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设施无土栽培基质的研究现状


上海农业学报 2000, 16( 4) : 87~ 92

A ct a A gri cul turae Shanghai
文章编号: 1000 3924( 2000) 04 -06 -20

设施无土栽培基质的研究现状、 存在问题与展望( 综述)
田吉林 汪寅虎
( 上海市农业科学院环境科学研究所, 上海 201106)

摘 要 综述了国内外无土栽培 基质的 研究与 利用现状 及已取 得的结 果和存 在的问 题。就 基质研究利用的前景进行了展望, 并提出了基质 研究的目标和关键技术。 关键词 无土栽培; 基质; 现状; 展望; 建议 中图分类号: S604+ . 7; S62 文献标识码: A

设施园艺是指建造生产设施, 人为创造植物适宜的生长环境来生产园艺产品的技术。由 于设施园艺可以周年生产, 均衡供应园艺产品, 从而可提高土地生产率、 劳动生产率和产品商 [ 1] 品率 。目前国际上设施园艺发展很快, 已广泛应用于蔬菜、 花卉、 瓜果、 种苗等生产, 并且随 着计算机技术, 自动化控制技术和新材料在设施中的应用, 设施园艺已进入全自控现代温室和 无土栽培新阶段, 成为都市型农业的重要表现形式。无土栽培和设施园艺的结合, 促进了无土 栽培的发展, 作为无土栽培的基础, 栽培基质也有很好的发展机遇和广阔的市场前景。

1.

国内外设施园艺概况

基质是无土基质栽培的基础, 而无土栽培则是设施园艺的主要栽培方式。因此, 基质的国 内外研究现状和设施园艺的现状是紧密相关的。虽然我国的设施园艺早在 2000 年前的 汉 书 中就有记载( 如秦汉的暖窑种瓜) , 比欧洲古罗马的记载要早得多 [ 2] , 但现代设施园艺的研 究和发展中心在欧洲和美国、 以色列、 日本等国家。相应地, 它们的无土栽培也走在世界的前 列。最显著的标志是融工程技术、 计算机技术、 材料科学和园艺科学为一体的全自控现代化温 室的研制和使用, 实现了温度、 湿度、 光照、 营养液滴灌施肥的自动化控制和植物育苗、 移植、 整 枝、 辅助授粉、 病虫防治、 产品采收包装的机械化, 达到了工厂化生产。其温室栽培的黄瓜、 番 2 茄和甜椒的产量分别达 70, 50, 25 kg/ m , 比传统露地栽培高十倍。世界所有玻璃温室西欧占 三分之二( 表 1) , 其中荷兰又占了一半。荷兰的设施园艺可以代表世界水平, 荷兰建有 1. 1 亿 m 2 的温室, 其中 3/ 4 以上面积采用基质栽培, 栽培基质主要为岩棉和一些混合物( 陶粒、 泥炭、 2 树皮、 椰子纤维等) , 配之以相应的营养液滴灌和栽培技术, 蔬菜产量可达 60 kg/ m ( 番茄) 。 花卉品种多, 产量质量也很高, 鲜花在世界鲜花市场的占有率达 60% , 每年出口额 112. 51 亿 美元, 所创造的产值占农业总产值的 35% 左右, 成为荷兰的主要支柱产业。日本是一个人多 地少的国家, 在其农业现代化的发展过程中, 设施农业起到了十分重要的作用, 体现了工业支 持农业的特点, 形成了有特色的设施园艺产业。这充分显示了温室和无土基质栽培在现代农 业中的地位和意义。 我国的园艺设施主要有地膜覆盖及北方的日光温室、 南方的塑料大棚、 遮阳网、 防虫网覆 盖栽培等, 近几年新兴的全自控现代温室也得到了一定的发展。目前, 仅蔬菜设施栽培面积就
收稿日期: 2000- 02- 28 初稿; 2000- 04- 03 修改稿。

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Table 1

表 1 世界主要温室地区温室和塑料大棚面积统计 Stati stics of greenhouse and plasti c shed areas i n the main greenhouse -culture regions of worl d 温室[ G reenhouse area ( hm 2 ) ] 32000 5000 2500 4000 2000 45500 塑料大棚[ Plast ic sh ed area ( hm 2 ) ] 7000 22000 4000 45000 55000 2000 135000

地区( Region) 西北欧( N orthw est Europe) 中欧( Cent ral Europe) 美国( U SA ) 地中海国家( M ed. countries) 东亚( East Asia) 南美( Latin America) 总计( T ot al)

根据 D e Croot1990 , V on Zabelt it z 1992 的资料整理( St at ist ics made according t o t he dat a of De croot , 1990 and Von Zabelt it z, 1992) 。

超过 700 万 hm 2 , 成为世界上设施面积最大的国家之一[ 2] 。设施园艺特别是蔬菜的生产, 对稳 定和调剂市场, 平衡供应, 丰富 菜篮子 作出了积极贡献, 同时也提高了农民收入, 成为一些地 方脱贫致富的重要途径。但无土栽培起步较晚, 20 世纪 70 年代主要用于水稻无土育秧, 80 年 代仅在蔬菜工厂化育苗和园林苗木育苗上有所发展, 设施蔬菜生产主要还是以土培的方式进 行。设施土培存在连作障碍和土壤次生盐渍化的致命缺点, 这一方面源自于设施特定的水气 环境, 也与栽培方式和施肥方式有关。设施的覆盖材料阻挡了降雨对土壤盐分的淋溶, 致使土 壤中的水盐运动以向上为主, 设施内高温加强了植物和土壤的蒸腾、 蒸发, 造成土壤盐分甚至 地下水中的盐分的表聚, 而经验性、 盲目性施肥使土壤理化性质变劣, 土壤溶液浓度增大, 也加 剧了连作障碍和土壤次生盐渍化的程度。近年来由于生理障碍、 连作障碍和土壤次生盐渍化, 设施蔬菜产量和品质下降, 甚至死亡的报道很多。因此, 从目前国内设施园艺的生产实践看, 栽培方式和技术是其发展的限制因素。流动水培设施成本高、 管理难度大。进行无土基质栽 培将是设施栽培的主要方向之一。

2
2. 1

栽培基质研究的历史、 现状

历史、 现状 无土栽培基质是能为植物提供稳定协调的水、 肥结构的生长介质。它除了支持、 气、 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。虽然营养液的 EC、 各养分浓度可以精确控制, 但植物根系是与基质接触, pH、 从基质中吸收水分、 养分, 那么, 基质对营养液的吸附特性直接决定了植物营养的供给情况。 可以说基质决定营养液的灌溉管理技术。因此, 基质的研究是无土栽培的第一步, 同时也反映 了无土栽培的水平。国内外对此给以了充分重视。 栽培基质的研究史实际上也是固体基质栽培的发展史。无土栽培的历史虽然很古老, 但 真正的发展始于 1970 年丹麦 Grodan 公司开发的岩棉栽培技术和 1973 年英国温室作物研究 所的 NFT 技术。砂砾最早被植物营养学家和植物生理学家用来栽培作物, 通过浇灌营养液来 研究作物的养分吸收, 生理代谢, 以及植物必需营养元素和生理障碍等 [ 3] 。因此, 砂砾可以说 是最早的栽培基质。如在 Van Helmont 著名的柳条 试验基础上, Boussingault, Salm ( 1851~ 1856) 在涂蜡的玻璃器具或纯蜡的容器中用砂砾, 石英或活性炭栽培燕麦, 得到了植物需要 N、 P、 S、 Mg 、 Fe、 n 的证据。随后Salm Horstmar( 1871) 试验过石英、 K、 Ca、 Si、 M 河沙、 水晶、 碎瓷、 纯碳酸钙、 硅酸以及活性炭作为燕麦的生根基质。Hall ( 1914) 用不同级别的沙、 粉粒、 高岭土 栽培羽扇豆和大麦。蛭石被 Woodcock( 1946) 用来作为兰花的栽培基质等等[ 3] 。随后可作为 固体基质栽培的基质很快扩展到石砾、 陶粒、 珍珠岩、 岩棉、 海绵( 尿醛) 、 硅胶、 碱交换物( 离子

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交换树脂) 如斑脱土, 沸石及合成的树脂材料等, 泥炭、 锯末、 树皮、 稻壳、 酚醛泡沫( 泡沫塑料) , 炉渣以及一些混合基质。期间对基质的作用, 各类基质的优缺点, 应用技术等进行了研究。荒 木( 1975) 研究了几种基质的主要理化性状[ 4] 。De Boodt and Verdonck( 1983) 就树皮、 软木屑、 [ 5] 椰子纤维、 污泥、 垃圾等配比作了报道 。Nicole De Rouin 等( 1988) 从基质的空隙度, pH , 可 利用水量、 产量、 养分平衡性( 分析了顶部叶片的养分含量) 等方面对几种混合基质进行了评 价, 并推荐了各种基质的栽培技术[ 6] 。Prasad M and Maher M J( 1993) 报道了泥炭的各种理化 性质和栽培技术 [ 7] 。这一阶段的研究可归纳为基质与植物营养供应的 关系、 基质与栽培技 [ 8~ 13] 术、 基质与水分、 养分、 空气利用的关系、 基质的混合利用和重复利用等 。而在生产上运 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。 国内关于基质方面的研究报道不少, 但尚未达到实用阶段, 目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[ 14~ 18] 。而对基质的结构 ( 颗粒大小、 形状、 空隙度) 、 结构的保持、 水分养分运移、 配套的营养液管理技术等关键要素缺 乏系统的研究, 也未能开发出商品化的基质。 上海的设施园艺研究起步较早, 20 世纪 80 年代上海市农业科学院等机构的设施园艺研 究水平在国内处于前列, 进行了利用设施生产蔬菜和育种的探索, 但无土基质栽培相对晚于国 内其它省( 市) , 如浙江、 广东、 山东等。近年来开始了国外先进无土栽培技术的引进和生产实 践, 已初见成效。上海农业正努力从城郊型向都市型转变, 都市型农业是以工厂化、 企业化生 [ 19] 产经营为主要手段, 兼具生态农业、 观光农业、 创汇农业功能的现代化农业形式 。而设施园 艺是都市型农业的重要组成部分, 作为设施园艺的配套栽培方式, 无土基质栽培将得到很快的 发展。 2. 2 基质研究的主要领域 2. 2. 1 关于基质材料 归纳起来, 有以下几类物质被用作基质的原料。 A: 有机质。如各种类型的泥炭、 秸杆、 树皮、 锯末、 堆肥等[ 4] 。优点在于其具有团聚作用 或成粒作用, 能使不同的材料颗粒间形成较大的空隙, 保持混合物的疏松, 稳定混合物的容重。 缺点是质量缺乏稳定性, 各批量间质量不均匀一致。如泥炭, 要测定它的有机质含量、 分解程 度、 含水量、 持水量、 颗 粒大小、 pH、 颜色等。秸杆、 树皮、 锯末要测定 碳氮比, 一般要调整到 30 1以下, 否则在栽培过程中需要追施大量氮肥, 并且分解迅速, 容易板结。堆肥( 垃圾堆肥) 有可能释放出不明确的有毒有害物质, 故在混合物中不能超过一定的比例。 B: 粗团聚体。包括沙、 膨化矿物质如蛭石、 砾、 珍珠岩、 莱石、 炉渣、 塑料颗粒等。优点是 耐分解、 质量稳定均匀, 空隙度大。缺点是阳离子交换量较少, 缓冲性较弱 [ 20] 。蛭石和珍珠岩 分别是云母矿和火山岩高温加热后膨化而成, 含有一定量的钾、 钙、 镁、 铁。质地轻, 透气性、 吸 水性都较好, 但保水性较差, 是目前国内外应用较多的基质材料。炉灰渣是锅炉燃煤的废弃 物, 强碱性, 可能还有重金属问题, 但物理性质好, 经济方便, 经处理后作为基质的原料之一是 可行的。塑料颗粒是膨化的塑料纤维, 如尿醛泡沫、 聚苯乙烯。只在表面吸水, 内部空隙小, 可 用来改善基质排水、 通气、 降低容重。 C: 农用岩棉。岩棉是玄武岩 1500 高温熔溶后在离心和吹管作用下形成的束状玻璃纤 维, 是很好的保温、 隔热、 隔音、 防火材料。农用岩棉是岩棉经压制成网状结构的条状物, 适合 植物根系穿插生长, 有很强的吸水性, 由于空隙大小均一, 保水性也很好。在国外, 岩棉是应用 最多最成功的无土栽培基质。国内的岩棉是保温建筑材料, 据笔者试验结果( 表 2) , 其结构和 性能与进口农用岩棉有很大差别, 难以取得理想的栽培效果。

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Table 2 项 目 Item 国产岩棉 Homemade rockw ool 农用岩棉 Im port ed rockw ool

表 2 国产岩棉和进口农用岩棉性能比较 Contrast of properties between homemade rockwool and imported rockwool 总空隙度 Tot al porosity 饱和持水量 ( 体积比) Sat urat ed water retain ing capacity 1. 1 1. 9 pH EC ( mS/ cm 2 ) 结 构 Text ure 黄瓜产量 Cucumber yield ( kg/ m 2 season)

容重 Bulk densit y ( g/ cm 3 )

0. 0817 0. 0486

83% 95%

7. 02 6. 71

0. 045 0. 061

层理状 St rat iform 均匀的网状 Even net t ed

6. 3 14. 7

2. 2. 2 基质的分类 根据基质的形态、 成分、 形状, 目前国内外使用的基质可分为无机基质、 [ 21] 有机基质和混合基质 。无机基质一般很少含有营养, 如岩棉、 珍珠岩、 蛭石、 浮石、 陶粒等。 有机基质是一类天然或合成的有机材料, 如泥炭、 砻糠灰、 尿醛泡沫等, 含有一定量的养分。混 合基质有: 无机 无机混合、 - 有机混合、 - 无机混合。从国内外无土栽培研究和生产实 有机 有机 践的历史与现状看, 有机型基质使用较少。一方面是由于植物的有机营养理论不清楚, 有机成 分在设施滴灌条件下的释放、 吸收、 代谢机理不明。另一方面随着计算机技术、 自动化控制技 术和新材料在设施中的应用, 设施园艺已进入全自控现代温室新阶段, 有机型基质的使用可能 会给植物营养的精确调控和营养液的回收再利用带来困难。由于混合基质由结构性质不同的 原料混合而成, 可以扬长避短, 在水、 肥协调方面优于单一基质, 所以, 混合基质将是今后发 气、 展的方向。 2. 2. 3 基质的结构 与土壤类似, 结构决定基质水分养分吸附性能和空气的含量, 从而影响 水分养分的供应、 吸收甚至运输。同时基质的结构对根系的生长也有很大的影响。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标准物理性状 参数。因此, 基质的使用还存在经验性甚至盲目性。 2. 2. 4 基质的水分养分供应 无土基质栽培的核心是用营养液通过基质来供应水分养分, 基 质和营养液配合, 完成固定、 支持植物, 调节供氧、 供水和养分的任务。根据基质结构特点进行 水分养分供应研究是无土基质栽培技术的关键。这包括两方面内容, 一是基质对水分养分的 吸附、 保持、 释放性能以及植物根系对营养和水分的吸收过程( 应不同于根系对土壤中营养和 水分的吸收) , 目前还不够深入, 不能确切说明水分养分的需求、 运移等。二是营养液的组成、 配制、 灌溉制度。由于植物对水分养分吸收、 运输的相对性, 加之基质的水分养分运移特点不 清楚, 因此, 营养液的灌溉和管理比较复杂。目前国外的现代化自控温室营养液的电脑管理基 本上停留在依靠调控 EC 的水平上[ 22] , 灌溉是根据温室内不同时间太阳辐射能的不同来调节 供液间隔和灌溉量, 并实行过量灌溉。是一种半精确的水分养分供应方式。国内的塑料大棚 也采取类似的经验灌溉。因此, 养分水分的精确供应研究尚有待于进一步深入, 如用不同的传 感器分别测定营养液和回收液中各养分的含量和 pH, 掌握植物对水分养分的吸收量, 以便进 行相应的调控。 2. 2. 5 基质的重复利用 基质结构在灌溉和植物根系作用下会有所改变, 同时根分泌物和盐 分的积聚, 以及可能存在病虫等, 因此基质要重复利用应该进行一些处理, 如结构重组、 水分淋 洗、 消毒等。消毒措施有蒸汽消毒、 溴甲烷、 福尔马林、 氯化苦消毒等, 但尚没有经济可靠的大 批量基质消毒的办法。 2. 2. 6 模制基质 模制基质是把基质模制成固定形状, 在上面预留栽培穴, 种子或幼苗直接 种在穴内, 省去了栽培容器, 便于消毒。农用岩棉就是模制基质。模制基质在花卉栽培上应用

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较多, 浇水后基质的形状随花瓶的形状而改变。 因此, 基质的研究可概括为: 理论上进行基质的机理和特性研究, 如基质空隙、 吸水性、 保 水性、 吸附养分性、 基质结构的保持等。生产上研究与不同的基质相配套的栽培管理方式和技 术, 最大限度地发挥基质的作用。工业上进行商品化生产和供应( 农用岩棉) 。

3
3. 1

基质研究的展望

展 望 由于设施土壤栽培存在诸多缺点, 如土壤次生盐渍化; 营养难于调控; 病虫害难于预防; 生 产操作繁重等, 进行无土基质栽培是大势所趋。作为其基础, 基质的重要性可见一斑。研究目 的在于以成熟的产品、 简便易懂的管理使用技术支持无土基质栽培。以目前的趋势发展, 在未 来 10 年内, 无土基质栽培将占设施面积的一半以上, 基质将逐渐形成市场。据分析, 上海引进 的五套自控温室运行成本、 基质的支出占总成本的 1/ 13~ 1/ 10, 排除其进口因素( 基质为进口 的农用岩棉) , 以国内生产价格估算( 70% ) , 平均为 1/ 16。其它形式的设施基质成本比例会高 于 1/ 16。所以基质的市场前景十分广阔。 没有任何一种基质可以适应所有园艺植物, 而且目前国内园艺设施呈现日光温室、 塑料大 棚、 自控温室等多种并存局面。那么, 基质的发展趋势应该是以适应不同设施档次、 不同地域、 不同园艺植物的多种并存, 以成本低、 效果好、 管理方便为标准, 开发上应该基质和营养液管理 配套, 联合推广。 3. 2 应重点研究的问题 3. 2. 1 基质的结构研究 主要园艺植物用基质的适宜理化性质参数研究。这不仅是基质标 准化生产的技术基础, 也是营养管理的依据和基质重复利用的前提。这方面的系统研究将是 一种创新和突破。 3. 2. 2 基质生产工艺 既如何按标准参数控制基质结构的形成技术, 这种技术要适应标准 化、 规模化、 工厂化生产的需要。基质的结构应该是团聚体结构, 团聚体结构有利于水分的吸 [ 23] 收、 排放、 通气、 根系的伸长和结构的稳定 。基质的重复利用性能也决定于基质结构的稳定 性。 3. 2. 3 基质栽培中根际营养的研究 虽然不像土壤栽培中那样, 普遍存在环境胁迫, 如养分、 水分、 酸碱、 温度等胁迫, 且基质中养分只有速效养分, 但植物是如何适应充足的水分养分供应 的? 特别是有些养分如钾、 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 钙、 养和根际微生物, 根系分泌物是如何调节植物养分的? 这些研究工作都是很有意义的[ 24] 。 3. 2. 4 基质的水肥管理技术 在设施栽培的气候环境和营养环境下, 植物的营养生理也有其 特点, 特别是在高产管理和使用设施专用品种的情况下, 植物的营养生理特征不同于露地栽 培。因此, 营养液的配制技术( 包括配方) ; 灌溉技术( 频率、 灌溉量) ; 监测调整技术( 植株、 营养 液回收液的监测调整) ; 设施营养诊断技术; 适合滴灌的园艺用肥料( 高浓、 全溶复合肥) 研制等 将是基质研究和应用的重点。 3. 2. 5 关于有机基质和有机废弃物 有机基质是指完全是有机物料或以有机物料为主的基 质。与目前玻璃温室普遍使用的无机基质的主要差别是其本身含有营养, 这种营养的有效释 放是不可控的, 是不匀速的, 因此, 虽然营养液的成分、 浓度很精确, 但植物可吸收的养分状况 是不确定的, 不利于养分水分的精确调控。塑料大棚的环境控制能力有限, 营养管理也是基于 经验性的过量滴灌, 本身就不精确, 所以, 塑料大棚中使用有机基质是可行的。有机废弃物是 较好的有机基质原料 [ 25] 。目前, 有机废弃物的处理方法仍以堆肥为主, 堆肥化的本质是固体

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废弃物分解为相对稳定的腐殖质物质的过程, 它是细菌、 放线菌和真菌等在好气或厌氧条件下 完成的[ 26] 。作为基质应达到三项标准: 易分解的有机物大部分分解; 施入土壤后不产生氮的 生物固定; 通过降解除去酚类等有害物质、 消灭病原菌、 害虫卵和杂草种籽。并且应有适宜的 [ 27, 28] 理化性质 。目前有机废弃物处理的关键是采用新工艺, 降低成本。 参
[ [ [ [ [ [ 1] 2] 3] 4] 5] 6]







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CURRENT SITUATIONS AND PROSPECTS OF RESEARCHES ON SOILLESS -CULTURE SUBSTRATES
T ian Jilin Wang Yinhu ( Envi ronmental Sci ence Research Inst itute, Shanghai A cademy of A gr icult ur al Sciences, Shanghai 201106) Abstract T he aut hors summarize here t he current sit uations involving acquired result s and exist ing problems in researches and ut ilization of soilless culture subst rat es, and also present t he prospect s, t argets and crux technologies in t he researches. Key words Soilless cult ure; Subst rate; Current situat ions; Prospects; Suggest ion


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“鲁 SC-I 型”番茄多层 无土栽培设施,1984-1987 年与胜利油田联合开发了...在 90 年代初期, 中国农科院花卉蔬菜研究所推广有机基质栽培(或称为有机...

设施草莓无土栽培技术

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 设施草莓无...营养钵式栽培、塔式气雾栽培等,可根据 实际情况有...但因地制宜的草莓无土栽培基质配方各地均有研究报 ...

我国无土栽培技术的发展、现状及趋势

无土栽培是一种用营养液或固体基质加营养液代替天然土壤作基质的栽培新技术, ...“八五”期间,浙江省农业科学院和南京农业大学在对日本浮根水培设施充分研究的...

无土栽培技术的现状及发展趋势 毕业论文_图文

无土栽培是一种用营养液代替天然土壤作基质的栽培新技术,这种营养液可满足作 ...1 现在无土栽培的发展概况设施农业中,无土栽培正在改变着传统种植方式,成为...

无土栽培的类型和方式

浮板毛管水培 :是在引进世界各国无土栽培设施优点...从我国现状出发,基质栽培是最有现实意义 的一种...没有缓冲的余地,目前还只 限于科学研究应用,未进行...