摘要
有机农业实践，包括使用有机栽培介质、生物农药和生物控制方法，在受控环境下的无土作物生产中越来越受到关注，这主要是由于环境意识提高以及潜在的经济效益。然而，无土系统中的植物营养仍然严重依赖合成肥料（SFs），其生产过程能耗高，过量使用时可能导致环境污染。液体有机肥料（LOFs）源自植物、动物和其他有机废弃物，是一种有前景的替代品。尽管具有这种潜力，但由于对生产因素了解不足、性能不确定性以及应用方面的挑战，其采用仍然有限。本系统综述综合了77篇以上同行评审研究的发现，揭示了LOFs营养成分因配方、原料和处理方法的不同而存在显著差异。报道的氮含量范围为0.74至11,000毫克/升，磷含量为0.22至4,000毫克/升，钾含量为4.5至53,000毫克/升，pH值介于4.6到8.1之间。基于基质的系统的作物产量通常与使用SFs的产量相当，而在NFT和DWC系统中观察到15%至65%的产量减少。研究表明，当应用有机肥料溢价时，利润率可高达41%。总体而言，如果配方和管理得当，LOFs在无土栽培中展现出巨大潜力。解决应用中的挑战，如生物膜形成、灌溉管道堵塞、营养成分变化和释放不一致等问题，对于扩大LOFs的应用范围以及推动可持续和有弹性的无土作物生产至关重要。其他可能的关键应用障碍还包括营养矿化追踪、形成动力学、微生物抗性、监管框架和经济韧性方面的研究需求。
1 引言
无土植物栽培（也称为水培）是指在没有土壤的情况下进行植物生产（Gebreegziher, 2023; Gruda, 2022）。虽然这种农业实践可以追溯到几百年前，但现代无土植物栽培技术直到20世纪中叶才流行起来（Resh, 2016）。无土栽培大致可分为两种主要类型：“液体培养”和“基于基质的”系统（Tüzel et al., 2019）。在液体培养系统中，如营养膜技术（NFT）、深水培养（DWC）、潮汐灌溉和气雾栽培中，根系直接与营养液接触。在基于基质的系统中，植物生长在惰性多孔材料中，常见的基质包括泥炭藓、蛭石、珍珠岩或椰壳纤维，营养液直接施加到基质上（Haggag et al., 2020; Shaik and Singh, 2022）。这两种系统相比土壤栽培具有多种优势，使其成为现代农业，特别是受控环境农业（CEA）和城市农业计划的 increasingly 有吸引力的选择。无土栽培促进了植物生长的均匀性和产品质量，同时实现了水和营养的精确高效利用，从而减少了资源浪费（Gartmann et al., 2023; Halbert-Howard et al., 2021; Regmi et al., 2024）。它允许在非耕地或城市地区进行作物生产，通过控制条件减少害虫发生率，并支持高密度种植以最大化空间利用和产量（Gonnella and Renna, 2021; Fussy and Papenbrock, 2022; Bihari et al., 2023; Palmitessa et al., 2024）。这些优点共同提高了现代农业系统的生产力、经济效益和可持续性（Mununga et al., 2024）。无土系统中的成功粮食作物生产主要依赖于水和营养的精确管理，必须确保在最佳pH范围内提供所有必需元素以保证养分供应（Park and Williams, 2024; Regmi et al., 2024）。任何不平衡或不足都可能严重影响植物在生长期和生殖期的表现，最终导致作物产量下降（Guntara et al., 2021）。大多数水培种植者依赖合成肥料（SFs）来满足作物的营养需求。由于灌溉设备的多样性和缺乏知识，这些肥料的供应量通常超过植物所需量的20%至30%（Dincă et al., 2022）。虽然SFs能有效促进植物快速一致的生长，但其生产、过度使用以及高浓度营养液的直接排放对环境和人类健康构成严重风险，特别是当这些物质渗入地下水时（Chowdhury et al., 2021）。此外，SFs的生产过程能耗极高，因为生产氮肥的主要方法是哈伯-博施（H-B）工艺。在该过程中，大气中的氮气（N2）在高温高压下与氢气（H2）反应生成氨（NH3），二氧化碳（CO2）和水（H2O）为主要副产品（Walling and Vaneeckhaute, 2022）。H-B工艺占全球氨供应的96%以上，其中88%用于生产肥料（Smith et al., 2020; USGS, 2021）。该过程约占全球能源消耗和温室气体排放的1%至2%（Patil et al., 2016）。除了环境影响外，SFs的高成本也给小型或资源有限的种植者带来了经济挑战（Colt and Schuur, 2021）。这些因素凸显了无土系统中更可持续的营养管理解决方案的迫切需求。开发和整合液体有机肥料（LOFs）提供了一个具有潜在较低环境和经济成本的可行替代方案。为了解决生态和健康问题，必须探索无土系统的可持续营养替代品，如LOFs、生物肥料、缓释或控释肥料（Mitter et al., 2021）以及基于技术的办法，包括实时营养监测、智能施肥系统和基于AI的营养管理策略（Ahamed et al., 2025）。其中，LOFs因其与现有灌溉系统的兼容性、生产的便利性以及对资源回收的贡献而受到关注。LOFs是从生物来源的材料（如植物残余物、动物粪便、消化物和农业工业副产品）中提取的营养液，以溶解或部分矿化的形式提供大量和微量营养素，适合植物吸收（Huang et al., 2022; Dewi et al., 2019; López-Rubio et al., 2025; Upendri and Karunarathna, 2021）。除了提供营养外，LOFs还被视为合成肥料的有希望的替代品，因为它们支持废物利用，减少了对化石燃料密集型营养生产路径的依赖，并符合CEA的循环经济原则。LOFs的生产流程如图1所示，包括原料收集和生物处理、配方、整合到无土系统中以及利用残渣作为生产投入（Alneyadi et al., 2024; Szekely et al., 2023）。
图1 无土栽培系统中液体有机肥料（LOFs）的循环生产和应用流程，涵盖原料收集和预处理、生物处理（好氧消化、厌氧消化和发酵）、配方和稀释、作物施用以及残渣废物流的回收作为生产投入。
尽管LOFs具有明显的可持续性优势，但将其整合到无土栽培中在技术上仍然复杂。营养成分、微生物动态和营养液稳定性可能因原料特性、处理条件和灭菌技术的不同而有所差异（Green, 2015; Panday et al., 2024; Dsouza et al., 2021）。这些问题强调了在将LOFs整合到液体培养和基于基质的园艺系统时需要精心配方、质量控制和管理微生物。然而，通过减少对SFs的依赖，LOFs的整合有助于降低食品生产的碳足迹，同时促进资源回收和循环生物经济实践（Gebreegziher, 2023; Pinstrup-Andersen, 2018）。因此，本综述的目的是探讨液体有机肥料在无土栽培中的潜力，重点关注其来源、生产方法、在CEA中的表现、面临的挑战以及未来前景。
2 综述方法
本系统综述的搜索策略遵循了《系统综述和荟萃分析的优先报告项目》（PRISMA）指南，如图2所示。在两个主要的学术数据库Web of Science（n = 129）和Scopus（n = 177）中进行了结构化文献搜索，并通过Google Scholar和肯塔基州立大学（KSU）图书馆（n = 100）进行了手动搜索。搜索结果共获得406条记录。所有数据库中一致应用了以下布尔搜索字符串：“liquid organic fertilizer” AND (“hydroponics” OR “soilless culture” OR “controlled environment agriculture” OR “substrate culture” OR “aeroponics”）。搜索范围覆盖了截至2025年的所有出版物，没有设定截止日期。所有检索到的记录被导入Microsoft Excel进行系统处理。去除重复记录后，剩余326条独特记录进行筛选。然后进行了摘要筛选，排除了200条不符合纳入标准的记录，具体包括非开放获取、非英语撰写或非原创研究输出（综述、社论和会议摘要）。在对剩余126条记录进行全文评估时，又排除了30条因未提供肥料类型直接比较或缺乏足够定量数据的研究。在进入资格阶段的96条记录中，通过质量评估进一步排除了19条因实验设计不明确或营养成分报告不完整的记录。最终有77篇同行评审研究符合所有纳入标准，被纳入本综述。
图2 PRISMA流程图展示了本综述中使用的系统文献搜索和筛选过程，显示了从406条识别记录逐步减少到最终纳入的77篇研究的步骤。
图3 展示了2010年至2025年间四个主要数据库（Web of Science、Scopus、Lens和Dimensions）中关于LOFs的出版物数量的趋势，显示出对可持续替代SFs的兴趣日益增加。2025年的出版物数量明显减少可能是由于该年度尚未完全索引最新文章。为了进一步可视化该领域的主题互动，使用VOSviewer软件（版本1.6.20，荷兰莱顿大学）生成了一个网络图（图4），其中包含出现频率最高的33个关键词（至少出现六次）。这些关键词被分为四个簇，以反映其在出版物中的频率和主题关联。绿色、蓝色、红色和黄色簇分别代表无土作物生产、营养管理、植物对废物处理的响应和物理化学性质以及营养元素与循环经济。最相关和高度关联的关键词位于地图中心，反映了它们在文献中的普遍性，而关联程度较低或次要的关键词位于边缘。总体而言，该可视化图表表明，该领域的驱动力是通过将废物利用整合到无土农业系统中来实现可持续农业。
图3 基于从Web of Science、Scopus、Lens和Dimensions数据库检索的记录，2010年至2025年间关于无土作物生产系统中液体有机肥料（LOFs）的研究年度出版趋势。
图4 VOSviewer共现网络图显示了LOF-无土栽培文献中出现频率最高的33个关键词（至少出现六次），分为四个主题簇。
3 LOFs的来源和营养成分
LOFs可以从多样化的有机原料中生产，包括植物提取物（作物废弃物、堆肥提取物和植物水解物）、动物来源的材料（粪便、鱼乳液和血液或骨提取物）、沼气消化物、酒糟副产品和海藻（Bergstrand et al., 2020; Andrade et al., 2022; Guntara et al., 2021; Muthu et al., 2023; Pathom-aree et al., 2024）。通过厌氧或好氧过程以及发酵（在厌氧或微需氧条件下微生物分解）生产，LOFs含有丰富的必需大量和微量营养素、植物激素、氨基酸、有机酸和其他生物活性化合物，这些成分支持植物的生长和发育，特别是在有机无土系统中（Jung and Kim, 2020; Dash et al., 2023, 2024, 2025）。LOFs的营养成分很大程度上取决于生产过程中使用的原料。文献中报道的各种LOFs的营养成分概述见表1。该表列出了原料、生产方法、主要大量营养素水平和pH值。观察发现，动物来源的粪便提取物中的氮和钾含量最高，而植物残余物和堆肥过程产生的大量营养素比例适中但成分更平衡。此外，这些有机改良剂的最终pH值主要受所用处理方法的影响；发酵通常产生酸性肥料，而厌氧消化则产生碱性产物。需要注意的是，由于测量单位的不统一，直接比较不同研究的结果仍然具有挑战性。除了基于研究的配方外，市场上还有多种类型的液态有机肥料（LOFs），这些肥料被广泛应用于大规模的农业操作和小规模的园艺活动中。表2重点介绍了一些商业化的LOFs，并提供了有关制造商、产品名称、类型、原料、营养成分以及推荐使用量的信息。
表1：原料
- 消化类型 | 单位 | NPK | pH | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| A组：好氧消化 |
| 鸡粪 | mg/L | 11 | 4.6 | 15 | 6.4 | 9 | 21 | 7.7 | 15.9 | Desaulniers等人（2024） |
| 食虫虫体 | mg/L | 11 | 5 | 14.8 | 6 | 37 | 4.8 | 7 | 6.2 | Desaulniers等人（2024） |
| 牛粪提取物 | mg/L | 3,400 | 10.5 | 20 | 5.7 | 5.5–6.5 | Luthuli等人（2024） |
| 鸡粪提取物 | mg/L | 4,700 | 99.1 | 7 | 5 | 1.2 | 5.5–6.5 | Luthuli等人（2024） |
| 山羊粪提取物 | mg/L | 2,900 | 36.0 | 1,4 | 26 | 5.5–6.5 | Luthuli等人（2024） |
| 鸡粪 | mg/L | 198 | 4 | 2.1 | 36 | 0 | 6.5 | Mowa等人（2018） |
| 鸡粪滴落物 | 好氧和厌氧 | mg/L | 24 | 9.9 | 37 | 73 | 1 | 37.5 | Mununga等人（2024） |
B组：厌氧消化 |
- 生物气体污泥 | mg/L | 7 | 30 | 28.0 | 7 | 40 | 7.8 | Liu等人（2011） |
- 生物气体消化物 | mg/L | 5,300 | 25 | 0 | 1,500 | 8.1 | Weimers等人（2022） |
- 蘑菇培养基 | mg/L | – | 5 | 12.5 | 1,356 | 7.0 | Huang等人（2022） |
- 红三叶草和白芥菜 | mg/L | 2 | 35 | 19.0 | 4 | 23 | 8.0 | Pokhrel等人（2019） |
C组：发酵 |
- 蔬菜废弃物 + 波卡西堆肥 | mg/L | 3,000 | 1,000 | 9,000 | 4.6 | Muthu等人（2023） |
- 蔬菜废弃物 | mg/L | 2,000 | 1,000 | 7,000 | 5.1 | Muthu等人（2023） |
- 墨西哥向日葵 | mg/L | 48.5 | 3.4 | 4.5 | 7.9 | Adekiya等人（2022） |
- 甘蔗渣 | mg/L | 9,000 | 400 | 5 | 3,000 | 6.7 | Phibunwatthanawong和Riddech（2019） |
- 甘蔗叶子 | mg/L | 11,000 | 1,000 | 23,000 | - | Phibunwatthanawong和Riddech（2019） |
- 酿酒废水 | mg/L | 1,500 | 800 | 11,000 | 7.1 | 4 | Phibunwatthanawong和Riddech（2019） |
- 大豆 | mg/L | 10,000 | 1,000 | 12,000 | 5.5 | Riddech等人（2025） |
- 十字花科植物 | mg/L | 3,200 | 600 | 12,300 | 5.3 | Riddech等人（2025） |
- 工业废弃物 | mg/L | 11,000 | 4,000 | 5,000 | 5.3 | Afifah等人（2024） |
- 小麦秸秆 | mg/L | 6,000 | 3,000 | 13,000 | 6.2 | Lamba等人（2025） |
- 稻草 | mg/L | 6,000 | 1,000 | 14,000 | 6.4 | Lamba等人（2025） |
D组：蚯蚓堆肥 |
- 蚯蚓 | mg/L | 265.8 | 20.9 | 17 | 86.2 | Rehman等人（2024） |
- 蚯蚓 | mg/L | 66.5 | 6.4 | 100 | 7.7 | 4 | Rehman等人（2024） |
E组：其他 |
- 红三叶草和白芥菜 | 酸提取 | mg/L | 21 | 91 | 31 | 76 | 26.1 | Pokhrel等人（2019） |
- 甘蔗渣液 | 物理化学方法 | mg/L | 0.7 | 40.2 | 25.2 | 6.5 | Andrade等人（2022） |
表2：基于同行评审的文章，比较了来自不同原料和消化方法的液态有机肥料中的营养成分，适用于无土作物生产。
表2列出了各种液态有机肥料的信息，包括制造商、产品名称、类型、原料来源、N-P-K含量以及其他成分，并提供了推荐的使用量。需要注意的是，部分产品的具体信息在标签上可能缺失。
液态有机肥料的生产原理是将有机物分解或矿化为必需的营养成分，这一过程通常在微生物的作用下进行，无论是否有氧气存在，也可以通过化学或物理方法实现。原料来源和分解方法主要决定了肥料中的营养成分、浓度及其有效性。例如，对相同原料（红三叶草和白芥菜）进行酸性提取和厌氧消化的研究表明，酸性提取法产生的肥料中含有更高的K、P、Ca、Mg、S、Mn和B浓度，但N、Cl、Na和Cu的浓度较低（Pokhrel等人，2019）。常见的液态有机肥料生产方法包括好氧消化、厌氧消化和发酵。
- **好氧消化**需要持续的氧气供应，有利于异养微生物的生长，这些微生物在有机物分解中起关键作用。在充足的氧气条件下，氧气作为微生物呼吸作用的最终电子受体，使好氧细菌、原生动物和真菌能够有效氧化有机化合物，将其转化为植物可利用的形式，同时减少有害副产物的产生。
- **厌氧消化**常用于减少废物污泥和生产生物气体，产生的肥料富含可利用的营养离子。这一过程减少了有机物和生物需氧量，同时保持了总氮和磷的含量。
- **发酵**则将农业废弃物、工业废物和蔬菜废弃物转化为可溶形式，适合用于无土栽培。
影响液态有机肥料生产的因素包括微生物的参与程度、原料类型以及消化条件（如pH值和温度）。不同菌群和代谢途径会直接影响肥料的营养成分和有效性。例如，某些菌群能促进氮的固定和钾的释放，而某些菌群则有助于磷的溶解。
在无土作物栽培中，液态有机肥料的选择取决于所种植的作物及其营养成分需求。制造商、产品类型、原料来源、N-P-K组成及推荐使用量是选择肥料的重要依据。相反，基于发酵的过程通常在微酸性pH值下进行，此时有机酸的产生占主导地位，由于有机底物的水解作用增强和微生物代谢，营养离子如NH₄+、可溶性磷和钾离子可能会积累（Sanchez-Ledesma等人，2024；Liebetrau等人，2017）。总体而言，消化过程中的pH控制决定了微生物途径、养分矿化和离子溶解度，从而直接影响了作为有机肥使用的液态消化物的营养成分和农艺品质。
5.3 温度
温度是影响微生物活动的关键因素，而微生物活动又调节复杂有机物分解为植物可利用养分的过程。内部（发酵容器内）和外部（环境）温度在确定液态有机肥的生产和储存过程中的养分组成和可用性方面起着重要作用。随着温度的升高，有机肥中的氮矿化率增加，有研究表明氮的释放量从施用氮量的10.7%到71.3%不等，具体取决于温度条件（Cannavo等人，2022）。在较高温度（20°C至30°C）下培养显著加速了氮的矿化过程（De Jesus等人，2024）。有机物分解的最佳温度范围是25°C至42°C，在此温度下微生物活性达到峰值（Meeboon等人，2022）。当温度超过40°C时，中温微生物效果减弱，被耐热的好氧细菌取代（Laemthong等人，2022）。
5.4 碳氮比（C:N比）
碳氮比（C:N比）是控制微生物分解液态肥料中有机物速度的关键参数，从而释放出植物可利用的氮和其他养分。基本原理是微生物群落需要足够的氮来代谢可利用的碳。这两种元素之间的平衡决定了氮是被释放到溶液中（矿化）还是被固定到微生物生物量中（固定），这直接影响了基于液态有机肥的无土系统中的养分可用性（Brust，2019）。当C:N比较低（大约5:1至15:1）时，微生物对氮的需求容易得到满足，净矿化发生：有机氮转化为铵（NH₄+），随后转化为硝酸盐（NO₃−），使植物可利用的氮释放到溶液中。因此，这类原料如鱼粉、豆粕、血粉（C:N比约为5:1）、豆科植物（包括苜蓿、豌豆和三叶草，约10:1）以及草本植物（约15:1）非常适合用于需要快速且持续养分供应的无土系统（ECS，2024）。然而，非常低的C:N比（低于10:1）可能导致铵的过度积累和氨的挥发，这在水培系统的封闭根区可能对植物有毒（Ibro等人，2022）。当C:N比接近成熟堆肥和腐熟粪肥的典型值20:1时，系统达到一个平衡点，此时微生物对氮的吸收大致与矿化速度相当，产生缓慢但更持久的养分释放。这个平衡范围（大约15:1至25:1）通常被认为是有氧堆肥和液态有机肥生产的最佳范围，因为它在支持活跃的微生物分解的同时，最小化了通过挥发或固化的氮损失（Brust，2019）。大约25:1的C:N比特别有利于有氧分解过程中的氨化作用，而在厌氧消化中，则优选较低的C:N比（15:1至20:1）以最大化铵的释放（Sounni等人，2023）。当C:N比超过大约25:1至30:1时，如豌豆秸秆、种子期的成熟草、草干（约30:1）、羽毛粉（约40:1）以及高碳作物残渣（如玉米秸秆和小麦秸秆，≥50:1）的情况，净固定占主导地位。竞争有限氮的微生物将其固定在生物量中的速度超过了矿化的补充速度，减少了液态有机肥溶液中植物可利用的氮量（Ibro等人，2022）。在厌氧消化中，过高的C:N比还会促进挥发性脂肪酸（VFA）的积累，这可能会抑制甲烷生成活性并降低最终消化物的质量（Sounni等人，2023）。在发酵过程中，C:N比还决定了代谢产物的平衡：低C:N比有利于乳酸、生物量和乙醇的更高产量，而高C:N比则倾向于产生富马酸（Zhang等人，2007）。对于目标是无土系统的液态有机肥生产者来说，应优先选择C:N比低于25:1的原料，或通过混合配方达到这一范围，以确保充分的氮矿化并避免根区的固定相关不足。
6 液态有机肥的性能评估
6.1 无土系统中液态有机肥与固态有机肥的比较
在无土栽培系统中，液态有机肥与固态有机肥的作物性能比较显示出一致但细微的权衡。固态有机肥通常提供更即时和可靠的养分释放，通常会导致更快的初始生长速率、更高的产量和更可预测的植物反应，因为它们具有精确且易于利用的离子形式。相比之下，液态有机肥可以促进更强的微生物活性、改善根系结构，并可能带来更好的果实品质或抗逆性，尽管其养分的可用性更不稳定，且依赖于矿化过程，这可能导致在优化的高投入无土系统中生长缓慢和产量降低。表5提供了22项关于不同无土系统和作物类型中使用液态有机肥与固态有机肥的研究的比较概览。在这些研究中，13项研究报告了相当或更好的产量（59%），7项研究报告了较低的产量（32%），2项研究报告了混合或剂量依赖的结果（9%）；基于基质的系统（滴灌、 Wick）显示出比液体培养系统（NFT、DWC和潮汐流动）更高的相似结果比例。
表5
原料 | 液态有机肥类型 | 作物 | 液态有机肥与固态有机肥的比较 | 关键发现 | 参考文献
--- | --- | --- | --- | --- | ---
液体培养系统：营养膜技术（NFT） | 鸡粪 | 基于动物的 | 罗勒 | 相当或更好 | 新鲜质量类似于Hoagland溶液（29.8克对比29.4克）；轻微的钠积累但没有产量损失 | Desaulniers等人（2024）
蒸馏废液、糖蜜和甘蔗叶子 | 混合来源 | 生菜 | 相当或更好 | 蒸馏废液：甘蔗叶子：过滤水以1:0.1:0.25和1:0.25:0.25的比例显示出最佳生长表现，与使用液体化学肥料的植物相似 | Phibunwatthanawong和Riddech（2019）
增强蚯蚓堆肥液 | 蚯蚓堆肥液 | 芥菜 | 相当或更好 | 果茎干重（~1.85克）和SPAD（~39.5）与Hoagland肥料相当；↑铁（0.29毫克/升）、锰（0.18毫克/升）、锌（0.10毫克/升）的吸收 | Rehman等人（2024）
处理过的葡萄渣溶液 | 基于植物的 | 生菜、菊苣、水田芥 | 相当或更好 | ↑生菜叶子（+27%），茎和根生物量；↑菊苣干重（3.8克对比2.1克）；↑水田芥茎生物量（+16%） | Andrade等人（2022）
水产污泥 | 基于鱼的 | 生菜 | 相当或更好 | 产量没有显著差异（3.87克对比5.05千克/平方米）；↓用水量（7.3升对比119升/千克）；重金属在FAO/WHO允许的范围内 | Ezziddine等人（2021）
NASA液态有机肥 | 植物-动物混合 | 小白菜 | 产量较低 | 新鲜重量3.4-9.4克对比126-216克（AB混合）；干重量0.39-1.02克对比6.91-10.35克；椰糠+AB混合效果最好 | Muslimah等人（2024）
液体培养系统：深水培养（DWC） | 鱼乳液 | 基于鱼的 | 生菜 | 相当或更好 | 液态有机肥+最佳H₂O₂（37.5毫克/升）与固态有机肥产量相当；高H₂O₂（75毫克/升）会降低生长或导致植物死亡 | Lau和Mattson（2021）
鸡粪 | 基于动物的 | 生菜 | 产量较低 | 试验1：3,074克对比8,510克；试验2：6,106克对比11,222克；产生的安全，痕量金属低于FAO/WHO限制 | Mununga等人（2024）
Kurojiru + 富里酸 | 混合来源 | 番茄 | 相当或更好 | K + FA在58毫克/升P条件下提高了总植物生物量、叶绿素含量和果实产量 | Murakami等人（2021）
鲶鱼、鸡、植物废弃物 | 混合来源 | 小白菜 | 产量较低 | 100%液态有机肥→氮毒性并降低微量养分；20%液态有机肥（有氧或厌氧）在液态有机肥处理中表现最好 | Gustiar等人（2022）
基于基质的系统：滴灌 | 农渔结合、营养腐殖质和植物提取物 | 混合来源 | 生菜 | 相当或更好 | 干重略低（159.8克对比175.1克）；↓硝酸盐含量；↑胡萝卜素和铁含量 | Alneyadi等人（2024）
食物残渣 | 混合来源 | 生菜 | 产量与固态有机肥相当；↑Rex Green新鲜重量（239.7克对比214.5克）；↑Cherokee和Magenta品种中的花青素 | Kacira等人（2017）
蚯蚓粪便、鱼乳液和甘蔗糖蜜 | 混合来源 | 生菜和番茄 | 相当或更好 | 蚯蚓粪便（F1）使干重增加了57%，在产量上与鱼乳液相当；F1在产量上与固态有机肥相当；F1增加了叶子扩展（生菜）；固态有机肥增加了花序形成（番茄） | Chowdhury等人（2025）
食物废弃物 | Lift（水果和蔬菜废弃物） | 基于植物的 | 生菜、黄瓜、番茄 | 混合或剂量依赖 | 生菜产量和养分与固态有机肥相当；↓黄瓜产量（中等）；↓番茄产量（显著）由于磷供应不足 | Siddiqui等人（2023）
墨西哥向日葵 | 基于植物的 | 番茄和黄瓜 | 固态有机肥>液态有机肥>对照组在生长和产量上；液态有机肥显示出可测量的效果但低于固态有机肥 | Adekiya等人（2022）
鱼废弃物 | 基于鱼的 | 生菜 | 混合或剂量依赖 | ↓植物高度（-16.4%），叶片数量（-11.8%），产量（163.9克对比182.3克/株）；↑叶绿素、胡萝卜素、酚类和黄酮类 | Ahmed等人（2021a）
鱼和岩藻 | 植物-动物混合 | 草莓 | 相当或更好 | 鳕鱼骨粉（F1）与固态有机肥相当或超过；F1→最佳叶生长和果实产量；↑氮、磷、锰、锌；↓镁、镁 | Moloșag等人（2023）
鱼乳液 | 基于鱼的 | 草莓 | 在土壤中液态有机肥提高生长/产量；在无土条件下有机养分降低生长/产量，需要优化配方 | Ahmed等人（2021b）
Bokashi | 混合来源 | 辣椒 | 产量较低 | 10% Bokashi：↓植物高度（611毫米对比763毫米），茎直径（7.3毫米对比10.2毫米），SPAD（38.4对比73.9），产量（0.76公斤对比1.02公斤），果实硬度（27.7对比35.7 Shore） | Tong等人（2021）
6.2 与不同无土系统的兼容性
研究表明，当液态有机肥与适当的系统类型匹配并仔细管理时，可以有效地支持无土作物生产。然而，由于有机溶液的复杂组成，特别是悬浮固体和易分解碳的存在，它们在不同无土系统中的兼容性有很大差异，这些因素影响微生物活性、氧气需求和灌溉性能。在NFT和DWC等液体培养系统中，液态有机肥面临更大的技术挑战。矿化的养分可以被有效利用，但控制微生物负荷和通气至关重要：例如，在NFT系统中，从连续流动切换到间歇性流动循环（例如，15分钟开启或45-105分钟关闭）可以缓解根区压力，改善氧气供应，并减少生物膜的形成，前提是遵循严格的过滤和消毒协议（Liu等人，2025）。诸如多通道矿化（MPM）、添加促进植物生长的细菌（PGPB）以及加入有益微生物如Bacillus spp.和Trichoderma harzianum等策略已被用于提高养分释放的一致性。MPM通过通气的微生物群落将有机氮转化为植物可利用的硝酸盐（如第5.1节所述），已在NFT系统中成功应用（Fujiwara等人，2013；Shinohara等人，2011）。胡克斯等人（2022年）报告称，将液态有机肥料（LOFs）与微生物接种剂结合使用在无土栽培（NFT）系统中，可以加速矿化过程，并使产量比有机对照组提高17%。在基于基质的无土系统中，LOFs的表现更为可靠，因为多孔的生长介质能够创建一个稳定的、具有微生物活性的根际环境，从而在根部附近加速硝酸盐的矿化。使用相同LOFs进行的比较试验表明，在荷兰桶和容器基质的生菜中，地上部分的生物量比在深水栽培（DWC）或NFT系统中高出15%到60%，这突显了基质系统的优势（Chowdhury等人，2024年）。需要注意的是，这一比较仅基于一项研究；如果使用不同类型的LOF和作物进行独立的重复实验，将会增强这一结论的可靠性。通过滴灌在基质系统中输送LOFs也存在一些挑战，最显著的是喷头的堵塞问题：富含有机物的溶液容易积聚颗粒物、形成生物膜和矿物质沉淀物，这些都会阻碍喷头的正常工作并降低施用的均匀性。研究强调需要精细的预过滤、定期冲洗和物理防堵塞措施，以及使用低压滴灌系统来最小化流动问题（Dehghanisanij等人，2025年；Kechasov等人，2021年）。
7. 使用LOFs和SFs的盈利能力和经济韧性
在受控环境中，有机生产的成本严重限制了LOFs的采用。这些系统中的有机生产更为昂贵，LOFs的制备成本估计为每升0.032至0.089美元，而合成肥料的成本约为每升0.006美元（Chowdhury等人，2025年）。这一5到15倍的成本差异必须通过提高产量、价格溢价或降低其他投入成本来弥补。需要注意的是，现有的证据基础较为有限：大多数关于LOFs的经济论证都基于少数研究，其中许多研究是在实验规模而非商业规模下进行的，而且很少有研究考虑到受控环境运营的全部成本结构。在收入方面，如果没有价格溢价，有机农业的盈利能力低于传统农业；但当实现有机价格溢价时，其净利润率可提高22%到35%，成本效益比率可提高20%到24%（Crowder和Reganold，2015年）。然而，这一发现主要来自对基于土壤的农场系统的元分析，可能不能直接应用于受控环境中的无土栽培，因为在许多市场中，有机认证存在争议，且溢价定价很大程度上取决于当地市场状况。在水产养殖系统中，不含粪便固体的鱼饲料可以提供每千克36.9到44克氮和1.4到3.7克磷，有效成本分别为每千克氮15到29美元和每千克磷115到583美元，使得源自饲料的营养素每单位氮的成本是合成肥料的7到14倍，每单位磷的成本是合成肥料的17到88倍（Colt和Schuur，2021年）。一项关于使用LOFs在水培生菜中的经济效益的比较研究表明，在42个罐位的系统中，使用LOFs时的毛利润率约为41%（Uyeda等人，2011年）。据估计，当农产品以20%的有机价格溢价出售时，水产养殖可以实现盈利（Quagrainie等人，2018年）。尽管存在这些限制，但如果考虑超出每升肥料成本的因素，LOFs的长期经济效益会得到加强。LOFs可以减少对合成营养素的依赖，而这些合成营养素的价格受天然气和磷酸盐岩市场价格的影响较大，从而为在投入成本波动环境中种植者提供供应链韧性。需要开展生命周期成本分析，考虑废物利用、减少营养物排放费用和潜在的溢价收入，以提供具有商业可行性的指导（Martinez-Mate等人，2018年）。在此类分析出来之前，关于LOFs采用的经济论证应被视为初步的且依赖于具体情境的结果。
8. 与LOFs采用相关的挑战
液态有机肥料（LOFs）在无土栽培中是合成肥料的一种有前途的替代品；然而，其采用受到与营养物一致性、系统兼容性、食品安全性、环境影响和农艺可靠性相关的一系列挑战的限制。表6列出了在无土栽培中采用液态有机肥料所面临的挑战，这些挑战按营养/配方、技术、生物安全性、环境和作物质量方面的限制进行了分类，并说明了各自的严重程度、问题机制和缓解策略。营养物变异性和释放不一致性仍然是主要障碍。LOFs的组成因原料、加工、储存和批次而异，这限制了精确的营养管理（Ahmed等人，2021a；Green，2015；Phibunwatthanawong和Riddech，2019；Siddiqui等人，2023）。此外，营养物的有效性取决于微生物的矿化作用，而这一过程受到温度、通风和pH值等环境条件的影响（Möller和Müller，2012；Panday等人，2024）。这些因素共同可能导致在关键生长阶段出现营养不足。虽然一些策略如预矿化、批次测试和多重并行矿化（MPM）系统可以缓解这些问题，但它们增加了操作复杂性，尤其是在小规模种植者中。食品安全是一个主要问题，特别是对于即食作物。在循环系统中，沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和产志贺毒素大肠杆菌（STEC）等病原体可以迅速传播并通过生物膜形成持续存在（Saldinger等人，2023；Ilic等人，2022）。基于鱼类的LOFs可能对叶类蔬菜构成更高的风险。虽然紫外线杀菌、过氧化氢和砂滤等处理方法可以减少污染，但针对LOFs的具体安全协议仍不完善，限制了其广泛采用。其他挑战包括系统堵塞和生物膜形成、pH值和电导率（EC）的不稳定性、营养物淋失以及作物质量的不稳定性，这些因素单独来看都有详细的记录，但在实际组合中的影响尚不完全清楚。它们在商业规模上的相互作用可能会加剧系统效率低下；例如，堵塞会干扰营养物质的输送、改变根区条件并促进生物膜的形成。这些综合效应尚未得到充分研究，代表了对系统性能理解的一个关键空白。
表6
挑战 严重程度 描述或机制 缓解策略 参考文献
营养或配方 营养成分变化 营养水平因原料来源、加工方法和储存条件而大不相同，导致不同批次之间的营养剂量难以精确控制 在每次施用前进行批次测试（氮、磷、钾、电导率、pH值）；制定标准化的生产协议；混合原料以达到目标营养组成 Ahmed等人（2021a），Green（2015），Phibunwatthanawong和Riddech（2019），Siddiqui等人（2023）
营养释放不一致 营养物的有效性取决于微生物的矿化作用，该作用受温度、pH值和通风的影响；矿化延迟会在关键生长阶段减少植物可利用的氮 使用预矿化的LOFs或多重并行矿化（MPM）系统；保持稳定的温度（25–35°C）和通风；如出现急性缺乏则补充无机氮 Möller和Müller（2012），Paillat等人（2020），Panday等人（2024），Shaik等人（2022）
灌溉系统堵塞 LOF溶液中的悬浮固体和有机物会在喷头、管道和泵中积聚，限制流动并导致营养分布不均和根部压力 安装100–200目预过滤器；使用低压滴灌系统；定期冲洗和酸化处理；选择通过沉淀或离心处理后悬浮固体较低的LOFs Burnett等人（2016），Dehghanisanij等人（2025）
pH值和EC波动 LOF溶液中的有机酸、氨和溶解固体会破坏溶液的pH值和EC值，抑制硝化细菌并扰乱根区的离子吸收平衡 持续监测pH值和EC值；用碳酸钙或碳酸氢钾调节溶液；稀释LOF浓度；避免使用稳定性差的消化物 Hooks等人（2022），Kurmi等人（2024），Williams和Nelson（2016），Madushani和Karunarathna（2023）
生物安全性 循环营养溶液可能在整个系统中传播人类病原体（如沙门氏菌、李斯特菌、大肠杆菌）；来自鱼的LOFs对即食作物具有较高的污染风险 在施用前用紫外线杀菌、过氧化氢（37.5毫克/升）或慢速砂滤处理LOF溶液；遵循GAP协议；检测LOF批次中的指示菌；避免在未经煮熟的叶类蔬菜上使用动物来源的LOFs Ilic等人（2022）；Saldinger等人（2023），Shaw等人（2016），Wang等人（2020）
生物膜形成 LOF溶液中的有机碳会促进通道壁、喷头和根表面的生物膜生长，耗尽溶解氧，阻塞营养物扩散，并为病原体提供栖息地 采用间歇性流动循环（例如，在NFT系统中15分钟开启和45分钟关闭）以减少生物膜；使用过氧化氢或过氧乙酸冲洗；选择生物膜附着性低的系统材料 Arnaouteli等人（2021），Fish等人（2020），Lau和Mattson（2021）
温室气体排放 LOFs在循环溶液中的微生物分解会释放二氧化碳；某些原料（如 vinasse）会增加一氧化二氮（N₂O）的排放；部分抵消了替代合成肥料的环境效益 选择一氧化二氮排放潜力较低的原料；使用封闭循环系统捕获和再利用二氧化碳；进行生命周期评估（LCA）以量化净温室气体平衡 Halbert-Howard等人（2021），Toonsiri等人（2016）
能源相关排放 在高投入的受控环境中运输、加工和灌溉LOFs会增加间接二氧化碳排放，部分抵消了使用合成肥料带来的可持续性优势 在本地生产LOFs以减少运输排放；优化灌溉计划以降低泵送能量；将LOFs的使用与可再生能源供应结合使用 Martinez-Mate等人（2018）
作物质量 LOFs对作物质量的影响各不相同 LOFs可能会对市场质量产生不一致的影响，有时会增加抗氧化剂或矿物质含量，同时降低果实的硬度、大小或保质期，导致商业结果不可预测 在大规模商业化之前了解LOFs对目标作物的影响；调整LOF配方以平衡产量和质量目标；考虑质量溢价（有机标签）以弥补较低的产量 Ahmed等人（2021a），Kechasov等人（2021），Shaik等人（2022），Siddiqui等人（2023）
营养物淋失 在基于基质的系统中，多达51%的施用营养物可能作为渗滤液流失；在珍珠岩等惰性基质中的保留率低至5-7%，导致营养浪费和潜在的环境污染 采用封闭循环排水系统；根据作物吸收需求调整LOF施用率；监测渗滤液的EC值和营养浓度以优化灌溉频率 Chowdhury等人（2024），Sanjuan-Delmás等人（2020）
9. 研究需求和未来展望
9.1 平衡的LOF配方
尽管已有文献记录了LOFs营养成分的变异性，但目前仍缺乏标准化的配方协议和针对特定作物的营养目标。例如，来自芸苔属植物的发酵LOFs的氮（0.2%至0.5%）和磷（0.05%至0.08%）含量明显低于大豆衍生的LOFs（氮：0.99%，磷：0.11%）（Riddech等人，2025），而动物粪便，特别是家禽和山羊粪便，虽然富含氮和磷，但在使用前需要适当溶解（Park和Williams，2024）。需要开展研究，制定混合指南、原料选择标准和质量控制阈值，使生产者能够一致地提供适合特定作物和无土系统类型的平衡宏观和微量营养素组成。
9.2 微生物抗性
有机和生物有机改良剂会重塑土壤微生物群落，产生与矿物肥料或未经处理的土壤不同的组成特征。研究表明，包括堆肥、有机肥料、生物炭、发酵肥料、基于微藻的液体肥料和植物残渣在内的有机投入显著增加了细菌和真菌的多样性，特别是丰富了放线菌门、变形菌门和厚壁菌门等有益菌群（Bonanomi等人，2020；Sun等人，2022；Lee等人，2025）。长期有机施肥还减少了主要真菌属如链格孢菌、镰刀菌和枝孢菌的流行率（Sun等人，2022）。此外，Bonanomi等人（2020）报告称，在使用有机改良剂的番茄中，番茄斑萎病毒（TSWV）的发病率显著降低（< 40%），而矿物肥料处理的土壤中该病毒发病率较高（> 80%）。虽然这些发现来自基于土壤的系统，但它们可能为推进有机无土栽培提供有价值的指导。在无土系统中，LOFs依赖于微生物的矿化和根区微生物群落的营养循环，这些过程与有机管理土壤中的过程相似。有益的微生物可能增强植物对微生物疾病的抵抗力，提高营养物质的有效性，并稳定根区微生物组，为推进微生物组驱动的有机无土生产提供了机会。
9.3 政策和商业采用挑战
将液态有机肥料（LOFs）整合到无土系统中面临多个挑战，包括法规不确定性、技术限制和市场障碍。一个主要问题是围绕有机认证的持续争议。虽然美国农业部的国家有机计划（NOP）允许无土和水产养殖系统获得有机认证，但许多传统有机农民认为真正的有机农业必须涉及健康的、活的土壤（Di Gioia和Rosskopf，2021）。尽管无土栽培产品能够满足美国的有机认证标准，但这种做法并未得到普遍认可。相比之下，欧盟的28个成员国以及日本和加拿大都明确禁止对无土栽培系统进行有机认证（Cornucopia, 2017）。这种监管争论突显了了解消费者认知的重要性，因为消费者的认知会影响价格溢价、标签政策以及种植者是否选择获得有机认证（Gilmour等人，2019）。研究发现，影响消费者购买意愿的八个关键因素包括态度、主观规范、感知行为控制、感知质量、价格、可获得性、健康意识以及知识水平。然而，环境意识并未被证明是重要的预测因素。这些结果表明，营销策略应更加注重产品品质和健康相关的好处，而不仅仅是可持续性特征（Ezni Balqiah等人，2020）。
从技术角度来看，管理经过有机认证的无土栽培系统非常具有挑战性，需要精确控制pH值并及时补充养分以维持微生物活性和高效吸收养分（Endoh等人，2024）。这些要求增加了运营的复杂性，可能给中小规模种植者带来障碍。监管上的不一致性进一步阻碍了无土有机肥（LOFs）的广泛应用。例如，在印度尼西亚，无土有机肥料必须符合特定的养分标准（总氮含量至少为3.11%，五氧化二磷含量为2.12%，氧化钾含量为1.94%）（Cintiyah等人，2024）；而在美国，氮含量超过3%的无土有机肥料需要经过认可的材质评估程序的批准才能用于有机认证生产（美国农业部，2025）。虽然无土有机肥料在无土栽培系统中展现出巨大潜力，但其更广泛的推广受到监管差异、技术复杂性和消费者认知挑战的限制。解决这些障碍对于实现无土有机农业中无土有机肥的广泛应用至关重要。
结论：将液态有机肥料整合到无土栽培系统中是一种有前景的方法，可以减少对合成肥料的依赖，并促进更可持续的农业实践。源自有机来源的无土有机肥料已被证明是合成肥料的有效替代品。研究表明，当配制和管理得当时，无土有机肥料能够提供足够的养分来支持植物生长，并实现与合成肥料相当的生产效益。其富含养分的组成以及刺激微生物活性和增强植物抗逆性的能力，凸显了它们在受控环境中作为多方面养分来源的价值。然而，包括养分变化、排放器堵塞、生物膜形成和食品安全风险在内的持续性问题，必须通过标准化生产流程、改进过滤技术和验证的安全程序来解决。解决本综述中指出的优先研究领域（涵盖无土有机肥的配方优化、微生物组管理、商业化技术的经济分析以及支持性的监管框架）对于将无土有机肥的潜力转化为可靠且具有商业可行性的无土栽培系统至关重要。
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