統一化、自動化的控制。

營養液循環控制系統主要包含栽培床，營養液池，檢測感測器，循環水泵，過濾與消毒裝置和自動控制裝置等部分。

營養液池內的營養液由檢測感測器監測，保證它的離子濃度、酸鹼度、氧含量和溫度處於適宜植物生長的範圍，離子濃度和酸鹼度的調節是通過加入已經配好的營養液母液或酸鹼液，氧含量的增加是通過攪拌裝置或培養液的循環流動，液溫則是通過加熱或製冷裝置進行。

營養液由水泵抽入栽培床，多餘的營養液經過過濾和消毒重新流入營養液池，這就是營養液的循環過程。下圖以中環易達設計的人工光型植物工廠為例，展示了植物工廠的營養液循環與控制系統。

營養液循環控制系統的優化

營養液循環控制系統實現了對水分和營養的充分利用，避免了向外界排放營養液廢液造成的環境污染，既節約資源，又具有環境友好的特點。然而，目前的營養液循環控制系統依然有優化的空間。

營養液的循環利用固然節約資源、保護環境，然而植物生長代謝過程中分泌的有機酸等不利於植物生長的物質使得營養液循環液中有害物質的堆積，去除這些有害物質極有利於實現營養液循環利用。

目前，最適合的方法是光催化法，它是利用特殊材料納米二氧化鈦吸收紫外光所產生的強氧化效應，將營養液中的有機酸分解成二氧化碳、水和其它小分子。光催化法在凈化環境污染方面已經有廣泛的應用，而在營養液凈化方面的應用尚處在研究階段，這種方法不僅高效、無毒，還對蔬菜的質量沒有影響，是十分有應用前景的營養液凈化方法。

植物的生長過程是無法完全量化的，正如「世界上沒有兩片完全相同的葉子」，每一輪的作物生長都會使營養液的成分發生不同的改變，雖然營養液的濃度和酸鹼度可以被實時監測並相應作出調控決策，然而單一營養元素的檢測卻仍然無法進行實時監測。

隨著感測技術在農業領域的不斷發展，單一營養元素的檢測技術也處在快速發展的階段，也許不久的將來，單一營養元素實時檢測技術可以被運用到營養液循環控制系統中，當植物工廠中生長的作物對某種元素吸收較多時，它可以及時檢測到該元素的濃度迅速降低，進而在營養液中增加這種元素的劑量。這樣就真正做到了對植物的生長「對症下藥」，而前文提到的各種缺素症將不再出現在植物工廠中了