植物基質栽培的研究進展

徐強等

摘要： 基質栽培作為無土栽培的一種，具有病蟲害少、節水節肥、栽種靈活、可控性較高等優點，近幾十年來在國內外得到了廣泛的發展和應用。本文系統總結了栽培基質的材料分類和性狀類型，重點論述了陸生植物和水生植物栽培基質的類型和研究現狀，比較分析了不同栽培基質的栽培效果，探討了基質栽培存在的一些問題和局限性，并對今后的研究方向進行了展望，以期為進一步開展海洋高等植物栽培基質的研究提供科學依據。

關鍵詞：栽培基質；材料；性狀；栽培效果

中圖分類號：S317文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2015）03-0131-07

Research Progress of Substrate Culture of Plant

Xu Qiang1， Zhang Peidong1*， Tu Zhong2

（1.Marine Product College of China Ocean University， Qingdao 266003， China；

2.Shandong Aquatic Organism Culture Management Center， Yantai 264003， China）

AbstractSubstrate culture as one kind of soilless cultures has the advantages such as less disease and pests， saving water and fertilizer， planting flexibly and higher controllability. In the recent decades， it obtained wide development and application at home and abroad. In this paper， the material classification and trait type of culture substrates were summerized； the substrate types for terrestrial and aquatic plants and their reseach status were discussed； the culture effects of different substrates were compared and analyzed； some existing problems and boundedness were also discussed. Based on these， the research direction of substrate culture was prospect. It was expected to provide scientific basis for further research on substrates for culture of advanced marine plant.

Key wordsCulture substrate； Material； Trait； Culture effect

近年來，由于環境污染和人為破壞等因素，我國農業的健康可持續發展受到了嚴峻考驗，發展綠色、安全、無污染的種植方式已成為當今社會經濟發展的需要[1]。目前植物的栽培方式主要分為土壤栽培和無土栽培兩種，其中無土栽培是指不用天然土壤而用營養液或固體基質加營養液栽培作物的技術，因其具有病蟲害少、節水節肥、栽種靈活、可控性較高等傳統土壤栽培難以超越的優越性，目前在世界設施農業中被廣泛采用[2]。無土栽培包括水培、霧培和基質栽培三種，其中水培和霧培是指將植物根系浸于營養液中或將營養液噴霧到植物根系上，而基質栽培是指用固體介質固定植物根系，通過添加一定量的營養液供植物吸收利用，因其具有技術要求低、前期投資少等優勢而被廣泛推廣[3]。

基質栽培的基質一般稱作營養基質，栽培基質的好壞直接影響到植物的生長和發育。關于栽培基質的研究國內外已有150余年歷史，早在19世紀60年代 Boussingault和Salm-Horstmar就通過試驗證明植物可以通過穩定支撐的基質吸收營養元素并正常生長[4]。20世紀70年代，丹麥的Grodan公司開發出巖棉栽培技術，并在荷蘭、法國、英國、新西蘭等國家迅速推廣應用[5]，隨后穴盤育苗技術等得以開發和應用[3]，推動了基質栽培技術的發展。隨著工程技術、計算機技術和自動化控制技術等在設施農業中的應用，歐洲和美國、日本、以色列等國家的全自控現代化溫室技術已成為當今無土栽培技術最顯著的標志。其溫室栽培的黃瓜（Cucumis sativus）、番茄（Lycopersivon esculentum）和甜椒（Capsicum annuum）產量分別達70、50、25 kg/m2，是傳統露地栽培的十余倍[6]。荷蘭作為無土栽培技術最先進的國家之一，其3/4以上面積的溫室均采用基質栽培，其鮮花產量占世界鮮花市場的60%，已成為荷蘭的主要支柱產業[6]。我國作為設施園藝大國，國土遼闊，資源豐富，但基質栽培面積所占比例不足1%，與荷蘭等發達國家存在很大差距，因此發展基質栽培在今后的社會經濟發展中顯得格外重要[4]。

目前常用的栽培基質有草炭、蛭石、珍珠巖、巖棉等[2]。本文主要圍繞栽培基質的材料分類、理化性質以及陸生植物和水生植物栽培基質的研究現狀進行論述，總結了一些常用基質的理化性質及栽培效果，重點論述陸生、水生植物栽培基質的分類情況及其研究現狀，探討基質栽培存在的一些問題和局限性，對今后的發展方向進行了展望，以期為進一步發展基質栽培技術提供理論參考。

1基質材料的研究endprint

根據材料的來源、物質組成、性質及組分等，可將植物栽培基質分為不同的類型，這些類型間互相有重疊，最常用的分類標準是材料來源和物質組成。

按照來源不同，常用的栽培基質材料可分為天然基質和人工合成基質兩類，如草炭、蘆葦末、鋸末等為天然基質，而巖棉、硅膠、多孔陶粒等為人工合成基質[3]。

按照基本物質組成成分不同，可將基質分為無機基質和有機基質兩類。無機基質主要包括浮石、陶粒、蛭石、珍珠巖、巖棉等，有機基質主要有礱糠灰、草炭、尿醛泡沫、木屑等由有機殘體組成的基質[6]。

按照基質的性質不同，可將基質分為惰性基質和活性基質兩類。一般把沒有物理化學吸收能力、不具有緩沖能力的基質稱為惰性基質，相反則稱為活性基質。例如砂礫、巖棉、泡沫塑料等材料本身既不含養分也不具有陽離子代換量，屬于惰性基質；而泥炭、蛭石等含有植物可吸收利用的養分，且具有較強的陽離子代換量，屬于活性基質[7]。

按照使用時組分不同，可將基質分為單一基質和復合基質兩類。單一基質是指用一種基質作為介質進行栽培，而復合基質是指用兩種或兩種以上基質通過不同配比組合進行栽培[7]。

2基質性狀的研究

基質的性狀包括物理性狀、化學性狀和生物性狀。基質作為植物生長的介質，應該具備透氣、持水、緩沖、提供養分以及支持和固定植株的功能。

2.1基質的物理性質

反映基質物理性質的重要參數有容重、通氣孔隙度、持水孔隙度、總孔隙度、氣水比、比重等[8]。基質容重是指單位容積的基質干重，其與基質的粒徑、總孔隙度有關，一般認為，小于0.25 g/cm3屬低容重基質，0.25～0.75 g/cm3屬中容重基質，大于0.75 g/cm3屬高容重基質，通常育苗基質的容重以0.2～0.8 g/cm3為宜[3]。通氣孔隙是指基質中空氣所能夠占據的空間，孔隙直徑在0.8 mm以上時，灌溉后溶液不會吸持在這些孔隙中而隨重力作用流出[9]。持水孔隙是指基質中水分所能占據的空間，是反映基質持水能力的指標，當孔隙直徑在0.01～0.8 mm范圍時，水分在這些孔隙中會由于毛細管作用而被吸持[9]。總孔隙度是指基質中通氣孔隙度和持水孔隙度的總和，總孔隙度大的基質疏松，通透性良好，有利于植物根系生長，但固定作用較差；而總孔隙度小的基質雖利于植物固定，但不利于根系發育，通常基質的總孔隙度在54%～96%時為宜[8]。通氣孔隙與持水孔隙的比值稱為氣水比，是衡量物理性狀的重要指標，一般在1∶（2～4）之間為宜[8]。比重指單位體積固體基質（不包括空隙所占的體積）的絕對干重與同體積水重（4℃）的比值，它的大小取決于土壤的礦物質組成、有機質含量等。一般來說，礦物質含量高、顆粒較小的基質比重較大，最好與有機質配合使用。育苗基質的粒徑以0.5～5.0 mm為宜，其中小于0.5 mm的顆粒最好不超過總量的5%[10]。

2.2基質的化學性質

栽培基質的化學性質主要指酸堿度（pH）、電導率（EC）、陽離子交換量（CEC）、緩沖能力、各種礦質元素（N、P、K、Ca、Mg、Fe等）含量等，它們相互作用，共同影響基質的化學性質[11]。不同植物對基質pH值的要求不同，當pH值超過7時，Fe2+、Mn2+、Zn2+和Cu2+等將生成氫氧化物沉淀無法被幼苗根系吸收，因此陸生植物育苗基質的pH值以5.5～6.5為宜[2]。電導率是反映基質可溶解性鹽濃度的指標，其大小將直接影響營養液的平衡和幼苗的生長狀況，其值以0.5～1.3 mS/cm為宜[3]。陽離子交換量是評價土壤保肥能力的指標，也是改良土壤和合理施肥的重要依據，通常值在10～100 me/100cm3比較適宜[8]。緩沖作用是指基質給植物根系的生長提供一個較為穩定環境的能力，即在根系生長過程中產生的一些有害物質或外加物質可能會危害到植物正常生長時，基質會通過其自身的一些理化性質將這些危害減輕或者化解的能力，有機基質通常比無機基質具有更大的緩沖能力[6]。此外，礦質元素是植物生長的必需元素，不同植物對礦質元素的需求量不同[12]。根據植物需求量的不同，將各種礦質元素分為大量元素（氮、磷、鉀等）、中量元素（鈣、鎂、硫等）和微量元素（硼、硅、鎳等）。不同元素對植物的作用也不同，如氮是植物體內糖類、脂類、氨基酸等物質代謝的基礎[13]；磷是構成植物體內核酸、磷脂等重要有機化合物的成分，能夠促進根系發育和植物新陳代謝[14，15]；鉀能促進光合作用，提高凈光合效率，加速同化產物向貯藏器官運輸[16，17]；硅可以沉積在木質化細胞壁上，調節木質素的生物合成，影響高等植株的穩定性[18]；硼通過影響植物細胞壁的形成、根系的生長、蛋白質的合成等，促進植物對氮、磷、鉀的吸收和有效利用[19]。

2.3基質的生物性質

基質的生物學性狀是指基質中有機類物質的穩定性。常用指標有C/N、土壤呼吸強度和生物穩定性參數。在微生物和植物根系活動的影響下，有機質的腐蝕和降解會改變基質的理化性質，其中有機質的分解速率與C/N密切相關[8]。C/N高的基質，由于微生物對氮的爭奪，會導致植物缺氮，因此使用前必須加入超過植物生長所需的氮，以補償微生物對氮的需求，通常C/N值宜低不宜高，在30∶1左右時較適合植物的生長[3]。土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過程，主要是由微生物氧化有機物和根系呼吸產生，另有極少部分是由土壤動物和化學氧化所釋放[20]。土壤呼吸強度是衡量土壤微生物活性和評價土壤肥力的重要指標。生物穩定性參數是由Linères和Djakovitch于1993年提出，用有機基質中的纖維素、半纖維素、木質素等物質所占總體基質的比例來表示[21]。目前基質生物特性的研究除穩定性外，還有生物控制（以避免病害傳播，淋洗液中殺蟲劑的分解等）的相關研究[22]，通過研究土壤淋洗液的化學組成，有助于說明土壤的形成實質[23]。endprint

3陸生植物栽培基質的研究進展

目前，在蔬果、花卉、草木等陸生植物種植方面普遍采用無土栽培。無土栽培通常是以通氣良好的固體材料作為基質，利用各種營養元素配制的營養液來代替營養土進行育苗，具有育苗短、成本低、用種少、產量高等優點。

3.1陸生植物栽培基質的類型

目前常用的陸生植物栽培基質有草炭、巖棉、蛭石、爐渣、棉籽殼、珍珠巖、細砂等，其各有特點和優勢。

（1）草炭，由泥炭類苔蘚在酸性沼澤地條件下形成，其通透性較好，吸水能力強[10]，是目前公認的性質優良、使用最廣泛的育苗基質成分。然而草炭作為一種有限不可再生天然資源，過量開采會嚴重破壞沼澤地的生態環境，目前許多學者都在不斷研究、開發新的理想栽培基質，以供生產所需[4]。

（2）巖棉，以玄武巖、白云石等為主要原材料，經高溫熔融后由高速離心設備制成的人造無機纖維，具有通透性較好，晝夜溫度變化不大，容重小，搬運方便，病菌少，持水強等特點[24]。

（3）蛭石，是一種天然無毒的礦物質，具有容重小、總孔隙度大、較高的緩沖能力和陽離子交換能力等優點，此外，蛭石富含速效鉀，是一種良好的供鉀基質[25]。

（4）爐渣灰，是一種民用燃料的廢棄物，數量較大，取材方便，含有大量速效P、K和豐富的微量元素（Cu、Fe、Zn、Mn）及重金屬元素（Cd、Pb、Ni），缺點是保水吸水性能差、熱容量小、變溫幅度大和偏堿性，使用時可作為基質的輔加成分，以調節基質的理化性質[24]。

（5）棉籽殼，是棉籽經過剝殼機分離后除去棉仁剩下的外殼，一般采用蘑菇生產中的棉籽殼殘料作為育苗基質，其容重小，持水能力強，含有豐富的有機質和N、P、K元素，pH較為適宜，C/N比較低[26]。

（6）珍珠巖，是一種火山噴發的酸性熔巖經急劇冷卻而成的玻璃質巖石。其可以吸持相當于本身重量2～4倍的水分，具有搬運方便，病菌少等優點，但養分低，陽離子交換量小，可廣泛用于低容重、物理性狀穩定、可滿足非毛管孔隙的混合基質[25]。

（7）細砂，一般用于調節基質的物理特性。由于其搬運不便，缺乏可溶性營養元素等因素，一般用作復合基質的少量配料[24]。

幾種常用栽培基質理化性狀的比較如表1所示。此外，稻殼、椰糠、鋸木屑、樹皮、甘蔗渣等農林廢棄物因具有低價環保、營養豐富的優點，也常用于陸生植物的栽培基質中[4，26]。

3.2陸生植物基質的研究現狀

早在20世紀70年代，Woods等[27]就通過番茄種植試驗證實泥炭栽培的作物收益遠高于土壤栽培。Postma等[28]通過試驗發現，巖棉可以抑制黃瓜根冠瓜果腐霉的生長，發病率亦降低了52%～100%。但由于單一基質一般在某些理化性狀上存在一定的缺陷，如珍珠巖和細砂的持水能力低、棉籽殼C/N較低、草炭資源有限、巖棉易污染環境等，使得在工廠化栽培研究中，綜合考慮各種基質的理化性質，實現基質的相互配合使用以及新型有機基質的開發利用等，成為學者們研究的重點[2]。

目前很多大型專業化育苗工廠主要采用的基質配方為加利福尼亞大學UC系統的Ucmix、美國康奈爾大學研制開發的以泥炭為主而以砂、珍珠巖或蛭石為輔的基質配方和英國溫室作物研究所開發的GCRI混合物等[8]。在眾多復合基質的配方中，草炭是最常見的配方成分之一[2]，基于草炭為有限珍稀資源，很多學者將研究重點轉移到草炭替代物的開發[4]。Chaney等[29]將堆肥按照不同比例同康奈爾基質（草炭∶苔蘚∶蛭石=1∶1∶1）混合進行種植試驗，發現堆肥不僅提供植物所需的所有微量元素，還是提供植物N元素的主要成分，并且可將基質pH控制在6.7以上，使植物更好的吸收金屬離子。Jayasinghe等[30]進行的萵苣（Lactuca sativa）種植試驗中，將甘蔗渣按照0%、10%、25%、40%和60%的比例與草炭混合作為栽培基質，結果表明25%混合組的萵苣長勢最好，其地上部鮮重、干重和地下部鮮重、干重相比單一草炭基質組分別增加了53.25%、43.32%、36.27%和56.88%；此外，60%混合組的基質在為植物提供最豐富的K、Mg、Ca、Cu、Zn等礦質元素的同時并沒有對植物造成化學傷害。也有部分學者直接使用農林廢棄物堆肥進行栽種，同樣取得了良好的效果[31]。Ostos等[32]利用由垃圾和污泥組成的堆肥與新鮮松樹皮混合成的基質，與草炭按照不同比例混合對乳香黃連木（Pistacia lentiscus L.）進行栽培，結果顯示灌木不僅能夠正常生長并且其吸收P的能力明顯增強。在改善基質理化性能方面，除了使用復合基質，還可以添加適量的有機肥料、營養液等，或者用酸進行灌溉水的酸化處理降低pH值，通過淋洗改善EC值，減少重金屬含量[23]。

4水生植物栽培基質的研究

根據水生植物的生活方式與形態特征，可將其劃分為挺水植物、浮葉植物、浮水植物、沉水植物及海生植物五大類[33]。水生植物的生長狀態與基質有緊密聯系，底質除了具有固持作用外，還可以為沉水植物提供各類營養元素以及微量元素，是水生植物生長所需各種營養鹽的主要來源[34，35]。

4.1水生植物栽培基質的類型

自然條件下，水生植物的基質類型有塘泥、沼澤、湖泥、潮灘鹽土等。近年來，隨著經濟的飛速發展，人們對室內觀賞需求逐漸增加，水生植物的無土栽培技術也逐漸發展起來。目前常見的栽培基質有：草炭、蛭石、赤玉土、水苔蘚、陶粒、水草砂等，其各有優缺點。

（1）塘泥，是由池塘里的淤泥曬干后而成，主要以粘土和泥沙組成，含有豐富的有機質、微生物和各種礦物質，為植物生長提供營養，并且有利于水生植物根部的固著。

（2）沼澤，是指地表長期受積水浸泡、腐泥和泥炭含量豐富的底質。具有有機質含量高、持水性強、透水性差、嚴重缺氧、物質分解緩慢等特點。endprint

（3）陶粒，是一種圓形或者橢圓形的陶質球體。具有價格便宜、孔隙度大、通氣保水性好、pH中性、保溫隔熱、固定性差等特點[26]。

（4）水草砂，是一種新型缸內種植天然環保基質。具有軟硬適中、色澤與天然砂相似、吸附水生動物排泄物等特點，并且可為水生植物提供生長所必需的十六種營養元素及其他營養物質。

（5）水苔，為苔蘚植物，有較強的蓄水、透氣能力，具有耐浸洗又耐干旱的特點，可長久使用。并且栽培容易，質量輕，種后基質不易脫落，便于花卉運輸。其內含豐富的有機質及礦質元素，用作栽培基質，可節約施肥量[26]。

（6）赤玉土，是一種由火山灰堆積而成，暗紅色圓粒狀的高通透性火山泥。因其無有害細菌、pH值呈弱酸性、蓄水和排水能力強等特點常被人們用于沉水植物的栽培等。

4.2水生植物栽培基質的研究進展

目前國內對于水生植物基質的研究主要圍繞植物適宜底質類型的探究和改良等方面，多集中在對自然底質的研究，對無土栽培的研究比較少[34]。丁華僑[33]通過對水生植物在草炭、水苔蘚和土壤三種基質中生長的生物量進行比較發現，挺水植物再力花（Thalia dealbata）、海壽花（Pontederia cordata）和石胡荽（Hydrocotyle verticillata）地栽的植株生物量分別為泥炭栽培的19倍、10倍和15倍及水苔蘚栽培的6倍、16倍和30倍；而根冠比，石胡荽在水苔蘚和草炭中栽培的均約為9，地栽的則為1.3，這可能是由于水苔蘚和草炭相比土壤營養較缺乏，植物消耗大量的碳水化合物用于龐大根系的生長發育以更好地吸收營養，但由于水體景觀不僅要考慮植物的生物量，還要考慮整體效果、清潔方便程度等，所以不能僅僅依據生物量就推斷地栽好于草炭栽培和水苔蘚栽培，必要時可以配合營養液進行使用。李寬意[36]通過測定不同營養程度基質中兩種植被的生長情況，發現基質營養水平是影響植物種間競爭關系的重要因素之一，輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）在營養豐富的基質中占明顯優勢，美國苦草（Vallisneria spiralis）在營養貧瘠的基質中優勢顯著。此外基質顆粒組成和密度的不同也會影響沉水植物的生長，如江鑫等[37]發現海生植物大葉藻（Zostera marina）偏好泥與泥沙底質，而同屬的叢生大葉藻（Z. caespitosa）則偏好沙與礫石底質。李壘等[34]通過研究不同比例（5%，10%，30%，50%，80%）的沙土、粘土和腐殖土與河岸邊土進行混合形成的不同成分底質分別對沉水植物菹草（Potamogeton crispus）、輪葉黑藻和微齒眼子菜（Potamogeton maackianus）頂枝斷枝恢復生長的影響，發現除微齒眼子菜在各種底質上生長無顯著差異外；菹草和輪葉黑藻長勢最好的底質為50%粘土，植株分別高達48 cm和82 cm，長勢最差的底質為50%和80%的沙土，菹草在其生長第三周便全部死亡，輪葉黑藻雖有存活，植株高僅為38 cm。

5存在問題及發展趨勢

5.1存在問題

雖然我國的基質栽培技術已經取得了一些進展，但仍存在較多的問題和局限性：①應用不夠廣泛。中國是居世界第一位的設施園藝大國，設施園藝栽培面積在200萬hm2以上，但據不完全統計，全國無土栽培面積僅1 070 hm2，所占比例不到0.1%，與日本的20%、荷蘭等國的90%存在很大差距[3]。②綠色環保型基質的開發和利用力度不夠。隨著人們環保意識的增強及一些栽培基質面臨替代更新狀況，開發新型環保基質顯得十分必要。很多國家從20世紀70年代就陸續頒布了相應的法律法規，希望通過對農林廢棄物等廢物資源的再利用，實現對草炭等基質的部分或完全替換[4]，而我國相應的法規政策比較少，對可長期利用的環保型基質的開發力度也比較欠缺。③水生植物基質栽培技術研究較少。目前國內關于基質栽培的研究大多集中于陸生植物[2]，而對水生植物基質栽培的研究僅局限在天然底質改良等方面。④設施栽培技術較落后。雖然關于基質栽培的研究已有一百余年的歷史，但我國真正大規模的研究起始于20世紀80年代，與栽培技術發達的歐洲和美國、日本等國家相比仍存在設施水平低、抗自然災害能力差、栽培機械化程度低、自動控制設備不配套等問題[38]。

5.2發展趨勢

針對基質栽培的發展現狀，今后應當重點進行以下幾個方面的研究：一是有機環保型基質的開發和利用。草炭是短期內不可再生資源，近些年的開采已使其資源量大幅減少，且嚴重破壞了濕地的生態環境，因此尋找新型環保基質替代草炭已成為近年的研究熱點。目前各國學者通過利用腐爛樹皮、鋸木屑、蘑菇渣、松針、腐葉等農園林廢棄物進行栽培試驗，均取得了較理想的效果[4，31]。農林廢棄物具有數量巨大、再生周期短、可生物降解、環境友好等優點[4]，對其進行人工合成以實現對草炭等不利于可持續發展基質的替代，將是今后一個時期內基質開發的主流和方向。二是基質混配的研究。由于單一基質存在一定理化性質的缺陷，將多種基質混合進行栽種早已成為大家研究的重點。但大多數混配方式仍處在試驗階段，比較理想的草炭∶蛭石=2∶1也因為草炭的珍稀而不被提倡使用，因此開發出便于工廠化應用的混配方式則是今后的研究重點之一。三是基質的重復利用和無害化處理。由于基質在使用過程中，累積了大量殘留的根系分泌物和鹽分，再次使用時需進行清洗、消毒等處理，而不同的消毒方式（蒸汽消毒、化學藥品消毒和太陽能消毒等）對基質的理化性質影響不同[3]，因此探究合適的處理方式是基質再利用的首要前提。四是水生植物基質栽培的研究。隨著近年來水生資源的破壞和人們對水生觀賞植物需求的增加，探究更好的水生植物栽培方式，以達到資源增殖和生態觀賞等目的已成為部分學者的研究重點[33]。基質栽培對于水生植物來說具有清潔容易、運輸方便等優勢，因此加強對水生植物基質栽培的研究仍將是今后的研究方向。五是設施基質栽培技術的研究。在基質栽培中，采用的主要是穴盤育苗技術，該技術從20世紀80年代引進中國后，直接推動了我國無土栽培技術的發展[3]，但由于設施落后、機械化水平低等原因，無法在實際生產中大規模使用。因此今后需加強向設施農業發達的日本、美國、以色列等國學習全自控現代化溫室、玻璃溫室等先進技術，注重設施農業機械化、自動化技術的研發。endprint

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