技术领域
本发明涉及植物栽培系统。更详细地说，本发明涉及使用能够与植 物的根实质一体化的膜的植物栽培系统。进一步详细地说，本发明涉及 在不使用装水或营养液的水耕槽的情况下供给用于栽培植物的水或营养 液并在其中栽培植物的植物栽培系统。
根据本发明，在栽培植物体时，不需要传统的水耕槽(水耕槽用于装 水或营养液并在其中栽培植物)，所以本发明能够节省下水耕槽材料费。
另外，设置水耕槽的情况下，需要水平不倾斜地安装水耕槽，所以 需要花费很多费用，但根据本发明，则无需此费用，所以设备的成本低。
在本发明中，为了将土耕栽培(soil cultivation)或滴灌施肥(drip fertigation)中使用的大地土壤和植物隔开，在大地土壤上设置单独的不透 水性材料，或设置在其上放有吸水性材料的不透水性材料，在不透水性 材料上或在不透水性材料上的吸水性材料之上设置无孔性亲水性膜，由 此在大地土壤上形成本发明的植物栽培系统。通过使植物在上述植物栽 培系统的无孔性亲水性膜上生长，由此可以防止现有的土耕栽培或滴灌 施肥中的问题，即，土壤中的微生物(如线虫等)、细菌类、病毒类等对植 物的污染(这是连作土壤衰颓的原因)；土壤中残留农药等对植物的污染； 盐分等在土壤表层的蓄积造成植物的生长发育抑制；以及肥料的流失造 成地下水的污染等。
本发明能够解决由于植物的根与大地土壤直接接触所产生的上述问 题。另外，本发明的植物栽培系统中水、肥料的用量极少，所以能够大 幅降低植物栽培成本。
另外，通过利用本发明的植物栽培系统在水分抑制状态使植物生长， 能够容易地改善该植物的品质。
另外，利用本发明的植物栽培系统，还能够减少植物中的硝态氮含 量，植物中的硝态氮含量近年被视为问题。
背景技术
以往，利用自然条件(如太阳、土地、雨水等)，在户外通过田地栽培 或者在室内通过温室栽培来栽培各种植物。在田地栽培和温室栽培中， 从地表层到深处，土壤是连续的。因此，诸如线虫等有害微生物、细菌 类在土壤中繁殖，这是连作土壤衰颓(連作障害)的主要原因，在这种情况 下，需要对土壤消毒或进行所谓的土壤交换，在土壤交换中，用大量从 其他地方运来的未被污染的土来替换本地的土。土壤消毒的典型方法是 熏蒸法，但是用于熏蒸法的溴甲烷已被全面禁用，这使得难以进行土壤 消毒。另外，使用大规模土壤交换在成本和客观实践上几乎是不可能的。
另外，过去大量使用的有机磷系农药污染了土壤，农药带来的农作 物的污染问题已经非常严重。有机磷系农药难分解、难无毒化。因此要 解决该问题，也需要大规模土壤交换。
在现有的施肥方法中，在大地中施加大量肥料作为基肥，然后在栽 培期间一次施加等于1～2周量的肥料作为追肥。事实上，植物幼苗仅吸 收少量肥料，随着植物的生长肥料吸收量增大，鉴于此，这种现有的施 肥方法缺乏实效。因此现有的施肥方法不仅效率低，而且造成土壤中盐 分蓄积。
土壤(特别是温室内的土壤)中的水分从土壤的下方向上方上升移动。 灌溉时，在重力作用下水分暂时先将肥料成分带到了下方，但是停止灌 溉后，土壤的水分再次向土壤的表面移动，并且盐分也一同被水分的移 动带向土壤的表面。在土壤表面，仅水被蒸发掉。如此反复后，盐分蓄 积在土壤表层。一般而言，在栽培系统中过量的盐越多，盐分蓄积的程 度越高，蓄积的盐分成为了抑制植物生长的原因。这样的土壤状况与降 雨量极少的漠境土的状况酷似。为了改善这种状况，只有使用大量的水 冲掉蓄积的盐分的方法或者进行土壤交换的方法，这些方法均需要花费 大的成本。
上述低效的施肥还是地下水污染的原因。适当的施肥量下，肥料(特 别是氮肥)在土壤中被微生物分解，其中肥料依照如下顺序被氧化：
有机氮化合物→NH4+→NO2-→NO3-。
但是，施肥量过多的情况下或者土壤中硝化细菌的活性弱的情况下， 由于上述氧化过程不进行，以致NH4+和NO2-在土壤中过度累积。NH4+离子被吸附到带负电的土壤胶体表面，但NO3-不被土壤吸附，而从土壤 中流失并造成地下水的污染。
此外，灌溉也会引起下述问题。每隔几天用大量水进行一次植物灌 溉，刚灌溉后，土壤趋于变得过湿，而在下次要灌溉前，就又变得干燥。 所以难以对施加于植物的水分应激进行控制，因此难以生产出高品质(高 糖度等)的植物。
另一方面，有一种众所周知的所谓“滴灌施肥”的栽培方法，其利 用了土壤栽培的优点。在该方法中，仅在必要时以适当量对植物仅提供 该植物生长所需的肥料。所述滴灌施肥是一种灌溉施肥技术，该技术如 下：在土壤上设置滴灌管，并且在实时测定土壤中的肥料和水分量的同 时，由供液设备供给营养液，其中，所述营养液包含适当量的植物所需 的氮、磷酸、钾以及微量养料成分(诸如钙等)。滴灌施肥栽培的基本特征 如下。
1)不施加基肥(但是可以施加用于维持、改善土壤的物理化学性质、 微生物含量的有机物质、土壤调节剂)。
2)每日进行灌溉和施肥。
3)基于养分含量和水分含量的测定结果进行适当的灌溉施肥。
4)使用符合植物的养分吸收比例的成分组成且不含不必要的成分的 肥料。
5)使用能够精确测定和混合液肥成分并且能够容易地改变混合比例 的液肥混入机。
6)设置用来显示灌溉施肥量的流量计。
7)使用能够均匀灌溉整个圃场的灌溉管(例如，所谓的滴灌管)。
如上所述，与土耕栽培相比，滴灌施肥栽培时施肥量和灌溉量减少， 所以改善了由于盐分在土壤表层的蓄积引起的生长障碍。另外，其还具 有减轻了由于过度施肥引起的地下水污染的优点。但是，对于防止连作 土壤衰颓和在土壤中残留的农药引起的农作物污染，滴灌施肥是没用的， 所述连作障碍是由于植物的根直接与大地而产生的。
非专利文献1：《滴灌施肥栽培的理论和实践(養液土耕栽培の理論と 実際)》，2～18页，编者：青木宏史、梅津宪治、小野信一，出版社：诚 文堂新光社，2001年6月出版
另一方面，为了解决上述现有的土耕栽培、滴灌施肥栽培中的问题， 已经开发了所谓“营养液栽培”或者“水耕栽培”的栽培系统。营养液 栽培中，大地和植物由装营养液的水耕槽(床)隔开，所以实质上防止了土 耕栽培或者滴灌施肥栽培中产生的问题，即，营养液引起的土壤污染和 土壤污染引起的植物感染等。
但是，营养液栽培不仅需要本身很昂贵的水耕槽(床)、床支持体，而 且需要水平、不倾斜地设置槽等，这需要很多费用，因此营养液栽培是 没有优势的。
另外，由于根是直接浸在营养液中的，所以营养液被细菌、病毒等 污染后，易导致植物被感染。所以该栽培系统需要昂贵设备来循环、杀 菌、过滤营养液。另外，根常浸在营养液造成水分应激(water stress)的不 足，这造成栽培的植物的营养价值和味道降低。换言之，该系统难以生 产出高品质的植物，这是一个致命的问题。
另外，作为通过在短期内使用大量的用于栽培植物的营养液的营养 液栽培、伴有大量施肥和灌溉的土耕栽培以及滴灌施肥栽培进行的农作 物生产中的普遍问题，可以特别举出由诸如生菜、菠菜等叶子类蔬菜中 蓄积有高浓度的硝态氮造成的危及健康的问题。
生菜、菠菜等在可食部分的叶柄部含有高浓度的硝酸盐。硝酸盐与 唾液反应转化成亚硝酸盐，亚硝酸盐在消化过程又转换成了具有致癌性 的亚硝基胺物质。因此，蔬菜中的硝酸盐含量成为蔬菜品质的重要标准 之一，低硝酸含量的蔬菜为人们所需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种植物栽培系统，其消除了营养液栽培、 土耕栽培、滴灌施肥栽培中存在的上述问题。
在这种情况下，本发明人进行了广泛深入的研究以解决上述问题。 其结果，令人惊讶地发现了上述问题可以利用一种低成本栽培系统解决， 该系统包括：不透水性材料、无孔性亲水性膜、设置在该不透水性材料 和该无孔性亲水性膜间的吸水性材料、向该吸水性材料供水和营养液的 单元以及向该无孔性亲水性膜的上表面侧供水或营养液的单元，其中， 该系统不使用在营养液栽培中使用的水耕槽(hydroponic tank)，因而能够 免除耗资巨大的安装水耕槽的施工工程。
在本发明的一个实施方式中，为了将土壤和植物隔开，植物栽培系 统的不透水性材料被设置在大地上，并且设置灌溉单元(irrigation means) 以通过设置在该不透水性材料上的吸水性材料将水或营养液供给到无孔 性亲水性膜。该实施方式的系统能够使植物的根免受现有的土耕栽培、 滴灌施肥栽培中存在的问题的困扰，这些问题包括土壤中的病原菌、线 虫引起的连作土壤衰颓。
本发明的植物栽培系统还有如下优点：用上述不透水性材料和上述 无孔性亲水性膜将大地土壤和由本发明的系统栽培着的植物的根保持隔 开，因此能够防止植物被大地土壤中存在的残留农药等污染。
本发明的植物栽培系统的另一个优点在于：通过上述不透水性材料 使得肥料和水不向大地土壤泄漏，因而防止了盐分在土壤中蓄积和肥料 向系统外流失。
本发明的植物栽培系统再一个优点在于：通过在上述无孔性亲水性 膜上放置少量客土(foreign soil)并有效地向客土供给少量的肥料和水分， 可以经济地通过向植物施加水分应激而生产高品质植物。
本发明的植物栽培系统又一个优点在于：所述植物栽培系统能够降 低栽培的植物体的硝态氮含量。
本发明人进行了深入研究，结果发现了无孔性亲水性膜(例如高分子 制膜)与植物的根发生实质一体化这样的全新现象。本发明人基于该现象， 进一步进行了研究，结果发现，与无孔性亲水性膜实质一体化的植物的 根能够通过该膜，从与该膜接触的营养液中吸收植物生长所必须量的肥 料成分和水分。另外本发明人还发现，根与该膜一体化的植物为了通过 该膜吸收水分和肥料成分而生出了大量的根毛，该根毛能够有效地从根 附近吸收水、肥料成分、空气等。
另外，本发明人发现，在不设置装水或营养液的水耕槽的情况下， 向无孔性亲水性膜供给供水或营养液能有效地实现本发明的目的任务。 基于这些新颖的发现，完成了本发明。
本发明的植物栽培系统是基于上述认识完成的。更详细地说，本发 明的植物栽培系统的特征在于，要栽培的植物体放置在能够与根实质一 体化的无孔性亲水性膜上，其中，所述无孔性亲水性膜直接设置在不透 水性材料上，或隔着吸水性材料设置在不透水性材料上，该吸水性材料 被设置在不透水性材料上。
本发明还提供一种植物栽培系统，其中，通过灌溉单元向设置在不 透水性材料和无孔性亲水性膜之间的吸水性材料供给水或营养液。
本发明还提供一种植物栽培系统，其中，在该无孔性亲水性膜上接 触或不接触地设置植物栽培用支持体和植物体。
本发明还提供一种植物栽培系统，其中，在该无孔性亲水性膜上设 置植物体和不透水蒸汽的覆盖膜或者覆盖材料。
本发明还提供一种植物栽培系统，其中，植物体的根和该无孔性亲 水性膜实质一体化后，向该无孔性亲水性膜的上侧适当地供给水和/或肥 料。
具有上述构造的本发明的植物栽培系统不需要在现有的滴灌施肥中 使用贮存营养液的水耕槽，因而无需费用大的安装水耕槽的实施工程。 本发明能够提供低成本的栽培系统。
根据本发明，植物的根与大地土壤由无孔性亲水性膜(和不透水性 材料)隔开，阻挡根与大地土壤直接接触。即使当大地土壤受到病原微 生物、病原菌污染时，微生物、细菌也不能透过该无孔性亲水性膜(和 不透水性材料)。因此，无孔性亲水性膜(和不透水性材料)阻挡根与微 生物、细菌接触，从而能够避免连作土壤衰颓。
另外，例如即使当大地土壤被残留农药等污染时，由于大地土壤与 根被无孔性亲水性膜(和不透水性材料)隔开了，本发明的系统能够减 轻植物的污染。
在本发明中，当不透水性材料被设置在大地土壤上时，不透水性材 料会阻止营养液等(该营养液等被供给到设置在位于大地土壤上的不透水 性材料与无孔性亲水性膜之间的吸水性材料)向大地土壤中移动。因此， 本发明的系统不仅防止了盐分的蓄积、地下水污染，而且能够通过有效 利用珍贵的水资源、减少肥料用量来降低栽培成本。
另外，例如即使当在大地土壤的表层蓄积了盐分，由于存在不透水 性材料，所以这些盐分不与根直接接触，因此蓄积的盐分不会对植物的 生长造成很大影响。
另外，在本发明的植物栽培系统中，利用无孔性亲水性膜能够非常 容易地控制施加到栽培着的植物上的水分应激，从而能够生产出高品质 的植物。
另外，在本发明中，采用下述方法之一能够容易地大幅降低栽培植 物中的硝态氮量：
方法之一，向无孔性亲水性膜下表面主要只供给水，并在严格控制 量和时间的状态下，向该无孔性亲水性膜上侧供给少量的营养液，在栽 培后段将由所述上侧供给的营养液切换成仅供给水；和
方法之二，向无孔性亲水性膜下表面供给营养液，向该无孔性亲水 性膜上侧仅供给水。
本发明的系统中，从易控制向无孔性亲水性膜的下表面或上侧供给 水或者营养液的方面考虑，优选采用所谓的“滴灌管(drip tube)”来供给。
附图说明
[图1]是说明本发明的植物栽培系统的基本方式的例子的示意截面 图。
[图2]是说明本发明的植物栽培系统的其他方式的例子的示意截面 图。
[图3]是说明本发明的植物栽培系统的另一方式的例子的示意截面 图。
符号说明
1：无孔性亲水性膜、2：不透水性材料、3：灌溉单元(不透水性材 料侧)、4：植物栽培用支持体(土壤)、5：抑制蒸发部件、6：灌溉单元(植 物栽培用支持体侧)、7：喷雾阀、8：吸水性材料、9：植物栽培支持体保 持框
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更具体的说明。下面的描述中，如无特 别说明，表示量比的“份”和“％”以质量为基准。
(植物栽培系统)
本发明的植物栽培系统是用于在无孔性亲水膜上栽培植物的植物栽 培系统，该系统包括无孔性亲水性膜和向该无孔性亲水性膜的下表面供 给水或营养液的单元，该系统中未设置装水或营养液的水耕槽，在该系 统中栽培植物。
图1是说明本发明的植物栽培系统的基本方式的例子的示意性截面 图。如图1所示，该方式中，在不透水性材料2上设置了无孔性亲水性 膜1，该无孔性亲水性膜1用于其上设置植物体。
(其他方式1)
图2是说明本发明的植物栽培系统的其他方式的例子的示意性截面 图。如图2所示，该方式中，在不透水性材料2上设置了灌溉单元3(例 如，滴灌管)和吸水性材料8(例如无纺布等)，在它们之上设置无孔性亲水 性膜1。使用这样的灌溉单元3具有有效地向无孔性亲水性膜1供给营养 液的优点。
(附加的组件)
在图2所示的方式中，根据需要可以在无孔性亲水性膜1上接触或 不接触地设置植物栽培用支持体4(如土壤等)和/或不透水蒸汽的抑制蒸 发部件5或半透水蒸汽的抑制蒸发部件5(例如，后述的覆盖材料(mulching material))。使用这样的抑制蒸发部件5能够使从无孔性亲水性膜1向大 气中蒸发的水蒸汽在抑制蒸发部件5表面或者植物栽培用支持体4内部 凝结，从而使植物利用由水蒸汽凝结成的水。另外，通过在无孔性亲水 性膜1下设置吸水性材料8(如无纺布等)，能够向无孔性亲水性膜1均匀 地供给营养液。
另外，根据需要可以在无孔性亲水性膜1上设置间歇供给水或营养 液的灌溉单元6(例如，滴灌管)。设置这样的灌溉单元6的优点是，在植 物通过无孔性亲水性膜摄取的水或肥料成分不足的情况下，可以补充水 或肥料成分。
另外，根据需要，在包括无孔性亲水性膜1的栽培区域的上方设置 间歇地喷洒水、营养液或农药稀释液的喷雾单元7(例如，阀)。使用这样 的喷雾单元7具有能够实现自动化地进行如下间歇喷洒的优点：特别是 在夏季，喷洒冷却水；以叶面喷洒(foliar spray)的形式喷洒用于冷却环境 和供给肥料成分的营养液；喷洒包含喷洒用农药的水或营养液；等等。 图2所示的系统构造中，除上述附加特征以外的构造基本与图1中的相 同。
(其他方式2)
图3是说明本发明的植物栽培系统的其他方式的例子的示意性截面 图。如图3所示，该方式中，将不透水性材料2放置在例如大地土壤上， 以在大地土壤上形成具有预定高度的垄(ridge)。在这样的垄上放置无孔性 亲水性膜1，其中，该无孔性亲水性膜1的边缘部分沿下折，以使其沿由 不透水性材料2形成的垄的侧面向下。为了保护设置在该膜1上的植物 栽培用支持体4(例如土壤等)不从由不透水性材料2形成的垄上掉下，在 该膜1上设置用于保持植物栽培用支持体的保持框(retaining wall)9，即设 置用塑料、木等制作的保持框9，使该保持框9与该无孔性亲水性膜1之 间形成通水的间隙。由此，由于使用了这样的保持框，即使在不具有(诸 如塑料大棚(polytunnel)等)防雨棚的室外使用本发明的系统，也能在降雨 时使过剩的水从无孔性亲水性膜1上侧流掉，这样能够在与如温室等施 设内同样的条件下栽培植物。除上述特征以外的构造，图3所示的系统 构造与图2所示的构造基本相同。
(覆盖材料)
本发明中，可优选使用所谓“覆盖材料”。此处，“覆盖材料”是指 一种诸如膜等材料，该材料被铺设在植物的根、茎等周围以对根或干等 提供遮热、防寒、防干等保护。使用这样的覆盖材料具有提高水分的有 效利用性的优点。
即，本发明的系统中，水或营养液从不透水性材料2的上侧或从设 置在不透水性材料2上的吸水性材料8移动到无孔性亲水性膜1中，然 后水或营养液被与该膜1一体化的植物的根吸收，然而，部分水或部分 营养液存在从膜1的表面以水蒸汽的形式蒸发掉的倾向。为了尽量降低 水蒸汽蒸发到大气中引起的水的损失，可以用覆盖材料5覆盖该膜1(或 作为植物栽培用支持体设置在该膜1上的土壤)的表面。通过覆盖材料5， 能够使水蒸汽在该覆盖材料5的表面或者植物栽培用支持体中凝结成水， 以使植物可以利用由水蒸汽凝结成的水。
(灌溉单元)
灌溉单元3、6(例如，滴灌管)能够用于向植物栽培用支持体(诸如培 土(culture soil)或者大地土壤等)间歇地每次少量地供给水或者营养液，这 样能够在植物栽培中发挥土的缓冲作用。所谓的“滴灌管”是可以在本 发明中使用的灌溉单元的一例，其是由水资源缺乏的以色列开发的，并 且滴灌管可以用于通过滴罐供给植物生长所需的尽可能少量的水和肥 料。
(喷雾单元)
在温室栽培过程中，仅进行遮光或换气作为应付夏季高温的对策是 不够的，但在植物栽培中使用空调存在能量成本增加的可能性。为了解 决这些问题，可以设置喷雾单元7以向植物提供所谓的薄雾浴(mist shower)，薄雾浴是向植物喷洒非常细微的颗粒状的雾化水，该薄雾浴有 助于通过从空气中除去蒸发热来冷却空气。除了降温的目的以外，所述 薄雾浴还是叶面施肥和/或农药喷洒的设备。利用喷雾单元喷洒含有肥料 和/或农药的水可以实现人工的节省。
(植物栽培系统)
在本发明中，该植物栽培系统可以具有各种结构、组件和部件，只 要该植物栽培系统具有上述的构造即可。下面对植物栽培系统的优选方 式进行说明，所述植物栽培系统的优选方式具有实现本发明的特征效果 的优点，例如，省下昂贵的栽培用水耕槽及其架台、校平水耕槽的施工 工程的成本；防止连作土壤衰颓、农药污染、地下水污染、盐分在土壤 表层的蓄积等；高品质植物的生产；以及降低植物的硝态氮含量。
(优选的植物栽培系统-1)
参考如图2所示的示意性截面图进行说明。该方式中，水或营养液 由灌溉单元3(例如，滴灌管)供给到不透水性材料2上侧或设置在该不透 水性材料2上的吸水性材料8，在此之后，水或营养液向设置在不透水性 材料2或吸水性材料8上的无孔性亲水性膜1中移动。植物体的根通过 吸收移动到膜1的水和养分而生长发育。
根据需要，间隙供给水或营养液的灌溉单元6(例如，滴灌管)可以接 触或非接触地设置在无孔性亲水性膜1上。使用这样的灌溉单元6能够 将受控量的水或者营养液供给到植物栽培用支持体4(例如土壤等)，并且 具有在植物通过膜1摄取的水或肥料成分不足的情况下能够补充水或肥 料成分的优点。
此外，还可以在植物栽培系统中设置不透水蒸汽的或者半透水蒸汽 的抑制蒸发部件5(例如，覆盖材料)。使用这样的抑制蒸发部件5能够使 从无孔性亲水性膜1向大气中蒸发的水蒸汽在蒸发抑制材5表面或者植 物栽培用支持体4(例如土壤等)内凝结成水，从而使植物利用由水蒸汽凝 结成的水。
另外，根据需要，可以在无孔性亲水性膜1的上方设置喷雾单元7(例 如，阀)，用于间歇地喷洒水、营养液或农药稀释液。通过使用这样的喷 雾单元7，可以实现自动化地进行如下间歇喷洒：特别是在夏季，喷洒冷 却水；以叶面喷洒(foliar spray)的形式喷洒用于冷却环境和供给肥料成分 的营养液；喷洒包含喷洒用农药的水或营养液；等等。
(优选的栽培系统-2)
在本发明中，为了降低植物中的特定的有害成分(例如，硝态氮)，优 选基本上向无孔性亲水性膜1上侧仅供给水(这是为了避免养分蓄积)。但 是，为了促进如下规定的该膜1与根的“一体化”，优选向该膜1的下表 面供给营养液。
当在无孔性亲水性膜1与根的“一体化”完成之前向该膜1上侧供 给过多水分时，植物从该膜上表面吸收更易被吸收的水，这样降低了从 该膜下表面吸收水分的必要性。结果导致根与该膜1的一体化变难。所 以，优选在根与该膜完成一体化之前不向该膜上侧加过多水分。
另一方面，根与无孔性亲水性膜一体化后，可以在适当的时候向该 膜上侧提供水分/养分。
(本发明的优点)
通过使用具有上述构造的本发明的植物栽培系统，即使没有昂贵的 水耕槽及其架台等，也能避免土壤中的病原菌、线虫等造成的连作土壤 衰颓和土壤中的残留农药引起的植物污染等，昂贵的水耕槽及其架台等 是现有的营养液栽培中所必需的并且需要麻烦的校平水耕槽的施工工 程。
另外，即使土壤表层有盐分的蓄积，由于盐分不与根直接接触，所 以不对植物生长发育产生影响。另外，本发明的系统中，大地土壤被不 透水性材料2覆盖，不透水性材料2防止供给到该膜上的水、营养液泄 漏到土壤中。这样，可以防止肥料对土壤、地下水等的污染。另外，因 为能够通过无孔性亲水性膜容易地控制对植物的水分供给，所以可以通 过增加其营养价值(例如，糖度)来提高植物的品质。
在现有的土耕、滴灌施肥中，供给到大地土壤的肥料成分通过土壤 分散开。这样即使在栽培的最后阶段将供给到植物的营养液换成水，也 难以降低土壤中的肥料浓度，并难以降低植物体中残存的硝态氮量。另 外，营养液栽培中，实际上难以在栽培当中将水耕槽中的营养液换成水。
另一方面，本发明得到的栽培系统具有如下优点：无孔性亲水性膜 1上仅需使用少量客土；仅需将少量营养液或水供给到该膜上侧；在植物 栽培期间能够从营养液换成水；以及能够极简便地降低植物体中残存的 硝态氮量。
(所述系统的各部分的构造)
下面，对本发明的植物栽培系统中的各部的特征进行详细说明。关 于这样的特征(或功能)，必要时可以参考本发明人的专利申请 (WO2004/064499号)中的“发明内容”、“实施例”等。
(膜1)
本发明的植物栽培系统中使用的膜1的特征是“能够与植物的根实 质一体化”。本发明中，膜是否“能够与植物体的根实质一体化”可通过 例如后述的“一体化试验”进行判断。根据本发明人的发现，优选“能 够与植物体的根实质一体化”的膜在水分透过性/离子透过性之间具有如 下所述的特定(specific)的平衡。根据本发明人的认识发现推测，当膜具有 在水分透过性/离子透过性之间的特定的平衡时，能够容易地实现最适合 栽培的植物的生长(特别是根的生长)的水分透过性/养分透过性之间的优 异平衡，这样的平衡能够使所述膜与根实质一体化。
在使用本发明的系统的过程中，植物通过膜1吸收离子形式的肥料， 所述膜的盐(离子)透过性易影响提供给植物的肥料成分的量。优选使用以 电导率(EC)差计具有4.5dS/m以下的离子透过性的膜。电导率(EC)差是以 如下方式测定的：使水通过所述膜与盐水接触(其中水和盐水被放置在被 所述膜隔开的各自的隔室中)；测定所述接触开始4日后的水和盐水的各 自的电导率(EC)；计算出水和盐水的电导率之差。使用这样的膜能够向 根适当地供给水或者肥料溶液，这样易促进该膜与根的一体化。
优选使用具有以耐水压计为10cm以上的不透水性的膜1。这是因为， 使用这样的膜1时，能够促进根与膜的一体化。另外，使用这样的膜具 有易向根供给的足够氧和防止病原菌污染的优点。
(耐水压)
耐水压可以通过基于JIS L1092(方法B)的方法进行测定。本发明的 膜1的耐水压优选为10cm以上，更优选为20cm以上，进一步优选为30cm 以上。具有上述性质的膜1必须是无孔和亲水的。
(水分/离子透过性)
在本发明中，优选上述膜1显示出水和盐水之间测定得到的电导率 (EC)差为4.5dS/m以下，其中，所述电导率(EC)差是利用如下方法测定的， 所述方法包括如下步骤：使水和盐水(0.5质量％)通过所述膜接触；测定 接触开始4日后的栽培温度下水和盐水的各自的电导率(EC)；计算出水 和盐水的EC之差。更优选的是，该电导率之差为3.5dS/m以下，进一步 优选为2.0dS/m以下。该电导率之差优选以如下方式测定。
<实验设备等>
需要说明的是，本说明书以后的部分(包括实施例)中使用的实验设 备、装置和材料(无特别说明的话)是后述的“实施例”一节开始部分所描 述的实验设备、装置和材料。
<电导率的测定方法>
肥料通常是以离子形式被吸收的，所以优选确定溶解在液体中的盐 分(或者离子)量。根据电导率(EC)确定离子浓度。EC也称比电导，表示 将2片截面积分别为1cm2的电极分开1cm的距离时两电极间的电导率。 电导率所使用的单位是西门子(S)，以S/cm来表示溶液中的EC值。但是 肥料液的EC很小，所以在本说明书中使用S/cm的1/1000即mS/cm(国 际单位系统中使用的单位为dS/m，其中d表示十分之一)。实际测定中， 使用滴管在电导率计的测定部位(传感器部分)滴上少量的试样(例如溶 液)，测定上述电导率，从而确定样品的电导率。
<膜1的盐/水透过试验>
将10g市售的食盐(例如，后述的“伯方盐(Hakata no Sio(来自伯方公 司的盐))”)溶解到2000ml水中，制作0.5％盐水(EC：约9dS/m)。使用“滤 水篮盆两件套(sieve basket-bowl set)”进行测定。滤水篮盆两件套包括滤 水篮和盆，其中，滤水篮装在盆里。在滤水篮盆两件套的滤水篮上放置 待测的膜1(尺寸：(200mm～260mm)×(200mm～260mm))，将150g水倒 在滤水篮上的膜上。另一方面，在滤水篮盆两件套的盆中加入150g上述 制备好的盐水。放有膜和水的滤水篮装在放有盐水的盆中，并且所得到 的整个系统用食品用保鲜膜(聚偏二氯乙烯膜，商品名：旭保鲜(Saran Wrap)、旭化成社制造)包住，以防止水分的蒸发。这种状态下，室温静置 该系统，每隔24小时，测定水侧、盐水侧的EC。
本发明中，为了有助于植物的根通过膜1吸收养分(有机物)，优选上 述膜还显示出特定水平的葡萄糖透过性。该葡萄糖透过性可以通过下述 的水/葡萄糖溶液的透过试验进行恰当的评价。在本发明中，上述膜优选 表现出在栽培温度下在水和葡萄糖溶液间测定得到的Brix浓度(％)差为4 以下，其中，所述Brix浓度(％)差是利用如下方法确定的，所述方法包括： 使水和葡萄糖溶液通过该膜(其中水和葡萄糖溶液被放置在被所述膜隔开 的各自的隔室中)接触；在接触开始后第3日(即72小时后)，测定水和葡 萄糖溶液的各自的Brix浓度(％)；然后计算出水和葡萄糖溶液之间的Brix 浓度(％)差。该Brix浓度(％)差更优选为3以下，进一步优选为2以下， 特别优选为1.5以下。
<膜1的水/葡萄糖溶液透过试验>
使用市售的葡萄糖(右旋糖)，制作5％葡萄糖溶液。使用与上述水分 透过性/离子透过性试验相同的“滤水篮盆两件套”。在滤水篮盆两件套的 滤水篮中放置待测的膜1(尺寸：(200mm～260mm)×(200mm～260mm))， 将150g水倒在该膜上。另一方面，在滤水篮盆两件套的盆中加入150g 上述制备的葡萄糖溶液，放有水和膜的滤水篮装在放有葡萄糖溶液的盆 中，整个所得到的系统用食品用保鲜膜(聚偏二氯乙烯膜，商品名：旭保 鲜、旭化成社制造)包住，以防止水分的蒸发。使所得到的系统在室温静 置，每隔24小时用糖度计(Brix meter)测定水侧、葡萄糖溶液侧的糖度(Brix 浓度(％))。
(根与膜1的一体化)
在后述的实施例2的条件(使用蛭石)下进行试验。具体地说，使用2 棵红莴苣(sunny lettuce)幼苗(各带有1片以上主叶)，进行35天的植物的 生长发育试验，从而得到植物/膜1的混合体系(hybrid system)。通过在靠 近植物根的地方切断茎和叶，由此从所得到的植物/膜1的混合体系上除 去植物。由在其上附有根的膜切出试验片，并使各试验片的宽度为5cm(长 度：约20cm)，使植物茎处于各试验片的大致中心。
将市售的夹子装在手提弹簧秤的弹簧吊着的钩子上，用夹子将上述 得到的试验片一端夹住，然后记录手提弹簧秤显示的重量(A克)(对应试 验片的自重)。接下来，用手拿着位于试验片中心的植物茎，慢慢向下方 拉以使根从膜上分开(或脱离)，同时从手提弹簧秤的刻度读出根与膜1分 离(或断开)时的重量(B克)(对应施加的负荷)。该值减去初期的重量(即， (B-A)克)，从而得到5cm宽度的剥离负荷。
本发明中，可以优选使用显示出对上述植物体的根具有10g以上的 剥离强度的膜1。该剥离强度更优选为30g以上，特别优选为100g以上。
(膜1的材料)
本发明中，对能够用作膜1的材料没有特别限制，并且只要膜能够 “与根实质一体化”，可以使用任意的现有材料。所述膜可以是通常被称 为“薄膜(membrane)”的材料。更具体地说，作为这样的膜1材料，可 以使用例如聚乙烯醇(PVA)、赛璐玢、醋酸纤维素、硝酸纤维素、乙基纤 维素、聚酯等亲水性材料。
对上述膜1的厚度也没有特别限制，通常为约300μm以下、更优选 为约5μm～约200μm、特别优选为约20μm～约100μm。
(植物栽培用支持体)
如上所述，在本发明中，任意的现有土壤或培养基均可用作植物栽 培用支持体。作为这样的土壤或培养基，可以举出例如土耕栽培使用的 土壤和水耕栽培使用的培养基。
可以用作植物栽培用支持体的无机系材料的例子包括：天然材料， 例如沙、砂砾、浮石砂等；加工后的材料(例如，高温煅烧品等)，例如岩 石纤维、蛭石、珍珠岩、陶瓷、炭化稻壳等。可以用作植物栽培用支持 体的有机系材料的例子包括：天然材料，例如泥炭苔、椰子纤维、树皮 介质(bark media)、(果实等的)外壳、泥煤(泥炭)、草炭等；合成材料，例 如粒状酚醛树脂等。另外，可以单独使用或以任意组合混合使用上述材 料。另外，还可以使用合成纤维制的编织物或者无纺布。还可以将少量 养分(例如，肥料和微量元素养分)添加到上述的栽培用支持体中。关于添 加到栽培用支持体中的养分，根据本发明人的发现，优选将养分添加到 该膜1上的植物栽培用支持体中，添加的量应使得直到植物的根生长到 能从通过该膜1吸收水或营养液的程度，换言之，直到根与膜一体化的 程度。
(营养液)
对本发明能够使用的营养液(或肥料液)没有特别限制。例如，现有的 土耕栽培或营养液土耕栽培(nutrient fluid cultivation)中使用的营养液均 可用于本发明。
作为水或营养液中包含的无机成分(通常所说的植物生长发育必不 可缺的成分)，对于主要成分可以举出氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁 (Mg)、硫(S)；对于微量成分，可以举出铁(Fe)、锰(Mn)、硼(B)、铜(Cu)、 锌(Zn)、钼(Mo)。此外，对于辅助成分，可以举出硅(Si)、氯(Cl)、铝(Al)、 钠(Na)等。根据需要，还可以加入其他任意的生理活性物质，只要不实质 上妨碍本发明的效果即可。此外，还可以在水和营养液中添加糖质(例如 葡萄糖(右旋糖)等)和氨基酸等。
(不透水性材料)
对不透水性材料没有特别限制，只要是不透水的膜即可。不透水性 材料的例子包括合成树脂、木材、金属和陶瓷等，其形状可以是膜状、 片状、板状或箱状等。
(吸水性材料)
吸水性材料具有向膜1供给水或营养液的功能，并且基本上，只要 能够在其中吸收并保持水，就对吸水性材料没有特别限制。可以是由合 成树脂制成的海绵、无纺布；编织物；植物性的纤维、片、粉末或通常 用作植物栽培用支持体的其他材料，例如泥炭苔、苔藓。
下面通过实施例更具体地说明本发明。
实施例
实施例1
1)试验方法
如下在简易型温室中制备植物栽培系统。在温室内土壤上铺展开宽 1m、长度1m、厚度50μm的聚乙烯膜(大仓工业(株)制售)，在该聚乙烯 膜上设置宽60cm、长度1m的汲水片(capillary sheet)(SR-130、Mebiol(株) 制售)，在汲水片表面上设置从自动灌溉器伸出的总共10个喷嘴，其中各 5个喷嘴以20cm的间隔分别放置在汲水片的相对两侧。然后，在其上设 有喷嘴的汲水片上设置无孔性亲水性膜(厚度65μm的Hymec膜， Mebiol(株)制售)。在该无孔性亲水性膜上放上厚2cm的Super Mix A((株)Sakata Seed制售)作为培土，还将从另一个自动灌溉器伸出的总共 10个喷嘴设置在该培土上。用覆盖膜(该覆盖膜是30μm的Silver Mulch(东 躍兴产株式会社制售))盖住该培土。在该覆盖膜上在一行上以15cm的间 隔开6个X形开孔(through-cut)，在开孔中种苗，然后用培土覆盖开孔， 从而得到栽培系统。
作为对照实验，在水耕槽(内宽45cm、长度1m、深度12～18cm)中 加入30L营养液，将该水耕槽安装在土地上，并且在该水耕槽上设置无 孔性亲水性膜(厚度65μm的Hymec膜，Mebiol(株)制售)。在该无孔性亲 水性膜上放置厚2cm的Super Mix A((株)Sakata Seed制售)作为培土，将 从自动灌溉器的总共10个喷嘴设置在该培土上。用覆盖膜(该覆盖膜是 30μm的Silver Mulch，东躍兴产株式会社制售)盖住该培土。在该覆盖膜 上在一行上以15cm的间隔开6个X形开孔，在该开孔中种苗，然后用 培土覆盖开孔，从而得到栽培系统。
将“Red Wave”红莴苣((株)Sakata Seed制售)的种子在孔板内生长 发育到1～2片主叶的幼苗。穿过覆盖膜的上述6个开孔种植总共6棵幼 苗，进行初次灌溉(primary irrigation)后，开始栽培种上的幼苗。
自动灌溉器：定时自动浇水器，EY4200-H(松下电工(株)制售)
栽培方法：种苗后，从自动灌溉器的喷嘴以200～300mL/日的量向 设置在无孔性亲水性膜下的汲水片供给营养液。在实施例(包括对照实验) 中，使用自动灌溉器实施向无孔性亲水性膜上侧的灌溉(营养液的供给)。 向该膜的上侧的灌溉(营养液供给)量为每1棵苗约20ml。栽培期为种苗 后1个月。
营养液：营养液的EC为1.2dS/m。营养液为0.6g/L大塚House号和 0.9g/L大塚House2号的混合物，并且混合有0.03g大塚House 5号的混 合液。
2)试验结果
如下表1所示，在无孔性亲水性膜下使用吸水性材料的情况下，种 苗后1个月的6棵日本芥末菠菜的总重量为143.6g。另一方面，在使用 水耕槽的对照实验中，种苗后1个月的6棵红莴苣的总重量为163.5g。
[表1]
在膜下提供的营养液 的量(L) 向膜上侧灌溉的量 (L) 叶和茎总重量(g) (6棵植物体) 使用吸水性材料 (本发明) 83.5143.6使用水耕槽 (对照实验)303.5163.5
与使用水耕槽型的对照实验相比，在本发明的植物栽培系统中的收 获量降低了10％左右，但是在无孔性亲水性膜下的营养液用量约为对照 实验中用量的1/4。
除了上述之外，如下说明实验方法。
<pH的测定>
pH的测定利用后述的pH计进行。将用标准液(pH7.0)校正过的pH 计的传感器部分浸在要测定的溶液中。轻轻摇动pH计主体，静置到 LCD(液晶显示器)面板显示的值稳定。读取LCD面板显示的值，由此获 得溶液的pH值。
<Brix浓度(％)的测定>
Brix浓度(％)测定使用后述的糖度计(折射计)进行。用滴管采取部分 待测溶液，滴加到糖度计的棱镜部分，测定后读取糖度计的LCD显示的 值，由此获得溶液的Brix浓度值。
<实验器具等>
1.使用器具和装置
1)滤水篮盆两件套：滤水篮的半径为6.4cm(底面的面积约130cm2)
2)泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)制箱：尺寸55cm×32cm×15cm
3)托盘电子秤：最大1kg、(株)Tanita制售
4)弹簧秤：最大500g、(株)鸭下精衡所制售
5)杆秤(post scale)：POSTMAN 100、丸善(株)制售
6)电导率计：Twin Cond B-173、(株)堀场制作所制售
7)pH计：pH pal TRANS Instruments，Gunze Sangyo(株)制售；
便携pH计(Twin pH)B-212，(株)堀场制作所制售；和
8)糖度计(折射计)：PR201、(株)Atago制售
2.使用的材料
(土壤)：
1)Super Mix A：含约70％水分和微量肥料的培土、(株)Sakata Seed 制售
2)岩石纤维：农用粒状棉66R(细粒)、日东纺(株)制售
3)蛭石：GS型、NITTAI株式会社制售
(膜)：
4)聚乙烯醇(PVA)膜：AICELLO化学(株)制售、厚度40μm
5)双向拉伸PVA膜：BOVLON、日本合成化学工业(株)制售
6)亲水性聚酯膜：杜邦社(株)制售、厚度12μm
7)可浸透性赛璐玢：(用于熏干)((株)东急手(TOKYU HANDS)制售)
8)赛璐玢：二村化学工业(株)制售、厚度35μm
9)微孔性聚丙烯膜：PH-35、(株)Tokuyama制售
10)无纺布：Shaleria(超细纤维制无纺布)、旭化成(株)制售
(苗用种子)
11)红莴苣的种：“Red Fire”、TAKII种苗(株)制售
(肥料)：
12)HYPONEX原液(stock solution)：(株)HYPONeX JAPAN制售
13)大塚House 1号、2号和5号：大塚化学(株)制售
(其他)：
14)伯方盐：伯方盐业(株)制售
15)葡萄糖：Glucose 100、(株)E.S.NA制售
实施例2(根与膜1的一体化)
研究了肥料浓度对根与膜的一体化现象的影响。营养液使用 HYPONEX 100倍稀释液、HYPONEX 1000倍稀释液和水(自来水)，比较 其效果。
在约20cm×20cm的无孔性亲水性膜(PVA)上设置蛭石或岩石纤维约 300ml作为土壤。对于以下6种实验条件，在该土壤内种植2棵红莴苣的 幼苗(各幼苗主叶多于1片)。准备2种土壤、3种营养液的组合，即总共 6种不同的实验条件。营养液用量为300ml。在膜(PVA)上放上约2cm厚 的土壤。实验在温室内进行，并使用自然光。实验期间的温度为0～25℃、 湿度为50～90％RH。
栽培开始起13日后和35日后分别测定水分蒸发量和营养液的EC 值。35日后测定上述“剥离强度”，“剥离强度”是评价根与膜的一体 化现象的标准。
上述使用的实验条件总结如下。
1.实验
1)膜：PVA 40μm(Aicello Chemical Co.，Ltd.)200×200mm
2)苗：红莴苣幼苗(主叶多于1片)
3)土壤：蛭石(细粒)或岩石纤维66R
4)营养液：水、HYPONEX原液的100倍稀释水溶液或1000倍稀释 水溶液
5)器具：滤水篮盆两件套
6)实验地点：温室(无温度湿度控制)
7)实验方法：将膜(200×200mm)放在滤水篮中后，在该膜上放上 150g(水分73％、干燥重量40g)蛭石或者200g(水分79％、干燥重量40g) 岩石纤维，在其中种2棵苗。将所得到的滤水篮放置在盛有240～300g 营养液或240～300g水的盆中，使该膜与该营养液或者水接触，从而栽 培幼苗。
8)栽培期：10月29日～12月4日
将上述实验得到的结果列于表2。
在表2中，给出两个EC值，它们是“液肥追加前的EC/液肥追加后 的EC”。
[表2]
(对实验结果的描述)
由上表可知，与在膜下供水得到的结果相比，向膜下表面供给营养 液时，不仅植物的生长发育明显改善了，而且根与膜的一体化明显提高。 该结果表明植物通过膜不仅吸收了水还吸收了肥料成分。另外可以认为， 为了通过膜有效地吸收水和肥料成分，根必须与膜表面牢固结合，其结 果根与膜一体化了。
实施例3(盐和水透过试验)
根据上述的<膜1的盐/水透过试验>一节中所述的方法进行各种膜的 盐和水透过试验。所使用的膜是PVA膜、BOVLON(双向拉伸PVA膜)、 亲水性聚酯膜、赛璐玢膜、PH-35膜、超细纤维的无纺布(Shaleria)这6 种。上述实验得到的结果汇总于表3。
[表3]
盐水的EC(dS/m)
日PVA膜 和盐水BOVLON和盐 水 亲水性聚酯膜和 盐水 赛璐玢膜和 盐水 PH-35膜和盐 水 无纺布和 盐水 0日9999991日6.28.25.85.39.14.72日5.17.65.14.894.83日57.554.89.14.94日4.97.154.894.9
水的EC(dS/m)
日PVA膜和 水 BOVLON膜 和水 亲水性聚 酯膜和水赛璐玢膜和 水 PH-35膜和 水 无纺布和 水 0日0.20.20.20.20.20.21日3.713.84.20.23.82日4.51.84.54.70.24.63日4.82.24.84.70.24.84日4.82.74.84.80.24.8
(对实验结果的描述)
在被测的6种膜之中，盐的透过性大的是超细纤维的无纺布 (Shaleria)、PVA膜、亲水性聚酯膜和赛璐玢膜。盐的透过性小的是 BOVLON。完全没有盐的透过性的是微孔性聚丙烯膜(PH-35)。从适合用 于本发明的膜的盐透过性的角度出发，实验结果表明微孔性聚丙烯膜 (PH-35)是不合适在本发明中使用的。
实施例4
(右旋糖透过试验)
根据上述的<葡萄糖(右旋糖)透过试验>方法进行各种膜的右旋糖透 过试验。所使用的膜是PVA膜、BOVLON(双向拉伸PVA膜)、赛璐玢膜、 浸透性赛璐玢膜、PH-35膜这5种。上述实验得到的结果汇总于表4。
[表4]
Bix浓度(％)的经时变化
时间 (小时)PVA/ 水体 系 PVA/ 糖体 系 赛璐 玢/水 体系 赛璐 玢/糖 体系 浸透性 赛璐玢 /水体 系 浸透性 赛璐玢 /糖体 系 PH-35/ 水体系 PH-35/ 糖体系 BOVLON/ 水体系 BOVLON /糖体系 004.904.904.904.904.923.50.93.81.33.41.5304.804.936.51.33.222.82.22.804.904.947.51.73.12.22.62.32.604.904.960.51.82.82.42.62.42.604.804.971.52.12.82.52.52.52.604.904.8852.22.72.52.62.52.60504.795.52.32.62.62.52.62.604.90.14.7119.52.42.62.52.52.52.504.90.24.5
(对实验结果的描述)
在被测的5种膜之中，PVA膜、赛璐玢膜和浸透性赛璐玢膜的右旋 糖透过性好，但BOVLON几乎没有右旋糖透过性。另外，PH-35完全没 有透过性。由该结果可知，从右旋糖透过性的观点出发，适合用于本发 明的膜是PVA膜和赛璐玢膜。
实施例5(耐水压试验)
如上所述，通过基于JIS L1092(方法B)的试验，进行200cm H2O的 耐水压试验。
(实验结果)
[表5]
膜种类耐水压(cm H2O)PVA膜(40μm)200以上双向拉伸PVA膜(BOVLON)200以上赛璐玢膜200以上亲水性聚酯膜200以上超细纤维的无纺布0
(对实验结果的描述)
在本发明中，具有良好的耐水性的膜的一个重要作用如下：防止了 该膜下侧的水通过膜浸渗到该膜上侧，浸渗过的水会使植物不必通过该 膜吸收水或营养液，由此具有良好的耐水性的膜增强了根与膜的一体化。 此外，该膜还必须同时防止膜下面的微生物、细菌类、病毒类对植物的 污染。根据本实验结果可知，从膜的耐水压的观点出发，其中有孔的无纺 布(像超细纤维的无纺布那样)和编织物不适合作为能够用于本发明的膜。
如上述的实施例2、3、4、5所示，具有盐和右旋糖的理想的透过性 且具有理想的耐水性的膜限于由PVA、赛璐玢、亲水性聚酯等材料制成 的无孔性亲水性膜。仅当利用该无孔性亲水性膜时，根与膜之间就能实 现一体化。
产业上的可利用性
在本发明的植物栽培系统中，植物的根与大地土壤被膜相互隔开， 不直接接触。即使当大地的土壤被病原微生物、病原菌污染时，这些微 生物、细菌也不能透过该膜，从而不接触根。因此，本发明能够避免连 作土壤衰颓等植物污染。另外，例如即使当大地土壤被残留农药等污染时， 使用本发明的系统能够通过使大地土壤与根隔开来减轻对植物的污染。