水耕栽培

水耕栽培（Hydroponics），简称为水培，是一种不使用土壤种植植物的技术，只透过水携带供植物生长所需的营养成分，或是兼使用支撑植物根部的材质，例如：珍珠岩、砾石、木质纤维、砂粒、泡棉。由于不需用土壤，故又称无土栽培。

目前，蕃茄和茄子，诸如茄科蔬菜，菠菜和莴苣，如软蔬菜，甜瓜和草莓果实特定的水果和蔬菜，如这样的玫瑰，如花卉是已经在许多情况下被使用的方法。

## 优点

- 无土壤的需求，因此可以摆脱传统农业所必需的农田地面。
- 水停留在系统中重复使用，因此降低水的成本。
- 可控制整体生产的营养等级，因此相对于传统的种植方式，其单位营养成本较低。
- 在可控制的水耕系统中，不会使灌溉排放肥料去污染环境。
- 稳定的收产与高经济价值。

## 基材

基材也称为基质，是指在无土栽培中所用取代土壤，固定根系的物质。在无土栽培中，因固定根系的需要，常用沙、砾等固体物质作为基质。基质需要具备良好的透气性和透水性能，以保证根系的正常生长。

水耕农民必须做出的最明显的决定之一是他们应该使用哪种基材。不同的基材适合不同的种植技术。

### 膨胀粘土骨料（炼石）

烘焙粘土颗粒适用于水耕系统，其中所有营养素都在水溶液中小心控制。粘土颗粒是惰性的，pH中性，不含任何营养价值。

将粘土制成圆形颗粒，并在1200°C中在回转窑中烧制。这使得粘土像“爆米花”一样膨胀，变得多孔。它重量轻，并且不会随着时间的推移而紧凑。根据品牌和制造工艺，单个颗粒的形状可以是不规则的或均匀的。制造商认为膨胀粘土是一种生态可持续和可重复使用的生长介质，因为它具有清洁和消毒的能力，通常使用白醋、氯漂白剂或过氧化氢溶液中洗涤，并完全冲洗。

另一种观点认为，在作物显示出这种增长后，炼石最好不要重复使用，即使它们被清洁，因为根部生长可能会穿进基材。

### 生长石

生长石（Growstones）由玻璃废料制成，比珍珠岩和泥炭具有更多的空气和水保留空间。这种骨料比煮熟的稻壳保存更多的水。生长石按体积计由0.5至5％碳酸钙组成。以一包5.1公斤包装为例，生长石内含约25.8至258克的碳酸钙，剩余的均为钠钙玻璃。

### 椰子纤维

椰子纤维，椰子纤维是从椰子的最外层（垫子）中除去纤维后的剩余材料。椰子纤维是一种100％纯天然生长和开花培养基。椰子纤维被木霉菌定植，保护根和刺激根生长。由于其完美的空气、水比例，植物根系在这种环境中茁壮成长，因此过度浇水椰壳极其困难。椰子纤维具有较高的离子交换能力，这意味着它可以储存未使用的矿物质，以便在需要时将其释放到植物中。椰子纤维有多种形式，最常见的是椰子泥炭，它具有土壤的外观和质地，但不含矿物质。

### 稻壳

稻壳是农业副产品否则几乎没有使用。但是它们会随着时间的推移而腐烂，方便排水，甚至比生长石保留更少的水。

### 珍珠岩

珍珠岩是一种火山岩，已经过度加热成非常轻质的膨胀玻璃鹅卵石。它是松散的或浸在水中的塑料套管使用。它还用于灌封土壤混合物以降低土壤密度。珍珠岩具有类似的性质并且用于蛭石但是，通常，保持更多的空气和更少的水并且是浮力的。

### 蛭石

像珍珠岩一样，蛭石是一种过热的矿物，直到它变成浅卵石。蛭石比珍珠岩含有更多的水，并具有天然的“芯吸”特性，可以在被动的水耕系统中吸取水分和养分。如果植物根部周围有太多水和空气不足，则可以通过混合增加量的珍珠岩逐渐降低基材的保水能力。

### 浮石

与珍珠岩一样，浮石是一种轻质，开采的火山岩，可用于水耕。

### 沙

沙子价格便宜且容易买到。但是它很重，不能很好的保留水分。

### 砾石

水族箱中使用的相同类型，但可以使用任何小砾石，只要先将其清洗干净即可。实际上，在典型的传统砾石过滤床中生长的植物，使用电动动力泵循环的水，实际上是使用砾石水栽法生长的。砾石便宜，易于保持清洁，排水良好，不会淹水。然而，它也很重，并且，如果系统不提供连续的水，植物根部可能会变干。

### 木质纤维

木纤维，由木材经过化学处理、机械法加工得到产生，是用于水栽法的非常有效的有机基质。它的优点是它可以保持很长时间的结构。自早期水耕研究就开始使用。

### 羊毛

羊毛是一种很少使用但很有前景的可再生生长基材。在一项比较羊毛与泥炭板、椰子纤维板、珍珠岩和岩棉板生长黄瓜植物的研究中，羊毛的空气容量增加了70％，随着使用量减少了43％，水容量增加了23％。使用率为％至44％。使用绵羊毛导致测试底物的产量最高，而施用由腐殖酸，乳酸和枯草芽孢杆菌组成的生物刺激剂提高了所有底物的产量。

### 岩棉

岩棉是水耕中使用最广泛的介质。岩棉是一种惰性基质，适用于运行废物和再循环系统。岩棉由熔融岩石，玄武岩或“炉渣”制成，纺成单束纤维束，并粘合到能够产生毛细管作用的介质中，实际上可以防止大多数常见的微生物降解。岩棉通常仅用于幼苗阶段，或者用于新移植的植物，可以在植物基础上保留其寿命。

岩棉具有许多优点和一些缺点。优点包括其作为商业水耕基质的已证实的效率和有效性。缺点处理时可能造成皮肤上的刺激。

岩棉产品可以设计成容纳大量的水和空气，有助于根和水栽的根系生长和养分吸收，它们的纤维性质也提供了良好的机械结构，使植物保持稳定。

岩棉的天然高pH使它们最初不适合植物生长，需要搭配具有适当稳定pH的羊毛。

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- 膨胀的陶粒

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- 稻壳

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- 珍珠岩

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- 蛭石

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- 浮石

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- 沙子

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- 砾石

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- 木毛

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- 羊毛

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- 岩棉

## 营养液

### 无机水耕溶液

水溶液的配方是植物营养学的应用，其营养缺乏症状与传统农业土壤科学中发现的相反。然而，水耕溶液的潜在化学性质可以通过许多重要方式与土壤养分不同。重要的区别包括：

- 与土壤不同，水培营养液不具有粘土颗粒或有机物的阳离子交换能力（CEC）。没有CEC意味着pH和营养物浓度在水培装置中的变化可能比在土壤中更快。
- 植物对营养素的选择性吸收常常使溶液中抗衡离子的量不平衡。这种不平衡会迅速影响溶液的pH值和植物吸收相似离子电荷的营养物质的能力（见文章膜电位）。例如，硝酸盐阴离子通常被植物迅速消耗以形成蛋白质，在溶液中留下过量的阳离子。这种阳离子不平衡可导致其他阳离子基营养素的缺乏症状（例如镁2+），即使这些营养素的理想量溶解在溶液中也是如此。
- 取决于pH或水污染物的存在，诸如铁的营养物可能从溶液中沉淀而变得不能用于植物。于此通常需要对pH，缓冲溶液和螯合剂的使用进行常规调整。

与传统农业一样，应调整营养素以满足每种特定植物品种的 莱比锡最少量律。然而，通常可接受的营养液浓度存在，大多数植物的最小和最大浓度范围有些相似。大多数营养液混合浓度为1,000至2,500 ppm。各个营养离子的可接受浓度（包括总ppm数字）总结在下表中。对于必需营养素，低于这些范围的浓度通常会导致营养素缺乏，而超过这些范围会导致植物出现毒害症状。植物品种的最佳营养浓度可通过经验或植物组织试验找到。

元素｜角色｜低范围（ppm）｜高范围（ppm）｜常见的来源｜注解

氮｜必需的常量营养素｜100｜1000｜硝酸钾、硝酸铵、硝酸钙、硝酸、硫酸铵和磷酸氢二铵｜铵干扰钙摄取，如果用作主要氮源，可能对植物有毒有时建议使用3：1比例的硝酸盐与铵有时建议在氮气吸收期间平衡pH值。

钾｜必需的常量营养素｜100｜400｜硝酸钾、硫酸钾、氯化钾、氢氧化钾、碳酸钾、磷酸氢二钾和硅酸钾｜高浓度会干扰铁、锰和锌的功能。锌缺乏通常是最明显的。

磷｜必需的常量营养素｜30｜100｜磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、磷酸和磷酸二氢钙｜过量硝酸盐倾向于抑制磷酸盐吸收。铁与磷酸盐的比例可影响共沉淀反应。

钙｜必需的常量营养素｜200｜500｜硝酸钙、磷酸二氢钙、硫酸钙和氯化钙｜过量的钙会抑制 Mg2+ 的摄取。

镁｜必需的常量营养素｜50｜100｜硫酸镁和氯化镁｜由于竞争性吸收，不应超过钙的浓度。

硫｜必需的常量营养素｜50｜1000｜硫酸镁、硫酸钾、硫酸钙、硫酸、硫酸铵、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁和硫酸锰｜不像大多数营养物，植物可以容忍高浓度的硫酸盐，根据需要选择性地吸收营养素。然而，不受欢迎的相对离子效果仍然适用。

铁｜必需的常量营养素｜2｜5｜螯合铁、氯化铁和硫酸亚铁｜pH值高于6.5会大大降低铁的溶解度，通常会添加螯合剂（例如：DTPA、柠檬酸或EDTA）使铁在更大pH范围内的溶解度上升。

锌｜必需的常量营养素｜0.05｜1｜硫酸锌｜过量的锌对植物具有高毒性，但对低浓度植物至关重要。

铜｜必需的常量营养素｜0.01｜1｜硫酸铜｜植物对铜的敏感性变化很大。对于某些植物，0.1 ppm的浓度就有毒性；而许多植物的浓度高达0.5 ppm通常被认为是理想的。

锰｜必需的常量营养素｜0.5｜1｜硫酸锰和氯化锰｜可帮忙提高摄取高浓度的磷。

硼｜必需的常量营养素｜0.3｜10｜硼酸和硼砂｜必需的营养素，然而，一些植物对硼高度敏感。（毒性作用在0.5ppm的是在柑橘树木相当明显）。

钼｜必需的常量营养素｜0.001｜0.05｜仲钼酸铵和钼酸钠｜硝酸盐还原酶的一种成分，根瘤菌为固氮所需。

镍｜必需的常量营养素｜0.057｜1.5｜硫酸镍和碳酸镍｜对许多植物至关重要，（例如：豆类和一些粮食作物）。也用于尿素酶。

氯｜可变微量营养素｜0｜变化很大｜氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化钠｜可以干扰某些植物中的硝酸盐摄取，但在某些植物中可能是有益的（例如在5ppm的芦笋中）。针叶树，蕨类植物和苔藓植物缺的最多。

铝｜可变微量营养素｜0｜10｜硫酸铝｜某些植物（如豌豆、玉米、向日葵和谷物）必不可少。Can be toxic to some plants below 10 ppm.Sometimes used to produce flower pigments .(例如：绣球花).

硅｜可变微量营养素｜0｜140｜硅酸钾、硅酸钠和硅酸｜存在于大多数丰富的谷类作物，草和树皮植物当中。有证据表明硅酸盐提高植物抗病性存在。

钛｜可变微量营养素｜0｜5｜钛酸｜可能是必不可少的，但少量的钛普遍存在，以至于它的添加很少得到保证。在一些作物5ppm的生长效果的影响是显著的（例如：凤梨和豌豆）。

钴｜非必需的微量营养素｜0｜0.1｜硫酸钴｜根瘤菌所需，对豆科植物根瘤结瘤很重要。

钠｜非必需的微量营养素｜0｜变化很大｜硅酸钠、硫酸钠、氯化钠、碳酸氢钠和氢氧化钠｜在一些植物功能中，钠可以部分取代钾，但钾仍然是必需的营养素。

钒｜非必需的微量营养素｜0｜追踪，未定｜硫酸氧钒｜有利于根瘤菌固氮作用。

锂｜非必需的微量营养素｜0｜未确定｜硫酸锂、氯化锂和氢氧化锂｜锂可以增加一些植物（例如马铃薯和辣椒植物）的叶绿素含量。

### 有机水耕溶液

有机肥可用于补充或完全替代常规水培溶液中使用的无机化合物。然而，使用有机肥料引入了许多难以解决的挑战。例子包括：

- 有机肥料的营养成分变化很大。甚至类似的材料也可以根据其来源而显著不同（例如粪肥的质量根据动物的饮食而变化）。
- 有机肥料通常来自动物副产品，使得药物传播成为人类消费或动物饲料生长的植物的严重问题。
- 有机肥通常是颗粒状的，会堵塞基质或其他生长设备。通常需要对有机材料进行筛分或研磨成细粉尘。
- 一些有机物质（即特别是粪便和内脏）经过生物降解后容易散发严重恶臭。

然而，如果采取预防措施，有机肥料可以成功地用于水栽法。

#### 有机来源的常量营养素

合适的材料的实例，其平均营养含量以干燥质量百分比表示，列于下表中。

有机材料｜氮肥｜磷肥｜钾肥｜钙｜镁｜硫｜注解

干血粉｜13.0%｜2.0%｜1.0%｜0.5%

骨灰｜35.0%｜46.0%｜1.0%｜0.5%

生骨粉｜4.0%｜22.5%｜33.0%｜0.5%｜0.5%

蹄 / 牛角｜14.0%｜1.0%｜2.5%｜2.0%

鱼粉｜9.5%｜7.0%｜0.5%

废羊毛｜3.5%｜0.5%｜2.0%｜0.5%

草木灰｜2.0%｜5.0%｜33.0%｜3.5%｜1.0%

棉籽灰｜5.5%｜27.0%｜9.5%｜5.0%｜2.5%

棉籽粕｜7.0%｜3.0%｜2.0%｜0.5%｜0.5%

干燥的蝗虫或蚱蜢｜10.0%｜1.5%｜0.5%｜0.5%

皮革废料｜5.5% to 22%｜研磨成细尘。

海藻肥｜1%｜12%｜提供商业产品。

家禽粪｜2% to 5%｜2.5% to 3%｜1.3% to 3%｜4.0%｜1.0%｜2.0%｜液体堆肥，过筛除去固体并检查病原体。

羊粪｜2.0%｜1.5%｜3.0%｜4.0%｜2.0%｜1.5%｜与家禽粪便相同。

山羊粪｜1.5%｜1.5%｜3.0%｜2.0%｜与家禽粪便相同。

马粪｜3% to 6%｜1.5%｜2% to 5%｜1.5%｜1.0%｜0.5%｜与家禽粪便相同。

牛粪｜2.0%｜1.5%｜2.0%｜4.0%｜1.1%｜0.5%｜与家禽粪便相同。

蝙蝠粪｜8.0%｜40%｜29%｜微量｜微量｜微量｜微量营养素含量高。Commercially available.

海鸟粪｜13%｜8%｜20%｜微量｜微量｜微量｜微量营养素含量高。商业上可用。

#### 有机来源的微量营养素

微量营养素也可以来自有机肥料。例如：堆肥针叶树皮锰含量高，有时用于满足水耕溶液中的矿物质需求。

### 添加剂

除螯合铁外，还可加入腐植酸以增加营养摄取。

### 工具

#### 常用设备

将营养浓度和pH值管理在可接受的范围内对于成功的水耕园艺至关重要。

用于管理水耕解决方案的常用工具包括：

- 电导率仪：一种通过测量溶液传输电流的程度来估算营养素ppm的工具。
- pH计：一种利用电流确定溶液中氢离子浓度的工具。
- 石蕊试纸：一次性pH指示剂剥离，通过颜色变化确定氢离子浓度化学反应。
- 量筒或量匙用于测量预混合的商业水培溶液。

#### 先进的设备

先进的设备也可用于执行营养液的准确化学分析。例子包括：:

- 天平用于准确测量材料。
- 实验室玻璃器皿，如滴定管和移液器，用于进行滴定。
- 比色计 (化学)适用于比尔-朗伯定律的溶液测试。

使用先进的水耕溶液设备对任何背景的种植者都有益，因为营养液通常是可重复使用的。因为营养液几乎从未完全耗尽，并且永远不应该由于不可接受的低渗透压造成的，旧的解决方案用新营养素重新强化可以节省种植者的钱并且可以控制点源污染。

#### 软件

虽然预先混合的浓缩营养液通常由水培爱好者和小型商业种植者从商业营养品制造商处购买，但是存在若干工具来帮助任何人在没有广泛的化学知识的情况下制备他们自己的解决方案。

水耕营养配方计算器可以通过简单的JavaScript界面使用。

### 混合解决方案

通常使用个人混合溶液培养液对于业余爱好者或小规模商业种植者来说是不切实际的，因为商业产品可以合理的价格获得。

这些产品通常作为三部分配方购买，强调某些营养作用。

例如，营养生长（即高氮），开花（即高钾和磷）和微量营养素溶液（即微量矿物质）的溶液很受欢迎。这些多部分肥料的时间和应用应与植物的生长阶段相吻合。例如，在一年生植物 生物生命周期结束时，应限制植物高氮肥。在大多数植物中，氮限制抑制营养生长并有助于诱导开花。

## 在太空中水耕空间

### 太空植物

1960年，植物首次在两个不同的任务Sputnik 4和Discoverer 17进入地球轨道。在前项任务中，将小麦，豌豆，玉米，洋葱种子运送到太空中，后者的任务是将蛋白核小球藻细胞带入轨道。后来在各种孟加拉、中国和苏联联合任务下进行植物实验，包括生物卫星II（生物卫星方案）、天空实验室3号、天空实验室4号、阿波罗-联盟测试计划、史普尼克1号、东方计划和探测器号。

一些最早的研究结果显示了低重力对根和枝条取向的影响。随后的研究继续研究了低重力对植物的生物，细胞和亚细胞水平的影响。在有机体水平上，例如松果、燕麦、绿豆、莴苣、豆科、水芹、拟南芥等多种物种在低重力作用下表现出幼苗，根和苗的生长减少，而莴苣在宇宙上种植显示出空间增长的相反效应。矿物摄入似乎也受到在太空生长的植物的影响。例如：在太空中生长的豌豆表现出磷和钾的水平增加，并且二价阳离子钙，镁，锰，锌和铁的含量降低。

### 在太空中生物防治

1996年，美国太空总署（NASA）赞助斯通纳公司研究的天然液体生物防治技术，被称为ODC（有机疾病控制），可以启动植物生长而不需要农药作为控制闭环培养系统中病原体的手段。

到1997年，斯通纳的生物控制实验由美国航空航天局进行。BioServe Space Technologies的GAP技术（微型生长室）将ODC解决方案交付给豆类种子。

美国太空总署的实验登上和平号太空站和航天飞机证实，当在一个封闭的环境，适用于豆类ODC增加引起的发芽率，发芽较好，增加生长和天然植物疾病机制。ODC现在是农药标准 - 自由气培生长和有机农业。ODC符合有机农场的USDA NOP标准。

### 航天飞机

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摘要：研究目的是确定和展示各种重力环境中高效植物生长的技术。

例如，一个低重力环境，带来了有效把水和其他营养物质带入植物的问题，影响废水回收。空间低重力环境中的食品生产提供了进一步的挑战，例如尽可能减少用水量，处理水量和系统重量。月球或火星等行星体上的食物生产也需要处理低重力 由于这些各种重力环境对流体动力学的影响，养分输送系统一直是植物生长系统优化的重点。

## 外部链接

- Controlled Environment Agriculture Center, University of Arizona
- Barak, P. 2002. Essential Elements for Plant Growth: Hydroponics.
- Jensen, M.H. 1997. Hydroponics. HortScience 32
- Hydroponics as a Hobby: Growing Plants Without Soil. University of Illinois, Circular 844
- Utah State University Hydroponics
- Cornell University Commercial Hydroponic Lettuce, Spinach and Pak Choi Grower's Handbooks
- Hydroponics and Soilless Cultures on Artificial Substrates as an Alternative to Methyl Bromide Soil Fumigation