棉稈無土栽培基質化利用前景與技術分析

宋日雨　師勇強　馬雄風　張杰　程思賢　王文魁　張煒　王方正　王巖　馬小艷

摘要：在介紹國內棉花秸稈基質化利用的研究現狀，包括其用途、混配方法以及發酵條件等的基礎上，分析了棉稈基質化利用中的問題并給出了相應的技術對策，以期為新疆棉稈無土栽培基質的應用提供參考。

關鍵詞：棉稈利用；無土栽培；栽培基質；無害化處理；棉稈發酵；基質配比

我國是世界重要的棉花生產國，2022年我國皮棉產量為597.7萬t，占全球皮棉產量的1/5。新疆作為我國棉花主要生產基地，2022年新疆棉花總產占我國棉花產量的90.2%[1]。棉花采收過程會產生大量棉稈等副產物，因制油、飼料化等利用方式還不夠成熟[2-3]，目前棉稈的處理方式大多為焚燒，污染環境的同時造成資源的極大浪費。棉稈木質化程度高，將其處理后作為無土栽培的基質是棉稈資源的有效利用途徑之一。介紹了無土栽培基質的研究與利用現狀，對棉稈基質化利用中存在的問題進行了深入分析，并提出了相應的解決途徑，以促進我國棉稈資源的有效利用。

1 無土栽培基質發展現狀

1.1 無土栽培基質的研究與利用現狀

由于傳統農業的集約化生產程度不高以及過度施用化肥和農藥，土壤退化、土傳病害發生、土壤及水環境污染等情況愈發嚴重。無土栽培技術是1種以水、草炭、腐葉土、蛭石等為基質固定植株，使植物的根與養分直接接觸的培養方法，可以滿足作物對水分、養分、空氣等的需求。無土栽培技術可突破土地的限制，清潔無污染，并可擴大耕作空間，使農作物在貧瘠或根本無法耕種的土地上生長，因而具有很好的發展前景。

目前，全球已有100多個國家和地區應用無土栽培技術[4]。其中，美國是全球最早將無土栽培商業化應用的國家，主要栽培番茄、黃瓜等農作物，無土栽培面積超過2 000 hm2 [5]；荷蘭是無土栽培技術最先進的國家，無土栽培面積達到4 600 hm2；亞洲國家中，日本無土栽培技術比較成熟，無土栽培面積占總設施園藝面積的4.2%，超過1 800 hm2 [4]。基質栽培是目前世界上主要的商業性無土栽培方式，荷蘭的基質栽培占無土栽培總面積的90%以上，法國占81%，日本占80%以上，加拿大占80%，比利時占50%左右[6]。盡管我國無土栽培技術起步較晚，但近年來得到了蓬勃發展，無土栽培面積迅速擴大。截至2018年，我國無土栽培面積高達6 250.5 hm2左右，預計到2023年種植面積將增長到16 561.3 hm2，其中基質栽培約占50%[4]。隨著我國無土栽培基質研究的逐漸深入，相關研究成果已位居全球首位[4]。

基質是無土栽培的基礎和核心，因此，基質的選用和配方是無土栽培的關鍵技術。目前常用的無機栽培基質有蛭石、珍珠巖和巖棉等，有機栽培基質有草炭、椰糠和腐殖土等，并且隨著人們對無土栽培基質的研究，基質的種類也逐漸增多。無機基質來源廣泛，且可以為作物生長提供鉀、鈣等營養元素，但其存在陽離子交換量較低、儲肥能力較差等問題。有機基質滲透性及透氣性好、容重低、儲肥能力強，但其有機成分在設施滴灌條件下的釋放、吸收和代謝機理不明，不利于作物營養的精準調控。因此，目前常用的無土栽培基質多為多種基質以一定比例復配成的混合基質，混合基質在溫度、水分、空氣、肥力的協調方面優于單一基質[7-8]，更適合作物生長。基質復配比例應合理，并應根據基質的營養成分、理化性質等調整成分比例，尋找最佳復配比，我國對此已有較多研究。張鋒等[9]對幾種無土栽培基質理化性質的研究表明，復配基質的理化性狀較單一基質改善，同時養分較單一基質更全面充分。蒲勝海等[10]對無土栽培基質理化性狀的測定方法及其應用進行研究，結果顯示栽培基質各物理指標應控制在容重0.6～0.8 g·cm－3、總孔隙度60%～70%、持水量55%～75%，為無土栽培基質的配制和生產提供了一定的技術基礎。

1.2 無土栽培基質應用存在的問題

近年來，國內外設施蔬菜基質無土栽培技術發展迅速，具有拓展種植領域和抵御惡劣環境等優點，但也存在一定的問題。

1.2.1 基質原料的供應問題。目前大量使用的基質原料仍為草炭、珍珠巖、蛭石、巖棉等，其過度開發將嚴重威脅和破壞生態資源。同時，草炭是不可再生資源，其資源量有限，價格不斷上漲，會造成栽培基質成本升高。此外，原料資源分布不均衡，原料運輸也會提高栽培基質的成本[11]。因而為了滿足基質栽培生產的需求，應因地制宜地尋找天然基質的替代品。

1.2.2 基質保水保肥能力問題。無機基質吸水能力強，有機基質釋放養分緩慢、持久，混合基質可兼顧保水、保肥并能改善基質容重，提高固根能力。但是，由于目前尚無專門適用于無土栽培的作物品種，以及不同作物對基質成分配比和理化性狀的要求也存在較大差異，導致無土栽培生產難以工廠化、標準化[12]。加之基質中常存在病原菌等，給作物生產帶來安全隱患。

1.2.3 基質栽培的灌溉和用水質量問題。多數人認為干凈的井水、河水、自來水均可用于無土栽培，但其中可能含有的各種鹽及雜質，會造成非必需元素的積累中毒問題，并可能存在害蟲卵及有害生物而危害作物健康生長[13]。因此，須通過選擇替代基質材料或優化原料配比等方式消除用水質量帶來的不良影響。

1.3 無土栽培基質應用中存在問題的技術對策

首先是解決原料的供應問題。為了減少對自然資源的依賴和生態破壞，應尋找草炭、珍珠巖、蛭石、巖棉等天然資源的替代品，如將農作物秸稈、食用菌渣等分布廣泛、價格低廉的材料開發為無土栽培基質。其次是基質配比問題。可以通過測定各配比基質的營養成分，根據基質理化性質確定適宜不同作物的最佳基質配比，同時可適當添加保水劑、緩釋肥等，提高基質的保水保肥能力。再次是基質無害化處理問題。在栽培作物前應對基質進行無害化處理以防止病害發生。如利用蒸汽消毒或化學藥劑消毒，同時可添加微生物菌劑以預防病害和降低作物發病率。最后是基質栽培灌溉和用水質量問題。采用高品質水肥一體化滴灌方式，減少有毒元素積累以及有害生物的滋生，并提高水資源和肥料利用率。同時，水肥一體化運籌能夠簡化生產步驟，同步澆水施肥，省時省力[14]。但應注意滴管堵塞問題，做好水的過濾工作。

總之，為進一步完善無土栽培技術，應將現有技術進行整合，即采用資源分布廣、價格低的材料作為基質，測定基質的理化性質及營養成分，選擇最佳基質配比，利用蒸汽或化學藥劑進行無害化處理并添加微生物菌劑，預防病蟲害，采用高品質水肥一體化滴灌方式補水、施肥，實現無土栽培綠色高效、省時省力、省水省肥。

2 棉花秸稈基質化利用的前景分析

2.1 新彊棉花秸稈無土栽培基質化利用潛力

據國家統計局數據，2022年新疆棉花播種面積為249.69萬hm2，平均棉花單產為2 158.9 kg·hm－2，總產量為539.1萬t，占全國棉花總產量的90.2%，按照棉花草谷比5∶1來計算，2022年新疆棉稈產量約為2 695.5萬t[15]。由于棉稈木質化程度較高，除有小部分還田外，有較大比例的棉稈尚未得到合理而有效的利用。

新疆地區因氣候與生態特點導致地表蒸發量大，土壤鹽堿化程度高，要進行農作物生產必須引入大量淡水壓鹽、洗鹽和改良土壤，從而造成生產成本大幅增加。近年來，隨著農業生產中水肥一體化技術的成熟與推廣，采用無土栽培基質并配合水肥一體化技術生產反季節蔬菜等經濟作物已成為可能。采用無土栽培技術可以擺脫土地的束縛，使農作物可以在無法耕種的土地上種植，省空間、省水、省肥，經濟效益高，不僅可提高非耕地的利用效率，而且可充分利用當地優越的氣候與生態條件。

棉稈尤其是主莖部分，木質化程度高，將其破碎和處理后作為無土栽培基質具有較多優點。第一，棉稈軟硬適中，疏松多孔，具有良好的保水和保肥功能，明顯優于蛭石、珍珠巖等無機基質材料；第二，棉稈作為有機材料，可以為基質中有益微生物提供營養、促進其生長繁殖，為作物根系生長發育構建良好的微生態環境，減少病害發生；第三，利用棉稈生產基質時，可以添加適量的微量元素，通過與其中的有機質結合，提高微量元素的有效性和長效性；第四，棉稈基質使用后可以直接作為有機肥進行還田以改良土壤，有利于實現環保、生態應用。因此，新彊棉花秸稈的無土栽培基質化利用前景非常廣闊。

當然，將棉稈破碎無法直接作為基質使用，因為棉稈直接作為基質使用會產生燒根現象，同時棉稈可能攜帶的病原菌或病毒會導致作物感染病害，必須進行適度發酵和無害化處理，且需要與其他無機基質進行復配，確定適用性較優的基質配比是亟待解決的現實問題。因此，棉花秸稈基質化利用需要進行深入研究。

2.2 棉稈基質化利用的研究現狀

2.2.1 棉稈食用菌基質化利用可行性分析。白志剛等[16]研究指出，棉稈的主要成分為粗纖維，通過微生物發酵被分解為低分子碳水化合物。由于其富含養分，可以將其粉碎后取代木屑與其他肥料按一定比例調配，制作食用菌培養基。采用棉稈栽培食用菌，可使菌絲生長旺盛，提高生產效益，減少生產成本，提高經濟效益，促進棉稈循環高效利用。左旭等[15]對蘑菇栽培用棉花秸稈資源的天然適宜性評價指出，棉花秸稈中含有豐富的碳、氮、礦物質及激素等，利用棉稈、棉籽殼等制成食用菌培養基料可以生產出高產量、高蛋白、高維生素含量的食用菌。李金霞等[17]對棉稈資源特性及其在農業上的應用進行分析，表示利用棉稈廢料培養食用菌，纖維素、木質素、半纖維素和粗蛋白等營養成分經過食用菌胞外酶的轉化和利用，可長出高產量、高蛋白、高維生素含量的菌絲體和子實體。另外，部分菌類對游離棉酚具有分解作用。因此，利用棉稈作為食用菌培養料不僅可以生產食用菌，還可以利用食用菌分解棉酚，產生的菌糠可作為飼料應用，從而使棉稈得到多重利用，增加經濟效益。劉建平[18]對北方地區利用棉稈栽培雙孢蘑菇的高產技術研究結果顯示，采用棉稈發酵料栽培雙孢蘑菇，產量在15 kg·m－2以上，明顯優于傳統的麥秸料、稻草料和玉米秸稈料，而且發菌快、菌絲壯、出菇早、出菇期長、品質優。

2.2.2 棉稈基質優化及基質適宜發酵條件研究。張曄等[19]采用正交設計方法尋找棉花秸稈作為無土栽培基質的最佳發酵條件，結果顯示25∶1的碳氮比、1 cm長度的秸稈、氮源為雞糞加尿素的處理適宜棉稈發酵，可縮短秸稈腐熟時間。周安盛等[20]利用固氮菌、酵母菌和高產纖維素酶的細菌，采用混菌固態發酵的方式對復合微生物發酵棉稈制備植物栽培基質的培養基進行優化研究表明，最優培養基的組分為棉稈4.7 g，椰樹果殼粉0.3 g，蛋白胨0.8 g，酵母粉0.1 g，尿素1.72 g，磷酸氫二鉀0.304 g，水35 mL。張曄[21]研究不同發酵時間棉稈對基質理化性質和黃瓜生長的影響結果顯示，不同發酵時間棉稈的理化性質差異顯著，并與總孔隙度、容重、電導率（electrical conductivity， EC）3個指標呈正相關，即這3個指標均隨著發酵時間的延長而呈上升趨勢，而通氣孔隙度和pH呈正相關，二者均隨著發酵時間的延長而呈下降趨勢。發酵15～30 d棉稈的理化性質適合黃瓜基質栽培。

2.2.3 適宜不同農作物生長的基質配比研究。章智鈞等[22]以草炭、棉花秸稈、菇渣、蛭石和細沙為原料，研究了不同混配基質對草莓生長的影響，結果表明體積比V草炭∶V棉花秸稈∶V蛭石＝1∶1∶1為最佳配比，與對照V草炭∶V蛭石＝2∶1無顯著差異，表明腐熟后的棉花秸稈可部分替代草炭。韓樹東等[23]研究以棉稈作為無土栽培基質對黃瓜生長的影響，發現當無土栽培的基質成分為棉稈、蛭石、珍珠巖且等體積配比時，施肥量可適當減小。基質堆腐操作中的肥料成分也對黃瓜生長具有重要影響，尿素、雞糞等肥料的添加能提高棉稈基質中的養分含量，有利于植株養分的供應。王小武等[24]應用通徑分析研究了番茄生長表型對棉稈復合育苗基質理化性質的響應，結果顯示：棉稈混配其他基料后可顯著提高容重、降低EC；容重、總孔隙度、pH及EC是影響番茄生長表型的主要因子，其中通氣孔隙度和持水孔隙度對其生長有協同促進作用，而其他因素的作用是負向的；適當增加棉稈復合育苗基質的通氣孔隙度和持水孔隙度，降低容重、pH以及EC有利于培育番茄壯苗。崔元玗等[25]對棉稈作為蔬菜栽培基質的可行性進行研究，結果顯示棉花秸稈粉碎發酵，可以取代草炭作為有機基質原料。采用棉花秸稈作為基質栽培的有機原料，用砂或蛭石作為無機原料，經過合理的配方組合可以取得良好的生產效果。

3 棉稈基質化利用存在的問題

3.1 棉稈收集及加工問題

棉稈綜合利用不夠全面，其價值未得到充分利用，目前大多仍作為燃料使用，還田率為14.5%，飼料化利用率僅為3.2%，其他用途利用率不足10.0%，造成棉稈資源很大的浪費。其主要原因之一是棉稈收集較為困難，目前我國適用于棉稈收集的機械較為匱乏，收獲機的拔除、打捆等性能不足，棉稈機械化拔除率不高，大部分棉區棉稈收獲主要靠手工完成，勞動強度大，生產效率低，制約了棉稈資源的利用[26-27]。棉稈綜合利用技術不成熟，對棉稈的加工難以產業化，又導致棉稈資源利用的成本高[28-29]。

3.2 棉稈減害及養分供應問題

棉稈可能會因攜帶病原菌或病毒導致作物感染病害，所以粉碎后的棉稈不能直接作為栽培基質使用，須經無害化處理。而棉稈無害化處理是棉稈基質化利用中的一個重要問題。因為棉稈木質化程度高，常規的高溫發酵等處理對棉稈內部的病原菌等的無害化效果不徹底。同時，粉碎后的棉稈直接作為基質使用質地較硬，通氣性和導水性較差，易導致基質的水分供應能力不足。此外，棉稈基質腐熟度不合適時會導致燒根、燒苗等現象，造成死苗等重大經濟損失。

3.3 棉稈發酵腐熟問題

發酵方式可分為好氧發酵和厭氧發酵。厭氧發酵可以使發酵后秸稈基質的pH值以及EC更合適，但厭氧發酵具有消耗時間長和產生的異味大等缺點。好氧發酵因環境污染少、產物肥效高且穩定，是目前棉稈基質化的主流發酵方法。但是好氧發酵處理通常也需要幾周或幾個月的時間，這大大降低了基質的生產效率，并占用大量的生產空間。

3.4 基質成分配比問題

單一的棉稈進行前處理后作為基質使用，其容重、孔隙度等理化性質達不到栽培農作物的要求，因而須與其他成分如蛭石、珍珠巖等進行復配。所以確定適宜不同農作物的復配成分和比例也是棉稈基質化利用中的一個重要問題。且各地區、各年份的棉稈理化性質均有差異，不同批次的腐熟棉稈生產的基質制品存在不穩定的問題，均需調整配方、pH、EC等因素，導致其實際應用存在復雜性且困難[30]。

4 棉稈基質化利用存在問題的解決途徑

4.1 綜合利用方面

應增大棉稈利用產業規模，加大科技創新，降低棉稈資源化利用成本，形成先進高效的棉稈綜合利用產業鏈，提高棉稈的經濟效益。加強引導和宣傳政策，推廣成熟、實用、適合當地實際情況的秸稈利用技術，提升棉農、科研人員及企業家們對秸稈循環利用的積極性。

4.2 棉稈基質無害化處理方面

棉稈基質無害化處理包括化學處理和生物處理。化學處理可以利用高效綠色化學品（如石灰氮、尿素等）對適度破碎的棉稈進行無害化處理，通過測定棉稈中有害生物數量等確定藥劑添加量和處理時間。生物處理指在棉稈適度破碎后的腐熟發酵中添加發酵菌劑，通過微生物的作用使棉稈無害化并提高基質養分。通過測定腐熟后有害生物數量及腐熟所需要的時間等確定發酵菌劑品種及添加量。基質養分供應方面，對棉稈進行粉碎以及腐熟發酵，可以使其中的有機質、氮、磷、鉀、鈣和其他微量元素等有效固定和濃縮，同時可以殺死病原菌和蟲卵，為基質的安全應用提供保障。使用經過腐熟發酵的棉稈，可有效避免農作物燒根、燒苗現象的發生，使養分可以安全有效地被農作物吸收。但目前棉稈發酵技術研究尚不成熟，生產設備和工藝相對落后[30]。因此，必須引入和發展高效的生產工藝和機械，并完善棉花秸稈的無土栽培技術。

棉稈發酵處理時，可以進行有效的前處理，如粉碎成適宜的長度、調節氮源及碳氮比等，使棉稈處于最佳的發酵環境。密切觀測發酵過程中各項環境參數及腐熟程度，并尋找高活性和經濟性的菌種，從而縮短棉稈腐殖質化時間，提高經濟效益、養分利用率及安全性[31]。同時，酶處理是有效的生物催化法，如利用纖維素酶、半纖維素酶、漆酶、蛋白酶等，結合好氧發酵及高活性生物菌劑，可以提高木質素、纖維素降解效率，實現對秸稈基質理化性質和成分的定向調節，從而能夠大大縮短發酵處理時間。

4.3 基質成分配比方面

對于同一農作物設置一系列基質配方，通過測定復配基質的容重、通氣孔隙度、持水孔隙度、總孔隙度、大小孔隙比、pH、EC、有機質、養分、碳氮比、種子發芽率、種子發芽勢、植株根冠比、壯苗指數等參數確定復配基質成分比例。同時，不同批次的棉花秸稈應嚴格分類，確保同組棉稈理化性質基本相同，有利于配方、pH、EC等的調整。應在大量研究和數據積累的基礎上，得到基質原料配比數學模型，提高基質配比的數字化水平。

5 總結與展望

我國新疆棉花播種面積大，具有十分豐富的棉稈資源。由于棉稈木質化程度較高，目前除小部分被用于還田外，仍有較大比例棉稈尚未得到合理利用。棉稈基質化利用有良好的發展前景，棉稈的主莖部分木質化程度高，疏松多孔，適宜作物根系生長發育并具有良好的保水和保肥功能，同時棉稈基質對于提高微量元素的有效性和長效性也非常有利。但是，棉稈基質化利用過程中也存在無害化程度低、腐熟效率低和合理配比難等技術問題。這些問題，可以通過探尋更為高效的綠色消毒方法、高效的腐熟菌應用和基質數字化配比等手段加以解決，從而為新疆棉稈無土栽培基質大規模應用提供技術支撐，并有效解決新疆地區土壤嚴重鹽堿化帶來的農作物產量低的問題。

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（責任編輯：楊子山 責任校對：王小璐）

收稿日期：2023-03-02? ? #：同等貢獻。 通信作者：馬小艷，maxiaoyan@caas.cn；王巖，34760110@qq.com

基金項目：新疆生產建設兵團重大科技專項“回收地膜再利用關鍵技術研究與示范”（2022AB017）；新疆維吾爾自治區天山英才計劃（2021）