第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来我国生活水平提高，农村经济迅速发展，大量农业劳动力从农村转向城市，造成各种农业废弃物大量增加。农业和畜牧业在生产过程产生的各种农业废弃物的大量增加，既浪费资源，又造成了严重的环境问题，也不利于农业生产（汤江武 2003）。农业废弃物的主要来源：城市垃圾和农业生产过程中产生的垃圾。据不完全统计，近年来，中国的乡镇企业总废水排放量达到 14×104t,有效利用率小于 30%（彭世良 2001）。常用的有机固体废弃物的处理方法是焚烧或填埋，而这两种方法都会引起土壤、大气和水体的污染。堆肥是一种生物处理技术，不仅可以对有机固体废物的进行安全处置，也可以使资源有效利用。
自 1990 以来，人们发现岩棉难以处理，泥炭资源有限，且在发展中不断减少，而在短期内无法回收，并带来一系列的问题。人们必须尽快的寻找可以代替岩棉和草炭的基质（Carlisle WR 1999,Schmilewski G K 1991）。利用农业废弃物作为育苗基质，不但可以有效解决农业废弃物所造成的环境问题，还可以降低基质的生产成本。农业废弃物利用的研究内容主要包括：基质的理化性质和基质与其他添加剂的配比以及基质的持水性和透水性。利用农业废弃物作为育苗基质，基质的多样化及无害化的是未来育苗基质发展的方向。
无土栽培基质是一种生长介质，可以为植物提供稳定协调的水、肥、气，除了固定植株外，还是植物营养元素的“中转站”,植物从基质中按需要选择吸收。有机生态型无土栽培是固体形式的各种肥料，作为供应植物所需的营养基质，在整个生长期可分几次将直接应用于表面基质的肥料，保持各种养料的供应强度，操作管理简单。在营养无土栽培中，不仅需要维持作物生长所需 13 种营养元素的一定浓度，也要考虑各种元素之间的平衡，特别要注意有效微量元素含量。有机生态型无土栽培的的优点是，改善农作物的品质和产量，减少农药的使用，产品清洁卫生，减少劳动力，降低水的消耗量，减少对土地的需求。
目前基质大概可分为有机基质、无机基质和混合基质。基质的选择主要从水分、养分、通气透水性等方面考虑，既要容易得到，价格低廉，又要利于就地取材。因此，根据当地的实际情况，根据基质的化学性质，物理性质和生物学性质，选择合适的农业废弃物作为育苗基质具有重要的现实意义。本研究试图通过对菇渣、猪粪、牛粪和秸秆经堆肥腐熟的基质的基本理化性质，及对在基质中添加不同比例珍珠岩、蛭石以提高基质持水性和透水性的初步探讨，为利用农业废弃物作为育苗基质提供理论依据。
1.2 国内外的研究进展
1.2.1 基质的发展趋势
中国工厂化育苗实施以来，各地有效地建立工厂示范园区，同时，育苗基质的发展作为一个重要的研究对象，不仅具有省肥、节水、省工、产量高、清洁、质量高的优点，也对蔬菜害虫和连作障碍问题有一定的影响，所以基质已得到了大力发展（刑禹贤1990）。
无土栽培、农业现代化的普及，在欧美等发达国家迅速蔓延，他们用先进的设施设备、商业管理、现代工程技术、规模化生产，使之成为育苗业效益最高的产业。发达国家蔬菜产业调查结果显示：蔬菜育苗产业利润率达 70%（刘进生 1991,罗国良 1993）。
育苗基质的材料一般有蛭石、珍珠岩和草炭等。但是泥炭资源有限，并且价格较贵，在很大程度上限制了基质栽培育苗的推广应用。因此，为了降低基质成本，开发新的基质材料是促进育种技术进一步发展的一个重要研究方向。在新型基质开发研究方面，已经有了很多研究。如以不同比例的泥炭和橡胶树木屑混合使用，做为甜瓜栽培基质（Mohd RI1997）剪枝堆肥，和其他营养丰富的基质材料混合，效果会更好（（Benito M 2005）。
人们对环境保护的重视逐步增加。砂、珍珠岩、蛭石、泥炭、岩棉、稻壳和其他材料，各种有机废弃物，如椰子壳、菇渣、糖渣、甘蔗渣等都已成为无土栽培基质的主要材料，而且取得了较好的效果。因此，农业废弃物循环利用，是基质进一步发展的一个重要方向。
华南农业大学对当地农业生产过程中产生的大量甘蔗渣作为育苗基质进行深入的研究，充分的利用了当地丰富的农业废弃资源（刘士哲 1994）；南京农业大学，用芦苇和农业废弃物等药物残留为基质，进行育苗尝试（郭世荣 2000），李谦盛（2003），在造纸废弃物和芦苇末中添加蛭石，按一定比例混合，作为育苗基质，通过育苗栽培，发现芦苇末：蛭石 3:1 的配比对番茄生长最好。
1.2.2 利用农业废弃物生产基质的研究状况
近年来，在中国农业废弃物迅速增加，许多地方已经开始利用。已经有诸多研究表明，利用农业废弃物作为育苗基质是可行的，且大部分研究都取得了较好的结果。唐懋华（2008）利用中药渣作为育苗基质在蔬菜育苗和栽培的应用研究取得的良好效果。孙治强等（2003）利用锯末堆肥腐熟后进行番茄辣椒育苗。曹红星（2005）是以农作物秸秆为基质。贾永夏（2006），郭世荣（2001）利用芦苇作为育苗基质育苗。还有用蚯蚓粪等材料作为基质在蔬菜育苗中的研究（尚庆茂 2005）。
国外也有许多这方面的研究。未来可能会出现泥炭和树皮资源短缺的情况，有人研究利用松树皮作为花卉基质（Wright RD 2005）。有学者利用杏仁壳作为基质材料，对番茄和瓜类的栽培试验（Urrcstamzu M 2005）。椰糠也可作为盆栽基质，并可以完全代替草炭。树皮和木屑混配也以可作为育苗基质用于苗木栽培（Chong C 2000）。有些人还用橄榄油和稻壳渣发酵成熟后作为培养基（papafotiou M 2004）。另外，还有大量有关将畜禽粪便、树皮、甘蔗渣、城镇生活垃圾、污泥等用于栽培基质的研究。各种材料经过适当的处理，作为基质，进行育苗栽培植物，效果好，可以部分或完全取代泥炭。
中国无土栽培起步较晚，但近几年的发展迅速，效率高、成本低、技术难度小的基质栽培技术成为基质栽培研究开发的热点（Carlisle WR 1999）。基质材料最常用的是草炭和岩棉，但两种基质成本高；岩棉降解非常困难，如果长期使用会严重污染环境。目前各国学者专家都在研究如何取代草炭， 如以色列使用牛粪和葡萄渣作为育苗基质， 加拿大用锯末， 英国用椰壳等作为草炭和岩棉的替代物均取得了较好的成效（Schmilewski GK 1991）。成本低，污染小，是无土栽培的一个重要发展方向，我们在新的无土栽培的研究中，已经取得了很大的进步。
1.2.3 无土栽培发展前景
从农业发展角度来看，人类通过对农作物生长发育过程的控制来发展农业生产。无土栽培技术是传统的农业的一大挑战，从过去依靠自然环境，到现在可以控制植物生长的各个环节。农业生产向机械化、自动化和工厂化方向发展。这将会使得农作物的产量得以迅速增长，满足社会快速发展需求。
从资源的角度来看，耕地是一种不可再生的自然资源。无土栽培可以开发利用许多不可耕地，使得耕地资源得到了补充，使粮食生产压力得以缓解。水资源威胁着人类的生存，社会的发展，文明的进步。不仅在干旱地区，包括发达的城市地区，人口密度大，水资源问题日益严重。随着地球人口数量的不断增长，超量开采水资源，超出地球负荷，一些地区水资源已经接近枯竭。控制农业用水是节约水资源的措施之一。无土栽培技术，减少了作为栽培过程中水分的大量渗漏和流失，提高了水分利用率，对水资源的节约做出贡献。
我国无土基质栽培技术发展迅速，但是与发达国家相比仍较比较落后，目前仍处于试验示范阶段。无土栽培的发展，使农业栽培进入一个新的时代，未来无土栽培基质在农业方面具有举足轻重的地位。
1.2.4 基质选材
栽培基质一般可以分为三类，无机基质、有机基质和混合基质。无机基质一般是一些天然矿物质，这些材料中养分含量少，保肥性能差，但是其化学稳定性好，在基质栽培过程中不会产生影响平衡的物质。（李国景等 2001）。有机基质含有一定养分，保肥性能好但其化学稳定性较差。有机基质有菇渣、锯木屑、甘蔗渣、树皮、芦苇末等，其中应用最广泛的是泥炭。混合基质有：有机-有机混合、无机-无机混合、有机-无机混合。混合材料的结构特性是不一样的，水，养分协调，通气透水性优于单一基质。混合基质是今后栽培基质发展的方向之一，基质的选择是研究基质理想配方的重要的环节。（田吉林等 2000）。
基质材料的选用原则，应遵从以下几个标准：
1）从生态环境保护角度，要求基本上不含有活的病毒，不含或含有害物质少。基质发酵后，达到去除虫卵杀菌的目的。
2）育苗基质有使植物完成整个生命过程的功能。由于种植的作物种类不同，适合植物生长需要的基质也有所不同。从养分条件和适合植物生长角度来说，基质能固定植物，有良好的保肥性、保水性和透气性，基质比土壤更适合植物生长。在选择合适育苗基质材料及配比时，可以将各种基质按一定比例配合使用，这样基质具有更好的保水性、保肥性和透气性。
3）选择使用当地资源丰富价廉的基质材料。一些基质在用于作物栽培时取得较好的成效，但基质材料价格较高，或者来源艰难，资源较少，不能大量使用。因此，基质材料除了能保证植物的良好生长外，基质丰富价廉，利于就地取材，并且有利于生态环境的保护，简单易得，可以长期使用是首要考虑的因素。在基质选择时，根据各地实际情况，选用菇渣、糖渣、炭化稻壳、锯末、树皮、棉籽壳、芦苇末、蛭石、炉渣、珍珠岩等价格低廉材料用作作育苗基质。
1.2.5 农业有机固体废弃物基质配方筛选
利用农业废弃物作为育苗基质，进行花卉、苗木栽培试验，结果发现可以提高金橘的产量、香水百合的花蕾数，使桂花的株高和茎粗等方面都有所增加（徐爱芬 2010）。用土壤、牛粪和香菇渣按 54%、23%和 23%混合，对 1 年生和 2 年油松进行栽培试验，效果最佳（王春荣 2010）。用腐熟的菌渣作为矮牵牛栽培基质，矮牵牛花冠和数量显着增加（刘二伟 2010）。在泥炭中添加用发酵过的菇渣，以 40%泥炭+20%陶粒+20%珍珠岩+20%菇渣作为育苗基质基质，对芍药进行盆栽，取得的效果良好（陆光沛 2011）。
1.3 基质理化特性在栽培中的影响
1.3.1 基质的物理性质与植物生长
1.3.1.1 粒径
粒径是指基质颗粒的直径大小，基质的孔隙度主要受到粒径的影响，基质的粒径大小直接影响到基质的容重、总孔隙度。随着基质粒径的减小，大孔隙减少，基质孔隙度减小。树皮理想的粒径是<0.5mm（Handreck K A 1989），泥炭的理想粒径是 0.6-6.0 mm（Puustjarvi V 1975）。砂子理想粒径是 0.25-1.0mm,但如果<0.25 mm,基质的通气孔隙会减少，基质中细小颗粒会造成孔隙阻塞，所以<0.1 mm 粒径的颗粒不能多于 3%（Swanson B.T1989）。在实际运用中，为了保证植物根系可以充分的吸收水分，并且基质中含有有较多的氧气，基质的颗粒粒径大小要在一定范围之内（李斗争 2006）。通过对 5 种不同粒径的蛭石的物理性质分析，进行栽培。试验结果表明不同粒径基质含水量不同，孔隙度差异较大，不同粒径基质用作育苗基质对作物生长影响不同。基质颗粒过粗，通气性好，但持水能力较差，使灌水次数增加；基质颗粒太小，持水性好，但通气性差，作物根系不能正常生长。通过对不同颗粒粒径珍珠岩的研究，物理性质的不同水分常数的影响不同，对黄瓜的生长有很大的影响。为了保证栽培基质孔隙度良好，需要对不同粒径基质进行分配（田吉林 2002）。
1.3.1.2 基质总孔隙度
基质的总孔隙度是指基质中所有孔隙度的综合，总孔隙度的大小影响基质的通气透水性。基质总孔隙度大，则通气透水性好。基质总孔隙度大，则基质中可容纳空气多，植物根系可以更好生长。但是总孔隙度过大，例如总孔隙度在 90%~95%以上的岩棉、蛭石、糖渣等，基质较疏松，对作物的支撑固定能力较差。基质孔隙太小，如砂的总孔隙率约为 30.5%,基质中的空气含量少，植物不能正常生长。因此，在基质材料选择时，应该将不同粒径材料按不同比例混合使用，以免基质总孔隙度过大或过小。基质标准总孔隙度为 60%-90%（高丽红 2000）。
1.3.1.3 基质气水比
基质气水比又叫大小孔隙比，是指育苗基质中的通气孔隙和持水孔隙之比。在基质中，空气所占的孔隙叫做通气孔隙。水分所占的孔隙叫做持水孔隙，也叫毛管孔隙。如果气水比较小，则表明基质中同期孔隙度小，而赤水孔隙度大，这样就会造成基质通气性较差，并会到导致作物不能正常生长。而气水比大，则表明基质中的通气孔隙度大，而持水孔隙度小，基质透气性好，但水分含量少，需增加灌溉次数，才不会导致作物缺水，而且每次灌溉量不能太大。孔隙性基质气水比可作为基质品质的参数之一，一般基质总孔隙度为60%-90%,毛管孔隙度与通气孔隙度比为 l:l（田吉林 2003）。
1.3.1.4 基质容重
基质容重受到基质的材料以及基质颗粒粒径大小的影响。不同基质材料其容重也不相同，同种基质材料经过不同的加工方式，其容重也会不同。如果基质容重较大，则基质紧实，基质中孔隙度小，不利于作物正常生长；而基质容重过小，基质疏松，通气透水性良好，有利于作物根系的生长。小麦秸杆、玉米秸杆、菇渣等基质容重比较大，而树皮、花生壳、锯末、芦苇末等基质容重较小。基质材料的容重在 0.1-0.8 g·cm-3之间对植物生长最好。
1.3.2 基质化学性质与植物生长
1.3.2.1 基质化学稳定性
不同材料基质的化学组成成分不同，在不同作物的栽培过程中，基质在不同情况下会发生不同化学变化，有机物的分解，会改变了其中的化学、物理、生物特性，这是生物活动的结果。无机基质一般是一些天然矿物质，这些材料中养分含量少，保肥性能差，但是其化学稳定性好，在基质栽培过程中不会产生影响平衡的物质。目前对于如何测定有机基质的的化学稳定性还没有确切的方法。有科研人员通过检测基质体积的收缩，得到基质的化学稳定性 （Prasad M 2004）。
1.3.2.2 基质酸碱性
基质的酸碱性主要反映经过电离后，基质中盐类的含量，基质的 pH 影响其中养分的平衡，对作物生长影响较大。不同材料基质的组成成分不同，基质的酸碱度也不相同。
草炭是育苗中利用率较高的基质，草炭 pH 一般为 4.0-6.6,偏酸性。同时，不同基质材料混配的比例不同，也会导致 pH 的不同，作物栽培过程中，浇水次数的不同，施肥种类和方式的不同也会影响基质的酸碱度。
1.3.2.3 基质电导率
由于基质材料和配比的不同，导致基质中的可溶性盐分也有所不同，为了不让基质中的盐分含量直接影响到植物正常的生长发育。通常在选择基质前，对所选基质的电导率进行测定，根据电导率的不同以做出正确的选择。有人认为，大部分植物适宜植物生长的电导率范围在 0.5-3.0 ms/cm 以内。（张福墁 2000）。有研究表明，基质电导率≤2.6 ms/cm时，有利于作物正常生长，电导率较高的基质材料有其中棉籽壳、芦苇末和小麦秸杆等（程斐 2001）。
1.3.2.4 基质 N、P、K
在实际生产中，栽培基质有很多作用，基质能过固定植物，支撑植物地上部分，能为植物生长提供部分营养物质。N、P、K 是植物生长所必需的营养元素，N、P、K 的供应状况直接影响到作物的产量和质量。有机基质养分含量较高，但是大部分是大量元素，微量元素供应不足，虽然能基本满足植物正常生长所需要的基本营养元素，但是无法使植物更好生长，不能达到生产的要求，尤其是无机基质，养分含量很少，无法满足作物对养料的需求，选用有机无机基质混合使用可以满足作物正常生长对 N、P、K 营养元素的需求。研究表明，有机混合基质释放的养分，可以满足满足作物的基本要求，只需要添加大量元素，可以使农作物的正常生长（蒋卫杰等 1996）。
1.3.2.5 基质有机碳
基质腐熟过程中有机碳的转化是一个重要的指标和过程，在研究基质腐解过程中有机碳的变化时，我们将其分为总有机碳和水溶性有机碳。在基质堆肥过程当中，基质中一些不稳定的有机物质转化为 CO2、水和稳定的有机质，总有机碳的含量在慢慢减少。
而水溶性有机质是基质堆肥过程中，微生物在分解有机物料中半纤维素、纤维素等组分的产物。在研究水溶性有机质的试验中，由于堆体物料不同，水溶性有机碳的变化不尽相同。
1.3.2.6 硝态氮、铵态氮
氮素是基质中最主要的元素之一，基质中含有大量的氮素。随着堆肥过程中温度的变化，在堆肥初期铵态氮含量较高，随后逐渐降低维持在一个恒定的水平；相反，硝态氮的含量开始较低，随后逐渐增加。初期由于硝化细菌受到高温抑制，硝态氮的含量很低，硝化细菌开始活动后，硝态氮含量逐渐升高，也就表示着有机物料已经经过强烈的高温阶段。
1.3.2.7 生物指标-种子发芽试验
发芽试验是从生物学的角度来判断基质是否腐熟，植物发芽实验是评价基质腐熟度最令人信服的方式，测量种子的发芽率，衡量基质毒性最方便的方式。有研究发现（Zucconi1981），使用堆肥材料浸泡种子发芽试验，能抑制种子发芽。而经过堆肥后，浸提液对种子发芽具有促进作用。以种子发芽指数 GI 来评价堆肥是否腐熟，当 GI>50%时，堆肥已达腐熟。
1.3.3 理想基质理化性质
孔隙度大、吸水率大、通气较好、持水率强、酸碱度适当。目前基质的理化性质还没有明确的标准。理想基质的容重在 0.15-0.8 g/cm?之间，总孔隙度为 60%-90%,通气孔隙度为 15%-30%,持水孔隙>40%,电导率在 0.75-3.59 ms/cm 之间，pH 在 5.8-7.0 的。（陈振德1998）认为在基质材料选择之前，应测定基质的理化性质，以此来判断是有利于植物正常生长。
1.3.4 基质水分特性在栽培中的影响
基质的水分特性要从吸水性和保水性两方面来看。吸水性是指基质一次能吸入的水分量，基质孔隙度大，吸水率高。有些基质的表面有一层蜡质，有一定的斥水性，浇水时候难以吸入水分，对基质进行堆肥发酵处理可以提高基质的吸水性和保水性。
通过以上大量试验研究报道，影响以及评价基质的指标主要分为物理学指标、化学指标和生物指标。
