行家小课堂｜气雾培养：让植物不靠土壤也能高效生长

人在太空长期生活，离不开食物、氧气和水。未来要开展载人深空探测、在地球之外建立长期驻留的“家”，就不能只靠从地球运送物资，而要构建一个能让食物、氧气和水三个回路闭合循环的系统，实现有限资源在密闭环境中循环再生，从而摆脱对外部补给的单一依赖。

这个系统就是受控生态生保系统（CELSS），该系统以生物再生技术为核心，将非再生技术与物化再生技术有机融合，依靠植物、微藻、动物和微生物等功能单元协同运作，满足深空探测任务中人类对生保物资的需求。

CELSS构成原理示意图

在这些协同运作的功能单元中，植物的作用远不止“端上餐桌”，它是支撑系统物质循环的关键功能单元，还可以吸收二氧化碳、再生氧气、去除微量有害气体，并缓解航天员的心理压力。

不过，太空环境对植物培养并不友好：微重力、强辐射等因素，加上空间受限、无法利用自然阳光、根系失去向地性，植物的生长发育规律会明显改变。要在这样的极端环境里种好菜，就得先弄清“怎么种”。

在地球上，植物扎根土壤；在太空，土壤却是“奢侈品”——分量不轻、难以更换，还会带来卫生和安全问题。因此，空间植物培养普遍采用无土栽培技术，即用营养液，或用固体基质加营养液（或固体肥料）来栽培。

从历次空间搭载看，大多数系统采用固体基质加固体肥料（多为控释肥），这种方式在微重力下容易实现根部水分和养分输送，国际空间站上的VEGGIE（Vegetable Production System）、APH（Advanced Plant Habitat）等装置和中国空间站上的第二代空间植物栽培装置均采用基质培养方式。但在植物换茬时，需替换新的栽培基质，而旧栽培基质会形成固体废弃物。

中国空间站的第二代空间植物栽培装置

相比之下，营养液培养不存在固体废弃物问题。按植物根系的“居住环境”，可分为两种：一种是水培，根系直接生长在营养液中；另一种则是气雾培养，即根系生长在含营养液的潮湿空气（气雾）中。

气雾培养是一种新型无土栽培模式：根系生长在封闭、不透光的空间中，营养液经雾化器处理形成雾状，间歇性均匀地喷至根系，使根系保持湿润；细雾在喷向根系的同时充分接触空气，植物便从附着在根系表面的营养液膜中获取生长所需的水分和养分。

与其他模式相比，它的优势相当突出。首先是“省”：它可以有效减少八成以上水分供应量，是最节水的栽培模式，同时养分利用率更高，能减少六成以上养分供应量；其次是“巧”：便于立体式、垂直化栽培，可提高空间利用率；第三是“快”和“好”：植物生长快、产量高、周期短，还能减少硝酸盐累积，提升作物品质。此外，它对病虫害的控制能力更强，可避免连作障碍；根系完全裸露，也便于随时观察根系生长情况，利于开展科学研究。

气雾培养技术很好地解决了植物根系生长所需的水、肥和气条件，而这也是该培养方式的关键技术和难点技术。

从水分供应来看，气雾培养需要使根系处于持续湿润状态，因此要每隔一定时间对根系进行营养液喷雾。喷雾时长、间隔、高度和角度等参数，都需根据植物面积、种类和生长阶段进行调整，同一植物在不同阶段往往需要设置不同方案。

而在太空种植，还需要考虑微重力环境对水分供应（包括氧气供应）的影响。在微重力下，根系与环境之间的大气边界层会加厚，物质交换（如呼吸）会受到一定影响，而喷施到根系表面的营养液会进一步加重这一效应。因此，需要对营养液气雾喷施的各项参数进行充分验证和必要调节，同时使根系区域氧气浓度实时保持在合理范围内，必要时进行通风，及时排走根系呼吸产生的二氧化碳、补充氧气。

从养分供应来看，营养液配方是满足不同植物气雾培养需求的关键，它基于霍格兰溶液配方，针对不同植物进行改良而成。在太空环境中，营养液需要循环使用（含有根系分泌物），且配制营养液所用的水是系统处理后的废水（含表面活性剂）。因此，这些“配方之外”的成分对植物的影响，都需要提前开展研究。

气雾培养技术虽是最先进的植物无土栽培技术，但就地面应用情况看，局限于投资成本、技术难度和管理成本等因素，主要应用于一些根茎类植物、药用植物、经济价值较高的植物和濒危植物，如马铃薯、薄荷、蓝莓、西瓜、生菜和水稻等。

技术究竟如何，最终还要到太空里验证。目前，国内外空间站均已开展具有代表性的气雾培养在轨测试。

美国摩海德州立大学研制的“Space Tango”采用低压超声波雾化方式供水，并通过“海绵空腔加灯芯”的两级储水罐设计，解决雾化器持续供水难题。2018年5月，这套系统安装至国际空间站的EXPRESS机柜，用于观察营养液喷雾的流体状态和测试植物生长状况，并先后开展西兰花、羽衣甘蓝的种子萌发与气雾培养研究，为评估微重力下气雾栽培的有效性提供了数据支撑。

美国国家航空航天局开发了根暴露在轨测试系统，简称XROOTS。2022年4月，XROOTS上行至国际空间站，用于评估植物整个生长周期的营养液气雾输送与回收技术。栽培试验持续6个月，共开展4轮，先后以气雾方式培养了樱桃萝卜等6种植物，证明了在微重力环境中采用气雾栽培种植植物的可行性，为优化气雾培养系统在轨大规模植物栽培设计奠定了重要基础。

NASA航天员利用XROOTS装置开展空间植物学研究

中国空间站内同样开展了微重力环境下植物气雾高效培养关键技术验证。由中国航天员科研训练中心研制的植物气雾培养装置于2025年7月搭乘天舟九号货运飞船上行至中国空间站，“天宫菜园”再添一项新装备。依托它，科研人员可系统开展植物高效栽培、果蔬生产与评价、大气再生能力与效率、植物在轨照料模式等多项研究。

中国空间站的植物气雾培养装置

在神二十一乘组照料下，樱桃番茄经过三个多月生长，于今年春节迎来丰收，航天员对成熟果实进行拍摄后小心采收、仔细封装。这是我国首次在空间站实现植物气雾培养。

神二十一乘组在轨采收太空番茄

当前，神二十三乘组正持续开展植物栽培在轨验证相关试验，让我们共同期待“天宫菜园”喜获丰收。

神二十三乘组使用“气雾培”开展实验