气雾栽培
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2019年3月12日 作者:xwz2367609 [返回]
引领垂直农业的主导技术---气雾栽培(2)

第三节、植物的气雾培生理

气雾栽培技术以及利用它所构建的蔬菜工业,为什么如此的诱人与令生产科研者为之兴奋,为之投入,关键在于它具有能使植物生长潜能最大化发挥的优势,能使单位面积产量数倍提高的发展空间。以下就其为什么生长快速的角度进行综合的剖析,将从生理、原理上得以证明。

一、环境是基因表达的先决条件,是农业技术的关键

农业生产技术从某种角度来说就是环境技术,包括气候环境及水份营养氧气环境,其中气候环境的不同,形成了适于各种气候生境的植物,它们在形态特征,生理生化上也表现出相适于这种气候与环境的生态表现型,所以地球上形成了千千万万种不同种类与类型的植物,其中环境是影响进化与物种形成的决定性因素。那么同一物种在不同的环境下是不是也会有不同的表现与特征,甚至是生理之变化呢?这方面在研究植物的生态适应性上已得到了充分的证明。植物器官的形成以及某些代谢的进行都会因环境而变化,这也是植物具有高度自协调自适应自组织行为的表现。人们遵循着它的适应性变化,以及环境对植物生长的影响,创造出各种各样的农耕方法与技术,让植物生长往最有利于人类需求或生产要求的方向发展,这就是农业技术的作用。如农业生产上最简单的中耕与除草,就是为了给作物创造疏松的土壤环境,让根系处于氧气充分的土壤中生长,同时除去杂草可以减少草对作物的水肥的竞争,让植物获到更多的水份与营养。增施有机肥的作用除了给植物提供生长所需的营养外,还可以培殖土壤微生物生态群落,让土壤在微生物及有机腐殖质的作用下形成良好的团粒结构,从而优化了根系的生物环境、化学环境、物理环境,让根系处于肥水气都较为充足的环境下,从而促进了作物的生长。适时的施肥灌水制度是为了及时为栽培作物提供阶段发育所需的各种营养与水份。设施大棚等保护地模式种植,主要是为了给作物创造最适合的温光气热环境,也是一种人工环境技术。所以从某种角度来说农业生产技术就是通过综合环境因子的改良,达到促进作物生长与发育的目的,为人类提供更多更优质的农产品。不管是哪种技术的革新,它都是围绕环境优化而展开,如无土的营养液栽培技术,主要是优化植物根域的肥水气环境,让蔬菜植物生长于透气性更好的基质中或者水份及肥的获到更直接的营养液中,通过这些改进而使其有更高于土壤栽培的生长速度与生物量。那么气雾栽培也是一样,它也是通过对根域环境因子的综合控制而达到促进生长提高产量的目持。所以说环境是基因型表现与表达的前提,只有优化环境方可以让优良品种的种性得以充分表现,而且一些在平常土壤环境未能表现的基因,在人工优化的环境下也可以得以体现。环境是基因表达的动力,不管是外环境的温光气热,还是根域环境的氧气水份与营养都成为影响植物生长的主要因子,而且它的变化都会直接影响到表现型。比如水环境可以让适合于水生的基因启动,让它来适应淹水或者高湿的水环境,如是生长于干旱的情况下,又可以使叶片变厚,蜡质更多,根系更深更发达,形成了适于干旱条件的形态特征与发育表现,还会影响到各种生理生化与代谢。如淹水环境促成了乙烯物质形成,干旱使体内脱落酸含量骤升,从而又导致生长受抑,气孔关闭,甚至休眠等现象产生。同样的基因型品种,不同的环境下,它表达的基因,以及表达的充分完全程度都是不同的,而且许多植物都存在着两套性状相对的基因,具体生长过程中哪些基因表达,哪些关闭则由环境所决定,所以植物对环境也存在着较广的适应性,也叫做生态适应性。蔬菜植物生长于基质或陆地与生长于水中或气雾中,它们表达与表现的性状都是有所不同的,而且都自组织的形成最有利于环境的性状表现,这也是自然进化的基础,也是植物生存的一种本能调节。

二、环境的优化是植物潜能激发的关键

在同一个地区,在相同的气候环境或人工模拟环境下,植物生长速度的快慢主要是由根域环境的优化与否所决定,在蔬菜作物的栽培过程中虽然可以利用设施大棚的技术进行环境的调控,给蔬菜作物的生长创造适合的温度、湿度、光照、二氧化碳等,但这些环境的最适化调节往往需要消耗大量的资源与能量,或者需要配套各种设备与设施,这些措施虽然也成为当前设施栽培的主要管理因子,但它对作物提高生长的潜能也存在着一定的局限性。所以环境的创造人们开始原本仅仅以地上环境创造为主开始转向地下根域环境的研究,在传统耕作情况下,常因土壤因子的复杂性而未能进行各项影响因子的最优化研究,只能作些简单的措施,如加强肥培管理,加强土壤的耕作与墒情管理,但终究因土壤环境的复杂性而未能达到最优化的程度。究其土壤的功能,主要有以下作用,一是支撑固定作用、二是提供肥水与土壤间隙氧气作用,三是微生物生存的场所,四是对各项因子的缓冲作用。针对这些作用机理,进行生长要素分析,培育微生物充足,而且物理透气保湿性良好,肥水适宜的土壤环境就成为农业生产土肥水管理的关键,它成为作物丰产的基础。而现代环境技术完全可以按照植物生长对肥水气的要求创造更优于土壤的环境,而且是更易于调控的环境,这样就为植物潜能开发实现更加快速的生长创造了更为有利的根域环境。

气雾栽培是让植物的根系悬长于充满液雾的空气中,同样能为根系创造水肥气环境,而且各项因子都可以得到最大化的供给,不像土壤或基质栽培,各种因子间的交叉影响较大,难以实现每个因子的最优化,比如说,土壤中水份多了,土壤间隙的空气就受挤外排,氧气的供给就少了,如果土壤空隙大又会影响水份的保持,就像沙漠又会造成蓄水差易干旱,肥也同样受到水份的影响,当施下去的肥没有水份的稀释常会烧苗,如果水份过多的冲刷又造成渗漏与浪费,所以说各因子的相互影响成为调控优化的难点。近年,虽然也演生出较多的新型栽培模式与灌溉施肥技术,比如有机基质无土栽培、岩棉培、沙培、珍珠岩培等新技术,可以使基质的透气性与保水性都能满足,但根系对肥水的吸收总归还存在着间接的需要移动的吸收或者根系必须在基质中进行穿透伸展地吸收,未能达到直接与高效利用的目的,这就是无土基质培尚存的不足。而水培则可以改变吸收的间接性,可以让根系直接接触营养液进行直接的高效利用与吸收,但问题又会出现,那就是水中的溶氧不能达到最优化,氧气是根呼吸转化能量摄取水与营养的关键,当氧气不足时,根系吸收效率就会大大降低,尽管是泡渍于营养液中也会出现因缺氧而造成的生长抑制与缺素,严重的还会出现烂根,所以水培技术大多以围绕增氧技术而进行设计,如何让水中溶氧提高人们设计了多种模式,有循环增氧有曝气增氧还有气液混合增氧等,这些不仅增加了设施与设备,而且在高温情况下常常又达不到良好的效果,无疑又增加了降温致冷的投入。水培是近年国内外发展较快的技术,它以根系直接吸收营养与水份的优势而体现出较高的生产效率,通常比土壤栽培提高1.5-2倍的生长速率,可是它的营养液管理投入与温度调控投入成本与能源较大,也影响到它的普及与运用。在人们不懈的探索研究试验下,构思了一种新型的技术,哪就是气雾培技术,这种技术可以完全遏制上述的一些抑制因素,可以同时让水肥气温都达到最优化的环境,而且是最节能成本最低的投入与运作。

那么,植物在气雾环境下,有哪些生长潜能的激发与表现呢?首先气雾环境最大的特点就是让根系处于氧气最为充足的环境中,可以最大化地发挥根系的有氧代谢过程,对根系吸收营养与水份提供了最大化的转换之能量,从而加快根系对水份的吸收与营养摄取,一些平常难以吸收或效率较低的元素在气雾的富氧环境下也可以加强与提高,所以气雾栽培的营养液要求也相对比水培要低,甚至许多植物还可以利用废液进行栽培,说明它具有更高的吸收效率。根系吸收水份与营养的速度加快后自然就促进了地上部份的发育与生长,一般土壤栽培只有50%的氧气供给量,而透气良好的无土基质培也只有70%,而气雾栽培可以达到90%以上的氧气供给量,所以它能最大化地发挥吸收代谢之功能。如果说人工基质培是优化了透气富氧环境使作物生长加快,那水培就是优化了水与肥环境,使肥水的吸收更直接,气雾培则优化了水肥气三者的全面环境,由此可见从根域环境优化来说,气雾培是三者皆能兼顾的栽培技术,而且三因子间不会像土壤种植那样会出现相互的交叉影响。在气雾的环境下,除了吸收效率加快促进生长外,还有就是它的根系发育与伸展是在没有任何阻力的情况下进行,所以不需要在土壤中栽培那般,因根系的穿行而消耗大量的生物能,能节省更多的能量与物质参予到地上部份的生长。而且许多在常规下不能表达发育的根原基细胞,在水肥气最适的环境下也能发育成为根系,而且这种根系基本上是具有吸收功能的须根根系,也叫不定根根系,所以气雾栽培在根的数量与生物量上都比其它任何一种栽培模式来得多,并且大多是具有发达根毛的气生根根系,它有吸收效率是普通根系的数倍,这也是气雾培的生长速度至少比土壤栽培要高3-5倍的主要原因吧。根深叶茂,发达的根系是作物蔬菜丰产的根本与关键。特别是叶菜类,随着吸收代谢的加快,其生物量的形成绝大多数是经济产量,明显比土壤栽培表现了更大的优势,比如生长季节缩短,周年栽培的批数增加,叶片变得更加硕大,水份含量更高,培育的蔬菜品种,营养成份及维生素含量都将大大提高。如果是瓜果类还可以实现高糖度的栽培,特别是番茄,采用气雾培后可以生产出糖度高达9以上的水果型番茄,比常规栽培高一倍以上,如果进行大容器的单株栽培,可以实现单株结果上万个,产量几百甚至上千斤的高产大树,用于观光农业特显风采。这些生长速度的加快与品质的改善都是根域环境优化激发它吸收功能增进与代谢加快的结果,它没有从基因上改变,只是表现型与表达的充分程度或者一些常规不能表达的冗余基因得以发挥的结果,所以说是植物生长潜能的激发,而不是基因性状的更改,是栽培技术优化的结果,并没有导致种性的改变,在保持原有品质的基础上更能使特性充分发挥。

三、气雾环境下植物表现的特有生理与形态特征

气雾栽培让植物的生长潜能得以最大化发挥,这种超常规发育或者生长都是基于气雾环境下蔬菜植物生理生化形态变异或变化的结果,以下就气雾环境下生理生态等的改变作些简要的介绍:

1、   根构型的变化:根系的构型形成及变化都是与栽培环境有关的,也表现出明显生态适应性。首先因气雾环境不像土壤环境那样根系需要克服基质的阻力摩擦而形成机械组织的根系,而且土栽植物为了让根系延伸至更远更深的地方汲取水份及营养,它的根系发育形成了以多级分枝的主根根系或侧根根系,通过渐级分枝把末端的吸收根送向远方,以获取更多的水份营养空间,所以土壤中生长的植物其主根与侧根发育往往较发达,而且后期会明显的木栓化或木质化,构建成发达的机械化组织,以适应土壤特有的物理机械环境。而气雾培中的根系,基本上没有主根与侧根根系的发育,不管木本还是草本,大多是以植株的基部根源基为根系的发端,形成了如须状的不定根根系,而且不定根根系的数量极多,大多以基生为主,到后期随着初生根的老化会形成简单的分叉,但这分叉方式也是在初次根长形成大量不定根的方式进行发育,一些种子播种具有主根的品种,也是大量不定根的方式进行根的构型(如图)。为什么会形成不定根根系为主的根构型呢?其实这也是生态适应性的表现,根系在气雾环境中,不需克服土壤的阻力,也不需通过根系的渐级输送获取水与养分,根系于湿雾中可以最直接最有效最快速地获取,只要增加基生根数量提高根系表面积可以达到吸收更多水份与营养的目的,所以植物的自组织行为选择了须根根构的方式,为自已创造最佳的生理与形态基础,这就是高效直接的不定根根系。这种根系在气雾环境下,表现为洁白柔嫩,因为它是以薄壁细胞为主所构成的组织,如果环境温度适合,可以较长的时间保持富有活力的洁白状态,这是根系活力的像征,在土壤中常因各种外界不适因子的影响根系较易老化氧化与褐化,所以通常有色素沉积使陆生根有着较深的色泽。气雾环境为根系创造了毫无阻遏的环境,根系的发育均匀洁白整齐,这些根具有极高的吸收效率,也具有最大化的吸收表面积,特别是不定根末端形成的根毛根,绒绒得像纤毛(如图),这种根呼吸作用强,是一种吸收效率极高的根系,特别是采用超声波雾化供液时,这种类型的根就特别的发达,所以超声波雾化培通常比常规的喷雾栽培又有更高的效率与更快的生长。以优化根系环境,培育发达而有活力的气生根根系是雾培管理的关键,只有在适合的人造生态环境下,才能形成气根毛根发达而且洁白的根系,这是植株生长潜能得以激发的关键,在生产上只要观察根系的根构及类型与发达程度就可以断定生长是否良好。要使根构型更趋气生根的特性,很重要的一个方面,就是雾化的雾滴大小有关,当雾化程度好雾液细小时,气生根长就会形成大量由根皮细胞发育而成的毛根,这种根表面只极大,能发挥最佳的吸收功能。如果雾没大,雾液中氧气少,形成的根系大多有很大部份为水生根系,少有毛根特征,生长自然也稍慢,雾滴越细,液雾所含的氧气就越充足,就利于毛根的发育,有利于高效率根构型的形成。所以气雾培技术中雾化系统的设计是关键,是根域环境优化的最重要技术。

2、   器官形态的变化:除了根构型及形态变化以外,其它的枝叶花果同样也会发生变化,这是生理变化在形态上的具体表现。在蔬菜栽培中常因外界因子的不良影响,而使许多已经完成分裂的细胞,未能充分的膨大与伸长,所以在生物产量的形成上就受到影响。特别是瓜果类,许多瓜果当它完成第一膨大高峰期时,它的细胞数量就基本已确定,而它最终的大小则由每个细胞及液泡的发育所决定。气雾培的环境下能为细胞的继续发育提供最充足的水份与营养,这是它生产出果型大而均匀产品的关键。所以在气雾环境下栽培的瓜果,一般发育均匀少有大小果,这除了水份充足外,气雾栽培的植株因为根系的高效吸收与快速运输,少有营养水份胁迫现象之发生,所以每个果实所获的水与营养就得以保障,于是形成的果实大小也较均匀。蔬菜瓜果的主要组成就是以水为主的产品,它的含水量达90以上,栽培管理过程中水份是不是充足是至关重要,在土壤耕作中水份的尺度难以把握,水多则气少会淹了作物,水少气多但又会旱害,在前面已经述及到土壤栽培的局限性,而气雾中可以让水与气都达到最充分的供给,这是它导致器官变异的关键。叶与花器也然,通过多年的研究与生产表明,特别是叶菜类品种,有些可以达到超过土壤栽培数倍的叶型,这对于生产叶菜是至关重要的,其增加的部份包括细胞的伸长与膨大以及液泡的充分吸水。蔬菜植物生长在矿质营养及水份最大化供应的前提下,不会出现水与肥的胁迫,所以在快速生长期不会因环境影响而抑制细胞与器官的发育,在培育南瓜王时,可达到惊人的膨胀速度,一株结5个瓜的巨型南瓜品种,在快速膨大期平均每个瓜日增重可达10斤以上,这种快速生长机制必须建立在没有水份胁迫的前提下。另外,番茄王气雾培也同样表现出快速的生长模式,对番加生长量测定,在番茄整个生长期中,平均每天日伸展速度可达70-80cm/日。蕃薯的种植也同样表现出地下根茎的超常速发挥,一株气雾的蕃薯可达20-30平方的枝蔓占地面积,收获的薯块产量可达100-200公斤/株。就是常规极为普通的空气菜,采用桶式气雾培,单株占地也可达20平方米以上。以上这些营养器官的快速形成主要源于充足的肥水气条件,除了生物量的快速积累转换外,其枝叶的形态特性也发生了明显变化,如南瓜叶,在气雾环境下达叶径50cm以上,如荷叶般的大小,叶柄也可长达50cm以上,在野生蔬菜败酱的栽培中,它的叶片大小可以达到土壤自然生长的3-5倍以上,常规的青菜也然,都有明显增大的趋势,而且发育的时间大大缩短,如叶菜类大多数可以缩短1/3-1/2时间,这对于栽培来说,就可以大大提高设施利用率与生产周转率,也可以大大降低成本,比如生菜在气雾环境下可以实现足月生产,也就是每个月可以出产一批。叶型的变大,及茎节间的伸长,形成了特有的气雾蔬菜特点,如果是果实类,色泽会更加鲜艳,糖度积累更多口味更好,这些都与植株的活力增强有关,在气雾环境下,各种代谢加强,与色泽有关的花青素形成也加快,所以果实更艳丽,同样,气雾栽培在没有任何根域环境的胁迫下,少有环境胁迫的产生,光合效率一直处于高效状态,能为果实甜度的积累提供更多的碳水化合物,所以能使口味大大改善,另外,栽培果实类植物时,采用气雾栽培,可以在临近成熟期对根域水份进行控制,达到增进糖度的目的,而土壤栽培较难实现,虽然也进行了控水管理,但因土壤的缓冲性,植株的应答速度较慢,而气雾培可以轻松地实现,日本国就是利用气雾培的原理进行了大面积高糖度水果番茄的栽培。采用气雾栽培技术,可以让植株巨大化,可以让营养及生殖器官发育巨大化,可以培育出基因没有改变的超常规巨型植物。在气雾环境下,甘蔗可达6米多高,水稻可达2米,网纹甜菜瓜最多可对80多个瓜,西红柿可达万果的产量,小黄瓜单株可结3000多根,巨型南瓜可单株结5瓜,每个都可达200斤以上(如图)。而且采用气雾培后,因植株的巨大化发育,又会使常规瓜果蔬菜的根茎木质化,特别是南瓜番茄黄瓜辣椒之类的,所以利用气雾培技术可以栽培出各种蔬菜树,对观光农业来说更具利用观赏价值。而且在气雾环境下一些平常不会表现的特性也有可能会得以体现,比如不定芽的形成,以及返祖发育的产生,这些都与代谢的旺盛的关,如番茄叶采用气雾培后不仅叶片硕大,而且受伤的叶片上极易诱导不定芽继尔形成小苗,在毛竹气雾培时,会要气生根上形成类似于水稻禾苗一样的特异返祖苗,甚至还地出现较多的叶上花、与花上叶现象,这些奇异性与环境优化后,原本一些常规难以启到或表达的基因在特别适合的环境下就会表达显现。气雾培是利用气雾根系庞大高效的吸收能力为植株的器官发育形态构建提供最大化的水份营养,从而使各器官的发育表现为超常规,这对于提高产量与质量来说极为重要,它的增产效应远远大于良种选育的增产效率。所以说,生产上选择气雾培淋漓尽致地发挥品种潜在的基因特性,比一味地追求品种选育更显的重要,在基因型不变的情况下,可以培育出超常规的产量与质量。

3、   环境应答速度加快:气雾栽培在没有任何基质缓冲的空气中生长,再加上它高效快速的吸收功能,使植株对环境的应答反应变得灵敏,这对于生长来说有利也有弊。首先气雾栽培的根构为不定状的须根根系为主,它对肥水的吸收就如高速公路般的直接快速,不会如土壤栽培陆生根的远距离逐级输送吸收,而是在少有分枝的根构模式下快速吸收,于是吸收过程中所耗的生物能量也比陆生栽培要少得多,这也是它生长更为快速的主要原因,快速的吸收与代谢同时也导致它快速应答环境因子生理机制的形成。外界温光气热肥水等因子的刺激都会产生信号激素,而这种信号激素的传递也同样比土壤栽培要来得快速,所以它具有快速应答环境变化而作出自我生理调节的本能。这种快速传送网络的形成,是它潜能发挥最大化的关键所在,同时也是它具有快速反应生理的原因所在。比如土壤遇旱,首先由根系产生大量的脱落酸,脱落酸会随着径流进入植株的其它器官与枝叶,叶片气孔在脱落酸信号的作用下,很快就会作出关闭气孔或调节开度的反应,这种反应对于胁迫环境下的适应是非常重要的,可以免招不利气候或环境因子对蔬菜植物造成的不利影响。人们可以利用快速应答机理开发生理传感器,并可直接用于环境的控制,大多生理传感器都是用于实验室的研究,在生产上的应用常因反馈的不同步性而未能采用。而气雾栽培的植物在受到环境胁迫时很快就会在生理及形态上作出相对应的反应,比如利用它对水分快速应答特性,可以利用微位移传感器或者激光传感器(分辨率2μm),通过茎径或叶片厚度的微小变化来控制弥雾的频率,达到按照作物生长生理或者生产需求来控制的目的,这种控制比基于环境专家系统的控制更为准确,特别是在瓜果类栽培时,需要进行后期的制水管理,利用它就可以达到精准控制的目的。控制时通常以目标值作为线性参数,以实测值作为回归反馈参数,以两者的偏差值来调控喷雾的量与频率,比单一的以温度及光照为参量的控制更为精确,番茄的生长也会更快,比如9叶期的番茄一般以0.25mm/日的速度作为目标值,再按照一天中不同气候所测的不同茎径的变化进行反馈控制,实现因生长生理需要的最佳值进行调控,更符合番茄生长的生理要求,是一种较为精确的控制方法。在实际的运用中,计算机系统可以按照前期生长速度的记录值进行推理运算,智能化地确定某阶段植物生长的最适目标值,尔后再按日标值进行调控,达到因生理变化而进行的精确控制的目的,这是日后环境控制的趋势,因生理变化而进行的控制才是最适合最科学的控制,这在土壤栽培上相对较难实现,就是因为对环境应答速度较慢的原因。那么其它因子的控制如光照、湿度、二氧化碳等,其实也可以根据该原理进行控制的开发。气雾栽培的快速应答机制还可以运用于研究,比如营养的胁迫,它也同样存在快速应答的机制,可以让人们快速地准确地进行营养代谢的研究,再加上气雾的闭锁循环,没有任何营养源的外渗与损失,对于精确化地研究植物营养来说是一种较好的科研工具。其它的高温寒冷干旱等胁迫的研究,也同样具有更快速的反应与更准确的测定,所以气雾栽培常常作为研究植物生理的实验室工具与最为科学的方法。

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