一种根与根茎类药用植物的设施半水培栽培装置及方法

摘要

本发明涉及一种设施条件下根和根茎类药用植物半水培栽培装置及方法。通过营养液槽和栽培槽把栽培基质与营养液分开，栽培槽下部浸入营养液中并设有使营养液进入的吸液孔，营养液在基质下面流动，通过控制营养液槽内的营养液的液面、供液时间和频率，可限制通过吸液孔和基质的向上吸水吸肥作用将营养液供给植物。本发明的突出优势是可通过控制不同生长发育阶段营养液的供给液面控制药用植物根系获得的养分和水分数量，基质含水量可始终处于适宜膨大根形成的水平，达到通过水肥诱导根系下扎，促进根系膨大形成膨大根，实现提高中草药产量和质量的效果。

说明书

技术领域

本发明属于设施农业无土栽培技术领域，具体涉及一种根及根茎类药用植物设施条件下 半水培无土栽培的装置及方法。

背景技术

过去几十年，国内外市场对中药材需求量不断增加，但野生药用植物资源枯竭程度状况 日益严重，无法满足商业需要，因此药用植物开始人工大规模的大田栽培生产。但是，药用 植物大田栽培过程中存在着许多问题，生产的可持续性难以保证。首先，过量施用化肥、农 药等农用化学品导致中药材中农药、重金属超标，药用成分含量下降等问题，严重影响了中 药材的质量。同时，多数药用植物对土壤条件要求严格，长期种植易发生连作障碍问题，需 要倒茬种植，从而限制了高产优质药材的生产规模，中药材供给矛盾仍难以解决。为了解决 药用植物大田栽培存在的病虫害频发，施肥施药过多，中药材质量下降等问题，提高我国中 药材品质和有效供给，研发在设施可控环境下无土栽培药用植物的方法与技术取代土壤露地 栽培十分有必要，具有十分重要的意义。

与大田栽培相比，设施内无土栽培栽培药用植物具有众多优势。首先，设施环境因子可 控，药用植物养分供给可控。设施内的温度、湿度、光照，CO₂浓度等条件，可以根据药用 植物的需求进行而适当调控；而且，设施药用植物无土栽培可根据作物生长供给养分，提高 作物的养分吸收率，减少因施肥过多而引起的环境污染、品质下降和资源浪费。（2）设施药 用植物无土栽培可杜绝或减少连作障碍的发生，减少农药的施用。设施内无土栽培采用基质 或营养液栽培，栽培基质经过消毒后可二次使用，可减少因连作而引起的各种土传病害，减 少农药的使用。（3）设施药用植物无土栽培可人为调控提高中药材的质量。栽培过程中可通 过温度、光照等环境因子和水肥供给的控制，促进植物的生长和产量，提高药用部位药用成 分的累积，提高中草药的质量。（4）设施药用植物无土栽培可实现周年生产，生产效益成倍 提高。因设施内环境可控，药用植物的设施栽培可周年进行，提高药用植物的栽培效率。总 之，设施无土栽培药用植物将大幅度提高中药材的产量和质量，有效减少中药材病虫害及重 金属含量超标等问题，实现节水、节肥、节约耕地资源等功能。

在药用植物中，以根和根茎入药的药用植物占很大比例，商业化价值很高，占有重要地 位。然而，根和根茎类药用植物是以根或根茎作为药材入药的，其根茎的产量和质量直接决 定着药用植物生产的效益。为了实现优质高产，必须为根茎药用植物的地下部提供适宜的生 长环境，以利于其膨大和药用成分的累积。因此，传统的无土栽培方法（如NFT、DFT和基 质栽培技术）无法满足根茎类药用植物生长的根区环境的需求。首先，水培条件下，植物的 根系无法膨大形成膨大根，并且缺乏溶解氧供给；其次，传统基质栽培条件下，基质层薄， 基质的温度和湿度条件容易受设施温湿度条件的影响，发生大幅度的昼夜波动，所以基质环 境不易控制，导致植物的根系的膨大难以调控；最后，单纯的基质栽培只能从基质层上部滴 灌营养液，基于植物喜水肥的生物学特性，常导致植物根系较浅，限制根系膨大和深扎，严 重限制根茎类药用植物的生长和中药材的品相。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种设施条件下根和根茎类药用植物半水培栽培装置及 其栽培方法，通过栽培装置，即营养液槽和栽培槽将栽培基质与营养液分开，营养液在营养 液槽内流动，装有基质的栽培槽嵌套在营养液槽内，营养液通过吸液孔由营养液槽进入栽培 槽，并通过基质的向上吸水吸肥作用将营养液供给植物吸收，满足其水肥需求，同时避免基 质一直浸泡在营养液中，可增加基质中的溶解氧的含量，利于根部生长。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种根与根茎类药用植物的设施半水培栽培装置，包括营养液槽和栽培槽，其内分别装 有营养液和栽培基质，栽培槽嵌套于营养液槽内，栽培槽下部浸入营养液中并设有使营养液 进入的吸液孔。

进一步地，所述吸液孔可以是各种形状，比如圆孔、方孔、长条形、栅状等，优选采用 呈水平多行排列的多孔状的吸液孔。

进一步地，所述营养液槽为方形、圆形等形状，所述栽培槽采用与其相匹配的形状。优 选地，营养液槽为长方体形；栽培槽的上部为长方体形，下部为倒梯形，该倒梯形与营养液 槽同高，所述吸液孔设于该倒梯形的两个斜面上。

一种适用于上述装置的栽培基质，有利于药用植物的生长，该栽培基质包括蛭石、草炭 和珍珠岩，按照1:(1～2):(0.5～1)的质量比例混合而成。

优选地，所述蛭石、草炭和珍珠岩的质量比例为1:2:1。

一种适用于上述装置的富钾营养液，可促进要用植物的生长发育、根系膨大，提高中药 材产量，该营养液的组成为（mmol/L）：(2.5～3.5)Ca(NO₃)₂，（0.5～0.9）K₂SO₄，（0.4～0.6）KH₂PO₄， （0.08～0.12）KCl，（0.52～0.78）MgSO₄，（0.8x10^-3～1.2x10^-3）H₃BO₃，（0.8x10^-3～1.2x10^-3） MnSO₄，（0.8x10^-4～1.2x10^-4）CuSO₄，（0.8x10^-3～1.2x10^-3）ZnSO₄，（4x10^-6～6x10^-6）(NH₄)6Mo₇O₂₄， （0.08～0.12）EDTA-Fe。

优选地，所述营养液的组成为2.5Ca(NO₃)₂，0.75K₂SO₄，0.5KH₂PO₄，0.1KCl，0.65MgSO₄， 1.0x10^-3H₃BO₃，1.0x10^-3MnSO₄，1.0x10^-4CuSO₄，1.0x10^-3ZnSO₄，5x10^-6(NH₄)₆Mo₇O₂₄，0.1 EDTA-Fe。

优选地，营养液的pH为6-7，EC为1.2ms。

一种采用上述装置进行根与根茎类药用植物的设施半水培栽培的方法，其步骤包括：

1）在育苗盘上培育药材植物的幼苗，待长出4～6片真叶后移植到上述装置的栽培槽中；

2）在栽培过程中控制主根区基质中水分含量，水肥一体均由底部营养液槽加入，通过基 质的向上吸水吸肥作用将营养液供给植物；幼苗期需水量大，保证基质内水分充足；营养生 长期控制水分用量，增加养分量，同时保证营养液在基质中的药材须根部分，以诱导药材主 根向下生长，增加产量；开花后增加营养液中钾元素的含量，以促进根部膨大。

上述步骤1）中，移栽前将栽培槽上的孔用纱布或无纺布包裹，将基质混匀后填入并适 当压实，填入的基质量在距离栽培槽顶部5-10cm处；移栽两天后将装置中的基质浇透水，移 植过程中不要伤害植物的根系，最好连同穴盘基质一起移栽。在基质上挖栽培孔，孔的大小 与植株根系的大小一致以同时保证移植后植物根系在基质中的伸展与成活，移栽完成后用喷 壶撒少量水，移栽完成三天内不要浇水，同时适当遮阴，避免阳光暴晒，缓苗后置于阳光或 人工光下生长；移栽过程中尽量不要单株移栽，每次移栽4-8株，栽于一个栽培孔内，随幼 苗的生长间苗，成活后每孔留一株即可。

本发明提供了一种半水培的根茎类药用植物的设施无土栽培装置和栽培方法，以及适用 于该装置的栽培基质和营养液。该装置的功能在于可把栽培基质与营养液分开，营养液在基 质下面流动，通过控制营养液槽内的营养液的液面、供液时间和频率，可限制通过吸液孔和 基质的向上吸水吸肥作用将营养液供给植物，其突出优势是可通过控制不同生长发育阶段营 养液的供给液面控制药用植物根系获得的养分和水分数量，基质含水量可始终处于适宜膨大 根形成的水平，达到通过水肥诱导根系下扎，促进根系膨大形成膨大根，实现提高中草药产 量和质量的效果。本发明的优势在于：

1）既能满足根系水肥需要，又能调控水肥供给，也能满足其溶解氧需求，基质不需经常 性处于营养液浸泡状态，可为根系生长和膨大根形成提供一个良好的环境；

2）可实现营养液的自动化管理，适合在设施条件下（特别是在人工光条件下）规模化栽 培药用植物使用，有利于通过水肥调控提高中药材产量和质量；

3）实现了根系下部供给营养液，根系的向水向肥性可诱导根系下扎，增加膨大根系的长 度，提高中药材的品相和商品价值；

4）该装置的尺寸大小可按照人工光源来设计制造，可用于完全人工光栽培。

附图说明

图1是实施例中营养液槽的结构示意图。

图2是实施例中栽培槽的结构示意图。

图3是实施例中营养液槽安装于栽培槽中的示意图。

图4是实施例中生成的桔梗根的照片。

图5是本发明的半水培装置栽培与盆栽条件的单位面积产量对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本实施例的半水培无土栽培装置，由营养液槽1、栽培槽2两部分组成，分别如图1、图 2所示。其中图1的营养液槽1为无盖的长方体槽，供营养液流动；图2为栽培槽，有底无 盖，其上部为长方体形，下部为倒梯形，倒梯形的两个斜面上开有多个圆孔。

图3为将栽培槽2装入营养液槽1的示意图。营养液槽1内装有营养液，栽培槽2内装 有栽培基质。栽培槽2在装入营养液槽1前，在四周用无纺布包裹并固定，以防止栽培基质 进入营养液槽中的营养液里，也可以采用其它能够透过营养液又能防止栽培基质进入营养液 槽中的材料。

本装置中，外部的营养液槽长60cm，宽40cm，高20cm。内部的栽培槽上部长方体长 50cm，宽30cm，高30cm，下部倒梯形体与外部槽体等高或基本等高，倒梯形的上部与长方 体同宽，下部宽10cm。梯形体两侧的斜面上开3行直径2cm的小孔，供植物根系吸收营养 液。

本装置中使用的栽培基质为蛭石、草炭、珍珠岩按照1:2:1的比例混合而成。

本装置中使用的营养液组成为（mmol/L）：2.5Ca(NO₃)₂，0.75K₂SO₄，0.5KH₂PO₄，0.1KCl， 0.65MgSO₄，1.0x10^-3H₃BO₃，1.0x10^-3MnSO₄，1.0x10^-4CuSO₄，1.0x10^-3ZnSO₄，5x10^-6(NH₄)₆Mo₇O₂₄，0.1EDTA-Fe。营养液的pH为6-7，EC为1.2ms。营养液由底部槽灌入，可 诱导根系向下生长，同时在药用植物根部膨大期营养液中适量添加钾元素，以促进药材根部 膨大。

本装置的栽培方式为育苗移栽，即在育苗盘上培育药材幼苗，待长出4片真叶后移植到 本装置的栽培槽中。移植过程中需要注意不要损害幼苗的根系及幼苗的株行距，幼苗的株行 距为12*12cm。

移栽前将栽培槽上的孔用纱布或无纺布包裹，将基质混匀后填入并压实，填入的基质量 在距离栽培槽顶部5-10cm处；移栽两天后将装置中的基质浇透水，移植过程中不要伤害植物 的根系，在基质上挖栽培孔，孔的大小与植株根系的大小一致以同时保证移植后植物根系在 基质中的伸展与成活，移栽完成后用喷壶撒少量水，移栽完成三天内不要浇水，同时适当遮 阴，避免阳光暴晒，缓苗后置于阳光或人工光下生长；移栽过程中尽量不要单株移栽，每次 移栽4-8株，栽于一个栽培孔内，随幼苗的生长间苗，成活后每孔留一株即可。

在栽培过程中控制主根区基质中水分含量，水肥一体均由底部营养液槽加入，通过基质 的向上吸水吸肥作用将营养液供给植物。幼苗期需水量大，保证基质内水分充足；营养生长 期控制水分用量，增加养分量，同时保证营养液在基质中的药材须根部分，以诱导药材主根 向下生长，增加产量；桔梗开花后增加营养液中钾元素的含量，以促进根部膨大。

本发明所用的栽培基质，在其它实施例中也可以是其它比例，其中蛭石、草炭和珍珠岩 的质量比例范围以1:(1～2):(0.5～1)为宜，这样有利于药用植物的生长，

本发明所用的营养液，在其它实施例中也可以是其它比例，具体组成（mmol/L）以下面 的范围为宜，可促进要用植物的生长发育、根系膨大，提高中药材产量：(2.5～3.5)Ca(NO₃)₂， （0.5～0.9）K₂SO₄，（0.4～0.6）KH₂PO₄，（0.08～0.12）KCl，（0.52～0.78）MgSO₄，（0.8x10^-3～1.2 x10^-3）H₃BO₃，（0.8x10^-3～1.2x10^-3）MnSO₄，（0.8x10^-4～1.2x10^-4）CuSO₄，（0.8x10^-3～1.2x10^-3） ZnSO₄，（4x10^-6～6x10^-6）(NH₄)6Mo₇O₂₄，（0.08～0.12）EDTA-Fe。

本发明的装置和方法适用于根与根茎类药用植物，如桔梗、黄芪、防风、白术等。

下面提供基质比例和营养液浓度的筛选试验数据；

1）无土栽培桔梗基质组成的筛选

试验设计：设置6种不同的基质组合，即各处理下蛭石、草炭和珍珠岩的比例分别是 1:1(T1)、1:1:1(T2)、1:2:1(T3)、1:2:0.5(T4)、2:1:1(T5)、2:1:0.5(T6)，每个处理重复3次。栽 培盆直径20cm，高23cm，每盆装基质7.5L，每盆种植3株。收获后测定桔梗的干鲜重及根 体积。

试验结果：如表1所示，T2、T3、T4处理下的桔梗产量优于其它3个处理，生成的桔梗 根如图4所示，图中由左到右依次为T1、T2、T3、T4、T5、T6。根据试验前期观察， 选择蛭石、草炭、珍珠岩的质量比例1:2:1为栽培桔梗的最优基质组合。

表1.不同基质处理下桔梗产量（单位：g/pot）

2）无土栽培桔梗氮水平和氮形态的筛选

试验设计：采用水培方式栽培桔梗，水培盆直径19cm，高20cm，每盆加入营养液5L。 基础营养液组成为（mmol/L）：0.75K₂SO₄，0.5KH₂PO₄，0.1KCl，0.65MgSO₄，1.0x10^-3H₃BO₃， 1.0x10^-3MnSO₄，1.0x10^-4CuSO₄，1.0x10^-3ZnSO₄，5x10^-6(NH₄)₆Mo₇O₂₄，0.1EDTA-Fe。由两个 试验构成：

试验一为氮水平试验，包括四个处理N1、N2.5、N5和N7.5，即各处理营养液中硝态 氮浓度依次为1、2.5、5和7.5mmol/L，硝态氮由Ca(NO₃)₂提供；

试验二为氮形态试验，包括四个处理N5、N4+A1、N2.5+A2.5和N1+A4，即各处理营养 液中含有5mmol/L硝态氮、4mmol/L硝态氮加1mmol/L铵态氮、2.5mmol/L硝态氮加 2.5mmol/L铵态氮和1mmol/L硝态氮加4mmol/L铵态氮，硝态氮由Ca(NO₃)₂和KNO₃提 供，利用增加K₂SO₄的方法来平衡各处理营养液中因KNO₃的加入所造成的钾离子浓度差异， 铵态氮由(NH₄)₂SO₄提供。

桔梗种子使用前用0.3%高锰酸钾溶液浸种24小时。2012年7月8日育苗，2012年8月 8日移栽至水培盆中，每盆4株，共计生长65天。

试验结果：氮水平试验结果如表2所示，在营养液中硝态氮浓度为5mmol/L和7.5mmol /L时，为桔梗生长适宜的氮水平。

表2.不同氮水平下桔梗产量（单位：g/pot）

氮形态试验结果如表3所示，在营养液中氮形态全部为硝态氮时适宜桔梗生长。

表3.不同氮形态下桔梗产量（单位：g/pot）

下面提供采用上述装置进行无土栽培的一个实例：

本实例种植的药材为以根入药的药用植物桔梗。2013年3月桔梗种子育苗前，用0.3% 的高锰酸钾溶液浸泡24小时，用清水洗净后播种于装满蛭石的育苗盘内。待桔梗幼苗长出4 片真叶后移植到本装置中。栽培采用的基质组成为蛭石：草炭：珍珠岩的比例为1:2:1。营养 液组成为营养液组成为（mmol/L）：2.5Ca(NO₃)₂，0.75K₂SO₄，0.5KH₂PO₄，0.1KCl，0.65 MgSO₄，1.0x10^-3H₃BO₃，1.0x10^-3MnSO₄，1.0x10^-4CuSO₄，1.0x10^-3ZnSO₄，5x10-6(NH₄)₆Mo₇O₂₄， 0.1EDTA-Fe。营养液的pH为6-7，EC为1.2ms。营养液由底部槽灌入，依靠基质的毛细作 用进入根区供桔梗生长。2013年3月18日移栽至本装置内栽培。2013年11月20日收获。 栽培过程中控制主根区基质中水分含量，水肥一体均有底部供液槽加入，桔梗开花后增加营 养液中钾元素的含量，以促进根部膨大。

收获后测产，桔梗单株鲜重1.69-25.99g，总根长23.4-27.8cm，根粗0.9-2.9cm，块根长 5.0-12.4cm，每平方米可产桔梗1500g。而采用现有技术得到的桔梗单株鲜重为1.37-5.54g， 总根长10.6-17.9cm，根粗0.6-1.4cm，块根长3.7-6.4cm，每平方米产量为900g。可见，本发 明取得了明显进步的效果。

采用本发明的半水培装置栽培与普通盆栽条件下栽培对比显示半水培装置单位面积产量 比盆栽条件下单位面积产量高出600g，如图5所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可 以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保 护范围应以权利要求所述为准。