立體栽培是植物工廠無土栽培的發(fā)展趨勢(shì)，立體栽培架是實(shí)現(xiàn)立體栽培的關(guān)鍵，立體栽培架有很多形式，所采用的栽培技術(shù)也有多種選擇，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，要根據(jù)不同的植物品種選擇不同的立體栽培架，綜合產(chǎn)量、成本、品質(zhì)、操作性等多種因素，科學(xué)選擇，以實(shí)現(xiàn)利益最大化。

1 無土栽培的栽培架

栽培架的形式，按種植槽的形式可分為槽培、袋培和盆式栽培，按種植槽空間排列形式又可分為平面栽培和立體栽培。
立體栽培又稱垂直栽培，這種栽培架的植物生長向空間發(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，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。

2.無土栽培立體栽培架的幾種形式

20世紀(jì)60年代，植物工廠無土栽培立體栽培模式首先在發(fā)達(dá)國家發(fā)展起來，美國、日本、西班牙、意大利等國研究開發(fā)了不同形式的無土栽培立體栽培架，如多層式、垂掛式、單元疊加式等。20世紀(jì)90年代，我國開始研究并推廣無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，且越來越多的農(nóng)業(yè)人員不斷借助其來提升和改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。
經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，我國植物工廠無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)式多層立體栽培架等多種形式。

2.1 平面多層立體栽培架

目前，平面多層立體栽培架普遍被以色列、美國、日本、中國等多個(gè)國家的絕大多數(shù)植物工廠采用。
平面多層立體栽培架的栽培技術(shù)只能采用水培技術(shù)，它的供液箱置于栽培架的底部，營養(yǎng)液由供液管道的上方注入平面栽培槽內(nèi)。這種栽培架每層都配有營養(yǎng)池、栽培板，又因栽培架縱向?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。在一些管理高度自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化的大型示范性植物工廠內(nèi)，栽培架可以向空間延伸更多層，達(dá)到10層甚至是更多層，如我國浙江大學(xué)的植物工廠已達(dá)到10 層，日本的LED 人工光植物工廠已提高到15 層，產(chǎn)量和效益得到很大提高，但是，其投入的自動(dòng)化、機(jī)械化設(shè)施費(fèi)用及損耗也高。

2.2 圓柱體立體栽培架

圓柱體立體栽培架的定植孔均勻的分布于圓柱體表面，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，植物根系不需要基質(zhì)，這種栽培架采用霧培技術(shù)，營養(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養(yǎng)，大大促進(jìn)了植物代謝功能的發(fā)揮，植物生長更快。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。

2.3 多面體立體栽培架

多面體立體栽培架是我國自主創(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)，使植物生長更快、成本更低、重量更輕，產(chǎn)量和效益將最大化。

2.4 幕墻式立體栽培架

幕墻式立體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)行植物栽培，其栽培技術(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。

2.5 垂掛式立體栽培架

垂掛式立體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，然后在栽培床上播種、灌溉、施肥，栽培技術(shù)采用基質(zhì)栽培，營養(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、病菌等對(duì)植物根系的污染和侵?jǐn)_；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)的管理者來說，應(yīng)用垂掛式立體栽培架，不僅擴(kuò)大植物生長空間、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)。

3 無土栽培應(yīng)用立體栽培架的特點(diǎn)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，無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。

4.無土栽培應(yīng)用立體栽培架的優(yōu)勢(shì)

我國植物工廠無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的需求。它的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)。
首先，充分利用各種光線促進(jìn)農(nóng)作物的生長，提高作物的生長速度。光線在農(nóng)作物的生長過程中起到十分重要的作用，合理安排每種作物的光照時(shí)間可以縮短生長周期。在土壤栽培種植過程中，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，通過豎立起來的柱形或者層架、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)，頂層垂掛式栽培陽生藤本作物，中間層架式通過人工補(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)。

5 無土栽培應(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，我國植物工廠無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)，沒有做深入地研究，專業(yè)性不強(qiáng)，不利于立體栽培的長遠(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。

20世紀(jì)70年代，我國開始研究無土栽培，相對(duì)于發(fā)達(dá)國家來說起步較晚，主要研究水稻無土育秧、蔬菜作物無土育苗。我國人均耕地面積遠(yuǎn)低于世界水平，且水資源貧乏，無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，我國無土栽培發(fā)展迅速，無土栽培的栽培面積、栽培形式和栽培技術(shù)都得到空前提高。發(fā)展至今，我國無土栽培已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化應(yīng)用。如由中科院和福建三安集團(tuán)聯(lián)合設(shè)計(jì)、創(chuàng)建的中科三安植物工廠采用全人工光多層立體栽培形式，實(shí)現(xiàn)了植物工廠無土立體栽培蔬菜的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；北京農(nóng)眾實(shí)業(yè)有限公司打造的農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠是世界上單體面積最大的全環(huán)控、立體態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)化的三層垂直植物工廠，實(shí)現(xiàn)了無土栽培高附加值經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)的量產(chǎn)化應(yīng)用。