无土栽培岩棉的优缺点

岩棉无土栽培灌溉策略的制定与生长调控技术

导读

岩棉无土栽培是目前世界流行的栽培方式之一，岩棉方便、易用、具有高保水性和透气性，为根系的生长提供了良好条件，也更利于种植者轻松自如的调控作物的营养和生长，以达到高产的目的，其中灌溉制度的制定和调整是非常关键的环节之一，往往决定了作物生长状况，本文从实用的角度解读了岩棉栽培灌溉策略的制定和调整。

岩棉（图1）是非常适合用于滴灌式水培的生长系统的栽培基质，它可以容纳大量的水，同时保持足够的孔隙度（不直接放在水中时，至少可维持自身体积18%的空气），为作物的根区提供足够的氧气。岩棉是由玄武岩经过1600℃的高温（模拟火山喷发）制造喷丝、粘合和切割而成（图2），故岩棉无任何病菌，可大大降低病害发生的几率。岩棉（图3）容重仅为0.08~0.1kg/m3，质地轻，吸水力强，排渗性好，可为根部提供一个优良的生长环境。

岩棉虽然有很多优点，但用岩棉种植得到较高产量可不是一件容易的事情。本文就如何计划和执行灌溉策略，优化根际环境，从而减少作物胁迫，并通过灌溉策略的调整尽可能的增加产量等问题提供一些实用建议。

基质体积的计算

灌溉量的精确计算都是从正确的基质量（L/m2）开始，这决定着使作物导向营养生长或生殖生长。蔬菜作物（番茄、黄瓜、彩椒等）商业化种植的理想基质量为7.5~9L/m2。当基质量小于7.5L/m2时，基质量的减少更易为作物创造转向生殖生长的根际环境，这会迫使种植者增加灌溉频率以满足作物需求，从而刺激营养生长。在偏生殖生长的情况下，增加灌溉频率可以使作物转向营养生长，且效果不错。

另一方面，当使用较少体积的基质时，在正常启动灌溉和停止灌溉期间，夜间基质含水量下降更快，可能会严重影响根系生长。如要阻止这种情况发生，种植者必须每天提前开始灌溉并延后停止灌溉的时间；另一种方式是在夜间增加1~2次灌溉，但这样做也会影响作物的内部生长节奏和机制。

当基质体积大于9.0L/m2时，基质对根系的缓冲性能增加，这样就会使夜间含水量回干率较少（3%~5%），导致作物转向营养生长。如果不使用生殖生长的灌溉策略（减少单次灌溉量和降低灌溉频率），那么控制WC（含水量）更加困难，即使使用也会使根系质量和营养更新受到损害。

切割岩棉条的排液孔

排液孔的切割位置对岩棉条WC和EC的管理和控制有着很大的影响，可以分成2种情况：

（1）当岩棉条长度小于1.33m时，在Grodan岩棉条在最低点切开1~2个排水孔。排水孔在岩棉条的侧面切割，距岩棉条的边缘大约2~3cm。切口应从岩棉条下面向上方切割，从而确保排水孔的排液效率，使根部的排液顺畅，利于营养液的更新和空气随营养液进入根部区域。

（2）当岩棉条长度大于1.33m时，排水孔应在岩棉条的中间切开，但杜绝在岩棉块正下面切割。当从正下方开孔时，营养液就会在阻力最小的路径直接排出岩棉条，使营养液在岩棉条的横向扩散受阻且浪费营养液。使岩棉条内的含水量再饱和并且EC更新将受损，也会使岩棉条内的WC和EC读数可能存在差异。当多个岩棉块被放到一个岩棉条上时，块与块之间的距离是有限的，要注意从岩棉块中的滴头到排水孔的距离。从滴头到排水孔的理想距离为20cm，这样滴头可以很容易地移动到岩棉块的另一侧来增加距离，这将有利于WC再饱和及营养液EC更新，并将减少岩棉条内的水肥误差。

灌溉量计算

正确的灌溉策略对于作物生长平衡的建立是必要的，并且可以更好的调控作物生长。日出后4~6次的灌溉量应控制在整体基质体积的4%~6%，之后单次灌溉量通常是基质体积的3%。

首先，确定岩棉条体积。岩棉条的常规型号（Expert，图4）：单个岩棉条体积为100cm×20cm×7.5cm=15000cm3（15L）；采取标准行距为1.6m；单个岩棉条上摆放4个岩棉块（每个种植2株作物），即每个岩棉条8株作物；据此计算出的种植密度为5株/m2，平均每一株作物的岩棉体积为1.875L；故每平方米上岩棉条的体积为9.375L。

其次，灌溉量的确定。假设每个岩棉条布置4个滴头；按照每次的循环灌溉量为整体基质量的4%：9375mL×4%=375mL/m2；滴头密度为2.5个/m2；每株的滴头数量为0.5个；要达到375mL/m2的灌溉量，每个滴头需要灌溉150mL；使用2L/h滴头（33.33mL/min），单个滴头灌溉150mL所需时间为4.5min。

当确定较小的脉冲(3%)或较大的脉冲(6%)时，计算方法同样适用。

受季节、开始和停止时间以及夜间含水量下降等影响的因素相互影响，最佳灌溉量为基质体积的4%~6%。

含水量剖面解析

当作物的胁迫降低时，作物的各器官功能会变得更好。这可以结合气候条件，在作物生长的每个阶段调整灌溉策略来实现。在分析图5中的含水量时，首先要注意的是，在不同天早晨第1次灌溉开始之前，没有含水量的梯度降低。这表明，当第1次灌溉被执行时，作物没有蒸腾，潜在的导致根部活跃的水分被吸收，而随着根压的增加，这可能对作物生理产生负面影响。

其次，3天以上早晨含水量百分比的波动，在早晨灌溉开始之前含水量为60%~68%。这种早晨含水量百分比的变化会对作物产生胁迫，要想尽量减少这种胁迫，要根据每天开始灌溉和停止灌溉的时间以及夜间含水量下降趋势做相应调整。晚启动和早停止将产生斜度更大的含水量梯度，导致夜间含水量的大幅下降。在这种情况下，需要给予3次夜间灌溉（图5），以抵消夜间岩棉条的含水量下降过于严重，从而避免上午含水量百分比过低。夜间灌溉通常用于补偿不正确的启动和停止时间造成的缺水，从而限制严重的夜间含水量减小。当基质体积较少时，也有必要进行夜间循环灌溉。加热管道时，将造成偏生殖生长气候条件，并减少岩棉条含水量。

早晨的灌溉量（占基质体积的4%~6%）是由前一晚的含水量下降决定的，当比较这2天时，很明显在5月31日需要8次灌溉，而在6月1日需要5次灌溉。如果将每天8次灌溉减少到每天5~6次灌溉，同时增加单次灌溉量，那么可以更早地实现回液排放，并可同时提高EC控制的效率。早晨大的灌溉量将重新饱和岩棉条中的含水量，同时更新EC。此外，早上较大灌溉量（4%~6%）将确保按时排液，从而在中午之前降低EC（红线）。

建议在日出后2~3h开始灌溉循环，并且确保灌溉循环量足够大，可以在日出后400J/cm2左右或600W/m2左右或4~5h实现排水。在图5中观察到，小的灌溉循环显示几乎是一条平直的线，表示在循环之间含水量下降非常小。为了确保岩棉条中的氧气含量得到补充，在下一个灌溉循环被重新启动之前，循环之间的干回率必须降低1.5%~2%。在变化的气候条件下，遵循这一措施将确保根区保持活跃。此外，溶解氧（DO）水平随水温的升高而降低。岩棉条中DO水平的降低对根的生长有严重的负面影响。新形成的根是确保水分和养分有效吸收所必需的——这强调了灌溉开始和停止时间以及结合气候条件变化的夜间干回率的重要性。

解读图5时首先要注意的是含水量的急剧下降（1%~2%），这发生在黎明之后，直到第一个灌溉循环开始。每天的含水量都趋向于相同的下降曲线，这清楚地表明，在开始灌溉之前作物是蒸腾的。根毛增加表示根表面积增大并有助于水分和养分的吸收。此外，根毛在日出后活跃生长，直到第1次灌溉，并在数小时内保持。当从日出到第1次灌溉的时间很少时，将影响根毛的形成。因此，重要的是要确保作物在灌溉被启动之前进行了积极地蒸腾。起始含水量百分比在7天内仅变化2%（图6），将在最大产出阶段对根际管理上有一个积极的影响。水温变化（绿线）表明气候变化，尽管如此，通过关注灌溉开始和停止时间以及实现7%~8%的稳定干回率，还是实现了这一目标。

虽然早上灌溉次数和水温（绿线）在2天之间有所不同，但日动态含水量百分比在64%~65%保持稳定，这是通过改变达到日动态含水量百分比所需的灌溉循环数量和体积来实现的。而完成此目标所需的灌溉循环次数和灌溉量由夜间含水量减少（回干率）决定。在5%~10%的回干率足以维持活性的根区（图7）。这是通过在最后一次灌溉停止后3h内产生3%的回干率来实现的。很明显，上午的灌溉量足够大，因为EC在中午之前按照预期降低，并且在其余的灌溉循环中比较稳定，这非常重要。在一天中光辐射最大的时候使作物有最低的EC可以尽可能减少对作物的胁迫，要做到这一点，排液必须在光照约400J/cm2或在600W/m2左右开始。虽然执行上午大灌溉量的灌溉循环次数很少，但是当曲线振幅在1.5％左右变化时，在相近循环之间有足够的含水量浮动（回干率），从而确保岩棉条充氧并在最大产出期间保持根部活性。

基质体积的大小以及岩棉条排水孔的数量和分布将直接影响岩棉条内含水量的可控性和EC的更新效率。不同种植者在计算单位基质体积灌溉量的策略时有所不同，早上较大灌溉量（4%~6%的基质体积）被用来重新饱和含水量和更新EC，而较小的灌溉量（3%的基质体积）被用在中午和下午维持一天含水量和EC的稳定通过维持稳定的日动态含水量来提高最大产量，并且通过利用结构化灌溉策略以及精细管理的方式控制EC。

作物的营养需求随着生长的变化而变化，因此应适当调整营养配方。充足的养分和水分吸收是维持作物生长和发育所必需的，水和养分在作物细胞中进出的一般方法有被动和主动2种：

第1种是被动吸收，是由扩散驱动的，吸收依赖于蒸腾作用。水和养分（特别是Ca2+），从高浓度区域（生长基质）移动到低浓度区域（根部）是不需要作物提供能量。可以把它想象成下坡路（既容易又相对轻松）。相对于周围的基质水，根毛细胞是高渗的（较低的水分子浓度）。因此，水沿着浓度梯度从表皮细胞移动到木质部细胞。但木质部导管在果实中是很有限的，并且限制养分的传递，导致生理失调（脐腐病）。所以在灌溉前获得蒸腾是很重要的，以刺激根部区域的吸收效率。

第2种类型，称为被动运输，是溶解的分子穿过细胞膜从低浓度移动到高浓度，并依靠来自作物的能量（ATP）来驱动移动。有时细胞内溶解的分子浓度比外部高，因为细胞需要它，它们仍然必须被吸收。载体蛋白通过细胞膜运输特定的分子以对抗浓度梯度。可以把它想象为上坡（费力而且消耗更多的能量）。

作物水分运动

水分的吸收量受蒸腾作用的控制。这个过程依赖于水在气孔的蒸发，气孔是小孔，在光合作用过程中允许CO2和O2的交换。水分从相邻的细胞中被取代，同时通过树叶中的木质部导管进入这些细胞。当水进入叶片后，在根木质部的水柱上就有了向上的拉力，就会产生负压，在木质部壁被向内拉，导致水从基质向根部移动。

在作物吸收的所有水量中，高达90%的水被蒸发，而只有10%用于生长。进行蒸腾作用的作物可以在晴天（2000J/cm2）蒸发多达4.5L/m2的水，用来冷却温室。这就是蒸腾的叶子比非蒸腾的叶子温度低2~6℃的原因。

在这个过程中，温室里的相对湿度会上升。在夏季，为了控制相对湿度的增加，必须有足够的通风，特别是当天气较温和、白天较暗、通风受限时。

根压增高

如在作物活性较低或在蒸腾发生之前开始灌溉，将活跃根系的吸收能力进而增加水分吸收。这种可以称之为“根压”。载体蛋白是作物运输离子所必需的，如K+和Ca2+从周围的基质进入根通过细胞的单层膜。在光合作用过程中形成的能量，有助于将这些离子移动到根部，并被转换成根细胞内的浓缩离子溶液。水跟随离子进入根细胞，通过称为渗透的被动过程，导致压力增加。因此，种植者应确保在蒸腾停止时EC不处于最低点，并在夜晚时保证更高的基质EC，从而降低番茄裂果的可能性。

营养液EC

水的吸收受EC（单位为mS/cm或μS/cm）的影响，离子浓度越高，营养液EC越高。（注：1mS/cm＝1000μS/cm）。

基质EC较低时，作物易于吸水。随着EC的增加，在达到一定EC水平后，水的吸收变得更加困难。该水平由EC浓度决定，并且不同作物的EC的浓度也不尽相同。营养液离子浓度、基质EC以及根域浓度与吸收的养分之间存在差异。根系的吸收离子数量与基质中的离子浓度有差异是由于单价阳离子(K+)和二价阳离子(Ca2+)、单价阴离子(HCO3-)和二价阴离子(SO42-)之间的比例不同。单价阳离子和阴离子比二价阳离子和阴离子具有更高的吸收电位，因此这些离子在根域周围将更快地被吸收和耗尽。

为了平衡营养配方，阳离子的总数必须等于阴离子的总数。但是某些阳离子（如K+、Ca2+和Mg2+）会相互拮抗，故以适合的比例调整这些元素含量以确保最佳的作物生长是至关重要的。带有单价阴离阳子比带有二价阴阳离子更易被吸收。因此，在计算肥料配方时，检查阳离子和阴离子的比例是很重要的。

铵（NH4+）和钾（K+）之间也会发生拮抗反应。在番茄种植生产中，在前2~3个花序形成期间，K和N的吸收比率约为1.2:1，但随着果实负荷的增加，K和N的吸收比率将增加到约2:1。为了补偿较高K+摄取，有必要增加K+浓度。

协同吸收也是存在的，如硝酸盐（NO3-）会提高阳离子的吸收，如K+、Ca2+和Mg2+。

WC和EC

通过测量根域内的WC、EC和水温，种植者可以根据作物类型、发育阶段、太阳辐射水平和夜间基质回干率等来制定灌溉策略。为了补充蒸腾过程中减少的基质的含水量和EC，及时足量灌溉非常重要。每个灌溉循环将会刺激作物的营养生长活性，并且小而频繁的灌溉量将增加基质WC。特别是在高蒸腾期这种情况对作物是有益的。灌水循环周期加长伴随灌溉量增加会减少基质含水量，对作物生殖生长有促进作用。

灌溉开始和停止时间对基质含水量有重要影响。早开始和晚停止时间(黎明后/黄昏之前，小于±2h)将等同于一个小的隔夜干回率，导致作物向营养生长转向。相反的，晚启动和早停止灌溉，是造成大的隔夜干回率，将刺激作物向生殖生长转向。因此，作物生长可以在特定的灌溉策略中以营养生长或生殖生长的方向进行引导。要先蒸腾后灌溉，遵循这一策略将减少某些生理问题的风险，如甜瓜霉菌（胶状茎枯病）、脐腐病等。

有效的灌溉策略是必要的，在最高的太阳辐射期间以最低EC来应对（图5）。当使用前期4~6个灌溉循环时，基质含水量的变化区间是4%~6%。排水应从400J/cm2左右或600W/m2左右开始，在适当的时间实现有效排液比关注24h排液更为关键。当排液不再对营养液更新产生影响或不能降低EC时称为伪排液。一旦达到排水，灌溉量可以减小到基质体积的3%。这将确保基质中保持稳定的含水量，并且灌溉周期之间的回干率必须在1%的范围内。当在第2阶段的灌溉循环之间产生较小的回干率时，基质水中的溶解氧水平将降低，从而增加根部疾病（如腐霉病）的可能性。如果用高水温（24℃）灌溉时，这种风险更为严重，因为水温越高，溶解氧水平越低。

故实现精准种植，灌溉方面必须遵循以下原则：

（1）阴离子和阳离子相互吸引，它们的总量必须相等，以平衡肥料配方。

（2）某些元素对彼此具有协同或拮抗反应，并以一定比例吸收。

（3）随着作物的生长，定量元素的需求发生变化，并相应地进行调整。

（4）作物中的水分吸收既可以是不需要能量的被动形式，也可以是需要能量的主动形式。

（5）水分吸收是由根系活力和蒸腾作用决定的，而调整结构性灌溉策略将有助于根毛和根系发育和养分吸收。

（6）灌溉策略可以根据需要调整，用于引导作物在营养生长或生殖生长。