综述：封闭式无土园艺中的根区工程——从植物生理学到传感器引导控制

《Horticulturae》：Root-Zone Engineering in Closed Soilless Horticulture: From Plant Physiology to Sensor-Guided Control

　　

无土系统在保护地园艺中日益重要，因为它们提高了水和养分利用效率，支持全年生产，并减少了对田间条件的依赖。然而，根区仍通常被当作被动养分库来管理，主要使用电导率（EC）和pH设定点。本综述将根区描述为一个主动工程化的生物环境，其中溶解氧（DO）、根区温度（RZT）、营养液化学与水力学、微生物组和生物膜，以及传感器引导的控制相互作用，共同决定作物表现。这些领域汇聚于根呼吸和三磷酸腺苷（ATP）产生、膜转运、水通道蛋白活性、水力导度、钙输送、氧化平衡以及微生物或病原菌选择。它们的综合效应影响鲜重、组织水分含量、养分吸收、植物化学成分组成、叶缘烧伤发生率、病害抵抗力和整体系统稳定性。近年来的证据表明，主动曝气、靶向根区加热或冷却、优化的流动调度以及以钙为中心的干预措施可以提高叶菜的产量和品质，尽管响应因作物种类、品种、发育阶段和生产系统架构而异。当前证据还指出了重要的不确定性，包括作物和品种特异的响应阈值、依赖架构的性能、能源和资源成本，以及微生物组调控仍有限的可预测性。新兴的传感、机器学习、数字孪生和预测控制方法可能实现从基于阈值的校正向基于生理的根区状态管理的转变。然而，更广泛的商业转化受到传感器位置、水力条件、养分组成、微生物状态和资源利用报告不一致的制约。因此，研究人员提出了一个最低报告框架和研究优先事项，以开发可重复的、具有能源意识的、微生物学稳健的且作物特异的根区管理策略，用于封闭式无土园艺。

1. 引言
封闭式无土园艺已成为温室蔬菜、叶菜、香草、移栽苗等高价值作物的重要生产平台。受土地和水资源约束、全年本地化生产需求以及温室和室内农场基础设施扩展的驱动，可控环境研究与实践通常优化光照、气温、湿度和二氧化碳，而根区管理往往仅由pH和电导率（EC）设定点表示。但近期研究表明，在循环系统中，根区并非化学性质均匀的背景，而是氧气供应、温度、水力状况、养分形态、微生物定殖和数字监测共同决定作物表现的动态栖息地。本文旨在综合氧气、温度、营养液化学和微生物组动态之间的机制联系，评估近期干预研究，概述传感和预测控制如何将根区管理从被动故障排除转变为主动优化，并提出可重复转化研究的报告框架。

2. 根区：封闭式无土系统中隐藏的控制层
在营养液膜技术（NFT）、深液流栽培（DWC）、浮板系统及封闭式基质系统中，根区可定义为受物理边界限定的循环界面，水分、溶解矿物质、氧气、信号分子和微生物在此与根表面相互作用。此界面受水道几何、罐深、循环间隔、泵调度、曝气方式以及与温室或室内环境的热耦合等工程决策影响。有用概念区分是设定点管理与状态管理：设定点管理关注标称参数如pH 5.8或EC 1.8 dS m^?1，而状态管理认识到相同标称溶液可因循环、曝气、根密度和微生物活性而呈现不同生理状态。例如，DWC生菜中提高DO从2.9至3.5–4.0 mg L^?1显著增加 shoot 鲜重和组织水分而不增加干重；有机NFT生菜间歇流增加鲜重，归因于改善根区氧供应和减少铵/亚硝酸盐毒害。因此根区应视为物理、化学、生物和数字控制空间耦合的工程层。

3. 溶解氧：根区工程中的主控变量
DO作为主控调节因子，直接限制有氧呼吸以及离子吸收、渗透调节和根维持所需能量。即使中度氧限制也可在明显视觉症状出现前重编程细胞代谢、氧化还原状态和转运过程。实验证据显示，改变DO浓度影响生菜生长、光合、产量和品质，而辣椒对氮形态的响应强烈依赖营养液氧可用性。机制上，DO影响ATP产生、水通道蛋白活性和根水力导度，进而影响水分吸收和组织水合；低氧扰乱氧化还原平衡，触发活性氧（ROS）相关信号；同时氧状态塑造根际和循环液中微生物生态。值得注意的是，增加DO可提高 shoot 鲜重和组织含水量而不相应增加干重，说明曝气能改善植物水分状况和市场外观