无土栽培营养液的配方组成

 营养液配方组成和浓度控制是无土栽培生产中的重要技术环节。它不仅直接影响到作物的生长，而且也涉及到经济而有效地利用养分的问题。尽管目前无土栽培所用的营养液配方繁多，而且有许多配方是经过多年实践证明是很好的配方，但是还是要很好地掌握营养液的配方组成和浓度控制这一基本的技术，以便根据当地的种植作物、水源、肥源和气候条件等具体情况而进行有针对性的配方组成和浓度的调整，这对于灵活掌握和提高无土栽培技术，推动这一技术水平迈向一个新台阶，将是十分重要的。

一、营养液配方组成的原则
    一种均衡的营养液配方其组成要遵循以下的一些原则：
    1、配方中必须含有植物生长所需的所有营养元素：营养液是无土栽培植物矿质营养的主要来源，在某些基质栽培中除了基质供应少量的营养之外，其营养来源主要是营养液提供的；而在水培中更是唯一的营养来源(除了少量由水源带来的营养物质之外)。现已明确的植物必需的16种营养元素中，除了碳、氢和氧这三种营养元素是由空气和水提供的之外，其余的氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、锌、铜、钼、硼和氯这13种营养元素是由矿质营养来提供的。有些微量元素由于植物的需要量很微小，在水源、固体基质或肥料中已含有植物所需的数量，因此有时也不再另外加入。
    2、营养液配方中的各种化合物都必须是植物可以吸收的形态，也即这些化合物在水中要有较好的溶解性，同时能够被植物有效地吸收利用。一般选用的化合物大多为无机盐类。只有少数为增加某些元素有效性而加入的络合剂是有机物。某些营养液配方也选用一些其它的有机化合物，例如用酰胺态氮尿素作为氮源。不能被植物直接吸收利用的有机肥不宜作为营养液的肥源。
    3、营养液配方中的各种营养元素的数量和比例应是适宜植物正常生长所要求的，而且是生理均衡的，可保证各种营养元素有效的充分发挥和植物吸收的平衡。在进行营养液配方组配时，一般在保证植物必需营养元素品种齐全的前提下，所用的肥料种类应尽可能地少，以防止化合物带入植物不需要或过剩的伴随离子或其它杂质。
    4、营养液配方中的各种化合物在种植过程中应在营养液中较长时间地保持其有效性。不会由于营养液中空气的氧化、根系的吸收以及离子间的相互作用而使其有效性在短时间内降低。
    5、营养液配方中的各种化合物的总浓度(盐分浓度)应是适宜植物正常生长要求的。不会由于浓度太低而产生植物的缺肥，也不会由于浓度太高而产生对植物的盐害。
6、营养液配方中的所有化合物在植物生长过程中由于根系的选择吸收而表现出来的营养液总体生理酸碱反应是较为平稳的。在一个营养液配方中可能有某些化合物表现出生理酸性或生理碱性，有时甚至其生理酸碱性表现得较强，但作为一个营养液配方中所有化合物的总体表现出来的生理酸碱性应比较平稳。
二、营养液配方实例
    在一定体积溶液中规定含有某些化合物种类和数量称为营养液配方。例如在一升的营养液中含有硝酸钙590mg，硝酸钾404mg，磷酸二氢钾136mg，硫酸镁246mg，硫酸亚铁13.9mg，乙二胺四乙酸二钠18.6 mg，硼酸2.86mg，硫酸锰2.13mg，硫酸锌0.22mg，硫酸铜0.08mg，钼酸铵0.02mg。这就是一种营养液配方(华南农业大学番茄配方)，如果按照这个规定用量而配制出来的营养液浓度称为1个剂量；如果将上述配方中的各种化合物用量减少一半所配制出来的营养液浓度称为0.5剂量或1/2剂量或半个剂量，其余照此类推。
    目前，世界上的无土栽培营养液配方很多，在有关无土栽培的论著中多数都收集了很多的配方，例如Hewitt(1966)收集了大约160种配方。有些配方经过了几十年的使用证明是较好的，例如Hoagland和Arnon(1938)的通用配方。现以Hoagland和Arnon(1938)的通用配方和华南农业大学番茄配方列于表3-5为例来说明营养液配方的化合物种类和其用量的差异。
表3-5 两种营养液配方的比较(省略微量元素)

霍格兰配方(Hoagland & Arnon,1938)

华南农业大学番茄配方

化合物

化合物用量

元素含量

元素含量总计

化合物用量

元素含量

元素含量总计

(mg/L)

(mmol/L)

(mg/L)

(mg/L)

(mg/L)

(mmol/L)

(mg/L)

(mg/L)

Ca(NO₃)₂.2H₂O

945

4

N:112;Ca:160

N:210

590

2.5

N:70;Ca:100

N:126

KNO₃

607

6

N:84;K:234

P:31

404

4.0

N:56;K:156

P:24

NH₄H₂PO₄

115

1

N:14;P:31

K:234

K:195

KH₂PO₄

Ca:160

136

1

K:39;P:24

Ca:100

MgSO₄.7H₂O

493

2

Mg:48;S:64

Mg:48;S:64

246

1

Mg:24;S:64

Mg:24;S:64

总浓度

2160

13

747

1376

8.5

533

三、营养液配方的浓度要求
  (一) 营养液配方的盐分总浓度要求
    作物种类不同，同一作物的不同品种甚至同一株植物不同的生长时期对营养液的总盐分浓度的要求也不相同。一般地，控制营养液的总盐分浓度在4‰~5‰以下，对大多数作物来说都可以较正常地生长，但不同的作物对营养液的总浓度要求还是有较大差异的(表3-6)。如果营养液的总盐分浓度超过4‰~5‰以上，有些植物就会表现出不同程度的盐害。因此，在确定营养液配方的总浓度时要考虑到植物的耐盐程度的不同而定。当然，在确定营养液的总盐害浓度时还要考虑到在较高浓度时是否会形成溶解度较低的难溶性化合物的沉淀。
表3-6  不同植物对营养液总浓度的要求

总浓度(‰)

1

1.5~2

2

2~3

3

适

杜 鹃 花

鸢 尾

昙 花

甜 瓜

番 茄

宜

仙 人 掌

水 仙

葱 头

黄 瓜

芹 菜

种

蕨类植物

仙客来

胡萝卜

一品红

甘 蓝

植

胡  椒

百 合

草 莓

康乃罄

的

非洲菊

花叶芋

文 竹

植

郁金香

唐菖蒲

物

芥 菜

  (二) 配方中营养元素的用量和比例的确定
    在进行营养液配方确定时，除了要首先明确种植某种作物时的总浓度之外，还需要根据所要确定的配方对植物的生理平衡性及营养元素之间的化学平衡性来确定配方中各种营养元素的比例和浓度，只有确定了之后才可以最终确定一个平衡的营养液配方。
1、营养液配方的生理平衡性
    由于植物根系对营养元素的选择性吸收，使得正常生长在均衡的营养液中的植物一生所吸收的营养元素的数量和比例在一个较小的范围内变动，当营养液中的营养元素的比例和浓度产生变化时，植物吸收的数量和比例也会产生一些变化，有些以被动吸收为主的营养元素形态如NO3--N，可能会在一个较大的范围之内随营养液中浓度的增加而增大。如果营养元素之间的比例和浓度超过了植物正常生长所要求的范围，有可能会影响到其生长。
    影响营养液生理平衡的因素主要是营养元素之间的相互作用。营养元素的相互作用分为两种，一是协助作用，即营养液中一种营养元素的存在可以促进植物对另一种营养元素的吸收；一是拮抗作用，即营养液中某种营养元素的存在会抑制植物对另一种营养元素的吸收，从而使植物对某一种营养元素的吸收量减少以致出现生理失调的症状。
    营养液中含有植物生长所需的所有必需营养元素，这些营养元素是以不同的形态存在于营养液之中的，因此这些不同形态的营养元素之间的相互关系就表现得很复杂。例如，营养液中的Ca2+、Mg2+离子能够促进K+的吸收，阴离子如NO3-、H2PO4-和SO42-能够促进K+、Ca2+、Mg2+等阳离子的吸收；但同时也存在着Ca2+离子对Mg2+离子吸收的拮抗作用，NH4+、H+、K+会抑制植物对Ca2+、Mg2+、Fe2+等的吸收，特别是H+对Ca2+吸收的抑制作用特别明显，如在酸度较低时(pH值较低，即H+浓度较高)，常会出现Ca2+的吸收受阻而出现缺钙的生理失调症状。而阴离子如H2PO4-、NO3-和Cl-之间也存在着不同程度的拮抗作用。
图3-1 Steiner通用营养液中阴离子的相互比率
Steiner(1961)以生菜和番茄为供试作物进行了营养液中不同离子比例对作物生长影响的试验。他把营养液的总离子浓度设为一定值，把阳离子中的K+、Ca2+、Mg2+的比例以及阴离子中的NO3-、H2PO4-、SO42-的比例以多种组合来配制营养液。这两类离子中的3种离子比例分别以2个等边三角形来表示，三角形的每一顶点代表着某种离子含量为100%，而相应的其它离子的含量为0。当阴离子的比例为
图3-3 Steiner通用营养液中阳离子(o)与阴离子(x)的相互比率
  图中s表示的2点为Steiner通用营养液的组成，全部组合的总浓度控制在90.7 atm
NO3-:H2PO4-:SO42-=60:5:35(图3-1)，阳离子比例为K+:Ca2+:Mg2+=45:35:20(图3-2)时，作物可生长得较好。当把这两个三角形重叠为一个时(图3-3)，则可发现营养液中的阳离子之间和阴离子之间的比例在相当宽的范围内作物都可较好地生长。
图3-2 Steiner通用营养液中阳离子的相互比率
图3-4  Steiner通用营养液配方中阴离子之间的关系
o 阴离子的相互关系
x 为K和Ca间的相互比率，Mg为常数
* (K+Ca)和Mg间的相互比率，K:Ca为一常数
    Steiner以阴离子设3种处理，而阳离子中Mg2+比例一定，设3种K+:Ca2+处理或K+:Ca2+一定，而(K++Ca2+):Mg2+设5种处理(图3-4)。在图3-3、4中两点S分别表示Steiner最后确定的通用营养液配方中的阴离子间的比例和阳离子间的比例。而这些处理的总浓度控制在90.7atm。他在试验中用化学分析方法研究植物体内阴离子间和阳离子间的比例，发现它们与营养液中的比例有很大差异，这主要是由于植物有很强的选择吸收能力所致。
Steiner以总离子浓度为0.48、0.72、1.08、1.62atm和0.18、0.36、0.72和1.08atm的营养液分别种植生菜和番茄。为了防止在栽培过程中由于植物吸收而造成营养液中组分的急剧变化，每个试验区都加入大量的营养液(生菜用15L/株，番茄用35L/株)，并且在试验过程中随时监测营养液的成分，如某种成分降低了，就及时补充，以保证在试验过程离子间的比例保持在一个较为恒定的水平。通过分析植株的吸收比例发现，尽管处理中阴离子和阳离子间的比例变动较大，但生菜吸收阴离子间的比例始终在一定较小的范围内变化。例如，不管营养液中NO3-占阴离子的15%或70%，也不管Mg2+占阳离子量的64%或是营养液总离子浓度为0.48atm至1.62atm，生菜吸收阴离子间NO3-:H2PO4-:SO42-的比例则相对固定。番茄的试验结果也类似。
植物对阳离子的吸收也有相似的趋势。当营养液中K+、Mg2+的比例正常，则被吸收的阳离子比例限制在一个较小的范围内，但当这些离子比例差异大，番茄和生菜都以较高的比例吸收这些离子，差别也不很大。总离子浓度不同，对生菜吸收阳离子比例没有影响。而番茄营养液总浓度不同，被吸收的阳离子的比例主要是受到K+/Ca2+的影响，也就是说，当总离子浓度从0.18升高至1.08atm时，则所吸收的阳离子中K+的量从39%增加到49%，而Ca2+则从35%下降到28%。
生菜和番茄在选择吸收阴、阳离子的比例上方向相反，这可能是作物种类不同，其吸收特性不同所致。也可能是受其它环境因素的影响。但从产量上来看，即使营养液中阳离子间和阴离子间的比例有较大的差异，但对产量没有过多的影响。例如生菜除了在低浓度的0.48atm的总离子浓度下，产量低9%之外，其它处理的产量没有影响，而对番茄来说，除了营养液中NO3-或K+的比例很高的情况下，产量稍低外，其它产量的产量差异不大。
由于植物种类不同，对离子的吸收特性也有差异，它有一个较宽的阳离子间和阴离子间的吸收比例范围，即通常所说的植物最适的离子吸收比例。它可用图3-5表示。图中的虚线表示植物对该元素能用最适比例吸收的生理界限，超过此界限则表示离子间的平衡就被破坏，植物就不能按固定的比例吸收；而实线则表示某种离子可存在于营养液中的浓度界限，超过此范围，离子就会产生难溶性盐的沉淀。例如，在总离子浓度为0.7atm和pH=6.5的条件下，SO42-的实线[P(CaSO4)线]就是Ca2+的沉淀界限，即会形成CaSO4沉淀。
图3-5 渗透压0.7atm和pH6.5时离子间摩尔比例的限制
P: 沉淀极限  F: 生理极限
图3-5的阳离子和阴离子的生理界限和沉淀界限(即图中三角形内虚、实线的框)会随植物种类、营养液总离子浓度和pH值的不同而改变。例如在0.5atm的总离子浓度时，Ca2+和SO42-的上限会提高，最适范围变宽；反之，如果总离子浓度升高至1.0atm，Ca2+和SO42-的上限则会降低，最适范围变窄。沉淀界限也是如此，如Ca2+的沉淀界限[P(CaSO4)线]还受pH值的影响。不同的pH值影响到磷酸根在溶液中的存在形态，它决定了是否产生硫酸钙沉淀(见下文中“营养液的化学平衡”的内容。
    营养液中的营养元素究竟在何种比例之下或多高的浓度时会表现出相互之间的促进作用或拮抗作用呢？现在并没有明确的答案，也没有一个统一的标准或明确的数值。因为不同的作物种类由于其长期生长的生态环境不同，形成了其遗传特性的差异，因此不可能确定一种千篇一律的比例和浓度。要解决这个问题，可以通过分析正常生长的植物体内各种营养元素的含量及其比例，而这些结果的获得即是反映植物对外界营养元素供应的数量和比例的要求。霍格兰(Hoagland)和阿农(Arnon)在三十年代时就利用这种方法开展了许多深入的研究，并以此为基础确定了许多的营养液配方，这些配方经数十年的使用证明是行之有效的生理平衡配方
在利用分析植物正常生长吸收营养元素的含量和比例来确定营养液配方时要注意以下的几个方面问题：
    1、对生长正常的植物所进行化学分析的结果而确定的营养液配方是符合生理平衡的要求的。这样确定的营养液配方不仅适用于某一种作物，而且可以适用于某一大类作物。但不同大类的作物之间的营养液配方可能有所不同，因此要根据作物大类的不同而选择其中有代表性的作物来进行营养元素含量和比例的化学分析，从而确定出适用于该类作物的营养液配方。
    2、由于种植季节不同，植物本身特性的不同以及供应作物的营养元素的数量和形态等的不同，可能会影响到对植物的化学分析的结果，有时分析的结果可能还会有较大的不同。例如，硝态氮可能会由于外界供给量的增大而出现大量的奢侈吸收，导致植物体内含量大为增加，这样测定的结果可能并不真实地反映植物的实际需要量。3、通过化学分析确定的营养液配方中的各种营养元素的含量和比例并非严格固定的，它们可在一定的范围内变动而不致于影响植物 的生长，也不会产生生理失调的症状。这是因为植物对营养元素的吸收具有较强的选择性，只要营养液中的各种营养元素的含量和比例不是严重地偏离植物生长所要求的范围，植物基本上能够通过选择吸收其生理所需要的数量和比例。一般而言，以分析植物体内营养元素含量和比例所确定的营养液配方中的大量营养元素的含量可以在一定范围内变动，大约变幅在±30%左右仍可保持其生理平衡。在大规模无土栽培生产中，不能够随意变动原有配方中的营养元素含量，必须经过试验证明对植物生长没有太大的不良影响时方可以大规模地使用。除了确定正常生长的植株体内营养元素的含量之外，还需要了解整个植物生命周期中吸收消耗了的水分数量，这样才可以确定出营养液的总盐分浓度。以下介绍Arnon和Hoagland通过化学分析植物体内营养元素含量以及山崎通过分析正常生长的植物从营养液中吸收各种养分和水分的数量来确定生理平衡营养液配方的两个例子，供参考：