王一帆，鄒榮松，孫向陽，李素艷，張華新

（1.北京林業(yè)大學 林學院，北京 100083；2.中國林業(yè)科學研究院 國家林業(yè)和草原局鹽堿地研究中心，北京 100091；3.中國林業(yè)科學研究院 黃河三角洲綜合試驗中心，山東 東營 257000）

基質栽培是指用特制的育苗基質將植物根系或種子固定進行育苗生產的一種無土栽培技術，發(fā)展到今天，栽培基質的工業(yè)化生產已經經歷了配合基質、標準基質和定制基質階段，并在21世紀初，在定制基質基礎上，通過添加特定成分達到抗病、防蟲、抗旱、抗分解等特殊性的目的要求，即功能基質階段[1-2]。栽培基質的應用向著多元化方向發(fā)展，在基質材料的選擇上，同樣發(fā)生著變化。泥炭是公認的理想栽培基質，但它屬于不可再生資源，大量開采會對環(huán)境造成不可逆的破壞，農林廢棄物作為農林生產中產生的殘留物[3-4]，具有來源廣泛、養(yǎng)分豐富的特點，利用這些物質作為基質原材料，可以解決大量的廢棄物污染問題，其中豐富的養(yǎng)分可以保障植物的正常生長，減少化肥的使用。將農林廢棄物配合黏結劑、保水劑、抗冷劑[5]等添加劑進行成型有機栽培基質的生產，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，改善基質使用效果，為農林廢棄物資源化利用和生態(tài)環(huán)境修復提供新的可能。本研究綜述了高持水性成型有機栽培基質的發(fā)展和應用現(xiàn)狀、基質的水分調制以及對土壤的改良情況，在此基礎上提出其存在的問題及未來的發(fā)展方向，以期為今后栽培基質的發(fā)展提供借鑒。

1 成型有機栽培基質的研制

1.1 有機栽培基質

傳統(tǒng)的無土栽培主要依靠營養(yǎng)液為植物提供營養(yǎng)，成本高且操作困難。而有機生態(tài)型無土栽培，可大大簡化基質栽培施肥技術[6]。它是以有機廢棄物經發(fā)酵處理，配以少量泥炭、蛭石、珍珠巖等礦物介質制成的，能滿足作物正常生產、無毒、可再生利用的栽培介質[7]。通過合理的原料配比，有機基質可以達到全營養(yǎng)供應，栽培時直接用清水灌溉，作物易成活，普通生產者也可操作掌握，是基質向著多樣化、無害化、簡單化方向發(fā)展的重大成果。

1.2 成型有機栽培基質

利用壓縮成型機將篩選好的有機基質進行壓縮成型，可生產出利于存放、運輸、持水性優(yōu)良、營養(yǎng)豐富且持久釋放的新型栽培基質塊[8]。相比于傳統(tǒng)育苗，基質塊可以脫離塑料穴盤等栽培容器，無需自行準備苗床土、添加肥料、消毒、裝缽等環(huán)節(jié)，操作更加方便，提高了育苗效率[9]?；|塊可以隨苗木一起移栽到土壤中，在減少苗木根系損傷的同時，有機肥起到了改善土壤肥力狀況的積極作用。

1.3 成型有機栽培基質的壓縮及其影響因素

在基質塊的壓縮過程中，物料種類及含量、黏結劑、含水量、成型壓力等直接影響成型基質產品的質量和性能，針對不同的生產需求，從多方面分析研究，確定最佳生產工藝，在減少壓縮能耗的同時，提高成型產品的質量。

1.3.1 物料種類及含量 現(xiàn)階段可供利用開發(fā)的有機生物質資源包括農作物秸稈、樹木枝丫、畜禽糞便、能源植物、工業(yè)有機廢水、城市生活污水等[10]。各生物質的組成成分不同，基質中各組分含量也存在差異，在沒有黏結劑時，生物質的擠壓成型主要依靠木質素，原料中木質素的含量直接影響成型基質塊的物理性狀和壓縮過程中的能耗多少[11-12]。

1.3.2 黏結劑 黏結劑是將物料黏結成型的輔料，黏結劑可以明顯提高基質缽的黏結強度，增加顆粒的聚合度，對成型過程中的壓力有一定的補償作用[13]。針對不同的生物質原料采用適合的黏結劑，可以起到事半功倍的效果。使用蒙脫石、高嶺石和磷酸鹽混合制作的壓縮基質缽專用固化劑(專利號CN98119022.7)，具有良好的實踐效果；孫恩惠等[14]以稻殼為原料，添加大豆蛋白基黏合劑可以增強基質成型性能。孫勇等[15]研究發(fā)現(xiàn)：堿處理玉米秸稈漿液可以提高制缽漿液的黏度。

1.3.3 物料含水量 原料含水量過高或過低都會增加基質壓縮成型過程中的能耗比，影響壓縮成型效果，必須嚴格控制。姬愛民等[16]指出含水量過高會導致成型塊不實或者成型較困難，同時自然放干后成型塊易碎。紀敏等[17]研究得出：合適的基質濕度在基質標準化生產中可以提高成型產品的合格率和合格苗率。在控制其他因素不變的情況下，隨著含水量(適宜的范圍)的增加，壓縮過程中的能耗比減少[18-19]。

1.3.4 成型壓力 壓力是基質壓縮成型的基本條件，在一定范圍內，壓力大小跟成型后基質的密度呈線性正相關關系[20-21]。壓力過低，基質不能成型或成型后松散易碎；壓力過高，基質的孔隙度降低，不利于根系生長，且能耗增加，適當?shù)丶哟髩毫梢蕴岣呋|的持水能力。蔣希雁等[22]研究表明：在控制其他因素不變的情況下，壓實度從70%提高到95%時，高羊茅Festuca elata的平均根長從17.2 cm減小到12.9cm，但是根系對基質吸力的影響加大，植被土的持水能力提高。

1.3.5 成型溫度 溫度通過影響物料的塑性和流動性，加速物料粒子的黏合和成型[13]。加熱溫度 75～100 ℃可軟化物料中的木質素，增強黏結性，壓縮效果好[23]。但溫度不應過高，否則會影響到基質的容重和保水率[21]，同時也會增加壓縮過程中的能耗，減少設備的使用壽命。

1.3.6 物料粒徑配比 根據(jù)顆粒填充和變形機制[24]，在物料成型時，大顆粒主要依靠顆粒間的交錯黏結，小顆粒主要依靠分子間的范德華力、靜電力黏結，所以物料的顆粒粒徑分配顯著影響基質成型效果。粒徑小，分子間的吸引力增強，黏結力增大，易于成型[25]；粒徑太大，成型效果差，且易增加機器的能耗和磨損。但粒徑過小，摩擦系數(shù)會較快減少，增加粉碎電耗和成本[26]。

顆粒的粒徑大小和排列方式還影響基質的孔徑分配，田吉林等[27]通過不同顆粒粒徑配比實驗表明：顆粒配比明顯影響基質的物理性質、水分常數(shù)和栽培作物的長勢。

1.3.7 模具的尺寸及形狀 不同的尺寸和形狀會影響成型基質產品的密度和成型過程的能耗。在較大壓力的情況下，減小模具半徑有利于增大壓縮密度[28]。胡建軍[12]以小麥Triticum aestivum秸稈為原料進行秸稈冷態(tài)壓縮成型發(fā)現(xiàn)：在物料含水量、壓縮速度一定時，模具長徑比為5∶2，開口錐度為45°，物料壓縮密度達到最大，而且能耗比適中。

2 高持水性成型有機栽培基質的必要性

淡水資源短缺是制約農林業(yè)生產和發(fā)展的重要因素之一，添加化學保水劑一直是提高土壤保水性的研究熱點。日本研究開發(fā)了聚丙烯酸鹽高吸水樹脂[29-30]；美國、法國、韓國也研制利用高分子材料保水劑進行干旱地區(qū)的土壤改良[31]；目前市場上常見的保水劑有丙烯酰胺-丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物、淀粉接枝丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物[32-33]。添加化學保水劑明顯提高了土壤的持水能力[34]，這些合成的化學物質雖然本身無害，但除了淀粉會自動分解，其余化學物質長期存在于土壤中，會造成環(huán)境的負擔，易造成二次污染[35-36]。

自然界存在著天然安全的保水材料，如木質素、腐殖酸、生物質炭[37]、纖維素[38]等。劉釗釗等[39]研究發(fā)現(xiàn)：添加木質素可改善黃土持水性；田露等[40]將腐殖酸和膨潤土旋耕在內蒙古黃土高原的干旱土地上起到很好的保水、增產效果。但這些材料成本高，難以大范圍使用。農林廢棄物經高溫堆肥后，保留有大量的腐熟有機質，可以作為很好的栽培基質[41-42]，可大幅節(jié)約成本，實現(xiàn)廢物利用，在田間快速降解[43]，對環(huán)境友好，有較高的實用價值。將農林廢棄物與保水材料配合使用，可以改善農林廢棄物作為基質原料在結構、水穩(wěn)性等方面的弊端[44-45]，增強其保水保肥能力[46]；將其壓縮制成高持水性成型有機栽培基質，可以減少塑料托盤的使用[47]，簡化基質育苗過程。

高持水性成型有機栽培基質能利用降水充分吸收水分、緩釋水分，減少綠化時客水使用，為苗木營造更長的生長旺季，在“以水定林”的政策下，提高困難立地綠化的增量。利用高持水性基質育苗，整體移栽到困難立地，苗木生長環(huán)境變化小，無緩苗期，基質內水分養(yǎng)分充足，可有效提高其成活率。

3 高持水性成型有機栽培基質中保水劑的研究現(xiàn)狀

肖海華等[46]將不同種類、不同粒徑的保水劑添加到以草炭為主要材料的栽培基質中，發(fā)現(xiàn)不同保水劑種類對基質保水性、栽培植物干質量、植物水分利用效率影響不同，但均起到較好的改善作用，通過不同粒徑的保水劑添加試驗結果發(fā)現(xiàn)：粗粒的保水劑比細粒的效果要好。衛(wèi)星等[4]將不同比例的保水劑添加到農林廢棄物基質中研究其持水效果，結果表明保水劑與基質體積比為1%時，混合基質的保水性效果較好，添加保水劑后的農林廢棄物混合基質在保水性方面顯著優(yōu)于以草炭為主要組成的基質。楊龍元[48]以牛糞腐熟料和牛糞蚯蚓腐熟料為主料壓縮制成成型基質塊，證明兩者本身具有較好的機械強度和抗破損能力，通過添加稻草絲、高吸水樹脂，可以明顯改善成型基質塊的通氣性、吸水持水特性、運輸及穩(wěn)定性等各方面的功能，有利于種子萌發(fā)和幼苗生長。劉方春等[49]研究表明：在育苗容器中添加保水劑與無機肥料可以促進白蠟Fraxinus chinensis中后期生長，增加白蠟對干物質、養(yǎng)分的積累速率和積累量。

利用有機物質作為原料制作保水劑，已取得良好效果。如程紅勝等[50]利用自制的生物質炭基保水劑與傳統(tǒng)的聚丙烯酰胺保水劑進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)前者可以有效提高土壤的飽和含水率，增加土壤水分含量，相比于傳統(tǒng)化學保水劑，可以進一步增強土壤的保水能力，在高施用量時，生物質炭基保水劑可以提高水分利用效率，節(jié)約用水。戎澤[51]將3種椰糠基保水劑以不同用量施入土壤中研究其持水性能，結果表明：椰糠基保水劑具有較好的重復吸水性，3種保水劑均能減少土壤容重，提高同一吸力下土壤含水量和飽和含水量，增加土壤進氣值，對土壤的有效水含量、抗旱性也有不同程度的改善和提高。秦玲等[52]在砂土中加入腐質化程度低的高位草炭，可以明顯改善混合基質的孔隙度、田間持水量、飽和含水率，基質中草炭含量越多，在干旱條件下基質體積的收縮程度越高。姚璐等[53]利用膨潤土-菌渣復合材料進行盆栽試驗，證明了其良好的保水保肥性能，當復合材料中膨潤土含量增加時，吸水性能增大，在充分吸水后，復合材料可以長時間保持較高的水分含量，同時復合材料具有良好的保氮、保鉀能力，在盆栽試驗中，復合材料可以促進白菜Brassica pekinensis種子萌發(fā)，提高其在干旱條件下的存活時間。一種環(huán)保型生物活性營養(yǎng)缽(專利號CN01126888.3)使用植物纖維粉(稻殼粉、稻桿粉等)，天然有機質(泥炭土、水苔等)，生物活性營養(yǎng)劑(海藻素)，無毒黏合劑等配料，通過熱壓成型的方式制成，可以實現(xiàn)育苗缽和植株的整體移栽，縮短緩苗期，改善土壤持水能力，提高苗木成活率。

由此可見，通過將農林廢棄物與吸水性強的無機材料、生物質保水材料等混合使用，可以提高基質的持水能力，促進苗木生長。但是，保水性基質難以推廣使用的主要原因是成本問題，需要進一步對原料和產品加工等進行探索。

4 高持水性成型有機栽培基質的水分和肥力研究

4.1 基質的水氣調控

高持水性基質可以快速吸收水分，并保存起來，減少水分流失，但是基質的主要功能是為植物體提供穩(wěn)定協(xié)調的水、肥、氣、熱以滿足其生長需求[8]。植物根系吸收水分難易主要與基質溶液滲透壓和基質顆粒對水的吸附力有關，而與基質含水量無關，基質對水的吸持能力越大，植物可利用的有效水分含量越少。高持水性基質在保證自身高吸水性的情況下，也要滿足對植物根部充足的氧氣供給和水分的有效性。

基質水氣調控就是在掌握基質水氣調控原理的情況下，調節(jié)基質的物理結構以滿足植物正常生長需求。將泥炭按不同粒徑比例混合組配，可以滿足植物水氣需求，構建良好的通氣透水條件[1]。吳劍鋒[54]研究認為：基質原料的顆粒粒徑大小直接影響基質水分的有效性和空氣的體積大小，通過將原料按不同粒徑合理組合搭配，可以達到理想的水氣構型。王忠強等[55]認為：選擇適宜吸水性和通氣性的基質原料可以滿足植物生長需要的物理性狀，目前除了低分解蘚類泥炭滿足條件外，不同功能的原料混合起來也可以實現(xiàn)。

4.2 基質對土壤水分及肥力的影響

有機基質分解后進入土壤，可以增加土壤有機質，改善土壤理化性質[56-57]，提高土壤儲水能力[58]。在一定范圍內，土壤有機質含量越高，土壤的含水量越大，同時可以減少土壤的水分擴散率，提高土壤的保水能力[59]。高飛等[60]研究表明：有機肥進入土壤能提高供試土壤的保水能力，促進土壤結構的優(yōu)化，進而提高作物的產量。李艷霞等[61]將城市污泥堆肥用作草坪基質，顯著增強了黑麥草Lolium perenne對氮的吸收，提高了土壤的速效氮和速效磷含量。袁東海等[62]在人工濕地基質凈化磷素污染時，利用粉煤灰或礦渣添加到砂子和土壤基質中，可以增強基質的磷素吸收，大大增強其凈化效果。還有研究表明[63-64]：在連作營養(yǎng)基質中添加生物質炭對細菌的群落結構多樣性以及酶活性有明顯的調節(jié)作用。秸稈覆蓋對土壤理化性質具有積極的影響，明顯改善了土壤保水保肥性能，提高土壤中速效養(yǎng)分含量[65]，而將秸稈與無機肥料混施，有助于提高土壤有機質活性和改善土壤肥力狀況[66]。用高持水性成型有機栽培基質進行育苗栽培，基質隨苗木移栽后對土壤的改良作用有待進一步研究。

5 問題及展望

5.1 高持水性成型有機栽培基質存在的問題

基質育苗操作復雜，應用性差。用農林廢棄物進行有機栽培基質的合成在中國已取得重大進步，但基質的配方復雜多樣，不同的基質需要不同的添加劑和速效養(yǎng)分的加入以改善其理化性質和養(yǎng)分狀況，在實際生產和操作中往往因為這些輔料的種類和數(shù)量達不到要求而造成作物減產。

基質的標準化生產發(fā)展緩慢。由于農林廢棄物來源不一、種類多樣，給有機基質的標準化生產帶來阻礙，目前尚未形成規(guī)范的基質生產流程，基質難以大規(guī)模生產利用。另一方面，對于成型基質產品缺乏系統(tǒng)的檢驗標準，基質產品質量差異明顯，利用效率低下。

基質對特殊環(huán)境的適應性差。干旱、沙化、鹽堿等造林困難的地塊，在陸地面積中占巨大比例。栽培基質在苗圃、溫室等特定環(huán)境空間內的應用已趨于成熟，在氣候條件惡劣、栽培環(huán)境差的困難立地中應用研究較少。

缺乏基質移栽到土壤后的跟進測試。有機基質中含有豐富的有機物質，對植物生長和土壤理化性質的調節(jié)有積極的促進作用。現(xiàn)在的基質栽培實驗大多停留在植物生長狀況的研究，缺乏苗木移栽后對土壤及周圍環(huán)境的影響的研究。

5.2 高持水性成型有機栽培基質的發(fā)展方向

加強基質生產的標準化、規(guī)?；ㄔO。實現(xiàn)基質生產從研究室到工廠化的轉變，基質生產標準體系的建設與完善是前提和基礎。對于該過程中有機基質種類復雜的問題，可以按照產品的不同用途劃分基質類型，制定相應的生產和質量控制標準，生產不同檔次、不同用途的育苗基質，同時要加強基質制作工藝的完善，提高基質產品的質量穩(wěn)定性，降低成本。

新材料的研發(fā)和使用。在提高基質持水性上，保水劑、表面活性劑[67]的使用取得了良好的效果，但現(xiàn)有基質添加劑多以化學材料為主，功能單一且易對環(huán)境造成不可逆的危害，生產高效、多功能、環(huán)境友好的新型材料，如微生物肥料[68]、新型包衣材料[69]、微生物保水劑[70]等，并將其應用到基質的生產開發(fā)中，對實現(xiàn)基質的品質化生產和可持續(xù)發(fā)展有重要作用。

專用型栽培基質的研究。在基質生產中，要以實際需求為導向，根據(jù)實際環(huán)境條件和栽培作物的不同研發(fā)對應的專用型基質[71]，實現(xiàn)基質生產的多樣化需求。

將基質的生產、育苗、移栽研究同時進行。目前人們對于高持水性基質的研究主要集中在原料和配方的篩選上，對基質中的水分運動、養(yǎng)分轉換、微生物群落結構變化、基質與植物間的養(yǎng)分輸送過程、基質結構的穩(wěn)定性、配套的肥料施用技術[72]等缺乏系統(tǒng)的研究。基質的研發(fā)應與實際生產相結合，在了解其理化性質及與作物相互關系的基礎上，實現(xiàn)基質操作的簡單化、智能化，從而提高基質的使用效率。