壹、無土栽培的發展簡史
人類對植物礦質營養的探索，可以追溯到公元前600年亞裏斯多德的時代，但是目前比較公認的，有關植物礦質營養研究的最早科學報告是1600年Belgion Jan Van Helmant發表的著名的柳樹實驗。19世紀中葉（1842） Wiegmen 和 Polsloff第壹次用重蒸餾水和鹽類成功地培養植物，並證明了水中溶解的鹽類是植物生長的必需物質。但這壹時期的最傑出的代表人物，應當認為是 Van Liebig（1803－1873），他證明了植物體中的碳來自空氣中的CO2，H和O來自NH3、NO3－，其它壹些礦質元素均來自土壤環境。他的工作徹底否定了當時流行的腐殖質營養理論，建立了礦質營養理論的雛型，他的理論也是現代”營養耕作”理論的先導。
1838年德國科學家斯魯蘭格爾，鑒定出來植物生長發育需要15種營養元素。1859年德國著名科學家Sachs和Knop，建立了直到今天還沿用的、用溶液培養來植物礦質營養的方法。在此基礎上，逐步演變和發展而成為今天的無土栽培實用科學技術。
1920營養液的制備達到標準化，但這些都是在實驗室內進行的試驗，尚未應用於生產。1929年美國加利福尼亞大學的W.F.Gericke 教授，利用營養液成功地培育出壹株高7.5米的番茄，采收果實14公斤，引起人們極大的關註。被認為是無土栽培技術由試驗轉向實用化的開端。
1935年壹些蔬菜和花卉種植者，在Gericke的指導下，進行了大規模的生產實踐。首次把無土栽培發展到商業規模，面積最大的有0.8公頃。同時美國中西部發展了壹些砂培和礫培的技術，水培技術也很快傳到歐洲、印度和日本等地。Gericke教授並把無土栽培定義為”Hydroponics ”（hydor是”水”的意思，ponics意為”放置”）。
第二次世界大戰期間，水培在生產上起了相當作用。在Gericke教授指導下，泛美航空公司在太平洋中部荒蕪的威克島上種植蔬菜，用無土栽培技術，解決了航班乘客和部隊服務人員吃新鮮蔬菜問題。以後英國農業部也對水培發生興趣，1945年倫敦英國空軍部隊在伊拉克的哈巴尼亞和波斯灣的巴林群島開始進行無土栽培，解決了吃菜靠飛機由巴勒斯坦空運的問題。以後在圭亞那、西印度群島、中亞的不毛沙地上，科威特石油公司等單位，都運用無土栽培為他們的雇員生產新鮮蔬菜。
由於無土栽培在世界範圍內的不斷發展，1955年9月，在荷蘭成立了國際無土栽培學會。當時只有壹個工作組、成員12人。而到了1980年召開的第五屆國際無土栽培會議時，會員人數已發展到45個國家的300人。據不完全統計，全世界目前關於無土栽培的研究機構，大約在130個以上。栽培面積也不斷擴大，在新西蘭，50％的番茄靠無土栽培生產。在意大利的園藝生產中，無土栽培占有20％的比重。在日本無土栽培生產的草莓占總產量的66％、青椒占52％、黃瓜占37％、番茄占27％、總面積已達500公頃。荷蘭是無土栽培面積最大的國家，1986年統計已有2500公頃。目前無土栽培技術，已在全世界100多個國家應用發展。
我國無土栽培技術在研究應用起步較晚，但較原始的無土栽培技術卻有悠久歷史。生豆芽、種水仙早有記載（至晚在宋代就有），但較正規的科學研究和生產試驗，則是近十幾年的事。山東農業大學於1975年開始用蛭石栽培西瓜、黃瓜、番茄等，均獲成功，1987年在勝利油田推廣面積達6000平方米。無土育苗技術已在我國廣泛運用，北京市朝陽區1987年，無土育苗的數量，已占總育苗數量的33.5％。1985年在河北省農科院蔬菜研究所，召開了全國會議，成立了中國的無土栽培學組，並於1986、1987、召開了全國性的學術討論會，出席者多達百人。1988年5月，中國首次出席了在荷蘭召開的第七屆國際無土栽培學會的年會，並在會上發表了論文，引起了很多國家的重視。
二、無土栽培的優點
無土栽培之所以能迅速在全世界範圍內發展，是因為這種新的栽培技術與常規土壤比較有許多優點。
（壹）產量高、品質好
無土栽培能充分發揮作物的生產潛力，與土壤栽培相比，產量可以成倍或幾十倍地提高，如4-4-1所示。
上表說明土壤栽培不僅產量低，而且消耗水分很多。
北京農業大學園藝系在北京地區秋季進行大棚黃瓜無土栽培試驗，自7月30日播種至9月14日，***計46天，澆水（營養液）***21.7立方米。若進行土培，46天中至少澆水5－6次，需用50－60立方米的水，統計結果，節水率為50-66.7％。節水效果非常明顯，是發展節水型農業的有效措施之壹。
無土栽培不但省水，而且省肥，壹般統計認為土栽培養分損失比率約50％左右，我國農村由於科學施肥技術水分低，肥料利用率更低，僅30－40％，壹半多的養分都損失了，在土壤中肥料溶解和被植物吸收利的過程很復雜，不僅有很多損失，而且各種營養元素的損失不同，使土壤溶液中各元素間很難維持平衡。而無土栽培中，作物所需要的各種營養元素，是人為配制成營養液施用的，不僅不會損失，而且保持平衡，根據作物種類以及同壹作物的不同生育階段，科學地供應養分，所以作物生長發育健壯，生長勢強，增產潛力可充分發揮出來。
（三）清潔衛生
無土栽培施用的是無機肥料，沒有臭味，也不需要堆肥場地。土栽培施有機肥，肥料分解發酵，產生臭味汙染環境，還會使很多害蟲的卵孳生，危害作物，無土栽培則不存在這些問題。尤其室內種花，更要求清潔衛生，壹些高級旅館或賓館，過去施用有機花肥，汙染環境，是個難以解決的問題，無土養花便迎刃而解。
（四）省力省工、易於管理
無土栽培不需要中耕、翻地、鋤草等作業，省力省工。澆水追肥同時解決，由供液系統定時定量供給，管理十分方便。土培澆水時，要壹個個地開和堵畦口，是壹項勞動強度很大的作業，無土栽培則只需開啟和關閉供液系統的閥門，大大減輕了勞動強度。壹些發達國家，已進入微電腦控制時代，供液及營養液成分的調控，完全用計算機控制，幾乎與工業生產的方式相似。
（五）避免土壤連作障礙
設施栽培中，土壤極少受自然雨水的淋溶，水分養分運動方向是自下而上。土壤水分蒸發和作物蒸騰，使土壤中的礦質元素由土壤下層移向表層，常年累月、年復壹年，土壤表層積聚了很多鹽分，對作物有危害作用。尤其是設施栽培中的溫室栽培，壹經建設好，就不易搬動，土壤鹽分積聚後，以及多年栽培相同作物，造成土壤養分平衡，發生連作障礙，壹直是個難以解決的問題。在萬不得已情況下，只能用耗工費力的”客土”方法解決。而應用無土栽培後，特別是采用水培，則從根本上解決了此問題。土傳病害也是設施栽培的難點，土壤消毒，不僅困難而且消耗大量能源，成本可觀，且難以消毒徹底。若用藥劑消毒既缺乏高效藥品，同時藥劑有害成分的殘留還危害健康，汙染環境。無土栽培則是避免或從根本上杜絕土傳病害的有效方法。
（六）不受地區限制、充分利用空間
無土栽培使作物徹底脫離了土壤環境，因而也就擺脫了土地的約束。耕地被認為是有限的、最寶貴的、又是不可再生的自然資源，尤其對壹些耕地缺乏的地區和國家，無土栽培就更有特殊意義。無土栽培進入生領域後，地球上許多沙漠、荒原或難以耕種的地區，都可采用無土栽培方法加以利用。例如在中東和墨西哥，人們在海濱沙灘上建立起了很多塑料溫室，與海水淡化系統相結合，采用無土栽培技術，生產新鮮蔬菜，成為沙漠中的綠洲，這為解決地球上許多貧瘠地區人民生活的困難，帶來了福音。
此外，無土栽培還不受空間限制，可以利用城市樓房的平面屋頂種菜種花，無形中擴大了栽培面積。據1986年的衛星測定，北京市就有平面屋頂16000多畝，如果充分利用起來，可以產生很大的經濟效益和社會效益。
（七）有利於實現農業現代化
無土栽培使農業生產擺脫了自然環境的制約，可以按照人的意誌進行生產，所以是壹種受控農業的生產方式。較大程度地按數量化指標進行耕作，有利於實現機械化、自動化，從而逐步走向工業化的生產方式。目前在奧地利、荷蘭、蘇聯、美國、日本等都有水培”工廠”，是現代化農業的標誌。我國航空工業進出口公司，曾在1986年引進了日本的無土栽培設備，也建立了壹座小型的水增工廠，參觀學習的人絡繹不絕，反映出人們對這壹新技術的興趣。
三、無土栽培的類型和方式
無土栽培的方式方法多種多樣，不同國家、不同地區由於科學技術發達水平不同，當地資源條件不同，自然環境也千差萬別，所以采用的無土栽培類型和方式方法各異。
目前比較普遍的分類方法，是根據作物根系的固定方法來區分。大體上可以分為無基質（也稱介質）栽培和有基質栽培兩大類（表4－4－3）。
（壹）水培
水培是指植物根系直接與營養液接觸，不用基質的栽培方法。最早的水培是將植物根系浸入營養液中生長，這種方式會出現缺O2現象，影響根系呼吸，嚴重時造成料根死亡。為了解決供O2 問題，英國Cooper在1973年提出了營養液膜法的水培方式，簡稱”NFT”(Nutrient Film Technique)。它的原理是使壹層很薄的營養液（0.5－1厘米）層，不斷循環流經作物根系，既保證不斷供給作物水分和養分，又不斷供給根系新鮮O2。NFT法栽培作物，灌溉技術大大簡化，不必每天計算作物需水量，營養元素均衡供給。根系與土壤隔離，可避免各種土傳病害，也無需進行土壤消毒。
（二）霧（氣）培
又稱氣增或霧氣培。它是將營養液壓縮成氣霧狀而直接噴到作物的根系上，根系懸掛於容器的空間內部。通常是用聚丙烯泡沫塑料板，其上按壹定距離鉆孔，於孔中栽培作物。兩塊泡沫板斜搭成三角形，形成空間，供液管道在三角形空間內通過，向懸垂下來的根系上噴霧。壹般每間隔2－3分鐘噴霧幾秒鐘，營養液循環利用，同時保證作物根系有充足的氧氣。但此方法設備費用太高，需要消耗大量電能，且不能停電，沒有緩沖的余地，目前還只限於科學研究應用，未進行大面積生產。
（三）基質栽培
基質栽培是無土栽培中推廣面積最大的壹種方式。它是將作物的根系固定在有機或無機的基質中，通過滴灌或細流灌溉的方法，供給作物營養液。栽培基質可以裝入塑料袋內，或鋪於栽培溝或槽內。基質栽培的營養液是不循環的，稱為開路系統，這可以避免病害通過營養液的循環而傳播。
基質栽培緩沖能力強，不存在水分、養分與供O2之間的矛盾，且設備較水增和霧培簡單，甚至可不需要動力，所以投資少、成本低，生產中普遍采用。從我國現狀出發，基質栽培是最有現實意義的壹種方式。
歐洲許多國家目前應用較多的基質是巖棉（rockwool），它是由60％的輝綠巖，20％石灰石和20％的焦碳混合後，在1600℃的高溫下煆燒熔化，再噴成直徑為0.005毫米的纖維，而後冷卻壓成板塊或各種形狀。巖棉的優點是可形成系列產品（巖棉栓、塊、板等），使用搬運方便，並可進行消毒後多次使用。但是使用幾年後就不能再利用，廢巖棉的處理比較困難，在使用巖棉栽培面積最大的荷蘭，已形成公害。所以，日本現在有些人主張開發利用有機基質，使用後可翻入土壤中做肥料而不汙染環境。
四、無土栽培技術要點
不論采用何種類型的無土栽培，幾個最基本的環節必須掌握，無土栽培時營養液必須溶解在水中，然後供給植物根系。基質栽培時，營養液澆在基質中，而後被作物根系吸收。所以對水質、營養液和所用的基質的理化性狀，必須有所了解。
（壹）水質
水質與營養液的配制有密切關系。水質標準的主要指標是電導度（EC），pH值和有害物質含量是否超標。
電導度（EC）是溶液含鹽濃度的指標，通常用毫西門子（mS）表示。各種作物耐鹽性不同，耐鹽性強的(EC=10mS)如甜菜、菠菜、甘藍類。耐鹽中等(EC=4mS)，如黃瓜、菜豆、甜椒等。無土栽培對水質要求嚴格，尤其是水培，因為它不象土栽培具有緩沖能力，所以許多元素含量都比土壤栽培允許的濃度標準低，否則就會發生毒害，壹些農田用水不壹定適合無土栽培，收集雨水做無土栽培，是很好的方法。無土栽培的水，pH值不要太高或太低，因為壹般作物對營養液pH值的要求從中性為好，如果水質本身pH值偏低，就要用酸或堿進行調整，既浪費藥品又費時費工。
（二）營養液
營養液是無土栽培的關鍵，不同作物要求不同的營養液配方。目前世界上發表的配方很多，但大同小異，因為最初的配方本源於對土壤浸提液的化學成分分析。營養液配方中，差別最大的是其中氮和鉀的比例。表4-4-4介紹了從50年代到80年代不同科學家所采用的配方，可供參考。
配制營養液要考慮到化學試劑的純度和成本，生產上可以使用化肥以降低成本。配制的方法是先配出母液（原源），再進行稀釋，可以節省容器便於保存。需將含鈣的物質單獨盛在壹容器內，使用時將母液稀釋後再與含鈣物質的稀釋液相混合，盡量避免形成沈澱。營養液的pH值要經過測定，必須調整到適於作物生育的PH值範圍，水增時尤其要註意pH值的調整，以免發生毒害。
（三）基質的理化性狀
用於無土栽培的基質種類很多，已在表4-4-3中列舉，可供參考。可根據當地基質來源，因地制宜地加以選擇，盡量選用原料豐富易得、價格低廉、理化性狀好的材料做為無土栽培的基質。無土栽培對基質的要求是：
1．具有壹定大小的固形物質。這會影響基質是否具有良好的物理性狀。基質顆粒大小會影響容量。孔隙度、空氣和水的含量。按著粒徑大小可分為五級、即：1毫米；1－5毫米；5－10毫米；10－20毫米；20－50毫米。可以根據栽培作物種類、根系生長特點、當地資狀況加以選擇。
2．具有良好的物理性質。基質必須疏松，保水保肥又透氣。南京農業大學吳誌行等研究認為，對蔬菜作物比較理想的基質，其粒徑最好以0.5-10毫米，總孔隙度>55％，容重為0.1-0.8克?厘米－3，空氣容積為25－30％，基質的水氣比為1：4。
3．具有穩定的化學性狀，本身不含有害成分，不使營養液發生變化。基質的化學性狀主要指以下幾方面：
PH值：反應基質的酸堿度，非常重要。它會影響營養液的pH值及成分變化。PH＝6－7被認為是理想的基質。
電導度(EC)：反映已經電離的鹽類溶液濃度，直接影響營養液的成分和作物根系對各種元素的吸收。
緩沖能力：反映基對肥料迅速改變pH值的緩沖能力，要求緩沖能力越強越好。
鹽基代換量：是指在pH＝7時測定的可替換的陽離子含量。壹般有機機質如樹皮、鋸未、草炭等可代換的物質多；無機基質中蛭石可代換物質較多，而其它惰性基質則可代換物質就很少。
4．要求基質取材方便，來源廣泛，價格低廉。浙江農科院園藝研究所選用南方農村廣 為存在的礱糠灰（農村家庭飯用的燃料廢渣），做無土栽培基質，栽培番茄，效果良好，大幅度降低了成本。
在無土栽培中，基質的作用是固定和支持作物；吸附營養液；增強根系的透氣性。基質是十分重要的材料，直接關系栽培的成敗。基質栽培時，壹定要按上述幾個方面嚴格選擇。北京農業大學園藝系通過1986－1987年的試驗研究，在黃瓜基質栽培時，營養液與基質之間存在著顯著的交互作用，互為影響又互相補充。所以水培時的營養液配方，在基質栽培時，特別是使用有機基質時，會受基質本身元素成分含量、可代換程度等等因素的影響，而使配方的栽培效果發生變化，這是應當加以考慮的問題，不能生搬硬套。
（四）供液系統
無土栽培供液方式很多，有營養液膜（NFT）灌溉法、漫灌法、雙壁管式灌溉系統、滴灌系統、虹吸法、噴霧法和人工澆灌等。歸納起來可以分為循環水（閉路系統）和非循環水（開路系統）兩大類。目前生產中應用較多的是營養液膜法和滴灌法。
1． 營養液膜法（NET）
（1）備三個母液貯液灌（槽）。壹個盛硝酸鈣母液，壹個盛其它營養元素的母液，另壹個盛磷酸或硝酸，用以調節營養液的pH。
（2）貯液槽。貯存稀釋後的營養液，用泵將其液由栽培床高的壹端的送入，由低的壹端回流。液槽大小與栽培面積有關，壹般1000平方米要求貯液槽容量為4－5噸。貯液槽的另壹個作用就是回收由回流管路流回的營養液。
（3）過濾裝置。在營養液的進水口和出水口要求安裝過濾器，以保證營養液清潔，不會造成供液系統堵塞。
2． 滴灌系統的灌溉方法
（1）備兩個濃縮的營養液罐，存放母液。壹個液罐中含有鈣元素，另壹個是不含鈣的其它元素。
（2）濃酸罐。用業調節營養液的PH。
（3）貯液槽。用來盛按要求稀釋好的營養液。壹般300－400平方米的面積，貯液槽的容積1－1.5噸即可。貯液槽的高度與供液距離有關，只要高於1米，就可供30－40米的距離。如果用泵抽，則貯液槽高度不受限制。甚至可在地下設置。
（4）管路系統。用各種直徑的黑色塑料管，不能用白色，以避免藻類的孳生。
（5）滴頭。固定在作物根際附近的供液裝置，常用的有孔口式滴頭和線性發絲管。孔口式滴頭在低壓供液系統中流量不太均勻，發絲管比較均勻。但***同的問題是易堵塞，所以在貯液槽的進出口處，也必須安裝過濾器，濾出雜質。
五、無土栽培前景展望
從歷史上來看，農業文明標誌，就是人類對作物生長發育的幹預和控制程度。實踐證明，對作物地上部分的環境條件的控制，比較容易做到，但對地下部分的控制（根系的控制），在常規土培條件下很困難的。無土栽培技術的出現，使人類獲得了包括無機營養條件在內的，對作物生長全部環境條件進行精密控制的能力，從而使得農業生產有可能徹底擺脫自然條件的制約，完全按照人的願望，向著自動化、機械化和工廠化的生產方式發展。這將會使農作物的產量得以幾倍、幾十倍甚至成百倍地增長。
從資源的角度看，耕地是壹種極為寶貴的、不可再生的資源。由於無土栽培可以將許多不可耕地加以開發利用，所以使得不能再生的耕地資源得到了擴展和補充，這對於緩和及解決地球上日益嚴重的耕地問題，有著深遠的意義。無土栽培不但可使地球上許多荒漠變成綠洲，而且在不久的將來，海洋、太空也將成為新的開發利用領域。美國已將無土栽培列為國該國本世紀要發展的十大高技術交流會上，就是關於宇宙空間植物栽培的研究報告，那只能是無土栽培。因而無土栽培技術在日本，已被許多科學家做為研究”宇宙農場”的有力手段，人們稱為太空時代的農業，已經不再是不可思議的問題。
水資源的問題，也是世界上日益嚴重地威脅人類的生存發展的大問題。不僅在幹旱地區，就是在發達的人口稠密的大城市，水資源緊缺也越來越突出。隨著人口的不斷增長，各種水資源被超量開采，某些地區已近枯竭。所以控制農業用水是節水的措施之壹，而無土栽培，避免了水分大量的滲漏和流失，使得難以再生的水資源得到補償。它必將成為節水型農業、旱區農業的必由之路。
誠然，無土栽培技術在走向實用化的進程中也存在不少問題。突出的問題是成本高、壹次性投資大；同時還要求較高的管理水平，管理人員必須具備壹定的科學知識，這也不是任何地方都能做到的。
從理論上講，進壹步研究礦質營養狀況的生理指標，減少管理上的盲目性，也是有待解決的問題。此外，無土栽培中的病蟲防治，基質和營養液的消毒，廢棄基質的處理等等，也需進壹步研究解決。
無土栽培在我國剛剛起步，還未廣泛用於生產，特別是設施條件，供液系統工程本身，還未形成專門生產行業。由於種種因素限制，使得栽培技術與農業工程技術還不能協調同步，致使無土栽培技術在我國發展的速度，不如發達國家那樣迅速。但是隨著科學技術的發展、提高，更重要的是這項新技術本身固有的種種優越性，已向人們顯示了無限廣闊的發展前景。