透氣型砂栽培研究進(jìn)展與前景分析

穆大偉 鄭婕 王琴 艾騰騰

摘? 要? 透氣型砂栽培（Sandponics）是生態(tài)環(huán)保、低成本、低技術(shù)的無(wú)土栽培技術(shù)，符合當(dāng)前中國(guó)國(guó)情和世界無(wú)土栽培發(fā)展趨勢(shì)。闡明透氣型砂栽培系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出透氣型砂栽培基質(zhì)的粒徑、含鹽量、含泥量和酸堿度等理化指標(biāo)，探討砂栽培營(yíng)養(yǎng)液元素種類和要求，分析透氣型砂栽培生產(chǎn)可持續(xù)性理論基礎(chǔ)，建立透氣型砂栽培技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為透氣型砂栽培的進(jìn)一步研究和生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。分析透氣型砂栽培蔬菜產(chǎn)品的含糖量、亞硝酸鹽含量、重金屬含量等營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)?？偨Y(jié)透氣型砂栽培的特點(diǎn)和所具備的生態(tài)意義、社會(huì)意義，分析透氣型砂栽培在都市農(nóng)業(yè)和南海島嶼蔬菜生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞? 透氣型砂栽培;基質(zhì);營(yíng)養(yǎng)液;營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

中圖分類號(hào)? Q949.748.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? A

Research Progress and Prospect Analysis of Sandponics

MU Dawei1，2， ZHENG Jie1， WANG Qin3， AI Tengteng4

1.School of Architecture， Tianjin University， Tianjin 300072， China; 2. College of Civil Engineering and Architecture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China; 3. Liaoning Academy of Forestry， Shenyang， Liaoning 110032， China; 4. The Hainan Qian Fu Liang Ye Agricultural Development Co.， Ltd， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract? Sandponics， an eco-friendly， low-cost， low-tech soilless cultivation technique， accords with national condition of China and soilless culture development of world. The paper illuminates the Sandponics system composition and states sand substrates indexes including particle size， salt content， mud content and acidity-alkalinity. Element requirements of nutrient solution is explored and sustainable theory of the Sandponics is analyzed. The paper builds up the Sandponics technique standard to provide reference for production practices and future studies. The paper analyzes nutritional quality of vegetables cultured with the Sandponics， including sugar content， nitrite content and heavy metal content. The characteristics of the Sandponics and its ecological significance and social significance were claimed. The paper analyzes the prospect of the Sandponics in the Urban Agriculture and the South Sea Islands.

Keywords? Sandponics; substrates; nutrient solution; nutritional quality

DOI? 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.12.028

巖棉、泥炭是當(dāng)前主要無(wú)土栽培基質(zhì)，荷蘭基質(zhì)栽培占無(wú)土栽培的90%[1]，其中80%蔬菜采用巖棉作為基質(zhì)[2]。而我國(guó)基質(zhì)栽培占無(wú)土栽培95%以上，其中75%為有機(jī)基質(zhì)栽培[1， 3]。巖棉、泥炭等基質(zhì)在使用1～2 a后，因其自身理化性質(zhì)改變，需要進(jìn)行更換[2， 4]。巖棉在自然環(huán)境中難于降解，大量的巖棉廢棄物造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞。泥炭是不可再生資源，過(guò)度開(kāi)采造成資源枯竭，破壞生態(tài)環(huán)境。因此，尋找可持續(xù)利用的栽培基質(zhì)，發(fā)展生態(tài)環(huán)保、低成本、低技術(shù)的基質(zhì)栽培技術(shù)是無(wú)土栽培發(fā)展必然趨勢(shì)。透氣型砂栽培（Sandponics）可以持續(xù)生產(chǎn)25 a不更換基質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響小，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人員也可以進(jìn)行生產(chǎn)，成本低[5]，是符合當(dāng)前我國(guó)國(guó)情和世界無(wú)土栽培發(fā)展趨勢(shì)的基質(zhì)栽培模式。

“砂栽培”由九州大學(xué)福島榮二博士于20世紀(jì)60年代提出[6-7]。1984年日本學(xué)者鈴木明夫在第六次國(guó)際無(wú)土栽培學(xué)術(shù)會(huì)議上詳細(xì)解釋了砂栽培，用Sandponics指代砂栽培，用sand culture指代沙土栽培，辨析了兩者的異同，明確砂栽培是一種無(wú)土栽培[8]。根據(jù)栽培床結(jié)構(gòu)特征，砂栽培可以分為封閉型砂栽培和透氣型砂栽培兩種[7]。作者2014年對(duì)日本透氣型砂栽培進(jìn)行了調(diào)查研究，2015年在海南大學(xué)進(jìn)行了生菜砂栽培試驗(yàn)[9-10]，在對(duì)比分析封閉型砂栽培和透氣型砂栽培的基礎(chǔ)上，對(duì)透氣型砂栽培基質(zhì)理化指標(biāo)、營(yíng)養(yǎng)液、連作特性和蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行綜述。

1? 透氣型砂栽培結(jié)構(gòu)

根據(jù)栽培床結(jié)構(gòu)特征，砂栽培可以分為封閉型砂栽培和透氣型砂栽培兩種類型。

封閉型砂栽培在地面上砌筑栽培槽或者在土壤中挖栽培槽，栽培槽以1%～2%的坡度朝營(yíng)養(yǎng)液回收池方向降低，槽內(nèi)壁鋪設(shè)塑料膜做防水層，栽培槽高20～30 cm，下層鋪5～10 cm厚礫石，上層鋪15～20 cm厚砂。栽培槽底截面呈V字形，V字中間安裝排液管，管身間隔10～30 cm留孔，管身上鋪紗網(wǎng)，防止沙粒堵塞排液管孔。封閉型砂栽培常采用開(kāi)放式營(yíng)養(yǎng)液澆灌方式，營(yíng)養(yǎng)液不循環(huán)利用[11]。任志雨等[12]對(duì)封閉型砂栽培進(jìn)行了改良：在V字形的床底上安裝水平支架，支架上鋪紗網(wǎng)用以托住礫石和砂，V字形內(nèi)部留空，具有通風(fēng)透氣和回收富余營(yíng)養(yǎng)液的作用，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)利用。孫錦等[13]在砂層和礫石層之間鋪設(shè)了編織袋，有效防止沙粒向礫石層滲漏。

透氣型砂栽培是以低含鹽量、低含泥量的細(xì)砂為栽培基質(zhì)，采用低劑量營(yíng)養(yǎng)液少量多次灌溉，利用通透的栽培床進(jìn)行植物生產(chǎn)的無(wú)土栽培模式。透氣型砂栽培采用鍍鋅鋼材、混凝土等材料制作床架。床架上放置寬60 cm、高10 cm栽培槽，栽培槽由鍍鋅床網(wǎng)或包塑床網(wǎng)兩側(cè)彎折而成，槽內(nèi)鋪紗網(wǎng)[8， 14]，網(wǎng)內(nèi)裝7 cm厚砂（圖1A）。據(jù)筆者調(diào)研，山內(nèi)和美子對(duì)比7、10、15 cm等不同厚度的砂對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)更厚的砂層并沒(méi)有取得更好的栽培效果，7 cm是較為適宜的選擇。栽培基質(zhì)完全處于通風(fēng)透氣狀態(tài)是透氣型砂栽培的主要特征。

根據(jù)床架高度，透氣型砂栽培分為低床砂栽培（圖1B）和高床砂栽培（圖1C）。低床床架高15～30 cm，可采用磚、混凝土塊替代金屬床架，適宜栽培植株高大的茄果類、瓜類蔬菜;高床床架高60～70 cm，適宜栽培植株較矮的葉菜類、白菜甘藍(lán)類蔬菜。李衛(wèi)民等提出的水氣式砂栽培是在地面砌筑栽培槽，栽培槽高為6層磚，槽內(nèi)鋪塑料薄膜，槽內(nèi)兩側(cè)墊2層磚，磚上放置鐵板網(wǎng)或鍍鋅床網(wǎng)作為托架，上面鋪設(shè)尼龍網(wǎng)，網(wǎng)上鋪7 cm厚礫石和15 cm厚砂，砂層底部通風(fēng)透氣，結(jié)構(gòu)與低床砂栽培較為接近[15]。

2014年，Baba等[16]研究了砂栽培基質(zhì)最佳含水量并以此為基礎(chǔ)對(duì)砂栽培系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化（圖2），新系統(tǒng)節(jié)水達(dá)86%，用砂量大為減少。2016年，Kanazawa等[17]研究了新透氣型砂栽培對(duì)番茄營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響。

在實(shí)踐中，美國(guó)和以色列、伊朗等中東地區(qū)國(guó)家主要采用封閉型砂栽培[18]。日本主要采用透氣型砂栽培，已有上百家透氣型砂栽培農(nóng)場(chǎng)[18]，2013年日本砂栽培協(xié)會(huì)成立，為透氣型砂栽培科研與實(shí)踐提供交流平臺(tái)[19]。2015年Bramwel等[20]在烏干達(dá)采用透氣型砂栽培技術(shù)種植蔬菜，獲得了良好的效果。

中國(guó)砂栽培研究起步較早。第六次國(guó)際無(wú)土栽培學(xué)術(shù)會(huì)議上的透氣型砂栽培介紹引起了中國(guó)學(xué)者的關(guān)注，1988年，王儒鈞等[21]最早介紹了透氣型砂栽培并進(jìn)行了探索性試驗(yàn)。1989年，李衛(wèi)民等[22]請(qǐng)美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)邁克爾·詹森教授指導(dǎo)封閉型砂栽培研究，但相關(guān)研究與實(shí)踐并未延續(xù)下來(lái)。直到近年，因其生態(tài)環(huán)保的特性，砂栽培重新受到關(guān)注，趙云霞等[23]介紹了砂栽培的研究現(xiàn)狀，姜新法[24]、李晶[25]等進(jìn)行了砂栽培技術(shù)總結(jié)，但未能辨析透氣型砂栽培和封閉型砂栽培的差異和原理。

2? 砂基質(zhì)理化指標(biāo)

諸多學(xué)者進(jìn)行了砂栽培混合基質(zhì)配比研究，研究周期大多為1～2茬蔬菜，未能在砂栽培的持續(xù)性生產(chǎn)方面進(jìn)行研究[26-28]。透氣型砂栽培應(yīng)選用純砂作為基質(zhì)，以保障實(shí)現(xiàn)永續(xù)性生產(chǎn)。河砂、湖砂和海砂等天然砂是透氣型砂栽培常用基質(zhì)。但天然砂粒徑大小不一，含鹽量、含泥量較高，只有人工處理后達(dá)到理化標(biāo)準(zhǔn)，才能作為栽培基質(zhì)。

2.1? 粒徑

粒徑大小會(huì)影響砂的透氣性、保水性和植物營(yíng)養(yǎng)吸收，粒徑較大的砂透氣性好，但植物根不能在粗的砂粒中吸收必要的微量元素，粒徑小的砂保水性能好，但過(guò)細(xì)則會(huì)影響透氣性，出現(xiàn)滯水現(xiàn)象。國(guó)際土壤學(xué)會(huì)規(guī)定砂為土壤中0.02～ 2.0 mm的顆粒[29];中國(guó)土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定粗砂的粒徑為1.00～0.25 mm，細(xì)砂的粒徑為0.25～ 0.05 mm[29];《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）規(guī)定砂為粒徑4.75 mm以下的建筑骨料，粗砂3.7～ 3.1 mm，中砂3.0～2.3 mm，細(xì)砂2.2～1.6 mm。郭世榮[2]提出較為理想的粒徑大小的組成為：大于4.7 mm的占1%、2.4～4.7 mm的占10%、1.2～2.4 mm的占26%、0.6～1.2 mm的占20%、0.3～0.6mm的占25%、0.1～0.3 mm的占15%、小于0.1 mm的占3%，但因要求過(guò)細(xì)而失去實(shí)踐指導(dǎo)意義。Douglas[30]認(rèn)為作為栽培基質(zhì)粒徑小于0.6 mm的砂應(yīng)占50%，粒徑>0.6 mm的砂應(yīng)占50%。鈴木明夫[8]采用粒徑<0.6 mm的顆粒占70%～100%的幾種不同基質(zhì)進(jìn)行栽培試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果差異并不顯著。王儒鈞等[21]采用粒徑<0.5 mm占72.3%的砂進(jìn)行栽培西紅柿試驗(yàn)，西紅柿長(zhǎng)勢(shì)較好。宋榮霄等[31]進(jìn)行了3種不同粒徑砂基質(zhì)西紅柿栽培對(duì)比試驗(yàn)，粒徑<0.5 mm占58.76%的砂西紅柿產(chǎn)量高于粒徑<0.5 mm占69.55%的砂和粒徑<0.5 mm占33.15%的砂。孫錦等[13]采用粒徑0.6～2.0 mm的砂占60%，粒徑<0.60 mm的砂占20%，粒徑>2.0 mm的砂占20%的基質(zhì)種植黃瓜，取得了良好的效果。粗砂對(duì)西紅柿、茄子、黃瓜、甜瓜等果菜類的影響較小，對(duì)菠菜、小白菜、生菜等葉菜和小水蘿卜、小蕪菁等根菜會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)勢(shì)、形狀不一的影響。

綜合以上研究結(jié)果，透氣型砂栽培基質(zhì)粒徑應(yīng)<2.2 mm，種植生菜、白菜、莧菜等葉菜類和根菜類蔬菜，粒徑<0.5 mm的砂應(yīng)占60%上，種植西紅柿、黃瓜、甜瓜等果菜類蔬菜，粒徑>0.5 mm的砂所占比例可以略高。

2.2? 含鹽量

氯離子含量是海砂主要理化指標(biāo)之一。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)砂氯離子含量的規(guī)定不同，日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：砂氯離子含量<0.02%可直接使用，砂含鹽量<0.04%可直接使用[32]，砂栽培生產(chǎn)者購(gòu)買這些商品砂作為基質(zhì)使用。中國(guó)相關(guān)砂的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：混凝土用海砂氯離子含量≤0.03%，鋼筋混凝土砂氯離子含量應(yīng)≤0.06%，預(yù)應(yīng)力混凝土砂氯離子含量應(yīng)≤0.02%，目前尚無(wú)農(nóng)業(yè)用砂鹽分含量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[33-36]。趙毛媛[37]測(cè)量海砂氯鹽含量為0.12%～0.16%，穆大偉等[9]測(cè)量海砂氯離子含量為0.08%，日本砂栽培基質(zhì)氯離子含量為0.04%，并采用氯離子含量為0.05%的淡化海砂進(jìn)行種植試驗(yàn)，生菜長(zhǎng)勢(shì)良好。綜合上述研究，透氣型砂栽培基質(zhì)氯離子限量值可采用≤0.06%，既可保障砂栽培蔬菜生長(zhǎng)良好，又可降低大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中砂處理工作負(fù)擔(dān)。EC值是含鹽量的綜合指標(biāo)，研究相對(duì)成熟，透氣型砂栽培基質(zhì)EC值<0.5 mS/cm。

2.3? 含泥量

泥土雖然含有營(yíng)養(yǎng)元素，但在砂栽培中泥土含量是影響砂的孔隙度和連作障礙的重要因素。Suzuki[14]指出，砂中若含有較多粘土、粉砂，就不能永久保持砂的孔隙度，致使砂的通氣性和透水性變差，導(dǎo)致作物根部氧氣不足，使作物生長(zhǎng)的再現(xiàn)性變差。山內(nèi)和美子砂栽培農(nóng)場(chǎng)以純砂為基質(zhì)連續(xù)生產(chǎn)25年沒(méi)有連作障礙。Mine等采用添加了土壤的砂種植西紅柿取得了較好的品質(zhì)和同等的產(chǎn)量，但砂與土混合具有連作障礙潛在風(fēng)險(xiǎn)[38]。《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）對(duì)砂含泥量的限定值（按質(zhì)量計(jì)）：Ⅰ類砂≤1%，Ⅱ類砂≤3%，Ⅲ類砂≤5%?？傊霸耘嗷|(zhì)含泥量應(yīng)≤1%，避免連作障礙。

2.4? 酸堿度

酸堿度是砂基質(zhì)的主要理化指標(biāo)，對(duì)蔬菜根系生理具有直接影響。新砂的pH較高，李娟等[39]測(cè)量新砂的pH為7.93，卜燕燕等[40]測(cè)量新砂的pH為7.85。雖然新砂pH較高，但是仍然可以進(jìn)行正常蔬菜生產(chǎn)，隨著生產(chǎn)年限的增加pH逐年降低[14]。據(jù)調(diào)研，在砂pH<6.50的時(shí)候需要采用鎂石灰或者熟石灰進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法為：在60 cm寬、1 m長(zhǎng)的栽培床表面均勻撒100 g鎂石灰或者熟石灰，然后用清水進(jìn)行沖洗。

3? 營(yíng)養(yǎng)液

榮湘民等[41]比較了8種砂栽培生菜營(yíng)養(yǎng)液配方，篩選出的最優(yōu)配方為N 100.00 mg/L，PO4 183.70 mg/L，K 300.00 mg/L，Ca 104.00 mg/L，Mg 50 mg/L，SO4 297.60 mg/L，進(jìn)一步進(jìn)行了該營(yíng)養(yǎng)液濃度的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明使用2倍劑量營(yíng)養(yǎng)液栽培效果最佳。卜燕燕等[40]、高艷明等[42]通過(guò)黃瓜和番茄砂栽培N、P、K三因素五水平通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)找出三元素最佳組合，并進(jìn)行栽培驗(yàn)證，2個(gè)栽培效果較好的黃瓜營(yíng)養(yǎng)液配方NO3-N、P、K含量分別為15.00、1.50、9.00 mmol/L和15.00、1.00、6.00 mmol/L，2個(gè)栽培效果較好的番茄營(yíng)養(yǎng)液配方NO3-N、P、K含量分別為8.00、0.90、5.00 mmol/L和12.00、1.35、7.5 mmol/L。鄭芝波等[43]利用水庫(kù)砂進(jìn)行了厚皮甜瓜不同生育期營(yíng)養(yǎng)液配方組合研究，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期使用氮素含量高的營(yíng)養(yǎng)液配方，在生殖生長(zhǎng)期使用磷肥較多的營(yíng)養(yǎng)液配方有助于提高厚皮甜瓜品質(zhì)。李娟等[39]研究了砂栽培番茄生育期鉀元素和氮元素比例，認(rèn)為鉀元素和氮元素適宜比例為2.1∶1。

上述營(yíng)養(yǎng)液研究均圍繞大量元素展開(kāi)，未考慮微量元素，也未將砂中所含元素考慮在內(nèi)。天然砂含有多種元素，龍黎等[44]測(cè)量了風(fēng)成沙和海灘沙元素含量，風(fēng)成沙各種元素含量分別為Fe 0.89%、Ca 0.40%、Mg 0.03%、K 2.12%、P 106.99 mg/kg、Cr 25.41 mg/kg、Mn 162.83 mg/ kg、Zn 5.86 mg/kg、Pb 7.40 mg/kg、As 4.82 mg/kg;海灘沙各元素含量分別為Fe 0.92%、Ca 0.47%、Mg 0.08%、K 2.03%、P 115.60 mg/kg、Cr 22.10 mg/kg、Mn 160.00 mg/ kg、Zn 5.40 mg/kg、Pb 8.50 mg/kg、As 5.20 mg/kg。趙毛媛[37]測(cè)量海砂氯鹽含量為0.12%～0.16%，穆大偉等[9]測(cè)量海砂氯元素含量為0.08%（被測(cè)海砂已經(jīng)被雨水淋洗多日）。柳本立等[45]，劉海霞等[46]測(cè)量沙漠沙均含有多種元素。由此可知，風(fēng)成沙、海灘沙和沙漠沙等天然砂包含多種植物生長(zhǎng)所必需的大量元素和微量營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的配比具有一定影響。

楊飛等[47]測(cè)量了沙漠沙大量元素含量，全氮0.13 g/kg、全磷0.13 g/kg、全鉀18 g/kg、速效氮14 mg/kg、速效磷28 mg/kg、速效鉀48 mg/kg。李娟等[39]測(cè)量銀川腹地沙的元素含量，速效氮2.09 mg/kg、速效磷0.05 mg/kg、速效鉀1.42 mg/kg。王儒軍等[21]使用不同酸堿度浸提液浸泡天然砂，過(guò)夜后測(cè)量浸出液中Ca元素和Mg元素含量，結(jié)果顯示pH 7.5的浸提液提取Ca濃度為1.65 mmol/L，Mg濃度為1.00 mmol/L;pH 6.3的浸提液提取Ca濃度為1.8 mmol/L，Mg濃度為1.05 mmol/L;pH 2.8的浸提液提取Ca濃度為2.25 mmol/L，Mg濃度為1.25 mmol/L。浸出液Ca、Mg元素含量與營(yíng)養(yǎng)液相應(yīng)元素含量處于同一數(shù)量級(jí)，能夠明顯提高根系所接觸到的相關(guān)元素濃度。另一方面表明，元素被植物的可吸收性（溶解性）受到酸堿度影響。

Suzuki[8]研究報(bào)告指出砂基質(zhì)中的微量元素能夠滿足蔬菜生長(zhǎng)所需，砂栽培不需要微量元素營(yíng)養(yǎng)液。據(jù)作者調(diào)研，山內(nèi)和美子使用僅包含N、P、K的營(yíng)養(yǎng)液種植生菜、西紅柿、黃瓜、小白菜等蔬菜長(zhǎng)達(dá)25年，蔬菜長(zhǎng)勢(shì)正常，并未出現(xiàn)缺素癥狀，山內(nèi)章司砂栽培農(nóng)場(chǎng)、Green farm砂栽培農(nóng)場(chǎng)均采用大量元素營(yíng)養(yǎng)液種植蔬菜。王儒軍等[21]進(jìn)行了N、P、K營(yíng)養(yǎng)液與全元素營(yíng)養(yǎng)液砂栽培西紅柿對(duì)比試驗(yàn)，兩者單株產(chǎn)量分別為1863.40 g和1847.50 g，株高與莖粗相近，兩者并無(wú)顯著差異。宋榮霄等[31]采用Steiner通用配方中N、P、K數(shù)值配置營(yíng)養(yǎng)液，不含鈣和鎂，進(jìn)行西紅柿栽培試驗(yàn)，西紅柿產(chǎn)量正常。表明砂中所含微量元素能夠滿足蔬菜正常生長(zhǎng)需求，砂栽培可使用僅含大量元素的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行生產(chǎn)。蔬菜吸收利用砂中元素的有效性受到營(yíng)養(yǎng)液酸堿度的影響，隨著種植年限的延長(zhǎng)，砂基質(zhì)的酸化增強(qiáng)了微量元素的可用性，保證了蔬菜生長(zhǎng)所需。

4? 連作特性

連作障礙是影響設(shè)施農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的重要因素[48]，各國(guó)學(xué)者對(duì)連作障礙展開(kāi)了持續(xù)多年的研究，基本形成了連作障礙成因共識(shí)：隨著種植年限的增加，土壤理化性質(zhì)變差、生物學(xué)環(huán)境惡化和自毒物質(zhì)積累是連作障礙形成的3個(gè)主要因素[49-50]。無(wú)土栽培采用基質(zhì)代替土壤，規(guī)避了連作障礙產(chǎn)生的因素，但巖棉、泥炭等栽培基質(zhì)需要頻繁更換，增加了生產(chǎn)成本。透氣型砂栽培可以實(shí)現(xiàn)不更換基質(zhì)永續(xù)生產(chǎn)。

趙風(fēng)艷等[51]、杜連鳳等[52]研究表明，設(shè)施內(nèi)連作土壤鹽分含量高于露地栽培土壤，20 cm以內(nèi)的土壤EC值較露地高244%。李俊良等[53]、李見(jiàn)云等[54]研究表明設(shè)施內(nèi)土壤氮、磷富集，氮、磷、鉀比例與蔬菜需肥比例嚴(yán)重不符。土壤酸化與板結(jié)影響蔬菜根系生長(zhǎng)，沈陽(yáng)城郊設(shè)施內(nèi)土壤酸化，77.90%的土壤pH值小于6.5，部分土壤pH甚至小于4.1[55]。幾十年的時(shí)間尚不能改變砂的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，砂仍能保持較好的透氣性能，不會(huì)產(chǎn)生板結(jié)問(wèn)題。砂基本沒(méi)有鹽基交換量，通過(guò)沖洗砂床可避免次生鹽漬化和養(yǎng)分失衡問(wèn)題。多年生產(chǎn)的砂基質(zhì)會(huì)酸化，但可通過(guò)鎂石灰或者熟石灰調(diào)整。

鐮刀菌屬（Fusarium）、腐霉屬（Pythium）等真菌病害和線蟲(chóng)是導(dǎo)致連作障礙的主要土傳病害[56]。隨著連作年限的增加，土傳病害微生物增多，有益微生物數(shù)量減少，根際微生態(tài)受到破壞[57]。砂自身所含的碳、氮量很少，碳氮比低，不利于微生物在基質(zhì)內(nèi)繁殖生長(zhǎng)，土傳病原菌較少。楊飛等[47]測(cè)量砂中有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為0.57 g/kg。Suzuki[8]指出：砂栽培中甜瓜蔓枯病菌數(shù)減少，砂中的微生物比土壤中的更少更均衡，微生物環(huán)境更加容易保持健康。連作作物通過(guò)淋溶、根系分泌、殘根腐解等途徑將自毒物質(zhì)留存于土壤中，已知自毒物質(zhì)主要有阿魏酸、對(duì)羥基苯甲酸、肉桂酸和香草醛等酚酸類物質(zhì)[48， 58-59]，通過(guò)淡水沖洗可以較容易從砂中清除這些自毒物質(zhì)。

5? 蔬菜產(chǎn)品品質(zhì)

受到砂理化性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)液管理方式的影響，透氣型砂栽培蔬菜的品質(zhì)與其他基質(zhì)栽培和水培的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)具有一定差異，較為明顯的指標(biāo)變化是砂栽培蔬菜的含糖量較高，亞硝酸含量較低。利用砂基質(zhì)水分調(diào)控的便利性，能夠生產(chǎn)不同含糖量的蔬菜。

5.1? 含糖量

砂基質(zhì)物理性質(zhì)影響蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。Baba[16]砂栽培西紅柿試驗(yàn)取得了較高的含糖量。Kanazawa等[17]于千葉大學(xué)進(jìn)行砂栽培對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，砂栽培西紅柿糖度值為6～7，同等環(huán)境條件下巖棉栽培西紅柿糖度值為4～5。穆大偉等[9]砂栽培生菜可溶性糖含量是椰糠蛭石混合基質(zhì)生菜的6.68倍，達(dá)2.47%。Maeda等[60]對(duì)比了溫室砂栽培夏茬甜瓜和秋茬甜瓜生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)、形態(tài)、甜瓜果實(shí)含糖量等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)兩茬甜瓜含糖量相近。說(shuō)明透氣型砂栽培蔬菜含糖量較高，且受到季節(jié)影響較小。

砂基質(zhì)持水孔隙度小，僅為1%，遠(yuǎn)低于土壤、巖棉和泥炭等栽培介質(zhì)的持水孔隙（分別為45.00%、94.00%、77.30%）[2]。水分在砂中滯留量少，時(shí)間短，形成相對(duì)水分脅迫，蔬菜合成同等數(shù)量碳水化合物的用水量更少，含糖量更高[61]。另外，砂基質(zhì)比熱容小，為0.92×103 J/（kg·℃），白天升溫速度和夜間降溫速度較快，有利于可溶性糖及其他可溶性固形物的白天光合合成與夜間運(yùn)輸積累[62]。受到砂基質(zhì)物理特性所形成的相對(duì)水分脅迫和較大晝夜溫差的影響，砂栽培蔬菜含糖量更高[9]。

水肥耦合灌溉系統(tǒng)可以控制營(yíng)養(yǎng)液劑量和灌溉頻率，結(jié)合具有水分脅迫特征的透氣型砂栽培，能夠形成不同程度的水分脅迫，如形成無(wú)水分脅迫、輕度、中等、重度水分脅迫，從而生產(chǎn)出低含糖量、平均水平含糖量、高含糖量的標(biāo)準(zhǔn)化蔬菜產(chǎn)品，滿足市場(chǎng)對(duì)精細(xì)化、高品質(zhì)蔬菜產(chǎn)品的需求，這一特性是土壤栽培和其他無(wú)土栽培方式難以實(shí)現(xiàn)的。

5.2? 亞硝酸含量

砂栽培的化學(xué)性質(zhì)影響蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。Suzuki[8]研究表明，砂中脲酶含量較高，活性較強(qiáng)，王儒軍等[21]采用不同營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行砂栽培試驗(yàn)，栽培床排出液硝酸鹽含量相近，與Suzuki研究結(jié)論相印證。穆大偉等[9]生菜研究試驗(yàn)表明，砂栽培生菜亞硝酸鹽含量1.77 mg/g，對(duì)照椰糠蛭石混合基質(zhì)生菜硝態(tài)氮含量12.67 mg/g，兩者呈現(xiàn)顯著差異。營(yíng)養(yǎng)液氮肥形態(tài)和施肥量影響蔬菜硝酸鹽含量的主要因素[63-64]，砂栽培所用營(yíng)養(yǎng)液硝酸鹽含量為常規(guī)含量，不同點(diǎn)在于，砂基質(zhì)脲酶含量較高，增強(qiáng)了硝化作用，提高了營(yíng)養(yǎng)液銨態(tài)氮的利用率，從而降低了生菜硝酸鹽含量。

孫世海等[65]試驗(yàn)證明，鉬、硼等微量元素能夠降低蔬菜硝酸鹽含量。郭大勇等[66]、聶兆君等[67]和陳龍正等[68]分別研究了鋅、鉬、錳等微量元素對(duì)生菜、小白菜硝酸鹽含量的影響，研究結(jié)果表明鋅、鉬、錳等微量元素具有降低蔬菜硝酸鹽含量的作用。砂中含有的鉬、硼、鐵、鋅、鈣、鎂等微量元素對(duì)降低硝酸鹽含量起到得了有益作用。

5.3? 重金屬含量

鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）等是當(dāng)前最為關(guān)注的5種對(duì)人體有嚴(yán)重危害的重金屬[69]。通過(guò)龍黎等[44]、趙毛媛[37]對(duì)沙漠沙、風(fēng)成沙和海灘沙的測(cè)量可知，砂中含有Pb、As和Cr等重金屬元素。榮湘民等[41]測(cè)量了砂栽培生菜Pb和Cd的含量，8種營(yíng)養(yǎng)配方生產(chǎn)生菜的Cd含量均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.20 μg/g，有1種營(yíng)養(yǎng)液配方生產(chǎn)生菜的Pb含量超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.30 μg/g），為0.40 μg/g，但并非研究結(jié)論中的最優(yōu)營(yíng)養(yǎng)液配方，其余7種營(yíng)養(yǎng)液配方生產(chǎn)生菜的Pb含量均小于0.30 μg/g。穆大偉等[9]測(cè)量了砂栽培生菜的重金屬含量：As 0.30 μg/kg，Cd 0.04 μg/g，小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)As和Cd限量值0.50 μg/g、0.20 μg/g[70]。說(shuō)明砂栽培未造成蔬菜重金屬污染，但不同來(lái)源砂的重金屬含量并不相同，如砂源地存在較為嚴(yán)重的重金屬污染，應(yīng)檢測(cè)合格后再作為栽培基質(zhì)使用。

綜合上述分析，透氣型砂栽培具有如下特點(diǎn)：（1）永續(xù)性生產(chǎn)。無(wú)論泥炭還是巖棉，在使用1～2年后都需要更換基質(zhì);水培則出現(xiàn)容器長(zhǎng)藻等問(wèn)題，透氣型砂栽培持續(xù)生產(chǎn)25 a不需要更換基質(zhì)而無(wú)連作障礙，是永續(xù)性生產(chǎn)方式;（2）省力性生產(chǎn)。透氣型砂栽培不更換基質(zhì)，不需要翻耕，砂內(nèi)雜草種子少，不需要除草，白菜、生菜、莧菜等的根系不需要從基質(zhì)中清理出來(lái)，留在砂內(nèi)自然分解，勞動(dòng)內(nèi)容比巖棉培、泥炭培和水培少，勞動(dòng)強(qiáng)度低;（3）低技術(shù)。生產(chǎn)者不需要很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，非農(nóng)業(yè)人士經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)就可以掌握砂栽培生產(chǎn)技術(shù)，透氣型砂栽培是一種類似于傻瓜照相機(jī)的無(wú)土栽培模式;（4）高品質(zhì)。砂栽培蔬菜含糖量更高，亞硝酸鹽含量更少，品質(zhì)更好。砂基質(zhì)持水孔隙小、比熱容小，脲酶含量高，活性強(qiáng)，所生產(chǎn)蔬菜含糖量高，硝酸鹽含量少;（5）成本低。透氣型砂栽培不需要更換基質(zhì)，節(jié)省了基質(zhì)成本和更換基質(zhì)的勞動(dòng)成本。勞動(dòng)量小，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人員也可以從事生產(chǎn)，人員成本和管理成本較低;（6）生態(tài)環(huán)保。廢棄的巖棉、蛭石等基質(zhì)對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響，泥炭是一種不可再生資源，砂栽培不需要更換基質(zhì)，栽培過(guò)程中沒(méi)有多余營(yíng)養(yǎng)液向外排除，是生態(tài)環(huán)保的無(wú)土栽培方式。

6? 前景分析

透氣型砂栽培具有顯著的特點(diǎn)，在應(yīng)用過(guò)程中也面臨著一些問(wèn)題。缺乏商品化基質(zhì)是發(fā)展透氣型砂栽培所面臨的主要問(wèn)題之一。砂基質(zhì)理化性質(zhì)因產(chǎn)地來(lái)源不同差別較大，需要生產(chǎn)者自行處理，不同來(lái)源的砂處理方式有一定差異，砂基質(zhì)質(zhì)量受人為影響較大。處理后的砂基質(zhì)較重，不適宜像巖棉一樣在全國(guó)甚至全世界范圍遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，商品化供應(yīng)，是透氣型砂栽培發(fā)展的主要限制因素。

透氣型砂栽培生態(tài)環(huán)保、低技術(shù)、低成本、高品質(zhì)的特性符合當(dāng)前基質(zhì)栽培發(fā)展趨勢(shì)，必然越來(lái)越受到科研工作者和生產(chǎn)實(shí)踐的重視。特別是在南海島嶼、城市和建筑內(nèi)以及沙漠中，透氣型砂栽培具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。砂是南海島嶼最容易獲得的基質(zhì)，環(huán)境友好的特點(diǎn)滿足南海島嶼的生態(tài)要求。在城市和建筑中以及沙漠中，利用砂栽培技術(shù)生產(chǎn)蔬菜，沒(méi)有廢棄基質(zhì)和外排的營(yíng)養(yǎng)液污染環(huán)境，非專業(yè)人員、高齡人士可以從事生產(chǎn)，具有一定社會(huì)意義。透氣型砂栽培技術(shù)是解決南海島嶼新鮮蔬菜供應(yīng)問(wèn)題的有效措施。

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