芦苇基质化利用研究进展

周建伟，杨 睿，周晚来，林 伟，张冬冬，王 虹，戚智勇*

（1.成都大学 机械工程学院，四川 成都 610100；2.中国农业科学院 都市农业研究所，四川 成都 610100）

0 引言

无土栽培作为传统农业生产向现代化、规模化、集约化转型的新型栽培方式，因其具有高产、优质、可避免土传染病害及连作障碍等优势而得以迅速发展［1］。截至目前，我国的无土栽培面积位居世界第1位。基质栽培是无土栽培中推广面积最大的一种形式，合格的基质材料应具有较好的保湿、保肥、通气等性能，不仅能为作物生长提供稳定协调的水、气、肥等根际生长环境，而且还具有缓冲能力强、无病虫害的特点，在提高栽培作物产量和品质的同时，还可以减少环境污染和降低一定的处理难度［2］。随着我国设施农业的快速发展，基质产业在我国方兴未艾。目前，基质材料的年市场需求量约为6616万m3，而我国每年的基质材料生产量仅为1000万m3左右，难以满足市场的需求，而高品质的园艺基质材料的供应缺口更大［3］。

在众多的基质原料中，泥炭、椰糠是使用最多、质量最好的［4］。泥炭是植物有机体在过度潮湿、缺氧的条件下，经过上千年的腐殖化过程，由植物残体组成的一种有机矿产资源。因泥炭具有纤维丰富、疏松多孔、持水性强、养分保持能力高、富含有机质和腐植酸等特点，已经成为世界范围内农作物、林木、花卉等无土栽培的良好介质，以泥炭为原料生产的基质材料也始终占据着主导地位［5］。虽然我国泥炭资源储量丰富，但相比于国外的泥炭品质，国产泥炭在理化性质、产品形式等方面仍存在一定的差距，大多分布在西南、西北高原地区，这些地区的泥炭不仅开采、运输成本高，而且开采还会对其生态环境造成严重破坏，因此未进行合理地开发。其他地区泥炭资源可供开采量又远远不能满足市场需求，因此，我国现阶段的泥炭资源以进口为主。椰糠是椰子外壳的纤维粉末，是从椰子外壳纤维加工过程中脱落的一种天然有机介质，其纤维丰富、结构稳定，有利于构建良好的基质结构，而且椰糠的物理、化学性能与泥炭相近，在育苗过程中能达到与泥炭相近的效果。椰糠产地较近，属于可再生资源，又符合我国的环保要求，已成为我国基质产业中重要的原料之一。不过椰糠作为基质原料突出的问题是含盐量较高，若是处理不当，则很容易抑制植株生长［4］。基于上述原因，还需要继续寻找更多可替代泥炭、椰糠且栽培效果良好的基质原料。

我国作为传统农业大国，农林废弃物(作物秸秆、食用菌菌渣、果蔬残体、畜禽粪便、园林废弃物等)的产量巨大，随着世界农业的发展和农产品产量的不断增加，农业废弃物的排放量呈现出日益增加的趋势，其合理利用与管理也成为一个重要的农业和环境问题。此外，农业废弃物的种类繁多、取材方便，而且含有丰富的、植物生长所需的各类养分。若是能将其开发成基质材料，不仅可以解决当前棘手的农业环境污染和资源浪费的问题，还可以为基质的商业化生产提供优质、广泛、低廉的原材料，以此满足我国基质市场的需求。

芦苇(Phragmites communis L.)属于多年水生或湿生的高大禾草，因其对水分的适应性强和快速繁殖的能力，能够在我国的众多有水源的空旷地带形成大片的芦苇群落。据统计，我国芦苇占地总面积超过130万hm2，年总产量超过220万t［6］。但目前我国对于芦苇资源的整体利用率很低，基本只用于园林装饰、农牧饲养及编织造纸等领域，同时在造纸过程中因工艺需求还会产生数量较多的芦苇末下脚料，这些芦苇末因纤维短、杂质多而无法再继续使用［7］。长期以来，我国自然环境中大量的芦苇原料和造纸工业产生的芦苇末均被当作为有机废弃物任由其在自然环境中腐烂、降解或者直接焚烧。为了解决因芦苇造成的生物质资源浪费和环境污染等问题，有研究人员发现，芦苇作为一种多木质纤维素生物质原料，具有较好的理化性状，所含有的矿物质营养丰富，基本与泥炭相当，是一种很好的基质原材料。南京农业大学和江苏大学的研究人员利用造纸厂废弃的芦苇末下脚料，经过特定的工艺处理，制备了一种优质环保型的无土栽培有机基质［8］，这证实了利用芦苇制备基质材料有着巨大的市场潜力，也为后续的芦苇基质化利用提供了良好的研究基础。因此，本文综述了已有的芦苇基质化研究，指出其基质化利用中存在的一些问题，并提出了一些科学、合理的改进方向。

1 芦苇末作为植物栽培基质

芦苇末有机质含量高，结构物质组成中富含半纤维素、木质素、戊糖等物质。此外，芦苇末中还含有较多的氮、磷、钾、钙、铁、锰，以及少量的镁、锌、铜等植物必需的营养元素，而汞、镉、铅、砷、铬等重金属元素含量甚微，基本符合绿色食品的生产标准［7］。芦苇末的pH值基本呈现出中性或者是弱碱性，容重较小，约为0.2 g/cm3，总孔隙度约为80%，大小孔隙比1∶(0.5~1.0)，可溶性盐浓度(EC)在1.2~1.7 mS/cm之间，阳离子交换量为60~80 cmol/kg，具有较强的酸碱缓冲能力［9］。不过芦苇本身作为一种生物原料，还包含一些可溶性糖分、多种病原菌、害虫卵以及部分杂草种子，若是直接作为栽培基质使用，很容易对作物生长造成一定的不利影响，而且芦苇中含有的可溶性糖在栽培过程中会产生较多的有机酸、有毒气体［10］。因此，为了栽培过程能够安全顺利地进行，需要将芦苇原材料经过一些工艺处理，如堆肥处理、热化学处理等，使其变得稳定、无害化，才能将其加工成基质材料。

1.1 堆肥处理

1.1.1 共同堆肥 堆肥是指在有氧的条件下，主要依靠自然界中广泛分布的细菌、真菌、放线菌、纤维素和木质素分解菌等好氧微生物，或者人为添加的高效有益微生物复合菌群对生物质材料进行氧化、分解、吸收，并通过生物矿质酸转化与生物腐植矿质化相互作用，将其转变成腐熟、稳定、无害材料的一种生物化学反应过程［11-12］。经过堆肥处理后的芦苇材料不仅去除了芦苇本身存在的一些可溶性糖、多种病原菌、害虫卵、部分杂草种子，还有效保留了原材料中大量的有机质和营养成分［13］。由于芦苇原料中的可溶性糖、氮素较少，碳氮比高达45∶1，自身又缺乏可参与堆肥发酵的微生物，导致纯芦苇在自然状态下堆肥速度很慢，堆肥效果也不够理想［14］。因此，在芦苇堆肥前需要添加一定比例的其他物料进行调节。李萍萍等［7］先将芦苇末原料含水量调整至60%左右，添加0.5%有效微生物菌群、0.5%尿素、5%~10%鸡粪，并将水分含量调至75%左右，然后覆盖塑料薄膜等防水保温材料，静态堆置发酵，当温度达到65℃时，翻堆继续发酵，堆置发酵时间一般为35~50 d(具体取决于外部环境)，当温度与外界气温相同时，则发酵完成。再利用经过后续处理的芦苇末基质培养小白菜，小白菜的出苗率高达90%，随后用于甜瓜种植，也取得了良好的效果。餐厨垃圾、污泥等也是芦苇共堆肥很好的选择，餐厨垃圾的主要成分包括蛋白质、脂肪、碳水化合物，以及含有大量的氮、磷、钾等养分、矿物质和多种微量矿物盐分，这些成分可以为芦苇发酵系统中的微生物提供代谢底物，提高微生物的代谢活性，而且芦苇内部被破坏的木质纤维素结构可以作为一个良好的附着物和发酵的支撑介质，能较好地吸附、分散粪便中的可代谢物质成分，同时有效地固定和浓缩碳、氮、磷、硫等元素，进而提升芦苇最终堆肥产物的综合性能［15］。污泥在好氧堆肥中不仅提供了微生物生长必需的碳源、氮源和其他营养物质，同时也提供了大量微生物菌种，由此促进了堆肥的效果［16］。需要注意的是，在使用这些混合物时要考虑物料中锌、铜和其他金属元素的含量，然后确定其混合比例，避免过量的金属元素对环境和作物造成危害。

1.1.2 基质复配 单一的芦苇末基质，常存在容重较小、易倒伏、通气性不足、保水保肥性能差、各种矿物质元素含量与作物要求不相适应等缺陷［17］，因此，需要复配其他类型的基质材料或者一些无机材料来改善芦苇基质的理化性状，并提高其生物稳定性。常用的复配材料主要有草炭、珍珠岩、蛭石、岩棉等，这些材料质轻、疏松且透气性能好，与芦苇基质复配后能够有效地改善基质的通气性能和吸水性能［1］。李谦盛等［18］将75%堆肥后芦苇末与25%蛭石复配，能够提供21%的通气孔隙和57%的持水孔隙，较好地提高了芦苇末基质的吸水和持水性能，有效地提高芦苇基质的通用性。宋仁美等［19］将芦苇末基质、蛭石、珍珠岩按50%∶25%∶25%的比例进行复配，有效地提高了芦苇的基质吸水性、保水性和通气性，有利于甜瓜幼苗的生长。郭世荣等［17］将堆肥后的芦苇末复配30%的蛭石或珍珠岩可用作育苗基质材料，栽培时，在1 m3的堆肥芦苇末添加0.2 m3的泥炭、0.5 m3的炉渣、0.3 m3的珍珠岩和适当的有机肥颗粒，可满足蔬菜作物的生长需要。程斐等［20-21］按照芦苇末基质∶西湖塘泥∶炭化稻壳=5∶2∶1(质量比)的比例混合后栽培番茄和黄瓜，相比于单一的芦苇末基质，番茄的前期产量与总产量分别增加了6.5%和6%，黄瓜则分别增加了15%和8%。该研究同时发现芦苇末基质的阳离子交换率、EC(电导率)等化学指标适宜，pH值呈微碱性，在栽培喜酸性作物时需要添加酸性改良材料，如适量的硫肥或者生理酸性的肥料。一般在实际使用的过程中，也可以根据不同应用领域对于基质理化性能要求上的差异，适当添加其他功能性物质如吸水树脂、生物炭、腐植酸、硅藻土、保水剂等［1］。

1.2 热化学处理

1.2.1 热化学方法 目前，常用生物质热化学处理方法有热裂解、水热炭化、微波炭化、高温气化、烘焙等［22-23］，其中热裂解技术是在无氧或者限氧的条件下将有机物置于200~900 ℃中进行加热，使有机物内部的纤维素、半纤维素和木质素等经过失水、活性物质挥发、断裂、崩塌等反应后生成一种稳定的生物炭物质。生物质炭的主要成分为碳，大多数以芳香环形固定碳的形式存在，其他成分包括氢、氧、氮等，其中一些矿物质元素(如钾、钙、钠、镁)一般以碳酸盐、磷酸盐或者氧化物的形式存在。作为一种多功能新型材料，生物炭的孔隙结构丰富、比表面积大、表面富含氧活性基团且理化性能稳定，其内部的大小孔隙可以贮存空气、吸收水分和养分，大比表面积及其表面携带的电荷可以吸附离子及带电化合物等［24］。水热炭化是以饱和水溶液为介质，有机物在高温、高压的密封条件下加热(180~350 ℃)经过水解、脱水缩合、脱羧、缩聚、芳构化等多个反应过程后裂解成生物炭物质［25］。通过该方法制备的生物质炭具有大量的芳香结构，且碳、氧元素含量占比较大，不过其表面积相对较小、孔状结构不够发达、稳定性偏低。相比于常规热裂解制备法，水热炭化的温度条件较为温和，能耗较低，设备操作简单，是一种节能、经济的生物炭制备技术［22］。微波炭化是指在限氧或者无氧的条件下，利用微波将生物质加热到500℃左右，在较短的时间内裂解成生物质炭的一种工艺。微波能够直接穿透生物质，生物质内、外均匀受热，能够有效地提高生物质炭的理化性质。高温气化需要在加热的同时进行加压，使生物质气化为气体混合物［26］，最终的产物主要是气体，固体产物较少，这些气体产物可以作为一种新型的能源［25］。烘焙是利用200~400 ℃的温度环境，在数分钟内将有机物中的水分和易降解物质去除，实现有机物的减量和稳定性的提高，最终产品为普通的固体产物［23］。

1.2.2 芦苇热化学处理的应用 芦苇本身含有大量的木质素、纤维素、半纤维素等有机化合物，经过热处理后的芦苇产物(尤其是生物炭和水热炭)在环境学领域有着极高的利用潜力。有研究发现，生物炭特殊的理化性能，使其具有很好的吸附性能、持水/疏水性能、稳定性，可以有效地改善土壤结构、增加土壤透气性和提高土壤水肥利用率等，而且对环境中的重金属和有机污染物的吸附效果较好，因此生物炭可广泛用于土壤改良、废水处理等［24］。若是将生物炭作为调控剂添加到基质材料中，也可以有效地改善基质的整体性能，提高作物的栽培效果，寿伟松等［27］研究发现木屑与稻壳生物炭体积比为1∶1时，以此为基质栽培的番茄产量明显比草炭基质的高。聂萍等［28］的试验结果表明，生物炭能增加基质孔隙度、吸光度，使基质具有良好的吸水性能和缓释肥力的作用，添加生物炭还可以促进营养液的元素成分吸收，进而提高草莓的单株产量，并使草莓提前进入结果期。也有研究认为，将生物炭与其他调理剂联合使用的效果更好。Fan等［29］同时使用0.8 g/L保水剂与10%生物炭，不仅可以增大基质的孔隙度、持水量等，而且还可以降低因添加生物炭而导致pH值和电导率的升高，进而促进基质栽培空心菜的生长和养分利用效果。此外，生物炭也可以用于调控堆肥过程，有众多试验发现，在堆肥过程中添加生物炭，可以为微生物提供更好的生长环境，增加堆肥物料的持水性，减少C、N的损失，减少一些臭味气体和温室气体的排放，有效固化重金属和去除一些有机污染物［30］。不过，芦苇生物炭暂时还没有被广泛应用于基质调控剂和堆肥添加剂，需要后续开展进一步的研究。

2 芦苇作为食用菌栽培基质

2.1 芦苇栽培食用菌研究现状

近年来，我国食用菌产业发展较快，产量从1978年的5.8万t发展到2020年的4016.43万t，约占全球产量的70%，现已经成为我国继粮、油、蔬、果后的第五大农业种植产业［31］，且全国市场对食用菌的需求量正以每年10%以上的速度递增。随着我国食用菌产业的飞速发展，对栽培基质的需求量也越来越大，目前，我国食用菌栽培基质一般主要以碎木屑、棉籽壳、蔗渣、麦麸、玉米芯、秸秆、牲畜粪便等为原料，虽然具有很高的生态循环利用价值，但这些原料资源有限，且安全性不佳［32］。芦苇具有天然野生、无农药残留、重金属含量极低、无需人工管理、人工种植成本较低等特点，且其纤维素含量高，还含有丰富的氨基酸、蛋白质、膳食纤维等营养成分，是食用菌栽培的良好基质［33］。王小艳等［34］以芦苇末为主要原料，再配以谷壳、干牛粪、鸡粪以及少量的尿素等物质进行堆置发酵后，用于栽培双孢菇，发现相比于纯稻草配方，不仅原料成本下降，而且产量显著提高；此外，还发现利用芦苇末栽培双孢菇具有感染率低、菇体不易开伞的优点。王稳等［35］用芦苇末替代一部分棉籽壳进行堆肥腐熟，丰富了基质中的营养物质，改善了基质的理化性状，用于栽培秀珍菇时能提高产量、缩短发菌期，且菌丝的生长状况较好，生物转化率高达81.2% 。吴少风等［36］使用芦苇、象草、巴茅、五节芒、芒萁等混合草粉替代木屑栽培香菇，既能提高香菇的产量又能提早出菇6~15 d，且优质菇产量高。

芦苇的营养全面、丰富，可供食用菌生长吸收成分的比例达60%以上，高于木屑、玉米芯、蔗渣和一般秸秆。芦苇配合适量其他基质原料生产各类食用菌，其品质、口感、产量、安全性均优于一般秸秆、蔗渣、棉籽壳等，是生产食用菌较好的基质原料［32］。为了更加充分地利用丰富的芦苇资源，应该加大开发芦苇在食用菌栽培基质上的力度。这不仅为探索芦苇资源化的综合开发和利用开辟了一条新的途径，而且为食用菌生产提供了物美价廉的原料。

2.2 食用菌菌渣作为植物栽培基质

随着我国食用菌产业的迅速发展，菌渣产量也大幅度提升，对菌渣处理不当将造成巨大的资源浪费和环境污染［37-38］。菌渣中不仅含有丰富的木质素、纤维素、蛋白质等物质，同时还含有大量的N、P、K等矿质营养物质。此外，菌渣中还含有大量的菌丝体以及在菌丝生长过程中产生的多种糖类、有机酸类、酶等活性物质。由于食用菌在栽培过程已经降解利用了培养基中相对容易降解的成分，因此，菌渣中的有机物更加稳定，可以作为植物栽培基质的结构材料。菌渣表面存在大量的羟基、磷酰基和酚基等吸附性官能团，因此具有较高的阳离子交换率，同时菌渣还具有容重小、孔隙度大等特点，这些特性赋予了菌渣在开发植物基质材料领域有着很好的潜力。众多学者针对菌渣基质化利用进行了大量研究，并取得了一定的进展［3］。研究发现，利用菌渣和泥炭、珍珠岩、作物秸秆等制作的无土栽培基质可以促进蔬菜幼苗根系发育和提高蔬菜的出苗率。栽培基质中合理的菌渣配比也可以提高蔬菜的品质，如提高蔬菜中的可溶性糖、维生素和氨基酸含量等。菌渣还具有减少植株和土壤传染病原菌滋生、提高植株抗病性等作用［39］。然而，由于栽培原料组成、食用菌种类、栽培模式等差别，菌渣之间的理化性质差异悬殊，进而导致菌渣基质对作物的栽培效果不一［40］。目前针对芦苇基质栽培食用菌菌渣能否继续用作其他作物栽培基质的研究还很少，仍需要继续进一步的研究。

3 芦苇基质化存在的问题与展望

3.1 基质材料的整体性能不够优异

堆肥发酵是受温度、水分、物料粒径、营养成分、微生物、酸碱度等多种因素影响的复杂过程，任何一个因素控制不当均会影响发酵产物的品质。而且在复配步骤过程，有新基质物质的加入，容易导致最终基质产品的盐分过高、污染物超标、腐熟度不够以及稳定性较低等缺陷。专用型基质材料难以满足不同地区气候、环境等的要求，导致其使用效果不够理想。因此，对基质原料进行严格有效的预处理，并运用智能化管理科技严密观测各项发酵环境参数的变化及腐熟度进程，根据不同发酵阶段的特点添加有效微生物进行调节，在复配时采用生物学方法调控盐分含量并钝化重金属污染物，同时也应尽快地探明调控剂对基质理化性能的影响机理，提出科学合理的添加方法，进而充分提高芦苇基质材料的整体性能。

3.2 缺乏基质材料的统一调控标准

从原料到基质材料形成过程中的理化性状和生物学性质的具体变化过程，以及基质材料在实际使用过程中的多方面机理没有系统的研究。而且，对于基质材料的各方面应用，也没有统一的标准化参数，长期以来，利用相同原料开发出来的基质新材料，因其改进方法不同，导致材料之间存在偏差，研究结果缺乏通用性，也没有具体的参考标准，往往需要通过多次小规模试验，才可以继续投入使用。因此阐明各类基质材料生产和使用过程中理化性状、生物学特征的变化，充分研究基质材料用于作物栽培、土壤改良等之间的作用机理(如水分运移、养分供应、降低生态毒性等)，并形成一套完整的理论体系，建立基质材料的标准化参数体系，对基质材料配方和性能改良研究以及后续的应用推广都有重要的意义。

3.3 缺乏完整的基质材料生产体系

我国在基质原料收集和基质材料生产、应用的过程中，因缺乏高水平的机械设备，难以实现全自动化，以及与生物技术进行有效地结合，导致工艺和工程处理技术相对落后。因此，需要通过引进与消化国外先进技术，创新地研究出价格低、工作效率高的机械设备，包括原料的前期处理设备、堆肥过程中的废气处理设备、基质的消毒设备、用于栽培的基质再回收装置等。建立标准的基质材料生产体系，同时，这也是大规模生产与应用成熟基质材料的前提。