植物基質材料的研究與應用

植物基質材料的研究與應用

基質是指植物提供穩(wěn)定協(xié)調的水、氣、肥料結構生長介質的基質。它除了支持、固定植株外,更重要的是充當“中轉站”的作用,使來自營養(yǎng)液的養(yǎng)分、水分得以中轉,植物根系從中按需選擇吸收。1質量物的使用根據(jù)基質的形態(tài)、成分、形狀,目前國內外使用的基質可以分為無機基質,有機基質和混合基質。無機基質通常是工業(yè)上的一些礦石,基本不含營養(yǎng)物質,沒有生物活性,一般無機基質孔隙度都較大,基本能滿足植株生長所需束縛水的需要,在栽培中多作支持物或調節(jié)基質孔隙度容重等使用。常見的無機基質有砂、礫、蛭石、珍珠巖、巖棉、爐渣、泡沫塑料等。蛭石和珍珠巖質地輕、透氣性好、保水性強,是目前國內外應用較多的基質材料。西方國家在生產(chǎn)上使用的一些人工基質也多為無機基質,如顆粒凝膠、橡皮等,主要用作植物生長的支持物。有機基質含有豐富的營養(yǎng)成分,具有較強的緩沖能力和較高的持水力,常用作育苗的主要基質,其優(yōu)點在于有團聚作用或成粒作用,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。復合基質常指幾種單一基質按不同比例混合而成的,既可無機-無機混合,也可無機-有機混合、有機-有機混合。2基質的制備與利用基質的研究可分兩個階段:廿世紀七十年代以前為起步階段,僅限于研究基質的作用、各類基質的優(yōu)缺點和應用等;七十年代以后為發(fā)展階段,對基質的理化性狀,基質與水分、養(yǎng)分、空氣利用的關系,基質與植物營養(yǎng)供應的關系,基質與栽培技術,基質的混合利用和重復利用等進行較深入和系統(tǒng)的研究。沙礫最早被植物營養(yǎng)學家和植物生理學家用來栽培作物以研究作物養(yǎng)分吸收、生理代謝以及植物生長必需的營養(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基質,Hall(1914)用不同級別的沙、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等。接著可作為固體基質材料很快擴展到石礫、陶粒、珍珠巖、巖棉、海綿(尿醛)、硅膠、合成樹脂、泡沫塑料、爐渣和有機基質如泥炭、鋸末、樹皮、稻殼、椰糠和一些混合基質。而在生產(chǎn)上應用較多的有美國康奈爾大學開發(fā)的4種混合基質,英國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、泡沫塑料是無土栽培基質的主要材料(李式軍,1988;GerritWever,1999)。近年來,各地開發(fā)當?shù)刭Y源,利用工農(nóng)業(yè)有機固體廢棄物生產(chǎn)本土化無土栽培基質受到重視(李謙盛等,2002)。我國目前現(xiàn)代化水平較低,國內關于基質方面的研究報道不少,但尚未達到普及實用階段,當前的研究僅處于用植物長勢和產(chǎn)量對可作為基質的原材料的評價上,即各種基質的比較、選擇等。李萍萍等對以造紙工業(yè)廢渣、蘆葦末為原料所制成的有機基質在生菜和番茄等作物栽培上的應用效果進行試驗,結果表明:純蘆葦末或配以珍珠巖作基質栽培蔬菜,生菜產(chǎn)量比常規(guī)的草炭混合基質提高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,加入定量的生物有機、無機復合型專用肥配制成全營養(yǎng)栽培基質,當爐渣、羊糞、糖醛渣比例為2.50∶1.00∶1.50時,最有利于番茄的生長發(fā)育;青島農(nóng)科所陳振德等研究:用當?shù)胤N過蘑菇的棉籽殼、豬糞、爐渣灰、糠醛渣、蛭石等配制的復合基質,在茄果類、瓜類、葉菜類上分別試驗,結果表明:上述原料配成的復合基質育苗,能明顯促進幼苗生長發(fā)育和營養(yǎng)吸收,提高壯苗指數(shù),且大大降低了育苗成本。還有實驗表明:鋸末、樹皮、蘆葦末等在無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,單獨用樹皮堆肥就可以作為黃瓜、甜椒、番茄及結球萵苣等作物的栽培基質,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在基礎研究中存在的問題3.1無機材料基質基質材料可分為有機材料和無機材料。有機材料包括各種類型的泥炭、蔗渣、菇渣、秸桿、椰糠、樹皮、鋸末等,其特點是具有較強的團聚作用或成粒性,質輕疏松,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。無機材料包括沙礫、爐渣、陶土、碎石、蛭石、珍珠巖、巖棉等,其特點是理化性狀比較穩(wěn)定本身不含養(yǎng)分,易于控制營養(yǎng)供給水平,但大多數(shù)無機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、價格低廉、用后易處理的基質是很關鍵的。我國基質的開發(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、鋸末等物質產(chǎn)量有限,限制了基質的發(fā)展,再者各種基質的配方只能適合本地使用,不能在其他地區(qū)推廣應用,基質大部分還是顆粒狀,類似與土壤,不利于儲藏運輸。而且有機基質C/N值較高,有攜帶病菌、雜草種子的可能,有些基質(如樹皮、鋸末等)還含有有毒物質,所以使用前必須經(jīng)過發(fā)酵。目前我國普遍采用的是有氧高溫條垛式堆肥系統(tǒng),技術水平低,條垛占地面積大,腐熟周期長,需要大量的翻堆機械和人力,翻堆時有臭氣散出。3.2活性炭基質的選擇環(huán)泥炭是世界上應用最廣泛、效果較理想的一種栽培基質。然而除了分布不均,運輸困難,銷售價格高以外,它在保護環(huán)境上也有重要的意義。泥炭是一種短期內不可再生的資源,貯藏量也有限,不可能無限制地開采,盡量減少泥炭的用量或尋找泥炭替代品是目前選擇基質的一個熱點。巖棉使用后難以處理,對環(huán)境造成嚴重污染。自二十世紀90年代以來,人們對環(huán)境保護的意識增強,英國已經(jīng)制訂了一個十年計劃,要在2010年完全排除泥炭的商業(yè)性應用,而以其它替代物取代。3.3對有機食品的規(guī)定目前市場上對有機食品的需求日益加大,有機食品的市場前景好,市場銷售價也遠高于普通食品。英國有機食品協(xié)會為此制定了嚴格的有機食品規(guī)則,滿足此規(guī)定的方可稱有機食品,再如我國的綠色食品,瑞士的生態(tài)食品,日本的自然食品。以無機基質和泥炭等為主的基質是以營養(yǎng)液為基礎的,而營養(yǎng)液是以化肥和化學試劑為基礎配制的,因而不能稱為有機食品。為了滿足有機食品的生產(chǎn)需要,選用的基質一定要營養(yǎng)全面、不含生理毒素、不妨礙植物生長、具有較強的緩沖性能。4基礎發(fā)展4.1基礎研究的熱點4.1.1基質開發(fā)的可行性固體基質栽培成功的關鍵是基質的理化性質要符合作物的生長要求。目前巖棉和泥炭是世界上公認的較理想的栽培基質,但是由于它們的價格相對昂貴,而且?guī)淼纳鐣铜h(huán)境負面效應也日益突出:一方面由于巖棉的不可降解,大量使用給環(huán)境帶來二次污染;另一方面,泥炭是不可再生資源,過量的開采使用必然使得泥炭資源耗竭。因此,尋求和發(fā)掘易得價廉、環(huán)保實用、可替代巖棉、泥炭的優(yōu)良栽培基質己成為基質開發(fā)的必然趨勢。國外已經(jīng)開發(fā)了椰子纖維、樹皮、鋸木屑等有機基質,不但可以大幅度降低栽培成本,而且減少了對環(huán)境的污染。各種基質既可單獨使用,亦可混合使用。眾所周知,沒有任何一種基質可以適應所有作物,因此,基質的開發(fā)應該是以適應不同地域、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)保要求的新型基質必然是基質研究的熱點內容。4.1.2基質的理化性狀由于基質材料的多樣性、理化性質復雜且不均一,目前認為:基質的顆粒大小、形狀、容重、總孔隙度、大小孔隙比等是比較重要的物理性狀。這方面的研究和報道較多,有的甚至涉及了水分養(yǎng)分運移等,但尚沒有針對特定植物的基質制定標準的理化性狀參數(shù),基質的使用還存在經(jīng)驗性甚至盲目性。因此,尋找一種合理有效的基質理化性狀分析測定方法具有現(xiàn)實的指導意義。4.1.3水分的吸收基質結構不同于土壤,對水分養(yǎng)分的吸收、保持、釋放性能以及植物根系對營養(yǎng)和水分的吸收過程不同于土壤。而且,植物對水分養(yǎng)分供應的適應狀況,特別是有些養(yǎng)分如鉀、鈣、鐵的含量遠遠超過土壤的含量,是土壤的上百倍,植物的根際營養(yǎng)和根際微生物,根系分泌物是如何調節(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和發(fā)酵效率就目前而言,基質的研究已向有機生態(tài)型方向發(fā)展,而有機基質的使用必須進行高溫發(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,以適應作物生長。而基質發(fā)酵是一個漫長的過程,許多文獻報道,基質發(fā)酵少則一、兩個月,多則半年或更長時間。在基質發(fā)酵過程中,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)酵時間,使基質的理化性質更易達到適宜范圍,大大減少人力、物力、節(jié)約成本。近年來,菌種在發(fā)酵過程中的應用研究也比較多,但是由于地區(qū)差異,菌種的適應性不同,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)適應性強的微生物菌劑也是基質研究的關鍵。4.2基礎研究的發(fā)展方向4.2.1加強農(nóng)作物資源的開發(fā)由于基質材料多種多樣,各個地區(qū)可以結合地方特色,就地取材,因地制宜,充分發(fā)揮地方優(yōu)勢。華北應加強爐渣,并配合草炭、蛭石等基質的混合使用;東北草炭資源多的地方,加強對草炭、鋸末等廉價基質的開發(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,可以適當利用這些資源;長江以南稻殼多,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,應加大對此類資源的開發(fā)研究。4.2.2有機廢棄物基質材料近年來,由于人們環(huán)保意識的提高,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、動物糞便、污泥、枯枝樹葉,各種有機廢棄物,如椰子殼、甘蔗渣、糖渣等都已相繼成為主要的無土栽培基質材料,