设施栽培基质与土壤环境研究方法ppt课件

高级设施环境工程学,园艺学院设施农业科学与工程系,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,第七章,.,3,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,第一节设施栽培基质,设施土壤指温室和塑料大棚下的土壤。这种土壤温度高，蒸发量大，没有天然降水的淋溶作用。常造成表土盐渍化等不利于植物生长的因素。无土栽培基质通常所指的无土栽培基质都是指固体栽培基质（水除外），即用以代替土壤来固定或支持植物，并为根系提供良好的水分和营养条件的基础物质。,基质分类,无机基质：沙、珍珠岩、蛭石、陶粒、岩棉等有机基质：泥炭、树皮、蔗渣等,理想的基质与栽培方式有关，适合盆栽的无土基质，固体、空气、水分分别为30%、35%、35%；适合于槽培或袋培的无土基质，固体、空气、水分分别为40%、30%、30%。,.,4,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,一基质的发展,基质栽培的历史虽然古老，但真正的发展始于1970年丹麦Grodan公司开发的岩棉栽培技术和1973年英国温室作物研所的NFT技术。砂砾最早被植物营养学家和植物生理学家用来栽培作物，通过浇灌营养液来研究作物的养分吸收、生理代谢，以及植物必需营养元素和生理障碍等。因此，砂砾是最早的栽培基质。如在Vanhelmont著名的柳条试验基础上，Boussingault、Salm（1851-1856）在涂蜡的玻璃器具或纯蜡的容器中用砂砾、石英或活性炭栽培燕麦，得到了植物需要N、P、K、S、Ca、Mg、Si、Fe、Mn的证据。随后Salm-Horstmar（1871）试验过石英、河沙、水晶、碎瓷、纯碳酸钙、硅酸以及活性炭作为燕麦的生根基质。Hall（1946）用来作为兰花的栽培基质等等。随后可作为固体基质栽培的基质很快扩展到石砾、陶粒、珍珠岩、岩棉、海绵、硅胶、碱交换物（离子交换树脂，如斑脱土、沸石及合成的树脂材料等）、泥炭、锯末、树皮、稻壳、泡沫塑料、炉渣以及一些复合基质。在生产上运用较多的有美国康奈尔大学开发的4种复合基质，英国温室作物研究所开发的GCRI混合物以及荷兰的岩棉、泥炭等。1940年以后，稻壳、粘土、砂、珍珠岩、纤维素、岩棉、泡沫塑料成为基质的主要材料。国内关于基质方面的研究尚未达到实用阶段，目前的研究仅处于用植物长势和产量对可作为基质的原材料进行评价上，即各种基质的比较、选择等。而基质的结构（颗粒大小、形状、孔隙度）、结构的保持、水分养分运移、配套的营养液管理技术等关键要素缺乏的研究，商品化基质的开发叶较为缺乏。,.,5,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,二基质研究的主要领域,基质材料的研究美国是蔬菜生产上最早应用无土栽培的国家，常用的基质有：蛭石、珍珠岩、泥炭、岩棉、砂、树皮、木屑、聚丙烯泡沫塑料等。应用时往往采用混合的基质，例如：蛭石（或珍珠岩）1份加泥炭1份，或泥灰4份加蛭石和珍珠岩各3份。英国为有效缓解泥炭开采问题而研发的新型无土栽培基质，是按照一定比例将煤和树皮两种不同的材料搭配在一起制成的混合基质。将树皮碎屑和颗粒细小的煤炭残渣以7:3的比例混合在一起形成的混合物也能作为栽培基质使用。混合基质有：无机-无机混合、有机-有机混合、有机-无机混合。从国内外无土栽培研究和生产实践的历史与现状看，有机型基质使用较少。一方面是由干植物的有机营养理论不清楚，有机成分在设施滴灌条件下的释放、吸收、代谢机理不明。另一方面随着计算机技术、自动化控制技术和新材料在设施中的应用，设施园艺己进入全自控现代温室新阶段，有机型基质的使用可能会给植物营养的精确调控和营养液的回收再利用带来困难。由于混合基质由结构性质不同的原料混合而成，可以扬长避短，在水、气、肥等因素协调方面优于单一基质，所以，混合基质将是今后发展的方向。,.,6,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,二基质研究的主要领域,基质分类的研究分为有机基质、无机基质和复合基质。复合基质有：无机-无机混合、有机-有机混合、有机-无机混合。从国内外无土栽培研究和生产实践的历史与现状看，有机基质使用较少。一方面是由于植物的有机营养理论不清楚，有机成分在设施滴灌条件下的释放、吸收、代谢机理不明。另一方面随着计算机技术、自动化控制技术和新材料在设施中的应用，设施园艺已进入全自动控制现代温室新阶段，有机型基质的使用可能会给植物营养的精确调控和营养液的回收再利用带来困难。由于复合基质由结构性质不同的原料混合而成，可以扬长避短，在水、气、肥协调方面优于单一基质，所以，复合基质将是今后发展的方向。,基质理化性状的研究主要是园艺植物用基质的适宜理化性质参数研究。这不仅是基质标准化生产的技术基础，也是营养管理的依据和基质重复利用的前提。类似于土壤，结构决定了基质的理化性质，比如水分养分吸附性能和空气的含量，从而影响水分、养分的供应、吸收甚至运输。同时基质的结构对根系的生长也有很大的影响。目前认为基质的颗粒大小、形状、容重、总孔隙度、大小孔隙比等是比较重要的物理性状。这方面的研究和报道较多，有的甚至涉及了水分养分运移等，但尚没有针对特定植物的基质提出标准物理性状参数。因此，基质的使用还存在经验性甚至盲目性。这方面的系统研究将是一种创新和突破。,.,7,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,二基质研究的主要领域,基质水分、养分供应的研究基质栽培的核心是用营养液通过基质来供应水分、养分，基质和营养液配合，完成固定、支持植物、调节供氧、供水和养分的任务。根据基质结构特点进行水分、养分供应研究是无土基质子栽培技术的关键。这包括两方面内容：一是基质对水分、养分的吸附、保持、释放性能以及植物根系对营养和水分耳朵吸收过程（应不同于根系对土壤中营养和水分的吸收）。这方面的研究目前还不够深入，不能明确说明水分、养分的需求，运移机理等。二是营养液的组成、配制、灌溉制度。由于植物对水分、养分吸收、运输的相对性，加之基质的水分养分运移特点不清楚，因此，营养液的灌溉和管理比较复杂。目前国外的现代化自控温室营养液的电脑管理基本上停留在依靠调控EC值的水平上。灌溉是根据温室内不同时间太阳辐射能的不同来调节供液间隔和灌溉量，并实行过量灌溉，是一种半精确的水分养分供应方式、国内的塑料大棚也采用类似的经验灌溉。因此，养蜂、水分的精确供应研究尚有待进一步深入，如用布偶他那个的传感器分别测定营养液和回收液中各养分的含量和氢离子含量；掌握植物对水分、养分的吸收量，以便进行相应的调控。,.,8,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,二基质研究的主要领域,模制基质的研究模制基质是把基质模制成固定形状，在上面预留栽培穴，种子或幼苗直接种在穴内，省去了栽培容器，便于消毒。目前，模制基质主要有网袋、压缩泥炭块、农用岩棉等。网袋分扦插网袋和种植网袋。扦插网袋基质主要成分是泥炭、珍珠岩和蛭石。它比一般穴盘扦插的基质通气性、排气效果更好，不会对环境造成污染。成苗栽植时，网袋无需划破，便于苗木运输，保护根系，提高种植成活率。适用于植物的扦插育苗、种子点播、分苗。种植网袋主要成分分为泥炭、珍珠岩、有机肥、砻糠灰、木屑。适用于造林苗木培育和蔬菜、花卉大苗种植，特别是芽苗移植，目前产品植株高度为3050cm。基质重复利用的研究基质结构在灌溉和植物根系作用下会有所改变，由于根系分泌物和盐分的积聚，以及可能存在病虫害等，因此基质要重复利用应该进行一些处理，如结构重组、淋洗、消毒等。消毒措施有蒸汽消毒、溴甲烷、福尔马林、氯化苦消毒和重新发酵等，但尚没有经济可靠的大批量基质消毒的方法。,.,9,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,三基质发展方向,发展方向展望没有任何一种基质可以适应所有园艺植物，目前基质的发展趋势应该是以适应不同设施档次、不同地域、不同园艺植物的多种并从此，以低成本、效果好、管理方便为标准，开发商应该使基质和营养液管理配套，联合推广。,（1）向适应工厂化、模式化、标准化栽培方向发展园艺生产结构调整的主要方向是发展具有我国特色园艺产业，而这些离不开工厂化生产技术。工厂化生产技术要求其生产的各个环节都要进行模式化、标准化，作为工厂化生产环节之一的基质研制与生产也要求进行模式化和标准化。因而，工厂化、模式化、标准化也将是其发展的方向之一。（2）向有机生态型栽培基质方向发展有机生态型无土栽培技术是中国农科院蔬菜花卉所无土栽培组在“八五”期间研制开发的一种用固态肥代替传统营养液的无土栽培新技术。该技术为无土栽培技术在我国的推广应用开辟了一条新的途径。,.,10,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,三基质发展方向,需要重点研究的问题,待研究的问题,基质的结构研究基质生产工艺基质的水肥管理技术关于有机基质营养释放及其与营养液的作用机理关于有机废弃物对使用效果好、成本低的基质的研究,主要园艺植物用基质的适宜理化性质参数研究。这不仅是基质标准化生产的技术基础，也是营养管理的依据和基质重复利用的前提。,即如何按标准参数控制基质结构的形成技术，这种技术要适应标准化、规模化、工厂化生产的需要。基质的结构应该是团聚体结构，团聚体结构有利于水分的吸收、排放、通气、根系的伸长和结构的稳定。基质中结构主要还是受材料本身物理性状影响决定。同时，这种影响的稳定性更大。,在设施栽培的气候环境和营养环境下，植物的营养生理也有其特点，特别是在高产管理和施用设施专用品种的情况下，植物的营养生理特征不同露地栽培。因此，营养液的配制技术（包括配方）、灌溉技术（频率、灌溉量）、监测调整技术（植株、营养液回收液的监测调整）、设施营养诊断技术、适合滴灌的园艺用肥料（高浓、全溶复合肥）研制等将是基质研究和应用的重点。,有机基质是使用有机物料或以有机物料为主的基质。与目前普遍使用的无机基质的主要差别是其本身含有营养、离子间的颉抗、对营养液中离子的吸附等问题仍未可知。因此，虽然营养液的成分、浓度很精确，但植物可吸收的养分状况是不确定的，不利于养分水分的精确调控。因此系统的研究有机基质营养的释放规律，以及它对离子的吸附变化规律是十分必要的。,有机废弃物是较好的有机基质原料。目前，有机废弃物的处理方法仍以堆肥为主，堆肥化的本质是固体废弃物分解为相对稳定的腐殖质物质的过程，它是细菌、放线菌和真菌在好气或厌氧条件下完成的。作为基质应达到3项标准：易分解的有机物大部分分解；施入土壤后不产生氮的生物固定；通过降解出去酚类等有害物质、消灭病原菌、害虫卵和杂草种子。,各地可以就地取材，因地制宜研究与发展，长江以南稻壳多，可以研究稻壳碳化后的合理使用。华北应加强炉渣，并配合草炭、蛭石、锯末等基质混合使用的研究；东北是草炭资源丰富的地方，可以加强对草炭、锯末等廉价基质的研究；西北应加强对沙培技术特点的研究。,.,11,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,四我国基质发展现状与存在问题,工厂化育苗基质发展现状,（1）育苗基质研究现状从20世纪80年代中期开始，我国北京引进美国和欧共体的穴盘育苗精量播种生产线，在京郊已投入工厂化、商品化生产。1991年工厂化育苗被农业部列为“八五”重点项目；“九五”期间国家科委立项工厂化高效农业产业工程，其中育苗基质的研究就是一项重要内容。我国目前现代化水平较低，配制无土育苗基质时必须因地制宜，选择资源丰富、价格便宜，能满足根系养分、水分以及空气供应的原料为基质。近几年引进的工厂化育苗设施大都采用草炭、蛭石(21)配制的复合基质，草炭虽然是一种优良的基质改良剂，这已为许多试验所证实,但是国内草炭资源分布不均匀，受产地所限,长途运输无疑会增加育苗成本，再加上草炭为不可再生的自然资源，长期采用必然会造成资源枯竭。而在我国北方果品产区，果园中有大量落叶，未防引发野火，果农多将其清扫到果园旁边，经多年堆积，形成腐叶土。王久兴利用这种廉价易得的腐叶土作基质进行试验，既能在降低育苗成本的同时培育出黄瓜壮苗。（2）育苗基质与营养液配合作用的研究研究表明，凡幼苗生长量较大的种类进行基质育苗时，除了基质物理性状好外，还都含有丰富的营养元素，幼苗才能健康生长。育苗基质中含有营养元素较少或不完全时，育苗过程中要浇灌营养液进行补充。因此，育苗基质在使用前，应对其养分组成及含量作必要的分析化验。基质中含有一定的营养物质，不仅可以节约配制营养液时的肥料用量，而且对保证基质中营养元素浓度的稳定性也是十分重要的。大部分有机育苗基质营养丰富，基质本身就是一个养分动态变化系统，随着幼苗植株的生长，基质中的缘由养分不断被吸收，但同时一些缓效态形式释放出来。因此，无土育苗营养液浓度应根据基质中各种营养物质的含量和幼苗对营养的需求进行适当调整。查丁石（1998）曾以蛭石为基质浇施“龙山”无土栽培营养液培养茄子，结果表明幼苗的茎粗、叶面积、全株干物重和壮苗指数均等于或接近各种测量值的最大值，幼苗综合素质最高。优良的育苗基质再配合相应的营养液施用，就能培育出高质量的幼苗。,.,12,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,四我国基质发展现状与存在问题,废弃物的处理利用现状,工农业有机废弃物的使用在我国具有悠久的历史，但长期以来在概念上是以肥料的方式加以利用。真正作为基质使用是改革开放后，国外园林企业进入中国市场，特别是高尔夫球场为主的草坪、生态修复、园林建设中的需求带动起来的。有机废弃物基质利用存在的主要问题有：缺少废弃物的分类管理、季节性变动大，造成收集十分困难；缺少真正有效的低营养快速发酵技术；发酵腐熟程度标标准因不同材料而变化，很难建立一个数据化标准，只有感官标准，随意性太大。我国混合基质生产配制与使用中存在的问题混合基质是能直接用于栽培，使用数量多且最易实现工厂化专业生产的基质产品。目前的栽培基质工厂，绝大多数是混合基质的生产商。我国目前基质的生产配制和使用中存在的主要问题有：专业化的基质工厂少，自配基质的种植企业多；基质配制材料无标准，造成基质产品定型困哪；受传统栽培思想的影响，重视基质的化学性状，而不重视基质的物理性状；由于当前专用基质造成疑虑；在生产概念上不能摆脱土壤栽培，对轻型无土栽培基质顾虑太多。,.,13,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,第二节设施土壤环境研究现状与方法,设施土壤经常处于高温、高湿、高蒸发、无雨水淋溶的环境中，又长期处于高集约化、高复种指数、高肥料施用量的生产状态下。这些特殊的生态环境与不合理的水肥管理措施等，容易造成某些土壤理化和生物学性状恶化、连作障碍明显、土传病虫害增多、产量低、品质劣等一系列问题，影响设施农业生产的可持续发展(廖允成等，1999;黄锦法等，2000;赵凤艳，2000)。因此，关于缓减或消除设施菜地的诸多障碍问题成为了设施农业健康可持续发展的瓶颈问题。,.,14,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,一设施菜地的养分投入与管理状况,蔬菜作物具有生长期短，复种茬口多，需肥量高的特点。实际生产中，往往通大量施肥来获得高产。在蔬菜生产，尤其是设施蔬菜生产中，过量施肥的现象越来严重，使土壤养分含量不断上升。调查表明，大棚化肥与有机肥的投入是大田的410倍，是蔬菜需要量的68倍。甘肃兰州安宁区设施菜地年有机肥施用量高达140kg/hm2，化肥5350kg/hm2(王平等，1998)。宁夏年有机肥施用量为75000150000kg/hm2，化肥为40006000kg/hm2(郭文忠等，2003)。张振华(2003)报道江苏省张家港市设施栽培施肥量一般比露地多45倍，且化肥在总用量中占30%60%，常达7500kg/hm2。生产中，许多设施栽培氮磷钾的施用比例与作物需要的氮磷钾比例有较大差距。山东一般大棚蔬菜N、P、K肥的养分投入比例为1:0.53:0.41，而茄果类、瓜类和豆等蔬菜的N、P、K需肥比例分别为1:0.25:1.58、1:0.29:1.47和1:0.3：1.44，养分投与作物需要量之间存在着明显的差异(马茂桐等，1997;马朝红等，2000)。在设栽培中，不少地方习惯施用高浓度复合肥(15-15-15或16-16-16)，这些复合肥不仅量被用做底肥，而且在追施中也占了较大比例，这也是作物氮磷钾吸收比例失调的要原因之一。马文奇等(2000)报道，在黄瓜生产中所需养分有一半是由追施复合来提供，这些复合肥由于含磷的比例太高，直接施用不符合蔬菜养分的需求比例，造成养分供应比例失调。此外，由于复合肥中的含氮量相对较低，施用后在作物外上表现不明显，种植户认为可能是肥料用量太少又加大用量，如此反复，化肥越施多，造成养分过剩并在土壤中大量积累。,.,15,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,二设施土壤的盐渍化状况,设施土壤次生盐渍化是指由于过量施肥、灌溉或管理不善等人为调控措施不当起的土壤盐渍化过程。当土壤表层或亚表层中(一般厚度为2030cm左右)水溶性类累积量超过0.1%或0.2%，或土壤中碱化层的碱化度超过5%就发生土壤盐渍化(马爱军等，2002)。设施土壤次生盐渍化是国内外设施蔬菜生产区普遍发生和存在的问题，如今已成为设施农业发展过程中出现的主要土壤障碍因子。,设施土壤盐渍化发生原因目前对影响土壤次生盐渍化发生的因素主要从气候条件(吕卫光等，2004)、土壤质地、地下水位、灌溉方式、不合理施肥等方面进行了探索(黎立群，1986;王思萍，2006)。设施内的温度和湿度都明显高于露地。孙保平(2000)指出高温蒸发强烈条件下易于积盐。低淋溶条件下土壤水分“上升型”运动，水分蒸发后可溶性盐分离子留在土壤中而使表层土壤盐分积聚。温室土壤中的盐分随着水分呈经常性的向上运动，水分不断地从地表蒸发，盐分就会在土壤中不断积累(侯云霞等，1987;宁运旺等，2001)。不合理的复种轮作制度，也会引起土壤养分失衡。为了获得较高的经济效益，农户往往连续种植某种产值高的作物品种，而不注意轮作倒茬，导致温室内作物栽培的种类比较单一。长期这样种植使得土壤中的养分失去平衡，导致一些营养元素严重亏缺，而另一些营养元素却大量而残留于土壤中，产生连作障碍。,.,16,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,二设施土壤的盐渍化状况,设施土壤盐渍化改良措施研究进展由于影响土壤盐渍化的因素不是单一的，其防治以综合治理为主。,土壤盐渍化改良,除盐、抑盐措施,灌水排盐揭去棚膜生物吸盐,轮换种植增施有机肥、秸秆覆盖物地膜覆盖科学施肥DGGE在土壤质量研究中的应用,利用温室夏季休闲时，选种生长快速、吸肥力强的苏月一草。用生物措施在洗涤农作物中，除盐效果最好的是玉米。夏季栽培55d玉米，可以使土壤电导度由2.5ms/cm降到1ms/cm,根据土壤养分状况尤其是氮素状况、不同蔬菜作物需肥规律及目标产量，制定最佳的施肥标准就成了提高蔬菜产量和品质、降低土壤硝态氮的主要环节。,.,17,设施栽培基质与土壤环境研究方法、现状与进展,第三节设施连作障碍,连作障碍原因及危害,原因及危害,设施土壤板结设施土壤酸化、次生盐渍化设施土壤微生物区与土壤酶失衡设施土壤重金属的累积与控制设施土壤根结线虫危害作物本身的自毒作用,设施内气温、地温较高，形成较为干燥的生态环境，导致地面蒸发作用强烈，使大棚土壤水分在耕层内的运行方向发生变化，沿着毛管孔隙由下至上向土表运动。设施土壤与陆地土壤相比，耕作层结构性好，持水性强，有益于蔬菜生长，但随着种植年限的增加，非活性孔隙比例相对降低，耕作层浅，土壤通气透水性差，物理性状不良，导致土壤板结，成为限制产量的障碍因子。研究发现，施用玉米秸秆明显提高土壤的总孔隙度，使耕层容重下降，土壤疏松，水稳性团粒含量明显增加，有利于调节大棚土壤耕层的水肥气热，促进植株生长。注重增施有机肥料，深耕松土，减少在设施土壤中的作业次数和踩踏，设施土壤的物理性质会有所改善，土壤疏松多孔，容重变小。,与露地土壤相比，设施土壤有高温、高湿、高蒸发、高复种指数、无雨水淋洗及肥料施用量大等特点。高温、高湿的条件使有机质分解得更快，产生更多的有机酸和腐植酸。在高复种指数条件下为了保证作物的质量和产量，偏施或过量施用化肥就成为设施土壤酸化的另一个原因。当然，高蒸发和无雨水淋洗使设施土壤养分易于在土壤表层积累，造成设施土壤表层酸化更严重。由于不同阴离子与可变电荷土壤表面反应机理不同，硫酸根可以与土壤表面发生配位吸附，释放出羟基，而硝酸根则不能，因此，在加入等量硫酸和硝酸的情况下，硝酸更容易使土壤酸化。设施土壤阴离子主要有NO3、SO42、HCO3、Cl等，其中过量施用化肥和偏施氮肥是设施土壤酸化的主要原因之一。,土壤微生物是土壤中活的有机体，是最活跃的土壤肥力因子之一。土壤微生物区系组成和数量变化，对土壤中植物养分的转化和吸收以及各种土传性病虫害的发生都有很大关系。设施土壤微生物主要由细菌、放线菌、真菌3大类别组成。然而设施栽培是一种受人为作用十分强烈的土地利用方式，人为干扰不仅改变了作物生长的小气候环境，而且随着种植年限的增加，出现了许多问题，这些问题的出现都与土壤中微生物区系的变化有着密切的关系。采用设施栽培后，土壤中3大类菌的相对数量没有发生变化，仍是细菌最多，放线菌次之，真菌最少。但不同菌类在棚内外土壤中的绝对数量发生了较大变化。放线菌在棚内外变化不大，细菌、真菌数量是棚内土壤高于露地。其中土壤细菌与真菌数量的比值（BF）是露地土壤高于大棚土壤，且随大棚种植年限的延长而降低，BF的降低可能是大棚设施土壤土传病害增加的原因之一。,土壤重金属污染由于具有长期性、隐匿性、不可逆性以及不能完全被分解或消失的特点会直接影响土壤性质、水质状况、作物生长、农产品品质，并通过食物链危害到人类健康。土壤中的重金属元素通过抑制农产品植物细胞分裂和伸长，刺激和抑制一些酶的活性，影响组织蛋白质合成，降低光合作用和呼吸作用，伤害细胞膜系统，从而影响农产品的生长和发育。设施大棚条件下，由于大棚自身结构和高集约化种植、高肥料的投入，使得设施大棚土壤重金属元素累积远高于菜园土壤。,在设施栽培条件下，由于种植品种单一，作物连作后，根系自毒产物增多，抵抗力下降，为根结线虫侵染提供了条件，客观上促进了线虫的发生与发育。在高温、干旱、沙性土壤中，大棚连作的黄瓜、番茄上，根结线虫的发生和危害相当严重，虫口密度可达1g土中含300条。,某些蔬菜作物可通过地上部淋溶、根系分泌和植株残茬腐解等途径来释放一些物质对同茬或下茬同种