棉秆无土栽培基质化利用前景与技术分析

宋日雨　师勇强　马雄风　张杰　程思贤　王文魁　张炜　王方正　王岩　马小艳

摘要：在介绍国内棉花秸秆基质化利用的研究现状，包括其用途、混配方法以及发酵条件等的基础上，分析了棉秆基质化利用中的问题并给出了相应的技术对策，以期为新疆棉秆无土栽培基质的应用提供参考。

关键词：棉秆利用；无土栽培；栽培基质；无害化处理；棉秆发酵；基质配比

我国是世界重要的棉花生產国，2022年我国皮棉产量为597.7万t，占全球皮棉产量的1/5。新疆作为我国棉花主要生产基地，2022年新疆棉花总产占我国棉花产量的90.2%[1]。棉花采收过程会产生大量棉秆等副产物，因制油、饲料化等利用方式还不够成熟[2-3]，目前棉秆的处理方式大多为焚烧，污染环境的同时造成资源的极大浪费。棉秆木质化程度高，将其处理后作为无土栽培的基质是棉秆资源的有效利用途径之一。介绍了无土栽培基质的研究与利用现状，对棉秆基质化利用中存在的问题进行了深入分析，并提出了相应的解决途径，以促进我国棉秆资源的有效利用。

1 无土栽培基质发展现状

1.1 无土栽培基质的研究与利用现状

由于传统农业的集约化生产程度不高以及过度施用化肥和农药，土壤退化、土传病害发生、土壤及水环境污染等情况愈发严重。无土栽培技术是1种以水、草炭、腐叶土、蛭石等为基质固定植株，使植物的根与养分直接接触的培养方法，可以满足作物对水分、养分、空气等的需求。无土栽培技术可突破土地的限制，清洁无污染，并可扩大耕作空间，使农作物在贫瘠或根本无法耕种的土地上生长，因而具有很好的发展前景。

目前，全球已有100多个国家和地区应用无土栽培技术[4]。其中，美国是全球最早将无土栽培商业化应用的国家，主要栽培番茄、黄瓜等农作物，无土栽培面积超过2 000 hm2 [5]；荷兰是无土栽培技术最先进的国家，无土栽培面积达到4 600 hm2；亚洲国家中，日本无土栽培技术比较成熟，无土栽培面积占总设施园艺面积的4.2%，超过1 800 hm2 [4]。基质栽培是目前世界上主要的商业性无土栽培方式，荷兰的基质栽培占无土栽培总面积的90%以上，法国占81%，日本占80%以上，加拿大占80%，比利时占50%左右[6]。尽管我国无土栽培技术起步较晚，但近年来得到了蓬勃发展，无土栽培面积迅速扩大。截至2018年，我国无土栽培面积高达6 250.5 hm2左右，预计到2023年种植面积将增长到16 561.3 hm2，其中基质栽培约占50%[4]。随着我国无土栽培基质研究的逐渐深入，相关研究成果已位居全球首位[4]。

基质是无土栽培的基础和核心，因此，基质的选用和配方是无土栽培的关键技术。目前常用的无机栽培基质有蛭石、珍珠岩和岩棉等，有机栽培基质有草炭、椰糠和腐殖土等，并且随着人们对无土栽培基质的研究，基质的种类也逐渐增多。无机基质来源广泛，且可以为作物生长提供钾、钙等营养元素，但其存在阳离子交换量较低、储肥能力较差等问题。有机基质渗透性及透气性好、容重低、储肥能力强，但其有机成分在设施滴灌条件下的释放、吸收和代谢机理不明，不利于作物营养的精准调控。因此，目前常用的无土栽培基质多为多种基质以一定比例复配成的混合基质，混合基质在温度、水分、空气、肥力的协调方面优于单一基质[7-8]，更适合作物生长。基质复配比例应合理，并应根据基质的营养成分、理化性质等调整成分比例，寻找最佳复配比，我国对此已有较多研究。张锋等[9]对几种无土栽培基质理化性质的研究表明，复配基质的理化性状较单一基质改善，同时养分较单一基质更全面充分。蒲胜海等[10]对无土栽培基质理化性状的测定方法及其应用进行研究，结果显示栽培基质各物理指标应控制在容重0.6～0.8 g·cm－3、总孔隙度60%～70%、持水量55%～75%，为无土栽培基质的配制和生产提供了一定的技术基础。

1.2 无土栽培基质应用存在的问题

近年来，国内外设施蔬菜基质无土栽培技术发展迅速，具有拓展种植领域和抵御恶劣环境等优点，但也存在一定的问题。

1.2.1 基质原料的供应问题。目前大量使用的基质原料仍为草炭、珍珠岩、蛭石、岩棉等，其过度开发将严重威胁和破坏生态资源。同时，草炭是不可再生资源，其资源量有限，价格不断上涨，会造成栽培基质成本升高。此外，原料资源分布不均衡，原料运输也会提高栽培基质的成本[11]。因而为了满足基质栽培生产的需求，应因地制宜地寻找天然基质的替代品。

1.2.2 基质保水保肥能力问题。无机基质吸水能力强，有机基质释放养分缓慢、持久，混合基质可兼顾保水、保肥并能改善基质容重，提高固根能力。但是，由于目前尚无专门适用于无土栽培的作物品种，以及不同作物对基质成分配比和理化性状的要求也存在较大差异，导致无土栽培生产难以工厂化、标准化[12]。加之基质中常存在病原菌等，给作物生产带来安全隐患。

1.2.3 基质栽培的灌溉和用水质量问题。多数人认为干净的井水、河水、自来水均可用于无土栽培，但其中可能含有的各种盐及杂质，会造成非必需元素的积累中毒问题，并可能存在害虫卵及有害生物而危害作物健康生长[13]。因此，须通过选择替代基质材料或优化原料配比等方式消除用水质量带来的不良影响。

1.3 无土栽培基质应用中存在问题的技术对策

首先是解决原料的供应问题。为了减少对自然资源的依赖和生态破坏，应寻找草炭、珍珠岩、蛭石、岩棉等天然资源的替代品，如将农作物秸秆、食用菌渣等分布广泛、价格低廉的材料开发为无土栽培基质。其次是基质配比问题。可以通过测定各配比基质的营养成分，根据基质理化性质确定适宜不同作物的最佳基质配比，同时可适当添加保水剂、缓释肥等，提高基质的保水保肥能力。再次是基质无害化处理问题。在栽培作物前应对基质进行无害化处理以防止病害发生。如利用蒸汽消毒或化学药剂消毒，同时可添加微生物菌剂以预防病害和降低作物发病率。最后是基质栽培灌溉和用水质量问题。采用高品质水肥一体化滴灌方式，减少有毒元素积累以及有害生物的滋生，并提高水资源和肥料利用率。同时，水肥一体化运筹能够简化生产步骤，同步浇水施肥，省时省力[14]。但应注意滴管堵塞问题，做好水的过滤工作。

总之，为进一步完善无土栽培技术，应将现有技术进行整合，即采用资源分布广、价格低的材料作为基质，测定基质的理化性质及营养成分，选择最佳基质配比，利用蒸汽或化学药剂进行无害化处理并添加微生物菌剂，预防病虫害，采用高品质水肥一体化滴灌方式补水、施肥，实现无土栽培绿色高效、省时省力、省水省肥。

2 棉花秸稈基质化利用的前景分析

2.1 新彊棉花秸秆无土栽培基质化利用潜力

据国家统计局数据，2022年新疆棉花播种面积为249.69万hm2，平均棉花单产为2 158.9 kg·hm－2，总产量为539.1万t，占全国棉花总产量的90.2%，按照棉花草谷比5∶1来计算，2022年新疆棉秆产量约为2 695.5万t[15]。由于棉秆木质化程度较高，除有小部分还田外，有较大比例的棉秆尚未得到合理而有效的利用。

新疆地区因气候与生态特点导致地表蒸发量大，土壤盐碱化程度高，要进行农作物生产必须引入大量淡水压盐、洗盐和改良土壤，从而造成生产成本大幅增加。近年来，随着农业生产中水肥一体化技术的成熟与推广，采用无土栽培基质并配合水肥一体化技术生产反季节蔬菜等经济作物已成为可能。采用无土栽培技术可以摆脱土地的束缚，使农作物可以在无法耕种的土地上种植，省空间、省水、省肥，经济效益高，不仅可提高非耕地的利用效率，而且可充分利用当地优越的气候与生态条件。

棉秆尤其是主茎部分，木质化程度高，将其破碎和处理后作为无土栽培基质具有较多优点。第一，棉秆软硬适中，疏松多孔，具有良好的保水和保肥功能，明显优于蛭石、珍珠岩等无机基质材料；第二，棉秆作为有机材料，可以为基质中有益微生物提供营养、促进其生长繁殖，为作物根系生长发育构建良好的微生态环境，减少病害发生；第三，利用棉秆生产基质时，可以添加适量的微量元素，通过与其中的有机质结合，提高微量元素的有效性和长效性；第四，棉秆基质使用后可以直接作为有机肥进行还田以改良土壤，有利于实现环保、生态应用。因此，新彊棉花秸秆的无土栽培基质化利用前景非常广阔。

当然，将棉秆破碎无法直接作为基质使用，因为棉秆直接作为基质使用会产生烧根现象，同时棉秆可能携带的病原菌或病毒会导致作物感染病害，必须进行适度发酵和无害化处理，且需要与其他无机基质进行复配，确定适用性较优的基质配比是亟待解决的现实问题。因此，棉花秸秆基质化利用需要进行深入研究。

2.2 棉秆基质化利用的研究现状

2.2.1 棉秆食用菌基质化利用可行性分析。白志刚等[16]研究指出，棉秆的主要成分为粗纤维，通过微生物发酵被分解为低分子碳水化合物。由于其富含养分，可以将其粉碎后取代木屑与其他肥料按一定比例调配，制作食用菌培养基。采用棉秆栽培食用菌，可使菌丝生长旺盛，提高生产效益，减少生产成本，提高经济效益，促进棉秆循环高效利用。左旭等[15]对蘑菇栽培用棉花秸秆资源的天然适宜性评价指出，棉花秸秆中含有丰富的碳、氮、矿物质及激素等，利用棉秆、棉籽壳等制成食用菌培养基料可以生产出高产量、高蛋白、高维生素含量的食用菌。李金霞等[17]对棉秆资源特性及其在农业上的应用进行分析，表示利用棉秆废料培养食用菌，纤维素、木质素、半纤维素和粗蛋白等营养成分经过食用菌胞外酶的转化和利用，可长出高产量、高蛋白、高维生素含量的菌丝体和子实体。另外，部分菌类对游离棉酚具有分解作用。因此，利用棉秆作为食用菌培养料不仅可以生产食用菌，还可以利用食用菌分解棉酚，产生的菌糠可作为饲料应用，从而使棉秆得到多重利用，增加经济效益。刘建平[18]对北方地区利用棉秆栽培双孢蘑菇的高产技术研究结果显示，采用棉秆发酵料栽培双孢蘑菇，产量在15 kg·m－2以上，明显优于传统的麦秸料、稻草料和玉米秸秆料，而且发菌快、菌丝壮、出菇早、出菇期长、品质优。

2.2.2 棉秆基质优化及基质适宜发酵条件研究。张晔等[19]采用正交设计方法寻找棉花秸秆作为无土栽培基质的最佳发酵条件，结果显示25∶1的碳氮比、1 cm长度的秸秆、氮源为鸡粪加尿素的处理适宜棉秆发酵，可缩短秸秆腐熟时间。周安盛等[20]利用固氮菌、酵母菌和高产纤维素酶的细菌，采用混菌固态发酵的方式对复合微生物发酵棉秆制备植物栽培基质的培养基进行优化研究表明，最优培养基的组分为棉秆4.7 g，椰树果壳粉0.3 g，蛋白胨0.8 g，酵母粉0.1 g，尿素1.72 g，磷酸氢二钾0.304 g，水35 mL。张晔[21]研究不同发酵时间棉秆对基质理化性质和黄瓜生长的影响结果显示，不同发酵时间棉秆的理化性质差异显著，并与总孔隙度、容重、电导率（electrical conductivity， EC）3个指标呈正相关，即这3个指标均随着发酵时间的延长而呈上升趋势，而通气孔隙度和pH呈正相关，二者均随着发酵时间的延长而呈下降趋势。发酵15～30 d棉秆的理化性质适合黄瓜基质栽培。

2.2.3 适宜不同农作物生长的基质配比研究。章智钧等[22]以草炭、棉花秸秆、菇渣、蛭石和细沙为原料，研究了不同混配基质对草莓生长的影响，结果表明体积比V草炭∶V棉花秸秆∶V蛭石＝1∶1∶1为最佳配比，与对照V草炭∶V蛭石＝2∶1无显著差异，表明腐熟后的棉花秸秆可部分替代草炭。韩树东等[23]研究以棉秆作为无土栽培基质对黄瓜生长的影响，发现当无土栽培的基质成分为棉秆、蛭石、珍珠岩且等体积配比时，施肥量可适当减小。基质堆腐操作中的肥料成分也对黄瓜生长具有重要影响，尿素、鸡粪等肥料的添加能提高棉秆基质中的养分含量，有利于植株养分的供应。王小武等[24]应用通径分析研究了番茄生长表型对棉秆复合育苗基质理化性质的响应，结果显示：棉秆混配其他基料后可显著提高容重、降低EC；容重、总孔隙度、pH及EC是影响番茄生长表型的主要因子，其中通气孔隙度和持水孔隙度对其生长有协同促进作用，而其他因素的作用是负向的；适当增加棉秆复合育苗基质的通气孔隙度和持水孔隙度，降低容重、pH以及EC有利于培育番茄壮苗。崔元玗等[25]对棉秆作为蔬菜栽培基质的可行性进行研究，结果显示棉花秸秆粉碎发酵，可以取代草炭作为有机基质原料。采用棉花秸秆作为基质栽培的有机原料，用砂或蛭石作为无机原料，经过合理的配方组合可以取得良好的生产效果。

3 棉秆基质化利用存在的问题

3.1 棉秆收集及加工问题

棉秆综合利用不够全面，其价值未得到充分利用，目前大多仍作为燃料使用，还田率为14.5%，饲料化利用率仅为3.2%，其他用途利用率不足10.0%，造成棉秆资源很大的浪费。其主要原因之一是棉秆收集较为困难，目前我国适用于棉秆收集的机械较为匮乏，收获机的拔除、打捆等性能不足，棉秆机械化拔除率不高，大部分棉区棉秆收获主要靠手工完成，劳动强度大，生产效率低，制约了棉秆资源的利用[26-27]。棉秆综合利用技术不成熟，对棉秆的加工难以产业化，又导致棉秆资源利用的成本高[28-29]。

3.2 棉秆减害及养分供应问题

棉秆可能会因携带病原菌或病毒导致作物感染病害，所以粉碎后的棉秆不能直接作为栽培基质使用，须经无害化处理。而棉秆无害化处理是棉秆基质化利用中的一个重要问题。因为棉秆木质化程度高，常规的高温发酵等处理对棉秆内部的病原菌等的无害化效果不彻底。同时，粉碎后的棉秆直接作为基质使用质地较硬，通气性和导水性较差，易导致基质的水分供应能力不足。此外，棉秆基质腐熟度不合适时会导致烧根、烧苗等现象，造成死苗等重大经济损失。

3.3 棉秆发酵腐熟问题

发酵方式可分为好氧发酵和厌氧发酵。厌氧发酵可以使发酵后秸秆基质的pH值以及EC更合适，但厌氧发酵具有消耗时间长和产生的异味大等缺点。好氧发酵因环境污染少、产物肥效高且稳定，是目前棉秆基质化的主流发酵方法。但是好氧发酵处理通常也需要几周或几个月的时间，这大大降低了基质的生产效率，并占用大量的生产空间。

3.4 基质成分配比问题

单一的棉秆进行前处理后作为基质使用，其容重、孔隙度等理化性质达不到栽培农作物的要求，因而须与其他成分如蛭石、珍珠岩等进行复配。所以确定适宜不同农作物的复配成分和比例也是棉秆基质化利用中的一个重要问题。且各地区、各年份的棉秆理化性质均有差异，不同批次的腐熟棉秆生产的基质制品存在不稳定的问题，均需调整配方、pH、EC等因素，导致其实际应用存在复杂性且困难[30]。

4 棉秆基质化利用存在问题的解决途径

4.1 综合利用方面

应增大棉秆利用产业规模，加大科技创新，降低棉秆资源化利用成本，形成先进高效的棉秆综合利用产业链，提高棉秆的经济效益。加强引导和宣传政策，推广成熟、实用、适合当地实际情况的秸秆利用技术，提升棉农、科研人员及企业家们对秸秆循环利用的积极性。

4.2 棉秆基质无害化处理方面

棉秆基质无害化处理包括化学处理和生物处理。化学处理可以利用高效绿色化学品（如石灰氮、尿素等）对适度破碎的棉秆进行无害化处理，通过测定棉秆中有害生物数量等确定药剂添加量和处理时间。生物处理指在棉秆适度破碎后的腐熟发酵中添加发酵菌剂，通过微生物的作用使棉秆无害化并提高基质养分。通过测定腐熟后有害生物数量及腐熟所需要的时间等确定发酵菌剂品种及添加量。基质养分供应方面，对棉秆进行粉碎以及腐熟发酵，可以使其中的有机质、氮、磷、钾、钙和其他微量元素等有效固定和浓缩，同时可以杀死病原菌和虫卵，为基质的安全应用提供保障。使用经过腐熟发酵的棉秆，可有效避免农作物烧根、烧苗现象的发生，使养分可以安全有效地被农作物吸收。但目前棉秆发酵技术研究尚不成熟，生产设备和工艺相对落后[30]。因此，必须引入和发展高效的生产工艺和机械，并完善棉花秸秆的无土栽培技术。

棉秆发酵处理时，可以进行有效的前处理，如粉碎成适宜的长度、调节氮源及碳氮比等，使棉秆处于最佳的发酵环境。密切观测发酵过程中各项环境参数及腐熟程度，并寻找高活性和经济性的菌种，从而缩短棉秆腐殖质化时间，提高经济效益、养分利用率及安全性[31]。同时，酶处理是有效的生物催化法，如利用纤维素酶、半纤维素酶、漆酶、蛋白酶等，结合好氧发酵及高活性生物菌剂，可以提高木质素、纤维素降解效率，实现对秸秆基质理化性质和成分的定向调节，从而能够大大缩短发酵处理时间。

4.3 基质成分配比方面

对于同一农作物设置一系列基质配方，通过测定复配基质的容重、通气孔隙度、持水孔隙度、總孔隙度、大小孔隙比、pH、EC、有机质、养分、碳氮比、种子发芽率、种子发芽势、植株根冠比、壮苗指数等参数确定复配基质成分比例。同时，不同批次的棉花秸秆应严格分类，确保同组棉秆理化性质基本相同，有利于配方、pH、EC等的调整。应在大量研究和数据积累的基础上，得到基质原料配比数学模型，提高基质配比的数字化水平。

5 总结与展望

我国新疆棉花播种面积大，具有十分丰富的棉秆资源。由于棉秆木质化程度较高，目前除小部分被用于还田外，仍有较大比例棉秆尚未得到合理利用。棉秆基质化利用有良好的发展前景，棉秆的主茎部分木质化程度高，疏松多孔，适宜作物根系生长发育并具有良好的保水和保肥功能，同时棉秆基质对于提高微量元素的有效性和长效性也非常有利。但是，棉秆基质化利用过程中也存在无害化程度低、腐熟效率低和合理配比难等技术问题。这些问题，可以通过探寻更为高效的绿色消毒方法、高效的腐熟菌应用和基质数字化配比等手段加以解决，从而为新疆棉秆无土栽培基质大规模应用提供技术支撑，并有效解决新疆地区土壤严重盐碱化带来的农作物产量低的问题。

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（责任编辑：杨子山 责任校对：王小璐）

收稿日期：2023-03-02    #：同等贡献。 通信作者：马小艳，maxiaoyan@caas.cn；王岩，34760110@qq.com

基金项目：新疆生产建设兵团重大科技专项“回收地膜再利用关键技术研究与示范”（2022AB017）；新疆维吾尔自治区天山英才计划（2021）