無土栽培是在植物礦質營養研究的基礎上發展起來的新科學技術。它用化學溶液(營養液)培養植物，不需要自然土壤。
無土栽培簡史
人類對植物礦質營養的探索可以追溯到公元前600年亞裏士多德時代，但公認最早的關於植物礦質營養研究的科學報告是1600年貝爾金·揚·範·赫爾曼德發表的著名的柳樹實驗。19世紀中期(1842年)，威格曼和波爾斯洛夫首次用蒸餾水和鹽成功培育了植物，證明了溶於水的鹽是植物生長的必需物質。但這壹時期最傑出的代表應該算是範李比希(1803-1873)，他證明了植物中的碳來自空氣中的CO2，H和O來自NH3和NO3 -，其他礦物元素來自土壤環境。他的工作徹底否定了當時流行的腐殖質營養理論，確立了礦物營養理論的雛形，也是現代“營養耕作”理論的先驅。
1838年，德國科學家Slu wrangell確定植物生長發育需要15種營養元素。1859年，德國著名科學家薩克斯和克諾普建立了利用溶液培養植物礦質營養的方法，沿用至今。在此基礎上，逐漸演變發展成為今天無土栽培的實用科學技術。
1920營養液的配制是標準化的，但這些都是實驗室的實驗，沒有應用到生產中。1929年，美國加州大學教授W.F.Gericke利用營養液成功培育出壹個7.5米高的番茄，收獲果實14公斤，引起了極大的關註。被認為是無土栽培技術從實驗走向實用的開始。
從65438年到0935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。無土栽培首次發展到商業規模，最大面積達0.8公頃。與此同時，美國中西部發展了壹些沙培和礫石栽培的技術，水培技術很快就傳到了歐洲、印度和日本。Gericke教授還將無土栽培定義為“水培”(hydrar的意思是“水”，ponics的意思是“放置”)。
在第二次世界大戰期間，水培在生產中發揮了相當大的作用。在Gericke教授的指導下，泛美航空公司在太平洋中部荒蕪的威克島上種植蔬菜，利用無土栽培技術解決航班乘客和軍人的蔬菜新鮮問題。後來，英國農業部對水培產生了興趣。1945年，英國駐倫敦空軍開始在波斯灣的哈巴尼亞、伊拉克和巴林群島進行無土栽培，解決了從巴勒斯坦空運蔬菜吃的問題。以後，在圭亞那、西印度群島、中亞貧瘠的沙地，科威特石油公司等單位都用無土栽培為員工生產新鮮蔬菜。
由於世界無土栽培的不斷發展，國際無土栽培學會於9月在荷蘭成立，1955。當時只有壹個工作組，12個成員。到1980年召開第五屆國際無土栽培會議時，成員數量已經增長到300個，分布在45個國家。據不完全統計，目前世界上有130多個無土栽培研究機構。種植面積也在擴大。在新西蘭，50%的番茄都是無土栽培生產的。在意大利園藝生產中，無土栽培占20%。日本無土栽培生產的草莓、青椒、黃瓜和西紅柿分別占總產量的66%、52%、37%和27%，總面積達500公頃。荷蘭是無土栽培面積最大的國家，1986有2500公頃。目前，無土栽培技術已在全世界100多個國家得到應用和發展。
我國無土栽培技術的研究和應用起步較晚，但較為原始的無土栽培技術歷史悠久。生吃豆芽和水仙花的記載由來已久(最晚在宋代)，但更正規的科研和生產實驗已經進行了近十年。山東農業大學在1975開始用蛭石培育西瓜、黃瓜、西紅柿，全部成功。1987年，勝利油田延伸面積達到6000平方米。無土育苗技術在我國已得到廣泛應用。在北京市朝陽區，無土育苗的數量已占育苗總數的33.5%。1985年在河北省農業科學院蔬菜研究所召開全國會議，成立中國無土栽培課題組。1986、1987年舉辦過全國性的學術研討會，參加人數多達百人。1988年5月，中國首次出席在荷蘭舉行的國際無土栽培學會第七屆年會，並在會上發表論文，引起多國關註。
二、無土栽培的優勢
無土栽培之所以能在世界範圍內迅速發展，是因為這種新的栽培技術與常規土壤相比有很多優點。
(1)產量高，質量好
無土栽培能充分發揮作物的生產潛力，與土培相比，產量可提高幾倍或幾十倍，如4-4-1所示。
上表可見，土培不僅產量低，而且耗水量大。
北京農業大學園藝系在北京進行了秋季溫室黃瓜無土栽培試驗。從7月30日到9月14，歷時46天，水(營養液)總量21.7立方米。如果進行土培，46天至少澆水5-6次，需要50-60立方米的水。據統計，節水率為50-66.7%。節水效果非常明顯，是發展節水農業的有效措施之壹。
無土栽培既節水，又省肥。據壹般統計，土培養分損失率在50%左右。在我國農村，由於科學施肥技術含水量低，肥料利用率更低，只有30-40%，養分流失壹半以上。肥料在土壤中溶解並被植物吸收的過程非常復雜，不僅損失多，而且各種營養元素的損失也不同，很難保持土壤溶液中元素之間的平衡。無土栽培中，作物所需的各種營養元素都是人工配制成營養液，不僅不會流失，還能保持平衡。根據作物類型和同壹作物的不同生長階段，科學供給養分，作物生長健康，生長勢強，增產潛力能充分發揮。
(3)清潔衛生
無土栽培使用無機肥料，沒有臭味，不需要堆肥場地。土壤耕作施用有機肥，化肥分解發酵，產生臭味，汙染環境，還會使許多害蟲的卵滋生，危害農作物。無土栽培不存在這些問題。特別是室內種花，要求幹凈衛生。在壹些高檔酒店或賓館，過去使用有機花肥汙染環境，這是壹個很難解決的問題，無土花卉栽培將得到解決。
(4)省力，易於管理
無土栽培不需要中耕、挖土、除草等操作，省工省力。澆水和追肥同時解決，供液系統定時定量供應，管理非常方便。土培澆水時，逐個開、堵畦是壹項勞動密集型的操作，而無土栽培只需開關供液系統的閥門，大大降低了勞動強度。壹些發達國家已經進入微機控制時代，供液和營養液成分的控制完全由計算機控制，幾乎類似於工業化生產的方式。
(5)避開土壤中連作的障礙。
保護地栽培，土壤很少被自然雨水淋溶，水分和養分的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從下層向表層移動。多年來，土壤表層積累了大量的鹽分，對農作物有害。尤其是溫室栽培，壹旦建成，就不容易移動了。土壤鹽分積累，同壹種作物種植多年後，壹直是難以解決的問題，造成土壤養分平衡，連作障礙。不得已，只能用勞動密集型的“異鄉土”方法來解決。無土栽培尤其是水培的應用，從根本上解決了這個問題。土傳病害也是設施栽培的難點。土壤消毒不僅難度大，而且耗能多，成本可觀，消毒也很難徹底。如果使用消毒劑，缺乏高效藥物，消毒劑中有害成分的殘留有害健康，汙染環境。無土栽培是避免或從根本上消除土傳病害的有效方法。
(六)不受地域限制，充分利用空間
無土栽培使農作物完全脫離了土壤環境，從而擺脫了土地的束縛。耕地被認為是壹種有限的、最寶貴的、不可再生的自然資源，特別是對於壹些缺少耕地的地區和國家，無土栽培具有特殊的意義。無土栽培進入生物學領域後，地球上很多沙漠、荒地或難以耕種的地區都可以被無土栽培利用。例如，在中東和墨西哥，人們在海濱沙灘上建造了許多塑料大棚，結合海水淡化系統，利用無土栽培技術生產新鮮蔬菜，成為沙漠中的綠洲，為解決地球上許多貧瘠地區人民的生活困難帶來了福音。
此外，無土栽培不受空間限制，可以利用城市建築物的平屋頂種植蔬菜和花卉，無形中擴大了栽培面積。據1986衛星調查，北京有16000多畝平屋頂，如果充分利用，將帶來巨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，因此是壹種受控的農業生產方式。按量化指標耕作更大程度上有利於實現機械化和自動化，從而逐步走向工業化生產方式。目前奧地利、荷蘭、蘇聯、美國、日本都有水培“工廠”，是現代農業的標誌。中國航空工業進出口公司在1986引進了日本無土栽培設備，還成立了小型增水工廠，參觀學習的絡繹不絕，體現了人們對這項新技術的興趣。
三、無土栽培的種類和方法
無土栽培的方式方法有很多。不同國家和地區由於科技發展水平不同，當地資源條件不同，自然環境不同，無土栽培的類型和方法也不同。
目前常用的分類方法是基於作物根系的固定方法。壹般可分為無基質栽培和基質栽培兩大類(表4-4-3)。
(1)水培法
水培是指植物根系在沒有基質的情況下直接接觸營養液的栽培方式。最早的水培是將植物根系浸泡在營養液中生長，會導致缺氧，影響根系呼吸，甚至導致根系死亡。為了解決O2的供應問題，英國庫珀在1973中提出了壹種被稱為“營養膜技術”的水培方法。它的原理是讓壹層薄薄的營養液(0.5-1cm)在作物根部不斷循環，既保證了對作物水分和養分的持續供應，又為根部提供了新鮮的O2。NFT法可以大大簡化灌溉技術，不需要每天計算作物需水量，使營養元素得到均衡供應。根系與土壤隔離，可避免各種土傳病害，無需土壤消毒。
(2)霧(氣)文化
也稱為氣增或霧培。它將營養液壓縮成氣霧，直接噴灑在作物的根系上，根系懸浮在容器的空間內。通常用聚丙烯泡沫塑料板在壹定距離鉆孔，在孔內種植農作物。兩塊泡沫板傾斜成三角形形成壹個空間，供液管道穿過三角形空間噴灑在掛根上。壹般每隔2-3分鐘噴幾秒鐘，讓營養液循環使用，同時保證作物根系有充足的氧氣。但是這種方法的設備成本太高，需要消耗大量電能，沒有緩沖的余地。目前只限於科研應用，還沒有大規模生產。
(3)基質栽培
基質栽培是無土栽培中最常用的方法之壹。它將作物的根固定在有機或無機基質中，並通過滴灌或滴灌向作物提供營養液。栽培基質可裝在塑料袋中或撒在栽培溝或槽中。基質栽培的營養液是不循環的，稱為開路系統，通過營養液的循環可以避免疾病的傳播。
基質栽培緩沖能力強，水、養分、O2供應不矛盾，設備比水培、霧培簡單，甚至不需要動力，投資少，成本低，在生產中應用廣泛。從我國的現狀來看，基質栽培是最實用的方法。
在歐洲許多國家廣泛使用的巖棉是由60%輝綠巖、20%石灰石和20%焦炭混合，經1600℃高溫煆燒熔化，然後噴成直徑為0.005 mm的纖維，再經冷卻壓制成板狀或各種形狀。巖棉的優勢在於可以形成系列產品(巖棉塞、塊、板等。)，使用攜帶方便，消毒後可多次使用。但使用數年後無法再利用，廢棄的巖棉難以處理，在擁有巖棉種植面積最大的荷蘭已成為公害。所以現在日本有人提倡開發利用有機基質，可以變成土壤當肥料，不汙染環境。
四、無土栽培技術要點
無論采用什麽類型的無土栽培，都必須掌握幾個基本環節。無土栽培中，營養液必須溶於水，然後供給植物根部。在基質栽培中，營養液被倒入基質中，然後被作物根系吸收。所以需要了解水質、營養液、所用基質的理化性質。
(1)水質
水質與營養液的配制密切相關。水質標準的主要指標是電導率(EC)、pH值和有害物質含量是否超標。
電導率(EC)是溶液中鹽濃度的指標，通常用毫西門子(mS)表示。各種作物的耐鹽性不同，耐鹽性強(EC=10mS)的是甜菜、菠菜和甘藍。中度耐鹽(EC=4mS)，如黃瓜、蕓豆、甜椒。無土栽培對水質要求嚴格，尤其是水培。因為它不像土培那樣有緩沖能力，很多元素低於土培的允許濃度標準，否則會中毒。有些農田水可能不適合無土栽培。收集雨水進行無土栽培是壹個很好的方法。無土栽培水的pH值不能太高也不能太低，因為壹般作物對營養液pH值的要求應該是中性的。如果水本身pH值低，就要用酸或堿來調節，既浪費藥又費時。
(2)營養液
營養液是無土栽培的關鍵，不同的作物需要不同的營養液配方。目前國際上公布的公式很多，但都大同小異，因為最初的公式源於對土壤提取液化學成分的分析。營養液配方中，最大的區別是氮鉀比例。表4-4-4介紹了20世紀50年代至80年代不同科學家采用的公式，以供參考。
配制營養液要考慮化學試劑的純度和成本，生產中可以使用化肥降低成本。制備方法是先制備母液(原源)，再稀釋，可以節省容器，便於儲存。含鈣物質需要單獨放在容器裏。使用時將母液稀釋後與含鈣物質的稀釋液混合，盡量避免沈澱。測定後，營養液的pH值必須調整到適合作物生長的範圍，加水時要特別註意PH值的調整，以免中毒。
(3)基質的物理和化學性質
無土栽培用的基質有很多種，表4-4-3列出來供參考。根據基質的當地來源，可以因地制宜，選擇原料豐富易得、價格低廉、理化性能好的材料作為無土栽培的基質。無土栽培對基質的要求是:
1.具有壹定尺寸的固體物質。這將影響基體是否具有良好的物理性能。基質顆粒的大小會影響容量。孔隙度、空氣和水含量。按顆粒大小可分為五個等級，即:1mm；1-5毫米；5-10毫米；10-20mm；20-50 mm，可根據栽培作物的種類、根系生長特點和當地資源情況選擇。
2.它具有良好的物理性能。基質必須疏松、保水保肥、透氣。南京農業大學的吳誌興和其他研究人員認為，蔬菜作物的理想基質是粒徑為0.5-10 mm，總孔隙率>:55%，堆積密度為0.1-0.8g？Cm-3，風量25-30%，基質水氣比為1: 4。
3.化學性質穩定，不含有害成分，不改變營養液。基質的化學性質主要指以下幾個方面:
pH值:反應底物的PH值很重要。會影響營養液的pH值和成分變化。PH = 6-7被認為是理想的底物。
電導率(EC):反映離子化鹽溶液的濃度，直接影響營養液的組成和作物根系對各種元素的吸收。
緩沖能力:反映基質快速改變肥料pH值的緩沖能力，緩沖能力越強越好。
堿基置換:指pH = 7時測得的可置換陽離子的含量。壹般來說，有許多可替代的物質，如樹皮，鋸末和泥炭。蛭石在無機基質中有許多可替代物質，而在其他惰性基質中幾乎沒有可替代物質。
4.該基質需要容易獲得、可廣泛獲得並且價格低廉。浙江省農科院園藝研究所選擇南方農村廣泛存在的米糠灰(農村家庭聚餐使用的燃料廢渣)作為無土栽培基質栽培番茄，效果良好，成本大大降低。
無土栽培中，基質的作用是固定和支撐作物；吸附營養液；增強根系的滲透性。基質是非常重要的材料，直接關系到栽培的成敗。基質栽培必須根據以上幾個方面嚴格選擇。北京農業大學園藝系進行了1986-1987的實驗研究。黃瓜基質栽培過程中，營養液和基質之間存在顯著的相互作用，相互影響，相互補充。因此，水培營養液的配方，尤其是使用有機基質時，會受到基質本身的元素含量、取代度等因素的影響，從而改變配方的栽培效果。這是應該考慮的問題，不能生搬硬套。
(4)液體供應系統
無土栽培的供液方式有多種，包括NFT灌溉法、漫灌法、雙壁管灌溉系統、滴灌系統、虹吸法、噴霧法、人工灌溉等。總結起來，可以分為循環水(閉式系統)和非循環水(開式系統)兩大類。目前生產上廣泛采用營養液膜和滴灌。
1.營養液膜法(網)
(1)準備三個母液儲罐(罐)。壹個含有硝酸鈣母液，壹個含有其他營養成分的母液，另壹個含有磷酸或硝酸來調節營養液的pH值。
(2)儲液罐。儲存稀釋的營養液，從培養床的高端泵送溶液，並從低端回流。液體罐的大小與栽培面積有關。壹般1000平米要求儲液罐的容量為4-5噸。儲液罐的另壹個作用是回收從回流管道回流的營養液。
(3)過濾裝置。營養液的進水口和出水口都要求安裝過濾器，保證營養液幹凈，不會堵塞供液系統。
2.滴灌系統的灌溉方式
(1)準備兩個濃縮營養液罐儲存母液。壹個罐子裏有鈣，另壹個罐子裏有不含鈣的其他元素。
(2)濃酸罐。通過行業調節營養液的PH值。
(3)儲液罐。用於保存按要求稀釋的營養液。壹般面積在300-400平米，儲液罐容積為1-1.5噸。儲液罐的高度與供液距離有關。只要高於1米，就能提供30-40米的距離。如果使用泵送，液體儲罐的高度不受限制。甚至可以設置在地下。
(4)管道系統。用各種直徑的黑色塑料管代替白色，避免藻類滋生。
(5)滴頭。固定在作物根際附近的液體供應裝置通常與孔口發射器和線性毛管壹起使用。低壓供液系統中的孔板滴頭流量不均勻，但毛管相對均勻。但常見的問題是容易被堵塞，所以在儲液箱的進出口也必須安裝過濾器，過濾掉雜質。
動詞 （verb的縮寫）無土栽培的前景
歷史上，農業文明的標誌是人類對作物生長發育的幹預和控制程度。實踐證明，在常規土培條件下，控制作物地上部分的環境條件是容易的，而控制地下部分(控根)是困難的。無土栽培技術的出現，使人類獲得了精確控制作物生長的所有環境條件，包括無機營養條件的能力，從而使農業生產完全擺脫自然條件的束縛，完全按照人類的意願向自動化、機械化、工廠化生產發展成為可能。這將使農作物的產量增加幾倍、幾十倍甚至幾百倍。
從資源的角度看，耕地是極其寶貴的不可再生資源。由於無土栽培可以開發利用許多未開墾的土地，不可再生的耕地資源得到了擴大和補充，對於緩解和解決地球上日益嚴重的耕地問題具有深遠的意義。無土栽培不僅可以把地球上的許多沙漠變成綠洲，在不久的將來，海洋和太空也將成為開發利用的新領域。美國將無土栽培列為本世紀國家要發展的十大高科技交流會之壹。是太空植物栽培的研究報告，只能無土栽培。因此，無土栽培技術已經被許多科學家作為研究日本“宇宙農場”的有力手段，人們稱之為太空時代的農業也不再是壹個不可思議的問題。
水資源問題也是壹個日益威脅世界人類生存和發展的大問題。不僅在幹旱地區，在發達、人口密集的城市，水資源短缺問題也越來越突出。隨著人口的不斷增長，各種水資源被過度開發，壹些地區幾乎枯竭。因此，控制農業用水是節水措施之壹，無土栽培避免了大量水的滲漏和流失，使再生水資源難以得到補償。必將成為節水農業和旱區農業的必由之路。
誠然，無土栽培技術走向實用的過程中也存在很多問題。突出問題是成本高，壹次性投入大；同時也要求管理水平高，管理者必須具備壹定的科學知識，這不是哪裏都能做到的。
從理論上講，進壹步研究礦物質營養狀況的生理指標，減少管理中的盲目性，也是壹個亟待解決的問題。此外，無土栽培病蟲害的防治，基質和營養液的消毒，廢棄基質的處理等。，還需要進壹步的研究和解決。
無土栽培在我國剛剛起步，在生產中尤其是設施和供液系統工程本身還沒有得到廣泛應用，尚未形成專門的生產產業。由於各種因素的影響，栽培技術和農業工程技術不能協調同步，導致我國無土栽培技術的發展不如發達國家快。但是，隨著科技的發展和完善，更重要的是，這種新技術的固有優勢向人們展示了無限廣闊的發展前景。