聚氨酯泡沫作为无土栽培介质：凸显物理性能优化的重要性

《Frontiers in Horticulture》：Polyurethane foam as a soilless growing media: demonstrating the importance of physical property optimisation

本研究通过合成10种不同物理性质的聚脲酯泡沫（PUF），测试其在番茄、生菜和羽衣甘蓝上的发芽和生长表现，并评估其对Pythium病害的抑制作用。结果表明，部分PUF泡沫在番茄和生菜生长中表现优于矿物棉，同时所有泡沫均有效抑制Pythium感染。研究证实，优化PUF的物理性质（如孔隙结构、水保持特性）可适应不同作物和栽培系统需求，为开发定制化无土基质提供依据。

　　随着全球土壤退化问题日益严重以及气候变化导致的天气模式不确定性增加，传统农业实践正面临前所未有的挑战。为了应对这些挑战，水培和无土栽培作为一种受控环境农业（CEA）技术，正在成为一种极具潜力的作物生产方式。无土栽培不仅能够规避土壤退化和环境变化带来的限制，还能够有效管理土壤传播病原体的积累，尤其是在密集单一种植系统中。随着全球范围内对土壤熏蒸剂（如甲基溴）的逐步淘汰，促使种植者转向无土栽培以确保作物健康和稳定产量。无土栽培系统中，无土种植基质作为核心支撑材料，直接决定了植物的健康状况和产量。它不仅为植物提供物理支撑，还促进通气、保持关键水分并输送营养到植物根部。关键的物理属性如持水能力、通气性、孔隙率、表观密度和排水性共同决定了基质的适用性。

研究发现，不同植物种类对种植基质的物理特性有不同的需求，尤其是持水能力和通气性。此外，种植基质的选择也会根据所采用的水培系统类型而变化。例如，叶菜类作物可能更适应轻质且通气良好的基质，而结果类作物则可能需要具有较高持水能力的基质。对于特定水培系统，如营养液膜技术（NFT）系统，可能需要具有良好持水能力的基质，而深水栽培系统则可能更适合轻质且促进氧气供应的基质。因此，开发一种基于单一材料的种植基质平台，允许研究人员对物理特性进行精确调整，将有助于系统地研究和优化不同植物和系统的种植条件，从而提高作物产量和质量。

聚氨酯泡沫（PUF）作为一种多功能的固体聚合物泡沫，已经在园艺领域得到广泛应用。最早的关于其在无土栽培中应用的专利可追溯至1976年。早期的研究多使用来自其他工业的PUF材料，这些材料并未专门设计用于园艺用途。然而，近年来的研究往往与聚氨酯制造商合作，致力于开发专门的泡沫配方，以匹配甚至超越现有合成基质（如矿渣棉）的性能。值得注意的是，PUF基质具有可重复使用的潜力，其使用寿命可达10年甚至更长。此外，PUF在多次种植周期中还能通过根系残留的有机质提升持水能力。即使未经过优化的PUF材料，如回收的床垫，也已被用于NFT系统中。目前，聚氨酯泡沫插头已成为溶液培养系统中常用的植物支撑材料，显示出其在无土栽培中的特定和广泛的应用。

PUF的结构可变性使其成为研究植物与基质相互作用的理想平台。通过调整聚醚、异氰酸酯、催化剂、表面活性剂和发泡剂的比例，可以在制造过程中控制泡沫的细胞大小和整体孔隙结构。聚醚和异氰酸酯构成了泡沫的基础，它们的化学结构会影响聚合物的疏水性。催化剂和表面活性剂则影响反应速率，改变气泡形成的速度，而表面活性剂有助于稳定气泡，影响最终的细胞大小和开放细胞比例。发泡剂则影响气体形成量以及最终的细胞形态。设计实验（DoE）技术已被成功应用于生成具有广泛物理特性的聚氨酯泡沫，通过系统地改变催化剂、表面活性剂和添加剂的比例。这些实验方法还使研究人员能够建模泡沫物理特性与植物生长之间的复杂关系。

除了提供对植物与基质相互作用的见解，本研究还提供了一个机会，探讨无土栽培成功的关键因素之一：病害管理。为了减少无土栽培系统中的病害风险，应首先采取预防措施，但确保病害抑制的根系环境也会对作物健康起到重要作用。例如，由镰刀菌引起的立枯病是无土栽培中常见的病害之一，尤其是在幼苗阶段，这种病害会导致显著的产量损失。番茄种植中，镰刀菌会引起种子腐烂以及苗期和苗后立枯病。研究发现，物理特性会影响镰刀菌病害的严重程度，具有高持水能力的基质可能有利于镰刀菌游动孢子的生存和传播，而通气良好的基质则可能通过物理阻隔作用减少病原体的扩散，并促进更健康的根系，使其更能抵抗镰刀菌感染。因此，本研究中描述的PUF系统成为测试这一假设的理想平台，通过隔离持水率和孔隙率等物理特性对镰刀菌病害进展的影响。

本研究的目的是确定，通过调整PUF的特定物理特性（如密度、细胞大小、开放细胞比例和吸水性），PUF种植基质是否可以用于展示优化无土栽培基质物理特性的重要性，以适应不同作物和水培系统的需求。为实现这一目标，研究团队开发了十种具有不同物理特性的PUF配方，并进行了发芽和生长试验。此外，还通过接种镰刀菌，评估这些基质对病害易感性的影响。研究发现，其中四种PUF配方在发芽试验中表现不佳，被排除在进一步测试之外。其余六种配方在小规模生长试验中表现与矿渣棉相当。在后续的试验中，三种表现最佳的PUF配方（F04、F07和F08）被用于进一步评估其在不同水培系统中的表现，包括营养液膜技术（NFT）系统和滴灌系统。结果显示，F04和F08在番茄滴灌系统中表现优于矿渣棉，而F08在生菜试验中表现不如矿渣棉。对于芥菜，所有三种PUF配方与矿渣棉相比，其产量没有显著差异，但生长初期可能受到基质结构的影响，导致幼苗生长延迟。

此外，研究还发现，PUF基质能够有效抑制镰刀菌的感染。在番茄种植中，矿渣棉对照组的幼苗在接种镰刀菌后，其子叶的出现率显著下降，而三种PUF基质的幼苗在接种后表现出较少的变化。这一发现表明，PUF基质可能通过其物理结构和表面特性减少镰刀菌的传播和感染。然而，进一步的研究需要探索这种病害抑制的具体机制，包括微生物与泡沫基质的相互作用，以便更好地利用PUF作为模型基质进行涉及生物因素的实验，如病原体筛选或有益微生物的应用。

综上所述，本研究证明了单一种植基质配方并不适用于所有作物和水培系统。同时，它展示了PUF作为开发定制化种植基质平台的潜力，使研究人员能够识别特定作物和系统所需的物理特性。此外，研究还强调了无土栽培基质开发的更广泛市场背景和可持续性挑战。目前研究中使用的PUF是基于石油的，这可能面临来自零售商和消费者对生物基或可降解材料的偏好。因此，下一步研究应探索开发生物基和可降解的替代材料，通过替换化石燃料基试剂并添加特定的降解位点，结合本研究中展示的可定制物理特性，以显著改善环境影响，使这项技术与园艺行业未来的可持续发展目标相契合。