气雾栽培
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2006年4月22日 作者:ctnyzn [返回]
蚕豆的废液气雾培研究

蚕豆的废液气雾培研究

徐伟忠,王利炳,章金栋,詹喜法

(浙江省丽水市农业智能化快繁中心 323000)

摘要

蚕豆是一种具有固氮作用的豆科植物,也是一种重要的经济植物。对其进行气雾培,促发形成发达的不定根根系与庞大的根表面积,利用其强大的吸附吸收性,固定营养液废液中残留的各种矿质营养,起到排液净化处理与减少环境污染的功效。通过试验观察,气雾培环境下,根系净重及根冠比明显增大,生物转换率、生物量比土壤栽培大大提高,固氮菌的发育正常而快速,能使低含量少营养的残液发挥出最大的栽培效果,使废液栽培的循环利用得以实现,再利用蚕豆收获后的残枝残叶残根进行液肥的发醇制备,作为园艺植物无土栽培的养液添加液,从而形成了设施无土栽培环境下,营养液无残留少排出少污染的闭锁型生态系统[1],为当前探索农业循环经济建立可持续发展的生态农业模式开辟一条新的技术路径。

关键词

蚕豆、气雾培、土壤栽培、废液利用、生物量、根冠比、生物转换率、闭锁型生态系统、液肥

引言:

气雾培是一种新型的栽培模式,具有植株生长快速,产量高的特点,已成为当前农业高新园区及国外发达国家的一种重要栽培模式,特别在观光农园与植物工厂中,利用气雾培技术进行蔬菜的高效栽培与巨大化蔬菜树的观光栽培。以其管理方便、操作容易、技术新颖、效果显著而成为当前先进栽培模式的代表,特别是在园艺植物上的运用已越来越被生产科研所运用,如叶菜、番茄、黄瓜、甜瓜、花卉等,具有比传统无土栽培技术发挥出更大的优势与生长潜力,使经济植物的发育期大大缩短,产量大幅度提高,甚至是几十倍上百倍的提高,如日本单株结万果番茄王的水气耕栽培及气雾培植物工厂,都因采用气雾培技术而实现产量及品质上发生质的飞跃[2]。更为关键的是气雾培对于循环系统及设施的要求低,对营养液的配方及浓度都没有水培那么严格,这主要是由于气雾培具有更发达的根系,在氧气的最充足环境下对矿质营养具有更强的选择吸收性,根吸收营养及水份的能力比土培水培都要高。所以气雾培是一种最适于废液重新利用栽培的好模式。为了研究营养液栽培过程中废液的利用,减少废液外排的生态污染建立起设施大棚内的闭锁型生态循环系统,以最少的废液排放保持可持续与循环的节约型农业生产方式。而豆科植物具有根系发达与强的固氮能力,很有可能成为废液重新利用栽培的首选作物。目前,这种气雾栽培的模式,我国的探索与研究还是刚刚起步,在农作物上的栽培尝试就更少了。为了探明豆科植物蚕豆在废液气雾培模式下的生育期、生物量及形态特征方面的变化规律,特进行蚕豆废液气雾培的观察研究试验,为气雾培在豆科植物上的运用以及利用它建立起闭锁型生态系统的新思路,提供可借鉴的科研实验依据,为气雾培在常规作物上的应用开辟了先河。

一、材料与方法

1、  气雾培系统的建造

为了便于观察根系的生长动态我们专门设计了一个离地50cm的高架设玻璃槽气雾培系统,该系统由支承架、玻璃槽、雾化管道、动力泵、营养液箱、微控制器、定植板、海绵条组成。离地50cm的水平支承架由塑料管件套接而成,主要作用起到支撑玻璃槽与创造栽培槽与营养液箱间的落差,便于栽培时养液的回流收集。自制长为30m、宽35cm、高40cm的玻璃槽作为气雾培的定植槽,并水平地摆放于支承架上。然后于槽内安装营养液雾化管道,再于槽上扣封孔距为45cm泡沫板作为定植板。建好栽培系统后再于槽下方置放一个能装200-300公斤的塑料箱作为营养液箱,可以直接放于水平地面上,最好是把它平埋于土壤中有利于温度的稳定,安好营养箱后,再配一动力水泵作为养液雾化循环泵,工作时养液循环就由泵的启动与关闭来执行。至于何时启动何时停止,则由微控制器来控制,它是一个带有温度传感器的微型计算机控制系统,由温度传感器传感到温度信号,再由微控制按温度信号的不同采取不同的弥雾频率,从而实现了营养液的科学供给[3]

2、育苗与定植管理:

选择日本大白蚕品种作为试材,于1120进行气雾育苗,128把气雾培育的净根苗移至气雾培的定植板上进行气雾栽培,共移栽了61株,在玻璃槽上每隔45cm用定植板固定植苗一株,栽植时用海绵条包缚苗的茎部塞入定植孔即可,让根系舒展于弥雾的空间里。为了探明废液的再循环利用,我们采用了番茄及南瓜水培后的废液进行蚕豆栽培,因豆科具有强大的固氮作用,所以废液也基本能满足要求。移栽后通过两个月多的生长,32进入盛花期,420为青荚收获期,从播种到收获生育期历时150天,比土壤栽培缩短30天。蚕豆采用气雾培后,管理变得简单而方便,没有田间管理的繁琐性,只需定期更换补育营养液就可,因是利用废液栽培,一般10-15天即可补充或更换一次废液。

二、结果与分析

1、可以利用废液进行栽培利用。

通过一个生育期的栽培观察,发现在生产上完全可以利用园艺植物栽培后排除的营养废液进行气雾栽培,不必太严格的配方与浓度,可充分地重新利用废液中未被吸收完全的残留营养,在整个生育期中,虽是利用废液栽培,但没有出现任何缺素现象,这对当前倡导可持续循环的农业经济来说是一大资源的再造与节约,而且废液经利用后可以尽可能是减少环境污染。这与传统栽培中把豆科植物常用于先锋作物来固氮培肥的技术原理是相符的,可以利用气雾法再结合废液栽培进行循环利用,把它作为园艺植物水培后排出废液的再次利用污水处理栽培,这方面具有深度探究的意义。另外,在气雾培环境下,蚕豆的生育期大大缩短,可以提高栽培效率与效益。在常规栽培条件下,大白蚕的生育期为180天(播种至青荚收获期)[4],而气雾培只需150天,1120播种至次年的420全部收获作为鲜食青荚上市。这主要与生长速度加快,各发育期提前到来有关。这与根系在气雾环境下具有更充足的氧气供给,最直接的水份营养补充有关,具有比土壤栽培与水培更适的根域环境,所以它是当前对植物生长促进最为快速的栽培模式。

2、根系的发育发生了适应性变化。

在气雾培环境下,蚕豆根系发生了生态适应性的变化,形成了能适应水环境与气环境的气生根及水生根,其中处于槽内空间的部份根为气生根,生长至玻离槽底的部份极为水生根,因回流的养液使槽底长期处于一层薄薄的养液状态。其中气生根能从空气中获取大量的氧气,处于一种旺盛的呼吸代谢状态,为根系的快速吸收水份与营养提供了更多的能量,这是气雾培生长快、极吸附能力强的关键所在,也就是富氧状态激发强化了各种代谢与生理机能[5]。那么在气雾环境下发育的气生根与土壤环境中的陆生根有哪些形态的变化呢?首先气生根大多为不定根根系,从植株基部呈须状分布,具有比陆生根的多级分根形态有更高的吸收效率,吸收营养及水份变得更直接更有效,大大缩短了运输的距离。在气培条件下形成的气生根还有发达的根毛,其表面积之大将大大超过土壤栽培的根系,而且根系的形态发育表现为根的伸长区大大加长,表现为洁白而纤细,多数为薄壁组织,具有很强的生理代谢基础,没有根系的机械组织现象,这可能与气雾环境下无需克服土壤环境形成的阻力有关。而处于槽底的水生根,它的发育与空气中的气生根又迥然不同,它没有根毛,但伸长区依然加长,这与根系的快速生长伸长有关。总之,气雾培环境下,因根处于特殊的水气环境,形成的根系具有很明显的生态反应,大多表现为洁白的气生根与水生根,不会像土壤环境中形成的根系,根皮层机械化及色泽褐化,这种根具有很强的吸收功能。而且在,气雾这种最适的环境下,根分秘物大大减少,使植株营养的无谓消耗得以减少,更有利于生长与生物量形成积累。发达而超大根表面积的形成为低效率废液的高效利用创造了形态与生理的基础,为废液栽培的成功创造了条件。

3、根瘤的发育正常而且更利于快速接种。

在土壤中常因熟土中自身带有根瘤菌而不需接种,可自然形成,但它形成的多少快慢却与土壤环境有关,而气雾环境下,具有快速侵染与传播的特性。根系可以通过弥雾的养液快速完成接种过程,而且发达的根毛为根瘤的侵染创造了最大机率的感染入口,观察发现处于气雾环境中的气生根上能形成大量根瘤,小如粟米、大如黄豆,而且根瘤组织表现为疏松而膨胀,滋生蔓延的速度快速,属于快生好气菌(见下图)。但处于槽底的水生根上,就少有根瘤,只有少部份处于水气界面的根系上,才观察到少量根瘤的形成,说明根瘤菌的滋生发育需要氧气充足的环境,所以在气雾培情况下气生根上共生根瘤的形成比土壤中要好要快还要多,这对于废液栽培中,为植株摄取更多的氮素创造了生理基础,对植株的生长促进起到了很好的作用。

a

 

b

 

c

 

d

 

e

 

1:气雾培环境下根瘤菌的发育及水生根气与气生根的形态

注:a: 密生如粟米状的根瘤菌;b: 只有露出水面的水生根才有少量根瘤菌;c: 直径达0.5cm以上的根瘤菌;d: 水生根上光滑无根毛;e: 气生根上密布发达的根毛

4、形成庞大根冠比,为废液的高效吸收奠定基础。

根深才能叶茂,同样在气雾培环境下,对于根发育的生长环境来说,比任何一种栽培模式都要优越。栽培槽内的雾化系统能为根系提供充足的水份与营养,更为重要的是它具有其它任何一种模式都不可比拟的富氧环境,这为根系发育创造了最佳的环境条件。从定植的61株蚕豆中进行每隔10株随机抽取一株作为测产对象,进行根冠比的测定,以研究气雾环境下根的发育及光合营养在代谢中的根冠分配情况,现以土壤栽培蚕豆的根冠比为对照,分析气雾培环境下根冠比的变化。随机抽取的6株气雾培蚕豆与1组(随机取6株再求平均值作为该试验的对照)土壤栽培蚕豆,进行根冠净重与比例对照分析。

1 气雾培条件下蚕豆的根冠重及比例

株号

1

2

3

4

5

6

平均

CK

冠重(g)

730

605

3340

2475

1930

2630

1952

1490

根重(g)

195

180

335

180

140

215

207.5

60

生物量(g)

925

785

3675

2655

2070

2845

2163.7

1550

根冠比(%)

27%

30%

10%

7.2%

7.3%

8.2%

10.6%

4%

从上表可见,在气雾培环境下根冠比明显增大,是土壤栽培的2.5倍,气雾培高达10.6%,而土壤栽培只有4%,这与根域环境的优化有关,也与根分泌物减少,让更多的营养用于根的构型有关。另外植株总体的生物量也明显地增大,气雾培比土壤栽培增加39.5%,说明气雾培环境比土壤栽培更利于光合产物积累与生长。

5、气雾培比土培有更高的生物转换率

高生物转换率是废液利用实现生态循环的基础,在气雾培条件下,蚕豆的单粒重及单荚重都明显增加,对其进行随机抽取三组(每组50荚)果荚进行计算,测得平均单荚重为9.83g,平均粒重为2.2g,而对照平均单荚重为8g,单粒重为2g。说明采用气雾培条件下,在单荚重及单粒重上都有明显的提高,这也是形成单株产量高的基础。但从生物效率及植株的营养生长与生殖生长平衡角度来说,高的生物产量与高的有效换率是最为重要的。如果植株营养生长过旺,不能把光合产物转化为人们所需要的荚粒重,生产意义是不大的,但生态意义同样重要。只有把光合产物以最高的效率转换为人们可食用的荚粒,才是生产栽培所需追求的目标,现就对测产的单株进行荚与粒的生物有效转换率分析,以评价气雾培与土壤栽培间存地的哪些优越性与不足,为生产制定技术措施提供参考。从下表可知,在单株产荚量来说,气雾培平均为284.5g,土壤栽培为295g,两则差异不大,但从单株粒重,气雾培为132.5,土壤栽培为55g,差异极大,说明在光合产物的积累转换上,气雾培更为有效,能把大量的光合产物转化为淀粉或蛋白质等贮藏营养累积于种子中,使可利用的经济产量大幅度的提高。这可能与气雾培环境下,植株的生理代谢更加旺盛,更有利于营养的积累运输及转换有关。同时,这种差异也可能与发育期提前,植株能及时地从营养生长阶段转化生殖生长有关,而土壤栽培在测产时,因发育的相对延后,导致许多光合营养没有从叶片转向种子发育而导致荚粒鲜重变小。

表二、气雾培条件下蚕豆单株产量及生物有效转换率

株号

1

2

3

4

5

6

平均

CK

单株结荚数(个)

36

26

48

35

33

37

36

37

单株荚重(g

150

195

370

262

330

400

284.5

295

单株鲜粒重(g)

70

91

172

122

154

186

132.5

55

生物量(g)

925

785

3675

2655

2070

2845

2159.2

1550

枝叶根残留量(g)

775

590

3305

2393

1740

2445

1874.7

1255

荚有效转换率(%)

16.2

24.8

10.0

9.9

15.9

14.1

15.2

19.0

粒有效转化率(%)

7.6

11.6

4.7

4.6

7.4

6.5

8.0

3.5

另外,从上表可知,气雾培除了荚果可被人们直接利用的有效生物转换率提高外,残留的枝叶生物量也大大超过土壤栽培,气雾培为1874.7g而土壤栽培只有1255g,这为液肥的制备实现生态系统的闭锁循环提供更多的发醇原料,也是提高废液生态转换率的基础。

6、气雾栽培与土壤栽培有效分枝数与总枝量的比较分析。

从表三可知,气雾培的日生长速度,单株的总枝长、有效分枝率、平均枝长都比对照有明显的提高,说明气雾培比土壤栽培有更大的生长优势。虽是废液的再利用栽培,但其生长还是优于土壤栽培,这与其根系在气雾环境下能保持强大的吸收功能与固氮生理有关。与根域环境优化后,植株的光合作用、营养吸收、呼吸作用等生理代谢得以改善有关。

表三、气雾培条件下枝生长速率及分枝情况比较

株号

1

2

3

4

5

6

平均

CK

有效分枝数()

11

8

18

12

10

15

12

12

总分枝数(个)

12

14

24

17

14

19

17

19

总枝长(cm

971

1031

1857

1362

1112

1367

1283

1102

平均单枝长(cm)

80.9

73.6

77.4

80.1

79.4

71.9

77.2

58

有效分枝率(%)

91.7

57.1

75

70.6

71.4

78.9

70.6

63.2

日生长速度(cm/日)

6.5

6.9

12.4

9.1

7.4

9.1

8.5

7.3

注:日生长速度以总枝长除以生育期天数,这里生育期以150天计算

三、讨论

蚕豆的气雾栽培在我国尚属首例,而且是利用营养液废液进行重新利用节约资源型的栽培,更具生产意义。通过实验证明,在气雾环境下,蚕豆具有比常规栽培高出2.5倍的根量,是废液利用型栽培的生理基础,只有超常规根系的发育才能构成充分利用残废液的吸收水份与营养基础。在气雾培条件下蚕豆的生长速度及生物转换率都得以提高,而且还能使生育期得以缩短,使生产效率与经济效益提高,特别大生物量的构建上,能为闭锁生态系统建立,可循环模式的形成创造了有利条件,其中大的荚粒生物量可作为商品利用,而茎叶根的生物量可作为液肥制作的上等原料,液肥制取后又可循环利用作为其它园艺植物营养液栽培的添加剂,具有很好的效果,这已在日本的水耕或养液栽培中得以利用[6]。利用气雾培比土培水培具有更发达的不定根与根毛发育,形成了庞大的根表面积,能大大提高低含量低浓度废液的利用率,不需严格合理的配方下也能正常生长提高了生理基础。另外,既使废液中含有大量根系分泌物或根残渣的腐烂物存在,或者矿质元素含量及比例极不合理的情况下,也能适应生长与栽培,因根系强大的生理代谢功能,能使因废液营养成份缺陷带来的生长抑制得以克服消除。大凡废液都存在溶氧极度不足的现象,而气雾培技术可以有效地解决这个问题。通过试验证明,利用EC值只有0.3-0.5的废液栽培,也能培出出单株净产量、粒重与荚重都比土壤有明显增加与提高的特殊效果,大大提高了单位面积产量与商品率。气雾培是蚕豆设施栽培及园艺植物营养液废液再利用栽培的一种好方法,利用气雾培后,气生根上的根瘤发育快速而正常,具有比土壤更适宜根瘤共生的环境条件,是克服废液缺氮障碍的最好方法,在气雾的富氧循环下能使豆科植物的固氮菌快速接种入侵与感染,快速建立高效的固氮共生体系,即使在缺氮的废液下也能正常生长。

利用废液进行蚕豆或其他豆科植物的气雾培是可持续循环型农业中的一项重要的辅助技术,是利用它进行废液的生物转化与制备生物液肥的中间转化器,通过它可形成设施环境下完整的生态生物循环系统,叫闭锁型生态系统[7]。当前设施无土栽培大面积发展,废液的外排污染已成为农业污染的新课题,探索寻找高生物转换率的植物进行废液的再转化利用,具有极为重要的生产意义。这些外排的大量废液,如果利用豆科植物发达根系的吸附性及根瘤的滋生性进行重复利用,一可实现生态闭锁型的生产,二可节约资源与成本,是建设高效农业生态可循环农业经济的一种重要的关键技术。这与利用水生或水培植物进行生态除污有异曲而同工的生态效益与社会经济效益。

参考文献:
1、    谷 晃.閉鎖生態系生命維持システム(CELSS)における植物生産施設内の微量物質, 特にエチレンの収支に関する研究.生物環境調節.1997,35(4):293
2、    野沢重雄.トマトの巨木は何を語りたいか : ハイポニカの科学・水気耕世界.高槻 : 協和, 1985.4
3、    東出,忠桐.噴霧耕栽培システムにおけるトマトおよびキュウリの培養液制御.今月の農業 2001,45(5):33~37
4、    陈华姿.蚕豆品种日本大白蚕.中国种业.2003(5): 46-46
5、    武川満夫.気耕栽培.東京 : 富民協会, 1993.12
6、    茅野充男.植物根圏における物質動態と根分泌物質.東京:茅野充男, 1995.3 
7、    日本土壌肥料学会.養液土耕と液肥・培地管理.東京:博友社, 2005.9
8、    荊木 康臣; 本條 毅.国際シンポジウム 「閉鎖生態系における植物生産」.農業気象.1997,53(1):55-58.

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