无土基质成为优质基质的条件

——Canna研究中心

无土栽培系统根据基质的类型（无土基质）、营养液输送给植物的方式（滴灌、流动或停滞的营养液）、以及营养液排出的情况（例如开放式自由排水以及封闭式循环用水）进行分类。无土基质可以是无机的（如沙子、砾石、卵石、珍珠岩、岩棉、蛭石）、有机的（如稻壳、泥炭、木屑、稻草、椰壳）或合成材料（如泡沫、海绵、吸湿塑料纤维）。得益于无土基质的广泛应用，园艺栽培在世界各地都有了不同程度的发展，使得栽培者能够种植出高产量的食用和观赏植物，并销售高质量的相关商品（格鲁达，2009）。

无土基质的质量涉及到多个指标，具体评估因地区而异，取决于种植者的不同观念以及不同的目标，如生产力、质量、废水回收以及可持续性。至于无土基质成为优质的栽培基质的条件，在评估时应考虑其物理、化学和生物特性。

优质栽培基质的基本要求

无土栽培基质在世界各地被用于多种园艺用途。无土基质的评估指标不像土壤那样复杂，土壤根据其物理和化学性质具有多种用途（如农业、林业、工程、娱乐、建筑等），例如，用于建筑目的的土壤质量与用于农业的土壤质量标准有所不同。而界定优质栽培基质的指标均出于农业目的。

园艺栽培中使用的无土基质有多种类型，具体选择主要取决于种植者的专业知识、经验、可用性和成本。作为欧盟第七框架计划的一部分，"保护园艺中投入物的有效利用"项目（EUPHOROS项目）（Pardossi等人，2011）提出，理想的无土基质应该具有以下一些物理和化学特性：

• 质地均匀，排水良好，能够为根系保留营养和水分。
• 低容积密度，便于使用和运输(190 ~ 700 千克/平方米)。
• 高孔隙率(50% - 85%)。
• 以颗粒状分布，能够使空气和水保持良好平衡(0.25-0.5 毫米之间)。
• pH值在5.0到6.5之间，也可轻松调节。
• 可溶性盐类含量低。
• 具备化学惰性，即基质不会释放无机离子或固定营养液而影响营养液成分。
• 具备保持原有特性的能力，可用于多个连续的栽培周期。
• 无病原体和害虫(但未必无菌)，无任何对植物有毒的化合物。
• 能够统一批量生产（可实施一致的施肥计划）。

除上述特性之外，优质无土基质的另一个特点，正如斯坦·克拉森（一位荷兰园艺种植者的个人交流中）提到的，就是能够从种植者的错误中实现自行恢复，例如过度浇水或过度施肥。

最常用的无土栽培基质的主要物理和化学特性的比较（表1）概述了使用一种或多种基质可能存在的优点和缺点，以及组合使用的可能性。

表1 无土基质的物理化学特性（改编自约翰逊（年份不详））；阿瓦德等人（2005）和爱莎等人（2004）。

例如，单独使用甘蔗渣（由甘蔗浆废料制成）时，其保水率高，孔隙率低，因而曝气和排水效果差。另一方面，稻壳的保水率低，孔隙率高，单独使用会给植物带来水分胁迫。稻壳和甘蔗渣都有很高的分解率，因此需要施用大量氮肥，以避免微生物和植物争夺氮。了解每一种无土基质的特性，并将其组合起来，通常可以为种植者带来满意的选择。但是，基质的混合不应仅仅以可得性和降低成本为出发点，而应综合考虑表1所述的各种基本性质。

基质为植物提供支撑并调节水流

体积密度反映的是基质提供支撑、调节水和溶液流动以及通气的能力。它用体积来表示土壤或基质颗粒的重量。因此，固体和孔隙空间的总和就看作是土壤或基质的重量。如果孔隙空间较少，土壤或基质很容易被压实（如图1）。

图1：保水率和孔隙率评估栽培基质的重要指标，需要维持良好平衡，以保证营养液流向植物。单独使用甘蔗渣（1）时，其高保水率和低孔隙率会导致曝气和排水不良。而稻壳（2）保水率低，孔隙率高，单独使用会给植株造成水分胁迫。

矿物质土壤平均体积密度为1400 kg/ m3，孔隙率约为47%。相比之下，泥炭和蛭石等无土基质的体积密度为125 kg/ m3，孔隙率约为93%，椰壳粉尘的体积密度为40 ~ 80 kg/ m3，孔隙率约为87.5% （阿尔戈，1998）。从图中可以看出，土壤和无土基质的体积密度和孔隙率差异很大，土壤是最重的基质，而无土基质的重量更轻，便于搬运和运输；但对其他指标的确会产生影响，如孔隙率和保水率。

低孔隙率和高保水率会导致基质曝气和排水不良。相反，高孔隙率和低保水率会给植物造成水分胁迫。这些都是评估基质的重要指标。优质基质的各项指标应维持良好的平衡，从而优化营养液流向。在自然土壤中，由于坡度、质地和气候条件等原因，上述指标难以实现控制。

在实际栽培过程中，由于有机质的分解、根系活动、基质颗粒的膨胀、收缩以及压实，上述指标（孔隙率和保水率）可能会发生变化。然而，基质的物理性质只在一到两个生长周期后才可能发生改变，具体还要取决于基质的性质和作物类型，因而可以实现重复利用（Pardossi等人， 2011）。

对此，科学家之间也一直存在争论，一些人认为，重复使用栽培基质时，作物产量会受到影响，而另一些人则认为这种影响几乎可以忽略不计。基于基质的物理特性，"基质重复使用"的概念出发点往往是"绿色"理念，而盈利才是种植者最普遍的主要目标。

基质作为营养物质的蓄水池

土壤中含有许多微观和宏观的生物多样生态系统，包括植物群落。它们之间维持着复杂而平衡的相互作用，使得土壤中的植物和动物在没有人类干预的情况下自然生存或自然恢复。但是在需要人工干预的无土基质中，产量甚至可以达到和栽培量相同的高度。

无土基质与土壤的主要区别在于土壤中的生物多样性和有机质。对于土壤来说，有机质含量是判断土壤质量最重要的指标。当粪肥或作物残留物等有机物质进入土壤时，基质中的碳化合物会以不同的速度发生分解。分解过程会随着进入的有机物性质、土壤生物群落（生活在土壤中的生物）数量以及影响养分的分解、分解速率和释放的物理化学环境（含水量、温度、pH值等）而发生变化。分解越多，土壤质量就越"高"，土壤生物群落就越活跃，对作物的生物回报也就越丰富（简森，2006）。

而栽培基质中缺乏土壤生物群落和有机成分，这类基质有时可以提供有机成分，但通常不会充分降解。

无土栽培由于缺乏土壤生物群落和易分解的有机质，需要通过营养液不断提供养分，而在土壤中，养分是随着有机物的分解而释放出来的。因此，保水率和孔隙率这样的指标更适用于无土基质。营养液是无土栽培灌溉系统的关键要素。溶液中含有以不同浓度溶解的微观和宏观营养物质。目前人们已经研发了针对多种作物的标准配方，如西红柿、黄瓜或草莓。但也需要根据具体的气候条件（基质表面及空气中的蒸发水）、水质、地点和作物生长阶段进行调整。

化学惰性是栽培基质与矿物质土壤之间另一个显著差异。原则上来说，矿物质土壤无需施用所有的营养元素，而对于无土基质，种植者必须施用除碳、氢和氧（来自水和空气）以外的所有营养物质。因此，在无土栽培系统中持续施用营养液，会导致基质中盐分积累和离子失衡。

正如前文所述，持续施用营养液，尤其是在封闭式灌溉系统中，会导致钠和氯的快速积累，初始pH值也会发生变化，植物所需的养分供应失衡。电导率（EC值）以及有毒元素的浓度也会增加，从而可能会威胁植物的发育。为了减缓盐分积累问题，可选择开放式灌溉系统，但这类系统中存在大量的水和营养物质的浪费，增加了生产成本，也会对当地地下水和地表水造成污染（Pardossi 等人，2011）。

《欧洲硝酸盐指令》（1991年）提出，针对提高生产力和保护环境之间的持续性难题，建议采用封闭灌溉系统以推行可持续园艺，尤其是在担忧无土栽培的排水中硝酸盐浓度过高的情况下。建议循环利用营养液，直到电导率和/或潜在的有毒离子浓度达到最大可接受值。而后则建议可部分或全部更换灌溉系统。

上图为大型芽孢杆菌的彩色扫描电子显微镜图像(SEM)。该细胞是最大的细菌细胞之一，存在于土壤中。无土基质中缺乏土壤生物群落（生活在土壤中的生物），这意味着需要持续性供应营养液。

健康的栽培基质与环境

栽培完成后，直接丢弃使用过的无土基质可能对环境造成潜在威胁，因为这些基质可能含有农药、塑料或作物残留物，并可能传播疾病(Pardossi等人，2011年)。我们强烈建议重复使用这些基质，以减少处理和生产成本，但土壤传播型疾病的潜在传播仍然是主要问题。

在无土基质中添加生物防治剂，可以引入一些微生物群落，从而预防病原体种群。然而这并非是绝对有效的方法（Pardossi等人，2011）。土壤中含有极为复杂的微生物群落网，既可支持致病微生物生存，也可支持有益微生物的生存。它们之间持续性的相互作用，在土壤中维持着一种平衡，使得植物生长。如果没有土壤作为缓冲，致病控制或预防的失败都会导致产量迅速下降。在无土栽培中需特别注意预防根病原体。

若为了减少浪费而重复使用基质，那么在新的种植周期中预防病虫害就变得更加重要和代价高昂，而解决盐分过多以及pH值的问题则显得更容易。蒸煮、日晒，或采用化学手段（使用杀菌剂）是处理栽培基质最常用的方法，以达到循环利用的目的。

固体和孔隙空间二者共同用单位体积来表示，称为体积密度。体积密度越大，土壤或者基质的压实度越高，孔隙空间越小。

结论

要回答"什么是优质无土栽培基质"这一常见的问题，必须考虑许多因素，包括种植者的目标、基质的来源、基质的使用地点和基质的类型等等。因此，要给出一个通用的答案既困难也不现实。

为定义优质无土基质，我们已经讨论了物理、化学、生物以及实际特性，总的来说，优质基质应当能够：

• 为植物提供支撑
• 调节水流
• 成为养分的蓄水池
• 为植物提供健康的生长环境

总之，优质栽培基质的特征如下：

在物理方面，具有较低的体积密度（在190到700 kg/m3之间），较高的孔隙度（在50%到85%之间），颗粒直径在0.25到0.5毫米之间，保水率在20%到60%之间。

在化学方面，CEC范围在10至100 me/100g之间，pH值易于调节（在5至6.5之间），低盐含量（在0.75至1.9 dSm-1之间），C:N比率在1:200至1:500之间。

在生物方面，基质健康，无病原体或害虫，也不含有毒化合物。

在实际使用方面，要考虑基质从种植者的错误中自行恢复的能力、保持其原始特性的能力（适合重复利用），以及是否能够批量生产。