植物工厂无土栽培立体栽培架的应用

20世纪70年代，我国开始研究无土栽培，相对于发达国家来说起步较晚，主要研究水稻无土育秧、蔬菜作物无土育苗。我国人均耕地面积远低于世界水平，且水资源贫乏，无土栽培的栽培形式以立体栽培为主，栽培作物以蔬菜、花卉和水果为主，部分用于栽培中药材。近几年，我国无土栽培发展迅速，无土栽培的栽培面积、栽培形式和栽培技术都得到空前提高。发展至今，我国无土栽培已实现量产化应用。如由中科院和福建三安集团联合设计、创建的中科三安植物工厂采用全人工光多层立体栽培形式，实现了植物工厂无土立体栽培蔬菜的大规模产业化应用；北京农众实业有限公司打造的农众物联植物工厂是世界上单体面积最大的全环控、立体态、标准化的三层垂直植物工厂，实现了无土栽培高附加值经济作物生产的量产化应用。

1 无土栽培的栽培架

栽培架的形式，按种植槽的形式可分为槽培、袋培和盆式栽培，按种植槽空间排列形式又可分为平面栽培和立体栽培。
立体栽培又称垂直栽培，这种栽培架的植物生长向空间发展，充分利用时间、空间和光照等多方面栽培条件，发挥有限地面的生产潜力，有效提高土地和光、热、水、肥、气等自然资源的利用率，切实做到地尽其力、物尽其用，建立良好的农业生态经济复合体，解决人多地少、粮食作物与其它经济作物争地等矛盾，提高单位土地产出率，是一种实现优质、高产、高效、节能、环保的栽培种植形式。与平面栽培相比，立体栽培对土地的利用率达到4～8倍，立体栽培的管理效率也远高于平面栽培，容易实现自动化耕种。

2 无土栽培立体栽培架的几种形式

20世纪60年代，植物工厂无土栽培立体栽培模式首先在发达国家发展起来，美国、日本、西班牙、意大利等国研究开发了不同形式的无土栽培立体栽培架，如多层式、垂挂式、单元叠加式等。20世纪90年代，我国开始研究并推广无土栽培立体栽培架和技术，目前这项技术已相当成熟，并不断地发展和提升，且越来越多的农业人员不断借助其来提升和改造传统农业。
经过多年的探索和发展，我国植物工厂无土栽培的立体栽培架经历了由平面多层向圆柱体、多面体转变，已形成平面多层、圆柱体、多面体以及幕墙式、垂挂式、管道式、错层槽式、移动式多层立体栽培架等多种形式。

2.1 平面多层立体栽培架

目前，平面多层立体栽培架普遍被以色列、美国、日本、中国等多个国家的绝大多数植物工厂采用。
平面多层立体栽培架的栽培技术只能采用水培技术，它的供液箱置于栽培架的底部，营养液由供液管道的上方注入平面栽培槽内。这种栽培架每层都配有营养池、栽培板，又因栽培架纵向层数的叠加，自然光照自上而下的递减，所以无论用于自然光型植物工厂还是全人工光型植物工厂，都必须进行人工补光。植物工厂的高度和空间有限，栽培作物的生长需占用一定的高度和空间，再加上操作管理的制约，大多数情况下栽培架仅局限于3～4层，导致产量和效益只能在一定范围内提高。在一些管理高度自动化、机械化、智能化的大型示范性植物工厂内，栽培架可以向空间延伸更多层，达到10层甚至是更多层，如我国浙江大学的植物工厂已达到10 层，日本的LED 人工光植物工厂已提高到15 层，产量和效益得到很大提高，但是，其投入的自动化、机械化设施费用及损耗也高。

2.2 圆柱体立体栽培架

圆柱体立体栽培架的定植孔均匀的分布于圆柱体表面，栽培的植物定植在圆柱体表面的定植孔上，而根系裸露在圆柱体内部，植物根系不需要基质，这种栽培架采用雾培技术，营养液雾化后的小颗粒直接喷射到植物根系表面，植物根系更易吸收水分和营养，大大促进了植物代谢功能的发挥，植物生长更快。这种栽培架扩大了立体栽培面积，是平面栽培的几十倍，极大地提高植物工厂的利用率和产出率。

2.3 多面体立体栽培架

多面体立体栽培架是我国自主创新的栽培形式，与平面多层相比，其效果具有明显优势。多面体立体栽培架提供多面栽培床栽培植物，其栽培技术采用雾培技术代替水培技术，每组栽培床共用一个营养池，LED补光灯可以设置在栽培架顶部和侧面，光照、肥料、空间利用率更高，实现水、肥、气同补，使植物生长更快、成本更低、重量更轻，产量和效益将最大化。

2.4 幕墙式立体栽培架

幕墙式立体栽培架是利用植物工厂的墙壁或由人工设计建设的幕墙作为栽培床进行植物栽培，其栽培技术采用水培技术，其供液方式采用潮汐灌溉法，栽培床下设营养池，栽培架顶部可安装LED补光灯。相比于平面多层立体栽培架，幕墙式立体栽培架可根据幕墙的设计实现单面或双面种植，光照利用更充分、布局更合理、操作更方便、栽培面更大、产量更高。

2.5 垂挂式立体栽培架

垂挂式立体栽培架将植物栽培床垂挂于植物工厂顶部或悬置在离地面一定高度的固定支架上，然后在栽培床上播种、灌溉、施肥，栽培技术采用基质栽培，营养液供给采用滴灌方式。其栽培床离地设置，可以避免地表尘土、昆虫、病菌等对植物根系的污染和侵扰；栽培床离地的高度设置，既保证作物的垂蔓高度，又保证嫩枝蔓向上的生长高度；不仅可确保植物藤蔓枝叶高效利用植物工厂内部的光照资源，还简化了对植物藤蔓的管理作业工作，有利于植物的再生栽培，提高植物藤蔓的挂果率。对于从事农业生产的管理者来说，应用垂挂式立体栽培架，不仅扩大植物生长空间、提高种植产量、增加经济效益、降低成本，而且操作方便，既增强农业生活体验，又生态环保，实现可持续的农业生产。

2.6 管道式立体栽培架

管道式立体栽培架的植物栽培床由若干根径向设置的管道间隔排列组成，管道上开设用于栽种的天窗，植物栽培床通过上水和回水管道与营养池连通。栽培的植物定植在管道上开设的天窗，栽培技术采用水培技术，营养液由自动定时供水器定时定量送往植物栽培床，使植物部分根系浸入营养液吸收营养，满足植物对水、气、肥的需求。它可以根据不同的栽培空间做成不同造型的管道形式，结构简单造价低，管理又方便，有效利用栽培空间的同时，又达到降低成本、提高产量、增加效益的目的。

2.7 错层槽式立体栽培架

错层槽式立体栽培架将植物定植于栽培槽内，植株的密度由栽培槽的深度和宽度决定。错层槽式立体栽培架大多采用基质栽培，槽底配有透气漏水板和排水管件，用于透气排水，保证植物良好的生长环境。栽培架的错层设置确保植物高效利用植物工厂内的空间光照资源，比通常的A型架具有更充分的光照条件。栽培架高低错位设置，既有效利用栽培面积、降低成本、增产增收，又可以起到变换劳作姿势、减轻劳累感以及满足不同身高的人群进行操作管理的人性化需求。

2.8 移动式多层立体栽培架

移动式多层立体栽培架由栽培架、运行轨道、营养液池以及计算机控制系统组成，利用空间纵向、多层结构设计，通过自动旋转，保证每株植物获得均匀的光照，旋转系统实现自动追光，使光照均匀，从而更加有效促进植物生长，大大提升作物品质。同时，结合供回液系统，每株植物都可以通过控制程序及控制器设定的参数自动定时、定点，实现固定浇灌、定点采收，可节约一半以上的人工成本，同时栽培效率是其他栽培方式的三倍以上。植物工厂内使用移动式多层立体栽培架不仅实现多层立体栽培，又可实现移动式栽培，还不必留出用于日常巡视和管理的通道，既增加栽培面积，提高空间利用率，又降低人工管理成本。

3 无土栽培应用立体栽培架的特点

调研发现，无土栽培立体栽培形式将是发展生态农业种植的重点，在植物工厂的有限空间里，更趋向于利用立体栽培架进行植物的栽培种植，其特点集中反映在四个方面。
一是“集约”，即集约生产，体现出资源、技术、劳力整体综合效益，提高单位面积的物质产量，缓解食物供需矛盾。二是“高效”，即充分挖掘农业和工业副产品、光照、水源等资源的潜力，缓解人地矛盾，缓解粮食与经济作物、蔬菜、水果等争地的矛盾，提高资源利用率，同时提高人工辅助功能的利用率和利用效率。三是“持续”，即减少有害物质的残留，提高农业环境和生态环境的质量，缓解对生存环境的压力。四是“安全”，即产品和环境安全，体现在利用多物种组合来避免种植污染和发展农业，建立经济与环境融合观。

4 无土栽培应用立体栽培架的优势

我国植物工厂无土栽培利用立体栽培架主要进行蔬菜、水果、花卉以及中草药等作物的栽培种植，借助栽培床和栽培架管路装备，利用栽培技术和环境控制技术实现作物在立体栽培架上进行生产，不断提高产量和生产效率，满足人们日益增长的需求。它的优势主要有以下几点。
首先，充分利用各种光线促进农作物的生长，提高作物的生长速度。光线在农作物的生长过程中起到十分重要的作用，合理安排每种作物的光照时间可以缩短生长周期。在土壤栽培种植过程中，人们不会对各种作物的光照时间以及利于作物生长的光线进行测定，各种作物在同一光线和相同光照时间光合作用后的产出物的产量和质量是良莠不齐的。而利用立体栽培架种植的作物能够根据每种作物的特性去确定利于作物生长的光照时间和光线，在自然光照不足的情况下进行人工补光，保证作物具有充足的光合作用时间，使作物可以跨季度周年生产。在这样的环境中产出的作物，一定可以实现高产量、高质量和一致性生产。