黄裕铭(台湾中兴大学土壤环境科学系)
最早调配的植物生长基质为1930年英国Jon Innes Horticultural Institute所建立,其含有壤土、藓类泥炭、砂及肥料。1950年,美国加州大学首先调配没有土壤的栽培基质,其含细砂、藓类泥炭及肥料。1960年,美国康乃尔大学调配的基质采用藓类泥炭、蛭石及珍珠石。森林育苗用50%藓类泥炭及50%蛭石。早期开采的蛭石含有石绵等物质,有害人体肺部的健康,现在的蛭石主要由云母高温制成。珍珠石粉尘也会对眼睛及肺部产生影响,所以许多栽培者喜欢采用其他替代产品,有些人认为泥炭、藓类泥炭及水苔植物不是永续材料[1],欧洲鼓励用堆肥化有机材料做替代品[2]。
由于人民对食品安全的要求越来越高,人工基质栽培的趋势越来越明显。栽培基质的功能是植物的支撑、有效水分、养分库、气体交换[3]。植物种类不同则需要基质条件差异也很大,例如有些植物需要酸性基质,有些植物需要中微酸性基质,而有些植物需要有较高通气性的基质等。另外,养分管理也需要注意,植物主要是吸收矿物质养分,有些型态养分需要经微生物转化才能为植物吸收,例如氮肥,一般植物主要是吸收硝酸态氮,如果施用铵态或尿素态氮,都需要经由亚硝化菌及硝化菌的作用才能转为硝酸态氮。添加有机质肥料或添加堆肥的基质,其矿化作用及矿化后的转化要靠微生物进行。许多无土壤基质,微生物群组少不仅会造成养分转化也会使磷肥流失。一般强调无土壤基质加上高温灭菌后,其所用肥料则需要用无需微生物转化马上可被吸收的矿物型态养分,所以没有一个单一基质可以适用所有作物。
澳洲政府所订AS3743-2003盆栽栽培基质有Regular及Premium 2种规格,见表1。
Premium 规格的基质种植植物1个月内不用施肥,Regular规格的基质种植植物需施肥。AS3743-2003鼓励添加堆肥,因为泥炭价格越来越贵,添加堆肥对保水保肥力都有贡献,且可以矿化释出养分,也可以帮助抑制病原菌生长[4]。
西班牙规定适合盆栽种植的基质性质:粒径0.2~2.0 mm、容重<0.4 g/cm3、真比重1.4~2.0 g/cm3、 总 孔 隙 > 85%(V)、 空 气 体 积20%~30%、pF1水势能含水量 55%~70%(V)、总 保 水 量 600~1000 mL/L、 缩 收 < 30%(V)、pH=5.3~6.5、EC ≤ 0.5 mS/cm、 总 有 机 质 >80%[3]。
Landis和Morgan[2]整理的美国理想基质,其 基 质 特 性:pH=5.5~6.5、EC<1.0 mS/cm、NH4-N<10 mg/L、NO3-N 为 100~200 mg/L、P为6~9 mg/L、Na≤50 mg/L、总孔隙率>50%、通气孔隙率15%~30%、保水孔隙率25%~35%。
DuPont[5]分析基质饱和抽出液的pH=5.5~6.5、EC=1.5~3.0 mS/cm、NO3-N 为 75~150 mg/L、P 为 5~20 mg/L、K 为 150~300 mg/L、Ca为100~200 mg/L、Mg 为 50~100 mg/L、Na<160 mg/L[6]。使用前采用水芹、燕麦、豆子、莴苣或快速生长的植物种子测试其发芽率。
德国规定了2种堆肥标准,第1型堆肥可以加入生长基质达40%,第2型堆肥矿物成分上限为第1型的2倍,所以允许用量上限为20%。第1型盐度≤ 2.5 g/L、N<300 mg/L、P2O5<1200 mg/L、K2O<2000 mg/L、Cl<500 mg/L、Na<250 mg/L、CaCO3<10%/DM、植物反应无氮固定及植物毒害物质、堆肥程度最高、有机质>15%/DM、无种子及可生长的植物或沙门氏菌[7]。
简[8]提出:容积比重0.30~0.75 gm/cm3(干重比),保水力20%~60%,总孔隙度排水后之孔隙占体积之5%~30%,pH为5.5~6.5(土壤混合栽培基质pH应为6.2~6.8),一般无土基质pH为5.4~6.0,EC 为 0.2~1.1 mS/cm,阳离子交换容量 20~40 cmol/kg(干重比 )。
以上数据显示,各国所订标准或准则其条件有差异,以下按照基质该有的功能讨论基质所需注意的特性参数。
表1 盆栽栽培基质有Regular及Premium的各项参数
基质中的物理、化学、生物性质是相互影响,尤其物理性质中的孔隙度受到基质材料的密度、颗粒大小及排列影响。基质的孔隙是基质中气相及液相共存的位置且相互消长,是决定基质通气性及保水性的重要基础。通气的好坏影响微生物种类及养分的转化。通气性的程度也会影响基质中的CO2浓度和基质pH,进而影响矿物养分的溶解度及吸附性,同时也影响微生物的族群。
◆比重
比重分有容重及真比重,容重是基质单位体基所含材料的干物重(g/cm3),真比重是基质中材料真正的固体体积含材料的干物重(g/cm3)。真比重砂2.65 g/cm3、一般壤土1.29 g/cm3、活的水苔植物0.010 g/cm3、未分解纯水苔植物0.040~0.052 g/cm3、中度分解含木质材料的藓类泥炭0.153 g/cm3、木质泥炭0.137 g/cm3、分解程度高的木质泥炭0.172 g/cm3、草质轻分解泥炭0.069 g/cm3、草质中度分解泥炭0.156 g/cm3、深度分解的泥炭0.261 g/cm3[9]。单纯材料的基质往往可以用容重及真比重算出孔隙率,人工调配基质所有材料可能为多种材料调配,所以其孔隙率要特别测定。
◆充气孔隙率、有效含水量
基质材料不同,对水分吸附特性差异大,尤其和一般矿质土壤的吸附特性差异更大,一般需要注重其充气孔隙而非总孔隙率。充气孔隙是指水势能在-0.1 kPa时基质的孔隙,此充气孔隙决定植物是否能有适当的根圈氧气。Drzal 等[10]将孔隙大小分成大、中、微、及超威孔隙,各别孔隙大小范围:>416μm、10~416μm、0.2~10μm及<0.2μm。相对应的水势能是0~-0.715 kPa、-0.715~-30 kPa、-30~-1500 kPa及 <-1500 kPa。大孔隙的水颗粒间的孔隙在重力下无法保水,即为一般所称充气孔隙,中孔隙的水势为有效水,微孔隙的水势为缓冲带水,超微细孔隙的水为无效水。
西澳洲政府[11]认为,空气孔隙比例不同的基质,其植物生长和水分管理有明显差异:5%,除湿地植物外皆太低;5~10%,对不常浇水的大型植物种植的基质,如室内植物;10%,新混合基质的低限值;10%~15%,种植后不太管理的栽培床植物用;15%~20%,一般育苗用;20%~25%,可使多数植物快速生长,但是浇水频率较高;30%,做繁殖用,室内植物及某些种子育苗用;30%~40%,促进快速生长,但是需勤浇水;40%~50%,附生植物。
Cornell大学[12]提出杜鹃需要高的空气体积(>20%),金鱼草及秋海棠需10%~20%,圣诞红、菊花、百合花需5%~10%,康乃馨及天竺葵只需2%~5%。
◆ 基质吸水特性
基质吸附水的特性会影响通气性、水分及养分管理。一般土壤管理最重视土壤有效水分含量,其土壤在田间容水量及永久凋萎点间所含水,一般测定-33~-1500 kPa水分含量。表2数据显示,不同分解程度及不同植物原泥炭含水特性差异大,活水苔植物在极低水势能-0.5 kPa以下含水体积只有39.8%,-10 kPa时只有12.0%,藓类泥炭则相对稳定在-10 kPa时还有30.8%。充分分解泥炭及中度分解草质泥炭在-10 kPa时还有70.9%,显示水苔植物及藓类泥炭可以给予良好通气,但是过度分解的泥炭其无效水比率大,通气较不良。Michel[13]针对泥炭的水分含量和水势能间关系定义-1 kPa时水分体积含量为67%(v/v),扣掉固体体积7%,所以充空气体积为26%,-1~-10 kPa含水量体积33%为有效水体积,-5~-10 kPa含水量称为水份缓冲容量(4%)。不同基质材料其缓冲容量不同,且非常重要。研究水苔植物及不同分解程度泥炭在不同水势能下的吸收水变化和Borlter[9]的现象相似,水苔类泥炭颗粒越细,分解程度越高,充气体积越低,有效含水量比率越高。
表2 不同泥炭不同水势能下水分吸附水体积率%(v/v)(整理自Boelter[9] )
园艺上的利用基质的水分特性曲线可以归纳4 型[14]:
TypeI:高有效水(>25% v/v)的好气生长(充气体积>20% v/v)。某些藓类泥炭有这样的特性,但是最多的是经过不同材料的调配。这型的水分管理最简单。
TypeII:高有效水,通气性较差。其细孔隙造成比Type I型含较高水,主要缺点是有缺氧气的风险。黑色泥炭为主要例子,这类泥炭为非藓类泥炭类。
TypeIII:高通气性低有效水。这类浇水时需少量多次,如树皮(新鲜或堆肥化)、木质纤维、珍珠石、及浮石。
TypeIV:高有效水的好气生长,但是水缓冲容量低。这型的材料具有纤维构造,如岩棉及某些木质纤维,其纤维内不会保留水。此类型会有水分不规则分布,一般上层的空气/水的比值高于底层,但是由于低缓冲水,所以高有效水量还是需要长期监测。
化学性包括有机组成、矿物成分、酸度(pH)、交换特性、阳离子交换容量(CEC)、可交换性阳离子、有机碳状态、氮状态、磷状态、硫状态等微量要素,特别是铜。
◆阳离子交换容量
阳离子交换量越高,保持阳离子养分越好,养分越不会流失。腐殖化越完全的有机材料其CEC越高。腐植质CEC高,未堆肥化的树皮相对较低。最高CEC的矿物是沸石,黏土矿物的CEC因矿物种类不同而差异大,藓类泥炭的CEC中等。一些材料的CEC细黏土56~63 cmol/kg、粗黏土 22~52 cmol/kg、砏粒 3~7 cmol/kg、藓类泥炭100~120 cmol/kg、腐质泥炭200 cmol/kg、蛭石150 cmol/kg、珍珠石1.5 cmol/kg、陈年树皮 40~60 cmol/kg[15]。
◆ pH及缓冲能力:
含土壤基质及不含土壤基质的pH对土壤有效养分的影响不同,一般有机质土壤或无土壤基质的pH可以比矿质土壤低1.0~1.5个单位。无土基质养分有效性最高的pH为5.0~5.5,而矿质土壤为6.0~6.8。一般pH低于4.0时往往有锰、铝及偶尔铁中毒现象。天竺葵及鸡冠花基质pH需在6.0~6.8以避免铁及锰中毒。反之杜鹃pH需4.5~5.8以避面缺铁。许多杜鹃科植物pH需要在5.0左右以降低微量要素缺乏[16]。基质的缓冲能力影响种植期间pH的变化及养分的流失等,藓类泥炭>堆肥化材质及黏土矿物(如硅镁土及皂石)>树皮>砂及珍珠石。
◆有机材料碳/氮比:
阔叶树树皮106∶1、纸浆污泥121∶1、藓类泥炭 48∶1、红香柏木屑 729∶1、椰纤 85∶1[16]。碳 /氮比高有机资材种植期间,微生物进行分解质会固定化有效性氮及磷,尤其新鲜材料及木质素相对浓度低者,这种资材使用时氮肥及磷肥用量要比其他材料高。
◆ 盐分含量,一般用电导度(EC, mS/cm):
基质盐分含量会影响水的渗透势能,盐分高于植物能接受的范围是渗透势能,则会有缺水现象。对EC非常敏感的植物有杜鹃、茶花及止血草,敏感的植物有石楠、垂榕及许多绿化植物,耐盐有康乃馨、菊花及洋玉兰,非常耐盐的植物有滨藜、朱槿及九重葛。多数植物可耐3.5 mS/cm以下[16]。
人们也许知道有真菌性病称皮肤包子丝菌病[17],申克氏丝菌病偶发于发生于庭园工作者,水苔植物是病原来源之一,不是藓类泥炭[17]。
人工栽培基质的标准常因国家不同以及作物、气候条件、栽培设备、肥料及水分供应方式等不同,而决定其最适合基质的物理、化学及生物性质。尤其空隙比率及大小不仅影响作物的通气性,更影响供应养分及水分的频率等。各地区所能取得材料的稳定性及售价也相当重要。