有机生态型无土栽培基质重复利用研究概述

摘    要：目前有机生态型无土栽培在我国应用广泛，提高栽培基质的重复利用效率、减少消耗，并对废弃的基质加以循环利用，是现阶段无土栽培中需要重点解决的问题，对降低成本、保护环境、实现资源可持续利用具有重要意义。从养分管理、理化性状、微生态环境及自毒作用等四个方面重点分析了有机基质重复利用中的技术障碍及相应的修复措施，并对废弃基质再利用的价值和必要性及循环利用方式和效果等进行了阐述；指出了目前有机基质栽培中亟待解决的问题及未来的发展趋势，旨在为有机基质高效重复利用提供借鉴。

关键词：有机基质；重复利用；连作障碍；修复措施；废弃基质

中图分类号：S62 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2024）01-001-10

Review of the research on reuse of organic ecotype soilless culture substrates

LIU Rui， YANG Sufen， GU Limin， WU Panpan

（Henan Institute of Chemical Industry Co.， Ltd.， Zhengzhou 450052， Henan， China）

Abstract： Currently， organic ecotype soilless cultivation is widely used in China. It is important to improve the reuse efficiency of cultivation substrate， reduce consumption and recycle waste substrate， which is of great significance for reducing costs， protecting the environment and realizing sustainable development of resources. In this paper， the technical obstacles and repair measures about the reuse of organic substrates were analyzed from four aspects： nutrient management， physical and chemical properties， microbial environment and autotoxicity. The value and necessity of reuse of matrix waste， the way and effect of recycling are expounded. The problems to be solved urgently in the cultivation of organic substrates and the future development trend were also pointed out， aiming at providing reference for the efficient recycling of organic substrates.

Key words： Organic substrate; Reuse; Continuous cropping obstacle; Repair measures; Waste substrate

随着现代农业的快速发展，无土栽培在世界范围内被广泛应用，其摆脱了土壤的限制，具有栽种灵活、病虫害少、肥料利用率较高、生产可控性较强等优点，在绿色有机蔬菜栽培、花卉栽培、药用植物栽培、果木栽培及无土育苗等方面得到大面积应用[1-3]。

有机生态型无土栽培主要是以有机基质为载体，在栽培过程中施加肥料并进行合理的水分管理，是无土栽培中最为常见的一种栽培方式[4]。其中，有机基质主要由农林有机废弃物如秸秆、菇渣、椰糠、稻壳、腐叶、锯末、畜禽粪便等经发酵或高温处理而成[4-5]。有机基质栽培不仅具备无土栽培的优点，还为农林废弃物资源化利用提供了新的途径，是一种有利于经济发展和环境保护的栽培方式[6]。随着基质栽培规模的扩大，一方面存在基质仍可利用而废弃的情况，造成了基质的浪费，另一方面基质如果直接弃置，不仅占用场地，而且污染环境[7]；同时高成本的投入也是有机基质栽培存在的主要问题之一[5]；这些都将成为基质栽培产业化发展的瓶颈。因此遵循“3R”原则——减量化（Reduce）、再利用（Reuse）和再循环（Recycle），提高基质的重复利用效率，减少消耗，并能对废弃的基质加以循环利用，是基质栽培急需解决的问题，对降低成本、保护环境、实现资源可持续利用具有重要意义[8]。

1 基质重复利用处理技术

1.1 基质重复利用技术障碍

研究表明，与土壤栽培相比，基质栽培能够有效延缓连作障碍的发生[9-12]，但随着连作茬次的增加，基质栽培出现了不同程度的连作障碍，限制了重复利用。研究者们将原因主要归结为以下4个方面：养分失调，基质理化性质恶化，自毒作用，微生态环境改变和病虫害加剧。

1.1.1 营养成分不足或失调 长期栽培同一作物，由于其对土壤或基质中营养元素的片面吸收或是农艺措施不当，会造成某些元素的积累或亏缺，使后茬作物生长不良，产生生理障碍[13]。何莉莉等[14]研究发现，有机基质连作4茬黄瓜，铜、锌、镁、钙等微量元素含量均不同程度地逐茬减少，且与黄瓜致病菌尖孢镰刀菌数量和枯萎病发病率相关；周金燕等[5]研究发现，有机基质连续种植奶白菜，基质的主要养分（有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮、速效钾、有效磷）含量逐渐降低，到第3茬时养分不足已是影响基质重复利用的主要因素。

不同基质在栽培过程中都会有不同程度的分解和损耗，如不及时补充新基质或养分，就会影响作物的生长和产量[15]，而根据作物的生长发育规律及其需肥特征，实现作物根际养分的精准调控将是基质重复利用的关键。

1.1.2 基质理化性质的变化及对作物的影响 基质的物理性质主要反映了其保水、透气性能及其质量大小，其指标有容重、总孔隙度、持水量、大小孔隙比（气水比）、粒径等。基质的化学性质反映了其养分供应能力和缓冲能力，包含基质的化学组成及其稳定性、酸碱性、盐基交换量、电导率等[4]。基质理化性质只有达到一定的标准，才能为作物生长提供适宜的水、气、肥等根际环境。郭世荣[16]研究认为，基质的容重为0.1～0.8 g·cm-3，总孔隙度在54%～96%，pH值7.0左右，EC值在2.0～4.0 mS·cm-1范围内较适宜作物生长。

不同种类的有机基质在重复利用时会表现不同，Zucchi等[17]研究发现，有机基质的重复利用效果受消毒方式和基质种类影响。Baevre等[18]给出了基质再利用的早期例子（1984），研究发现，无需任何消毒措施，番茄可以在泥炭基质中连续种植3年，泥炭基质的物理性质无显著变化且对产量无影响。张晶等[19]研究发现，有机基质连续栽培2茬辣椒后的理化性质与新基质相比，大部分指标虽发生了显著变化，但基质的容重、总孔隙度和EC值均在适宜作物生长的范围内且不影响其产量。李建勇等[20]研究发现，有机基质连续种植2茬番茄后仍具有良好的理化性质，只是pH值偏高。李威等[21]研究发现，有机基质连续种植3茬番茄可使根系活力早衰，但基质的理化性质除总孔隙度偏低外，pH值、EC值仍在适宜番茄生长范围之内，说明此时理化性质的改变不是影响其重复利用的关键因子。周金燕等[5]研究发现，有机基质连续种植5茬奶白菜，基质的容重、孔隙度、田间持水量、pH值、EC值虽都发生不同程度的变化，但奶白菜产量与新基质种植的奶白菜产量并无显著差异，说明在一定范围内，奶白菜可适应这种理化性质的改变。武春成等[9]研究发现，日光温室下有机基质栽培黄瓜，随着种植茬次的增加，基质含水量和pH值均呈下降趋势，容重则呈逐渐增加的趋势，种植到第9茬时已经表现出了连作障碍。以上研究表明，不同的作物需要不同的根际环境，没有一种基质可以符合各种作物的需求，基质的理化性质会因作物的种类和种植茬次的多少而发生不同的变化；作物的生长发育及产量与基质的某些理化指标显著相关，与某些指标相关性不显著，在一定的变化幅度内作物可以适应这种改变，而不影响其生长。

有研究发现，不同的肥料配施水平可影响基质的理化性质和基质酶活性[22]。赵兆等[23]研究发现，合理的氮素水平有利于提高基质酶活性、基质和植株中的养分含量；强浩然等[24]研究发现，不同水分和氮素供应对辣椒栽培基质氮转化细菌和酶活性都有影响，水分和氮素的合理供给有利于增加辣椒产量。Urrestarazu等[25]研究发现，不同基质（原料分别来自杏仁壳废弃物和温室蔬菜堆肥）分别经过265 d和530 d的重复利用后，理化性质已发生显著变化，但经调整施肥参数后，甜瓜和番茄的产量和果实品质不受影响。因此如何根据作物自身的特点，选取适宜的栽培基质，明确基质理化性质与作物栽培效果的相关性指标，并建立科学的水肥管理模式，使基质理化性质能满足作物生长，是基质能够重复利用的关键。

1.1.3 自毒作用 自毒作用是指植物通过根系分泌，茎和叶的淋溶、挥发，植株残体分解等途径释放一些物质对同茬或下茬同种或同科植物的生长产生抑制作用的现象[26]。自毒物质的积累是连作障碍发生的主要诱因，其主要包括酚酸类及其衍生物、生物碱等，该类物质会使土壤酸化，改变土壤中微生物的数量和结构以及土壤酶活性，导致土壤微生态环境失衡[27-28]。

基质经过多茬栽培后，其中会残留许多烂根、根系分泌物、病菌及盐分等，余朝阁等[12]研究发现，相较土壤栽培，基质连作能缓解或减轻土壤酸化及酚酸类物质的累积，但总酚含量、苯甲酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸等酸类物质含量仍随连作茬次的增加而增加，这种积累对作物的抑制作用尚无研究结论。目前，基质栽培模式下酚酸类物质积累对连作障碍影响的相关研究较少，因此有必要探索自毒作用产生的机制，自毒物质的种类及其对作物自身、栽培基质及微生物的影响，可为基质栽培缓解作物自毒作用提供参考。

1.1.4 根区微生物及酶活性变化及对作物的影响 研究证明，土壤根际微生物及酶活性是评价土壤微生态环境质量和土壤生产力的重要指标，土壤微生物群落结构失衡、根际病原菌累积、有益微生物数量减少是连作障碍的主要因子[29-32]。

栽培基质中微生物的数量、种类和活性是衡量其生物学性状的重要参数，常因基质类型不同而存在差异。基质中的微生物主要有细菌、真菌、放线菌等，其中细菌数量最多，对基质养分循环、结构形成和作物降解均起到重要作用[33-35]。邹春娇等[36]研究认为，微生物多样性水平降低、微生物群落结构单一化是基质栽培连作障碍发生的原因之一。佟贤等[10]研究发现，稻草营养基质连续种植4茬黄瓜，细菌、真菌数量，黄瓜枯萎病、白粉病、霜霉病发病株率、畸形瓜率均随连作茬数的增加呈上升趋势，黄瓜产量逐茬下降，这说明微生物数量的变化可能是连作障碍发生的表现之一，会影响土传病害的发病率进而影响作物产量。武春成等[9，37]研究发现，有机基质连续栽培黄瓜，随着连作茬次的增加，根区微生物总数、细菌及放线菌数量在黄瓜种植7～9茬时表现为下降趋势，而真菌数量从第3茬开始表现为逐渐上升趋势，B/F（细菌/真菌）呈现先升高后降低的趋势，根际微生物结构由细菌型向真菌型转化，这与黄晓德等[38]的基质连作番茄根际微生物变化及其他关于土壤连作栽培中根区细菌数量减少、有害真菌数量增多的研究结论 [13，39-41]基本一致，也说明在连作条件下根际微生物群落由细菌型向真菌型转变过程中对其原有的生态平衡造成严重的影响，从而为病原菌的繁殖提供了有利条件。