立體栽培是無(wú)土栽培的發(fā)展趨勢(shì)，立體栽培架是實(shí)現(xiàn)立體栽培的關(guān)鍵。近年來(lái)，我國(guó)植物工廠大力提倡無(wú)土栽培立體栽培種植模式，因此，本文主要介紹無(wú)土栽培立體栽培架的幾種形式，分析無(wú)土栽培應(yīng)用立體栽培架的優(yōu)勢(shì)和不足。

20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)始研究無(wú)土栽培，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)起步較晚，主要研究水稻無(wú)土育秧、蔬菜作物無(wú)土育苗。我國(guó)人均耕地面積遠(yuǎn)低于世界水平，且水資源貧乏，無(wú)土栽培的栽培形式以立體栽培為主，栽培作物以蔬菜、花卉和水果為主，部分用于栽培中藥材。近幾年，我國(guó)無(wú)土栽培發(fā)展迅速，無(wú)土栽培的栽培面積、栽培形式和栽培技術(shù)都得到空前提高。發(fā)展至今，我國(guó)無(wú)土栽培已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化應(yīng)用。

一、無(wú)土栽培的栽培架

無(wú)土栽培架的形式，按無(wú)土栽培種植槽的形式可分為槽培、袋培和盆式栽培，按無(wú)土栽培種植槽空間排列形式又可分為平面栽培和立體栽培。

無(wú)土栽培--袋培

無(wú)土栽培--槽培

無(wú)土栽培立體栽培又稱垂直栽培，這種無(wú)土栽培架的植物生長(zhǎng)向空間發(fā)展，充分利用時(shí)間、空間和光照等多方面栽培條件，發(fā)揮有限地面的生產(chǎn)潛力，有效提高土地和光、熱、水、肥、氣等自然資源的利用率，切實(shí)做到地盡其力、物盡其用，建立良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)復(fù)合體，解決人多地少、糧食作物與其它經(jīng)濟(jì)作物爭(zhēng)地等矛盾，提高單位土地產(chǎn)出率，是一種實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、節(jié)能、環(huán)保的栽培種植形式。與平面栽培相比，立體栽培對(duì)土地的利用率達(dá)到4～8倍，無(wú)土栽培立體栽培的管理效率也遠(yuǎn)高于平面栽培，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化耕種。

二、無(wú)土栽培立體栽培架的幾種形式

20世紀(jì)60年代，植物工廠無(wú)土栽培立體栽培模式首先在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展起來(lái)，美國(guó)、日本、西班牙、意大利等國(guó)研究開(kāi)發(fā)了不同形式的無(wú)土栽培立體栽培架，如多層式、垂掛式、單元疊加式等。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始研究并推廣無(wú)土栽培立體栽培架和技術(shù)，目前這項(xiàng)技術(shù)已相當(dāng)成熟，并不斷地發(fā)展和提升，且越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)人員不斷借助其來(lái)提升和改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。

經(jīng)過(guò)多年的探索和發(fā)展，我國(guó)植物工廠無(wú)土栽培的立體栽培架經(jīng)歷了由平面多層向圓柱體、多面體轉(zhuǎn)變，已形成平面多層、圓柱體、多面體以及幕墻式、垂掛式、管道式、錯(cuò)層槽式、移動(dòng)式多層立體無(wú)土栽培架等多種形式。

1.平面多層立體無(wú)土栽培架

目前，平面多層立體無(wú)土栽培架普遍被以色列、美國(guó)、日本、中國(guó)等多個(gè)國(guó)家的絕大多數(shù)植物工廠采用。

平面多層立體無(wú)土栽培架的栽培技術(shù)只能采用水培技術(shù)，它的供液箱置于無(wú)土栽培架的底部，無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液由供液管道的上方注入平面栽培槽內(nèi)。這種無(wú)土栽培架每層都配有營(yíng)養(yǎng)池、栽培板，又因無(wú)土栽培架縱向?qū)訑?shù)的疊加，自然光照自上而下的遞減，所以無(wú)論用于自然光型植物工廠還是全人工光型植物工廠，都必須進(jìn)行人工補(bǔ)光。植物工廠的高度和空間有限，栽培作物的生長(zhǎng)需占用一定的高度和空間，再加上操作管理的制約，大多數(shù)情況下無(wú)土栽培架僅局限于3～4層，導(dǎo)致產(chǎn)量和效益只能在一定范圍內(nèi)提高。

2. 圓柱體立體無(wú)土栽培架

立柱式無(wú)土栽培

圓柱體立體無(wú)土栽培架的定植孔均勻的分布于圓柱體表面，無(wú)土栽培的植物定植在圓柱體表面的定植孔上，而根系裸露在圓柱體內(nèi)部，植物根系不需要無(wú)土栽培基質(zhì)，這種無(wú)土栽培栽培架采用霧培技術(shù)，營(yíng)養(yǎng)液霧化后的小顆粒直接噴射到植物根系表面，植物根系更易吸收水分和營(yíng)養(yǎng)，大大促進(jìn)了植物代謝功能的發(fā)揮，植物生長(zhǎng)更快。這種栽培架擴(kuò)大了立體栽培面積，是平面栽培的幾十倍，極大地提高植物工廠的利用率和產(chǎn)出率。

3.多面體立體無(wú)土栽培架

多面體立體無(wú)土栽培架是我國(guó)自主創(chuàng)新的栽培形式，與平面多層相比，其效果具有明顯優(yōu)勢(shì)。多面體立體無(wú)土栽培架提供多面栽培床栽培植物，其栽培技術(shù)采用霧培技術(shù)代替水培技術(shù)，每組栽培床共用一個(gè)營(yíng)養(yǎng)池，LED補(bǔ)光燈可以設(shè)置在栽培架頂部和側(cè)面，光照、肥料、空間利用率更高，實(shí)現(xiàn)水、肥、氣同補(bǔ)，使植物生長(zhǎng)更快、成本更低、重量更輕，產(chǎn)量和效益將最大化。

4.幕墻式立體無(wú)土栽培架

幕墻式立體無(wú)土栽培架是利用植物工廠的墻壁或由人工設(shè)計(jì)建設(shè)的幕墻作為栽培床進(jìn)行植物無(wú)土栽培，其無(wú)土栽培技術(shù)采用水培技術(shù)，其供液方式采用潮汐灌溉法，栽培床下設(shè)營(yíng)養(yǎng)池，栽培架頂部可安裝LED補(bǔ)光燈。相比于平面多層立體栽培架，幕墻式立體栽培架可根據(jù)幕墻的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單面或雙面種植，光照利用更充分、布局更合理、操作更方便、栽培面更大、產(chǎn)量更高。

5.垂掛式立體無(wú)土栽培架

垂掛式立體無(wú)土栽培架將植物栽培床垂掛于植物工廠頂部或懸置在離地面一定高度的固定支架上，然后在無(wú)土栽培床上播種、灌溉、施肥，栽培技術(shù)采用基質(zhì)無(wú)土栽培，無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液供給采用滴灌方式。其栽培床離地設(shè)置，可以避免地表塵土、昆蟲(chóng)、病菌等對(duì)植物根系的污染和侵?jǐn)_；無(wú)土栽培床離地的高度設(shè)置，既保證作物的垂蔓高度，又保證嫩枝蔓向上的生長(zhǎng)高度；不僅可確保植物藤蔓枝葉高效利用植物工廠內(nèi)部的光照資源，還簡(jiǎn)化了對(duì)植物藤蔓的管理作業(yè)工作，有利于植物的再生栽培，提高植物藤蔓的掛果率。對(duì)于從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理者來(lái)說(shuō)，應(yīng)用垂掛式立體栽培架，不僅擴(kuò)大植物生長(zhǎng)空間、提高種植產(chǎn)量、增加經(jīng)濟(jì)效益、降低成本，而且操作方便，既增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生活體驗(yàn)，又生態(tài)環(huán)保，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

6.管道式立體無(wú)土栽培架

無(wú)土栽培立體管道栽培

管道式立體無(wú)土栽培架的植物栽培床由若干根徑向設(shè)置的管道間隔排列組成，管道上開(kāi)設(shè)用于栽種的天窗，植物無(wú)土栽培床通過(guò)上水和回水管道與營(yíng)養(yǎng)池連通。無(wú)土栽培的植物定植在管道上開(kāi)設(shè)的天窗，栽培技術(shù)采用水培技術(shù)，無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液由自動(dòng)定時(shí)供水器定時(shí)定量送往植物栽培床，使植物部分根系浸入營(yíng)養(yǎng)液吸收營(yíng)養(yǎng)，滿足植物對(duì)水、氣、肥的需求。它可以根據(jù)不同的栽培空間做成不同造型的管道形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，管理又方便，有效利用栽培空間的同時(shí)，又達(dá)到降低成本、提高產(chǎn)量、增加效益的目的。

7.錯(cuò)層槽式立體無(wú)土栽培架

錯(cuò)層式無(wú)土栽培

錯(cuò)層槽式立體無(wú)土栽培架將植物定植于栽培槽內(nèi)，植株的密度由栽培槽的深度和寬度決定。錯(cuò)層槽式立體無(wú)土栽培架大多采用基質(zhì)無(wú)土栽培，槽底配有透氣漏水板和排水管件，用于透氣排水，保證植物良好的生長(zhǎng)環(huán)境。栽培架的錯(cuò)層設(shè)置確保植物高效利用植物工廠內(nèi)的空間光照資源，比通常的A型架具有更充分的光照條件。無(wú)土栽培架高低錯(cuò)位設(shè)置，既有效利用栽培面積、降低成本、增產(chǎn)增收，又可以起到變換勞作姿勢(shì)、減輕勞累感以及滿足不同身高的人群進(jìn)行操作管理的人性化需求。

8.移動(dòng)式多層立體無(wú)土栽培架

移動(dòng)式多層立體無(wú)土栽培架由栽培架、運(yùn)行軌道、營(yíng)養(yǎng)液池以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，利用空間縱向、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，保證每株植物獲得均勻的光照，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追光，使光照均勻，從而更加有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)，大大提升作物品質(zhì)。同時(shí)，結(jié)合供回液系統(tǒng)，每株植物都可以通過(guò)控制程序及控制器設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)定時(shí)、定點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)固定澆灌、定點(diǎn)采收，可節(jié)約一半以上的人工成本，同時(shí)栽培效率是其他栽培方式的三倍以上。植物工廠內(nèi)使用移動(dòng)式多層立體無(wú)土栽培架不僅實(shí)現(xiàn)多層立體栽培，又可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式無(wú)土栽培，還不必留出用于日常巡視和管理的通道，既增加無(wú)土栽培面積，提高空間利用率，又降低人工管理成本。

三、無(wú)土栽培應(yīng)用立體栽培架的特點(diǎn)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，無(wú)土栽培立體栽培形式將是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)種植的重點(diǎn)，在植物工廠的有限空間里，更趨向于利用立體栽培架進(jìn)行植物的栽培種植，其特點(diǎn)集中反映在四個(gè)方面。

一是“集約”，即集約生產(chǎn)，體現(xiàn)出資源、技術(shù)、勞力整體綜合效益，提高單位面積的物質(zhì)產(chǎn)量，緩解食物供需矛盾。

二是“高效”，即充分挖掘農(nóng)業(yè)和工業(yè)副產(chǎn)品、光照、水源等資源的潛力，緩解人地矛盾，緩解糧食與經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、水果等爭(zhēng)地的矛盾，提高資源利用率，同時(shí)提高人工輔助功能的利用率和利用效率。

三是“持續(xù)”，即減少有害物質(zhì)的殘留，提高農(nóng)業(yè)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，緩解對(duì)生存環(huán)境的壓力。

四是“安全”，即產(chǎn)品和環(huán)境安全，體現(xiàn)在利用多物種組合來(lái)避免種植污染和發(fā)展農(nóng)業(yè)，建立經(jīng)濟(jì)與環(huán)境融合觀。

四、無(wú)土栽培應(yīng)用立體栽培架的優(yōu)勢(shì)

我國(guó)植物工廠無(wú)土栽培利用立體栽培架主要進(jìn)行蔬菜、水果、花卉以及中草藥等作物的栽培種植，借助栽培床和栽培架管路裝備，利用栽培技術(shù)和環(huán)境控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物在立體栽培架上進(jìn)行生產(chǎn)，不斷提高產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。它的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)。

無(wú)土栽培植物工

首先，充分利用各種光線促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，提高作物的生長(zhǎng)速度。光線在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程中起到十分重要的作用，合理安排每種作物的光照時(shí)間可以縮短生長(zhǎng)周期。在土壤栽培種植過(guò)程中，人們不會(huì)對(duì)各種作物的光照時(shí)間以及利于作物生長(zhǎng)的光線進(jìn)行測(cè)定，各種作物在同一光線和相同光照時(shí)間光合作用后的產(chǎn)出物的產(chǎn)量和質(zhì)量是良莠不齊的。而利用立體栽培架種植的作物能夠根據(jù)每種作物的特性去確定利于作物生長(zhǎng)的光照時(shí)間和光線，在自然光照不足的情況下進(jìn)行人工補(bǔ)光，保證作物具有充足的光合作用時(shí)間，使作物可以跨季度周年生產(chǎn)。在這樣的環(huán)境中產(chǎn)出的作物，一定可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高質(zhì)量和一致性生產(chǎn)。

第二，提高栽培空間的利用率。由于利用自然光沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)多層立體種植，在植物工廠里，可增加人工補(bǔ)光，通過(guò)豎立起來(lái)的柱形或者層架、垂掛形式按垂直梯度分層栽培，向空間發(fā)展，充分利用栽培空間和空間光線，擴(kuò)大栽培面積，使作物的產(chǎn)量是平面栽培的十幾甚至幾十倍。

第三，可實(shí)現(xiàn)多元立體栽培作物。利用立體栽培架進(jìn)行多層種植，上層可以充分吸收自然光，中間層部分吸收自然光，底層幾乎完全吸收不到自然光。在植物工廠內(nèi)可以設(shè)立三層架式結(jié)構(gòu)，頂層垂掛式栽培陽(yáng)生藤本作物，中間層架式通過(guò)人工補(bǔ)光栽培葉菜，底層栽培耐陰作物，不僅可以擴(kuò)大栽培面積，還可以實(shí)現(xiàn)多元立體種植模式，實(shí)現(xiàn)栽培作物的多樣化。

第四，利用立體栽培架促使無(wú)土立體栽培種植

逐步向規(guī)范化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，具有技術(shù)含量高、效益高的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的種植技術(shù)相比，立體栽培種植的發(fā)展基礎(chǔ)是比較規(guī)范的，栽培架技術(shù)、栽培種植技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)和管理水平明顯提高。此外，由于立體栽培架種類繁多，作物的生長(zhǎng)特性決定了立體栽培架的規(guī)格，而每種栽培架都有與之相適應(yīng)的栽培技術(shù)配套使用，不同種作物的生長(zhǎng)特性差異性很大，因此用于栽培同種作物立體栽培架設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展能夠促使作物實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)，可以成為一些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐產(chǎn)業(yè)。

最后，利用立體栽培架進(jìn)行立體栽培種植不受自然環(huán)境制約，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效生產(chǎn)。當(dāng)季節(jié)變換或遭遇自然災(zāi)害，傳統(tǒng)種植模式的作物沒(méi)有季節(jié)轉(zhuǎn)換的適應(yīng)能力和抵抗災(zāi)害的能力，大量作物被破壞，造成不良社會(huì)影響和大量經(jīng)濟(jì)損失。而立體栽培的作物幾乎都種植在植物工廠內(nèi)，可以根據(jù)季節(jié)或自然環(huán)境的變化制定相應(yīng)的措施來(lái)應(yīng)對(duì)這些狀況，實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)高效生產(chǎn)。

五、無(wú)土栽培應(yīng)用立體栽培架的不足

由于立體栽培架不是單一存在的，需要其它設(shè)施的輔助，雖然目前，我國(guó)植物工廠無(wú)土栽培一直在推廣利用立體栽培架進(jìn)行立體栽培種植，但仍然存在一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是缺乏對(duì)作物立體栽培種植的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化的運(yùn)行機(jī)制。一些利用立體栽培架進(jìn)行栽培種植的地方，缺乏對(duì)立體栽培種植的正確認(rèn)識(shí)或認(rèn)識(shí)還比較淺顯，沒(méi)有看到背后的巨大商機(jī)，很難形成產(chǎn)業(yè)化的運(yùn)行機(jī)制。

二是未進(jìn)行大面積推廣。一部分人已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用立體栽培架，并已從中受益，但是他們只局限于眼前利益，對(duì)立體栽培架和立體栽培技術(shù)仍停留在較淺顯的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有做深入地研究，專業(yè)性不強(qiáng)，不利于立體栽培的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

三是不具備普遍適用性。在設(shè)計(jì)和制作栽培架時(shí)，建造者需要考慮栽培空間的大小和其用于栽培什么品種的作物，栽培空間的大小和栽培作物的品種，直接影響到設(shè)計(jì)栽培架的規(guī)格參數(shù)。一旦確定了栽培架，那么與之相匹配的栽培技術(shù)也就確定了。因此，一種規(guī)格的栽培架基本上與栽培作物只能一一對(duì)應(yīng)，不能物盡其用。

四是投入的成本高，包括初裝成本、設(shè)施成本、環(huán)境控制成本。特別是對(duì)于全人工光植物工廠立體栽培架，一些輔助設(shè)施如人工光、營(yíng)養(yǎng)設(shè)備、環(huán)境控制系統(tǒng)等設(shè)施的成本都很高，并且運(yùn)行和維護(hù)成本也很高，再加上光源、環(huán)境控制系統(tǒng)等能耗偏高，對(duì)于一些要求低成本低投入的種植戶來(lái)說(shuō)，只能望其興嘆。