温室草莓双生产周期替代性木质纤维、生物炭与堆肥绿废基质配方的农艺性能与可持续性研究

《Frontiers in Horticulture》：Alternative wood fiber, biochar, and composted green waste growing media formulations for glasshouse strawberry (Fragaria X ananassa) production over two production cycles

本综述系统评估了以木质纤维（Wood Fiber）为核心，结合生物炭（Biochar）、堆肥绿废（Composted Green Waste, CGW）等本土化原料的温室草莓栽培基质配方。研究通过双生产周期实验，证实这些替代性基质在草莓产量（Class 1/Class 2分级）、生物量及叶绿素（Chlorophyll）含量上与传统椰糠（Coir）无显著差异，但部分配方存在果实尺寸减小及磷（P）、钙（Ca）吸收差异。结果揭示了替代基质在促进农业循环经济（Circular Economy）、减少泥炭（Peat）依赖方面的潜力，同时指出需通过灌溉（Irrigation）和施肥（Fertigation）优化解决根区营养动态复杂性。

　　

引言

草莓保护地生产（如聚乙烯隧道或玻璃温室）是爱尔兰软果产业的核心，年产值超过5000万欧元。几乎所有的爱尔兰草莓生产均在保护条件下的栽培基质中进行，年产量超过8000吨，需消耗约20,317–35,555立方米基质，主要依赖从亚洲进口的椰糠（Coir）。全球市场的不稳定性及循环经济导向促使评估本地资源作为椰糠替代品的潜力。据估算，爱尔兰可利用的生物资源包括森林资源（约489千立方米）、作物残茬（约790千立方米）、堆肥绿废（约201千立方米）和蘑菇废料（约274千立方米），这些资源经加工（纤维化、堆肥或生物炭化）后有望成为草莓栽培的替代基质。

除环境可持续性外，木质纤维等生物资源还具农艺优势：其亲水性改善基质的再润湿性和保水性；可能抑制病害（如立枯病）；松木纤维的低阳离子交换能力（CEC）和弱pH缓冲性为与高CEC材料（如生物炭、堆肥）混合提供机会。现有关于生物炭基质的研究多限于小盆钵（≤3升）及低添加比例（约10%体积比），且缺乏多周期重复利用的评估，而实际生产中椰糠常被重复使用以节约成本。基质重复使用的主要挑战包括盐分积累、病原微生物侵染及基质理化性质变化。因此，评估本地木质纤维和堆肥绿废在半商业化保护地设置中支持草莓生长及多周期产量的能力至关重要。

材料与方法

实验设置与管理

处理包括三种商业基质（椰糠-珍珠岩混合90CO、泥炭100PT、岩棉100RW）和十一种由木质纤维、生物炭（三种类型）、堆肥绿废（两种类型）及树皮（两种类型）配制的配方，其中 quarry filter-cake（一种类型）以20%比例添加。非商业处理手工混合，体积比例基于实验室压实容重确定。所有基质初始未调pH或施肥，以评估其与pH 5.5肥灌溶液的相互作用及对草莓农艺响应的影响。 industry standard 90CO作为实验对照。

生长试验在加热玻璃温室中进行，采用悬挂式桌栽系统。温室最低温度设定为昼间10°C、夜间8°C，通风口开启温度为16°C。处理按随机完全区组设计排列，第一和第二生产周期分别设8和5次重复。每小区为8升槽（种植6株草莓插苗，密度约12株/线性米），品种为六月结实的Malling Centenary。第二周期使用新植株材料。

肥灌通过压力补偿滴头（2升/小时）供给，以90CO为基准手动控制，目标排水率为20%径流。Dosatron注射系统输送由Solufeed?特种肥料（硝酸钙、Solufeed Non-Stop mix?、Solupotasse?）配制的肥液。营养生长阶段肥液（1%稀释）提供养分（毫摩尔/升）：10.69 NO₃-N、1.72 NH₄-N、1.30 P、5.32 K、1.27 Mg、4.50 Ca、1.15 S及微量元素（EC 2080 μS/cm，pH 5.5）。EC在最初两周设为800–1000 μS/cm，之后调整为1500 μS/cm直至初花。开花期肥液调整为：8.744 NO₃-N、1.37 NH₄-N、1.06 P、6.50 K、1.0819 Mg、3.7874 Ca、0.0157 B、0.0020 Cu、0.0235 Fe、0.0118 Mn、0.0013 Mo、0.00795 Zn和2.06 S（EC 1980 μS/cm，pH 5.5）。

数据收集

基质pH、电导率（EC）、颗粒分布、体积与重量含水量

potting时分析所有处理的实验室压实容重（BD）、EC和pH。BD通过25毫米孔径筛筛分新鲜基质至1升测试容器测定，并转换为干基。pH和EC分析采用新鲜样品以1:5（v/v）比例在去离子水中振荡一小时后测定。另部分样品冷藏至后续分析，用于颗粒分布（使用1、2、4、8、16毫米筛）测定。

生产周期中基质体积含水量使用WET150传感器原位测量，于果实形成和膨大阶段灌溉前读取干涸值（%体积比）。每槽取三次介电常数（ε）读数并平均，通过各处理独立校准曲线转换为体积含水量。校准通过向250毫升烘干样品 incremental加水并测量ε实现。每周期结束后，从各处理槽取约250毫升样品混合成复合样，分析BD、EC、pH和重量含水量（75°C烘干至恒重）。

草莓叶绿素、浆果产量、生物量与养分吸收

叶绿素浓度使用SPAD-502计在开花、果实形成、膨大和成熟期测量。每次在中间行选择三个重复小区避免边际效应，每槽随机选取六片新展开叶测量。

完好草莓果实于完全成熟（>90%红）时采收，计数并称重。单果重>10克为Class 1，<10克为Class 2。每周期完成十次采收，2023年历时22天（7月），2024年历时28天（5月末至6月初）。定期去除匍匐茎。

最终采后收集地上部生物量，75°C烘干至恒重后称重并研磨至<1毫米用于化学分析。0.25克样品用10毫升浓硝酸（69%）微波消解，稀释至50毫升后通过ICP-OES（Agilent 5100）分析P、Ca、Mg、K、Na、Mn、Zn含量。

养分吸收按公式计算：养分吸收（毫克/株）=（养分含量% × 生物量产量毫克/株）/100。

统计分析

使用IBM SPSS Statistics（版本29.0.1.0）进行。每周期果实产量和地上部生物量数据经Shapiro-Wilk和Levene检验评估正态性和方差齐性。Class 1和总产量数据符合正态分布且方差齐（p > 0.05），显著差异时使用Tukey’s HSD进行均值分离。各周期植物养分吸收、草莓生长评估和基质特性的 pooled 数据通过Spearman等级相关检验分析相关性。

结果

基质性质

容重、EC、pH与颗粒分布

除20QFC外，所有基质<1毫米颗粒质量占比低于67%。20QFC的 quarry filter-cake 组分主要为细颗粒，导致该处理89.7%重量比颗粒<1毫米。20BC3和40BC3处理细颗粒（<1毫米）含量低（<20%重量比）。第一周期初，基质BD、pH和EC差异显著（P < 0.001）。商业材料（90CO、100PT）、树皮混合（50CBK、50FBK）和20QFC的pH处于或接近草莓根系生长最适范围（pH 5.5–6.5）。所有含BC2、BC3及50CGW1的处理呈高碱性（pH > 8）。40BC2、20BC3、40BC3、50CGW1和50CGW2的EC显著高于90CO。第一周期后，含BC1、BC2、BC3的处理pH分别降低 up to 1.3、2.4和1.6点。BC1处理EC增加（ up to 349 μS/cm），而BC2和BC3处理EC变化不明显。第一周期后，除20QFC外所有基质EC与90CO相当。

生产周期中体积含水量

灌溉前体积含水量在两年果实形成阶段及第二年膨大阶段差异显著（P < 0.05）。第一周期体积含水量范围31.5–47.9%，第二周期12.4–40.0%。第一周期果实形成阶段，40BC1和20BC1槽体积含水量最低，显著低于90CO、100PT、100RW、20BC2和20QFC。与90CO相比，20BC1、40BC1和40BC3体积含水量减少28–34%，其余处理与90CO相似。第二周期果实形成阶段，仅20BC3槽体积含水量显著减少（比90CO低44%）。第二周期膨大阶段，90CO与其余处理体积含水量无显著差异，但20BC3显著低于100PT和20BC2。

草莓叶绿素含量

两生产周期中，果实形成、膨大和成熟期所有基质SPAD值无显著差异（P > 0.05）。但第二周期开花期，20QFC植株叶绿素指数最高，显著高于90CO，其余基质与90CO相似。

草莓市场果实产量与地上部生物量

单株总市场产量第一周期190–221克，第二周期194–229克。两周期中，各基质总产量与90CO相比变化-12.7–4.4%，无统计差异。Class 1和Class 2产量趋势类似。产量低于商业预期， even within commercial blends。

单株浆果数趋势与总产量类似，无显著差异。但平均浆果大小随基质类型显著变化。2023年，50CGW2、20BC3、40BC3和20QFC浆果显著小于90CO对照。2024年，这些基质数值上小于90CO但统计不显著。地上部生物量仅第二周期差异显著，20QFC混合生物量显著低于90CO，其余与90CO相似。

选定养分含量与吸收

地上部生物量元素含量在第一周期P、Ca、Mg、Na、Mn、Zn和第二周期P、K、Mg、Mn差异显著。

第一周期，20QFC植株P吸收最低，Ca吸收低，均显著低于90CO和50FBK。50FBK植株P和Ca吸收最高，但与90CO差异不显著（数值变化<2%）。其余基质Ca吸收与90CO无显著差异，除40BC3。40BC3植株Ca、Mg、Na、Mn、Zn吸收均显著低于90CO。但同期相同混合比例的其他生物炭（40BC1、40BC2）P、Mg、Na、Mn、Zn吸收高于或类似于90CO。20BC2和40BC2植株Mn吸收比90CO高至少75%。所有20%生物炭基质（20BC1、20BC2、20BC3）P、Ca、Na、Mn、Zn吸收与90CO相似。

第二周期，元素吸收仅P和Mn差异显著。20QFC植株P吸收最低，显著低于90CO（减少25%）。与90CO相比，仅20QFC、20BC3和40BC3槽植株P吸收显著减少（减少18.8–24.7%）。Mn吸收方面，20BC3、40BC3、20BC1、50CGW1和50CGW2显著减少至少27%。

平均浆果大小和Mn吸收与果实形成阶段基质体积含水量呈正相关。基质pH和EC与平均浆果大小、Mg吸收和Zn吸收负相关（除第二周期pH与浆果大小相关不显著）。基质容重与平均浆果大小、P吸收、Ca吸收、Mg吸收和Zn吸收负相关。

讨论

基质性质

所有含生物炭和绿废的处理初始pH高于草莓根系生长最适范围（pH 5.5–6.5）。BC2和BC3处理比BC1更碱性，揭示生物炭差异。生物炭提高pH的程度（石灰值）与灰分含量相关，后者取决于热解条件（ feedstock 类型、温度、停留时间）。20BC3和40BC3的pH（8.3和9）与橄榄石生物炭（450–500°C制备）的典型pH 8–9一致。基质初始未调pH以评估其缓冲性和变化及其对草莓农艺响应的影响。含生物炭和堆肥绿废的处理第一周期后pH下降，表明碱性离子被植物吸收或淋失。但BC2和BC3处理EC变化最小，提示碱性阳离子置换可能是第三因素。与泥炭相比，生物炭改良基质可能通过吸附导致Fe、Mn、Ca、K、P greater accumulation。BC1和QW处理第一周期后EC增加，表明离子积累多于淋失。CGW处理EC减少表明显著淋失和/或植物吸收。尽管一些处理EC增加，但所有基质EC保持低于600 μS/cm。根区EC <1000 μS/cm允许调整肥液（1200–2000 μS/cm）而保持在草莓EC总和‘安全’范围（≤3400 μS/cm – 根区 + 肥液）。

100PT、50CBK和50FBK的pH变化最小（<0.1），可能因其高pH缓冲能力。树皮通常比泥炭具更高缓冲能力（对酸和碱）。缓冲能力传统通过酸/碱滴定测量，近期提出更适应基质的简便方法。使用pH响应曲线可计算每基质组分升高或降低一pH点所需的H⁺或OH^-量（毫当量每pH单位）。这些计算对基质配方pH调整至关重要，需考虑混合比例、缓冲能力、目标pH和pH调节材料类型。在酸化改良剂方面，元素硫比硫酸亚铁更优，因后者虽快速降低pH但120天内不持久。

20BC3处理第二周期果实形成和膨大阶段体积含水量持续低于40BC3（36–46.5%），尽管两者颗粒分布相似。可能原因包括20BC3介质孔道网络较差。基质颗粒尺寸和形状的高多样性改善孔道网络水合效能。不同材料持水能力（WHC）存在差异，如木质纤维比泥炭存储较少可用水，生物炭WHC因其亲/疏水性及颗粒尺寸和多样性而高度可变。本研究灌溉设置基于椰糠，因此需进一步灌溉适应考虑这些配方的持水能力。

通常在椰糠介质 achieve 20%体积排水率会导致灌溉后体积含水量约55–65%（接近其持水能力）。本研究测量的体积含水量为灌溉间干涸期，由植物吸水（受蒸散、植株长势和阶段影响）和基质直接蒸发导致。一些研究者推荐 perlite/树皮介质（1:1体积比）使用传感器自动灌溉系统时15–22.5%体积比干涸阈值为草莓高产和资源利用效率最优。但椰糠中持续体积含水量≤30%体积比的 deficit irrigation 可能导致约30%产量 trade-offs。因此，干涸阈值可设低于30%体积比，但不鼓励持续维持该水平。

假设持水能力40%体积比（椰糠60%体积比），灌溉适应至少增加频率33%。若采用20%体积比干涸阈值，灌溉频率将增加3倍（但 volume 3倍减少）。此类灌溉适应验证需生长实验。

草莓生物量与浆果产量

总市场产量两生长周期一致（190–229克/株）。所获产量在欧洲类似设置报道范围内（椰糠cv. Malling Centenary 200克/株、泥炭cv. Patty 249克/株、椰糠cv. Elsanta 142克/株、泥炭cv. Elsanta 217克/株、椰糠cv. Malling Centenary 325克/株）。这与挪威（泥炭cv. Malling Centenary 500克/株）和爱尔兰（cv. Malling Centenary 675克/株）报道的更高产量水平 contrast。本研究每周期采收期30天，而非84–90天采收的研究（利用植株 ever-bearing 特性）。例如，若将报道产量限制在采收初四周，椰糠累计产量250和263克/株与本研究所获范围一致。

各基质总产量无显著差异与先前研究结果类似，其中草莓生长于椰糠、泥炭和木质纤维+堆肥混合（ up to 75%木质纤维）。果实产量结果表明利用本地材料作为草莓生产替代基质潜力良好。但需进一步研究延长采收期利用Malling centenary品种的 ever-bearing 特性。

第一周期50CGW2、20BC3、40BC3和20QFC浆果显著小于90CO对照，可能因各基质混合内多种 varying 因素/机制。20BC3和40BC3基质高pH（8.3–9）可能导致P固定（体现为植株P吸收减少）。相同生物炭基质开花期较低含水量可能是另一关键因素。减少的P吸收可能发生在作物营养早期阶段，随植株生长和 observed pH变化 resolve。20QFC的低浆果大小可能因 quarry filter-cake 的高阴离子保留特性使P不易利用，尽管理想pH（5.5）。50CGW2的低浆果大小可能因高盐含量（Cl^-和Na⁺），该处理初始EC最高（650 μS/cm）。但未评估基质Na⁺和Cl^-含量是本研究局限。

草莓叶绿素指数与养分吸收

SPAD值与提取叶绿素含量直接线性相关，并与草莓果实品质（酚或花青素含量）相关。低叶绿素含量通常由N/Fe/Mg缺乏导致。Fe和/或Mg缺乏可能源于盐胁迫、盐分失衡和/或基质高pH。草莓上的盐和碱胁迫（高Na、Cl^-和CO₃^2-）导致SPAD叶绿素指数降低。N/Fe/Mg营养和/或盐/碱胁迫可能非影响光合活性的问题，体现为果实形成、膨大和成熟期90CO与其余处理SPAD值无显著差异。该结果可能因供给植物的Mg、Ca、K known 缓解盐/碱胁迫。其他研究报道草莓生长于泥炭、椰糠、perlite和tuff基质时叶绿素指数类似无显著。

草莓选定养分最适叶含量报道范围：0.25–0.6% P、1.5–2.5% K、0.7–2% Ca、0.5–0.5% Mg、25–200 mg Mn/kg、20–50 mg Zn/kg（果实形成阶段养分需求最高时采叶）。本研究中生物量样品采后收集（养分需求非峰值但仍充足以检测缺乏）。植物Mg、N、P、Fe吸收峰值在营养生长阶段，K吸收峰值在开花和果实成熟阶段。分析的地上部生物量通常构成草莓植株总生物量约35%，且植株吸收的至少50% N、P、K通过果实移除。玻璃温室草莓P、Ca、K、Mg含量类似报道（使用各种椰糠、泥炭和火山凝灰岩基质混合）。

基质pH和EC与平均浆果大小、Mg吸收和Zn吸收负相关，因高pH导致Zn固定，高EC减少植物Mg和Zn吸收。减少的Mg和Zn吸收可能导致低浆果大小。例如，Zn缺乏 known 减少草莓坐果和果实尺寸，减少Mg吸收影响光合能力（Mg对叶绿素 essential）。但Mg缺乏可能通过SPAD指数测量为叶绿素含量减少捕捉。SPAD值无差异因此提示Zn吸收影响远大于Mg吸收。基质容重与平均浆果大小、P吸收、Ca吸收、Mg吸收和Zn吸收负相关，因较高容重物理限制根系生长，从而限制植物养分吸收（根际面积减少）。

配方替代基质的养分适应可由基质生产商完成；此类情况缓释肥最合适。这些缓释肥允许养分更长时期可用，避免储存和运输期间固定。类似地，种植者需施用 maintenance 养分，但使用立即植物可用的不同肥料保持最适水平。

研究局限与未来方向

本研究主要局限缺乏各基质灌溉优化。需 note 这些新配方最适灌溉尚未建立，本研究提供使用椰糠/泥炭开发方法的首条基线。确定各配方最适灌溉计划是必要下一步。灌溉和施肥优化代表主要独立实验，其中灌溉频率和持续时间可在 multiple 水平变化。此类研究可能通过较小盆钵设置而非本研究的半商业化试验实现。

另一局限是测试堆肥绿废的有限变异性。虽测试的堆肥绿废来自爱尔兰两大供应商，但这仅代表约5%总堆肥设施。堆肥绿废因 feedstock 变异性影响季节批次线而 known 性质化学属性变化。作为起点，本研究显示不同供应商堆肥绿废 properties 和农艺潜力差异。因此推荐未来研究采用多设施/供应商堆肥绿废。

应探索基质材料/配方的预处理，例如淋洗或交换堆肥绿废和生物炭等材料中的阳离子以降低EC、pH和平衡养分。未来研究应包括更长种植周期的 ever-bearer 品种、多生产周期 with 营养阶段早期监测农艺响应（叶片采样分析、SPAD测量）。还需评估使用新配方时的病害和害虫发生率/流行度。推荐对潜在基质进行果实品质和肥灌优化评估。

结论

测试的基质配方支持草莓生长和产量类似于椰糠，且跨越两生产周期。测试配方作为替代介质潜力良好，需 minor 适应。这些适应包括pH和灌溉策略适应以获得可比于椰糠的结果。 observed 浆果产量两周期一致性提示一些测试处理可能重复使用于第二周期而无产量减少。但重复使用基质时 harboring 植物害虫/病原体的挑战应同样评估。通过进一步优化研究，木质纤维基配方与生物炭或堆肥树皮可能减少草莓产业35,555立方米椰糠基质需求。