無土栽培基質的應用與發展趨勢

0固體栽培基質的推廣應用隨著設施園藝的快速發展，無土栽培技術和穴盤育苗技術在大面積的應用中得到了廣泛應用，很快促進了固體栽培基質的研究、開發和應用。許多安全、優質、便捷、良好的固體栽培基質得到了不斷的開發、形成和應用。現就近年來國內外栽培基質的研究現狀及今后的發展趨勢綜述如下,供同行參考。1固體原料需求日益增加，市場前景廣闊1.1國外無土栽培技術的發展在無土栽培中,固體基質的使用非常普遍,從基質培的以固體基質為主作為栽培介質,到水培中的育苗階段和定植時固定和支持作物,都需要應用各種不同的固體栽培基質。固體基質栽培簡稱基質培,與水培相比,設施簡單、投資成本低。由于基質具有一定的緩沖作用,固體基質所形成的根際環境養分、水分、pH值和溫度等變化緩慢,栽培管理簡單,與土壤栽培有許多相似之處,栽培技術容易掌握。國外設施園藝發達國家,如荷蘭等主要采用營養液澆灌的巖棉做基質培,栽培效果非常理想。近年來巖棉培在世界范圍內擴展速度很快,在許多國家已成為無土栽培的主要形式,固體巖棉的需求量激增,配套的栽培技術、重復利用技術、處理技術等需要深入研究。中國結合國情開發形成多種形式基質培,尤其是結合安全優質農產品的生產開發的有機基質培在全國各地被廣泛采用,如中國農科院蔬菜花卉研究所開發形成的有機生態型無土栽培技術在許多地方推廣應用。中國是居世界第一位的設施園藝大國,設施園藝栽培面積在200萬hm2以上,但據不完全統計,全國無土栽培面積僅1070hm2,所占比例非常之低;而日本無土栽培面積占溫室面積的20%以上,荷蘭等國則占溫室面積的90%以上,所以中國無土栽培的發展有很大空間,需要大量安全、優質、使用方便的固體栽培基質。另外,隨著植物容器栽培的發展,在傳統的花卉、園林植物的盆栽、缽栽中,輕型固體基質因為便利,被大量采用;還有園藝、園林植物的立體栽培,特殊需要的缽式栽培,在新疆和東南沿海各地推廣應用,如南京農業大學開發形成的NAU-G型盆缽栽培裝置,已廣泛應用于高檔網紋甜瓜的避病栽培,諸如此類的栽培都需要大量固體栽培基質。1.2穴盤育苗的必要性穴盤育苗技術自20世紀60年代開發,到80年代在世界各國推廣應用,這種以草炭、蛭石等輕型基質做育苗載體,用穴盤做育苗容器,采用機械化精量播種,一次成苗的現代化育苗體系越來越受到種苗生產者的青睞。穴盤育苗的作物種類和育苗規模日益擴大,已成為當今蔬菜等園藝作物育苗的主要方式,也為水稻、棉花、玉米等大田作物所采用。穴盤育苗省工、省力、成本低、效率高,便于優良品種推廣和標準化育苗;其成苗便于遠距離運輸和機械化移栽,定植對根系無傷害、緩苗快,因此,對實施農業生產機械化、規模化及持續高效發展具有特別重要的意義。中國在20世紀80年代中期已開始引進穴盤育苗技術,各地相繼建成近百個育苗場,特別是1998年以來,福州、上海、北京、江蘇、山東等地分別從西班牙、荷蘭、美國、以色列、韓國等國引進大型連棟溫室和精量播種生產線,較快地促進了中國穴盤育苗技術的發展,僅北京利得農業科技開發公司穴盤年銷量就在30萬只以上,穴盤育苗量日益增大,對所用固體基質提出了質的要求和量的需要。2栽培基質的研究和開發2.1從研磨、活性到天然基質的基質砂礫最早被植物營養學家和植物生理學家用來栽培作物,研究作物的養分吸收、生理代謝以及植物必需的營養元素和生理障礙等,因此,砂礫可以說是最早的栽培基質。隨后可作為栽培用的固體基質很快擴展到石礫、陶粒、爐渣、珍珠巖、巖棉、海綿、泡沫塑料、硅膠、離子交換樹脂、泥炭、鋸末、樹皮、花生殼、稻殼、菇渣、蘆葦末以及一些混合物等各種各樣的天然基質和人工合成基質,可分為無機基質、有機基質和復合基質等。近年來,世界各國尤其是中國各地充分利用當地資源,以工農業有機固體廢棄物為材料合成本土化固體栽培基質。2.2無土栽培基質泥炭是傳統的理化性狀優良、使用效果良好的栽培基質,然而泥炭是有限的天然資源,過量開采會破壞沼澤地的生態環境。因此,各國政府和研究者都在不斷研究開發新的基質材料,探求合成理想的栽培基質,供生產需求。在設施園藝發達國家,如荷蘭、美國、英國、日本等都有專門的基質研發機構和生產企業。早在1840年美國人首先在夏威夷制造出巖棉,1968年丹麥的Grodah公司用其作無土栽培基質,1970年荷蘭人用巖棉培種植作物獲得成功,其后在世界范圍內大面積推廣應用,推動了無土栽培技術的發展;后來相繼開發了蛭石、珍珠巖等,用作栽培基質;開發應用的基質還有美國加州大學UC系統的Ucmix、美國康乃爾大學開發的4種混合基質、英國溫室作物研究所開發的GCRI混合物等。中國人工大規模合成栽培基質比較晚,而利用石礫、砂子等天然基質則較早,蛭石、珍珠巖已工廠化生產,廣泛被利用。1987年江蘇省農科院與南京玻纖院合作研制開發農用巖棉,在蔬菜、花卉培育中采用,取得了良好的效果,但由于種種原因,未能堅持下來;1998年開始,南京農業大學和江蘇大學合作,以紙廠下腳料蘆葦末為原料,采用生物發酵技術合成蘆葦末有機栽培基質,并實現了規模化生產,取得了良好的栽培效果,帶來了理想的生態效益、經濟效益和社會效益;近年來,各地利用制造檸檬酸的下腳料、中藥廠藥渣、醋廠醋渣、酒廠酒渣、能源廠沼渣、紙廠廢紙漿以及稻殼、椰子殼、棉籽殼、油粕、豆渣、甘蔗渣、菇渣、鋸末屑、樹皮、作物秸稈等工農業有機固體廢棄物為原料,研究開發合成有機栽培基質,應用于育苗和栽培之中,取得了一定的效果,但真正形成產業化的基質產品很少,有待于進一步深入研究。2.3水、氣、肥的基質功能基質的性狀包括物理性狀、化學性狀與生物學性狀,栽培基質作為作物生長的介質,要能夠為作物生長提供良好的水、氣、肥根際環境,應具有支持、固定植株和供給水分、養分和氧氣的功能,保證根際的氣體交換,這些基質功能的發揮都是由栽培基質本身的性狀所決定的。因此,長期以來對基質的性狀進行了廣泛的研究,并致力于基質性狀的改良。2.3.1基質的一般特性對栽培作物影響較大的基質物理性狀主要有容重、總孔隙度、持水量、大小孔隙比(氣水比)和粒徑等。基質的容重和通氣狀況:容重與基質的質地、比重、粒徑和松緊程度密切相關,一般認為,小于0.25g/cm3屬于低容重基質,0.25~0.75g/cm3屬于中容重基質,大于0.75g/cm3屬于高容重基質,而基質容重在0.1~0.8g/cm3范圍內栽培作物效果較好;基質的通氣性狀主要用基質的總孔隙度、通氣孔隙和大小孔隙比來表示,與基質的容重、粒徑和松緊程度密切相關。一般認為,通氣孔隙(大孔隙)小于5%的基質屬低孔隙度,5%~30%的基質屬于中等孔隙度,而大于30%的屬高孔隙度。一般來說,基質的總孔隙度在54%~96%范圍內即可,適宜的基質孔隙狀況是同時能提供20%的空氣和20%~30%易利用水,大小孔隙比在1∶2~4范圍內為宜。基質的容重和孔隙度相結合反映基質的輕重和通氣狀況,不同類型的基質按一定的比例混合可以調整基質的容重和通氣狀況;基質的粒徑直接影響著容重、總孔隙度和大小孔隙比,基質的粒徑、顆粒大小應適中,不同種類的基質,各有適宜的粒徑。砂粒粒徑以0.2~2.0mm為宜,陶粒則在1.0cm以內為好,而塊狀巖棉基質粒徑大小并不重要。基質還應有較好的形狀和表面特性,不規則不帶尖銳棱角的粗糙表面,具有較大的比表面積,以及多孔的基質有利于增加基質的持水孔隙,有利于增強基質的持水力。許多輕型有機基質在堆制和使用過程中,由于有機物質的分解、顆粒的破碎和壓實,使基質的容重、孔隙度、大小孔隙比等發生明顯的變化,使基質的通氣孔隙逐漸降低,尤其是基質栽培中加之根墊的形成,極易形成根際低氧逆境,影響作物的生長發育。因此,在使用輕型有機基質進行作物栽培時,可采取分層使用不同基質或添加爐渣、陶粒等粗基質,容器栽培也可采用預留通氣空間等,增強基質的通氣性能。基質的水分特性:基質的吸水性和保水性直接影響基質向作物的供水性能,許多有機基質如蘆葦末基質、樹皮、泥炭等,由于其表面蠟質的存在而造成基質的疏水性,澆水時使大部分水分隨基質的大孔隙和容器四壁流失,特別是基質在初次澆水時極難吸水,需花費大量的勞動力充分攪拌才能使基質逐漸濕潤,而一旦基質失水干燥后易結硬塊,再濕性差。蘆葦末基質研究表明,堆制發酵可降低表面的蠟質含量,提高保水和吸水性能;在國外,使用強親水型表面活性劑或濕潤劑(Wettingagent)作為添加劑,以降低水分子的表面張力來改善其親水性和吸水性能,但泥炭和樹皮的試驗表明其改善吸水性的效果通常只有3~4周。由于基質與普通的土壤不同,保水力相對較低,容器栽培時基質中存在水汽阻力,有機質的含量和功能有別于土壤,所以基質中的水分遷移及植物根系對基質水分的吸收具有一定的特殊性,對此目前的研究仍不夠深入,不能確切說明基質水分的遷移(運移)規律。但是,基質不良的結構和水分特性可通過基質的加工工藝和使用前的預處理得到調整,從而滿足作物根系對水分的需求。2.3.2基質理化性質的變化主要有基質的化學組成及由此引起的化學穩定性、酸堿性(pH值)、陽離子交換量(CEC)、緩沖能力和電導率(EC值)等,它們相互作用、共同影響基質的化學性狀。長期以來,基質pH值、EC值、CEC、各種礦質元素含量、C/N比、養分特性一直是基質性狀研究的重點和熱點。近年來,在北歐以巖棉或玻璃棉的pH、鹽分淋洗等為研究重點,解決了巖棉中鹽分積聚的難題,實現了巖棉栽培中營養液的精確管理。基質的化學組成是由基質所含有的化學物質種類及其含量所決定,既包括礦質營養和有機營養,又包括對作物生長有害的有毒物質。在選用工業廢棄物作基質原料時,一定要充分了解其化學組成,特別是對作物可能產生危害的化學物質的含量,如利用造紙企業的下腳料時,一般選用未經化學處理之前的蘆葦末下腳料,其中不含有任何有毒有害的化學物質。基質的化學穩定性與其化學組成密切相關,對基質的栽培效果具有明顯的影響。各種有機基質具有良好的團粒和成粒作用,但是穩定性較差。有機基質富含有機物質,其化學組成比較復雜,本身含有營養,這種營養的有效釋放規律并不清楚,目前是不可控和不勻速的,因此,在實際生產中很難進行養分和水分的精確控制。發酵不完全或C/N比較高的有機基質,在使用過程中有可能釋放出有毒有害物質,影響有機基質的穩定性和使用性能。從影響基質的化學穩定性來劃分有機基質的化學成分,大致有三類:第一類是易被微生物分解的物質,如碳水化合物中的糖、淀粉、半纖維素、纖維素和有機酸等;第二類是有毒物質,如某些有機酸、酚類、丹寧等;第三類是難被微生物分解的物質,如木質素、腐殖質等。栽培基質的pH值應保持相對穩定,最好呈中性或微酸性狀態,pH值受基質的化學組成、化學變化和澆灌營養液的pH值影響。陽離子交換量反映了基質對養分的吸附保持能力及其供植物吸收利用養分的能力,對基質本身的pH值變化和澆灌營養液的酸堿反應也有一定的緩沖作用。通常情況下,基質的陽離子交換量在10~100me/100cm3比較適宜,小于10me/100cm3屬低,大于100me/100cm3屬高。一般無機基質的CEC非常低,有些幾乎為零,但有機基質的CEC較高,過高的CEC在栽培中容易出現可溶性鹽類蓄積而對植物造成傷害;反之則陽離子礦質元素容易被淋洗,需要經常施用肥料加以補充。電導率(EC值)是栽培基質重要的化學性狀,它表明基質內可電離鹽類的溶液濃度,反映了基質中可溶性鹽分的多少,直接影響澆灌營養液的平衡。基質的可溶性鹽含量不宜超過1000mg/kg,最好大于或等于500mg/kg。基質的EC值超過1.25mS/cm,便需要淋洗鹽分,以免對植物根系構成滲透逆境。例如受海水影響的砂子,常含有較多的海鹽成分;爐渣有時含代換鈣高達9247.5mg/kg;某些植物性有機基質含有較高的鹽分,如樹皮、炭化稻殼等。一般基質栽培時,當電導率小于0.5mS/cm時(相當于自來水的電導率),必須施肥或澆灌營養液,補充養分;電導率達1.3mS/cm以上時,停止施肥,淋洗鹽分。2.3.3基質氮的用量基質的生物學性狀主要指基質中有機類物質的穩定性。在微生物的作用下,有機質的腐蝕和降解會改變基質的物理、化學、生物特性。有機介質分解速率與C/N有密切的關系,C/N高的基質,使用時由于微生物生命活動對氮的爭奪,會導致植物缺氧,使用前必須加入超過植物生長所需的氮,以補償微生物對氮的需求。一般,碳氮比200∶1~500∶1屬中,小于200∶1屬低,大于500∶1屬高,通常碳氮比宜低而不宜高,C∶N以30∶1左右較適合作物的生長。也可用CEC、焦磷酸指數、呼吸強度等生物學性狀參數。生物特性的研究除穩定性外,還有病蟲害控制等生物控制的研究。2.4在基礎研究和開發中的問題2.4.1有機基質材料的開發和推廣到目前為止,理化性狀優良、栽培效果好、可大量使用的基質仍為傳統的泥炭、珍珠巖、蛭石和巖棉等,新開發的基質材料仍存在各種缺陷和不足。比如中國目前大力推廣的有機基質培無土栽培技術和穴盤育苗技術,需要大量質優價廉的有機基質,各地都在致力于有機基質材料的開發和合成研究。從使用情況來看,南京農業大學等單位開發研究的蘆葦末基質,相對理化性狀穩定,栽培和育苗效果較好,已達到年產3萬m3的規模,但仍存在質量穩定性有待提高、產業化程度不夠的問題。其他有機基質產品的開發,均因材料來源有限、或性狀穩定性差、或生產成本高、或產業程度低等原因未能在生產上大規模使用。目前,對中國科技工作者和基質生產者來說,開發出優良的可大批量生產、規模化使用的有機基質產品是首要的任務。2.4.2分析方法及研究有待深入基質理化性狀的研究中,國外學者對巖棉的研究較為透徹,其他各種基質性狀的研究仍不夠深入和系統,不能準確地為基質生產、改良和使用提供必要的參數。固體基質不同于普通土壤,但長期以來對它的研究沿用土壤的方法,帶來了許多結果上的偏差。研究方法的改進各家不一,研究方法不統一,研究結果通用性差,造成基質研究與交流的障礙。以基質的提取分析方法為例:目前基質和水的比例有1∶1V/V、1∶1.5V/V、1∶2V/V、1∶5V/V、1∶10V/V等,還有飽和液浸提法(SME)、滲透液法(PT)、2∶1水基質懸浮液提取法等,由于基質和水的比例差異較大,加之不同基質持水力與容重變化較大,致使分析結果差異較大。所以,基質理化性狀的研究有待于標準化和規范化。基質與作物間關系的研究有待深入。基質為作物的生長提供水、氣、肥等根際環境,充當外來水分、氧氣、養分得以利用的“中轉站”,所以基質性狀的優劣直接影響作物的生長、產量和品質,反過來作物根系的生長、吸收、代謝等對基質的性狀又會產生一定的影響,又進一步影響到作物的生育。由于基質開發相對于土壤晚得多,所以基質與作物的相互關系研究較少,且大多集中在最初基質的種類、配比、性狀等對作物生育、產量、品質的影響,而對于基質在使用過程中性狀的變化、水分養分遷移以及栽培作物對基質性狀的影響研究較少。雖然,適于作物生長的基質理化性狀參數的大致范圍已有報道,但主要園藝作物用基質的適宜理化性狀參數有待研究,這不僅是基質標準化生產的技術基礎,也是營養管理的依據和基質重復利用的前提。2.4.3基質使用難度目前市場和生產應用的基質種類較多,但基質間和同種基質不同產地、不同批次間質量差異較大,導致基質栽培作物和育苗的難度增大,基質的使用效果不穩定。所以有待于制定主要栽培基質的通用質量標準,以便于規范基質生產和銷售市場,使基質生產者有章可循,便于制定基質生產操作技術規程,規范基質產品的生產,全面提高中國的基質生產水平。3未來植物基質的發展趨勢3.1優質巖棉產品的生產由于對天然泥炭限制性開發利用,有些國家甚至禁采,需要盡快開發出泥炭的替代品。國外巖棉的開發利用較理想,但主要用于無土栽培,中國目前尚無優質的巖棉產品供生產使用。近年來,國內外在利用各種有機廢棄物開發合成經濟環保型