环保型水培种植载体性能的试验研究

宋金秋，韦鸿钰，牟英辉，褚 璇，辜 松，刘洪利，马稚昱

（1.仲恺农业工程学院，广东 广州 510225；2.广东省特色农业现代精准农业智能化装备重点实验室，广东 广州 510225；3.华南农业大学工程学院，广东 广州 510664）

0 引言

日益增长的人口数量、蔬菜需求、有限的土地资源，这三者间的矛盾是全球面临的重大问题之一[1]。随着科技的发展，室内立体种植模式可以有效节约土地资源，是解决全球蔬菜需求的重要手段，其中水培是立体种植生产中普遍采用的技术之一[2]。目前，在我国水培种植生产中多数采用传统的塑料营养钵作为种植载体，但塑料营养钵在对幼苗移栽脱膜时易损伤幼苗根系，影响幼苗生长，同时大量塑料废弃物不易回收利用，更不可自然降解，一定程度上影响了生态环境[3-5]。在水培种植生产中，亟需研制环保型种植载体替代塑料营养钵，这是设施种植的未来发展趋势，具有可持续性和市场性[6-7]。

本文对现有的水培种植载体进行了试验研究，通过单因素方差法[8]对种植载体的机械性能和栽培性能的相关指标进行了测量，然后通过主成分分析法[9]对比不同类型种植载体的综合性能，确定出适合机械化作业的水培种植环保型种植载体的成型原料，为设施农业立体水培种植载体的研制开发和高效可持续推广提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验对象

供试种植载体为目前水培生产中常用的3 类花泥、2 类生物质炭、淀粉泡沫，具体原料及来源如表1 所示。

表1 供试种植载体原料及来源

1.2 主要设备

本试验种植载体性能试验仪器采用美国FTC 公司生产的TMS-Pro 食品物性分析仪[10]，仪器分析软件为Texture Lab Pro，版本是1.18-408。

1.3 试验方法及测试指标

1.3.1 试验设计

1）种植载体栽培试验。试验作物为菜心，菜心的品种为49-19（广东省良种引进服务公司培育）。将菜心种子播入不同的种植载体中，共6 个处理，每个处理重复5 次，对测量结果进行评价。将待处理载体放入装有清水的塑料盘中浸透，然后移放到设施温室大棚内进行发芽育苗，育苗期内不另外施肥，每天采用潮汐微灌[11]方式浸润种植载体，育苗试验周期为7 d，整个栽培种植试验周期为50 d。

2）种植载体物理特性试验。以种植载体为试验对象，共6 个处理，每个处理5 个重复，分别对载体在干、湿、带根3 种状态下的跌碎率、吸水率、保水率、降解率等指标进行测试。其中，湿载体是将干载体用清水浸透后的状态；带根载体是取栽培种植试验期结束时带根的种植载体样本。

1.3.2 试验指标及测定方法

将待测试样品放到质构仪的检测试样平台上，基于前期预测试验确定质构仪的测试参数：形变量为70%，测试速度为60 m/min，触发力为0.75 N。

1）种植载体的特性指标

①跌碎率[12]：准备好干、湿、带根3 种状态的种植载体，先测量每个载体的初始质量，再将载体从50 cm 高度自由落体跌落到水平硬质地面，重复5 次后再称量，得到跌落后质量，计算种植载体的跌碎率[13]。

②压缩特性指标：采用质构仪[14]对种植载体的干、湿、带根3 种状态进行压缩测试，获得载体在不同状态下的回弹率、硬度、粘附性和内聚性，对不同原料载体的压缩性能进行研究分析。

③降解率：采用土埋法[15]测量不同载体的降解率。首先对种植载体进行风干处理后测量载体质量M0，然后取腐叶土放入指定容器中，将风干种植载体埋入腐叶土容器内并做好标记，每天检测并保持土壤湿度在50%±5%范围。分别在土埋后的第2、4、6 周后取出样品，用清水清洗样品，干燥后称重获得降解后质量M1，计算载体的降解率W[16]，见式（1）

式中：

M0——降解前的质量，g；

M1——降解后的质量，g。

2）载体育苗测试指标

①酸碱度（pH 值）：将待测种植载体浸泡纯水中至饱和，挤压出载体内液体至烧杯中，用pH 计对液体的pH 值进行测量，记录测量值。

②电导率（EC 值）[17]：将水培种植后的种植载体挤压出液体至烧杯中，并使用电导率计（EC 计）进行测量，直至测定值保持稳定，记录测量值。

③吸水率[18]：干种植载体m1称重后置于水中直至载体饱和，然后将载体取出并将其表面多余水分擦干，然后再次称重m2，计算吸水率w，见式（2）

式中：

m1——载体干重，g；

m2——载体饱和湿重，g。

④保水率[19]：将水饱和的种植载体放在过滤板上排水24 h 再称重，计算保水率R，见式（3）

式中：

m3——载体晾置后湿重，g。

⑤发芽率[20]：发芽种子数n1占测试种子总数n的百分比，用于评估不同种植载体的育苗效果，发芽率GP的计算公式见式（4）

⑥壮苗指数：当种植的菜心80%达到齐口花期（第45±5 d）进行收获[21]，在每种种植载体中随机选取5 株菜心，测定其地上部鲜干重、地下部鲜干重、株高、茎粗等形态参数，计算壮苗指数。用游标卡尺测量菜心植株的茎粗（第4～5 片真叶之间）、直尺测定株高、电子天平测量地上部和地下部的鲜重；用烘干风箱在设定温度75 ℃ 下对菜心植株进行14 h 干燥处理，然后测量烘干后植株茎叶、根系的干物质质量[22]，壮苗指数T的计算公式见式（5）

式中：

S——茎粗，mm；

M——地下部干物质质量，g；

N——茎叶干物质质量，g；

H——株高，mm。

3）综合评价法

本文从种植载体物理特性和育苗性能2 方面构建了载体综合评价体系，通过因子分析确定参试各种植载体的22 个指标主成分特征值和特征向量，基于主成分特征值大于1的原则，选择关键主成分，计算各主成分得分，再以每个主成分贡献率为权重，计算各种载体主成分综合模型，最后根据不同种植载体性能的综合分值进行排序[23]。

1.4 数据分析

本文采用SPSS26.0[24]对上述测得数据进行单因素方差分析及主成分分析，图表采用OriginPro 2021[25]进行绘制。

2 结果与分析

2.1 不同种植载体的机械性能分析

2.1.1 跌碎率

跌碎率[26]能够反映出种植载体的机械强度及抗破坏能力。由图1 可知，湿载体的跌碎率相对较大，而带根载体的跌碎率明显下降，说明作物根系能起到载体颗粒之间固接作用。从对比趋势看，相比花泥原料的种植载体，生物质炭型种植载体的跌碎率明显低于其它载体，且低于5%，表明生物质炭型载体在栽培使用过程中能够保持较高的结构完整性和抗破碎能力。

图1 不同种植载体的跌碎率变化

2.1.2 硬度

硬度[27]是衡量载体抵抗外力的能力的一个重要指标，由图2 可以看出，带根载体的硬度都大于干、湿载体的硬度，带根生物质炭1 的硬度为200 N，带根生物质炭2 的硬度高于127 N，其他类型种植载体的硬度均低于60 N。从硬度整体趋势看，生物质炭1 型种植载体的硬度显著高于其他载体，且均大于50 N，说明竹炭和竹纤维为原料有利于提高种植载体的硬度。

图2 不同种植载体的硬度变化

2.1.3 粘附性

粘附性[28]是物质表面的粘附程度，由图3 可知，花泥种植载体的粘附性要高于其他类型种植载体，且干的花泥载体的粘附性与湿载体和带根载体相比明显变大。生物质炭型种植载体具有最低的粘附性，且湿载体相对具有更低的粘附性，说明水分有利于降低载体的粘附性，相反带根载体的粘附性会增大，说明种植后根系增大了载体的粘附性。

图3 不同种植载体的粘附性变化

2.1.4 内聚性

内聚性[29]反映了载体内部颗粒之间彼此结合的紧密程度。由图4 可知，生物质炭型栽培基质的内聚性均高于其它类型的种植载体，内聚性数值均在0.5 以上，其中内聚性最高的是湿的生物炭型载体，其次是带根载体，最低是干的生物炭型载体，这说明水分和作物根系能够有效增加载体内部的内聚性，即增加载体内的紧密程度。在生物质炭种植载体中，竹炭+竹炭纤维为原料的生物质载体的内聚性最大，说明竹炭+竹炭纤维载体内部颗粒之间的紧密程度最大。

图4 不同种植载体的内聚性变化

2.1.5 回弹率

回弹率[30]是指载体受到外力撞击后能够恢复原状的能力，是衡量载体抗震性能的重要参数之一。从图5 可以看出，生物质炭类型的种植载体整体表现出较高的回弹率，可达80%以上；从3 种状态对比可以看出，带根载体的回弹性高于干载体的回弹性，说明载体内的根系可以提高载体的回弹性，具有更好的抗震性能和结构稳定性，不易因外力而导致载体松散或断裂。

图5 不同种植载体的回弹率变化

2.2 不同种植载体的育苗性能分析

水培种植载体育苗性能反映其作为种植载体的基本指标，本试验测量种植载体育苗性能的指标主要有pH 值、EC 值、吸水率、保水率、发芽率、壮苗指数以及降解率，这些性能指标能够影响作物水分的吸收和根系养分的吸收，进而对作物生长发育产生重要的影响。

从图6 可以看出，几种不同原料的种植载体的pH 值差异性不大，都在6.0～7.5 之间，均在合理范围内，适合作物生长和发育。在菜心种植45 d 后，不同类型的栽培基质的EC 值表现出明显差异，其中生物质炭型种植载体的EC 值比较高，分别为667 ppm和1 096 ppm，在EC 值标准范围500～2 000 ppm 内。几种类型种植载体的吸水率差异性比较大，花泥的吸水率明显高于生物质和淀粉泡沫载体，3 种花泥种植载体的吸水率达到450%以上，生物质种植载体的吸水率为300%以上，最低的淀粉泡沫载体仅为96%。除淀粉泡沫载体以外，其他种植载体的保水率差异不显著，淀粉泡沫载体保水率最低为57%，持水能力弱，而其他种植载体保水率均大于90%，持水能力都较好。

图6 不同种植载体的栽培性能

发芽率和壮苗指数常用来评价种植载体对种子的生物抑制性或生长发育促进效果，发芽率和壮苗指数越大，表明种植载体的生物抑制性越小，甚至在一定程度上具有促进作用。由图6 可以知，淀粉泡沫对植物生长具有很强的抑制性或毒性，发芽率为0%；泥炭型生物质载体和改性淀粉花泥载体对作物生长具有较好的促进作用，其发芽率均达到80%以上；采用竹炭+竹炭纤维为原料的种植载体的发芽率达到67%，壮苗指数最高达到4，竹炭对植物生长发育具有非常好的促进作用。

可降解性是环保型种植载体的一个重要指标。由图6 可以看出，淀粉泡沫载体的可降解率最高，其次是改性淀粉和岩棉为原料的花泥载体，然后是生物质炭种植载体。这表明生物质炭种植载体还具有环保特性，能够被自然界中的微生物逐渐降解。

2.3 不同种植载体性能指标的主成分分析

为确定较优种植载体性能组合，本文采用主成分分析法将原有的多个具有相关性观测指标通过降维，对不同种植载体的物理特性和育苗种植特性进行综合特征分析[31]。

性能指标主成分分析的特征值及贡献率由表2所示，对本文测量的22 个指标进行了标准化处理，按照累积贡献率高80%和主成分特征值高于1 的原则，提取到的前2 个主成分因子很好地反映了各载体主要性能信息，可以实现对种植载体的综合评价。

表2 性能指标主成分分析的特征值及贡献率

不同种植载体的PCA 得分如图7 所示，生物质炭、植物淀粉泡沫和花泥3 大类整体相距较远，说明三者差异显著，同一类别的相互重叠即相似度较高。

图7 不同种植载体的PCA 得分

不同状态下各种种植载体的性能指标的PCA 载荷如图8 所示。图中聚集的指标相互有较强的相关性，距离原点较远的指标对样本的分类贡献越大。硬度、回弹率、壮苗指数、内聚性、EC 值和pH 值都聚集分布在PCA1 的正向端，破损率、吸水性和粘附性（干、湿）聚集分布在PCA1 的负向端，且这些指标都距离PCA1 的零轴都较远，说明这些指标对PCA1 的贡献率都很大。保水率和发芽率聚集在PCA2 的正向端，粘附性（带根）和降解率聚集在PCA2 的负向端，且这些指标都距离PCA2 的零轴都较远，说明这4 个指标对PCA2 的贡献率较大。

图8 不同状态下各种植载体性能指标的PCA 载荷

结合PCA 的得分图和载荷图可知，得分图中的生物质类型的种植载体在载荷图中对应的位置和方向上有以下变量：壮苗指数、回弹率、内聚性和硬度，说明此种植载体与这些变量呈正相关，与破损率、粘附性和吸水率呈负相关。

2.4 不同种植载体性能的综合评价

各个性能指标的主成分特征向量如表3 所示，根据对本文各测量指标的主成分分析，以特征向量为权重构建3 个主成分，并根据各主成分对应的方差贡献率为权重，构建综合评价模型，见式（6）

表3 性能指标的主成分特征向量

根据综合评价模型计算各组综合评分及排名，如表4 所示。根据不同种植载体性能的综合得分，可发现竹炭+竹纤维型生物质种植载体的综合得分最高，其余综合得分大于零的种植载体是泥炭型生物质种植载体[32]。

表4 不同种植载体性能的综合得分和排名

3 结论与讨论

1）种植载体特性指标的试验结果表明不同的原料成分对种植载体的物理特性影响都是显著的。相比其他类型载体，原料为竹炭+竹纤维的生物质炭型种植载体在3 种不同状态下都具有较优的物理特性，其跌落损失率低于5%，粘附性低于0.2 N·mm，回弹率可达85%，内聚性可达0.5 N·mm，硬度可达50 N，符合水培立体规模化生产需求。

2）从种植载体育苗特性试验结果来看，适宜水培种植标准的种植载体为生物质型种植载体。尤其是原料为竹炭+竹纤维的种植，其发芽率最高可达74.29%，壮苗指数最高可达3.91，种植后的EC 值可达1 000 ppm，pH 值在6.6～6.8 之间，吸水率可达300%，保水率可达90%，第6 周的降解率可达8%。

3）采用综合评分分析法得到综合性能较优的种植载体为竹炭+竹纤维制成的生物质种植载体，其次是泥炭型生物质种植载体。

本研究表明，基于生物质炭为原料的种植载体具有较好的物理特性和育苗特性，适用于机械、规模化和立体水培种植，不仅可以提高农业生产效率、降低生产成本，还可以减少土壤污染、水资源消耗和化学肥料使用量，保障农产品的安全和品质，助力绿色生态环境保护，并为植物工厂的无土栽培提供更加可靠和高效的选择。