植物基質(zhì)材料的研究與應(yīng)用

植物基質(zhì)材料的研究與應(yīng)用

基質(zhì)是指植物提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)的水、氣、肥料結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)介質(zhì)的基質(zhì)。它除了支持、固定植株外,更重要的是充當(dāng)“中轉(zhuǎn)站”的作用,使來(lái)自營(yíng)養(yǎng)液的養(yǎng)分、水分得以中轉(zhuǎn),植物根系從中按需選擇吸收。1質(zhì)量物的使用根據(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)可以分為無(wú)機(jī)基質(zhì),有機(jī)基質(zhì)和混合基質(zhì)。無(wú)機(jī)基質(zhì)通常是工業(yè)上的一些礦石,基本不含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),沒(méi)有生物活性,一般無(wú)機(jī)基質(zhì)孔隙度都較大,基本能滿足植株生長(zhǎng)所需束縛水的需要,在栽培中多作支持物或調(diào)節(jié)基質(zhì)孔隙度容重等使用。常見的無(wú)機(jī)基質(zhì)有砂、礫、蛭石、珍珠巖、巖棉、爐渣、泡沫塑料等。蛭石和珍珠巖質(zhì)地輕、透氣性好、保水性強(qiáng),是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的基質(zhì)材料。西方國(guó)家在生產(chǎn)上使用的一些人工基質(zhì)也多為無(wú)機(jī)基質(zhì),如顆粒凝膠、橡皮等,主要用作植物生長(zhǎng)的支持物。有機(jī)基質(zhì)含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,具有較強(qiáng)的緩沖能力和較高的持水力,常用作育苗的主要基質(zhì),其優(yōu)點(diǎn)在于有團(tuán)聚作用或成粒作用,保持混合物的疏松,穩(wěn)定混合物的容重,如泥炭、鋸末、樹皮、蘆葦末、尿醛泡沫等。復(fù)合基質(zhì)常指幾種單一基質(zhì)按不同比例混合而成的,既可無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)混合,也可無(wú)機(jī)-有機(jī)混合、有機(jī)-有機(jī)混合。2基質(zhì)的制備與利用基質(zhì)的研究可分兩個(gè)階段:廿世紀(jì)七十年代以前為起步階段,僅限于研究基質(zhì)的作用、各類基質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用等;七十年代以后為發(fā)展階段,對(duì)基質(zhì)的理化性狀,基質(zhì)與水分、養(yǎng)分、空氣利用的關(guān)系,基質(zhì)與植物營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的關(guān)系,基質(zhì)與栽培技術(shù),基質(zhì)的混合利用和重復(fù)利用等進(jìn)行較深入和系統(tǒng)的研究。沙礫最早被植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家和植物生理學(xué)家用來(lái)栽培作物以研究作物養(yǎng)分吸收、生理代謝以及植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素和生理障礙等。隨后,Salm-Horstmar(1871)分別以沙、石英、碎瓷、純硅酸鈣等作燕麥的生長(zhǎng)基質(zhì),Hall(1914)用不同級(jí)別的沙、粉粒、高嶺土栽培羽扇豆和大麥,Woodcock(1946)利用蛭石作蘭花栽培基質(zhì)等。接著可作為固體基質(zhì)材料很快擴(kuò)展到石礫、陶粒、珍珠巖、巖棉、海綿(尿醛)、硅膠、合成樹脂、泡沫塑料、爐渣和有機(jī)基質(zhì)如泥炭、鋸末、樹皮、稻殼、椰糠和一些混合基質(zhì)。而在生產(chǎn)上應(yīng)用較多的有美國(guó)康奈爾大學(xué)開發(fā)的4種混合基質(zhì),英國(guó)溫室作物研究所開發(fā)的GCRI混合物以及荷蘭的巖棉、泥炭等。1990年以后,稻殼、熏炭、砂、珍珠巖、纖維素、巖棉、泡沫塑料是無(wú)土栽培基質(zhì)的主要材料(李式軍,1988;GerritWever,1999)。近年來(lái),各地開發(fā)當(dāng)?shù)刭Y源,利用工農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物生產(chǎn)本土化無(wú)土栽培基質(zhì)受到重視(李謙盛等,2002)。我國(guó)目前現(xiàn)代化水平較低,國(guó)內(nèi)關(guān)于基質(zhì)方面的研究報(bào)道不少,但尚未達(dá)到普及實(shí)用階段,當(dāng)前的研究?jī)H處于用植物長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量對(duì)可作為基質(zhì)的原材料的評(píng)價(jià)上,即各種基質(zhì)的比較、選擇等。李萍萍等對(duì)以造紙工業(yè)廢渣、蘆葦末為原料所制成的有機(jī)基質(zhì)在生菜和番茄等作物栽培上的應(yīng)用效果進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明:純蘆葦末或配以珍珠巖作基質(zhì)栽培蔬菜,生菜產(chǎn)量比常規(guī)的草炭混合基質(zhì)提高10%以上,番茄比土壤的產(chǎn)量增加30%以上;秦嘉海等選擇糖醛、爐渣、發(fā)酵羊糞等基質(zhì),加入定量的生物有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合型專用肥配制成全營(yíng)養(yǎng)栽培基質(zhì),當(dāng)爐渣、羊糞、糖醛渣比例為2.50∶1.00∶1.50時(shí),最有利于番茄的生長(zhǎng)發(fā)育;青島農(nóng)科所陳振德等研究:用當(dāng)?shù)胤N過(guò)蘑菇的棉籽殼、豬糞、爐渣灰、糠醛渣、蛭石等配制的復(fù)合基質(zhì),在茄果類、瓜類、葉菜類上分別試驗(yàn),結(jié)果表明:上述原料配成的復(fù)合基質(zhì)育苗,能明顯促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)吸收,提高壯苗指數(shù),且大大降低了育苗成本。還有實(shí)驗(yàn)表明:鋸末、樹皮、蘆葦末等在無(wú)土栽培中顯示出了并不低于草炭的性能,樹皮在很大程度上就可以代替草炭,單獨(dú)用樹皮堆肥就可以作為黃瓜、甜椒、番茄及結(jié)球萵苣等作物的栽培基質(zhì),另外花生殼、蘆葦末、甘蔗渣、糖渣、菇渣、玉米稈、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在基礎(chǔ)研究中存在的問(wèn)題3.1無(wú)機(jī)材料基質(zhì)基質(zhì)材料可分為有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料。有機(jī)材料包括各種類型的泥炭、蔗渣、菇渣、秸桿、椰糠、樹皮、鋸末等,其特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的團(tuán)聚作用或成粒性,質(zhì)輕疏松,較好保水保肥性,且本身含有豐富養(yǎng)分可供作物吸收利用,但新鮮材料須堆漚,使碳氮比<30:1才能使用。無(wú)機(jī)材料包括沙礫、爐渣、陶土、碎石、蛭石、珍珠巖、巖棉等,其特點(diǎn)是理化性狀比較穩(wěn)定本身不含養(yǎng)分,易于控制營(yíng)養(yǎng)供給水平,但大多數(shù)無(wú)機(jī)材料保水保肥能力較差。如何開發(fā)一種理化性能穩(wěn)定、取材方便、價(jià)格低廉、用后易處理的基質(zhì)是很關(guān)鍵的。我國(guó)基質(zhì)的開發(fā)和生產(chǎn)因地區(qū)差異而各不相同,原料多種多樣,不利于工廠化生產(chǎn),而且各地的沙礫、沙壤土、鋸末等物質(zhì)產(chǎn)量有限,限制了基質(zhì)的發(fā)展,再者各種基質(zhì)的配方只能適合本地使用,不能在其他地區(qū)推廣應(yīng)用,基質(zhì)大部分還是顆粒狀,類似與土壤,不利于儲(chǔ)藏運(yùn)輸。而且有機(jī)基質(zhì)C/N值較高,有攜帶病菌、雜草種子的可能,有些基質(zhì)(如樹皮、鋸末等)還含有有毒物質(zhì),所以使用前必須經(jīng)過(guò)發(fā)酵。目前我國(guó)普遍采用的是有氧高溫條垛式堆肥系統(tǒng),技術(shù)水平低,條垛占地面積大,腐熟周期長(zhǎng),需要大量的翻堆機(jī)械和人力,翻堆時(shí)有臭氣散出。3.2活性炭基質(zhì)的選擇環(huán)泥炭是世界上應(yīng)用最廣泛、效果較理想的一種栽培基質(zhì)。然而除了分布不均,運(yùn)輸困難,銷售價(jià)格高以外,它在保護(hù)環(huán)境上也有重要的意義。泥炭是一種短期內(nèi)不可再生的資源,貯藏量也有限,不可能無(wú)限制地開采,盡量減少泥炭的用量或?qū)ふ夷嗵刻娲肥悄壳斑x擇基質(zhì)的一個(gè)熱點(diǎn)。巖棉使用后難以處理,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。自二十世紀(jì)90年代以來(lái),人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)增強(qiáng),英國(guó)已經(jīng)制訂了一個(gè)十年計(jì)劃,要在2010年完全排除泥炭的商業(yè)性應(yīng)用,而以其它替代物取代。3.3對(duì)有機(jī)食品的規(guī)定目前市場(chǎng)上對(duì)有機(jī)食品的需求日益加大,有機(jī)食品的市場(chǎng)前景好,市場(chǎng)銷售價(jià)也遠(yuǎn)高于普通食品。英國(guó)有機(jī)食品協(xié)會(huì)為此制定了嚴(yán)格的有機(jī)食品規(guī)則,滿足此規(guī)定的方可稱有機(jī)食品,再如我國(guó)的綠色食品,瑞士的生態(tài)食品,日本的自然食品。以無(wú)機(jī)基質(zhì)和泥炭等為主的基質(zhì)是以營(yíng)養(yǎng)液為基礎(chǔ)的,而營(yíng)養(yǎng)液是以化肥和化學(xué)試劑為基礎(chǔ)配制的,因而不能稱為有機(jī)食品。為了滿足有機(jī)食品的生產(chǎn)需要,選用的基質(zhì)一定要營(yíng)養(yǎng)全面、不含生理毒素、不妨礙植物生長(zhǎng)、具有較強(qiáng)的緩沖性能。4基礎(chǔ)發(fā)展4.1基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)4.1.1基質(zhì)開發(fā)的可行性固體基質(zhì)栽培成功的關(guān)鍵是基質(zhì)的理化性質(zhì)要符合作物的生長(zhǎng)要求。目前巖棉和泥炭是世界上公認(rèn)的較理想的栽培基質(zhì),但是由于它們的價(jià)格相對(duì)昂貴,而且?guī)?lái)的社會(huì)和環(huán)境負(fù)面效應(yīng)也日益突出:一方面由于巖棉的不可降解,大量使用給環(huán)境帶來(lái)二次污染;另一方面,泥炭是不可再生資源,過(guò)量的開采使用必然使得泥炭資源耗竭。因此,尋求和發(fā)掘易得價(jià)廉、環(huán)保實(shí)用、可替代巖棉、泥炭的優(yōu)良栽培基質(zhì)己成為基質(zhì)開發(fā)的必然趨勢(shì)。國(guó)外已經(jīng)開發(fā)了椰子纖維、樹皮、鋸木屑等有機(jī)基質(zhì),不但可以大幅度降低栽培成本,而且減少了對(duì)環(huán)境的污染。各種基質(zhì)既可單獨(dú)使用,亦可混合使用。眾所周知,沒(méi)有任何一種基質(zhì)可以適應(yīng)所有作物,因此,基質(zhì)的開發(fā)應(yīng)該是以適應(yīng)不同地域、不同作物的多種形式并存局面。所以篩選和研制成本低、效果好、管理方便、符合環(huán)保要求的新型基質(zhì)必然是基質(zhì)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。4.1.2基質(zhì)的理化性狀由于基質(zhì)材料的多樣性、理化性質(zhì)復(fù)雜且不均一,目前認(rèn)為:基質(zhì)的顆粒大小、形狀、容重、總孔隙度、大小孔隙比等是比較重要的物理性狀。這方面的研究和報(bào)道較多,有的甚至涉及了水分養(yǎng)分運(yùn)移等,但尚沒(méi)有針對(duì)特定植物的基質(zhì)制定標(biāo)準(zhǔn)的理化性狀參數(shù),基質(zhì)的使用還存在經(jīng)驗(yàn)性甚至盲目性。因此,尋找一種合理有效的基質(zhì)理化性狀分析測(cè)定方法具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。4.1.3水分的吸收基質(zhì)結(jié)構(gòu)不同于土壤,對(duì)水分養(yǎng)分的吸收、保持、釋放性能以及植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)和水分的吸收過(guò)程不同于土壤。而且,植物對(duì)水分養(yǎng)分供應(yīng)的適應(yīng)狀況,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,植物的根際營(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)分的等等,這些研究工作都是很有必要的。4.1.4微生物菌劑的用量可以提高作物生長(zhǎng)和發(fā)酵效率就目前而言,基質(zhì)的研究已向有機(jī)生態(tài)型方向發(fā)展,而有機(jī)基質(zhì)的使用必須進(jìn)行高溫發(fā)酵,分解其中的大分子化合物,消滅雜草、病原菌,降低其C/N比,以適應(yīng)作物生長(zhǎng)。而基質(zhì)發(fā)酵是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,許多文獻(xiàn)報(bào)道,基質(zhì)發(fā)酵少則一、兩個(gè)月,多則半年或更長(zhǎng)時(shí)間。在基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程中,如果添加微生物菌劑,不僅可以使其快速、有效分解,還可以縮短發(fā)酵時(shí)間,使基質(zhì)的理化性質(zhì)更易達(dá)到適宜范圍,大大減少人力、物力、節(jié)約成本。近年來(lái),菌種在發(fā)酵過(guò)程中的應(yīng)用研究也比較多,但是由于地區(qū)差異,菌種的適應(yīng)性不同,所以開發(fā)出商品化的菌種并不多,所以,根據(jù)不同地域環(huán)境,開發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)的微生物菌劑也是基質(zhì)研究的關(guān)鍵。4.2基礎(chǔ)研究的發(fā)展方向4.2.1加強(qiáng)農(nóng)作物資源的開發(fā)由于基質(zhì)材料多種多樣,各個(gè)地區(qū)可以結(jié)合地方特色,就地取材,因地制宜,充分發(fā)揮地方優(yōu)勢(shì)。華北應(yīng)加強(qiáng)爐渣,并配合草炭、蛭石等基質(zhì)的混合使用;東北草炭資源多的地方,加強(qiáng)對(duì)草炭、鋸末等廉價(jià)基質(zhì)的開發(fā);西北地區(qū)農(nóng)作物秸桿資源豐富如:玉米、棉花、小麥秸桿等,可以適當(dāng)利用這些資源;長(zhǎng)江以南稻殼多,可以研究稻殼炭化后的合理使用。南方沿海地區(qū),椰糠、蔗渣等資源豐富易得,應(yīng)加大對(duì)此類資源的開發(fā)研究。4.2.2有機(jī)廢棄物基質(zhì)材料近年來(lái),由于人們環(huán)保意識(shí)的提高,除稻殼、砂、珍珠巖、巖棉、泥炭、蛭石、泡沫塑料外,還有農(nóng)作物秸桿、動(dòng)物糞便、污泥、枯枝樹葉,各種有機(jī)廢棄物,如椰子殼、甘蔗渣、糖渣等都已相繼成為主要的無(wú)土栽培基質(zhì)材料,