宋金秋，韋鴻鈺，牟英輝，褚 璇，辜 松，劉洪利，馬稚昱

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225；2.廣東省特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能化裝備重點實驗室，廣東 廣州 510225；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510664）

0 引言

日益增長的人口數(shù)量、蔬菜需求、有限的土地資源，這三者間的矛盾是全球面臨的重大問題之一[1]。隨著科技的發(fā)展，室內(nèi)立體種植模式可以有效節(jié)約土地資源，是解決全球蔬菜需求的重要手段，其中水培是立體種植生產(chǎn)中普遍采用的技術(shù)之一[2]。目前，在我國水培種植生產(chǎn)中多數(shù)采用傳統(tǒng)的塑料營養(yǎng)缽作為種植載體，但塑料營養(yǎng)缽在對幼苗移栽脫膜時易損傷幼苗根系，影響幼苗生長，同時大量塑料廢棄物不易回收利用，更不可自然降解，一定程度上影響了生態(tài)環(huán)境[3-5]。在水培種植生產(chǎn)中，亟需研制環(huán)保型種植載體替代塑料營養(yǎng)缽，這是設(shè)施種植的未來發(fā)展趨勢，具有可持續(xù)性和市場性[6-7]。

本文對現(xiàn)有的水培種植載體進(jìn)行了試驗研究，通過單因素方差法[8]對種植載體的機(jī)械性能和栽培性能的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了測量，然后通過主成分分析法[9]對比不同類型種植載體的綜合性能，確定出適合機(jī)械化作業(yè)的水培種植環(huán)保型種植載體的成型原料，為設(shè)施農(nóng)業(yè)立體水培種植載體的研制開發(fā)和高效可持續(xù)推廣提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗對象

供試種植載體為目前水培生產(chǎn)中常用的3 類花泥、2 類生物質(zhì)炭、淀粉泡沫，具體原料及來源如表1 所示。

表1 供試種植載體原料及來源

1.2 主要設(shè)備

本試驗種植載體性能試驗儀器采用美國FTC 公司生產(chǎn)的TMS-Pro 食品物性分析儀[10]，儀器分析軟件為Texture Lab Pro，版本是1.18-408。

1.3 試驗方法及測試指標(biāo)

1.3.1 試驗設(shè)計

1）種植載體栽培試驗。試驗作物為菜心，菜心的品種為49-19（廣東省良種引進(jìn)服務(wù)公司培育）。將菜心種子播入不同的種植載體中，共6 個處理，每個處理重復(fù)5 次，對測量結(jié)果進(jìn)行評價。將待處理載體放入裝有清水的塑料盤中浸透，然后移放到設(shè)施溫室大棚內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽育苗，育苗期內(nèi)不另外施肥，每天采用潮汐微灌[11]方式浸潤種植載體，育苗試驗周期為7 d，整個栽培種植試驗周期為50 d。

2）種植載體物理特性試驗。以種植載體為試驗對象，共6 個處理，每個處理5 個重復(fù)，分別對載體在干、濕、帶根3 種狀態(tài)下的跌碎率、吸水率、保水率、降解率等指標(biāo)進(jìn)行測試。其中，濕載體是將干載體用清水浸透后的狀態(tài)；帶根載體是取栽培種植試驗期結(jié)束時帶根的種植載體樣本。

1.3.2 試驗指標(biāo)及測定方法

將待測試樣品放到質(zhì)構(gòu)儀的檢測試樣平臺上，基于前期預(yù)測試驗確定質(zhì)構(gòu)儀的測試參數(shù)：形變量為70%，測試速度為60 m/min，觸發(fā)力為0.75 N。

1）種植載體的特性指標(biāo)

①跌碎率[12]：準(zhǔn)備好干、濕、帶根3 種狀態(tài)的種植載體，先測量每個載體的初始質(zhì)量，再將載體從50 cm 高度自由落體跌落到水平硬質(zhì)地面，重復(fù)5 次后再稱量，得到跌落后質(zhì)量，計算種植載體的跌碎率[13]。

②壓縮特性指標(biāo)：采用質(zhì)構(gòu)儀[14]對種植載體的干、濕、帶根3 種狀態(tài)進(jìn)行壓縮測試，獲得載體在不同狀態(tài)下的回彈率、硬度、粘附性和內(nèi)聚性，對不同原料載體的壓縮性能進(jìn)行研究分析。

③降解率：采用土埋法[15]測量不同載體的降解率。首先對種植載體進(jìn)行風(fēng)干處理后測量載體質(zhì)量M0，然后取腐葉土放入指定容器中，將風(fēng)干種植載體埋入腐葉土容器內(nèi)并做好標(biāo)記，每天檢測并保持土壤濕度在50%±5%范圍。分別在土埋后的第2、4、6 周后取出樣品，用清水清洗樣品，干燥后稱重獲得降解后質(zhì)量M1，計算載體的降解率W[16]，見式（1）

式中：

M0——降解前的質(zhì)量，g；

M1——降解后的質(zhì)量，g。

2）載體育苗測試指標(biāo)

①酸堿度（pH 值）：將待測種植載體浸泡純水中至飽和，擠壓出載體內(nèi)液體至燒杯中，用pH 計對液體的pH 值進(jìn)行測量，記錄測量值。

②電導(dǎo)率（EC 值）[17]：將水培種植后的種植載體擠壓出液體至燒杯中，并使用電導(dǎo)率計（EC 計）進(jìn)行測量，直至測定值保持穩(wěn)定，記錄測量值。

③吸水率[18]：干種植載體m1稱重后置于水中直至載體飽和，然后將載體取出并將其表面多余水分擦干，然后再次稱重m2，計算吸水率w，見式（2）

式中：

m1——載體干重，g；

m2——載體飽和濕重，g。

④保水率[19]：將水飽和的種植載體放在過濾板上排水24 h 再稱重，計算保水率R，見式（3）

式中：

m3——載體晾置后濕重，g。

⑤發(fā)芽率[20]：發(fā)芽種子數(shù)n1占測試種子總數(shù)n的百分比，用于評估不同種植載體的育苗效果，發(fā)芽率GP的計算公式見式（4）

⑥壯苗指數(shù)：當(dāng)種植的菜心80%達(dá)到齊口花期（第45±5 d）進(jìn)行收獲[21]，在每種種植載體中隨機(jī)選取5 株菜心，測定其地上部鮮干重、地下部鮮干重、株高、莖粗等形態(tài)參數(shù)，計算壯苗指數(shù)。用游標(biāo)卡尺測量菜心植株的莖粗（第4～5 片真葉之間）、直尺測定株高、電子天平測量地上部和地下部的鮮重；用烘干風(fēng)箱在設(shè)定溫度75 ℃ 下對菜心植株進(jìn)行14 h 干燥處理，然后測量烘干后植株莖葉、根系的干物質(zhì)質(zhì)量[22]，壯苗指數(shù)T的計算公式見式（5）

式中：

S——莖粗，mm；

M——地下部干物質(zhì)質(zhì)量，g；

N——莖葉干物質(zhì)質(zhì)量，g；

H——株高，mm。

3）綜合評價法

本文從種植載體物理特性和育苗性能2 方面構(gòu)建了載體綜合評價體系，通過因子分析確定參試各種植載體的22 個指標(biāo)主成分特征值和特征向量，基于主成分特征值大于1的原則，選擇關(guān)鍵主成分，計算各主成分得分，再以每個主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)重，計算各種載體主成分綜合模型，最后根據(jù)不同種植載體性能的綜合分值進(jìn)行排序[23]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文采用SPSS26.0[24]對上述測得數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及主成分分析，圖表采用OriginPro 2021[25]進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植載體的機(jī)械性能分析

2.1.1 跌碎率

跌碎率[26]能夠反映出種植載體的機(jī)械強(qiáng)度及抗破壞能力。由圖1 可知，濕載體的跌碎率相對較大，而帶根載體的跌碎率明顯下降，說明作物根系能起到載體顆粒之間固接作用。從對比趨勢看，相比花泥原料的種植載體，生物質(zhì)炭型種植載體的跌碎率明顯低于其它載體，且低于5%，表明生物質(zhì)炭型載體在栽培使用過程中能夠保持較高的結(jié)構(gòu)完整性和抗破碎能力。

圖1 不同種植載體的跌碎率變化

2.1.2 硬度

硬度[27]是衡量載體抵抗外力的能力的一個重要指標(biāo)，由圖2 可以看出，帶根載體的硬度都大于干、濕載體的硬度，帶根生物質(zhì)炭1 的硬度為200 N，帶根生物質(zhì)炭2 的硬度高于127 N，其他類型種植載體的硬度均低于60 N。從硬度整體趨勢看，生物質(zhì)炭1 型種植載體的硬度顯著高于其他載體，且均大于50 N，說明竹炭和竹纖維為原料有利于提高種植載體的硬度。

圖2 不同種植載體的硬度變化

2.1.3 粘附性

粘附性[28]是物質(zhì)表面的粘附程度，由圖3 可知，花泥種植載體的粘附性要高于其他類型種植載體，且干的花泥載體的粘附性與濕載體和帶根載體相比明顯變大。生物質(zhì)炭型種植載體具有最低的粘附性，且濕載體相對具有更低的粘附性，說明水分有利于降低載體的粘附性，相反帶根載體的粘附性會增大，說明種植后根系增大了載體的粘附性。

圖3 不同種植載體的粘附性變化

2.1.4 內(nèi)聚性

內(nèi)聚性[29]反映了載體內(nèi)部顆粒之間彼此結(jié)合的緊密程度。由圖4 可知，生物質(zhì)炭型栽培基質(zhì)的內(nèi)聚性均高于其它類型的種植載體，內(nèi)聚性數(shù)值均在0.5 以上，其中內(nèi)聚性最高的是濕的生物炭型載體，其次是帶根載體，最低是干的生物炭型載體，這說明水分和作物根系能夠有效增加載體內(nèi)部的內(nèi)聚性，即增加載體內(nèi)的緊密程度。在生物質(zhì)炭種植載體中，竹炭+竹炭纖維為原料的生物質(zhì)載體的內(nèi)聚性最大，說明竹炭+竹炭纖維載體內(nèi)部顆粒之間的緊密程度最大。

圖4 不同種植載體的內(nèi)聚性變化

2.1.5 回彈率

回彈率[30]是指載體受到外力撞擊后能夠恢復(fù)原狀的能力，是衡量載體抗震性能的重要參數(shù)之一。從圖5 可以看出，生物質(zhì)炭類型的種植載體整體表現(xiàn)出較高的回彈率，可達(dá)80%以上；從3 種狀態(tài)對比可以看出，帶根載體的回彈性高于干載體的回彈性，說明載體內(nèi)的根系可以提高載體的回彈性，具有更好的抗震性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不易因外力而導(dǎo)致載體松散或斷裂。

圖5 不同種植載體的回彈率變化

2.2 不同種植載體的育苗性能分析

水培種植載體育苗性能反映其作為種植載體的基本指標(biāo)，本試驗測量種植載體育苗性能的指標(biāo)主要有pH 值、EC 值、吸水率、保水率、發(fā)芽率、壯苗指數(shù)以及降解率，這些性能指標(biāo)能夠影響作物水分的吸收和根系養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而對作物生長發(fā)育產(chǎn)生重要的影響。

從圖6 可以看出，幾種不同原料的種植載體的pH 值差異性不大，都在6.0～7.5 之間，均在合理范圍內(nèi)，適合作物生長和發(fā)育。在菜心種植45 d 后，不同類型的栽培基質(zhì)的EC 值表現(xiàn)出明顯差異，其中生物質(zhì)炭型種植載體的EC 值比較高，分別為667 ppm和1 096 ppm，在EC 值標(biāo)準(zhǔn)范圍500～2 000 ppm 內(nèi)。幾種類型種植載體的吸水率差異性比較大，花泥的吸水率明顯高于生物質(zhì)和淀粉泡沫載體，3 種花泥種植載體的吸水率達(dá)到450%以上，生物質(zhì)種植載體的吸水率為300%以上，最低的淀粉泡沫載體僅為96%。除淀粉泡沫載體以外，其他種植載體的保水率差異不顯著，淀粉泡沫載體保水率最低為57%，持水能力弱，而其他種植載體保水率均大于90%，持水能力都較好。

圖6 不同種植載體的栽培性能

發(fā)芽率和壯苗指數(shù)常用來評價種植載體對種子的生物抑制性或生長發(fā)育促進(jìn)效果，發(fā)芽率和壯苗指數(shù)越大，表明種植載體的生物抑制性越小，甚至在一定程度上具有促進(jìn)作用。由圖6 可以知，淀粉泡沫對植物生長具有很強(qiáng)的抑制性或毒性，發(fā)芽率為0%；泥炭型生物質(zhì)載體和改性淀粉花泥載體對作物生長具有較好的促進(jìn)作用，其發(fā)芽率均達(dá)到80%以上；采用竹炭+竹炭纖維為原料的種植載體的發(fā)芽率達(dá)到67%，壯苗指數(shù)最高達(dá)到4，竹炭對植物生長發(fā)育具有非常好的促進(jìn)作用。

可降解性是環(huán)保型種植載體的一個重要指標(biāo)。由圖6 可以看出，淀粉泡沫載體的可降解率最高，其次是改性淀粉和巖棉為原料的花泥載體，然后是生物質(zhì)炭種植載體。這表明生物質(zhì)炭種植載體還具有環(huán)保特性，能夠被自然界中的微生物逐漸降解。

2.3 不同種植載體性能指標(biāo)的主成分分析

為確定較優(yōu)種植載體性能組合，本文采用主成分分析法將原有的多個具有相關(guān)性觀測指標(biāo)通過降維，對不同種植載體的物理特性和育苗種植特性進(jìn)行綜合特征分析[31]。

性能指標(biāo)主成分分析的特征值及貢獻(xiàn)率由表2所示，對本文測量的22 個指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，按照累積貢獻(xiàn)率高80%和主成分特征值高于1 的原則，提取到的前2 個主成分因子很好地反映了各載體主要性能信息，可以實現(xiàn)對種植載體的綜合評價。

表2 性能指標(biāo)主成分分析的特征值及貢獻(xiàn)率

不同種植載體的PCA 得分如圖7 所示，生物質(zhì)炭、植物淀粉泡沫和花泥3 大類整體相距較遠(yuǎn)，說明三者差異顯著，同一類別的相互重疊即相似度較高。

圖7 不同種植載體的PCA 得分

不同狀態(tài)下各種種植載體的性能指標(biāo)的PCA 載荷如圖8 所示。圖中聚集的指標(biāo)相互有較強(qiáng)的相關(guān)性，距離原點較遠(yuǎn)的指標(biāo)對樣本的分類貢獻(xiàn)越大。硬度、回彈率、壯苗指數(shù)、內(nèi)聚性、EC 值和pH 值都聚集分布在PCA1 的正向端，破損率、吸水性和粘附性（干、濕）聚集分布在PCA1 的負(fù)向端，且這些指標(biāo)都距離PCA1 的零軸都較遠(yuǎn)，說明這些指標(biāo)對PCA1 的貢獻(xiàn)率都很大。保水率和發(fā)芽率聚集在PCA2 的正向端，粘附性（帶根）和降解率聚集在PCA2 的負(fù)向端，且這些指標(biāo)都距離PCA2 的零軸都較遠(yuǎn)，說明這4 個指標(biāo)對PCA2 的貢獻(xiàn)率較大。

圖8 不同狀態(tài)下各種植載體性能指標(biāo)的PCA 載荷

結(jié)合PCA 的得分圖和載荷圖可知，得分圖中的生物質(zhì)類型的種植載體在載荷圖中對應(yīng)的位置和方向上有以下變量：壯苗指數(shù)、回彈率、內(nèi)聚性和硬度，說明此種植載體與這些變量呈正相關(guān)，與破損率、粘附性和吸水率呈負(fù)相關(guān)。

2.4 不同種植載體性能的綜合評價

各個性能指標(biāo)的主成分特征向量如表3 所示，根據(jù)對本文各測量指標(biāo)的主成分分析，以特征向量為權(quán)重構(gòu)建3 個主成分，并根據(jù)各主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建綜合評價模型，見式（6）

表3 性能指標(biāo)的主成分特征向量

根據(jù)綜合評價模型計算各組綜合評分及排名，如表4 所示。根據(jù)不同種植載體性能的綜合得分，可發(fā)現(xiàn)竹炭+竹纖維型生物質(zhì)種植載體的綜合得分最高，其余綜合得分大于零的種植載體是泥炭型生物質(zhì)種植載體[32]。

表4 不同種植載體性能的綜合得分和排名

3 結(jié)論與討論

1）種植載體特性指標(biāo)的試驗結(jié)果表明不同的原料成分對種植載體的物理特性影響都是顯著的。相比其他類型載體，原料為竹炭+竹纖維的生物質(zhì)炭型種植載體在3 種不同狀態(tài)下都具有較優(yōu)的物理特性，其跌落損失率低于5%，粘附性低于0.2 N·mm，回彈率可達(dá)85%，內(nèi)聚性可達(dá)0.5 N·mm，硬度可達(dá)50 N，符合水培立體規(guī)?；a(chǎn)需求。

2）從種植載體育苗特性試驗結(jié)果來看，適宜水培種植標(biāo)準(zhǔn)的種植載體為生物質(zhì)型種植載體。尤其是原料為竹炭+竹纖維的種植，其發(fā)芽率最高可達(dá)74.29%，壯苗指數(shù)最高可達(dá)3.91，種植后的EC 值可達(dá)1 000 ppm，pH 值在6.6～6.8 之間，吸水率可達(dá)300%，保水率可達(dá)90%，第6 周的降解率可達(dá)8%。

3）采用綜合評分分析法得到綜合性能較優(yōu)的種植載體為竹炭+竹纖維制成的生物質(zhì)種植載體，其次是泥炭型生物質(zhì)種植載體。

本研究表明，基于生物質(zhì)炭為原料的種植載體具有較好的物理特性和育苗特性，適用于機(jī)械、規(guī)模化和立體水培種植，不僅可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，還可以減少土壤污染、水資源消耗和化學(xué)肥料使用量，保障農(nóng)產(chǎn)品的安全和品質(zhì)，助力綠色生態(tài)環(huán)境保護(hù)，并為植物工廠的無土栽培提供更加可靠和高效的選擇。