无土栽培领域发展态势研究

摘    要： 无土栽培是现代化农业中先进的栽培技术，在设施蔬菜种植中得到广泛应用，是解决保护地蔬菜生产土壤连作障碍问题的重要方式。据统计全球蔬菜无土栽培面积已达到19.7万 hm2。无土栽培也是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径，是未来农业的重要发展方向。全面掌握无土栽培领域的总体状况、技术热点及未来发展趋势，对无土栽培领域的技术创新及产业发展具有重要作用。通过对无土栽培领域的专利数据进行全球发展趋势、地域布局、技术构成等方面的系统分析，明确全球无土栽培领域研发状况、发展趋势以及我国存在的不足之处，并挖掘了当前无土栽培领域的科技前沿热点，指出我国应加强的研发方向。

关键词： 无土栽培； 专利； 技术领域； 发展趋势

中图分类号： S317+G306 文献标志码： B 文章编号： 1673-2871（2023）04-139-10

Research on the development trend of soilless cultivation

CHEN Yiying1， LUO Yujun1， SHI Zixuan1，  SUN Huijun1，2，3

（1. Library， China Agricultural University， Beijing 100193， China; 2. International Agricultural Science and Technology Information Research Center， National Institute for Agriculture Science and Technology Strategy of CAU， Beijing 100193， China; 3. National Intellectual Property Information Service Center of China Agricultural University， Beijing 100193， China）

Abstract： Soilless cultivation is an advanced cultivation technology in modern agriculture， which has been widely used in protected vegetable planting. It is an important way to solve the problem of soil continuous cropping obstacles in vegetable production in greenhouse. According to statistics， the soilless cultivation area of vegetables in the world has reached 197 000 hm2. Soilless cultivation is also an important way to solve the problems of food security， population， resources and environment in the 21st century， and an important development direction of agriculture in the future. Researchers， administrative departments and related enterprises having a comprehensive grasp of the overall situation， technical hotspot and future development trend of soilless cultivation field is of great importance to the technological innovation and industrial development of soilless cultivation field. Through the systematic analysis of the global application trend， regional distribution， technical composition， patentee， patent operation and patent value of patent data in the field of soilless cultivation， this paper clarified the global research and development status and trend of soilless cultivation and the shortcomings in China， excavated the current scientific and technological frontier hotspots in the field of soilless cultivation， and pointed out the research and development direction that China should strengthen.

Key words： Soilless culture;  Patent; Technology composition; Development trend

无土栽培（soilless culture）是一种不用天然土壤种植植物的栽培技术，它是将植物栽培在一定装置的含植物生长发育所必须营养元素的营养液中，或者栽培在充满营养液的用砂、砾石、蛭石等非土壤的基质材料做成的栽培床上，能够使植物正常地完成生活周期的种植技术[1]。无土栽培在设施蔬菜种植中得到广泛应用，据统计，2019年全球蔬菜无土栽培面积达到19.7万 hm2 [2]。改革开放以后，无土栽培在我国开始蓬勃发展，截至2018年，我国无土栽培面积高达6 250.5 hm2，预计到2023年种植面积将增长到16 561.3 hm2[3]。我国无土栽培技术大多用于黄瓜、番茄、叶用莴苣、甜瓜、甜椒等蔬菜作物的生产[4]。无土栽培的方式有水培、基质培和雾培[5]。其中，基质培为主要栽培形式[6-7]。基质培的基质有沙、砾、锯末、泥炭、蛭石、珍珠岩、岩棉等[8]。

全球农业发展面临气候变化、农药化肥的过度使用等导致的土壤退化、病虫害以及食品安全重大问题，干旱胁迫也已成为限制全球农业生产的主要因素[9-10]，无土栽培可以克服土壤栽培易产生的土传病害等多种问题[11-12]，还可以解决保护地蔬菜生产土壤连作障碍问题，尤其对生长期较长的果菜类生产极为友好，能有效防止连作造成的病原菌积累导致的病害流行，大幅度提高产量。当前，基质培是瓜菜、果菜无土栽培中的主要方式，在解决土壤泛盐、土传病害等问题中发挥了重要作用[13-15]。无土栽培技术已成为瓜菜栽培技术研究的主攻方向[16]。

全球人口快速增长，食物需求激增，粮食安全备受挑战[17]。无土栽培无需占用土地资源，在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大楼里均可进行正常生产，不受气候环境制约，可以实现周年种植[18]。无土栽培技术可以源源不断地为人类生产所需要的农产品，产量更高，果菜类蔬菜产量为土壤栽培的数倍甚至数十倍[19]。因此无土栽培被认为是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径，同时也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。无土栽培必将成为未来农业的重要发展方向[4]。

虽然近几年我国无土栽培领域飞速发展，但是由于我国无土栽培起步较晚，现阶段我国发展的新型无土栽培技术大多处于规模较小的试验示范阶段，与国外成熟的无土栽培技术体系、大规模的植物工厂模式以及广泛的市场认可度相比，存在一定差距[3]。此外，因缺乏技术、工艺、经验等支撑，规模化、高效的无土栽培生产一直是我国的短板[20]。随着我国政府重视程度和科技竞争力的提高，目前我国无土栽培技术也进入了自主研发设计及应用的历史阶段，无土栽培正在朝着大规模生产、智能化管理和高经济效益的方向发展[21]。

无土栽培是技术含量高和应用性强的领域，适合通过专利布局构建技术壁垒和抢占先进农业市场，发达国家已经大规模向我国进行该领域的技术扩张。基于此，笔者在本文中通过国内外专利数据的系统分析，揭示无土栽培领域全球申请趋势、地域布局、技术构成、主要发明人及龙头企业等情况，挖掘研发热点并对未来发展趋势进行研判，为政府管理部门相关制度的制定、高校及科研院所的技术研发，以及相关企业的技术布局及发展方向的调整提供参考依据。

1 数据来源

2022年10月通过incoPat专利数据库进行专利数据采集。incoPat是被广泛认可的专利检索和分析工具，收录全球120个国家/组织/地区的一亿多件基础专利数据，拥有专利全文，数据字段完善，数据质量高。为了保证查全率和查准率，采用中英文检索词混合检索策略，并使用国际专利分类（IPC分类）以及欧洲专利局和美国专利商标局共同开发的联合专利分类体系（CPC分类）进行技术领域的限定，共获得1934—2022年10月间无土栽培领域专利40 318件，经过人工去噪及申请号合并去掉重复数据后得到34 575件专利。专利数据的分析工作除了使用incoPat自带的分析功能，还结合DDA、Excel等工具开展深入计量分析和可视化分析。

2 研究结果与分析

专利申请数量能够反映一个领域的技术发展程度及其发展水平[22]。申请趋势的年度变化可以揭示该领域不同阶段发展的快慢以及受到学界和企业等关注的程度。通过进行专利的地域布局分析，可以了解世界各国专利发展情况，获取不同国家产业发展决策的重要信息进而促进技术研发的方向科学调整[23]。对领域内技术构成的分析，可以了解技术领域的组成及国际前沿热点，并对未来发展趋势进行研判，以掌握技术领域的全局状况[24]。

2.1 总体发展趋势

无土栽培领域全球专利申请趋势年度变化情况如图1所示，无土栽培领域的技术研发起步较早，1934年，无土栽培领域的专利申请已经开始，第一件专利是美国的“一种无土栽培育苗及发芽种子的方法”的发明专利，但之后约40年一直处于止步不前的状态。从1974年开始专利技术的发展有抬头的趋势，直到2007年，专利数量急速增长，2018年达到峰值。由于专利从申请、审查到公布存在一定的时滞，可能导致2019年之后的数据不全，不能真实反映专利变化趋势，因此2019年之后的数据仅供参考。

2.2 全球地域布局

无土栽培领域全球专利申请数量前十国家技术拥有量和专利布局情况如表1所示，专利申请数量可以体现一个国家的技术拥有量，专利公开数量体现本国和其他国家在本国的专利布局情况。由于荷兰、以色列在无土栽培领域发展突出，在表1中加入荷兰、以色列。可以看出，我国在无土栽培领域专利申请数量最多，其次为日本、韩国和美国。我国技术拥有量较大，但是我国严重缺乏国外专利布局，在别国公开专利数量仅为285件，国外专利布局数量仅占申请数量约1.4%。而美国在别国公开数量为1270，占专利申请总数的55.3%，可见美国极为重视国外专利布局，在其他国家布局了大量专利。英国、意大利也十分重视国外专利布局，意大利对国外专利布局量占技术拥有量比例高达79.2%，英国高达62.6%。此外，中国被日本布局的专利最多，是日本在无土栽培领域国外专利布局数量第二的国家，因此中国是日本无土栽培领域的第二大市场。

荷兰和以色列在无土栽培领域上世界领先，但是专利申请数量并不多，分别为154和73件，但在国外布局的专利比例较高。荷兰国外专利布局量占技术拥有量的55.2%，高于俄罗斯和西班牙，与美国基本持平；以色列国外专利布局量占技术拥有量的69.9%，远高于俄罗斯、西班牙和美国。可以看出荷兰和以色列较为重视国外专利布局，同时也说明荷兰、以色列在无土栽培领域的专利申请质量较高，因此在专利数量较少的情况下仍能处于全球领先地位。

PCT是《专利合作条约》（Patent Cooperation Treaty）的英文缩写，是有关专利的国际条约。根据PCT的规定，专利申请人可以通过PCT途径递交国际专利申请，向多个国家申请专利。经济合作与发展组织（OECD）国家已将PCT申请作为衡量世界技术前沿具有重要的技术和经济价值的技术创新的重要指标[25]。PCT申请数量前五国家的情况如表2所示，可以看出日本和美国PCT申请数量远高于其他国家，美国PCT申请数量在专利申请总数中占比约15.6%。我国20 795件专利中，提出PCT申请的仅有84件，占比0.4%，说明我国无土栽培领域国外专利布局意识较为缺乏。我国与美国、日本在无土栽培领域的PCT专利申请数量变化趋势的比较如图2所示。可以看出，美国2014—2019年PCT申请数量总体上呈上升趋势，尤其2017—2019年上升趋势极为明显，说明美国越来越注重国际专利的申请，拓展国际技术布局，积极开拓国际市场。日本2014年PCT申请数量达到峰值，之后逐年下降，从2019年开始被中国超越，说明日本在该领域的国际发展重视程度有所下降，而中国则在逐渐加强。