空气雾化喷嘴在雾培中的应用，这些技巧你知道么？
雾培是一种相对较新的无土栽培技术，水分利用率高，可在有限的城市空间或非可耕地进行作物生产。空气雾化喷嘴具有雾滴大小可控、不容易堵塞等特点，为探明其用于喷雾栽培系统营养液喷雾的可行性，通过比较生菜、银叶菊在雾培与水培、基质培的生长表现，发现雾培显著促进根系生长和生物量积累，特别是根冠比显著提高，而地上部生长则有所受抑，主要原因是间歇喷雾容易造成根系水分、养分亏缺，进而植物以促进根系生长作为响应。因此，课题组认为雾培可优先考虑用于一些高价值根用作物的栽培。如用于生菜等收获地上部的作物，则应深入研究合适的压力、雾滴大小、喷雾频率等参数，以便栽培作物根系能持续有效得到水分、养分的供给。
引言
预计到2100年全球人口将达到110亿，包括雾培、水培和鱼菜共生等技术在内的无土栽培被认为是为养活如此膨大人口，以更少资源生产更多产品的农业创新策略之一。雾培是营养液在一个密闭的空间以雾状持续不断地直接提供给根系，是一项很有前景的无土栽培技术。因雾培能够为植物根系创造良好的通气环境，植物可以长得很好。雾培甚至可以通过供气系统实现根区空气组成的控制。垂直式的雾培系统结合根区环境（温度、CO2等）调控可以实现在空间有限的城市更高效地利用土地进行蔬菜生产供应。雾培也是太空探索中建立各种栽培参数全面可控的生命支持系统的一个很好选择。
雾培的商业应用规模不如其他水培方式，雾培更广泛的应用是在实验室的植物生理学研究中。尽管如此，雾培在生菜、黄瓜、甜瓜和番茄等很多蔬菜作物，以及香料植物、马铃薯和花卉等都有栽培应用的报道。雾培也被证明有可能用于接种丛枝菌根真菌的树苗（Acaciamangium）生产。雾培因良好的根系通气环境，有利于木本榕属植物（Ficus）和草本植物菊花(Chrysanthemum)的扦插生根以及根系的后续生长发育。
众多的研究结果都清晰表明雾培可以促进植物生长，归功于雾培是把植物根系完全悬挂于空气中，根系充分接触空气中的氧气，根际通气状况得到最佳的优化。雾滴的大小和喷雾频率是影响根系有效获取水分、养分和氧气的关键因素。雾滴过大会导致植物根系氧气供应减少，而雾滴过细则可能产生过多根毛但却不能发育成足以保证持续增长的侧根系统。雾滴的形成和尺寸通常可以分为3大类：常规喷雾喷嘴，通常雾滴大于100μm(喷雾，spray)；高压喷雾系统，雾滴1~100μm（迷雾，fog）；超声波系统，雾滴尺寸1~35μm，通常小于10μm(弥雾，mist)。最常用的是利用压力泵将营养液通过喷嘴喷出，在栽培箱内形成细雾。超声波雾化被用于离体快繁中的无菌雾培系统。
空气雾化喷嘴，即二相流雾化，使用压力喷雾装置或者使用虹吸喷雾装置经压缩空气撞击雾化进行气水混合雾化，需要一个液压泵和一个空气压缩机，雾滴直径可达到10μm以下，雾滴在到达叶片或地面前即蒸发，作为温室降温效果出色。这种小于10μm的雾滴不会湿润表面，因此被称为干雾（dry-fog），主要用于电子工业、印刷行业等的除尘、去静电等，在农业上应用不多。日本神户大学彦坂（Hikosaka）等人用平均雾滴尺寸8.85μm的空气雾化喷嘴进行干雾栽培试验，在长方形栽培箱的喷嘴另外一端安装一个循环风扇以使雾滴与根系充分接触，结果发现，与DFT相比干雾培生菜产量和品质都没有受到影响，但干雾栽培促进了根系生长及根毛形成；进一步研究发现喷雾流量小的时候根系生长增加，但叶片生长量减少。因此，在喷雾栽培中，喷嘴流量、雾滴大小和喷雾频率等均会影响雾培作物的生长，是值得深入研究的内容。课题组在试验中采用了喷雾系统公司J系列空气雾化喷嘴，这种喷嘴通过独立的空气管和水管压力调节系统可以调节营养液流量、雾滴大小、喷雾角度和覆盖范围等，还具备自动清洗装置。本次研究为保证根系接触到足够的营养液，将雾滴大小设定为50μm，而不是小于10μm的干雾。课题组通过栽培生菜、银叶菊，分析空气雾化喷嘴在雾培系统中应用的可能性。
材料与方法
栽培系统设置
试验在一个长24m，宽12.8m，中间无立柱的大跨度小型文洛型玻璃温室内进行，温室配备内外遮阳、湿帘风机系统和弥雾系统。雾培栽培室为泡沫板围成的A型密闭空间，底宽1.4m、高1.4m、长6m，两侧泡沫板覆盖夹角为75°（图1）。
图 1 泡沫板组成的 A 形喷雾栽培室
图 2 控制系统 1550
AutoJet® Modular Spray System
泡沫板上定植孔间距为20cm。每个栽培室的两端及中间支架上水平安装6个空气雾化喷嘴(型号AEROJSUMAX-6SS，斯普瑞喷雾系统有限公司提供，图2)。喷嘴的空气压力调节范围为0.7~4bar，液体流量调节范围为7.6~63L/h。安装1550AutoJet®ModularSpraySystem（斯普瑞喷雾系统有限公司，图3）用于检测和调节喷雾方式、流量、雾滴大小、水压和空气压力等。本次试验设定循环喷雾频率为喷20s，停30s。雾滴大小设定为50μm，营养液循环使用。系统整体示意图如图4。
图 3 雾化喷嘴安装位置及雾化效果
图 4 雾培系统组成示意图
NFT系统是由7层层叠式方形PVC栽培槽组成，槽宽10cm，深5cm，长6m，坡度1%，营养液由最上层交叉往下流动，栽培株距20cm。基质栽培则在46cm×40cm×18cm方形盆上进行，栽培株行距同样为20cm。栽培基质为泥炭和珍珠岩体积比1:1组成，每个盆放置3个滴头滴灌营养液。
栽培试验安排
试验主要进行2个生菜品种（嫩绿奶油和大速生）在雾培、NFT和基质培的生长比较，同时比较了银叶菊水培和气雾培效果，营养液为霍格兰阿侬配方。
结果分析
生菜在3种栽培方式的生长比较
2个生菜品种在雾培、NFT水培和基质培3种栽培方式中生菜差异显著。2个生菜品种在水培系统中地上部生长量明显比雾培和基质培要大，而雾培则促进生菜根系的生长，基质培生长量最低（图5）。
图 5 2 个生菜品种'大速生’和'奶油嫩绿’在雾培、水培和基质培生长 45 天后的植株大小对比
水培的2个品种生菜地上部鲜重和干重都几乎是雾培和基质培的2倍（表1），雾培和水培的生菜根鲜重均显著高于基质培，雾培的根干重显著高于水培和基质培。而三种栽培方式最显著的影响是根冠比，2个品种的生菜雾培时的根冠比都显著大于水培和基质培。
表 1 2 个生菜品种在 3 种栽培方式下生长比较
雾培和水培银叶菊的生长比较
雾培银叶菊地上部干重显著低于水培，根干重高于水培，雾培的植株根冠比更是超过水培的3倍（图6），雾培银叶菊的根长而粗（图7）。
图 6 水培和雾培银叶菊地上部、地下部干重和根冠比比较
图 7 水培和雾培银叶菊生长比较
讨论
在生菜和银叶菊的试验中，雾培相比水培和基质培，显著促进了根系的生长。2个品种的生菜及银叶菊在雾培时的根冠比均为水培的3倍左右，根的干重显著增加。雾培的植株总根长、根体积都显著提高，但与水培相比，雾培时根系的生长并没有促进地上部的生长，反而降低了。这可能是雾培所提供给根系的营养液量有限，喷雾时要考虑水泵、压缩机等机电设备的使用寿命，喷雾一段时间停一段时间，在不喷雾时很容易造成缺水胁迫，促进了根系的生长，抑制了地上部的生长；而水培的根系是一直浸泡于营养液中，水分、养分供给充足，有利于地上部生长。同时也观察到，雾培的根系根毛较水培明显增加。
香料植物缬草(ValerianaofficinalisL.)的栽培试验也发现雾培时叶面积和地上部生物量均比浮筏水培法和基质培系统低，作者认为是栽培箱内大量增加的根系影响了喷嘴的喷雾效果。雾培的番红花（crocussativus）根数也比水培和土壤栽培显著增加，但没有显著影响地上部的生长。喷嘴与根的距离越远，则根系接触雾滴的量就越受到限制，这导致养分、水分的吸收降低，植物因此被迫增加根系生物量和表面积来补偿。雾培目前难以做到不间断喷雾，雾滴和根系的接触也会因各种原因受到限制，雾培植物根系在水分、养分上的亏缺似乎难以避免，因此，通过研究控制雾滴的大小、喷雾的间歇时间等来尽量减少这种亏缺对植株地上部生长的影响显得很有必要；而空气喷雾喷嘴通过其控制系统可以方便准确地控制雾滴大小、间歇等参数，为此类研究提供了很大的便利性。
雾培这种可能由于水分胁迫或根系良好通气性促进生根的特点也可加以利用。与在土壤上进行扦插相比，雾培可以显著改善印度娃儿藤等3种濒危药用植物快繁时的不定根形成。在马铃薯微型种薯繁殖时，雾培的产量更高，且子薯尺寸更均匀；但马铃薯的生长会受到品种、养分供给、栽培周期、栽培密度等因素的影响。雾培植物比深水培植物有更高的根系活力。因此，如果雾培时植物能够获得稳定的养分和水分供给，植物的地上部应该可以长得更好。
然而，雾培更大的风险在于设备故障或停电对植物造成的不可逆伤害，因为雾培没有像基质培或水培那样的缓冲性能。该试验过程即出现过一次短时的故障，对生长造成一定的影响。因此，雾培设备和电力供应的可靠性是非常关键的非技术性因素。
结论
雾培由于根系氧气供应充足和水分亏缺等因素而促进了根系的生长，植株具有更高的根冠比。因此，雾培系统可以优先考虑应用于一些以收获根为主的作物栽培上，特别是高价值的药用植物。雾培用于生产根用作物时还有可能连续采收清洁的产品。空气雾化喷嘴如用于栽培生菜等收获地上部的作物雾培时，则需要更好地深入研究合适的压力、雾滴大小、喷雾频率等，确保作物根系能得到足够的水分和养分供给，以利于地上部生长。
作者：李谦盛、张雪、万敏 （上海应用技术大学生态学院)
李晓强 （上海结友农业科技有限公司)
唐斌 (斯普瑞喷雾系统（上海）有限公司)
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