无土栽培原理

 无土栽培原理

第一节 固体基质

一、固体基质的种类

按基质的组分来分类可分为：

无机基质   砂子、砾石、珍珠岩、蛭石、岩棉、矿棉、陶粒、聚乙烯、聚丙烯、酚类树脂、尿醛泡沫塑料、炉渣

有机基质   草炭、泥炭、木屑、秸秆、稻壳、树皮、棉籽壳、蔗渣、椰糠

二、固体基质的作用

1.支持固定植物

2.保持水分

3.保持和提供营养

4.提供氧气

5.缓冲作用

三、对固体基质的要求

植物的根系直接与基质接触，因此基质的理化性质对根系的吸水、吸肥，呼吸等生理活动影响很大。

（一）理想基质应具备的条件

1.适于种植多种植物，适于植物各个生长阶段的生育。

2.容重轻，便于搬运。

3.总孔隙度大，达到饱和吸水量后，尚能保持大量通气孔隙，有利于植物根系的贯通和扩展。

4.吸水率大，持水力强，减少浇水次数；同时，多余的水分容易排除，不易发生湿害。

5.具有一定的弹性和伸长性，对根系的固定性好又不妨碍根系生长。

6.浇水少时不易断裂而伤根，浇水多时不粘妨碍根系呼吸。

7.绝热性好，基质温度稳定不伤根

8.基质不带病、虫、草害

9.不会因高温、冷冻、化学药剂处理而发生变形变质，便于重复使用时基质消毒。

10.基质具有一定的肥力，对养分的供给和pH值有一定缓冲能力，又不会对营养液和pH有干扰。

11.pH值易调节。

12.不污染环境。

（二）基质的物理特性

1.容重  是以基质干重/基质体积来表示（g/cm³）

容重主要受基质密度（质地）和颗粒大小的影响，反映了基质的疏松程度。容重过大，总孔隙度小，基质紧实。这种基质透水、透气性差，影响根系生长，栽培效果差，操作管理难。容重过小，总孔隙度大，基质疏松，通气性好，但是基质易干，需经常浇水，管理麻烦，基质易漂浮，根系固定不好。一般基质容重以0.1～0.8g/cm³为好。实际上对于容重小而吸水多的基质，湿容重更能说明问题。

2.总孔隙度 指基质中持水空隙和通气空隙的总和占基质体积的百分数

        总孔隙度=(1-容重/比重)×100

孔隙度大基质疏松，容纳的空气与水的量大，有利于根系生长，但对根系的固定和支撑差。反之孔隙度小，基质紧实，气水容纳量较少，不利于根系伸展，需频繁供液。大空隙占5%以下属低孔隙度，占5～30%属中等孔隙度，大于30%属高孔隙度。高孔隙度的基质持水量低，容易干燥。一般总孔隙度在54～96%较适宜。

3.气水比（大小空孔隙比） 是指在一定时间内，基质中容纳气、水的相对比值，通常以基质的大孔隙和小孔隙之比来表示，并以大孔隙值作为1。大空隙是指基质中空气占据的空间，即通气孔隙，孔隙直径0.1mm以上；小孔隙是指基质中水分占据的空间，即持水孔隙，孔隙直径在0.001～0.1mm范围内（毛管水）。用下式表示：

大小孔隙比=通气孔隙（%）/持水空隙（%）

总孔隙度只能反映在基质中空气和水分能容纳的空间总和，不能反映基质中空气和水分各自能容纳的空间。而大小孔隙比能够反映出基质中气与水之间的状况，是衡量基质优劣的重要指标，与总孔隙度一起可全面的表明基质中气和水的状态。如果大小孔隙比大，说明空气容量大而持水容量小，即贮水力弱而空气容量大；反之，如果大小孔隙比小，则空气容量小而持水量大。一般基质的气水比在1∶2～4范围内为宜，此时基质持水量大，通气性好。如果用孔隙度衡量就是总孔隙度中同时能够提供20%的大孔隙和20～30%的小空隙。

4.颗粒大小（粒径） 是指基质颗粒的直径大小，用毫米表示。基质颗粒大小直接影响基质的容重、总孔隙度和大小孔隙比。基质颗粒越小容重越大、总孔隙度越小，大小孔隙比越小；反之亦然。一般基质颗粒可分五级：<1mm、1～5mm、5～10mm、10～20mm、20～50mm。以0.5～5mm为好，小于0.5mm的颗粒最好不超过基质总量的5%。当然不同基质适宜的粒径大小不同，砂粒粒径以0.5～2.0mm为宜，陶粒以10mm内为宜。栽培基质应有较好的形状，不规则的颗粒表面，但不具棱角，有较大的表面积，能够保持较多水分，多孔结构颗粒内部保持水分。此外基质应具有抗分解能力，以免栽培日久颗粒由大变小，基质孔隙度办校，容重改变。由于多数基质的理化特性不够理想，因此生产中多采用混合基质，基质混合后的体积要小于原来材料的体积的总和。

表2   基质的物理性状

基质

种类

容重（g/cm³）

比重（g/cm³）

总孔隙度（%）

大孔隙（%）

小空隙（%）

气水比

持水量（%）

适宜粒径（mm）

土

1.10

2.54

66.0

21.0

45.0

1:2.14

砂子

1.5~1.8

2.62

30.5

29.5

1.0

1:0.03

小

0.5~3

炉渣

0.78

54.7

21.7

33.0

1:1.51

1~5.0

蛭石

0.07~0.25

2.61

95~133.5

25.0

108.5

1:4.35

大55

0.75~8

珍珠岩

0.03~0.16

2.37

60.3

29.5

30.75

1:1.04

大

3~4

岩棉

0.06~0.11

96~100.0

64.3

35.75

1:0.55

大

草炭

0.2~0.6

1.55

77~84

5~30

72~54

棉籽饼菇渣

0.24

74.9

73.3

26.69

1:0.36

木屑

0.19

78.3

34.5

43.75

1:1.26

炭化稻壳

0.15

82.5

57.5

25.0

1:0.43

脲醛泡沫

0.01-0.02

829.8

101.3

726.0

1:7.13

砾石

1.5~1.8

小

1.6~20

膨胀陶粒

0.5~1.0

小

0.5~1.0

蔗渣

0.12~0.28

90.8

44.5

46.3

1:1.04

树皮

0.1~0.3

2.00

松树针叶

0.1~0.25

1.90

（三）基质的化学特性

1.基质的酸碱度（pH值）  主要影响根系环境的酸碱度，而且酸碱度过高及过低都会使某些元素沉淀，造成缺素症。一般植物生长适宜的pH=5.6～7,因此基质的pH=6～7较好。石灰质的砾石和砂子富含碳酸钙（CaCO₃），供液后溶入营养液中，使pH升高，发生铁沉淀，造成植物缺铁，故不适合作基质使用。酸性或碱性基质在使用前应用水洗、用酸碱调节。

基质酸碱度的测定方法：取1份基质加5份蒸馏水（体积比）混合、充分搅拌，1小时后采用酸度计测定。

2.基质的盐基交换量（CEC） 是指基质的阳离子代换量，即在一定酸碱条件下，基质含有的可代换性阳离子的数量。以100g基质代换吸收阳离子的毫克当量数（me/100g基质）来表示。盐基代换量表示基质对养分的吸附能力，对养分和pH值的缓冲能力。但是也会影响营养液的平衡，使人们难以控制营养液的组分。基质的盐基代换量越大则缓冲能力越强。基质缓冲能力大小顺序：有有机基质>无机基质>惰性基质>营养液。高位草炭的盐基代换量为140～160me/100g、中位草炭的盐基代换量为70～80me/100g、蛭石的盐基代换量为100～150me/100g、树皮的盐基代换量为70～80me/100g，砂、砾、岩棉等惰性基质的盐基代换量为0.1～1.0me/100g。盆栽时基质的盐基交换量在10～100me/100cm³比较适宜。

3.基质的电导率（EC） 表示基质中已经电离盐类的溶液浓度。一般用毫西门子/厘米（mS/cm）表示。反映基质中原来带有的可溶性盐分的多少，直接影响营养液的平衡，一般不宜超过1000mg/kg，最好≤500mg/kg。基质中含有一定的盐分可为植物提供一定的营养，但是电导率过高会影响营养液的平衡，且造成盐害。一般花卉栽培基质的电导率小于0.37～0.5 mS/cm时（相当于自来水）必须施肥，电导率达到1.3～2.75 mS/cm时一般不用施肥，栽培蔬菜作物时基质的电导率应大于1 mS/cm。

4.基质的化学成分及稳定性 基质的化学物质的种类、含量，及发生化学变化的难易程度，直接影响营养液的平衡，同时也为植物提供养分。在无土栽培中要求基质有很强的化学稳定性，不含有毒物质，以减少营养液受干扰的机会，保持营养液的化学平衡。

表3  几种基质的营养元素含量

基质种类

全氮

（%）

全磷

（%）

速效磷mg/L

速效钾mg/L

代换钙mg/L

代换鎂mg/L

速效铜mg/L

速效锌mg/L

速效铁mg/L

速效硼mg/L

菜田土

0.106

0.077

50.0

120.5

324.7

330.0

5.78

11.23

28.22

0.425

炉渣

0.183

0.033

23.0

203.9

9247.5

200.0

4.00

66.42

14.44

20.3

蛭石

0.011

0.063

3.0

501.6

2560.5

474.0

1.95

4.00

9.65

1.063

珍珠岩

0.005

0.082

2.5

162.2

694.5

65.0

3.50

18.19

5.68

岩棉

0.084

0.228

1.338*

棉籽壳

2.20

2.26

0.17*

炭化稻壳

0.54

0.049

66.0

6625

884.5

175.0

1.36

31.30

4.58

1.29

玉米芯菇渣

1.89

0.137

0.77*

5.37*

0.528*

河砂

0.01

99.2

307*

727*

318*

玉米秸

0.84

677

1.43*

0.494*

0.289*

麦秸

0.44

686

1.28*

0.309*

922*

杨树木屑

0.21

226

0.27*

0.689*

666*

注：*为百分数（%）

5.基质的碳氮比 碳氮比高的基质由于微生物的活动对氮的争夺，会导致植物缺氮。C/N值在200:1～500:1属中等，小于200:1属低等，大于500:1属高等，一般基质栽培要求碳氮比宜低，不宜高，通常碳氮比在30:1左右较为适宜。

表4  基质的化学特性

基质种类

PH

CEC（me/100g）

EC（mS/cm）

C/N

砂子

6.5~7.8

炉渣

6.8水洗

蛭石

6.5`~9

珍珠岩

6.0~6.3

岩棉

6.3~8.3

低

草炭

3~6.5

棉籽饼菇渣

6.4

木屑

6.2

炭化稻壳

6.5

泡沫塑料

砾石

膨胀陶粒

4.9~9

蔗渣

树皮

4.2~4.5

松树针叶

四、几种固体基质的特性

（一）无机基质

1.岩棉  白色或浅绿色。容重为0.06～0.11g/cm³，总孔隙度96～100%，大孔隙为64.3%，小空隙为35.7%，气水比1:0.55，吸水力强，pH值为6.0～8.3,碳氮比和盐基代换量低，属惰性基质。因此，岩棉体轻，易般运；理化性状稳定；高温合成不带病菌；吸水力强，水分供给充足；水分张力小，容易沤根。应控制供液量，同时通过控制岩棉高度了来控制岩棉的含水量，一般高度为10～15 为宜，使水分沉入下层。新的岩棉pH值较高，一般在7～8，可用磷酸或硫酸冲洗使其pH值下降；不宜腐烂，育苗后定植到土壤中造成污染。

2.砂 容重1.5～1.8%g/cm³，总孔隙度30.5%，大孔隙29.5%，小空隙1.0%，气水比1:0.03,pH6.5～7.8，碳氮比和持水量均低，没有盐基代换量，电导率0.46mS/cm，适宜粒径为0.5～3mm。因此，砂子容重大，搬运及更换基质时不方便；持水性差，便于排水通气，但不利于保水保肥，气水比矛盾大，缓冲能力差，对营养液配方、灌液量和灌液次数要求严格，管理麻烦，灌液应少量多次。砂子的大量元素含量少，但含有一定的微量元素Fe、Mn、B等，但是有时会引起微量元素中毒，特别是在酸性条件下，应进行化学分析后使用。砂子还含有氧化钙应清洗后使用，石灰性砂子含有大量的氧化钙，一般含量超过20%的不能作基质使用。砂子属惰性基质，大量元素含量少，不会影响营养液浓度平衡，带菌少，消毒容易。

3.砾石 砾石容重大，一般为1.5～1.8g/cm³，不便搬运和管理，要求栽培槽坚固。砾石属惰性基质，不具有盐基代换量，保水保肥能力差，排水性好，通气性好，坚硬不宜碎，使用粒径为1.6～20mm，其中1/2的砾石粒径13mm左右。砾石的化学组成差异很大，一般以非石灰性砾石为好，不宜采用石灰质的。新砾石对营养液的pH和营养液的组成浓度有一定的影响，使用前应使用磷酸钙处理或频繁换液，降低pH。综上所述，目前使用砾石作基质的越来越少了。

4.蛭石 容重小，为0.07～0.25g/cm³，总孔隙度95%，大小孔隙比约1:4,气水比为1:4.34，持水量大，为55%（每立方米蛭石可吸水100～650kg），电导率为0.36 mS/cm，碳氮比低。因此蛭石轻，搬运方便，保水保肥能力强，通气性好。有较强缓冲能力和离子交换能力，矿质营养能适量释放，供植物吸收利用，但氮磷较少，配制营养液时应给予考虑。使用1～2次后结构会破碎，孔隙变小，影响通气和排水。不宜长期使用。pH6.5～9.0与酸性基质混合使用较好，单独使用时应加入少量酸中和。国外园艺用蛭石按直径大小分为4级：3～8mm为1级；2～3mm为2级；1～2mm为3级；0.75～1mm为4级。1级常作为育苗基质，2级最常用。

5.珍珠岩 直径为1.5～4mm的灰白色多孔性闭孔疏松核状颗粒，又称为膨胀珍珠岩或“海绵岩石”。是一种轻质团聚体，容重小，为0.03～0.16g/kg³，总孔隙度为60.3%，其中大孔隙为29.5%，小空隙为30.8%，气水比1:1.04,持水量玮0%，电导率为0.31 mS/cm，碳氮比低。因此珍珠岩体轻，易搬运；持水性好（吸水量可达自重的2～3倍），通气性好，易排水；理化性状稳定，所含养分几乎不能吸收利用，盐基代换量低于1.5me/100g，几乎没有缓冲能力和离子交换性能；抗各种理化因子作用，不易分解，不会对营养液产生干扰；带菌少；但受压后易碎；易漂浮，固定性差，适合与其他基质混合使用；其氧化钠含量不宜超过5%。园艺上常用颗粒大小为3～4mm。

6.膨胀陶粒 又称多孔陶粒或海氏砾石（Hydite），外壳硬而较致密，色赫红。从切面看，内部为蜂窝状的孔隙构造；质地较疏松，略呈海绵状，微带灰褐色。比重0.3～0.6，容重为0.5～1.0g/cm³，大孔隙多，吸水率为48ml/(L·h)，通气性和排水性好，持水性差。。其pH值4.9～9.0，有一定的盐基代换量，CEC为6～21me/100g，碳氮比低。多数颗粒横径为0.5～1cm，坚硬不宜碎，可反复使用，但是连续使用后表面吸收的盐分易造成小孔堵塞。适合栽培要求通气性好的花卉，不易栽培需水量大的植物和小苗，单独使用多用于循环营养液的种植系统，或与其他基质混合使用，或作为人工土的表面覆盖材料。陶粒单价高于珍珠岩、蛭石等基质，但是可反复使用实际成本并不高。

7.炉渣  容重适中为0.78g/cm3，总孔隙度为55.0%，其中大孔隙22.0%，小空隙33.0%；持水量为17%。通气性和排水性好，持水性差，最好不单独使用混合使用中的用量不宜超过60%，使用粒径为1～5mm。炉渣的电导率为1.83mS/cm，含有一定量的大量元素和微量元素，对营养液成分影响大。PH值较高使用前应清洗或用酸碱液中和。炉渣资源丰富，廉价，带菌少。

8.泡沫塑料 主要有脲醛泡沫、软质聚氨酯泡沫、酚醛泡沫和聚有机硅烷泡沫等，特别是脲醛泡沫。脲醛泡沫塑料干容重0.01～0.02g/cm3，总孔隙度为827.8%，大孔隙为101.3%，小空隙为726.0%，气水比为1:7.13，最高饱和吸水量可达自重的10～60倍或更多。因此脲醛泡沫体轻，固定性极差，栽培时必须用容重大的基质增重。通气性好，排水性好，持水性强，有弹性，在受到不破坏结构的外力压缩后仍能恢复原状。脲醛泡沫pH为6.5～7.0，可随意调节；富含氮（36~38%）、磷、钾、硫、锌等元素；色洁白，容易按需要染成各种颜色；无特殊气味；生产中使用酸碱和高温处理不带病虫、草籽。是一种理想的基质，可代替土壤单独使用，也可和其他基质混合使用。单独种植观赏花卉，不需要生长量时，可只浇清水。与建筑保温用岩棉价格相近，比农用岩棉低。

（二）有机基质

1.草炭  又叫泥炭。由未完全分解的植物残体、矿物质和腐殖质三者组成。是世界上公认的最好的无土栽培基质之一。草炭容重为0.2～0.6g/cm3（东北高位草炭可低到0.14g/cm3，江苏低位草炭可高达0.97g/cm3），体轻，易搬运；总孔隙度为77～84%，大孔隙为5～30%；持水量为50～55%；含水量为30～40%，自然状态下可达50%以上；因此草炭通气性强，持水量大。草炭的PH值 3.0～6.5,个别达到7.0～7.5 ，如果呈酸性可与碱性基质混合使用，或加入白云石粉4～7kg/m3；盐基代换量中等或高，个别可达0.2～0.7me/100g；电导率1.10 mS/cm；碳氮比低或中等；有机质和全氮含量高，如有机质含量达到40%以上，最好与其他基质混合使用，以增加容重，改善结构，混合比例为25～75%（体积比）。草炭可分为三类：

（1）低位草炭 容重较大，吸水量和通气性较差，不易单独作无土栽培基质。分解度高，氮和灰分含量较高，可直接作肥料使用。

（2）高位草炭 分解度低，氮和灰分含量较少，酸性较强（pH4～5），容重较小，持水力、盐基代换量、吸水力、通气性较好，可与其他基质混合使用。

（3）中位草炭 形状介于以上二者之间，可用于无土栽培基质使用

2.芦苇末 又称人工泥炭。利用造纸厂废弃下脚料—芦苇末，添加一定比例的鸡粪等辅料，在发酵微生物的作用下，堆制发酵合成优质环保型无土栽培有机芦苇末基质。容重0.20～0.4g/cm3，总孔隙度80%～90%，气水比0.5～1.0，电导率1.2～1.7 mS/cm，pH7.0～8.0,盐基代换量60～80me/100g，具有较强的缓冲能力。各种营养元素含量丰富，微量元素的含量基本满足植物生长发育的需要。理化性状基本可与天然草炭相比拟。

3.甘蔗渣 经过3～6个月的堆制，增施氮肥处理，蔗渣可以成为与草炭种植效果相当。容重为117g/cm³，大孔隙44.9%，小空隙46.3%，气水比1:1.03，pH为4.86~5.3。蔗渣的粒径为5～15mm。

4．椰糠 有名金椰粉、压缩植物培养料，是椰子果实外壳加工后的粉状废料。椰粽或椰壳切成小块可作为栽培基质。未经切细压缩者含有长丝，质地蓬松。经过切细压缩者呈砖状，每块重450g或600g，加水体积可膨大至6000～8000cm³,吸水量为自重的5～6倍，湿容重为0.55g/cm³，PH为5.8～6.7。吸水力强、持水量大、通气性和排水性较好，保肥能力较强，PH、容重适中，价格适中。但是碳氮比较高，容易出现缺素现象。不适合单独使用，与其他基质混合使用，是盆栽培花卉比较理想的基质。

5.腐叶 是花卉常用的混合基质的种类之一，不适合单独使用。在秋季将阔叶树叶集中在坑中腐熟，春季使用。有较好的盐基交换量、持水性、透气性，能够为植物提供一个类似有土栽培的理想环境。因此在花卉栽培中越来越受到重视。

此外腐叶、炭化稻壳与其他基质混合使用效果很好。而木屑、树皮、菇渣经过发酵处理，可与其他基质混合使用，但是混合比例不宜过大。菇渣的氮磷含量较好，不宜直接作为基质使用，混合使用时菇渣的比例不应超过40%（体积比）。

（三）混合基质 也叫复合基质，是由两种以上的基质按一定比例混合而成。我国很少以商品复合基质出售，多数是由上述几种单一基质混合而成。因为每种基质都有各自的优缺点，因此混合使用可以互相补充完善。

基质混合的原则是基质的理化形状可相互补充，混合后复合基质的理化性状更好；配比合理；以2～3种基质混合为宜；可根据不同作物的需要选择不同种类的基质、不同配比进行混合。比较好的混合基质应使用于各种作物栽培，例如1：1的草炭：蛭石、1：1的草炭：锯末、1：1：1的草炭：蛭石：锯末、1：1：1的草炭：蛭石：珍珠岩。

（四）基质的消毒

基质可反复使用，但是基质使用后常常带有病菌、虫卵，因此应进行基质消毒。主要方法有蒸汽消毒、化学药剂消毒、太阳能消毒。

1.蒸汽消毒 在有蒸汽的地区使用经济实用、效果好，安全，无污染，但是较其他方法比成本高。方法是将基质堆成20cm高，覆盖防水耐高温的布，导入蒸汽，在70～90℃下，消毒1小时。

2.化学药剂消毒 成本低廉，效果好，但是应避免药物残毒，安全性差，易造成环境污染。尽管如此，仍然是目前无土栽培中一种常用的消毒方法。

(1) 40%甲醛 也叫福尔马林。杀菌效果好、杀虫效果差。40%甲醛稀释40～50倍，喷洒在基质上混匀，每米³基质喷洒药液20～40L，然后覆盖塑料薄膜密闭24小时以上。使用前基质风干两周左右，使药剂挥发避免药剂残留危害。

(2) 氯化苦 (Cl₃CNO₂ 三氯硝基甲烷) 在15～20℃下效果好。将基质堆成30cm厚，每隔30cm打一孔，孔深10～15cm，注入氯化苦3～5ml，立即将孔堵住。然后再堆第二层基质，打孔放入药剂。共处理2～3层，然后覆盖塑料薄膜密闭7～10天，使用前基质风干7～8天左右，使药剂挥发避免药剂残留危害。

(3) 威百亩 对线虫、杂草和某些真菌有效。施用时1L威百亩加入10～15L水稀释，喷洒在10米³基质上，然后覆盖塑料薄膜密闭15天。

(4) 漂白粉(次氯酸钠或次氯酸钙) 方法简单迅速，特别适于砾石、砂子消毒。配制0.3～1%的药液浸泡基质0.5小时以上，然后用清水冲洗消除残留氯。也可用次氯酸代替漂白粉用于基质消毒。

3.太阳能消毒 是一种安全、廉价、简单实用的基质消毒方法。在夏季温室、大棚休闲期间，将基质喷水，使其含水量达到80%，堆成20～25cm高，覆盖塑料薄膜，密闭温室、大棚升温10～15天。