有机生态型无土栽培基质重复利用研究概述

刘蕊 杨素芬 谷利敏 武盼盼

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

隨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適应这种改变，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。

基质本身就在不断地进行着生物化学反应，而一些酶在其中直接参与各种物质的代谢和转化以及养分的释放和固定。酶活性高低反映了基质对植物根系供应养分的潜在能力，如脲酶可促使有机氮向无机氮转化，提高有机基质氮素供应水平；纤维素酶有助于腐殖质形成和碳素养分释放；过氧化氢酶活性表征基质生物氧化程度的强弱。已有研究证明，脲酶、转化酶、纤维素酶活性可以作为评价有机基质肥力的标准[42]。武春成等[37]研究发现，随着连作茬次的增加，脲酶活性逐渐降低，黄瓜产量下降；马彦霞等[43-44]研究发现，随着番茄连茬栽培茬次增加，基质的蛋白酶、磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性不断下降，有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾等养分含量不断降低，不再利于番茄生长。

以上研究说明，基质连作栽培会造成微生物多样性水平降低，群落结构单一化、酶活性降低，如果病原菌侵入基质，就没有其他的微生物与之竞争，便会在基质中稳定生长并引起病害。不同的作物品种、生长阶段、种植年限以及栽培模式都可能对根际微生物群落结构产生影响，深入分析这些影响因素及变化规律，探索基质微生态环境变化与作物生长、产量、肥力变化的相关性可对基质微生态环境的修复提供理论依据。目前，对于在长期连作条件下基质中微生态环境变化及栽培效果与土壤连作栽培差异的研究不多，因此深入研究土壤和基质连作障碍发生机制及消减措施，探索基质与土壤连作栽培微生物种群特征、病害发生与作物生长变化规律，探明两种栽培模式的区别与联系对基质高效重复利用研究具有借鉴意义。

1.2 基质重复利用修复措施

在基质栽培中，栽培基质的质量状况对作物生长发育有直接的影响，除了支持和固定作物，给作物提供水分、氧气和营养外，还能给根系一个相对稳定的生长环境[4]。保证基质的质量是基质能够重复利用的前提。针对基质栽培中出现的理化性质恶化、病虫害严重、产量降低、品质下降等问题，基质在重复利用前应采取一定措施进行处理，而寻找一种低成本且能够满足作物生长需求的基质高效处理和重复利用技术尤为重要。

1.2.1 消毒灭菌 基质消毒是缓解作物连作障碍和保持基质生产力的有效途径之一[45]。针对病原菌、虫卵等有害物质通常可采用物理法、化学法或生物法防治以达到改善基质状态、提高作物产量和品质、实现再利用的目的[45-46]。

物理消毒是指利用光、热、电、磁等物理技术来处理栽培基质，主要包括太阳能消毒、蒸汽消毒、热水消毒、火焰消毒、电消毒和微波消毒等[47-54]。

（1）太阳能消毒。消毒原理：利用病原菌难耐湿热、低氧环境的特性，通过各种热源营造高温、高湿和缺氧的环境，达到消除绝大多数病虫和杂草的目的。消毒效果及效率：防治有效基质层深度约10 cm，消毒周期15 d以上。适用性及局限性：成本低，操作简便；受天气影响，消毒效果不稳定。

（2）蒸汽消毒。消毒原理同（1）。消毒效果及效率：防治有效基质层深度约80 cm，杀灭率99%以上，并可改善基质的团粒结构和活性，提高排水性和通透性。适用性及局限性：成本相对较高，适用于经济价值较高的植物。

（3）热水消毒。消毒原理同（1）。消毒效果及效率：防治有效基质层深度约30 cm，杀灭率95%～100%，并能改善基质pH值、EC值等理化性状。适用性及局限性：成本相对较高，消毒效果受基质的疏松度和含水率影响，存在营养流失、处理后基质含水率较高等问题。

（4）火焰消毒。消毒原理同（1）。消毒效果及效率：防治有效基質层深度30～50 cm。杀灭率85%以上，抛翻式消毒可提高疏松度，改善基质状态。适用性及局限性：成本较低，操作相对简单，为防止燃烧产生二次污染，应选用清洁燃料。

（5）电消毒。消毒原理：利用电处理基质过程中产生的酚类气体、原子氯气以及脉冲电流电击，使病原微生物失活。消毒效果及效率：杀灭率可达99%，并可调节基质pH值，改善团粒结构，提高通透性和持水能力。适用性及局限性：技术要求相对较高，基质含水率高对消毒效果有不利影响。

（6）远红外消毒、微波消毒、射频消毒。消毒原理：利用一定频率范围内的电磁波的热效应和生物效应来消灭病虫和杂草。消毒效果及效率：热效应好、消毒效率高、穿透力强。适用性及局限性：自动化程度高，操作简便，运行成本低，具有无毒、无污染和无残留等优点。但研究和制造投入大，推广应用受到一定的制约。

目前栽培基质物理消毒研究主要集中于消毒方式的开发和杀毒灭菌效果效率方面，部分方式可改善基质的理化性质，而对基质微环境的影响等方面尚待进一步探索。物理消毒因处理方式安全有效且对环境无污染而极具推广价值，但大都存在设备投资大、操作技术要求高、市场化推广难等问题。

化学消毒主要是通过各种化学药剂浇灌、喷淋、熏蒸等处理农作物栽培基质，因使用效果好，投入成本低，操作简便，是目前生产中应用最广泛的基质消毒方式[55-56]。化学消毒由于存在农药残留，易对地下水、土壤和环境造成污染，并可增强病虫抗药性，化学药剂的使用已受到越来越多的限制，比如溴甲烷，虽然土壤消毒效果优良，但会破坏大气臭氧层，我国已在2015年禁止使用。目前氯化苦、威百亩、棉隆和硫酰氟作为联合国甲基溴技术选择委员会（MBTOC）推荐的甲基溴替代化学药剂已在中国获得农药登记[56-57]，并取得良好的田间防治效果，但是还应关注这类药剂对土壤微生物群落结构及环境的影响。已有研究发现，长期使用氯化苦熏蒸会降低土壤中细菌与真菌群落的多样性[58]。陈利达等[56]研究发现，用棉隆、氰氨化钙和威百亩熏蒸处理后微生物数量减少，对细菌具有不同程度的抑制作用，细菌群落呈现出“抑制-激活-恢复”的阶段特征。在“化肥农药双减”政策背景下，选择低毒、高效、无残留的环境友好型药剂是化学消毒的必然趋势，研究其对微生物菌群的抑制作用及对微生态环境的恢复情况，特别是长期使用情况下药剂处理与土壤微生物菌群互作将有利于土传病害的有效控制和可持续生产。

采用微生物制剂或生物熏蒸等方法来防治植物病害越来越受到关注。生物熏蒸是指利用植物有机质分解过程中释放出的挥发性物质抑制或杀死病虫和杂草的一种消毒方法[59]。这类植物通常含有一种或多种硫代葡萄糖苷，硫代葡萄糖苷及其分解产物具有抗菌、抑病、杀虫功效[60]。目前，生物熏蒸材料研究最为深入的是十字花科、菊科植物，生物熏蒸消毒具有绿色、安全、环保及成本低等特点，但由于植物类熏蒸材料的种植周期较长，种类繁多，防治效果也各有不同，因此生物熏蒸技术目前还未能普及。

综上，深入研究不同作物连作后的病原菌种类，选取合适的消毒方法及装备是基质消毒处理的关键。已有研究者尝试几种消毒方式相结合进行基质消毒来提高消毒效果。如化学药剂处理结合使用生物药剂、太阳能消毒、生物熏蒸等措施或物理消毒结合生物熏蒸等，都取得了不错的灭菌效果[61-63]。

1.2.2 基质理化性质修复技术 基质的电导率反映了其本身带有的可溶性盐分的多少，直接影响到营养液和基质的离子平衡，一般认为基质中的可溶盐分质量分数最好不超过500 mg·kg-1[4]。对于基质中积累的大量盐分可利用清水反复多次冲洗，通常离子交换量较低的基质洗盐的效果会更好。

研究表明，秸秆还田可减小土壤容重，改善土壤通透性，有效改善土壤理化结构，提高土壤有机质及矿质养分含量和微生物多样性[64-66]。向有機基质中添加适量的腐熟小麦秸秆亦可对连作基质的理化性质有很好的修复作用。宋为交等[67]研究发现，向连作3茬的有机基质中加入腐熟秸秆，可降低基质的容重，提高总孔隙度和有机质含量，有效改善基质理化性质，提高黄瓜产量。

通过复配来改变基质的理化性质是最常用的方式。栽培基质的固、液、气三相比例是影响作物根系生长发育的重要因素，容重和孔隙度是衡量其比例是否恰当的简单指标，颗粒度大小不同的基质复配则可以改变这些指标，使基质的吸水性、保水性、保肥性和透气性保持平衡。冯翠等[7]采用复配方式向栽培3～5茬奶白菜之后的基质中加入菇渣、有机肥、复合肥，不但可改善基质的理化性质，使基质的容重、总孔隙度、pH值及全氮、全磷、全钾、有机质含量均在适宜范围内，还可以改善原有基质的营养成分，有利于后茬蔬菜的生长。而根据不同基质的理化性质，及其多元混合时体积的收缩、容重、孔隙度、吸水性等物理性质的变化规律，遴选合适的复配基质和用量是基质理化性质重构的技术关键。

1.2.3 基质生物学性状修复技术 通过调控连作土壤的微生物群落结构及酶活性来改善作物根际微环境也是避免连作障碍的重要生物防治手段之一[68-69]。最常见的做法就是向基质中直接添加有益微生物菌剂或酶制剂来改善作物根际微环境，实现基质、微生物与作物之间的稳定与平衡，从而促进作物生长。

基质的酶活性与基质生物学性状、理化性质密切相关[42]。马彦霞等[44]研究发现，蔗糖酶、多酚氧化酶和纤维素酶活性与基质的理化性质相关性较显著，是影响基质pH值、EC值和物理性质的重要因素。张丽娟等[70]通过在已重复利用二茬的草炭基质中添加纤维素酶制剂，可有效改善基质持水透气性，促进基质中细菌、真菌、放线菌等微生物的积累和繁殖，增强有益酶活性，促进西瓜的生长和产量的提高。

赵佳等[71]通过对二茬基质进行微生物菌剂发酵处理，可提高植株根际细菌多样性并降低真菌多样性，从而有效杀灭病原菌，降低后茬种植的病害率，提高作物产量。陈子彪等[72]研究发现，栽培西瓜基质中添加3种不同种类的微生物菌剂，均可显著提高基质中脲酶、碱性磷酸酶、硝酸还原酶活性，从而促进氮和磷的吸收和转化，但过氧化氢酶活性出现了明显下降，该结果与张立恒等[73]在连作葡萄土壤中使用3种微生物菌剂均降低过氧化氢酶活性的研究结果一致，但与李国等[74]在连作棉花土壤中使用微生物菌剂提高过氧化氢酶活性的研究结果不同，而差异的原因尚待研究。赵丹[75]研究发现，与单一微生物菌剂相比，施用复合微生物菌剂更有利于黄瓜生长和品质提高。

微生物菌剂不但可以改善土壤或基质的理化性质、维持根际微生物群落动态平衡、促进养分循环，而且在促进植物生长发育、增加产量、改善品质及提高抗逆性、诱导抗病性等方面的作用正逐渐被关注[76-78]。张文泽[79]研究发现，在连作基质中接种丛枝菌根真菌可提高根系内源生长激素（IAA）水平，从而提高根系活力并促进番茄生长。微生物菌剂的种类比较多，按照微生物种类或者功能特征，可分为固氮菌菌剂、光合细菌菌剂、促生菌剂、细菌菌剂、真菌菌剂、放线菌菌剂等[75]，而接种菌剂的种类、数量及时间及其在不同作物上的效果等应该是微生物菌剂使用过程中考虑的因素。

1.2.4 改善耕作模式 轮作被认为是一种改善基质栽培效果的有效方式，通过与不同科或属的作物合理轮作，利用相互之间的化感作用和生物多样性原理，能增加土壤微生物群落的多样性和稳定性，改善土壤生态环境，避免土壤养分偏耗，有效控制土传病害的发生[26，32]。柳辉林等[80]研究发现，烤烟育苗旧基质对烤烟种子的萌发、根长、芽长及幼苗鲜干质量的抑制作用大于油菜种子，经灭活处理后可用于油菜幼苗培育。李威等[21，32]研究发现，对于连作基质，在大棚冬闲季节轮作不同种类叶菜不但可改善基质的微生物种群结构和提高酶活性，还可平衡连作番茄的基质养分，防止盐分积累和毒害，提高其养分利用率，促进番茄生长，提高产量和品质，提高复种指数和经济效益。

因此，不论是对土壤或基质，轮作都不失为一种良好的缓解或消除连作障碍的方式。而研究和筛选适宜的轮作作物，是基质栽培可持续生产的关键；同时也可以考虑间作、套种以及选育耐受连作能力较强作物品种的可能性，特别是经济价值较高的药用植物，但目前还没有基质栽培研究支持此结论。

1.2.5 其他 已有部分研究者试探利用某些物质自身的优良特性来克服基质栽培连作障碍。邹春娇等[81]利用生物炭表面的多孔隙、可吸附等特性来处理连作11茬黄瓜的基质，结果表明生物炭可改善基质的微生物群落结构和增加其数量以及提高过氧化物酶、中性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等几种主要酶活性；吕剑等[82]利用硅能促进作物光合作用及可缓解环境胁迫的机制，发现合理浓度的外源硅（Na2SiO3·9H2O）根施可缓解已连作8茬黄瓜的栽培基质连作障碍。

基质重复利用过程中连作障碍的发生也是由量变到质变的一个过程，在基质连作栽培的不同阶段，影响其栽培效果的关键因子也有所不同；基质的理化性质与生物学性状密切相关，而对基质的各种修复措施也不是孤立的，而是相互促进的。因此探明作物连作障碍机制及关键因子，能够在基质栽培的不同阶段找到修复重点，并选取恰当的修复措施是基质高效重复利用的重要手段。

2 废弃基质再处理及循环利用

2.1 废弃基质循环利用的价值与必要性

在生产实践中无土栽培基质经过3～5年种植之后，常因连作障碍导致生产效益下降或受制于基质理化性质修复技术及处理成本高等因素而被弃置不用。然而从资源节约和成本方面来看，已有研究发现废弃基质的性状虽不利于植株生长，但仍含有一定的养分，特别是生态有机型无土栽培废弃基质含有丰富的有机质，部分理化指标可能还优于土壤，具有再利用价值[83-84]。从环境保护方面看，有机基质栽培虽然将农林废弃物“变废为宝”，为其高效、稳定、低成本再利用提供了新途径，但废弃基质长期大量堆置会对土壤和地下水造成污染，不能真正实现资源的循环利用[85]。因此，如何针对性地对废弃基质进行无害化处理，使其有效成分再利用，不仅可减少环境污染，还可实现基质的循环利用，是无土栽培亟待解决的问题。

2.2 废弃基质的循环利用方式及效果

2.2.1 废弃基质直接利用 张柏杨等[84]研究发现，连续栽培6年的蔬菜废弃基质与土壤相比除了略显酸性外，基质的透气持水性、EC值、养分指标等全面优于土壤；将其还施露地种植辣椒，可改善土壤的理化性质，有利于稳定土壤pH值、降低土壤容重、略微增加土壤孔隙度、保持土壤气水比，促进辣椒植株的生长且利于其干物质积累。谢克光等[86]在药材“短梗五加”苗床育苗时，在床面直接覆盖菇类废弃基质，不仅可以保持土壤水分，给苗木补充养分，还可减少草害、提高产苗量、降低育苗投入成本。王勤礼等[87]研究发现，与单施化肥相比，有机废弃基质作为底肥还田对土壤的化学性状如碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、EC值、pH值和玉米的生长发育及产量无显著影响，但在一定程度上可增加土壤有机质含量，减少化肥施用量，从而节约成本，提高经济效益。因此，废弃基质直接还田不失为一种简单有效的利用方式。但是由于未经处理的废弃基质中含有一定的有害物质、病菌等，必須注意同科连作毒害现象、还田施用量及其累积效应。

2.2.2 废弃基质无害化处理后再利用 从理论上讲，前文所述的基质消毒灭菌技术如物理法或化学法等都应适用于废弃基质的无害化处理。Vandecasteele等[88]采用蒸汽处理废弃基质可有效杀灭病原菌和杂草种子，且对基质的理化特性、微生物数量和多样性影响不大，只需额外补充氮源，可满足温室或露天栽培菊花磷和钾的需求；王曰鑫等[83]分别采用蒸汽处理或加入杀菌剂等方式将废弃基质制成土壤调理剂都可不同程度地起到改良土壤理化性能、促进作物生长及增产增收作用。实践中采用厌氧或好氧发酵等生物发酵法处理废弃基质是最常用的手段，不仅使处理后的废弃物质地松软、无病虫害残留，还可获得富含有效营养成分和稳定腐殖质的产品[89-91]。废弃基质在堆肥发酵的过程中理化性质的变化常受微生物菌剂种类、原料性质和发酵工艺条件的影响，经过处理后的基质理化性质可能需要进行改善，如EC值过高可通过淋洗来解决，酸、碱失衡或营养成分缺失等可通过复配来解决[92]。中科合肥智慧农业协同创新研究院通过先暴晒废弃草莓基质，后与有机肥混配并在堆肥不同阶段接种不同菌种来实现基质的多茬循环利用，使处理后的废弃基质更有利于草莓生长，可提高草莓果实的可溶性总糖、硒含量及抗病虫害能力[89]。因此，将废弃基质经过辐照、晾晒、蒸汽消毒、堆肥发酵或加入杀菌剂等方式进行无害化处理后，再作为主要原料或配以其他物质制成土壤调理剂、有机肥料或者新的栽培基质使用是一种安全有效的利用方式，而在处理方式的选择上应考量处理成本、可操作性、实用性等因素。

2.2.3 废弃基质分类循环利用 栽培基质的原料来源不一，经过多茬使用后的性状不一，将废弃的栽培基质按照一定的标准进行分类回收利用是一种实现基质可持续利用的利益最大化方案。中国农业科学院蔬菜花卉研究所基于废弃基质不同有机、无机成分含量和物理性状如通气空隙、持水孔隙等，对其进行了分类，分别用于制备不同用途土壤改良剂或作为沼气生产原料，来实现废弃基质的充分回收、综合利用，该方法可适用于所有无土栽培基质的分类循环利用[93]，但具体的应用效果尚待考证，而关于分类标准指标有待进一步研究。

3 存在问题及展望

3.1 存在问题

3.1.1 基质产品市场质量良莠不齐，亟待标准化 我国基质产业起步晚，制作工艺粗放，特别是有机基质的生产原料主要来源于农林有机废弃物，种类繁多，给有机基质的标准化生产带来阻碍，目前尚未形成规范的基质生产工艺流程，基质难以大规模生产利用。随着基质产业的发展，基质的标准化建设虽然也取得了一定的成绩，先后有各省份制定的地方栽培基质标准或基质栽培规程，但检测指标和检测方法不一，除《绿化有机基质》（GB/T 33891—2017）、《蔬菜育苗基质》（NY/T 2118—2012）外，基质产品缺乏行业或国家检验标准，质量差异明显，缺乏稳定性[94]。

3.1.2 基质栽培管理水平有待进一步提高 （1）无土栽培技术相对复杂，设施装备投入较多，不同的基质栽培模式如槽式栽培、袋式栽培和桶式栽培等，其管理方式和投入产出会不同[95]，用户在选择时更多倾向于成本考虑，而缺乏相应的数据参考和专业指导。

（2）无土栽培对管理技术要求高，特别是水肥管理不当极易出现生理性障碍。实践中，基质栽培管理大多还属于粗放型管理，存在一定经验性和盲目性，尽管大量的滴灌技术已应用于基质栽培中，水肥一体化施用在实际应用中并不普遍，出现水与肥各自施用、肥料利用率降低、水资源浪费等现象。基质的生产和使用脱节，用户缺乏特定作物品种水肥管理技术和配套环境管理方法，尚不能实现水分和养分的精准管理。

（3）在基质栽培过程中，提高基质重复利用效率的各种手段和方法尚不能有效系统地应用，比如在基质消毒方面更倾向于翻晒、水洗或广谱杀菌剂消毒。

（4）我国无土栽培技术起步晚，自动化、智能化水平较低，智能化节水灌溉系统和智能化温室控制系统等投入成本大，且在使用过程中对操作管理要求高，应用不够普及[96]。

3.1.3 基质栽培技术研究有待系统全面化 目前，人们对于基质的研究主要集中于原料和配方的筛选及使用效果上，一方面关于基质对水分和养分吸附、保持、释放性能，基质结构的稳定性，微生态环境变化，基质与作物间的养分输送过程，配套的水肥管理技术缺乏全面深入的研究；另一方面对于已使用过的基质能否再用，是否废弃，缺乏统一的评价标准和成熟分类循环利用方法。

3.2 展望

3.2.1 基质开发方向——标准化、专用化、功能化 实现基质高效重复利用，保证基质的质量是根本。随着人们环保意识的增强及各国政府环保政策颁布，促使无土栽培逐步向环保型、经济型、技术型的方向转变，如何开发一种性能稳定、原料来源广泛、价格低、对环境无污染和便于规模化生产的基质是基质栽培的关键[97-98]。

（1）提高基质产品的质量稳定性和可靠性，基质标准化生产体系的建设与完善是前提和基础。针对有机基质种类复杂的问题，可按照基质的用途划分不同产品类型，并制定相应的生产工艺流程体系和质量控制标准，生产不同档次、不同用途的栽培基质。

（2）研发专用型、功能化栽培基质。在基质生产中，可根据不同的栽培作物类型研发通用型、专用型基质；在专用基质基础上，通过添加特定成分达到保水、抗病、防虫等特殊要求，实现基质生产的多样化、功能化需求。

（3）选料本土化。在原料选取上，要因地制宜，就地取材，充分利用本地农林资源生产出本土化的产品，从而降低生产成本。

3.2.2 基质栽培管理标准化、专业化、自动化 （1）基质的研发生产应与实际应用相结合，可根据不同作物的需肥规律和需肥特征，制定一体化的水肥管理模式，实现以肥调水、以水促肥，全面提高作物的水肥利用效率；积极开展设施农业专业基质和配套使用技术研究和推广，同时给予用户必要的田间管理技术指导，提高基质栽培管理技术水平，這是基质高效重复利用的保障。

（2）智能化温室可根据不同作物的生长发育需求适时进行温度、湿度、光照、水分、肥料、CO2浓度等因素的自动调节与控制，可达到节约资源、高效生产的目的。无土栽培是智能化温室的主要栽培方式之一，应持续开展相关配套设备设施和控制系统研发，提高无土栽培自动化水平，实现无土栽培操作的简单化、智能化。

3.2.3 实现基质高效利用，基质的分类循环利用是归途 可根据基质重复利用后的性能变化和利用的实际效果确定废弃基质的评价项目和标准，并构建其分类使用方法。根据该评价方法，可将多次使用的基质分为可再利用基质及废弃基质，对可再利用基质通过消毒、理化重构、水洗、生物修复等方式实现基质再利用；对废弃基质可直接还田或作为有机肥、土壤调理剂、沼气工程原料，从而从真正意义上实现农业剩余物的循环利用（图1）。

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