设施农业中植物营养的概念
设施农业中植物营养的概念
在植物生长过程中，植物的根系与根际溶液（RS, Root Solution）直接接触，因此其营养需求的供给直接取决于根际环境中的养分状态，无论作物是生长在土壤还是无土系统中。在土壤栽培中，根际环境的养分状态取决于土壤养分储备量及其释放到土壤溶液中的速率，因此不易因作物的养分吸收和施肥措施而快速改变。然而在无土栽培中，由于每株植物的根系体积有限，养分储备量较小。因此，在无土栽培中，根际溶液中的养分组成可能在短时间内出现明显的波动。为了确保无土栽培作物的最佳营养供应，营养液（NS, Nutrient Solution）的组成应被视为一个可频繁变化的变量，其主要目标是维持根际环境中的目标养分状态。因此，无土栽培作物中高效营养管理系统的主要目标应是通过适当调整施肥措施来保持根际的最佳养分状态。换句话说，根际的养分状态是战略目标，而施肥提供的外部养分供应量是战术手段，可在栽培期间进行调整以实现战略目标。将此概念应用于无土栽培时，意味着对于每种作物都需要使用供应溶液（SS, Supplied Solution）（也称为工作液/进液）作为工具来维持根际溶液中的目标养分组成。然而，供应溶液的组成可在需要时进行修改，以实现根际的目标组成。这一概念最早由荷兰科学家提出（Sonneveld and Straver; de Kreij et al.; Sonneveld and Voogt），并被称为"荷兰营养推荐系统"，这是温室生产中最早商业化应用的成熟推荐体系；时至今日，该体系仍然指导着很多地区的温室生产。在温室栽培中，从开放系统向循环无土栽培系统（CLS, Closed-loop System）的转变支持了农业向循环经济的过渡，因为它大幅减少了水、能源和肥料的投入。此外，在CLS中栽培消除了通常在土壤栽培和开放无土栽培园艺作物中因施肥废液（排液）排放而发生的NO₃⁻和P排放。在CLS中，施肥废液被收集并循环利用，从而避免了水资源与环境的污染。在开放无土栽培中，约有30-35%的营养液被排放到环境中。为了支持种植者向CLS转变，开发了一系列新算法，以在排液（DS, Drainage Solution）被循环利用时准确计算营养液配方，从而协调植物的养分供应与养分吸收。供应至无土栽培系统的养分一般通过被植物吸收或排液从根际环境中移除。如果通过这两条路径从系统中移除的养分低于或高于供应量，多余的或缺失的养分将分别在根际累积或耗尽。因此，为了保持根际的最佳养分水平（战略目标），养分供应应与植物吸收和排水两条路径的养分移除量相匹配。排水输出可通过适当调整排水比例来控制。然而，养分吸收量需要进行估算。先前的研究表明，在受控温室条件下，对于根际标准养分状态，养分与水的吸收速率（在国际文献中通常称为"吸收浓度"）在相对较窄的范围内波动。因此，它们可以作为植物养分吸收的可靠估计值。特定作物种类平均吸收浓度的实验测定是估算该作物供应溶液中最佳养分浓度的两个组成部分之一。第二个组成部分是确定根际溶液（根际溶液）中营养液的最佳组成，通常与排水液的组成非常相似。特别是在循环无土栽培中，吸收浓度直接作为添加溶液（AS）应用，即新配制的营养液与排水液混合以制备供应溶液。上述涉及开放和循环无土栽培作物营养液供应的参数及相关术语在图1中进行了示意性概述。图1. 开放和循环（封闭）无土栽培系统中营养液配制过程的示意图以及所涉及不同参数的术语说明。- 肥料：水溶性肥料的液体母液，用于向营养液中添加养分；
- 植物吸收浓度（UC, Plant Uptake Concentrations）：各养分与植物吸收水量之间的比率；
- 排水液（DS, Drainage solution）：每次灌溉事件后从根际排出的营养液；
- 供应溶液（SS, Supplied solution）：最终供应给作物的营养液，在开放无土栽培系统中是新鲜配制的营养液（水与肥料混合），而在循环系统中则是养分、水和排水液的混合物；
- 根际溶液（RS, Root solution）：与植物根系直接接触的营养液；
- 添加溶液（AS, Added solution）：在循环系统中配制供应溶液时，与净养分输入和净水输入（不包括排水液输入）比率相等的营养液。
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