巖棉無土栽培灌溉策略的制定與生長調(diào)控技術(shù)

巖棉（圖1）是非常適合用于滴灌式水培的生長系統(tǒng)的栽培基質(zhì),，它可以容納大量的水，同時(shí)保持足夠的孔隙度（不直接放在水中時(shí),，至少可維持自身體積18%的空氣）,，為作物的根區(qū)提供足夠的氧氣。巖棉是由玄武巖經(jīng)過1600℃的高溫（模擬火山噴發(fā)）制造噴絲,、粘合和切割而成（圖2）,，故巖棉無任何病菌，可大大降低病害發(fā)生的幾率,。巖棉（圖3）容重僅為0.08~0.1kg/m3,，質(zhì)地輕，吸水力強(qiáng),，排滲性好,，可為根部提供一個(gè)優(yōu)良的生長環(huán)境。

巖棉雖然有很多優(yōu)點(diǎn),，但用巖棉種植得到較高產(chǎn)量可不是一件容易的事情,。本文就如何計(jì)劃和執(zhí)行灌溉策略,，優(yōu)化根際環(huán)境,，從而減少作物脅迫,，并通過灌溉策略的調(diào)整盡可能的增加產(chǎn)量等問題提供一些實(shí)用建議。

灌溉量的精確計(jì)算都是從正確的基質(zhì)量（L/m2）開始，這決定著使作物導(dǎo)向營養(yǎng)生長或生殖生長,。蔬菜作物（番茄,、黃瓜、彩椒等）商業(yè)化種植的理想基質(zhì)量為7.5~9L/m2,。當(dāng)基質(zhì)量小于7.5L/m2時(shí),，基質(zhì)量的減少更易為作物創(chuàng)造轉(zhuǎn)向生殖生長的根際環(huán)境，這會(huì)迫使種植者增加灌溉頻率以滿足作物需求,，從而刺激營養(yǎng)生長,。在偏生殖生長的情況下，增加灌溉頻率可以使作物轉(zhuǎn)向營養(yǎng)生長,，且效果不錯(cuò),。

另一方面，當(dāng)使用較少體積的基質(zhì)時(shí),，在正常啟動(dòng)灌溉和停止灌溉期間,，夜間基質(zhì)含水量下降更快，可能會(huì)嚴(yán)重影響根系生長,。如要阻止這種情況發(fā)生,，種植者必須每天提前開始灌溉并延后停止灌溉的時(shí)間；另一種方式是在夜間增加1~2次灌溉,，但這樣做也會(huì)影響作物的內(nèi)部生長節(jié)奏和機(jī)制,。

當(dāng)基質(zhì)體積大于9.0L/m2時(shí),，基質(zhì)對根系的緩沖性能增加,，這樣就會(huì)使夜間含水量回干率較少（3%~5%），導(dǎo)致作物轉(zhuǎn)向營養(yǎng)生長,。如果不使用生殖生長的灌溉策略（減少單次灌溉量和降低灌溉頻率）,，那么控制WC（含水量）更加困難，即使使用也會(huì)使根系質(zhì)量和營養(yǎng)更新受到損害,。

排液孔的切割位置對巖棉條WC和EC的管理和控制有著很大的影響,，可以分成2種情況：

（1）當(dāng)巖棉條長度小于1.33m時(shí)，在Grodan巖棉條在最低點(diǎn)切開1~2個(gè)排水孔,。排水孔在巖棉條的側(cè)面切割,，距巖棉條的邊緣大約2~3cm。切口應(yīng)從巖棉條下面向上方切割,，從而確保排水孔的排液效率,，使根部的排液順暢，利于營養(yǎng)液的更新和空氣隨營養(yǎng)液進(jìn)入根部區(qū)域,。

（2）當(dāng)巖棉條長度大于1.33m時(shí),，排水孔應(yīng)在巖棉條的中間切開，但杜絕在巖棉塊正下面切割。當(dāng)從正下方開孔時(shí),，營養(yǎng)液就會(huì)在阻力最小的路徑直接排出巖棉條,，使?fàn)I養(yǎng)液在巖棉條的橫向擴(kuò)散受阻且浪費(fèi)營養(yǎng)液。使巖棉條內(nèi)的含水量再飽和并且EC更新將受損,，也會(huì)使巖棉條內(nèi)的WC和EC讀數(shù)可能存在差異,。當(dāng)多個(gè)巖棉塊被放到一個(gè)巖棉條上時(shí)，塊與塊之間的距離是有限的,，要注意從巖棉塊中的滴頭到排水孔的距離,。從滴頭到排水孔的理想距離為20cm，這樣滴頭可以很容易地移動(dòng)到巖棉塊的另一側(cè)來增加距離,，這將有利于WC再飽和及營養(yǎng)液EC更新,，并將減少巖棉條內(nèi)的水肥誤差。

正確的灌溉策略對于作物生長平衡的建立是必要的,，并且可以更好的調(diào)控作物生長,。日出后4~6次的灌溉量應(yīng)控制在整體基質(zhì)體積的4%~6%，之后單次灌溉量通常是基質(zhì)體積的3%,。

首先,，確定巖棉條體積。巖棉條的常規(guī)型號（Expert,，圖4）：單個(gè)巖棉條體積為100cm×20cm×7.5cm=15000cm3（15L）,；采取標(biāo)準(zhǔn)行距為1.6m；單個(gè)巖棉條上擺放4個(gè)巖棉塊（每個(gè)種植2株作物）,，即每個(gè)巖棉條8株作物,；據(jù)此計(jì)算出的種植密度為5株/m2，平均每一株作物的巖棉體積為1.875L,；故每平方米上巖棉條的體積為9.375L,。

其次，灌溉量的確定,。假設(shè)每個(gè)巖棉條布置4個(gè)滴頭,；按照每次的循環(huán)灌溉量為整體基質(zhì)量的4%：9375mL×4%=375mL/m2；滴頭密度為2.5個(gè)/m2,；每株的滴頭數(shù)量為0.5個(gè),；要達(dá)到375mL/m2的灌溉量，每個(gè)滴頭需要灌溉150mL,；使用2L/h滴頭（33.33mL/min）,，單個(gè)滴頭灌溉150mL所需時(shí)間為4.5min。

當(dāng)確定較小的脈沖(3%)或較大的脈沖(6%)時(shí),，計(jì)算方法同樣適用,。

受季節(jié)、開始和停止時(shí)間以及夜間含水量下降等影響的因素相互影響，最佳灌溉量為基質(zhì)體積的4%~6%,。

當(dāng)作物的脅迫降低時(shí),，作物的各器官功能會(huì)變得更好。這可以結(jié)合氣候條件,，在作物生長的每個(gè)階段調(diào)整灌溉策略來實(shí)現(xiàn),。在分析圖5中的含水量時(shí)，首先要注意的是,，在不同天早晨第1次灌溉開始之前,，沒有含水量的梯度降低。這表明,，當(dāng)?shù)?次灌溉被執(zhí)行時(shí),，作物沒有蒸騰，潛在的導(dǎo)致根部活躍的水分被吸收,，而隨著根壓的增加,，這可能對作物生理產(chǎn)生負(fù)面影響。

其次,，3天以上早晨含水量百分比的波動(dòng),，在早晨灌溉開始之前含水量為60%~68%。這種早晨含水量百分比的變化會(huì)對作物產(chǎn)生脅迫,，要想盡量減少這種脅迫,，要根據(jù)每天開始灌溉和停止灌溉的時(shí)間以及夜間含水量下降趨勢做相應(yīng)調(diào)整。晚啟動(dòng)和早停止將產(chǎn)生斜度更大的含水量梯度,，導(dǎo)致夜間含水量的大幅下降,。在這種情況下，需要給予3次夜間灌溉（圖5）,，以抵消夜間巖棉條的含水量下降過于嚴(yán)重,，從而避免上午含水量百分比過低,。夜間灌溉通常用于補(bǔ)償不正確的啟動(dòng)和停止時(shí)間造成的缺水,，從而限制嚴(yán)重的夜間含水量減小。當(dāng)基質(zhì)體積較少時(shí),，也有必要進(jìn)行夜間循環(huán)灌溉,。加熱管道時(shí)，將造成偏生殖生長氣候條件,，并減少巖棉條含水量,。

早晨的灌溉量（占基質(zhì)體積的4%~6%）是由前一晚的含水量下降決定的，當(dāng)比較這2天時(shí),，很明顯在5月31日需要8次灌溉,，而在6月1日需要5次灌溉。如果將每天8次灌溉減少到每天5~6次灌溉，同時(shí)增加單次灌溉量,，那么可以更早地實(shí)現(xiàn)回液排放,，并可同時(shí)提高EC控制的效率。早晨大的灌溉量將重新飽和巖棉條中的含水量,，同時(shí)更新EC,。此外，早上較大灌溉量（4%~6%）將確保按時(shí)排液,，從而在中午之前降低EC（紅線）,。

建議在日出后2~3h開始灌溉循環(huán)，并且確保灌溉循環(huán)量足夠大,，可以在日出后400J/cm2左右或600W/m2左右或4~5h實(shí)現(xiàn)排水,。在圖5中觀察到，小的灌溉循環(huán)顯示幾乎是一條平直的線,，表示在循環(huán)之間含水量下降非常小,。為了確保巖棉條中的氧氣含量得到補(bǔ)充，在下一個(gè)灌溉循環(huán)被重新啟動(dòng)之前,，循環(huán)之間的干回率必須降低1.5%~2%,。在變化的氣候條件下，遵循這一措施將確保根區(qū)保持活躍,。此外,，溶解氧（DO）水平隨水溫的升高而降低。巖棉條中DO水平的降低對根的生長有嚴(yán)重的負(fù)面影響,。新形成的根是確保水分和養(yǎng)分有效吸收所必需的——這強(qiáng)調(diào)了灌溉開始和停止時(shí)間以及結(jié)合氣候條件變化的夜間干回率的重要性,。

解讀圖5時(shí)首先要注意的是含水量的急劇下降（1%~2%），這發(fā)生在黎明之后,，直到第一個(gè)灌溉循環(huán)開始,。每天的含水量都趨向于相同的下降曲線，這清楚地表明,，在開始灌溉之前作物是蒸騰的,。根毛增加表示根表面積增大并有助于水分和養(yǎng)分的吸收。此外,，根毛在日出后活躍生長,，直到第1次灌溉，并在數(shù)小時(shí)內(nèi)保持,。當(dāng)從日出到第1次灌溉的時(shí)間很少時(shí),，將影響根毛的形成。因此,，重要的是要確保作物在灌溉被啟動(dòng)之前進(jìn)行了積極地蒸騰,。起始含水量百分比在7天內(nèi)僅變化2%（圖6）,，將在最大產(chǎn)出階段對根際管理上有一個(gè)積極的影響。水溫變化（綠線）表明氣候變化,，盡管如此,，通過關(guān)注灌溉開始和停止時(shí)間以及實(shí)現(xiàn)7%~8%的穩(wěn)定干回率，還是實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo),。

雖然早上灌溉次數(shù)和水溫（綠線）在2天之間有所不同,，但日動(dòng)態(tài)含水量百分比在64%~65%保持穩(wěn)定，這是通過改變達(dá)到日動(dòng)態(tài)含水量百分比所需的灌溉循環(huán)數(shù)量和體積來實(shí)現(xiàn)的,。而完成此目標(biāo)所需的灌溉循環(huán)次數(shù)和灌溉量由夜間含水量減少（回干率）決定,。在5%~10%的回干率足以維持活性的根區(qū)（圖7）。這是通過在最后一次灌溉停止后3h內(nèi)產(chǎn)生3%的回干率來實(shí)現(xiàn)的,。很明顯,，上午的灌溉量足夠大，因?yàn)镋C在中午之前按照預(yù)期降低,，并且在其余的灌溉循環(huán)中比較穩(wěn)定,，這非常重要。在一天中光輻射最大的時(shí)候使作物有最低的EC可以盡可能減少對作物的脅迫,，要做到這一點(diǎn),，排液必須在光照約400J/cm2或在600W/m2左右開始。雖然執(zhí)行上午大灌溉量的灌溉循環(huán)次數(shù)很少,，但是當(dāng)曲線振幅在1.5％左右變化時(shí),，在相近循環(huán)之間有足夠的含水量浮動(dòng)（回干率），從而確保巖棉條充氧并在最大產(chǎn)出期間保持根部活性,。

基質(zhì)體積的大小以及巖棉條排水孔的數(shù)量和分布將直接影響巖棉條內(nèi)含水量的可控性和EC的更新效率,。不同種植者在計(jì)算單位基質(zhì)體積灌溉量的策略時(shí)有所不同，早上較大灌溉量（4%~6%的基質(zhì)體積）被用來重新飽和含水量和更新EC,，而較小的灌溉量（3%的基質(zhì)體積）被用在中午和下午維持一天含水量和EC的穩(wěn)定通過維持穩(wěn)定的日動(dòng)態(tài)含水量來提高最大產(chǎn)量,，并且通過利用結(jié)構(gòu)化灌溉策略以及精細(xì)管理的方式控制EC。

作物的營養(yǎng)需求隨著生長的變化而變化,，因此應(yīng)適當(dāng)調(diào)整營養(yǎng)配方,。充足的養(yǎng)分和水分吸收是維持作物生長和發(fā)育所必需的，水和養(yǎng)分在作物細(xì)胞中進(jìn)出的一般方法有被動(dòng)和主動(dòng)2種：

第1種是被動(dòng)吸收,，是由擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的,，吸收依賴于蒸騰作用,。水和養(yǎng)分（特別是Ca2+）,，從高濃度區(qū)域（生長基質(zhì)）移動(dòng)到低濃度區(qū)域（根部）是不需要作物提供能量?？梢园阉胂蟪上缕侣罚热菀子窒鄬p松）,。相對于周圍的基質(zhì)水,，根毛細(xì)胞是高滲的（較低的水分子濃度）。因此,，水沿著濃度梯度從表皮細(xì)胞移動(dòng)到木質(zhì)部細(xì)胞,。但木質(zhì)部導(dǎo)管在果實(shí)中是很有限的，并且限制養(yǎng)分的傳遞,，導(dǎo)致生理失調(diào)（臍腐?。Ｋ栽诠喔惹矮@得蒸騰是很重要的,，以刺激根部區(qū)域的吸收效率,。

第2種類型，稱為被動(dòng)運(yùn)輸,，是溶解的分子穿過細(xì)胞膜從低濃度移動(dòng)到高濃度,，并依靠來自作物的能量（ATP）來驅(qū)動(dòng)移動(dòng)。有時(shí)細(xì)胞內(nèi)溶解的分子濃度比外部高,，因?yàn)榧?xì)胞需要它,，它們?nèi)匀槐仨毐晃铡］d體蛋白通過細(xì)胞膜運(yùn)輸特定的分子以對抗?jié)舛忍荻??？梢园阉胂鬄樯掀拢ㄙM(fèi)力而且消耗更多的能量）。

水分的吸收量受蒸騰作用的控制,。這個(gè)過程依賴于水在氣孔的蒸發(fā),，氣孔是小孔，在光合作用過程中允許CO2和O2的交換,。水分從相鄰的細(xì)胞中被取代,，同時(shí)通過樹葉中的木質(zhì)部導(dǎo)管進(jìn)入這些細(xì)胞。當(dāng)水進(jìn)入葉片后,，在根木質(zhì)部的水柱上就有了向上的拉力,，就會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，在木質(zhì)部壁被向內(nèi)拉,，導(dǎo)致水從基質(zhì)向根部移動(dòng),。

在作物吸收的所有水量中，高達(dá)90%的水被蒸發(fā),，而只有10%用于生長,。進(jìn)行蒸騰作用的作物可以在晴天（2000J/cm2）蒸發(fā)多達(dá)4.5L/m2的水，用來冷卻溫室,。這就是蒸騰的葉子比非蒸騰的葉子溫度低2~6℃的原因,。

在這個(gè)過程中，溫室里的相對濕度會(huì)上升,。在夏季,，為了控制相對濕度的增加,，必須有足夠的通風(fēng)，特別是當(dāng)天氣較溫和,、白天較暗,、通風(fēng)受限時(shí)。

如在作物活性較低或在蒸騰發(fā)生之前開始灌溉,，將活躍根系的吸收能力進(jìn)而增加水分吸收,。這種可以稱之為“根壓”。載體蛋白是作物運(yùn)輸離子所必需的,，如K+和Ca2+從周圍的基質(zhì)進(jìn)入根通過細(xì)胞的單層膜,。在光合作用過程中形成的能量，有助于將這些離子移動(dòng)到根部,，并被轉(zhuǎn)換成根細(xì)胞內(nèi)的濃縮離子溶液,。水跟隨離子進(jìn)入根細(xì)胞，通過稱為滲透的被動(dòng)過程,，導(dǎo)致壓力增加,。因此，種植者應(yīng)確保在蒸騰停止時(shí)EC不處于最低點(diǎn),，并在夜晚時(shí)保證更高的基質(zhì)EC,，從而降低番茄裂果的可能性。

水的吸收受EC（單位為mS/cm或μS/cm）的影響,，離子濃度越高,，營養(yǎng)液EC越高。（注：1mS/cm＝1000μS/cm）,。

基質(zhì)EC較低時(shí),，作物易于吸水。隨著EC的增加,，在達(dá)到一定EC水平后,，水的吸收變得更加困難。該水平由EC濃度決定,，并且不同作物的EC的濃度也不盡相同,。營養(yǎng)液離子濃度、基質(zhì)EC以及根域濃度與吸收的養(yǎng)分之間存在差異,。根系的吸收離子數(shù)量與基質(zhì)中的離子濃度有差異是由于單價(jià)陽離子(K+)和二價(jià)陽離子(Ca2+),、單價(jià)陰離子(HCO3-)和二價(jià)陰離子(SO42-)之間的比例不同。單價(jià)陽離子和陰離子比二價(jià)陽離子和陰離子具有更高的吸收電位,，因此這些離子在根域周圍將更快地被吸收和耗盡,。

為了平衡營養(yǎng)配方，陽離子的總數(shù)必須等于陰離子的總數(shù),。但是某些陽離子（如K+,、Ca2+和Mg2+）會(huì)相互拮抗,，故以適合的比例調(diào)整這些元素含量以確保最佳的作物生長是至關(guān)重要的,。帶有單價(jià)陰離陽子比帶有二價(jià)陰陽離子更易被吸收,。因此，在計(jì)算肥料配方時(shí),，檢查陽離子和陰離子的比例是很重要的,。

銨（NH4+）和鉀（K+）之間也會(huì)發(fā)生拮抗反應(yīng)。在番茄種植生產(chǎn)中,，在前2~3個(gè)花序形成期間,，K和N的吸收比率約為1.2:1，但隨著果實(shí)負(fù)荷的增加,，K和N的吸收比率將增加到約2:1,。為了補(bǔ)償較高K+攝取，有必要增加K+濃度,。

協(xié)同吸收也是存在的,，如硝酸鹽（NO3-）會(huì)提高陽離子的吸收，如K+,、Ca2+和Mg2+,。

通過測量根域內(nèi)的WC、EC和水溫,，種植者可以根據(jù)作物類型,、發(fā)育階段、太陽輻射水平和夜間基質(zhì)回干率等來制定灌溉策略,。為了補(bǔ)充蒸騰過程中減少的基質(zhì)的含水量和EC,，及時(shí)足量灌溉非常重要。每個(gè)灌溉循環(huán)將會(huì)刺激作物的營養(yǎng)生長活性,，并且小而頻繁的灌溉量將增加基質(zhì)WC,。特別是在高蒸騰期這種情況對作物是有益的。灌水循環(huán)周期加長伴隨灌溉量增加會(huì)減少基質(zhì)含水量,，對作物生殖生長有促進(jìn)作用,。

灌溉開始和停止時(shí)間對基質(zhì)含水量有重要影響。早開始和晚停止時(shí)間(黎明后/黃昏之前,，小于±2h)將等同于一個(gè)小的隔夜干回率,，導(dǎo)致作物向營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向。相反的,，晚啟動(dòng)和早停止灌溉,，是造成大的隔夜干回率，將刺激作物向生殖生長轉(zhuǎn)向,。因此,，作物生長可以在特定的灌溉策略中以營養(yǎng)生長或生殖生長的方向進(jìn)行引導(dǎo),。要先蒸騰后灌溉，遵循這一策略將減少某些生理問題的風(fēng)險(xiǎn),，如甜瓜霉菌（膠狀莖枯?。⒛毟〉?。

有效的灌溉策略是必要的,，在最高的太陽輻射期間以最低EC來應(yīng)對（圖5）。當(dāng)使用前期4~6個(gè)灌溉循環(huán)時(shí),，基質(zhì)含水量的變化區(qū)間是4%~6%,。排水應(yīng)從400J/cm2左右或600W/m2左右開始，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間實(shí)現(xiàn)有效排液比關(guān)注24h排液更為關(guān)鍵,。當(dāng)排液不再對營養(yǎng)液更新產(chǎn)生影響或不能降低EC時(shí)稱為偽排液,。一旦達(dá)到排水，灌溉量可以減小到基質(zhì)體積的3%,。這將確?；|(zhì)中保持穩(wěn)定的含水量，并且灌溉周期之間的回干率必須在1%的范圍內(nèi),。當(dāng)在第2階段的灌溉循環(huán)之間產(chǎn)生較小的回干率時(shí),，基質(zhì)水中的溶解氧水平將降低，從而增加根部疾?。ㄈ绺共,。┑目赡苄浴Ｈ绻酶咚疁兀?4℃）灌溉時(shí),，這種風(fēng)險(xiǎn)更為嚴(yán)重,，因?yàn)樗疁卦礁撸芙庋跛皆降汀?/span>

故實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)種植,，灌溉方面必須遵循以下原則：

（1）陰離子和陽離子相互吸引,，它們的總量必須相等，以平衡肥料配方,。

（2）某些元素對彼此具有協(xié)同或拮抗反應(yīng),，并以一定比例吸收。

（3）隨著作物的生長,，定量元素的需求發(fā)生變化,，并相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。

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

（5）水分吸收是由根系活力和蒸騰作用決定的，而調(diào)整結(jié)構(gòu)性灌溉策略將有助于根毛和根系發(fā)育和養(yǎng)分吸收。

（6）灌溉策略可以根據(jù)需要調(diào)整,，用于引導(dǎo)作物在營養(yǎng)生長或生殖生長,。