常用无土栽培基质理化特性对比分析
摘要:基质的理化特性是影响作物生长状况的主要因素，通过对常用基质理化性质的对比
分析，结合基质中水、气、肥的运输转移以及有效利用的相关机理，认为纤维素纤维制品具有较好的开发潜能。
关键字:基质、物理特性、化学特性、持水量、溶质转移、纤维素纤维
1、无土栽培作为新型农业的一个重要代表，他帮助人类成功的克服了土壤沙漠化、盐碱化、板结等作物连作障碍，同时还具有作物高产、优质、可控以及无污染等诸多优点.[1]。基质是无土栽培系统中的重要组成部分，对基质的研究在一定程度上反应了无土栽培技术的发展水平,基质的作用有四个方面：固定作物根系，供水、供肥以及气体交换。国外对基质性质的研究比较早，在1975年，荒木就已对常用基质的理化性质进行了集中分析【】，De Boodt and Verdonck 也在1983年对树皮、软木屑、椰子纤维、污泥等做为基质进行了研究报道【】，近年来，我国也出现了较多对基质研究的报道，但仅停留在对各种基质的比较选用上[2]，对基质性能深入分析研究的不多，存在一定的经验性与主观性。
2、基质的理化性质与栽培对象的关系 2.1基质的理化性质 常用基质
基质按来源不同，可分为天然基质和合成基质，按组成成分不同，可分为无机基质、有机基质和混合基质，其中无机基质包括岩棉、沙、蛭石、膨胀陶粒、炉渣、沸石、石砾、珍珠岩、火山岩以及废土矿等，有机基质包括泥炭、椰子纤维或椰糠、树皮、鸡粪、酒糟、碳化稻壳、
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锯木屑、农作物秸秆、沼渣、菇渣、甘蔗渣、棉籽壳、羊毛以及部分纤维素非织布等。为了克服单一基质的部分性能缺陷，混合基质通常包含两种或两种以上的基质，例如无机—无机型的珍珠岩—蛭石混合基质，无机—有机型的泥炭—炉渣混合基质，有机—有机型的椰糠—碳化稻壳—芦苇末混合基质等。
基质理化性质[8~12]
名称岩棉蛭石无机基质膨胀陶粒珍珠岩煤渣泥炭炭化稻壳锯末屑椰糠有机基质甘蔗渣芦苇末棉籽壳玉米秸秆稻草秸秆常用基质的理化指标 容重总孔隙率小空隙率大孔隙率大小孔隙EC值PH值（g/cm）（%）（%）（%）比(ms/cm)0.11969420.027.10.060.139565300.467.60.360.67.50.40.1693.240.2531.337.450.070.754.73321.70.467.672.230.2184.477.37.10.095.81.040.1588.247.840.42.37.33.610.1978.343.834.50.795.11.350.1690.3583.786.570.085.61.90.1290.846.344.50.964.71.340.1193.533.759.81.55.61.50.2474.92054.90.366.43.640.31736.73.150.2391.27.5
2.2基质的理化性质与栽培对象的关系
对栽培作物生长有较大影响的基质特性包括物理特性与化学特性，物理特性有：粒径、比重、密度、容重、总孔隙度、大小孔隙比 以及墒情（持水量）等。化学特性包括化学组成，酸碱度（PH值）、电导率（EC）和阳离子交换量（CEC）以及碳氮比（C/N）等。
容重:容重指单位体积（包括孔隙）内干燥基质的重量，用g/cm3表示。他反映基质的疏松、紧密程度。容重过大，基质紧密，透水性差，作物根系易缺氧烂根，容重过小，基质疏松，透气性好，但对根系的固定能力减弱，作物易倒伏，容重的大小主要受基质的化学组成、
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内部结构和颗粒的大小影响，一般采用球刀法进行测定。容重：陶粒、沙、石砾、煤灰渣等基质的容重在0.5 g/cm3以上，化学稳定性好，比较适合用于水培系统；岩棉、蛭石、珍珠岩、碳化稻壳、椰糠、甘蔗渣、芦苇末等基质的容重在0.2 g/cm3以下，不利于植株根系的固定，一般不用于辣椒、大白菜、茄子等地上部位比重较大的植株的栽培，但如果添加一些辅助设施，如架梁、套袋等，则可用于西红柿、黄瓜、西瓜、西葫芦等藤蔓植物的栽培。
总孔隙度:总孔隙度是指基质中总孔隙体积占基质总体积的百
分比，用%表示，总孔隙度包括持水孔隙度和通气孔隙度，只能反映在一种基质中空气和水分能够容纳的空间总和，不能反映基质中空气和水分各自容纳的空间量，孔隙度一般不直接测量，可根据基质容重和比重计算而得。公式为：
%）?（1- 孔隙度（容重）?100% 比重 大小孔隙比:大孔隙是指基质中空气也能占据的空间，即通气
孔隙；小孔隙是指基质中水分所能占据的空间，即持水孔隙又称为毛细孔隙度，这些孔隙会利用毛细管作用将水分吸持在基质中。通气孔隙与持水孔隙的比值称为大小孔隙比，它能够反映出基质中水、气之间的状况，通常，通气孔隙直径一般在0．1mm以上，持水孔隙直径一般在0．00l～0．1mm范围内，大小孔隙比在1：1.5～4范围内作物都能良好生长。
孔隙度：珍珠岩、碳化稻壳、甘蔗渣、芦苇末等基质的通气孔隙率均在40%以上，具有较好的透气性，比较适合根系活力强、代谢旺
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盛、需氧量高的作物，如马铃薯、豇豆、西葫芦、甜瓜、西瓜以及黄瓜等，；岩棉、泥炭、椰糠、泥炭等持水孔隙率在70%以上，能保持大量的水分，适合浅根系且需水量大的植物，如大白菜、甘蓝、生菜、芹菜、菠菜等叶类以及落葵、大葱、洋葱等鳞茎类蔬菜等，但对大葱、韭菜、胡萝卜、西葫芦等好气性作物易形成涝害；芦苇末、沙和低位泥炭的孔隙率较小，易形成涝害，故一般不单独用作植物栽培基质。
酸碱度:基质的酸碱度是指基质中H+与HO-的分布状态，它对基
质理化性质、基质肥力以及植物生长都起着重要作用，对原始基质酸碱度的分析，可作为在使用过程中基质酸碱度调节的参考，基质pH 的测定方法可分为比色法，电位法。蛭石、陶粒、珍珠岩、煤渣等大部分无机基质、碳化稻壳和水稻秸秆等部分有机基质，PH值均大于7.0，偏碱性，比较适合种植大葱、洋葱豇豆等喜碱性的作物；椰糠、锯末屑、甘蔗渣、芦苇末等少数有机基质PH在6.0以下，比较适合种植甘蓝、韭菜、大葱、生菜、西瓜、西葫芦、马铃薯等喜酸性的作物；岩棉、泥炭、棉籽壳、玉米秸秆等PH值介于6.0~7.3之间，适合绝大多数喜中性或偏酸性的作物生长。
基质的电导率:基质的电导率（EC值）是指基质在未加入营养
液之前，基质本身具有的电导率，用ms/cm表示，它表明基质内部已电离盐类的溶液浓度，反映基质中原来带有的可溶性盐分的多少。当电导率过低（小于0.37ms/cm）时需施肥，过高（超过2.5ms/cm）时则需淋洗盐分,蔬菜栽培通常要求EC值大于1.0ms/cm[3]。目前在我国采用 5 ： 1 浸提法较为普遍。盐分的测定主要采用电导法和烘干法，
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其中以电导法较简便，快速，烘干法较准确，但操作繁琐费时
在无土基质栽培中，化学有效养分与植物所吸收的养分有很好的相关性[18]，影响基质化学有效养分含量的因素主要有酸碱度PH值、电解度EC值以及阳离子交换量ECE值，同时，这三个因素本身之间又相互影响。
在上述各基质中，岩棉、蛭石、珍珠岩以及膨胀陶粒等无机基质PH值普遍大于7，显中性或偏碱性。泥炭、锯末屑、蔗渣、椰子纤维等有机基质的PH值均小于7，偏酸性，偏酸性的基质有利于作物根系的活化，有助于根系分泌的有机酸、糖、酚类物质以及其他黏胶物质等与基质营养液中的溶质结合，增强根系对营养元素的代换吸收。但当基质的PH值低于5.5时，作物易受到铝毒、锰毒等酸毒的侵害，极大的阻碍根系对营养物质的吸收。
阳离子代换量（CEC）:阳离子代换量是指在一定的酸碱度下，
每100g基质能够代换吸收阳离子的毫摩尔数，用mmol/100g表示，其反映基质对养分的吸附能力。大多数有机栽培基质具有较大的CEC值，天然无机基质的CEC值相对较小，沸石、椰子纤维等基质较为特殊，可用乙酸铵交换法进行测定[4]。在无机基质中，除煤渣的EC值和ECE值较高之外，岩棉、蛭石、膨胀陶粒等基质的EC值和ECE值均很低，低电解度和阳离子代换量的基质对新加入的营养液影响较小，有利于对营养液内各组分元素的精确检测和控制，国外玻璃温室水培和岩棉培的自动化控制大多建立在对EC值控制的基础上的，泥炭、碳化稻壳、棉籽壳稻草秸秆等有机基质的EC值和ECE值则相对
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较高，有机质中所含有的大量羟基、羧基以及醛基等活性基团能与大量的金属阳离子相结合，使基质具有很好的保肥能力，对营养液变化有很好的缓冲性，以及有效减轻重金属对植物的侵害等，有利于稳定根系环境，但EC值和ECE值过高会与作物根系竞争营养物质，增大根系对营养物质代换吸收的难度，同时也使操作人员无法精确掌握根系对营养物质的吸收与需求情况。
2.3合理栽培的基质理化性质
为了使基质能获得较为合理的水气环境，有关人员通过反复实验分析，得出理想基质的指标如下[5,6,7]:
粒径：0.5—10mm； 容重：0.1-0.8g/cm3； 总孔隙度：>75%； 持水空气度：>60%； 通气孔隙度:>15%； 大小孔径比：1：1.5~1：4； PH值：6.0-7.5；
C/N值：<30，最好在25左右； 电导率（EC值）：1.0-2.5ms/cm；
阳离子代换量（ECE值）：30-100mmol/100g。
基质物理指标较为稳定，在使用前应根据具体栽培对象进行选择和加工，化学指标属于不稳定指标，可操作性强，同一作物在不同的生长时期对相同指标的要求也不同，需要在实际生产中适时调控。
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3、不同基质的特性
基质类别？各个优缺点，为什么？发展的趋势 基质物理特性与基质吸水保水透气能力的关系
水、气在基质中的分布情况主要由基质的孔隙分布情况决定，大多数水分储存在毛细孔隙内，毛细孔隙率越大，保水性越强，水分的运动是基质营养物和气体分子热运动的主要驱动力，水分可通过通气孔隙（即大孔隙）在基质中快速和远距离迁移[13]，从理论上讲，采用气体交换速率的动态指标比采用气体含量的静态指标（如孔隙率）更有价值[14]。
在以上各类基质中，膨胀陶粒、珍珠岩和砂等天然无机基质表面主要属于硅氧烷表面、水和氢氧化物表面以及氧化物表面，具有很强的极性吸水能力，泥炭、椰糠等有机基质的表面所含有的羟基、羧基以及醛基等属于共价键型表面，亲水性能相对较弱，部分基质表面含有少量脂类物质，这导致诸如岩棉、泥炭等基质在使用过程中，一旦完全干燥，再次浇水时，基质很难润湿渗透再吸水。
一般认为，基质中的通气空隙率应大于15%才能满足大多数植物根系气体交换的需要，在上表所列基质中，除高度分化的低位泥炭、砂、岩棉和椰子纤维之外，其余大多数均满足要求，但实践证明，岩棉和椰糠在生产应用中单独使用同样获得了较好的效果[15,16],因为对于大多数颗粒状基质来说，当持水量达到一定程度以后，大量通气孔隙会被阻隔成单个的闭塞孔隙，无法进行气体的交换和运输，因此在实际使用过程中的有效通气孔隙率要比所测的的通气孔隙率要小得
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多，相反，岩棉、椰子纤维以及稻草秸秆纤维等纤维状基质内，大量无规则的纤维之间形成了大量交错相同的毛细管道，具有极强的虹吸效应，在相同的空气分压和溶液浓度梯度的情况下，后者基质内的水分许能获得更好的对流和扩散效果，也就更有利于作物根系营养液以及根系气体的交换吸收。在岩棉培中，甚至出现基质层从上到下，含水量逐渐减少，空气含量反而增加的现象。
基质的化学成分:基质的化学组成成分是指基质本身含有的化
学物质种类及其含量，既包括作物可以吸收利用的矿质营养和有机营养，也包括对作物生长有害的有毒物质。基质的化学组成成分中的分子结合方式、官能团以及其他活性基团等直接关系到基质的化学稳定性、吸水透气性、酸碱性、阳离子代换能力、缓冲能力和电导度等。
基质理化特性对比分析与栽培对象的关系
粒径和形状：沸石、陶粒、珍珠岩、石砾等基质粒径较其他基质要大，不利于甘蓝、花椰菜、生菜、菠菜、甜玉米以及洋葱等浅根系作物的固定，浮石、沸石、石砾等质地坚硬且菱角明显的基质易对洋葱、大蒜、大葱等玄虚根作物、肉质根、半肉质根作物以及马铃薯、魔芋等块茎类作物的地下部分组织造成损害，故一般不用于上述作物的栽培。
4、展望
材质2、结构3、植株4、加工工艺？5、标准、
（3、为什么？分析？）
4.展望（1、材质2、结构3、植株4、加工工艺？5、标准
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从基质特性与栽培对象来看，随着对基质研究的不断深入，有必要综合考虑某一特定植物的生理特性，制定出特定的栽培基质。例如生菜属于浅根系类蔬菜，且喜肥好气，水分需求量大，甘蔗渣比较适合作为其栽培基质，为了克服其容重过小的缺点，可与砾石按一定比例混合使用。
从基质形态结构来看，一般认为团聚体有利于水分的吸收和排放、通气、根系的生长和结构的稳定以及基质的可重复利用等[17]，但结合前文对水气转移的分析，纤维状基质可能更适合以营养液浇灌技术为主的无土栽培，其深层的作用机理还需要进一步深入研究。
从加工工艺方面来看，工厂化无土栽培要求其所用基质必须也适合规模化生产。在现有基质中，岩棉、陶粒珍珠岩等无机基质能很好的满足要求，但国际上已不赞成使用岩棉，其他基质因运输成高本或管理麻烦等因素的因响，也限制了其广泛发展。我国目前所推广的有机生态型复合基质，一方面在原料获得上具有较大的地域性和季节性限制，另一方面，基质成分的腐熟、配比、消毒等环节中影响因子过多，无法实现标准化生产。
目前世界上应用最广泛的基质是草炭和岩棉，但草炭是不可再生的自然资源，岩棉废弃物降解困难，均不符合长期可持续发展的要求，为满足长期大规模精细化控制的工厂化无土栽培，基质材料单一可降解化是较为易取的路径，而以木质素和纤维素为主的椰子纤维、棉纤维、麻纤维以及农作物秸秆纤维等天然纤维能很好的满足以上要求，而且上述纤维素资源广泛存在于农业、纺织业以及食品加工业中，经
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济成本低，适合基质标准化生产，可以说，纤维素纤维制品类无土栽培基质具有很高的开发价值。
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