無(wú)土栽培基質(zhì)的研究史及應(yīng)用

無(wú)土栽培基質(zhì)的研究史及應(yīng)用

1無(wú)土栽培與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合所有未使用土壤的品種通常被統(tǒng)稱(chēng)為無(wú)土栽培。無(wú)土栽培現(xiàn)在是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，也是農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的重要形式。這是發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的新形式。無(wú)土栽培和設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合,促進(jìn)了無(wú)土栽培的發(fā)展。作為無(wú)土栽培的基礎(chǔ),栽培基質(zhì)也有很好的發(fā)展機(jī)遇和廣闊的市場(chǎng)前景。2歷史發(fā)展2.1巖棉r(nóng)omina栽培基質(zhì)的研究史實(shí)際上也是固體基質(zhì)栽培的發(fā)展史。無(wú)土栽培的歷史雖然很古老,但真正開(kāi)始于1860年J.BoussingaultandSalm-Horstmar對(duì)無(wú)土栽培基質(zhì)的研究;發(fā)展始于1965年英國(guó)溫室作物研究所的NFT技術(shù)和1968年丹麥Grodan公司開(kāi)發(fā)的巖棉(Rockwool)栽培技術(shù)。最早的栽培基質(zhì)是砂礫;Salm-Horstmar(1871)用石英、河沙、水晶、碎瓷、純碳酸鈣、硅酸以及活性炭作為燕麥的生根基質(zhì)。隨后Hall(1914)用不同級(jí)別的沙、粉粒、高嶺土栽培羽扇豆和大麥。及后來(lái),蛭石被Woodcock(1946)用來(lái)作為蘭花的栽培基質(zhì)等等。作為無(wú)土栽培的基質(zhì)很快擴(kuò)展到石礫、陶粒、珍珠巖、巖棉、海綿(尿醛)、硅膠、堿交換物(離子交換樹(shù)脂)如斑脫土,沸石、酚醛泡沫(泡沫塑料),爐渣及合成的樹(shù)脂材料等,泥炭、鋸末、樹(shù)皮、稻殼、椰殼和混合基質(zhì)。2.2無(wú)土栽培在世界范圍和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況基質(zhì)是無(wú)土栽培的基礎(chǔ),而無(wú)土栽培則是設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要栽培方式,對(duì)基質(zhì)的研究是無(wú)土栽培的第一步,同時(shí)也反映了無(wú)土栽培的水平。因而,國(guó)內(nèi)外對(duì)此充分重視。雖然我國(guó)的設(shè)施農(nóng)業(yè)早在2000多年前的《漢書(shū)》中就有記載(如秦漢的暖窯種瓜),比歐洲古羅馬的記載要早得多。但現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究和發(fā)展中心在歐洲和美國(guó)、以色列、日本等國(guó)家。相應(yīng)地,它們的無(wú)土栽培也走在世界的前列。其中以荷蘭的設(shè)施農(nóng)業(yè)為代表,荷蘭建有1.1億m2的溫室.其中3/4以上面積采用基質(zhì)栽培,栽培基質(zhì)主要為巖棉和一些混合物(陶粒、泥炭、樹(shù)皮、椰子纖維等),配之以相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液滴灌和栽培技術(shù),蔬菜產(chǎn)量可達(dá)60kg/m2(番茄);其花卉品種繁多,產(chǎn)量質(zhì)量也很高,產(chǎn)出鮮花在世界鮮花市場(chǎng)的占有率達(dá)60%,每年出口額l12.5l億美元,所創(chuàng)造的產(chǎn)值占全國(guó)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的35%左右,成為荷蘭的主要支柱產(chǎn)業(yè)。日本是一個(gè)人多地少的國(guó)家,其農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展過(guò)程中設(shè)施農(nóng)業(yè)起到了十分重要的作用,體現(xiàn)了工業(yè)支持農(nóng)業(yè)的特點(diǎn),形成了有特色的設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。我國(guó)無(wú)土栽培起步較晚,20世紀(jì)70年代主要用于水稻無(wú)土育秧,80年代僅在蔬菜工廠化育苗和園林苗木育苗上有所發(fā)展。由于土培存在連作障礙和土壤次生鹽漬化的致命缺點(diǎn),并且就目前國(guó)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐看,栽培方式和技術(shù)是限制其發(fā)展的因素;另外,流動(dòng)水培設(shè)施成本高、管理難度大。因而,進(jìn)行無(wú)土基質(zhì)栽培將是設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要方向之一。3對(duì)基本的研究3.1營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)混合基質(zhì)據(jù)基質(zhì)的形態(tài)、成分、形狀,目前國(guó)內(nèi)外使用的基質(zhì)可分為無(wú)機(jī)基質(zhì)、有機(jī)基質(zhì)和混合基質(zhì)。有機(jī)基質(zhì):是一類(lèi)天然或合成的有機(jī)材料。如泥炭、樹(shù)皮、鋸木屑、秸稈、稻殼、蔗渣、苔蘚、椰殼(COCOPRESS)、堆肥、沼渣、巖糠灰。無(wú)機(jī)基質(zhì):一般很少含有營(yíng)養(yǎng)。包括砂、礫、陶粒、爐渣、泡沫(聚苯乙烯泡沫,尿醛泡沫)、浮石、巖棉、蛭石、珍珠巖等。混合基質(zhì):無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)混合、有機(jī)-有機(jī)混合、有機(jī)-無(wú)機(jī)混合。從國(guó)內(nèi)外無(wú)土栽培研究和生產(chǎn)實(shí)踐的歷史與現(xiàn)狀看,有機(jī)基質(zhì)使用較少。一方面是由于植物的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)理論不清楚,有機(jī)成分的釋放、吸收、代謝機(jī)理不明。另一方面隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和新材料在設(shè)施中的應(yīng)用,設(shè)施農(nóng)業(yè)已進(jìn)入全自控新階段,有機(jī)基質(zhì)的使用可能會(huì)給植物營(yíng)養(yǎng)的精確調(diào)控和營(yíng)養(yǎng)液的回收再利用帶來(lái)困難。由于混合基質(zhì)由結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同的原料混合而成,可以揚(yáng)長(zhǎng)避短,在水、氣、肥相互協(xié)調(diào)方面優(yōu)于單一基質(zhì),所以,混合基質(zhì)將是今后發(fā)展的方向。3.2植物根系吸收無(wú)土栽培基質(zhì)是能為植物體提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)的水、肥、氣的生長(zhǎng)介質(zhì)。它除了支持、固定植株外,更重要的是使來(lái)自營(yíng)養(yǎng)液的養(yǎng)分、水分便于植物根系從中按需選擇吸收?；|(zhì)的結(jié)構(gòu)決定基質(zhì)水分、養(yǎng)分吸附能力和空氣的含量,從而影響水分養(yǎng)分的運(yùn)輸、供應(yīng)及吸收。同時(shí)基質(zhì)的結(jié)構(gòu)對(duì)根系的生長(zhǎng)也有很大的影響。各種基質(zhì)的結(jié)構(gòu)情況參見(jiàn)表1。3.3基質(zhì)管理措施無(wú)土基質(zhì)栽培的核心是使用營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)基質(zhì)來(lái)供應(yīng)水分養(yǎng)分,由于植物根系是與基質(zhì)相接觸,因而基質(zhì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的吸附特性直接決定了植物營(yíng)養(yǎng)的供給情況?；|(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了基質(zhì)的理化性質(zhì)參見(jiàn)表2和表3[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]分析表1和2可知基質(zhì)對(duì)水分、養(yǎng)分的吸附、保持、釋放能力以及植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)和水分的吸收過(guò)程決定于基質(zhì)的結(jié)構(gòu)(顆粒大小、形狀、孔隙度),顆粒越小排列越緊密,比表面積和孔隙度越大,持水越多,相反排水性、通氣性越差。比較表1,2和3中的各類(lèi)基質(zhì),不難得出優(yōu)良的無(wú)土栽培基質(zhì)都具備四項(xiàng)基本功能,即固定作物的能力、保肥能力、保水能力及透氣能力。具體表現(xiàn)為:(1)有機(jī)物質(zhì)的穩(wěn)定性:用有機(jī)物作基質(zhì),須先堆漚發(fā)酵,使其形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì),并降解有害物質(zhì)。這對(duì)盆栽作物尤為重要。鋸木屑及稻殼等降解很快,不宜直接作盆栽基質(zhì)。(2)C/N比,有機(jī)物中C/N比不宜超過(guò)30:1,否則有機(jī)物降解受阻,將導(dǎo)致作物缺氮。鋸木屑及稻殼等降解快,很難通過(guò)補(bǔ)充氮素滿(mǎn)足作物營(yíng)養(yǎng)需求。根據(jù)計(jì)算,1噸木屑需加10.7kg氮,才能滿(mǎn)足要求。樹(shù)皮C/N比約為300:1,每噸樹(shù)皮需加入3kg氮以滿(mǎn)足微生物的消耗。樹(shù)皮降解速度較慢,需3年以上才能完全降解,盡管C/N比較大,仍不失為一種可利用的基質(zhì)。而木屑在幾個(gè)月內(nèi)可完全降解,消耗氮量大,沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的種植者,應(yīng)盡量避免使用。(3)容重:基質(zhì)應(yīng)有足夠的重量,以防止作物過(guò)重而倒伏。如果基質(zhì)過(guò)重則運(yùn)輸成本高,使用不便。一般基質(zhì)澆水后的容重以673kg/m3～1261kg/m3較適宜。(4)持水力及通氣性:澆水后的栽培基質(zhì)由基質(zhì)顆粒、顆粒表面水膜及孔隙中空氣三部分組成。為使作物生長(zhǎng)良好,基質(zhì)中的水氣要平衡,即10%～20%的空氣及35%～50%的水分。使用樹(shù)皮、稻殼、木炭、蛭石可達(dá)到上述要求。(5)離于交換量(EC):基質(zhì)能吸附肥料中的營(yíng)養(yǎng)元素供作物吸收利用。EC值過(guò)小,基質(zhì)吸附能力差、營(yíng)養(yǎng)離子易流失,需要經(jīng)常施肥。(6)pH值:大多數(shù)作物需微酸性基質(zhì)(pH6.2～6.8),少量作物偏好酸性基質(zhì)(pH4.5～5.8),泥炭、樹(shù)皮及其它堆肥為酸性,砂及珍珠巖為中性。(7)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量:泥炭及樹(shù)皮缺乏微量元素,基質(zhì)使用前可根據(jù)作物需要加入一定量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。由于目前的研究還不夠深入,尚不能確切說(shuō)明植物對(duì)水分養(yǎng)分的需求、轉(zhuǎn)運(yùn)等。以及無(wú)法明確營(yíng)養(yǎng)液的組成、配制、灌溉制度。因此,營(yíng)養(yǎng)液的灌溉和管理比較復(fù)雜。目前國(guó)外的現(xiàn)代化自控溫室營(yíng)養(yǎng)液的電腦管理基本上停留在依靠調(diào)控EC的水平上,大多采取過(guò)量灌溉,是一種半精確的水分養(yǎng)分供應(yīng)方式。國(guó)內(nèi)的塑料大棚也采取類(lèi)似的經(jīng)驗(yàn)灌溉。因此,養(yǎng)分水分的精確供應(yīng)研究尚有待于進(jìn)一步深入,如用不同的傳感器分別測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液和回收液中各養(yǎng)分的含量和pH,掌握植物對(duì)水分養(yǎng)分的吸收量,以便進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控。3.4基質(zhì)的重復(fù)利用基質(zhì)結(jié)構(gòu)在灌溉和植物根系作用下會(huì)有所改變,同時(shí)根分泌物和鹽分的積聚,以及可能存在病蟲(chóng)等,因此基質(zhì)要重復(fù)利用,應(yīng)該進(jìn)行一些處理,如結(jié)構(gòu)重組、水分淋洗、消毒等。消毒措施有蒸汽消毒、溴甲烷、甲醛、氯化苦消毒,太陽(yáng)暴曬等,但尚沒(méi)有經(jīng)濟(jì)可靠的大批量基質(zhì)消毒的辦法。4基礎(chǔ)研究的進(jìn)展4.1基質(zhì)的選擇及推廣的原則由于土壤栽培存在諸多缺點(diǎn),如土壤次生鹽漬化;營(yíng)養(yǎng)難于調(diào)控;病蟲(chóng)害難于預(yù)防;生產(chǎn)操作繁重等,勢(shì)必要求大規(guī)模開(kāi)展無(wú)土栽培。但現(xiàn)在沒(méi)有任何一種基質(zhì)可以適應(yīng)所有作物種植,而且設(shè)施農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)日光溫室、塑料大棚、自控溫室等多種并存局面。因而,研究目的應(yīng)在于以成熟的產(chǎn)品、簡(jiǎn)便易懂的管理使用技術(shù)支持無(wú)土基質(zhì)栽培。開(kāi)發(fā)的基質(zhì)應(yīng)該是以適應(yīng)不同設(shè)施檔次、不同地域、不同作物,以成本低、效果好、管理方便為標(biāo)準(zhǔn),并與該基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)液管理配套,聯(lián)合推廣,以適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年內(nèi),無(wú)土基質(zhì)栽培將占設(shè)施農(nóng)業(yè)的一半以上,基質(zhì)將逐漸形成廣闊市場(chǎng)。4.2重點(diǎn)研究的問(wèn)題4.2.1基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)基質(zhì)的適宜理化性質(zhì)參數(shù)研究。這不僅是基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ),也是營(yíng)養(yǎng)管理的依據(jù)和基質(zhì)重復(fù)利用的前提。這方面的系統(tǒng)研究將是一種創(chuàng)新和突破。4.2.2需要采用團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)如何按標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)控制基質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成技術(shù),這種技術(shù)要適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、工廠化生產(chǎn)的需要?；|(zhì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)有利于水分的吸收、排放、通氣、根系的伸長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?；|(zhì)的重復(fù)利用性能也決定于基質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。4.2.3對(duì)植物養(yǎng)分的調(diào)節(jié)雖然不像土壤栽培中那樣,普遍存在環(huán)境脅迫,如養(yǎng)分、水分、酸堿、溫度等脅迫,且基質(zhì)中養(yǎng)分只有速效養(yǎng)分,但植物是如何適應(yīng)充足的水分養(yǎng)分供應(yīng)的,特別是有些養(yǎng)分如鉀、鈣、鐵的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)土壤的含量,是土壤的上百倍,植物根際營(yíng)養(yǎng)和根際微生物,根系分泌物是如何調(diào)節(jié)植物養(yǎng)分,這些研究工作都是很有意義。4.2.4營(yíng)養(yǎng)管理技術(shù)在設(shè)施栽培的氣候環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下,植物的營(yíng)養(yǎng)生理也有其特點(diǎn),特別是在高產(chǎn)管理和使用設(shè)施專(zhuān)用品種的情況下,植物的營(yíng)養(yǎng)生理特征不同于露地栽培。因此,營(yíng)養(yǎng)液的配制技術(shù)(包括配方);灌溉技術(shù)(頻率、灌溉量);監(jiān)測(cè)調(diào)整技術(shù)(植株、營(yíng)養(yǎng)液回收液的監(jiān)測(cè)調(diào)整);設(shè)施營(yíng)養(yǎng)診斷技術(shù);適合滴灌的園藝用肥料(高濃、全溶復(fù)合肥)研制等將是基質(zhì)研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。4.2.5培肥管理要精準(zhǔn)使用有機(jī)基質(zhì)有機(jī)基質(zhì)是指完全是有機(jī)物料或以有機(jī)物料為主的基質(zhì)。與目前玻璃溫室普遍使用的無(wú)機(jī)基質(zhì)的主要差別是其本身含有不同比例的營(yíng)養(yǎng)元素,這些營(yíng)養(yǎng)元素的有效釋放是不可控的,是不勻速的,因此,雖然營(yíng)養(yǎng)液的成分、濃度很精確,但植物可吸收的養(yǎng)分狀況是不確定的,不利于養(yǎng)分水分的精確調(diào)控。塑料大棚的環(huán)境控制能力有限,營(yíng)養(yǎng)管理也是基于經(jīng)驗(yàn)性的過(guò)量灌溉,本身就不精確,所以,塑料大棚中使用有機(jī)基質(zhì)是可行的。有機(jī)廢棄物是較好的有機(jī)基質(zhì)原料。目前,有機(jī)廢棄物的處理方法仍以堆肥為主,堆肥的本質(zhì)是固體廢棄物分解為相對(duì)穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)的過(guò)程,它是細(xì)菌、放線菌和真菌等在好氣或厭氧條件下完成的。作為基質(zhì)應(yīng)達(dá)到三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn):易分解的有機(jī)物大部分分解;施入土壤后不產(chǎn)生氮的生物固定;通過(guò)降解除去酚類(lèi)等有害物質(zhì)、消滅病原菌、害蟲(chóng)卵和雜草種籽。并且應(yīng)有適宜的理化性質(zhì)。目前有機(jī)廢棄物處理的關(guān)鍵是采用新工藝,降低成本。最新研究表明,經(jīng)厭氧發(fā)酵制成的沼渣是較好的無(wú)土栽培基質(zhì)。4.3新產(chǎn)品4.3.1穴內(nèi)固定或種子或幼苗直接種在穴內(nèi)模制基質(zhì)是把基質(zhì)模制成固定形狀,在上面預(yù)留栽培穴,種子或幼苗直接種在穴內(nèi),省去了栽培容器,便于消毒。農(nóng)用巖棉就是模制基質(zhì)。模制基質(zhì)在花卉栽培上應(yīng)用較多,澆水后基質(zhì)的形狀隨容器的形狀而改變。4.3.2親水吸水性泡沫的最佳配比是在傳統(tǒng)的聚氨酯泡沫中,引入親水基團(tuán),以提高泡沫的吸水、保水功能。由于在聚氨酯泡沫的合成中,可以通過(guò)調(diào)整配方比例來(lái)控制泡沫的吸水量,控制泡沫在使用中的固、氣、水的組成比例,以滿(mǎn)足不同作物根系生長(zhǎng)的要求,因此,親水吸水性聚氨酯泡沫作為無(wú)土栽培的基材,有其重量輕、基材組成可根據(jù)不同作物要求進(jìn)行調(diào)整及可制成各種形狀等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。4.3.3礦渣消毒基質(zhì)礦渣棉是工業(yè)巖棉的一種,以工業(yè)廢料礦渣為原料,熔化后用蒸汽噴射法或離心法制成的絮狀材料。也可用瀝青或酚醛樹(shù)脂制成各種規(guī)格的板氈和管殼等。實(shí)驗(yàn)證明,礦渣棉幾乎囊括了非巖棉類(lèi)無(wú)土栽培基質(zhì)的優(yōu)點(diǎn),如具有很強(qiáng)的透水性、透氣性、保水性,物理性狀良好,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定;隔熱性能好,使根際溫度保持穩(wěn)定;經(jīng)高溫消毒,無(wú)病蟲(chóng)害,不腐爛,不破碎.使用壽命長(zhǎng)等。此外它還具有其他基質(zhì)所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn):(1)可單獨(dú)做基質(zhì),不必與其它基質(zhì)配制,就能給作物根際創(chuàng)造一個(gè)良好的水、氣供應(yīng)環(huán)境。(2)不易變型,物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不會(huì)板結(jié),不用松土、換土。(3)可塑性強(qiáng),可人工將礦渣棉板、管割成各種形狀,再以不易腐爛變質(zhì)的尼龍、塑料、玻璃制品做包裝,制成形色多樣的簡(jiǎn)易養(yǎng)花器皿。而且由于質(zhì)輕,可用于花卉的懸掛、壁掛,增加裝飾性。礦渣棉除具有以上和巖棉相同的優(yōu)點(diǎn)外,還存在和巖棉一樣的缺點(diǎn)。首先是其體內(nèi)所含元素大多為不可利用態(tài),不能被作物吸收;其次是作物根部扎入巖棉中,移植時(shí)會(huì)造成傷根,必須在根系很小時(shí)移植或帶巖棉一同移植。另外,礦渣棉還有使皮膚刺癢的缺點(diǎn),操作時(shí)最好先用水浸泡至飽和,并輕拿輕放。再有,由于礦渣棉原科復(fù)雜,工序簡(jiǎn)單,質(zhì)量差,估計(jì)會(huì)含有對(duì)植物不利的物質(zhì)。但由于其價(jià)格低廉,較為適合中國(guó)無(wú)土栽培。4.3.4暖地型無(wú)土地層草坪的種植特點(diǎn)隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,利用其他材料作為觀賞植物無(wú)土栽培基質(zhì)的研究也層出不窮。美國(guó)Lohv等利用菇床廢料制作無(wú)土栽培基質(zhì)與商業(yè)泥炭-蛭石基質(zhì)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)菇床廢料經(jīng)過(guò)脫鹽處理也可作為一種花卉無(wú)土栽培基質(zhì);梁應(yīng)林等利用貴州地區(qū)天然草皮豐富的優(yōu)勢(shì),用天然草皮燒成的灰或堆制成的腐質(zhì)土作無(wú)土栽培基質(zhì)生產(chǎn)地毯式草坪,效果顯著優(yōu)于土培草坪,與報(bào)道的其他無(wú)土栽培基質(zhì)培育的草坪無(wú)差異;美國(guó)Stone用污泥堆肥和海灘沙混合基質(zhì)與2種商品盆栽混合基質(zhì)對(duì)草坪草生長(zhǎng)的影響進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),海灘沙/污泥堆肥比例為1:1和3:1時(shí),草坪草的生長(zhǎng)高度、莖稈數(shù)目和展幅與一種商品混