植物基质材料的研究与应用

植物基质材料的研究与应用

基质是指植物提供稳定协调的水、气、肥料结构生长介质的基质。它除了支持、固定植株外,更重要的是充当“中转站”的作用,使来自营养液的养分、水分得以中转,植物根系从中按需选择吸收。1质量物的使用根据基质的形态、成分、形状,目前国内外使用的基质可以分为无机基质,有机基质和混合基质。无机基质通常是工业上的一些矿石,基本不含营养物质,没有生物活性,一般无机基质孔隙度都较大,基本能满足植株生长所需束缚水的需要,在栽培中多作支持物或调节基质孔隙度容重等使用。常见的无机基质有砂、砾、蛭石、珍珠岩、岩棉、炉渣、泡沫塑料等。蛭石和珍珠岩质地轻、透气性好、保水性强,是目前国内外应用较多的基质材料。西方国家在生产上使用的一些人工基质也多为无机基质,如颗粒凝胶、橡皮等,主要用作植物生长的支持物。有机基质含有丰富的营养成分,具有较强的缓冲能力和较高的持水力,常用作育苗的主要基质,其优点在于有团聚作用或成粒作用,保持混合物的疏松,稳定混合物的容重,如泥炭、锯末、树皮、芦苇末、尿醛泡沫等。复合基质常指几种单一基质按不同比例混合而成的,既可无机-无机混合,也可无机-有机混合、有机-有机混合。2基质的制备与利用基质的研究可分两个阶段:廿世纪七十年代以前为起步阶段,仅限于研究基质的作用、各类基质的优缺点和应用等;七十年代以后为发展阶段,对基质的理化性状,基质与水分、养分、空气利用的关系,基质与植物营养供应的关系,基质与栽培技术,基质的混合利用和重复利用等进行较深入和系统的研究。沙砾最早被植物营养学家和植物生理学家用来栽培作物以研究作物养分吸收、生理代谢以及植物生长必需的营养元素和生理障碍等。随后,Salm-Horstmar(1871)分别以沙、石英、碎瓷、纯硅酸钙等作燕麦的生长基质,Hall(1914)用不同级别的沙、粉粒、高岭土栽培羽扇豆和大麦,Woodcock(1946)利用蛭石作兰花栽培基质等。接着可作为固体基质材料很快扩展到石砾、陶粒、珍珠岩、岩棉、海绵(尿醛)、硅胶、合成树脂、泡沫塑料、炉渣和有机基质如泥炭、锯末、树皮、稻壳、椰糠和一些混合基质。而在生产上应用较多的有美国康奈尔大学开发的4种混合基质,英国温室作物研究所开发的GCRI混合物以及荷兰的岩棉、泥炭等。1990年以后,稻壳、熏炭、砂、珍珠岩、纤维素、岩棉、泡沫塑料是无土栽培基质的主要材料(李式军,1988;GerritWever,1999)。近年来,各地开发当地资源,利用工农业有机固体废弃物生产本土化无土栽培基质受到重视(李谦盛等,2002)。我国目前现代化水平较低,国内关于基质方面的研究报道不少,但尚未达到普及实用阶段,当前的研究仅处于用植物长势和产量对可作为基质的原材料的评价上,即各种基质的比较、选择等。李萍萍等对以造纸工业废渣、芦苇末为原料所制成的有机基质在生菜和番茄等作物栽培上的应用效果进行试验,结果表明:纯芦苇末或配以珍珠岩作基质栽培蔬菜,生菜产量比常规的草炭混合基质提高10%以上,番茄比土壤的产量增加30%以上;秦嘉海等选择糖醛、炉渣、发酵羊粪等基质,加入定量的生物有机、无机复合型专用肥配制成全营养栽培基质,当炉渣、羊粪、糖醛渣比例为2.50∶1.00∶1.50时,最有利于番茄的生长发育;青岛农科所陈振德等研究:用当地种过蘑菇的棉籽壳、猪粪、炉渣灰、糠醛渣、蛭石等配制的复合基质,在茄果类、瓜类、叶菜类上分别试验,结果表明:上述原料配成的复合基质育苗,能明显促进幼苗生长发育和营养吸收,提高壮苗指数,且大大降低了育苗成本。还有实验表明:锯末、树皮、芦苇末等在无土栽培中显示出了并不低于草炭的性能,树皮在很大程度上就可以代替草炭,单独用树皮堆肥就可以作为黄瓜、甜椒、番茄及结球莴苣等作物的栽培基质,另外花生壳、芦苇末、甘蔗渣、糖渣、菇渣、玉米秆、木屑和蛭石的混合物等都可不同程度地替代草炭用于育苗。3在基础研究中存在的问题3.1无机材料基质基质材料可分为有机材料和无机材料。有机材料包括各种类型的泥炭、蔗渣、菇渣、秸杆、椰糠、树皮、锯末等,其特点是具有较强的团聚作用或成粒性,质轻疏松,较好保水保肥性,且本身含有丰富养分可供作物吸收利用,但新鲜材料须堆沤,使碳氮比<30:1才能使用。无机材料包括沙砾、炉渣、陶土、碎石、蛭石、珍珠岩、岩棉等,其特点是理化性状比较稳定本身不含养分,易于控制营养供给水平,但大多数无机材料保水保肥能力较差。如何开发一种理化性能稳定、取材方便、价格低廉、用后易处理的基质是很关键的。我国基质的开发和生产因地区差异而各不相同,原料多种多样,不利于工厂化生产,而且各地的沙砾、沙壤土、锯末等物质产量有限,限制了基质的发展,再者各种基质的配方只能适合本地使用,不能在其他地区推广应用,基质大部分还是颗粒状,类似与土壤,不利于储藏运输。而且有机基质C/N值较高,有携带病菌、杂草种子的可能,有些基质(如树皮、锯末等)还含有有毒物质,所以使用前必须经过发酵。目前我国普遍采用的是有氧高温条垛式堆肥系统,技术水平低,条垛占地面积大,腐熟周期长,需要大量的翻堆机械和人力,翻堆时有臭气散出。3.2活性炭基质的选择环泥炭是世界上应用最广泛、效果较理想的一种栽培基质。然而除了分布不均,运输困难,销售价格高以外,它在保护环境上也有重要的意义。泥炭是一种短期内不可再生的资源,贮藏量也有限,不可能无限制地开采,尽量减少泥炭的用量或寻找泥炭替代品是目前选择基质的一个热点。岩棉使用后难以处理,对环境造成严重污染。自二十世纪90年代以来,人们对环境保护的意识增强,英国已经制订了一个十年计划,要在2010年完全排除泥炭的商业性应用,而以其它替代物取代。3.3对有机食品的规定目前市场上对有机食品的需求日益加大,有机食品的市场前景好,市场销售价也远高于普通食品。英国有机食品协会为此制定了严格的有机食品规则,满足此规定的方可称有机食品,再如我国的绿色食品,瑞士的生态食品,日本的自然食品。以无机基质和泥炭等为主的基质是以营养液为基础的,而营养液是以化肥和化学试剂为基础配制的,因而不能称为有机食品。为了满足有机食品的生产需要,选用的基质一定要营养全面、不含生理毒素、不妨碍植物生长、具有较强的缓冲性能。4基础发展4.1基础研究的热点4.1.1基质开发的可行性固体基质栽培成功的关键是基质的理化性质要符合作物的生长要求。目前岩棉和泥炭是世界上公认的较理想的栽培基质,但是由于它们的价格相对昂贵,而且带来的社会和环境负面效应也日益突出:一方面由于岩棉的不可降解,大量使用给环境带来二次污染;另一方面,泥炭是不可再生资源,过量的开采使用必然使得泥炭资源耗竭。因此,寻求和发掘易得价廉、环保实用、可替代岩棉、泥炭的优良栽培基质己成为基质开发的必然趋势。国外已经开发了椰子纤维、树皮、锯木屑等有机基质,不但可以大幅度降低栽培成本,而且减少了对环境的污染。各种基质既可单独使用,亦可混合使用。众所周知,没有任何一种基质可以适应所有作物,因此,基质的开发应该是以适应不同地域、不同作物的多种形式并存局面。所以筛选和研制成本低、效果好、管理方便、符合环保要求的新型基质必然是基质研究的热点内容。4.1.2基质的理化性状由于基质材料的多样性、理化性质复杂且不均一,目前认为:基质的颗粒大小、形状、容重、总孔隙度、大小孔隙比等是比较重要的物理性状。这方面的研究和报道较多,有的甚至涉及了水分养分运移等,但尚没有针对特定植物的基质制定标准的理化性状参数,基质的使用还存在经验性甚至盲目性。因此,寻找一种合理有效的基质理化性状分析测定方法具有现实的指导意义。4.1.3水分的吸收基质结构不同于土壤,对水分养分的吸收、保持、释放性能以及植物根系对营养和水分的吸收过程不同于土壤。而且,植物对水分养分供应的适应状况,特别是有些养分如钾、钙、铁的含量远远超过土壤的含量,是土壤的上百倍,植物的根际营养和根际微生物,根系分泌物是如何调节植物养分的等等,这些研究工作都是很有必要的。4.1.4微生物菌剂的用量可以提高作物生长和发酵效率就目前而言,基质的研究已向有机生态型方向发展,而有机基质的使用必须进行高温发酵,分解其中的大分子化合物,消灭杂草、病原菌,降低其C/N比,以适应作物生长。而基质发酵是一个漫长的过程,许多文献报道,基质发酵少则一、两个月,多则半年或更长时间。在基质发酵过程中,如果添加微生物菌剂,不仅可以使其快速、有效分解,还可以缩短发酵时间,使基质的理化性质更易达到适宜范围,大大减少人力、物力、节约成本。近年来,菌种在发酵过程中的应用研究也比较多,但是由于地区差异,菌种的适应性不同,所以开发出商品化的菌种并不多,所以,根据不同地域环境,开发适应性强的微生物菌剂也是基质研究的关键。4.2基础研究的发展方向4.2.1加强农作物资源的开发由于基质材料多种多样,各个地区可以结合地方特色,就地取材,因地制宜,充分发挥地方优势。华北应加强炉渣,并配合草炭、蛭石等基质的混合使用;东北草炭资源多的地方,加强对草炭、锯末等廉价基质的开发;西北地区农作物秸杆资源丰富如:玉米、棉花、小麦秸杆等,可以适当利用这些资源;长江以南稻壳多,可以研究稻壳炭化后的合理使用。南方沿海地区,椰糠、蔗渣等资源丰富易得,应加大对此类资源的开发研究。4.2.2有机废弃物基质材料近年来,由于人们环保意识的提高,除稻壳、砂、珍珠岩、岩棉、泥炭、蛭石、泡沫塑料外,还有农作物秸杆、动物粪便、污泥、枯枝树叶,各种有机废弃物,如椰子壳、甘蔗渣、糖渣等都已相继成为主要的无土栽培基质材料,