有機生態型無土栽培基質重復利用研究概述

劉蕊 楊素芬 谷利敏 武盼盼

摘? ? 要：目前有機生態型無土栽培在我國應用廣泛，提高栽培基質的重復利用效率、減少消耗，并對廢棄的基質加以循環利用，是現階段無土栽培中需要重點解決的問題，對降低成本、保護環境、實現資源可持續利用具有重要意義。從養分管理、理化性狀、微生態環境及自毒作用等四個方面重點分析了有機基質重復利用中的技術障礙及相應的修復措施，并對廢棄基質再利用的價值和必要性及循環利用方式和效果等進行了闡述；指出了目前有機基質栽培中亟待解決的問題及未來的發展趨勢，旨在為有機基質高效重復利用提供借鑒。

關鍵詞：有機基質；重復利用；連作障礙；修復措施；廢棄基質

中圖分類號：S62 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）01-001-10

Review of the research on reuse of organic ecotype soilless culture substrates

LIU Rui， YANG Sufen， GU Limin， WU Panpan

（Henan Institute of Chemical Industry Co.， Ltd.， Zhengzhou 450052， Henan， China）

Abstract： Currently， organic ecotype soilless cultivation is widely used in China. It is important to improve the reuse efficiency of cultivation substrate， reduce consumption and recycle waste substrate， which is of great significance for reducing costs， protecting the environment and realizing sustainable development of resources. In this paper， the technical obstacles and repair measures about the reuse of organic substrates were analyzed from four aspects： nutrient management， physical and chemical properties， microbial environment and autotoxicity. The value and necessity of reuse of matrix waste， the way and effect of recycling are expounded. The problems to be solved urgently in the cultivation of organic substrates and the future development trend were also pointed out， aiming at providing reference for the efficient recycling of organic substrates.

Key words： Organic substrate; Reuse; Continuous cropping obstacle; Repair measures; Waste substrate

隨著現代農業的快速發展，無土栽培在世界范圍內被廣泛應用，其擺脫了土壤的限制，具有栽種靈活、病蟲害少、肥料利用率較高、生產可控性較強等優點，在綠色有機蔬菜栽培、花卉栽培、藥用植物栽培、果木栽培及無土育苗等方面得到大面積應用[1-3]。

有機生態型無土栽培主要是以有機基質為載體，在栽培過程中施加肥料并進行合理的水分管理，是無土栽培中最為常見的一種栽培方式[4]。其中，有機基質主要由農林有機廢棄物如秸稈、菇渣、椰糠、稻殼、腐葉、鋸末、畜禽糞便等經發酵或高溫處理而成[4-5]。有機基質栽培不僅具備無土栽培的優點，還為農林廢棄物資源化利用提供了新的途徑，是一種有利于經濟發展和環境保護的栽培方式[6]。隨著基質栽培規模的擴大，一方面存在基質仍可利用而廢棄的情況，造成了基質的浪費，另一方面基質如果直接棄置，不僅占用場地，而且污染環境[7]；同時高成本的投入也是有機基質栽培存在的主要問題之一[5]；這些都將成為基質栽培產業化發展的瓶頸。因此遵循“3R”原則——減量化（Reduce）、再利用（Reuse）和再循環（Recycle），提高基質的重復利用效率，減少消耗，并能對廢棄的基質加以循環利用，是基質栽培急需解決的問題，對降低成本、保護環境、實現資源可持續利用具有重要意義[8]。

1 基質重復利用處理技術

1.1 基質重復利用技術障礙

研究表明，與土壤栽培相比，基質栽培能夠有效延緩連作障礙的發生[9-12]，但隨著連作茬次的增加，基質栽培出現了不同程度的連作障礙，限制了重復利用。研究者們將原因主要歸結為以下4個方面：養分失調，基質理化性質惡化，自毒作用，微生態環境改變和病蟲害加劇。

1.1.1 營養成分不足或失調 長期栽培同一作物，由于其對土壤或基質中營養元素的片面吸收或是農藝措施不當，會造成某些元素的積累或虧缺，使后茬作物生長不良，產生生理障礙[13]。何莉莉等[14]研究發現，有機基質連作4茬黃瓜，銅、鋅、鎂、鈣等微量元素含量均不同程度地逐茬減少，且與黃瓜致病菌尖孢鐮刀菌數量和枯萎病發病率相關；周金燕等[5]研究發現，有機基質連續種植奶白菜，基質的主要養分（有機質、全氮、全磷、全鉀、銨態氮、硝態氮、速效鉀、有效磷）含量逐漸降低，到第3茬時養分不足已是影響基質重復利用的主要因素。

不同基質在栽培過程中都會有不同程度的分解和損耗，如不及時補充新基質或養分，就會影響作物的生長和產量[15]，而根據作物的生長發育規律及其需肥特征，實現作物根際養分的精準調控將是基質重復利用的關鍵。

1.1.2 基質理化性質的變化及對作物的影響 基質的物理性質主要反映了其保水、透氣性能及其質量大小，其指標有容重、總孔隙度、持水量、大小孔隙比（氣水比）、粒徑等。基質的化學性質反映了其養分供應能力和緩沖能力，包含基質的化學組成及其穩定性、酸堿性、鹽基交換量、電導率等[4]。基質理化性質只有達到一定的標準，才能為作物生長提供適宜的水、氣、肥等根際環境。郭世榮[16]研究認為，基質的容重為0.1～0.8 g·cm-3，總孔隙度在54%～96%，pH值7.0左右，EC值在2.0～4.0 mS·cm-1范圍內較適宜作物生長。

不同種類的有機基質在重復利用時會表現不同，Zucchi等[17]研究發現，有機基質的重復利用效果受消毒方式和基質種類影響。Baevre等[18]給出了基質再利用的早期例子（1984），研究發現，無需任何消毒措施，番茄可以在泥炭基質中連續種植3年，泥炭基質的物理性質無顯著變化且對產量無影響。張晶等[19]研究發現，有機基質連續栽培2茬辣椒后的理化性質與新基質相比，大部分指標雖發生了顯著變化，但基質的容重、總孔隙度和EC值均在適宜作物生長的范圍內且不影響其產量。李建勇等[20]研究發現，有機基質連續種植2茬番茄后仍具有良好的理化性質，只是pH值偏高。李威等[21]研究發現，有機基質連續種植3茬番茄可使根系活力早衰，但基質的理化性質除總孔隙度偏低外，pH值、EC值仍在適宜番茄生長范圍之內，說明此時理化性質的改變不是影響其重復利用的關鍵因子。周金燕等[5]研究發現，有機基質連續種植5茬奶白菜，基質的容重、孔隙度、田間持水量、pH值、EC值雖都發生不同程度的變化，但奶白菜產量與新基質種植的奶白菜產量并無顯著差異，說明在一定范圍內，奶白菜可適應這種理化性質的改變。武春成等[9]研究發現，日光溫室下有機基質栽培黃瓜，隨著種植茬次的增加，基質含水量和pH值均呈下降趨勢，容重則呈逐漸增加的趨勢，種植到第9茬時已經表現出了連作障礙。以上研究表明，不同的作物需要不同的根際環境，沒有一種基質可以符合各種作物的需求，基質的理化性質會因作物的種類和種植茬次的多少而發生不同的變化；作物的生長發育及產量與基質的某些理化指標顯著相關，與某些指標相關性不顯著，在一定的變化幅度內作物可以適應這種改變，而不影響其生長。

有研究發現，不同的肥料配施水平可影響基質的理化性質和基質酶活性[22]。趙兆等[23]研究發現，合理的氮素水平有利于提高基質酶活性、基質和植株中的養分含量；強浩然等[24]研究發現，不同水分和氮素供應對辣椒栽培基質氮轉化細菌和酶活性都有影響，水分和氮素的合理供給有利于增加辣椒產量。Urrestarazu等[25]研究發現，不同基質（原料分別來自杏仁殼廢棄物和溫室蔬菜堆肥）分別經過265 d和530 d的重復利用后，理化性質已發生顯著變化，但經調整施肥參數后，甜瓜和番茄的產量和果實品質不受影響。因此如何根據作物自身的特點，選取適宜的栽培基質，明確基質理化性質與作物栽培效果的相關性指標，并建立科學的水肥管理模式，使基質理化性質能滿足作物生長，是基質能夠重復利用的關鍵。

1.1.3 自毒作用 自毒作用是指植物通過根系分泌，莖和葉的淋溶、揮發，植株殘體分解等途徑釋放一些物質對同茬或下茬同種或同科植物的生長產生抑制作用的現象[26]。自毒物質的積累是連作障礙發生的主要誘因，其主要包括酚酸類及其衍生物、生物堿等，該類物質會使土壤酸化，改變土壤中微生物的數量和結構以及土壤酶活性，導致土壤微生態環境失衡[27-28]。

基質經過多茬栽培后，其中會殘留許多爛根、根系分泌物、病菌及鹽分等，余朝閣等[12]研究發現，相較土壤栽培，基質連作能緩解或減輕土壤酸化及酚酸類物質的累積，但總酚含量、苯甲酸、對羥基苯甲酸、阿魏酸等酸類物質含量仍隨連作茬次的增加而增加，這種積累對作物的抑制作用尚無研究結論。目前，基質栽培模式下酚酸類物質積累對連作障礙影響的相關研究較少，因此有必要探索自毒作用產生的機制，自毒物質的種類及其對作物自身、栽培基質及微生物的影響，可為基質栽培緩解作物自毒作用提供參考。

1.1.4 根區微生物及酶活性變化及對作物的影響 研究證明，土壤根際微生物及酶活性是評價土壤微生態環境質量和土壤生產力的重要指標，土壤微生物群落結構失衡、根際病原菌累積、有益微生物數量減少是連作障礙的主要因子[29-32]。

栽培基質中微生物的數量、種類和活性是衡量其生物學性狀的重要參數，常因基質類型不同而存在差異。基質中的微生物主要有細菌、真菌、放線菌等，其中細菌數量最多，對基質養分循環、結構形成和作物降解均起到重要作用[33-35]。鄒春嬌等[36]研究認為，微生物多樣性水平降低、微生物群落結構單一化是基質栽培連作障礙發生的原因之一。佟賢等[10]研究發現，稻草營養基質連續種植4茬黃瓜，細菌、真菌數量，黃瓜枯萎病、白粉病、霜霉病發病株率、畸形瓜率均隨連作茬數的增加呈上升趨勢，黃瓜產量逐茬下降，這說明微生物數量的變化可能是連作障礙發生的表現之一，會影響土傳病害的發病率進而影響作物產量。武春成等[9，37]研究發現，有機基質連續栽培黃瓜，隨著連作茬次的增加，根區微生物總數、細菌及放線菌數量在黃瓜種植7～9茬時表現為下降趨勢，而真菌數量從第3茬開始表現為逐漸上升趨勢，B/F（細菌/真菌）呈現先升高后降低的趨勢，根際微生物結構由細菌型向真菌型轉化，這與黃曉德等[38]的基質連作番茄根際微生物變化及其他關于土壤連作栽培中根區細菌數量減少、有害真菌數量增多的研究結論 [13，39-41]基本一致，也說明在連作條件下根際微生物群落由細菌型向真菌型轉變過程中對其原有的生態平衡造成嚴重的影響，從而為病原菌的繁殖提供了有利條件。

基質本身就在不斷地進行著生物化學反應，而一些酶在其中直接參與各種物質的代謝和轉化以及養分的釋放和固定。酶活性高低反映了基質對植物根系供應養分的潛在能力，如脲酶可促使有機氮向無機氮轉化，提高有機基質氮素供應水平；纖維素酶有助于腐殖質形成和碳素養分釋放；過氧化氫酶活性表征基質生物氧化程度的強弱。已有研究證明，脲酶、轉化酶、纖維素酶活性可以作為評價有機基質肥力的標準[42]。武春成等[37]研究發現，隨著連作茬次的增加，脲酶活性逐漸降低，黃瓜產量下降；馬彥霞等[43-44]研究發現，隨著番茄連茬栽培茬次增加，基質的蛋白酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性不斷下降，有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀等養分含量不斷降低，不再利于番茄生長。

以上研究說明，基質連作栽培會造成微生物多樣性水平降低，群落結構單一化、酶活性降低，如果病原菌侵入基質，就沒有其他的微生物與之競爭，便會在基質中穩定生長并引起病害。不同的作物品種、生長階段、種植年限以及栽培模式都可能對根際微生物群落結構產生影響，深入分析這些影響因素及變化規律，探索基質微生態環境變化與作物生長、產量、肥力變化的相關性可對基質微生態環境的修復提供理論依據。目前，對于在長期連作條件下基質中微生態環境變化及栽培效果與土壤連作栽培差異的研究不多，因此深入研究土壤和基質連作障礙發生機制及消減措施，探索基質與土壤連作栽培微生物種群特征、病害發生與作物生長變化規律，探明兩種栽培模式的區別與聯系對基質高效重復利用研究具有借鑒意義。

1.2 基質重復利用修復措施

在基質栽培中，栽培基質的質量狀況對作物生長發育有直接的影響，除了支持和固定作物，給作物提供水分、氧氣和營養外，還能給根系一個相對穩定的生長環境[4]。保證基質的質量是基質能夠重復利用的前提。針對基質栽培中出現的理化性質惡化、病蟲害嚴重、產量降低、品質下降等問題，基質在重復利用前應采取一定措施進行處理，而尋找一種低成本且能夠滿足作物生長需求的基質高效處理和重復利用技術尤為重要。

1.2.1 消毒滅菌 基質消毒是緩解作物連作障礙和保持基質生產力的有效途徑之一[45]。針對病原菌、蟲卵等有害物質通常可采用物理法、化學法或生物法防治以達到改善基質狀態、提高作物產量和品質、實現再利用的目的[45-46]。

物理消毒是指利用光、熱、電、磁等物理技術來處理栽培基質，主要包括太陽能消毒、蒸汽消毒、熱水消毒、火焰消毒、電消毒和微波消毒等[47-54]。

（1）太陽能消毒。消毒原理：利用病原菌難耐濕熱、低氧環境的特性，通過各種熱源營造高溫、高濕和缺氧的環境，達到消除絕大多數病蟲和雜草的目的。消毒效果及效率：防治有效基質層深度約10 cm，消毒周期15 d以上。適用性及局限性：成本低，操作簡便；受天氣影響，消毒效果不穩定。

（2）蒸汽消毒。消毒原理同（1）。消毒效果及效率：防治有效基質層深度約80 cm，殺滅率99%以上，并可改善基質的團粒結構和活性，提高排水性和通透性。適用性及局限性：成本相對較高，適用于經濟價值較高的植物。

（3）熱水消毒。消毒原理同（1）。消毒效果及效率：防治有效基質層深度約30 cm，殺滅率95%～100%，并能改善基質pH值、EC值等理化性狀。適用性及局限性：成本相對較高，消毒效果受基質的疏松度和含水率影響，存在營養流失、處理后基質含水率較高等問題。

（4）火焰消毒。消毒原理同（1）。消毒效果及效率：防治有效基質層深度30～50 cm。殺滅率85%以上，拋翻式消毒可提高疏松度，改善基質狀態。適用性及局限性：成本較低，操作相對簡單，為防止燃燒產生二次污染，應選用清潔燃料。

（5）電消毒。消毒原理：利用電處理基質過程中產生的酚類氣體、原子氯氣以及脈沖電流電擊，使病原微生物失活。消毒效果及效率：殺滅率可達99%，并可調節基質pH值，改善團粒結構，提高通透性和持水能力。適用性及局限性：技術要求相對較高，基質含水率高對消毒效果有不利影響。

（6）遠紅外消毒、微波消毒、射頻消毒。消毒原理：利用一定頻率范圍內的電磁波的熱效應和生物效應來消滅病蟲和雜草。消毒效果及效率：熱效應好、消毒效率高、穿透力強。適用性及局限性：自動化程度高，操作簡便，運行成本低，具有無毒、無污染和無殘留等優點。但研究和制造投入大，推廣應用受到一定的制約。

目前栽培基質物理消毒研究主要集中于消毒方式的開發和殺毒滅菌效果效率方面，部分方式可改善基質的理化性質，而對基質微環境的影響等方面尚待進一步探索。物理消毒因處理方式安全有效且對環境無污染而極具推廣價值，但大都存在設備投資大、操作技術要求高、市場化推廣難等問題。

化學消毒主要是通過各種化學藥劑澆灌、噴淋、熏蒸等處理農作物栽培基質，因使用效果好，投入成本低，操作簡便，是目前生產中應用最廣泛的基質消毒方式[55-56]。化學消毒由于存在農藥殘留，易對地下水、土壤和環境造成污染，并可增強病蟲抗藥性，化學藥劑的使用已受到越來越多的限制，比如溴甲烷，雖然土壤消毒效果優良，但會破壞大氣臭氧層，我國已在2015年禁止使用。目前氯化苦、威百畝、棉隆和硫酰氟作為聯合國甲基溴技術選擇委員會（MBTOC）推薦的甲基溴替代化學藥劑已在中國獲得農藥登記[56-57]，并取得良好的田間防治效果，但是還應關注這類藥劑對土壤微生物群落結構及環境的影響。已有研究發現，長期使用氯化苦熏蒸會降低土壤中細菌與真菌群落的多樣性[58]。陳利達等[56]研究發現，用棉隆、氰氨化鈣和威百畝熏蒸處理后微生物數量減少，對細菌具有不同程度的抑制作用，細菌群落呈現出“抑制-激活-恢復”的階段特征。在“化肥農藥雙減”政策背景下，選擇低毒、高效、無殘留的環境友好型藥劑是化學消毒的必然趨勢，研究其對微生物菌群的抑制作用及對微生態環境的恢復情況，特別是長期使用情況下藥劑處理與土壤微生物菌群互作將有利于土傳病害的有效控制和可持續生產。

采用微生物制劑或生物熏蒸等方法來防治植物病害越來越受到關注。生物熏蒸是指利用植物有機質分解過程中釋放出的揮發性物質抑制或殺死病蟲和雜草的一種消毒方法[59]。這類植物通常含有一種或多種硫代葡萄糖苷，硫代葡萄糖苷及其分解產物具有抗菌、抑病、殺蟲功效[60]。目前，生物熏蒸材料研究最為深入的是十字花科、菊科植物，生物熏蒸消毒具有綠色、安全、環保及成本低等特點，但由于植物類熏蒸材料的種植周期較長，種類繁多，防治效果也各有不同，因此生物熏蒸技術目前還未能普及。

綜上，深入研究不同作物連作后的病原菌種類，選取合適的消毒方法及裝備是基質消毒處理的關鍵。已有研究者嘗試幾種消毒方式相結合進行基質消毒來提高消毒效果。如化學藥劑處理結合使用生物藥劑、太陽能消毒、生物熏蒸等措施或物理消毒結合生物熏蒸等，都取得了不錯的滅菌效果[61-63]。

1.2.2 基質理化性質修復技術 基質的電導率反映了其本身帶有的可溶性鹽分的多少，直接影響到營養液和基質的離子平衡，一般認為基質中的可溶鹽分質量分數最好不超過500 mg·kg-1[4]。對于基質中積累的大量鹽分可利用清水反復多次沖洗，通常離子交換量較低的基質洗鹽的效果會更好。

研究表明，秸稈還田可減小土壤容重，改善土壤通透性，有效改善土壤理化結構，提高土壤有機質及礦質養分含量和微生物多樣性[64-66]。向有機基質中添加適量的腐熟小麥秸稈亦可對連作基質的理化性質有很好的修復作用。宋為交等[67]研究發現，向連作3茬的有機基質中加入腐熟秸稈，可降低基質的容重，提高總孔隙度和有機質含量，有效改善基質理化性質，提高黃瓜產量。

通過復配來改變基質的理化性質是最常用的方式。栽培基質的固、液、氣三相比例是影響作物根系生長發育的重要因素，容重和孔隙度是衡量其比例是否恰當的簡單指標，顆粒度大小不同的基質復配則可以改變這些指標，使基質的吸水性、保水性、保肥性和透氣性保持平衡。馮翠等[7]采用復配方式向栽培3～5茬奶白菜之后的基質中加入菇渣、有機肥、復合肥，不但可改善基質的理化性質，使基質的容重、總孔隙度、pH值及全氮、全磷、全鉀、有機質含量均在適宜范圍內，還可以改善原有基質的營養成分，有利于后茬蔬菜的生長。而根據不同基質的理化性質，及其多元混合時體積的收縮、容重、孔隙度、吸水性等物理性質的變化規律，遴選合適的復配基質和用量是基質理化性質重構的技術關鍵。

1.2.3 基質生物學性狀修復技術 通過調控連作土壤的微生物群落結構及酶活性來改善作物根際微環境也是避免連作障礙的重要生物防治手段之一[68-69]。最常見的做法就是向基質中直接添加有益微生物菌劑或酶制劑來改善作物根際微環境，實現基質、微生物與作物之間的穩定與平衡，從而促進作物生長。

基質的酶活性與基質生物學性狀、理化性質密切相關[42]。馬彥霞等[44]研究發現，蔗糖酶、多酚氧化酶和纖維素酶活性與基質的理化性質相關性較顯著，是影響基質pH值、EC值和物理性質的重要因素。張麗娟等[70]通過在已重復利用二茬的草炭基質中添加纖維素酶制劑，可有效改善基質持水透氣性，促進基質中細菌、真菌、放線菌等微生物的積累和繁殖，增強有益酶活性，促進西瓜的生長和產量的提高。

趙佳等[71]通過對二茬基質進行微生物菌劑發酵處理，可提高植株根際細菌多樣性并降低真菌多樣性，從而有效殺滅病原菌，降低后茬種植的病害率，提高作物產量。陳子彪等[72]研究發現，栽培西瓜基質中添加3種不同種類的微生物菌劑，均可顯著提高基質中脲酶、堿性磷酸酶、硝酸還原酶活性，從而促進氮和磷的吸收和轉化，但過氧化氫酶活性出現了明顯下降，該結果與張立恒等[73]在連作葡萄土壤中使用3種微生物菌劑均降低過氧化氫酶活性的研究結果一致，但與李國等[74]在連作棉花土壤中使用微生物菌劑提高過氧化氫酶活性的研究結果不同，而差異的原因尚待研究。趙丹[75]研究發現，與單一微生物菌劑相比，施用復合微生物菌劑更有利于黃瓜生長和品質提高。

微生物菌劑不但可以改善土壤或基質的理化性質、維持根際微生物群落動態平衡、促進養分循環，而且在促進植物生長發育、增加產量、改善品質及提高抗逆性、誘導抗病性等方面的作用正逐漸被關注[76-78]。張文澤[79]研究發現，在連作基質中接種叢枝菌根真菌可提高根系內源生長激素（IAA）水平，從而提高根系活力并促進番茄生長。微生物菌劑的種類比較多，按照微生物種類或者功能特征，可分為固氮菌菌劑、光合細菌菌劑、促生菌劑、細菌菌劑、真菌菌劑、放線菌菌劑等[75]，而接種菌劑的種類、數量及時間及其在不同作物上的效果等應該是微生物菌劑使用過程中考慮的因素。

1.2.4 改善耕作模式 輪作被認為是一種改善基質栽培效果的有效方式，通過與不同科或屬的作物合理輪作，利用相互之間的化感作用和生物多樣性原理，能增加土壤微生物群落的多樣性和穩定性，改善土壤生態環境，避免土壤養分偏耗，有效控制土傳病害的發生[26，32]。柳輝林等[80]研究發現，烤煙育苗舊基質對烤煙種子的萌發、根長、芽長及幼苗鮮干質量的抑制作用大于油菜種子，經滅活處理后可用于油菜幼苗培育。李威等[21，32]研究發現，對于連作基質，在大棚冬閑季節輪作不同種類葉菜不但可改善基質的微生物種群結構和提高酶活性，還可平衡連作番茄的基質養分，防止鹽分積累和毒害，提高其養分利用率，促進番茄生長，提高產量和品質，提高復種指數和經濟效益。

因此，不論是對土壤或基質，輪作都不失為一種良好的緩解或消除連作障礙的方式。而研究和篩選適宜的輪作作物，是基質栽培可持續生產的關鍵；同時也可以考慮間作、套種以及選育耐受連作能力較強作物品種的可能性，特別是經濟價值較高的藥用植物，但目前還沒有基質栽培研究支持此結論。

1.2.5 其他 已有部分研究者試探利用某些物質自身的優良特性來克服基質栽培連作障礙。鄒春嬌等[81]利用生物炭表面的多孔隙、可吸附等特性來處理連作11茬黃瓜的基質，結果表明生物炭可改善基質的微生物群落結構和增加其數量以及提高過氧化物酶、中性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等幾種主要酶活性；呂劍等[82]利用硅能促進作物光合作用及可緩解環境脅迫的機制，發現合理濃度的外源硅（Na2SiO3·9H2O）根施可緩解已連作8茬黃瓜的栽培基質連作障礙。

基質重復利用過程中連作障礙的發生也是由量變到質變的一個過程，在基質連作栽培的不同階段，影響其栽培效果的關鍵因子也有所不同；基質的理化性質與生物學性狀密切相關，而對基質的各種修復措施也不是孤立的，而是相互促進的。因此探明作物連作障礙機制及關鍵因子，能夠在基質栽培的不同階段找到修復重點，并選取恰當的修復措施是基質高效重復利用的重要手段。

2 廢棄基質再處理及循環利用

2.1 廢棄基質循環利用的價值與必要性

在生產實踐中無土栽培基質經過3～5年種植之后，常因連作障礙導致生產效益下降或受制于基質理化性質修復技術及處理成本高等因素而被棄置不用。然而從資源節約和成本方面來看，已有研究發現廢棄基質的性狀雖不利于植株生長，但仍含有一定的養分，特別是生態有機型無土栽培廢棄基質含有豐富的有機質，部分理化指標可能還優于土壤，具有再利用價值[83-84]。從環境保護方面看，有機基質栽培雖然將農林廢棄物“變廢為寶”，為其高效、穩定、低成本再利用提供了新途徑，但廢棄基質長期大量堆置會對土壤和地下水造成污染，不能真正實現資源的循環利用[85]。因此，如何針對性地對廢棄基質進行無害化處理，使其有效成分再利用，不僅可減少環境污染，還可實現基質的循環利用，是無土栽培亟待解決的問題。

2.2 廢棄基質的循環利用方式及效果

2.2.1 廢棄基質直接利用 張柏楊等[84]研究發現，連續栽培6年的蔬菜廢棄基質與土壤相比除了略顯酸性外，基質的透氣持水性、EC值、養分指標等全面優于土壤；將其還施露地種植辣椒，可改善土壤的理化性質，有利于穩定土壤pH值、降低土壤容重、略微增加土壤孔隙度、保持土壤氣水比，促進辣椒植株的生長且利于其干物質積累。謝克光等[86]在藥材“短梗五加”苗床育苗時，在床面直接覆蓋菇類廢棄基質，不僅可以保持土壤水分，給苗木補充養分，還可減少草害、提高產苗量、降低育苗投入成本。王勤禮等[87]研究發現，與單施化肥相比，有機廢棄基質作為底肥還田對土壤的化學性狀如堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、EC值、pH值和玉米的生長發育及產量無顯著影響，但在一定程度上可增加土壤有機質含量，減少化肥施用量，從而節約成本，提高經濟效益。因此，廢棄基質直接還田不失為一種簡單有效的利用方式。但是由于未經處理的廢棄基質中含有一定的有害物質、病菌等，必須注意同科連作毒害現象、還田施用量及其累積效應。

2.2.2 廢棄基質無害化處理后再利用 從理論上講，前文所述的基質消毒滅菌技術如物理法或化學法等都應適用于廢棄基質的無害化處理。Vandecasteele等[88]采用蒸汽處理廢棄基質可有效殺滅病原菌和雜草種子，且對基質的理化特性、微生物數量和多樣性影響不大，只需額外補充氮源，可滿足溫室或露天栽培菊花磷和鉀的需求；王曰鑫等[83]分別采用蒸汽處理或加入殺菌劑等方式將廢棄基質制成土壤調理劑都可不同程度地起到改良土壤理化性能、促進作物生長及增產增收作用。實踐中采用厭氧或好氧發酵等生物發酵法處理廢棄基質是最常用的手段，不僅使處理后的廢棄物質地松軟、無病蟲害殘留，還可獲得富含有效營養成分和穩定腐殖質的產品[89-91]。廢棄基質在堆肥發酵的過程中理化性質的變化常受微生物菌劑種類、原料性質和發酵工藝條件的影響，經過處理后的基質理化性質可能需要進行改善，如EC值過高可通過淋洗來解決，酸、堿失衡或營養成分缺失等可通過復配來解決[92]。中科合肥智慧農業協同創新研究院通過先暴曬廢棄草莓基質，后與有機肥混配并在堆肥不同階段接種不同菌種來實現基質的多茬循環利用，使處理后的廢棄基質更有利于草莓生長，可提高草莓果實的可溶性總糖、硒含量及抗病蟲害能力[89]。因此，將廢棄基質經過輻照、晾曬、蒸汽消毒、堆肥發酵或加入殺菌劑等方式進行無害化處理后，再作為主要原料或配以其他物質制成土壤調理劑、有機肥料或者新的栽培基質使用是一種安全有效的利用方式，而在處理方式的選擇上應考量處理成本、可操作性、實用性等因素。

2.2.3 廢棄基質分類循環利用 栽培基質的原料來源不一，經過多茬使用后的性狀不一，將廢棄的栽培基質按照一定的標準進行分類回收利用是一種實現基質可持續利用的利益最大化方案。中國農業科學院蔬菜花卉研究所基于廢棄基質不同有機、無機成分含量和物理性狀如通氣空隙、持水孔隙等，對其進行了分類，分別用于制備不同用途土壤改良劑或作為沼氣生產原料，來實現廢棄基質的充分回收、綜合利用，該方法可適用于所有無土栽培基質的分類循環利用[93]，但具體的應用效果尚待考證，而關于分類標準指標有待進一步研究。

3 存在問題及展望

3.1 存在問題

3.1.1 基質產品市場質量良莠不齊，亟待標準化 我國基質產業起步晚，制作工藝粗放，特別是有機基質的生產原料主要來源于農林有機廢棄物，種類繁多，給有機基質的標準化生產帶來阻礙，目前尚未形成規范的基質生產工藝流程，基質難以大規模生產利用。隨著基質產業的發展，基質的標準化建設雖然也取得了一定的成績，先后有各省份制定的地方栽培基質標準或基質栽培規程，但檢測指標和檢測方法不一，除《綠化有機基質》（GB/T 33891—2017）、《蔬菜育苗基質》（NY/T 2118—2012）外，基質產品缺乏行業或國家檢驗標準，質量差異明顯，缺乏穩定性[94]。

3.1.2 基質栽培管理水平有待進一步提高 （1）無土栽培技術相對復雜，設施裝備投入較多，不同的基質栽培模式如槽式栽培、袋式栽培和桶式栽培等，其管理方式和投入產出會不同[95]，用戶在選擇時更多傾向于成本考慮，而缺乏相應的數據參考和專業指導。

（2）無土栽培對管理技術要求高，特別是水肥管理不當極易出現生理性障礙。實踐中，基質栽培管理大多還屬于粗放型管理，存在一定經驗性和盲目性，盡管大量的滴灌技術已應用于基質栽培中，水肥一體化施用在實際應用中并不普遍，出現水與肥各自施用、肥料利用率降低、水資源浪費等現象。基質的生產和使用脫節，用戶缺乏特定作物品種水肥管理技術和配套環境管理方法，尚不能實現水分和養分的精準管理。

（3）在基質栽培過程中，提高基質重復利用效率的各種手段和方法尚不能有效系統地應用，比如在基質消毒方面更傾向于翻曬、水洗或廣譜殺菌劑消毒。

（4）我國無土栽培技術起步晚，自動化、智能化水平較低，智能化節水灌溉系統和智能化溫室控制系統等投入成本大，且在使用過程中對操作管理要求高，應用不夠普及[96]。

3.1.3 基質栽培技術研究有待系統全面化 目前，人們對于基質的研究主要集中于原料和配方的篩選及使用效果上，一方面關于基質對水分和養分吸附、保持、釋放性能，基質結構的穩定性，微生態環境變化，基質與作物間的養分輸送過程，配套的水肥管理技術缺乏全面深入的研究；另一方面對于已使用過的基質能否再用，是否廢棄，缺乏統一的評價標準和成熟分類循環利用方法。

3.2 展望

3.2.1 基質開發方向——標準化、專用化、功能化 實現基質高效重復利用，保證基質的質量是根本。隨著人們環保意識的增強及各國政府環保政策頒布，促使無土栽培逐步向環保型、經濟型、技術型的方向轉變，如何開發一種性能穩定、原料來源廣泛、價格低、對環境無污染和便于規模化生產的基質是基質栽培的關鍵[97-98]。

（1）提高基質產品的質量穩定性和可靠性，基質標準化生產體系的建設與完善是前提和基礎。針對有機基質種類復雜的問題，可按照基質的用途劃分不同產品類型，并制定相應的生產工藝流程體系和質量控制標準，生產不同檔次、不同用途的栽培基質。

（2）研發專用型、功能化栽培基質。在基質生產中，可根據不同的栽培作物類型研發通用型、專用型基質；在專用基質基礎上，通過添加特定成分達到保水、抗病、防蟲等特殊要求，實現基質生產的多樣化、功能化需求。

（3）選料本土化。在原料選取上，要因地制宜，就地取材，充分利用本地農林資源生產出本土化的產品，從而降低生產成本。

3.2.2 基質栽培管理標準化、專業化、自動化 （1）基質的研發生產應與實際應用相結合，可根據不同作物的需肥規律和需肥特征，制定一體化的水肥管理模式，實現以肥調水、以水促肥，全面提高作物的水肥利用效率；積極開展設施農業專業基質和配套使用技術研究和推廣，同時給予用戶必要的田間管理技術指導，提高基質栽培管理技術水平，這是基質高效重復利用的保障。

（2）智能化溫室可根據不同作物的生長發育需求適時進行溫度、濕度、光照、水分、肥料、CO2濃度等因素的自動調節與控制，可達到節約資源、高效生產的目的。無土栽培是智能化溫室的主要栽培方式之一，應持續開展相關配套設備設施和控制系統研發，提高無土栽培自動化水平，實現無土栽培操作的簡單化、智能化。

3.2.3 實現基質高效利用，基質的分類循環利用是歸途 可根據基質重復利用后的性能變化和利用的實際效果確定廢棄基質的評價項目和標準，并構建其分類使用方法。根據該評價方法，可將多次使用的基質分為可再利用基質及廢棄基質，對可再利用基質通過消毒、理化重構、水洗、生物修復等方式實現基質再利用；對廢棄基質可直接還田或作為有機肥、土壤調理劑、沼氣工程原料，從而從真正意義上實現農業剩余物的循環利用（圖1）。

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