劉建華,肖光輝,李青峰
(1.湖南省農業(yè)信息與工程研究所,湖南 長沙 410125;2.湖南省西瓜甜瓜研究所,湖南 長沙 410125;3.湖南省核農學與航天育種研究所,湖南 長沙 410125)
有機生態(tài)型無土栽培是一種不使用營養(yǎng)液灌溉,用有機固態(tài)肥作為植物營養(yǎng)的主要來源,并直接用清水灌溉植物根系的簡易基質栽培技術。是我國自主研制開發(fā)的一項低成本、高效益,而且具有顯著經濟、社會和生態(tài)效益的實用無土栽培技術。該技術不僅適合我國國情,符合有機農業(yè)和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標,而且是實現(xiàn)設施農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種有效途徑,將是我國設施農業(yè)特別是設施蔬菜發(fā)展的主要方向。
我國的無土栽培雖然歷史悠久,但發(fā)展緩慢,比荷蘭、日本、英國、美國等發(fā)達國家落后很多。盡管通過引進和消化國外各種無土栽培系統(tǒng),在1990年以前基本形成了華南熱帶地區(qū)以深液流水(DFT)栽培為主、東南沿海地區(qū)以薄層營養(yǎng)液膜法(NFT)栽培為主、北方地區(qū)以基質栽培為主的無土栽培發(fā)展模式,但這些傳統(tǒng)的無土栽培都是采用營養(yǎng)液灌溉作物根系。營養(yǎng)液的配制和管理一般生產者難以掌握,需要受過專門訓練的技術人員進行操作,所以傳統(tǒng)的無土栽培并不適合我國的生產發(fā)展水平,這限制了無土栽培技術在我國的進一步發(fā)展。因此,迫切需要研究一種簡單易行的基質栽培技術,加速我國無土栽培的應用與推廣。1989年,中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所開始了以尋找能替代營養(yǎng)液的肥水供應方式為核心的有機生態(tài)型無土栽培技術研究。結果表明,消毒雞糞作為一種緩效有機肥施入栽培基質后,其養(yǎng)分含量充分,基本能夠滿足作物生長的要求,肥效與營養(yǎng)液相當。研究所通過不斷完善配套技術,成功地研制開發(fā)出了以高溫消毒雞糞為主要營養(yǎng)來源,適當添加無機肥料的配方施肥來代替基質栽培中營養(yǎng)液的有機生態(tài)型無土栽培技術[1]。
有機生態(tài)型無土栽培的研制開發(fā)與推廣應用,直接推動了我國無土栽培的快速發(fā)展。我國無土栽培面積1985年僅0.1 hm2,2005年發(fā)展到1 200 hm2以上。到2005年底,全國有機生態(tài)型無土栽培面積已達750 hm2,占我國無土栽培總面積的60%以上[2]。
有機生態(tài)型無土栽培作為一種新型農業(yè)栽培技術,除具有一般無土栽培的優(yōu)點外,還具有其獨特的優(yōu)勢。
在傳統(tǒng)無土栽培中植物所需的營養(yǎng)來源于營養(yǎng)液,而有機生態(tài)型無土栽培植物所需的營養(yǎng)主要來自于施入基質中的固態(tài)有機肥,該技術通過定期追施固態(tài)肥料和灌溉清水進行肥水供應,突破了無土栽培必須使用化學營養(yǎng)液的傳統(tǒng)模式[3]。有機生態(tài)型無土栽培使用的基質是構成植物營養(yǎng)的基礎。用工農業(yè)有機廢棄物配成的栽培固體基質不僅是植物生長發(fā)育重要的營養(yǎng)來源,而且還能夠調節(jié)植物養(yǎng)分的均衡供應。因此,配制適合植物生長發(fā)育的有機基質是有機生態(tài)型無土栽培的關鍵。
自1990年以來我國設施蔬菜栽培發(fā)展非???,山東壽光等地區(qū)的蔬菜設施栽培已成為農村經濟發(fā)展的支柱產業(yè)。但設施蔬菜栽培的復種指數(shù)高,病蟲害發(fā)生嚴重,化肥與農藥的使用量大,容易導致土壤次生鹽漬化、土傳病害等連作障礙的發(fā)生。設施蔬菜栽培一般在種植3~4 a后出現(xiàn)不同程度的減產、品質下降和效益下滑等現(xiàn)象。無土栽培則切斷了土傳病蟲原的傳播渠道,有效克服了設施栽培中的連作障礙問題,而且基質的消毒也比土壤消毒更經濟、方便。所以,有機生態(tài)型無土栽培能有效避免土壤連作障礙和土傳性病害的蔓延,是克服蔬菜設施栽培連作障礙最有效、最經濟的辦法[1]。
傳統(tǒng)的營養(yǎng)液無土栽培生產成本高、操作難度大,難以推廣。因為營養(yǎng)液無土栽培需要成套的設備,營養(yǎng)液的配制、管理和能源費用很高;配制營養(yǎng)液所用的專用化學肥料的成本比普通農用化肥高很多;營養(yǎng)液無土栽培的水分和養(yǎng)分的利用率比土壤栽培的還低[4];同時營養(yǎng)液的配制、調節(jié)和使用需要專門的技術人員進行操作。有機生態(tài)型無土栽培則采用工農業(yè)有機廢棄物經發(fā)酵腐熟漚制而成,植物所需的營養(yǎng)以各種有機肥或無機肥的固體形態(tài)混施入基質中,在栽培過程中可分次將固態(tài)肥料直接追施于基質內或以無機化肥的形式通過滴灌進行補充。有機基質中微量元素豐富,各種營養(yǎng)元素齊全,管理上與土壤栽培基本一樣,一般只要考慮氮、磷、鉀3要素的供應總量及平衡,所以大大地簡化了無土栽培的操作管理過程[2]。統(tǒng)計表明,有機生態(tài)型無土栽培與最簡單的營養(yǎng)液基質槽式栽培相比,一次性投資低45.5%,基質成本低60%,肥料成本低53.3%[3]。
傳統(tǒng)的營養(yǎng)液無土栽培以多種專用化學無機鹽配成的營養(yǎng)液提供植物營養(yǎng),其中硝態(tài)氮占施氮總量的90%以上,常導致生產的蔬菜產品器官中硝酸鹽含量過高,不符合綠色食品的生產標準[5]。有機生態(tài)型無土栽培從栽培基質的配制到肥料的施用都以有機物質為主,把屬于純無機農業(yè)的無土栽培引入有機農業(yè)中,實現(xiàn)了無土栽培與有機農業(yè)的有機結合。有機基質與有機肥料經過發(fā)酵處理,在分解釋放養(yǎng)分的過程中,不會出現(xiàn)有害物質與無機鹽危害,產品潔凈衛(wèi)生、品質好。
營養(yǎng)液無土栽培所用的營養(yǎng)液經過一段時間的循環(huán)使用后,其濃度、pH值等都會發(fā)生變化,從而造成某些營養(yǎng)元素的無效,需要對營養(yǎng)液進行一次更新,所以在栽培過程中一般有20%左右的營養(yǎng)液排出系統(tǒng)外。在排出的廢液中所含氮、磷量,特別是硝態(tài)氮等鹽濃度很高。例如,在巖棉栽培系統(tǒng)的排出液中,硝酸鹽的濃度高達212 mg/L,而且更新下來的舊巖棉塊不可降解,很容易對環(huán)境造成污染[6]。有機生態(tài)型無土栽培則用清水進行滴灌,其灌水量一般低于有機基質的飽和含水量,只要栽培管理措施得當,很少有廢液排出系統(tǒng)外。即使有少量廢液排出,其硝酸鹽的濃度也只有l(wèi)~4 mg/L,對環(huán)境無污染[1]。有機基質經過5 a左右的栽培利用后也需更新,更新?lián)Q下的基質可作為有機肥料施于土壤中供大田作物利用,不僅不會產生環(huán)境污染,而且是一種很好的進行土壤改良的有機肥。
有材料統(tǒng)計顯示,蔬菜有機生態(tài)型日光溫室無土栽培與土壤栽培相比,不僅可增產35%以上,而且還能節(jié)省肥料70%以上,降低肥料成本50%~60%,節(jié)水50%~70%。所以有機生態(tài)型無土栽培的推廣面積現(xiàn)在超過了全國無土栽培總面積的60%,而且95%以上的應用者都為個體菜農。栽培蔬菜的平均年產量達16 000 kg/667m2以上,比普通土壤增產150%[3],其中黃瓜產量高達25 346 kg/667m2以上[7]。
由于適應各地的蔬菜反季節(jié)有機生態(tài)型栽培技術已基本成熟,設施蔬菜栽培的產量和質量均有大幅度提高,取得了良好的社會效益和經濟效益。例如:胡永德[8]在華中地區(qū)采用有機生態(tài)型無土栽培技術生產水果型小黃瓜,一般單季產量5 000~6 000 kg/667m2,一年2茬,總產量10 000 kg/667m2以上,年產值可達3萬元以上。甘肅省清水縣蔬菜采用日光溫室有機生態(tài)型無土栽培,2009年~2010年一個生產周期的蔬菜平均產量達到5 800 kg/667m2,平均收入達到1.28萬元/667m2,較普通溫室栽培平均增收2 500元/667m2以上,增長25%[9]。張東昱等[10]開展了黃瓜間作辣椒有機生態(tài)型立體栽培技術研究,黃瓜和辣椒產量分別達 5 326 kg/667m2、4 568 kg/667m2,產值分別為 7 989元/667m2、11 420元/667m2。全年投入成本為5 800元/667m2,凈增產值為13 609元/667m2。
我國目前有機生態(tài)型無土栽培的主要栽培形式有:槽式栽培、袋式栽培、立體垂直栽培等,但生產上普遍采用槽式栽培。生產上比較有代表性的槽式栽培形式有兩種。一種是蔣衛(wèi)杰等[11]研究報道的地上栽培槽。該栽培槽的內徑0.48m,高0.2m,長度根據(jù)不同的栽培設施而異,一般由4層磚平地砌成,槽底鋪一層0.1mm厚的塑料薄膜與土壤隔離,先在槽中填5 cm厚的粗爐渣或石礫以利于排水,再鋪一層廢舊編織袋作襯墊,最后裝填栽培基質15 cm。另一種是簡易栽培土槽,其在水平的地面挖成,上口寬35~40 cm,下口寬25 cm,深度25 cm。栽培時先在槽內鋪一層塑料薄膜與周圍土壤隔離,然后將有機基質填入栽培槽,這種栽培槽節(jié)省基質、成本低,只需要基質30 m3/667m2左右,而且蔬菜的生長量和產量與其他基質槽栽培形式無顯著差異。
有機生態(tài)型無土栽培原來種植的主要是瓜果類蔬菜,現(xiàn)在大多數(shù)蔬菜和一些特種蔬菜等都有栽培。主要包括:茄果類蔬菜番茄、辣椒、茄子,瓜類蔬菜黃瓜、小果型西瓜、厚皮甜瓜、西葫蘆、南瓜、瓠瓜、冬瓜、苦瓜,其他蔬菜如蕓豆、青花菜、空心菜、生菜、菠菜、萵苣、芹菜、韭菜、大蒜等,以及特種蔬菜如烏塌菜、紫背天葵、豆瓣菜、馬齒莧等。
有機基質一般采用當?shù)貎r格低廉的農作物秸稈及加工下腳料如玉米秸稈、花生殼、食用菌渣、甘蔗渣、酒糟、蘆葦末、中藥渣等工農業(yè)有機廢棄物和畜禽糞便等為主要原料發(fā)酵腐熟而成。為了改善有機基質的物理性能,可以加入一定量的無機基質如河沙、爐渣、蛭石、珍珠巖等進行混配?;炫浔壤筛鶕?jù)當?shù)鼗|材料的成本和來源靈活掌握,原則是基質中無機物最多不要超過60%,否則其保水保肥性能下降。有機物與無機物的體積之比最大可達8∶2。有機基質混配后其有機質含量應在40%~50%以上,C/N=30左右,總養(yǎng)分含量為 3~5 kg/m3左右,pH值為 5.8~6.4,容重為 0.30~0.64 g/cm3,總孔隙度大于85%。
經過多年的試驗研究與生產實踐,利用各地豐富的工農業(yè)有機廢棄物資源,人們篩選出了多種適合各地蔬菜栽培的基質配方,減少了泥炭的使用量,取得了明顯的生態(tài)效益和經濟效益。
3.3.1 番茄栽培基質配方 麥秸∶爐渣=7∶3、棉籽殼∶爐渣=5∶5、麥秸∶鋸末∶爐渣=5∶3∶2、玉米秸∶菇渣∶爐渣=3∶4∶3、或玉米秸∶鋸末∶菇渣∶爐渣=4∶2∶1∶3,1m3基質加入 10 kg 消毒雞糞、l kg 復合肥[12];菇渣∶河沙∶珍珠巖=4.5∶4.5∶1.0,1m3基質加入 20 kg 消毒的商品豬糞、5 kg有機無土栽培專用肥及適量微量元素[13]。
3.3.2 茄子栽培基質配方 菇渣∶玉米芯∶爐渣=3∶3∶4,1m3基質加入 10~15 kg復合有機肥、10 kg有機生態(tài)型無土栽培專用肥、3 kg過磷酸鈣[14]。
3.3.3 辣椒栽培基質配方 玉米秸稈∶泥炭土∶豬糞=1∶1∶1,1 m3基質加入 3 kg 有機生態(tài)型專用肥、1 kg尿素、1 kg餅肥、3 kg膨化雞糞、1 kg過磷酸鈣[15];木薯皮∶甘蔗渣∶廢菇渣∶爐渣=l∶2∶2∶1,1m3基質加入20 kg優(yōu)質干雞糞或鵪糞、0.5 kg磷酸二銨[16];(秸稈∶牛糞=6∶4)∶菇渣∶爐渣=5∶2.5∶2.5[17]。
3.3.4 黃瓜栽培基質配方 菇渣∶草炭∶珍珠巖=1∶1∶1,1 m3基質加入 3 kg有機生態(tài)型專用肥、1 kg尿素、1 kg餅肥、3 kg膨化雞糞、1 kg過磷酸鈣[7];菇渣∶稻谷殼∶草炭∶鋸末(非松木)=2∶2∶l∶1,1m3基質加入10 kg膨化雞糞、1.5 kg硫酸鉀、1.5 kg腐熟菜枯粕[8];菇渣∶珍珠巖=2~3∶1 或草炭∶珍珠巖=2~3∶1,每1m3基質加入消毒雞糞10 kg[6]。
3.3.5 甜瓜栽培基質配方 蘑菇渣∶秸稈∶河砂∶爐渣=4∶2∶1∶0.25、蘑菇渣∶河砂∶爐渣=4∶1∶0.25、或草炭∶蛭石∶珍珠巖=1∶1∶1,1m3基質加入 10~20 kg 有機肥,1~2 kg復合肥、0.5 kg過磷酸鈣、0.5 kg磷酸二氫鉀[18];菇渣∶豬糞(或牛糞)∶礱糠灰∶煤渣=5∶2∶2∶1[19]。
3.3.6 空心菜等葉菜類基質配方 菇渣∶爐渣=1∶1~1.5,1 m3基質加入10 kg消毒膨化雞糞、2 kg三元復合肥等[20]。
隨著有機生態(tài)型無土栽培的迅速發(fā)展,對栽培基質的需求量越來越大,迫切需要栽培基質的產業(yè)化生產。但基質的質量評價與生產規(guī)程缺乏統(tǒng)一的標準,由于有機廢棄物材料的不同或同類材料產地或時間的不同,在利用這些有機廢棄物合成栽培基質時都會導致合成基質的質量不穩(wěn)定,造成各批量之間基質質量存在較大差異。這就給基質的工廠化生產帶來了一定困難,也增加了栽培過程的盲目性與難度。
由于受外界環(huán)境、作物本身的吸收與根系的分泌、灌水及施肥等的影響,有機基質在栽培完一茬蔬菜后,其理化性狀發(fā)生變化,如基質的有效營養(yǎng)成分減少,pH值發(fā)生變化、EC值升高等;基質在使用過程中特別是在連作情況下常會聚積病菌和蟲卵,從而導致栽培基質的質量下降。因此,基質在重復利用前要添加適當新的基質成分和補充肥料,以改善基質的理化性狀,同時還要對基質進行消毒,太陽能消毒是目前應用廣泛而且效果良好的基質消毒方式。
雖然已從普通栽培品種中篩選出了一些比較適合有機生態(tài)型無土栽培的品種,例如,杜中平[21]篩選出了“北京402”作為溫室有機生態(tài)型無土栽培的黃瓜品種;許耀照等[22]篩選出了“酒椒3號”作為有機生態(tài)型無土栽培的辣椒品種;莫云彬等[3]篩選出了“金小鈴”作為有機生態(tài)型無土栽培的櫻桃番茄品種。但到目前為止,我國還沒有用于設施有機生態(tài)型無土栽培的蔬菜專用品種。由于有機生態(tài)型無土栽培和設施栽培的特殊性,迫切需要選育出適用于有機生態(tài)型無土栽培的耐低溫、耐弱光、耐鹽堿性強、抗根部病害,且高產、優(yōu)質的專用蔬菜品種。
盡管有機生態(tài)型無土栽培的產量高、品質好,投資比營養(yǎng)液無土栽培少,但其生產成本仍比露土栽培高。而目前我國市場體系不夠健全,監(jiān)測手段滯后,一般市場并不能體現(xiàn)產品的優(yōu)質優(yōu)價,蔬菜有機生態(tài)型無土栽培地區(qū)間的經濟效益差異大。例如,在南方沿海地區(qū)、旅游業(yè)發(fā)達的地區(qū)、經濟條件好的大城市及各大油田和工礦區(qū)附近,有機生態(tài)型無土栽培的經濟效益較好;而在一些經濟相對不發(fā)達的落后地區(qū)則經濟效益較差,影響了農民發(fā)展有機生態(tài)型無土栽培的積極性。因此,要建立健全的蔬菜有機生態(tài)型無土栽培市場體系,以提高蔬菜有機生態(tài)型無土栽培的經濟效益。
雖然我國有機生態(tài)型無土栽培的面積已占無土栽培總面積的60%以上[2-3],但其比例還不到我國設施栽培面積的4‰[23-24],而荷蘭等發(fā)達國家無土栽培面積則占設施面積的90%以上,日本無土栽培面積也達設施面積的20%。我國人均耕地面積只有世界平均的1/3,有很多沙荒地、鹽堿地及大量的廢棄礦區(qū)和荒灘無法利用,采用有機生態(tài)型無土栽培技術可以利用這些傳統(tǒng)農業(yè)無法耕作的地區(qū)進行蔬菜生產,不僅可以緩解糧菜爭地的矛盾,而且可為農民提供一條脫貧致富的途徑。我國人均水資源只有世界人均水資源的1/4,有機生態(tài)型無土栽培與一般土壤栽培相比可節(jié)水50%~70%[3],而且還可以大大減少化肥、農藥的使用。
隨著現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展、種植業(yè)結構的調整和我國設施農業(yè)的進一步發(fā)展,蔬菜、花卉等高附加值農產品的規(guī)模化、工廠化生產步伐正在加快,蔬菜有機生態(tài)型無土栽培的發(fā)展前景也越來越廣闊,它將利用有機固體廢棄物合成環(huán)保型有機栽培基質,對基質的原料來源進行篩選與分類,對發(fā)酵過程進行標準化控制,使生產出的基質具有質量穩(wěn)定性并形成產業(yè)化,實現(xiàn)自然資源的循環(huán)利用與農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
隨著設施水平的不斷改進與提高,現(xiàn)代化控制儀器儀表和計算機自動控制技術在無土栽培中的應用與普及,并根據(jù)我國目前設施蔬菜的發(fā)展水平和城鄉(xiāng)居民生活方式多樣化的需要,有機生態(tài)型無土栽培的發(fā)展趨勢將朝著規(guī)模化、集約化、自動化、工廠化和小型化、家庭化的方向發(fā)展,并將出現(xiàn)高度設施化和簡易栽培并存的局面。另一方面,隨著有機生態(tài)型無土栽培基質工廠化生產和商品化的實現(xiàn),蔬菜有機生態(tài)型無土栽培技術在家庭中的使用也將日益受到人們的重視,將有越來越多的居民采用有機生態(tài)型無土栽培技術在陽臺、屋頂?shù)瓤臻e地種植蔬菜。
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