王一帆，鄒榮松，孫向陽，李素艷，張華新

（1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083；2.中國林業(yè)科學(xué)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(xué)研究院 黃河三角洲綜合試驗中心，山東 東營 257000）

基質(zhì)栽培是指用特制的育苗基質(zhì)將植物根系或種子固定進行育苗生產(chǎn)的一種無土栽培技術(shù)，發(fā)展到今天，栽培基質(zhì)的工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)經(jīng)歷了配合基質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)和定制基質(zhì)階段，并在21世紀(jì)初，在定制基質(zhì)基礎(chǔ)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(zhì)階段[1-2]。栽培基質(zhì)的應(yīng)用向著多元化方向發(fā)展，在基質(zhì)材料的選擇上，同樣發(fā)生著變化。泥炭是公認(rèn)的理想栽培基質(zhì)，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(nóng)林廢棄物作為農(nóng)林生產(chǎn)中產(chǎn)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(zhì)作為基質(zhì)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(nóng)林廢棄物配合黏結(jié)劑、保水劑、抗冷劑[5]等添加劑進行成型有機栽培基質(zhì)的生產(chǎn)，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，改善基質(zhì)使用效果，為農(nóng)林廢棄物資源化利用和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供新的可能。本研究綜述了高持水性成型有機栽培基質(zhì)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀、基質(zhì)的水分調(diào)制以及對土壤的改良情況，在此基礎(chǔ)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(zhì)的發(fā)展提供借鑒。

1 成型有機栽培基質(zhì)的研制

1.1 有機栽培基質(zhì)

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(zhì)栽培施肥技術(shù)[6]。它是以有機廢棄物經(jīng)發(fā)酵處理，配以少量泥炭、蛭石、珍珠巖等礦物介質(zhì)制成的，能滿足作物正常生產(chǎn)、無毒、可再生利用的栽培介質(zhì)[7]。通過合理的原料配比，有機基質(zhì)可以達到全營養(yǎng)供應(yīng)，栽培時直接用清水灌溉，作物易成活，普通生產(chǎn)者也可操作掌握，是基質(zhì)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(zhì)

利用壓縮成型機將篩選好的有機基質(zhì)進行壓縮成型，可生產(chǎn)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(zhì)塊[8]。相比于傳統(tǒng)育苗，基質(zhì)塊可以脫離塑料穴盤等栽培容器，無需自行準(zhǔn)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]。基質(zhì)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(zhì)的壓縮及其影響因素

在基質(zhì)塊的壓縮過程中，物料種類及含量、黏結(jié)劑、含水量、成型壓力等直接影響成型基質(zhì)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，針對不同的生產(chǎn)需求，從多方面分析研究，確定最佳生產(chǎn)工藝，在減少壓縮能耗的同時，提高成型產(chǎn)品的質(zhì)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(zhì)資源包括農(nóng)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(zhì)的組成成分不同，基質(zhì)中各組分含量也存在差異，在沒有黏結(jié)劑時，生物質(zhì)的擠壓成型主要依靠木質(zhì)素，原料中木質(zhì)素的含量直接影響成型基質(zhì)塊的物理性狀和壓縮過程中的能耗多少[11-12]。

1.3.2 黏結(jié)劑 黏結(jié)劑是將物料黏結(jié)成型的輔料，黏結(jié)劑可以明顯提高基質(zhì)缽的黏結(jié)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(zhì)原料采用適合的黏結(jié)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(zhì)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(zhì)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(zhì)壓縮成型過程中的能耗比，影響壓縮成型效果，必須嚴(yán)格控制。姬愛民等[16]指出含水量過高會導(dǎo)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(jì)敏等[17]研究得出：合適的基質(zhì)濕度在基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)中可以提高成型產(chǎn)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(zhì)壓縮成型的基本條件，在一定范圍內(nèi)，壓力大小跟成型后基質(zhì)的密度呈線性正相關(guān)關(guān)系[20-21]。壓力過低，基質(zhì)不能成型或成型后松散易碎；壓力過高，基質(zhì)的孔隙度降低，不利于根系生長，且能耗增加，適當(dāng)?shù)丶哟髩毫梢蕴岣呋|(zhì)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(zhì)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(zhì)素，增強黏結(jié)性，壓縮效果好[23]。但溫度不應(yīng)過高，否則會影響到基質(zhì)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(shè)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(jié)，小顆粒主要依靠分子間的范德華力、靜電力黏結(jié)，所以物料的顆粒粒徑分配顯著影響基質(zhì)成型效果。粒徑小，分子間的吸引力增強，黏結(jié)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(zhì)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(zhì)的物理性質(zhì)、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(zhì)產(chǎn)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(zhì)的必要性

淡水資源短缺是制約農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的重要因素之一，添加化學(xué)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(xué)保水劑明顯提高了土壤的持水能力[34]，這些合成的化學(xué)物質(zhì)雖然本身無害，但除了淀粉會自動分解，其余化學(xué)物質(zhì)長期存在于土壤中，會造成環(huán)境的負(fù)擔(dān)，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(zhì)素、腐殖酸、生物質(zhì)炭[37]、纖維素[38]等。劉釗釗等[39]研究發(fā)現(xiàn)：添加木質(zhì)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(nèi)蒙古黃土高原的干旱土地上起到很好的保水、增產(chǎn)效果。但這些材料成本高，難以大范圍使用。農(nóng)林廢棄物經(jīng)高溫堆肥后，保留有大量的腐熟有機質(zhì)，可以作為很好的栽培基質(zhì)[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(nóng)林廢棄物與保水材料配合使用，可以改善農(nóng)林廢棄物作為基質(zhì)原料在結(jié)構(gòu)、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(zhì)，可以減少塑料托盤的使用[47]，簡化基質(zhì)育苗過程。

高持水性成型有機栽培基質(zhì)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(zhì)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(zhì)內(nèi)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(zhì)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(zhì)中，發(fā)現(xiàn)不同保水劑種類對基質(zhì)保水性、栽培植物干質(zhì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)：粗粒的保水劑比細(xì)粒的效果要好。衛(wèi)星等[4]將不同比例的保水劑添加到農(nóng)林廢棄物基質(zhì)中研究其持水效果，結(jié)果表明保水劑與基質(zhì)體積比為1%時，混合基質(zhì)的保水性效果較好，添加保水劑后的農(nóng)林廢棄物混合基質(zhì)在保水性方面顯著優(yōu)于以草炭為主要組成的基質(zhì)。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(zhì)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(zhì)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(zhì)、養(yǎng)分的積累速率和積累量。

利用有機物質(zhì)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(zhì)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(xué)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(zhì)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(jié)果表明：椰糠基保水劑具有較好的重復(fù)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(zhì)化程度低的高位草炭，可以明顯改善混合基質(zhì)的孔隙度、田間持水量、飽和含水率，基質(zhì)中草炭含量越多，在干旱條件下基質(zhì)體積的收縮程度越高。姚璐等[53]利用膨潤土-菌渣復(fù)合材料進行盆栽試驗，證明了其良好的保水保肥性能，當(dāng)復(fù)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(fù)合材料可以長時間保持較高的水分含量，同時復(fù)合材料具有良好的保氮、保鉀能力，在盆栽試驗中，復(fù)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(zhì)(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(nóng)林廢棄物與吸水性強的無機材料、生物質(zhì)保水材料等混合使用，可以提高基質(zhì)的持水能力，促進苗木生長。但是，保水性基質(zhì)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(chǎn)品加工等進行探索。

4 高持水性成型有機栽培基質(zhì)的水分和肥力研究

4.1 基質(zhì)的水氣調(diào)控

高持水性基質(zhì)可以快速吸收水分，并保存起來，減少水分流失，但是基質(zhì)的主要功能是為植物體提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)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(zhì)溶液滲透壓和基質(zhì)顆粒對水的吸附力有關(guān)，而與基質(zhì)含水量無關(guān)，基質(zhì)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(zhì)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(zhì)水氣調(diào)控就是在掌握基質(zhì)水氣調(diào)控原理的情況下，調(diào)節(jié)基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)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(gòu)建良好的通氣透水條件[1]。吳劍鋒[54]研究認(rèn)為：基質(zhì)原料的顆粒粒徑大小直接影響基質(zhì)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(gòu)型。王忠強等[55]認(rèn)為：選擇適宜吸水性和通氣性的基質(zhì)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(zhì)對土壤水分及肥力的影響

有機基質(zhì)分解后進入土壤，可以增加土壤有機質(zhì)，改善土壤理化性質(zhì)[56-57]，提高土壤儲水能力[58]。在一定范圍內(nèi)，土壤有機質(zhì)含量越高，土壤的含水量越大，同時可以減少土壤的水分?jǐn)U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(jié)構(gòu)的優(yōu)化，進而提高作物的產(chǎn)量。李艷霞等[61]將城市污泥堆肥用作草坪基質(zhì)，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(zhì)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(zhì)中，可以增強基質(zhì)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(zhì)中添加生物質(zhì)炭對細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)多樣性以及酶活性有明顯的調(diào)節(jié)作用。秸稈覆蓋對土壤理化性質(zhì)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(zhì)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(zhì)進行育苗栽培，基質(zhì)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(zhì)存在的問題

基質(zhì)育苗操作復(fù)雜，應(yīng)用性差。用農(nóng)林廢棄物進行有機栽培基質(zhì)的合成在中國已取得重大進步，但基質(zhì)的配方復(fù)雜多樣，不同的基質(zhì)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(zhì)和養(yǎng)分狀況，在實際生產(chǎn)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(chǎn)。

基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)發(fā)展緩慢。由于農(nóng)林廢棄物來源不一、種類多樣，給有機基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)帶來阻礙，目前尚未形成規(guī)范的基質(zhì)生產(chǎn)流程，基質(zhì)難以大規(guī)模生產(chǎn)利用。另一方面，對于成型基質(zhì)產(chǎn)品缺乏系統(tǒng)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，基質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量差異明顯，利用效率低下。

基質(zhì)對特殊環(huán)境的適應(yīng)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(zhì)在苗圃、溫室等特定環(huán)境空間內(nèi)的應(yīng)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(yīng)用研究較少。

缺乏基質(zhì)移栽到土壤后的跟進測試。有機基質(zhì)中含有豐富的有機物質(zhì)，對植物生長和土壤理化性質(zhì)的調(diào)節(jié)有積極的促進作用?，F(xiàn)在的基質(zhì)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(zhì)的發(fā)展方向

加強基質(zhì)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；ㄔO(shè)。實現(xiàn)基質(zhì)生產(chǎn)從研究室到工廠化的轉(zhuǎn)變，基質(zhì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)與完善是前提和基礎(chǔ)。對于該過程中有機基質(zhì)種類復(fù)雜的問題，可以按照產(chǎn)品的不同用途劃分基質(zhì)類型，制定相應(yīng)的生產(chǎn)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)不同檔次、不同用途的育苗基質(zhì)，同時要加強基質(zhì)制作工藝的完善，提高基質(zhì)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，降低成本。

新材料的研發(fā)和使用。在提高基質(zhì)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(zhì)添加劑多以化學(xué)材料為主，功能單一且易對環(huán)境造成不可逆的危害，生產(chǎn)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(yīng)用到基質(zhì)的生產(chǎn)開發(fā)中，對實現(xiàn)基質(zhì)的品質(zhì)化生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展有重要作用。

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

將基質(zhì)的生產(chǎn)、育苗、移栽研究同時進行。目前人們對于高持水性基質(zhì)的研究主要集中在原料和配方的篩選上，對基質(zhì)中的水分運動、養(yǎng)分轉(zhuǎn)換、微生物群落結(jié)構(gòu)變化、基質(zhì)與植物間的養(yǎng)分輸送過程、基質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、配套的肥料施用技術(shù)[72]等缺乏系統(tǒng)的研究?；|(zhì)的研發(fā)應(yīng)與實際生產(chǎn)相結(jié)合，在了解其理化性質(zhì)及與作物相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)基質(zhì)操作的簡單化、智能化，從而提高基質(zhì)的使用效率。