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草坪无土栽培基质的研究进展及发展趋势
武良1, 边秀举1, 徐秋明2, 谷佳林2
（1 河北农业大学，河北保定071001；2 北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京100097）
草坪在城市绿化、保护改善环境、维护生态平衡等方面起着重要的作用。因此，草坪越来越受到人们的喜爱，而且随着人民生活水平的不断提高，对草坪质量的要求也日益提高，草坪的应用范围越来越广。但目前草坪栽培多为传统的有土栽培，生产过程中存在着占用大量耕地，破坏原有耕地表层土壤结构，培植周期长，草坪重量重、运输不便、铺植效果不佳等问题。而无土栽培草坪具有节约土地、省肥省水、病虫害发生少、成坪时间短，质量轻，可修剪成任何形状，起运方便，用途广泛等特点，是一项值得深入研究的草坪生产技术[1]。草坪无土栽培（soilless culture）是指采用基质代替天然土壤进行草坪建植的栽培方法。目前生产中采用较多的无土栽培基质原料主要分为有机材料和无机材料。基质材料的选择一般遵循廉价、丰富、可再生及环保原则，养分来源一般采用腐熟的有机肥料及化学肥料。近几年，随着科技人员的不断创新，草坪无土栽培基质的研究和栽培技术方面均取得了长足进步。
1 草坪无土栽培基质的研究现状
1.1 国外草坪无土栽培基质研究
国外草坪无土栽培基质研究起步较早。研究方向主要是利用工农业废弃物生产无土栽培有机基质，如泥炭、椰子纤维、堆置树皮、锯末屑、蔗糖、炭化稻壳、菇渣、芦苇沫、腐殖质、洋麻纤维等[2~10]。由于这些有机基质具有孔隙度高，固氮能力强，保水保肥性能好，微生物活性强等优点[2,3]，因此成为了草坪草无土栽培基质主要原料。例如Hensler K[11]采用洋麻纤维作为基质进行暖季型无土草坪栽培；Shbata M[12]等人以腐烂的树皮或泥炭为主要成分作为草坪草无土栽培基质。与此相对，无机基质如泡沫塑料、玻璃纤维等一般很少含有营养元素，植物所需养分完全靠营养液供给，应用和管理成本相对较高，不适宜大面积推广应用。但由于有机基质的理化性状变化较大，稳定性相对较差，容易造成草坪凹凸不平，将有机基质和无机基质进行混合使用可扬长避短，且在水、气、肥协调方面优于单一的无机或有机基质，所以利用混合基质进行草坪栽培成为了国外草坪栽培领域研究的新热点。
1.2 国内草坪草无土栽培基质研究
国内在草坪草无土栽培基质方面的研究起步相对较晚，针对草坪生产中存在的诸多问题，国内一些学者以珍珠岩、锯末、煤渣[13]、无纺织物[14]、生活垃圾[15]等材料为基质进行了草坪草无土栽培研究。结果证明，与有土草坪相比无土草坪具有实用范围广、节约耕地、有效防止病虫害及杂草、便于运输等优点。但是无土草坪还存在着生产技术不过关、生产成本高等缺点。目前我国
草坪无土栽培基质的研究主要集中在有机基质、无机基质及混合基质3 个方面。
1.2.1 有机栽培基质
目前国内常用的有机基质原料为草质纤维、稻草、棉纺厂落棉、麦杆纤维、废弃棉纤维、粉煤灰、城市污泥等[14,16~24]。由于这些材料具有来源广泛，成本低廉，含有丰富的中微量元素，生产周期短，可降解，既可以解决工农业废弃物的出路问题，又可以降低草坪的生产成本。因此，利用工农业废弃物进行草坪栽培，实现资源的可循环利用是今后无土栽培基质选材的主要方向，同时该方向的深入研究适合我国国情、符合循环农业和农业的可持续发展要求，具有显著经济、社会、生态效益。
目前国内常用的有机基质原料为草质纤维、稻草、棉纺厂落棉、麦杆纤维、废弃棉纤维、粉煤灰、城市污泥等[14,16~24]。由于这些材料具有来源广泛，成本低廉，含有丰富的中微量元素，生产周期短，可降解，既可以解决工农业废弃物的出路问题，又可以降低草坪的生产成本。因此，利用工农业废弃物进行草坪栽培，实现资源的可循环利用是今后无土栽培基质选材的主要方向，同时该方向的深入研究适合我国国情、符合循环农业和农业的可持续发展要求，具有显著经济、社会、生态效益。
1.2.2 无机栽培基质
目前国内单独采用无机材料作为草坪栽培基质的报道相对较少。主要是由于无机基质营养物质含量较低，保水、保肥能力差，如果采用营养液进行灌溉，应用成本又相对高，操作难度大，并且有可能对环境产生负面影响，因此利用无机基质进行规模化草坪栽培尚存在一定的难度。但近几年国内有采用岩棉、砂、丙纶非织造布、废胶粒、泡沫塑料[25,26]等作为草坪无土栽培基质的相关报道。
目前国内单独采用无机材料作为草坪栽培基质的报道相对较少。主要是由于无机基质营养物质含量较低，保水、保肥能力差，如果采用营养液进行灌溉，应用成本又相对高，操作难度大，并且有可能对环境产生负面影响，因此利用无机基质进行规模化草坪栽培尚存在一定的难度。但近几年国内有采用岩棉、砂、丙纶非织造布、废胶粒、泡沫塑料[25,26]等作为草坪无土栽培基质的相关报道。
1.2.3 混合基质
目前我国草坪无土栽培基质主要集中于混合基质的研究。如将腐熟的草质纤维、木质纤维、醋渣、秸秆、污泥、泥炭土、鸡粪、草炭土、亚麻等有机基质和珍珠岩、炉渣、蛭石、沙、珍珠岩、涤纶等[27~34]无机基质进行配比进行草坪种植。混合基质可以改变单一栽培基质的缺陷，使栽培基质的C/N、容重、孔隙度、养分含量、保水性、通气性等性状更符合草坪草生长发育的要求，所以混合栽培基质是一个稳定、缓冲性强、具有良好根系生长环境的系统，将是我国未来草坪无土栽培基质研究的重点。
目前我国草坪无土栽培基质主要集中于混合基质的研究。如将腐熟的草质纤维、木质纤维、醋渣、秸秆、污泥、泥炭土、鸡粪、草炭土、亚麻等有机基质和珍珠岩、炉渣、蛭石、沙、珍珠岩、涤纶等[27~34]无机基质进行配比进行草坪种植。混合基质可以改变单一栽培基质的缺陷，使栽培基质的C/N、容重、孔隙度、养分含量、保水性、通气性等性状更符合草坪草生长发育的要求，所以混合栽培基质是一个稳定、缓冲性强、具有良好根系生长环境的系统，将是我国未来草坪无土栽培基质研究的重点。
2 草坪无土栽培基质的研究方法
2.1 基质选择原则
草坪栽培基质须具备4 个基本功能，即固定作物的能力、保水能力、保肥能力及透气能力[35]。在选择基质时应注意以下几点：
①有机物质的稳定性：有机物栽培基质，须先堆制发酵，使其形成稳定的腐殖质，并降解有害物质[35]。
②C/N：草坪栽培过程中，微生物利用有机物中的碳，每消耗30kg 的碳须同时消耗1kg 氮，否则降解受阻，因此有机物中C/N 比例不宜超过30：1[36]。
③容重及孔隙度：基质需有足够的重量并具有适当的孔隙度。基质过重运输成本较高，使用不便。孔隙度小草坪根系通气性差不利于草坪生长，孔隙度大基质的容重又难以达到草坪栽培的需要。因此，适合草坪栽培的基质其浇水后的容重在673~1261kg/m3，孔隙度54%~96%[16]为宜。
④持水力及通气性：浇水后的基质由基质颗粒、颗粒表面水膜及孔隙中空气三部分组成。基质中的水气要平衡，保持在空气10%~20%，水分35%~50%[36]为宜。
2.2 基质性质
2.2 基质性质
基质的性质包括物理性质、化学性质和生物性质。Willion R. Argo[37]认为，适宜作物生长的基质须具有四个方面的性质：①供给水分，②供给养分，③保证根际的气体交换，④为植株提供支撑。这些性质是由栽培基质本身的物理、化学及生物学特性所决定的[16,38]。目前没有任何单一基质能满足所有植物生长发育的需要，所以只有理想的栽培基质而没有完美的栽培基质。不同特性的基质会影响植物的生长以及其水肥管理[39]。
2.2.1 基质物理性质
影响草坪生长的主要物理因子有基质的三相比，基质的吸排水性，再吸湿力及其表面水分散失特性等[12]。反映其物理性质的重要参数有容重(Bulk density，BD)、总孔隙度(Total porosity，TP)、通气孔隙度(Air filled porosity，AFP)、粒径分布(Particlesize distribution)、容器容水量(Container capacity，CC)等[37]。基质容重是指单位容积的基质干重，其大小与基质的松紧程度和孔隙度密切相关。一般认为，小于0.25g/cm3 属于低容重基质，0.25~0.75g/cm3 属于中容重基质，大于0.75g/cm3 属于高容重基质，而基质容重在0.1~0.8g/cm3 范围内草坪栽培效果较好[40]。基质孔隙与粒径。总孔隙度(Total porosity，TP)是指基质中持水孔隙和通气孔隙的总和。一般来说，进行草坪栽培基质的孔隙度在54%~96%范围内即可，最适宜的基质孔隙比为1：2~4[41]。另外，基质的颗粒直接影响着容重、总孔隙度和大小孔隙比。不同种类的基质各有不同的粒径，进行草坪种植对不同的基质材料有着不同的要求。例如，砂粒以0.5~2.0mm 为宜，陶粒粒径在1cm 以内为好，而岩棉、蛭石等基质的粒径形状大小一般不予考虑。此外，基质的水分特性和通气性状对草坪草的生长起着至关重要的作用，适宜的基质水分和通气性状既可以提高其保水性又可以增加根系的透气性，从而提高草坪草的抗旱性，减少病虫害的发生，为根系提供良好的生长环境。
2.2.1 基质物理性质
影响草坪生长的主要物理因子有基质的三相比，基质的吸排水性，再吸湿力及其表面水分散失特性等[12]。反映其物理性质的重要参数有容重(Bulk density，BD)、总孔隙度(Total porosity，TP)、通气孔隙度(Air filled porosity，AFP)、粒径分布(Particlesize distribution)、容器容水量(Container capacity，CC)等[37]。基质容重是指单位容积的基质干重，其大小与基质的松紧程度和孔隙度密切相关。一般认为，小于0.25g/cm3 属于低容重基质，0.25~0.75g/cm3 属于中容重基质，大于0.75g/cm3 属于高容重基质，而基质容重在0.1~0.8g/cm3 范围内草坪栽培效果较好[40]。基质孔隙与粒径。总孔隙度(Total porosity，TP)是指基质中持水孔隙和通气孔隙的总和。一般来说，进行草坪栽培基质的孔隙度在54%~96%范围内即可，最适宜的基质孔隙比为1：2~4[41]。另外，基质的颗粒直接影响着容重、总孔隙度和大小孔隙比。不同种类的基质各有不同的粒径，进行草坪种植对不同的基质材料有着不同的要求。例如，砂粒以0.5~2.0mm 为宜，陶粒粒径在1cm 以内为好，而岩棉、蛭石等基质的粒径形状大小一般不予考虑。此外，基质的水分特性和通气性状对草坪草的生长起着至关重要的作用，适宜的基质水分和通气性状既可以提高其保水性又可以增加根系的透气性，从而提高草坪草的抗旱性，减少病虫害的发生，为根系提供良好的生长环境。
2.2.2 基质化学性质
基质的化学性质对草坪生长起着非常重要的作用。其中对草坪生长有较大影响的基质化学性质主要有基质的化学组成及由此而引起的化学稳定性，酸碱性，物理化学吸收能力（阳离子代换量）、缓冲能力、电导率、含盐量等。它们相互作用、共同影响着草坪的生长[40,42,43]，但这些因子的影响效应并不一定是同时或同等的。此外基质的化学性质会因草坪生长、灌溉、气候等因素发生变化，在基质的选择中应注意这些变化，随时根据草坪草的生长情况对这些因素进行相应的调整。
基质的化学性质对草坪生长起着非常重要的作用。其中对草坪生长有较大影响的基质化学性质主要有基质的化学组成及由此而引起的化学稳定性，酸碱性，物理化学吸收能力（阳离子代换量）、缓冲能力、电导率、含盐量等。它们相互作用、共同影响着草坪的生长[40,42,43]，但这些因子的影响效应并不一定是同时或同等的。此外基质的化学性质会因草坪生长、灌溉、气候等因素发生变化，在基质的选择中应注意这些变化，随时根据草坪草的生长情况对这些因素进行相应的调整。
离子交换量(CEC)及基质电导率（Ec 值）。基质应具有吸附肥料中的营养元素供草坪草吸收利用的能力，而基质的离子交换量和电导率决定了基质的这个能力。对于进行草坪栽培的基质离子交换量以10ml/100g~30ml/100g（干重）较为宜，若CEC 较低，NH4+ 等容易被淋洗，需要补充氮素以维持植物健康生长。不同基质材料的（CEC）值相差很大，一般将基质分为二类，一类为有阳离子交换性能，如泥炭、木屑、堆肥；另一类几乎无阳离子交换性能或交换能力很弱，如蛭石、岩棉、砂等。基质电导率（Ec 值）在2.1mS/cm~3.5mS/cm（饱和浸提（SME）法）范围内适合大多数草坪的生长[38,44]。
pH 值。进行草坪栽培的无土栽培基质其酸碱性应保持相对稳定，最好呈中性或微酸性，过酸、过碱都会影响草坪草营养平衡，因为pH 直接影响着养分的形态和有效含量。大量元素在pH 为6.0 时有效量最大，而Cu、Fe、Mn、Zn 在5.0~6.0 之间，Mo 在6.5~7.0 之间的有效态最高。由于草坪草对养分吸收及生长过程中水分的蒸发，基质的pH 会发生相应的变化，因此基质的pH 缓冲性能也就显得重要了，这个能力由阳离子交换量和盐分的组分、含量所决定，CEC 大对pH 的缓冲性也就大，反之则小[45]。大多数草坪草在基质pH6.0~7.0 范围内生长良好[46]。各种草坪草适宜pH 值范围见表1。
pH 值。进行草坪栽培的无土栽培基质其酸碱性应保持相对稳定，最好呈中性或微酸性，过酸、过碱都会影响草坪草营养平衡，因为pH 直接影响着养分的形态和有效含量。大量元素在pH 为6.0 时有效量最大，而Cu、Fe、Mn、Zn 在5.0~6.0 之间，Mo 在6.5~7.0 之间的有效态最高。由于草坪草对养分吸收及生长过程中水分的蒸发，基质的pH 会发生相应的变化，因此基质的pH 缓冲性能也就显得重要了，这个能力由阳离子交换量和盐分的组分、含量所决定，CEC 大对pH 的缓冲性也就大，反之则小[45]。大多数草坪草在基质pH6.0~7.0 范围内生长良好[46]。各种草坪草适宜pH 值范围见表1。
营养物质含量及养分供应能力。基质的这一特性主要受自身的营养数量、状况、阳离子交换能力、草坪对养分需求量的大小、吸收养分的能力等因素影响。因此在草坪栽培过程中应根据基质自身养分含量及所栽培草坪的养分吸收特点进行基质的养分调配[36]。
2.2.3 基质生物特性
基质的生物性质主要指有机材料的稳定性。草坪的生长环境中充斥着各种各样的微生物，在微生物的作用下，有机质的腐蚀与降解将会改变基质的物理和化学特性。有研究提出使用CEC，焦磷酸指数(Pyrophosphate index)，C/N， 呼吸测定法(Respimmetry)等生物性质参数[39]对草坪栽培基质的生物学特性进行评价，从而筛选适合草坪生长的基质。目前基质的生物特性研究除了稳定性外，还包括生物控制方面的相关研究[39]，例如如何避免草坪病害的传播，淋洗液中杀虫剂杀菌剂的分解等。
基质的生物性质主要指有机材料的稳定性。草坪的生长环境中充斥着各种各样的微生物，在微生物的作用下，有机质的腐蚀与降解将会改变基质的物理和化学特性。有研究提出使用CEC，焦磷酸指数(Pyrophosphate index)，C/N， 呼吸测定法(Respimmetry)等生物性质参数[39]对草坪栽培基质的生物学特性进行评价，从而筛选适合草坪生长的基质。目前基质的生物特性研究除了稳定性外，还包括生物控制方面的相关研究[39]，例如如何避免草坪病害的传播，淋洗液中杀虫剂杀菌剂的分解等。
2.3 基质研究方法
2.3.1 通过基质的分类来研究草坪无土栽培基质。根据基质的形态、成分和形状，把栽培基质分为无机基质、有机基质和混合基质[36]。
2.3.2 通过测定基质的物理、化学和生物学性质来研究草坪无土栽培基质。根据草坪草在不同时期生长发育对栽培基质理化及生物学特性的需要而进行基质选择。
2.3.3 把基质的理化性质研究与草坪生长指标研究相结合，来评判草坪无土栽培基质的优势。通过研究栽培基质的理化性质如容重、孔隙度等，同时又研究草坪外观质量和生态质量等因素来选择最佳的栽培基质，通过该方式可以较为全面的评判基质优劣。
2.3.4 通过研究基质的经济性状来评判草坪无土栽培基质的优势。某一种基质虽然在性能上非常适合某一种草坪草生长的需要，但若其成本过高，对基质用户来说也不是最优选择。Nelson 曾提到：选用无土栽培基质的用户必须决定是用成品还是自己研制，这个决定必须自己下并要考虑其成本。基质用户应计算配制基质的成本，这些成本包括基质组分的费用、基质配制、运输及贮存的费用。好的基质应容易获得，且其组分费用、配制、运输、贮存的各项费用应最低。
2.3.4 通过研究基质的经济性状来评判草坪无土栽培基质的优势。某一种基质虽然在性能上非常适合某一种草坪草生长的需要，但若其成本过高，对基质用户来说也不是最优选择。Nelson 曾提到：选用无土栽培基质的用户必须决定是用成品还是自己研制，这个决定必须自己下并要考虑其成本。基质用户应计算配制基质的成本，这些成本包括基质组分的费用、基质配制、运输及贮存的费用。好的基质应容易获得，且其组分费用、配制、运输、贮存的各项费用应最低。
3 草坪无土栽培的研究发展趋势
3.1 基质的结构研究。
由于无土基质与土壤间在理化性质方面不尽相同。因此，其分析测定方法也有不同之处。经研究，矿质土壤的提取分析方法适用于基质的水气含量、pH、盐分、养分含量的分析测定[44]。但由于不同基质持水力与容重的变化很大，使用提取分析技术很难比较不同基质，这样也造成了基质研究与交流的不便。近年来，针对此问题，荷兰的de Kreij 等[47]人提出了3*substrate moisture 测定方法（基质的3 倍含水量提取测定法），该方法其浸提液的用量是根据基质的水分含量来确定的，所以不同含水量的基质皆具有可比性，适用于所有基质的分析比较；Groot J F de 等[48]人为了便于分析栽培基质特性，提出了基质性质、排水系统与水分含量的一条龙测定方法；同时Wever 等[49]人所提出的生长介质的气体含量测定方法简易、精确，同时还能检测基质的水分含量、根系功能与基质气体组成的关系。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，因此这些系统研究是草坪无土栽培基质结构研究方面的创新和突破。
由于无土基质与土壤间在理化性质方面不尽相同。因此，其分析测定方法也有不同之处。经研究，矿质土壤的提取分析方法适用于基质的水气含量、pH、盐分、养分含量的分析测定[44]。但由于不同基质持水力与容重的变化很大，使用提取分析技术很难比较不同基质，这样也造成了基质研究与交流的不便。近年来，针对此问题，荷兰的de Kreij 等[47]人提出了3*substrate moisture 测定方法（基质的3 倍含水量提取测定法），该方法其浸提液的用量是根据基质的水分含量来确定的，所以不同含水量的基质皆具有可比性，适用于所有基质的分析比较；Groot J F de 等[48]人为了便于分析栽培基质特性，提出了基质性质、排水系统与水分含量的一条龙测定方法；同时Wever 等[49]人所提出的生长介质的气体含量测定方法简易、精确，同时还能检测基质的水分含量、根系功能与基质气体组成的关系。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，因此这些系统研究是草坪无土栽培基质结构研究方面的创新和突破。
3.2 基质生产工艺。
按标准参数控制基质生产过程，使基质有利于水分的吸收、排放、通气、根系的伸长和结构的稳定，同时使此技术应适合标准化、规模化、工厂化的生产需要。
按标准参数控制基质生产过程，使基质有利于水分的吸收、排放、通气、根系的伸长和结构的稳定，同时使此技术应适合标准化、规模化、工厂化的生产需要。
3.3 基质栽培中根际营养的研究。
虽然无土栽培基质不像土壤栽培中那样普遍存在环境胁迫，如养分、水分、酸碱、温度等胁迫，但对草坪根际营养、微生物活性及根系分泌物是如何调节植物养分需求的研究工作仍具有重要的意义。
虽然无土栽培基质不像土壤栽培中那样普遍存在环境胁迫，如养分、水分、酸碱、温度等胁迫，但对草坪根际营养、微生物活性及根系分泌物是如何调节植物养分需求的研究工作仍具有重要的意义。
3.4 基质的水肥管理技术。
在无土栽培环境下，草坪的生长有其相应的特点。因此，营养液的配制技术、营养元素在基质中的添加、灌溉技术、监测调整技术等将是基质研究和应用的重点。
在无土栽培环境下，草坪的生长有其相应的特点。因此，营养液的配制技术、营养元素在基质中的添加、灌溉技术、监测调整技术等将是基质研究和应用的重点。
3.5 经济环保型基质研究。
近年来，由于人们环保意识的不断提高，对工农业废弃物进行无害化处理，用于草坪的栽培种植，从而实现资源的循环利用，这将是未来草坪无土栽培基质的发展方向。
近年来，由于人们环保意识的不断提高，对工农业废弃物进行无害化处理，用于草坪的栽培种植，从而实现资源的循环利用，这将是未来草坪无土栽培基质的发展方向。
由于草坪土壤栽培存在诸多缺点，如传统草坪卷生产破坏土壤结构，营养难于调控，病虫害难于预防，生产操作繁重等。因此，进行规模化无土栽培是解决上述问题的有效方法之一。开发的基质应该是以适应不同地域、不同草坪，以成本低、效果好、管理方便为标准。不过，栽培基质作为一种流通商品，必须具有固定的配方、稳定的成分和可靠的性能，要适于包装运输，质轻易用，无毒、无害、无臭，具有良好的生物稳定性。
总之，无论是从对草坪的适用性、经济性的角度出发，还是从市场需要、环境要求方面考虑，选择能够循环利用，不污染环境并且能够解决环境问题的有机- 无机复混基质是将来草坪无土栽培的主要发展方向，其中有机废弃物的合理使用将是问题的关键。同时为适应无土栽培基质产业化发展需要，对基质原料进行进一步筛选，同时对各主要基质原料的理化性状进行深入研究，制定标准化生产工艺，并在条件成熟时进行规模化生产势在必行。随着我国农业产业结构调整，草坪业得到迅速发展，高质量的草坪需求量不断增加。因地制宜，就地取材，充分利用各种丰富廉价资源生产优质、低成本、环保型无土栽培草坪，必将在我国具有广阔的应用前景。预计在未来10a 内，无土基质栽培将取代传统草坪生产。
总之，无论是从对草坪的适用性、经济性的角度出发，还是从市场需要、环境要求方面考虑，选择能够循环利用，不污染环境并且能够解决环境问题的有机- 无机复混基质是将来草坪无土栽培的主要发展方向，其中有机废弃物的合理使用将是问题的关键。同时为适应无土栽培基质产业化发展需要，对基质原料进行进一步筛选，同时对各主要基质原料的理化性状进行深入研究，制定标准化生产工艺，并在条件成熟时进行规模化生产势在必行。随着我国农业产业结构调整，草坪业得到迅速发展，高质量的草坪需求量不断增加。因地制宜，就地取材，充分利用各种丰富廉价资源生产优质、低成本、环保型无土栽培草坪，必将在我国具有广阔的应用前景。预计在未来10a 内，无土基质栽培将取代传统草坪生产。
