無土栽培基質的研究與應用

無土栽培可以追溯到17世紀和1660年。棗子在小瓶中種植植物，植物可以生存9個月。此后,為了提高作物的產量和質量,更好地控制植物的生長和營養供給,研究工作陸續展開。尤其是在能源危機的20世紀70年代,土壤栽培中常用的蒸汽消毒成本提高,開始用溴甲烷作為土壤殺菌劑或實施無土栽培,但是溴代烷消毒會使其在土壤和地下水中含量增加,加之溴代烷會破壞臭氧層,無土栽培因而得到迅速發展。按照國際無土栽培學會的規定,凡是不用天然土壤,使用基質或不使用基質,用營養液灌溉植物根系或用其它方式來種植植物的方法都稱為無土栽培。文獻中也用以下術語來表示無土栽培基質,無機土壤指的是以沙、巖棉、蛭石、沸石等作為基質替代土壤;有機土壤指的是以秸稈、樹皮、泥炭、稻殼等經過改變形態和發酵處理后作為基質;合成土壤指的是以單體或化合物為基材,加入某些物質進行化學反應所得的基質;人造土壤指得是大量應用非土壤物質,少加或不加土壤并通過煅燒、擠出、粉化等得到的植物栽培基質;土壤替代物的概念更為廣泛,可涵蓋以上幾種說法,凡是具有土壤性質又可替代土壤用于植物生長的都可稱為土壤替代物。1培基質的分類無土栽培主要包括水培、霧培和基質培,基質培因性能穩定、一次性投資少、效果良好而被廣泛接受。無土栽培基質一般包括無機基質和有機基質,前者又分為天然基質與合成基質,天然基質包括巖棉、沙、砂礫、玻璃纖維、蛭石、珍珠巖、浮石灰、膨脹黏土、沸石、火山巖、海泡石、爐渣、陶瓷、廢礦土等;合成基質包括泡沫材料、水凝膠、樹脂等;有機基質則包括樹皮、木屑、泥炭、羊毛、椰糠、核桃殼、秸稈、稻殼、蔗渣、沼渣等。1.1巖棉和其它基質的選擇1.1.1巖棉巖棉是公認的較理想的無土栽培基質,系由輝綠巖、石灰石、焦炭在高溫下混合熔融并用小螺紋螺桿擠出壓制成片,其密度約80kg/m3。巖棉性質惰性,除對pH值小有影響外,不會改變供給的任何營養液,也不會阻礙植物對營養液的利用;巖棉中的大量小孔隙,可保持植株根部的營養液和空氣供給。充分澆水后,巖棉基質中水和空氣的比率非常有利于植物根部的生長;與其它基質相比,植物更易從巖棉中吸取較大比例的營養液;巖棉可以安全地進行過澆灌,大量的液體可沖洗出不需要的營養成分。巖棉還是一種完全無菌的媒介。但也存在一些缺點:其成本高,這是巖棉發展的制約因素,巖棉也可能對人的皮膚有刺激,回收也是一個未解決的難題。1.1.2沙子沙子的成本低,但其初期使用管理成本高。作為基質使用,沙子選擇需慎重,含鈣高則必須增加螯合離子的供給。營養成分的供給和灌溉是決定沙培效果的主要因素。一般采用少量多次的灌溉方式,灌溉水多于550mg/kg的鹽分則不適于大量的植物,因為植物周圍的水蒸發快,將導致化肥中鹽分在植物生長床體上的積累,過量的氮肥將引起植物過分生長卻減少了果實的收獲,這個問題可通過調節營養液中的氮含量來避免。沙基質的排水也應經常檢測,對所有的沙基質采用同種方式灌溉是錯誤的,沙基質性質不同,持水能力也不同,灌溉方式也應有所區別。近年針對沙子持水性差的缺點,有人將細紗與水混合模塑后再經過煅燒得到了多孔材料,可作為植物生長的人工土壤。1.2可再生資源利用的材料1.2.1泡沫塑料用于基質的泡沫塑料有聚氨酯泡沫、脲醛泡沫、聚苯乙烯泡沫等,最常見的是聚氨酯泡沫。泡沫基質符合生態學、經濟學和工程學的要求。從經濟觀點看,泡沫基質成本為14.4元/片,比別的基質材料大約貴4.8元/片,但其折舊時間超過10年甚至15年。此外,其蒸汽消毒成本每年僅為1.2元/m2,回收或處理成本為其它基質的一半;至于生態方面,泡沫基質可填充家俱產業的廢木屑等有機廢物,部分地緩解環境壓力,此外,其易回收、可再次使用且性質和新的泡沫基質相當,不會大量增加塑料的使用;從工程學角度看,泡沫基質滿足了生產者的需要,易處理就意味著在耕種期間可及時地大量收獲,其轉運、蒸汽處理及包裝簡單且不需費力的防病菌措施。泡沫塑料作為基質持水性稍差,降解性也有待改善。用碳化材料來調節泡沫的吸水和保濕性能,并提高了生物降解性;用亞甲基苯酚、尿素的三元共聚物制成的內部貫穿的泡沫塑料可以大量持水,根部通風性也好,也可提供逐步釋放的氮源供植物生長。1.2.2凝膠高吸水性且含養分的凝膠也可用于無土栽培,有人將骨膠原水解物與苯乙烯、乙酸乙烯酯、丙烯腈、異丁烯酸酯、丙烯酸、丙烯酸-2-羥基乙基酯、丙烯酰胺、乙烯吡咯烷酮進行共聚得到了高吸水性又可生物降解的水凝膠,用于植物栽培取得了較好的效果,水凝膠作為一種透明膠體加入某些顏料還能起到很好的裝飾作用。將少量無毒的磷光質及顏料均勻分散在聚丙烯酰胺凝膠中還可制得有色的凝膠基質,作為室內盆栽基質有著較好的發展前景。1.2.3樹脂樹脂中也可加入顏料用于裝飾性盆栽基質,通常用丙烯酸鈉、交聯劑、引發劑及含水營養物共聚制得,以超細粉酞青顏料著色后有很好的視覺效果,且對環境無害,大約可用一年,但將樹脂用于無土栽培的報道較為鮮見。1.3基質材料選擇有機基質近年得到了較好的發展,與其它基質相比它有以下優點:可再生、節約資源、對環境無污染;各地可尋找適合本地推廣的有機基質;廢棄的有機基質仍具有豐富的養分,可直接施入田地作為土壤改良劑,恰當使用可減少施肥量,降低種植成本。基質中使用的樹皮通常是“自然腐化”或“漚制”的,“漚制”類樹皮的分解要比“自然腐化”的更具有可控性。應用時都要確認它們是否完全分解,并防止過熱或氮素的過分流失。樹皮的pH值范圍為5.0~6.5,其可溶性鹽的含量也較低,因為樹皮會吸收氮素,樹皮混合基質需要的肥料含量更高,在其中加入氮源(通常是尿素甲醛)可降低樹皮吸收氮素的水平。有機基質也存在一些缺點,其穩定性較差,易造成作物產量和品質的下降。近年發展的混合基質(有機+無機、有機+有機、無機+無機、有機+無機+合成)系由性質不同的原料混合而成,在水、氣、肥的協調方面優于有機或無機基質,發展空間較大。2基質中聚合物ece和營養液ph值的變化為了滿足作物生長需要無土栽培基質還應具備其它的一些理化性質如pH值、EC值(電導率)、ECE值(陽離子交換性)。在植物生長過程中,pH值是一個重要因素,大多數植物需要酸性基質,pH值過高會使植物無法正常生長。有機物基質開始應用時其pH值一般較低,甚至要用石膏或碳酸鎂來中和,并起到pH值緩沖的作用,但pH值變化是動態的,在種植前后加入到系統中的任何物質都會影響pH值(如灌溉水及肥料等),當然也包括植株本身。當pH值降到5.0以下,通常都會導致Zn,Mn可利用性的增加,也會導致源于這些元素的葉面中毒。EC值和ECE值也是影響植株生長的重要因素。EC值反映基質中原來帶有的可溶性鹽分含量,將直接影響營養液的平衡和植株生長。ECE值會對基質中營養液成分產生很大影響,它既能影響營養液的平衡,使人們難以按需控制營養液的成分。但也能保持養分減少損失,并對營養液的酸堿性有緩沖作用。部分基質原料和使用過的基質需要消毒以抑制病蟲害并除去有害物質,常用的方法有蒸汽消毒、藥劑消毒及太陽能消毒。蒸汽消毒消耗大,藥劑消毒對環境有危害,太陽能消毒是近年基質栽培中應用較普遍的一種廉價、安全、簡單、有效的消毒方法。應引起注意的是營養液中居留的某些微生物群對疾病有一定的抑制作用,消毒應該去除病原體,保留有益的活性微生物群,但目前沒有更好的消毒處理方法可達此目的。3無土栽培基質的研究我國人口眾多,土地資源有限,尤其在人口密集、土質較差的地方應大力發展無土栽培,立體化栽培可提高土地利用率3~5倍,提高單位面積產量2~3倍,同時也可提高溫室設備的利用率,是一種節約型農業和工廠化高效化農業的種植技術。我國無土栽培的重點是開發低成本、環保、性能優的基質和提高栽培管理技術。但應注意:①沒有哪種基質可適合所有植物生長,各地依自然資源的不同,可因地制宜、就地取材,尋找適合當地發展、價廉易得的基質;②雖然某些有機基質是理想的無土栽培材料,但從可持續發展的角度看,應注重有機、混合基質的開發利用。有機基質是一種可再生資源,且對環境無害。沼渣的利用就是很好的范例,其富含有機質和養分,施于大田不失為一種很好的土壤改良劑;③基質區別于土壤最重要的是其緩沖性差,這就使基質應用技術性強,配套設施要求完善。基質的緩沖性差,任何灌溉、施肥上的失誤都可能引起重大的損失,這無疑增大了投資成本;④技術含量要求較高不能體現經濟效益,不利于大面積的推廣,開發性優價廉的基質尤為重要。近來在基質中添加助劑的工作也見諸報道,添加殺菌劑、保水劑、粘結劑、助濕劑等可滿足生產的需要并拓寬基質的使用范圍;⑤栽培技術及管理上的簡約化和節能化是無土栽培的關鍵,21世紀我國無土栽培將出現高度設施化和簡易栽培設施并存的局面,簡便易行的無土栽培設施更適合在農村應用。無土栽培不同于普通栽培,它對生產者的素質要求高,簡化管理技術將便于推廣并提高生產效率。引入營養液梯級利用