无土栽培基质的研究与应用

无土栽培基质的研究与应用

无土栽培可以追溯到17世纪和1660年。枣子在小瓶中种植植物，植物可以生存9个月。此后,为了提高作物的产量和质量,更好地控制植物的生长和营养供给,研究工作陆续展开。尤其是在能源危机的20世纪70年代,土壤栽培中常用的蒸汽消毒成本提高,开始用溴甲烷作为土壤杀菌剂或实施无土栽培,但是溴代烷消毒会使其在土壤和地下水中含量增加,加之溴代烷会破坏臭氧层,无土栽培因而得到迅速发展。按照国际无土栽培学会的规定,凡是不用天然土壤,使用基质或不使用基质,用营养液灌溉植物根系或用其它方式来种植植物的方法都称为无土栽培。文献中也用以下术语来表示无土栽培基质,无机土壤指的是以沙、岩棉、蛭石、沸石等作为基质替代土壤;有机土壤指的是以秸秆、树皮、泥炭、稻壳等经过改变形态和发酵处理后作为基质;合成土壤指的是以单体或化合物为基材,加入某些物质进行化学反应所得的基质;人造土壤指得是大量应用非土壤物质,少加或不加土壤并通过煅烧、挤出、粉化等得到的植物栽培基质;土壤替代物的概念更为广泛,可涵盖以上几种说法,凡是具有土壤性质又可替代土壤用于植物生长的都可称为土壤替代物。1培基质的分类无土栽培主要包括水培、雾培和基质培,基质培因性能稳定、一次性投资少、效果良好而被广泛接受。无土栽培基质一般包括无机基质和有机基质,前者又分为天然基质与合成基质,天然基质包括岩棉、沙、砂砾、玻璃纤维、蛭石、珍珠岩、浮石灰、膨胀黏土、沸石、火山岩、海泡石、炉渣、陶瓷、废矿土等;合成基质包括泡沫材料、水凝胶、树脂等;有机基质则包括树皮、木屑、泥炭、羊毛、椰糠、核桃壳、秸秆、稻壳、蔗渣、沼渣等。1.1岩棉和其它基质的选择1.1.1岩棉岩棉是公认的较理想的无土栽培基质,系由辉绿岩、石灰石、焦炭在高温下混合熔融并用小螺纹螺杆挤出压制成片,其密度约80kg/m3。岩棉性质惰性,除对pH值小有影响外,不会改变供给的任何营养液,也不会阻碍植物对营养液的利用;岩棉中的大量小孔隙,可保持植株根部的营养液和空气供给。充分浇水后,岩棉基质中水和空气的比率非常有利于植物根部的生长;与其它基质相比,植物更易从岩棉中吸取较大比例的营养液;岩棉可以安全地进行过浇灌,大量的液体可冲洗出不需要的营养成分。岩棉还是一种完全无菌的媒介。但也存在一些缺点:其成本高,这是岩棉发展的制约因素,岩棉也可能对人的皮肤有刺激,回收也是一个未解决的难题。1.1.2沙子沙子的成本低,但其初期使用管理成本高。作为基质使用,沙子选择需慎重,含钙高则必须增加螯合离子的供给。营养成分的供给和灌溉是决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的盐分则不适于大量的植物,因为植物周围的水蒸发快,将导致化肥中盐分在植物生长床体上的积累,过量的氮肥将引起植物过分生长却减少了果实的收获,这个问题可通过调节营养液中的氮含量来避免。沙基质的排水也应经常检测,对所有的沙基质采用同种方式灌溉是错误的,沙基质性质不同,持水能力也不同,灌溉方式也应有所区别。近年针对沙子持水性差的缺点,有人将细纱与水混合模塑后再经过煅烧得到了多孔材料,可作为植物生长的人工土壤。1.2可再生资源利用的材料1.2.1泡沫塑料用于基质的泡沫塑料有聚氨酯泡沫、脲醛泡沫、聚苯乙烯泡沫等,最常见的是聚氨酯泡沫。泡沫基质符合生态学、经济学和工程学的要求。从经济观点看,泡沫基质成本为14.4元/片,比别的基质材料大约贵4.8元/片,但其折旧时间超过10年甚至15年。此外,其蒸汽消毒成本每年仅为1.2元/m2,回收或处理成本为其它基质的一半;至于生态方面,泡沫基质可填充家俱产业的废木屑等有机废物,部分地缓解环境压力,此外,其易回收、可再次使用且性质和新的泡沫基质相当,不会大量增加塑料的使用;从工程学角度看,泡沫基质满足了生产者的需要,易处理就意味着在耕种期间可及时地大量收获,其转运、蒸汽处理及包装简单且不需费力的防病菌措施。泡沫塑料作为基质持水性稍差,降解性也有待改善。用碳化材料来调节泡沫的吸水和保湿性能,并提高了生物降解性;用亚甲基苯酚、尿素的三元共聚物制成的内部贯穿的泡沫塑料可以大量持水,根部通风性也好,也可提供逐步释放的氮源供植物生长。1.2.2凝胶高吸水性且含养分的凝胶也可用于无土栽培,有人将骨胶原水解物与苯乙烯、乙酸乙烯酯、丙烯腈、异丁烯酸酯、丙烯酸、丙烯酸-2-羟基乙基酯、丙烯酰胺、乙烯吡咯烷酮进行共聚得到了高吸水性又可生物降解的水凝胶,用于植物栽培取得了较好的效果,水凝胶作为一种透明胶体加入某些颜料还能起到很好的装饰作用。将少量无毒的磷光质及颜料均匀分散在聚丙烯酰胺凝胶中还可制得有色的凝胶基质,作为室内盆栽基质有着较好的发展前景。1.2.3树脂树脂中也可加入颜料用于装饰性盆栽基质,通常用丙烯酸钠、交联剂、引发剂及含水营养物共聚制得,以超细粉酞青颜料着色后有很好的视觉效果,且对环境无害,大约可用一年,但将树脂用于无土栽培的报道较为鲜见。1.3基质材料选择有机基质近年得到了较好的发展,与其它基质相比它有以下优点:可再生、节约资源、对环境无污染;各地可寻找适合本地推广的有机基质;废弃的有机基质仍具有丰富的养分,可直接施入田地作为土壤改良剂,恰当使用可减少施肥量,降低种植成本。基质中使用的树皮通常是“自然腐化”或“沤制”的,“沤制”类树皮的分解要比“自然腐化”的更具有可控性。应用时都要确认它们是否完全分解,并防止过热或氮素的过分流失。树皮的pH值范围为5.0~6.5,其可溶性盐的含量也较低,因为树皮会吸收氮素,树皮混合基质需要的肥料含量更高,在其中加入氮源(通常是尿素甲醛)可降低树皮吸收氮素的水平。有机基质也存在一些缺点,其稳定性较差,易造成作物产量和品质的下降。近年发展的混合基质(有机+无机、有机+有机、无机+无机、有机+无机+合成)系由性质不同的原料混合而成,在水、气、肥的协调方面优于有机或无机基质,发展空间较大。2基质中聚合物ece和营养液ph值的变化为了满足作物生长需要无土栽培基质还应具备其它的一些理化性质如pH值、EC值(电导率)、ECE值(阳离子交换性)。在植物生长过程中,pH值是一个重要因素,大多数植物需要酸性基质,pH值过高会使植物无法正常生长。有机物基质开始应用时其pH值一般较低,甚至要用石膏或碳酸镁来中和,并起到pH值缓冲的作用,但pH值变化是动态的,在种植前后加入到系统中的任何物质都会影响pH值(如灌溉水及肥料等),当然也包括植株本身。当pH值降到5.0以下,通常都会导致Zn,Mn可利用性的增加,也会导致源于这些元素的叶面中毒。EC值和ECE值也是影响植株生长的重要因素。EC值反映基质中原来带有的可溶性盐分含量,将直接影响营养液的平衡和植株生长。ECE值会对基质中营养液成分产生很大影响,它既能影响营养液的平衡,使人们难以按需控制营养液的成分。但也能保持养分减少损失,并对营养液的酸碱性有缓冲作用。部分基质原料和使用过的基质需要消毒以抑制病虫害并除去有害物质,常用的方法有蒸汽消毒、药剂消毒及太阳能消毒。蒸汽消毒消耗大,药剂消毒对环境有危害,太阳能消毒是近年基质栽培中应用较普遍的一种廉价、安全、简单、有效的消毒方法。应引起注意的是营养液中居留的某些微生物群对疾病有一定的抑制作用,消毒应该去除病原体,保留有益的活性微生物群,但目前没有更好的消毒处理方法可达此目的。3无土栽培基质的研究我国人口众多,土地资源有限,尤其在人口密集、土质较差的地方应大力发展无土栽培,立体化栽培可提高土地利用率3~5倍,提高单位面积产量2~3倍,同时也可提高温室设备的利用率,是一种节约型农业和工厂化高效化农业的种植技术。我国无土栽培的重点是开发低成本、环保、性能优的基质和提高栽培管理技术。但应注意:①没有哪种基质可适合所有植物生长,各地依自然资源的不同,可因地制宜、就地取材,寻找适合当地发展、价廉易得的基质;②虽然某些有机基质是理想的无土栽培材料,但从可持续发展的角度看,应注重有机、混合基质的开发利用。有机基质是一种可再生资源,且对环境无害。沼渣的利用就是很好的范例,其富含有机质和养分,施于大田不失为一种很好的土壤改良剂;③基质区别于土壤最重要的是其缓冲性差,这就使基质应用技术性强,配套设施要求完善。基质的缓冲性差,任何灌溉、施肥上的失误都可能引起重大的损失,这无疑增大了投资成本;④技术含量要求较高不能体现经济效益,不利于大面积的推广,开发性优价廉的基质尤为重要。近来在基质中添加助剂的工作也见诸报道,添加杀菌剂、保水剂、粘结剂、助湿剂等可满足生产的需要并拓宽基质的使用范围;⑤栽培技术及管理上的简约化和节能化是无土栽培的关键,21世纪我国无土栽培将出现高度设施化和简易栽培设施并存的局面,简便易行的无土栽培设施更适合在农村应用。无土栽培不同于普通栽培,它对生产者的素质要求高,简化管理技术将便于推广并提高生产效率。引入营养液梯级利用