近万年来，人类已形成耕作农业的基本模式，即耕耘土地、播种、进行作物栽培、收获。但是，以往的农业生产基本是在无法控制的自然状态下进行。虽然新型农业生产工具能够提高生产效率；科学施肥技术和农田水利建设可以提高农作物产量；遗传育种技术可以培育出高产优质品种。但是，人类却无法避免暴雨洪水等异常气候的危害，最终脱离不了自然农业的生产形态。因此，自然农业仍然摆脱不了自然环境的支配。

如今，在植物营养生理学和植物化学深入研究的基础上，人类对作物栽培的认识发生了巨大的变化。首先是保护设施可以改变作物的生长环境，其二是植物的生长发育并非必须依赖土壤。因此，世界上出现了以设施园艺为中心的设施农业形态，并以营养液栽培取代土壤栽培，甚至建立了植物工厂进行作物生产。由于打破了传统农业的概念，促使土壤农业向新的生产方式的飞跃。因此农业的发展方向应该是从土壤农业→设施农业→无土农业→植物工厂。

设施农业通过调节室温，延长了作物的生长时间，增加年复种指数，并可以进行周年生产，所以能大幅度提高单位面积产量。设施农业是农业生产方式的重大革新，它能够推动自然农业形态向环境控制农业形态转化，因此可以称为第二代农业。但是，设施农业的发展受经济发展水平的制约，没有一定的经济基础很难实现。

在农业生产中，土壤是容纳植物根系和支持植物体的载体，并为植物生长发育提供必须的水分和养分。虽然土壤农业比较稳定，但其理化特性和生物特性非常复杂，很难实现理想的人为调控。20世纪30年代，科学家们相继开发出以水为载体的水培技术以及以不溶性固体材料为载体并喷灌营养液的基质栽培技术，在园艺领域总称为无土栽培技术。所谓无土栽培技术就是将植物放在没有土壤的容器中进行栽培的技术。目前，荷兰设施花卉栽培面积的21%已实现了无土化栽培，有些作物甚至已达到100%。无土栽培具有高产、高品质、无污染、无土壤病害、节约用水等很多优点，它是农业技术发展史的技术革命之一，是超越设施农业的更高层次的农业生产方式。无土栽培使植物在人为控制的最适条件下生长发育，加上设施栽培的环境控制，基本可以摆脱自然环境的制约而实现无季节性周年生产，所以应称之为第三代农业。

无土栽培不仅需要正确的植物营养生理知识，还需要良好的环境控制技术。它属于农学和工学的交叉技术，不仅涉及作物田间管理和适合植物生长发育的营养液配方，而且需要合理的设施结构设计、环境控制、供液和供氧控制等。因此，在我国应该研制和开发成本低、节约能源、操作简单又实用的无土栽培体系，并加快无土栽培技术的普及与推广。

植物的工业化生产也就是植物工厂，是在高精度环境控制和营养控制条件下进行植物周年生产的生产体系，也可称为第四代农业。植物工厂的概念比较广，不仅包括在设施农业和无土栽培的基础上实现的植物生产体系，也包括植物细胞工程技术，也就是利用植物组织或器官进行克隆苗的大规模生产，或利用植物细胞和器官的大规模培养生产有用代谢产物的生产体系。这三方面的共同点是在某种设施或者装置内，人为控制环境和营养，大量生产植物体或有用代谢产物。植物的工业化生产是未来农业生产的发展方向，它能彻底摆脱自然环境的束缚，无论在荒漠化土地上还是在异常气候条件下，甚至在宇宙空间，都能够正常生产各种农产品。但是，植物工业化生产受经济发展水平的制约，为解决生产成本问题，还需要在学术上和基础理论方面进行更多的研究。

20世纪是农业飞速发展的世纪，不但出现了设施农业和无土栽培农业，还开发出了植物工厂的生产模式。尽管目前农业生产还是以土壤栽培为主，但是这场农业技术革命改变了农业生产的传统观念，提高了农业抵抗自然灾害的能力，增强了人类改造自然的信心。目前，在美国、日本、德国、瑞典、加拿大等一些农业发达国家，都开发出了各种各样的植物工厂，为未来的农业生产开辟了新的道路。但由于受经济发展水平制约，我国还没有研制出中国式的植物工厂。

改革开放以来，我国的农业经济获得了长足发展，设施农业栽培面积日益扩大，生产水平也不断提高。但是，在无土栽培领域，由于受经济条件和生产技术的制约，只有少数大公司采取了半基质或土壤加营养液的过渡式生产方式。也有极少数公司从国外引进了全套的无土栽培设施和技术。加入WTO以后，我国的农业是受冲击最大的行业之一。因此，只有尽快提高农业生产技术的含量，才能有效抵制外国农产品的渗入，以维持我国9亿农民的根本利益。而将无土栽培技术引进千家万户，就是增强我国农产品竞争力的必要手段之一。

无土栽培作物的产量是普通土壤栽培的3至5

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