[科普中國]-類土壤基質(zhì)

類土壤基質(zhì)（Soil-Like Substrate，SLS）是生物再生生命保障系統(tǒng)（BLSS）中用于高等植物生長的類似于地球土壤性質(zhì)的基質(zhì)。該基質(zhì)的制備技術(shù)最早是由俄羅斯研究者M(jìn)anukovsky等（1996）提出的一種處理植物不可食生物量的方法，并將利用小麥秸稈制作得到的SLS進(jìn)行了作物的種植實驗，驗證了麥稈類土壤基質(zhì)用于系統(tǒng)內(nèi)植物栽培的可行性。北航劉紅教授課題組于2004年開始進(jìn)行生物再生式生命保障系統(tǒng)的研究，針對系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的植物不可食部分處理，建立了一系列SLS技術(shù)，并實現(xiàn)了使用SLS進(jìn)行植物栽培，成功研制對秸稈預(yù)處理裝置、蘑菇培養(yǎng)裝置、空間永久基地有機(jī)廢物處理裝置等。通過SLS的處理工藝，植物不可食部分不僅在系統(tǒng)內(nèi)得到處理，并且實現(xiàn)了其資源化利用，真正實現(xiàn)了植物不可食部分在系統(tǒng)內(nèi)的最大閉合性的循環(huán)利用。

SLS制備工藝的發(fā)展早期SLS的制備過程：首先將植物不可食生物量進(jìn)行一定的預(yù)處理，后借助蘑菇等真菌生長進(jìn)行處理，然后再利用蘑菇生長后的剩余基質(zhì)經(jīng)過蚯蚓處理，最終得到的物質(zhì)作為生長基質(zhì)用于高等植物的種植，其工藝流程見圖1。

附注1：P--高等植物種植 M—蘑菇栽培 W—蚯蚓養(yǎng)殖及類土壤基質(zhì)

圖1 植物不可食生物量制備類土壤基質(zhì)流程圖

Fig.1 SLS regenerated from plant inedible biomass

該SLS制備技術(shù)工藝單一，秸稈均需要經(jīng)過真菌(蘑菇)處理后，再進(jìn)行蚯蚓處理轉(zhuǎn)化為SLS。由于真菌(蘑菇)處理，需要經(jīng)過較長的時間才能完成，這無疑增加了基質(zhì)制備的工藝周期，而且系統(tǒng)內(nèi)獲得的SLS都經(jīng)過蘑菇處理階段，勢必會產(chǎn)生超過系統(tǒng)需求的蘑菇，這些過量蘑菇的處理又成為一個新的問題。

為了充分發(fā)揮類土壤基質(zhì)技術(shù)的優(yōu)越性，克服上述不足，尋找制備類土壤基質(zhì)技術(shù)的多種工藝，縮短工藝周期，并比較篩選出較優(yōu)工藝。劉紅團(tuán)隊對這項工藝做了優(yōu)化，同時對利用最佳工藝獲得SLS進(jìn)行了密閉氣體試驗。得到最佳工藝，即經(jīng)60℃恒溫好氧發(fā)酵1d，45℃恒溫好氧發(fā)酵2d后，不經(jīng)過真菌處理階段而直接進(jìn)入蚯蚓生物反應(yīng)器中處理而得到的SLS。與傳統(tǒng)工藝相比，雖然基質(zhì)轉(zhuǎn)化率與粗纖維降解率比傳統(tǒng)工藝的略低，但制備周期縮短了30天，基質(zhì)中有效N、P、K元素含量更高，更有利于植物種植。

在上述已優(yōu)化的工藝基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高基質(zhì)轉(zhuǎn)化率，劉紅團(tuán)隊對工藝?yán)^續(xù)優(yōu)化，得到一種新的優(yōu)化工藝：將粉碎后的秸稈經(jīng)過35℃恒溫好氧發(fā)酵1 d，60℃好氧發(fā)酵6 d，30℃發(fā)酵3 d，隨后在蚯蚓和微生物的作用下連續(xù)處理70 d?？偺幚碇芷?0 d，較上述邢一東等人研究的工藝縮短了13 d。用改進(jìn)后的工藝處理秸稈，干物質(zhì)減重達(dá)到81.10%，較原工藝提高了24.77%。

SLS的評價標(biāo)準(zhǔn)類土壤基質(zhì)作為土壤的評價是對用于植物種植過程中作物生長發(fā)育和生產(chǎn)力的直接反映和影響。類土壤基質(zhì)用于植物生長的影響因素大致分為兩類。一類是類土壤基質(zhì)的限制因素，主要是指影響水汽協(xié)調(diào)和根系延伸的土壤水分物理因素及化學(xué)障礙因素。其中物理因素包括類土壤基質(zhì)的保水能力、質(zhì)地、容重、非毛管孔隙度等。化學(xué)障礙因素包括類土壤基質(zhì)的pH、含鹽量等。類土壤基質(zhì)另外一方面是其養(yǎng)分因素，主要是指與作物生長關(guān)系密切的各種養(yǎng)分元素的全量及有效性養(yǎng)分，主要包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、硝態(tài)氮、有效磷、有效鉀、交換性鈣等，此外還包括一些微量元素如有效銅、鐵、錳、硼等。

類土壤基質(zhì)作為從有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化而來的產(chǎn)物，其評價還應(yīng)當(dāng)借鑒有機(jī)肥料的評價標(biāo)準(zhǔn)。未經(jīng)腐熟的類土壤基質(zhì)可能微生物較高，在一段時間內(nèi)可能造成潛在的氧缺失和間接毒性。類土壤基質(zhì)的腐熟性可通過化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)來表征，其中化學(xué)指標(biāo)包括揮發(fā)性固體（有機(jī)質(zhì)或全碳）含量、生物需氧量、pH、腐殖物質(zhì)的變化（如腐殖酸等）、C/N等。而種子的發(fā)芽率是評價基質(zhì)是否腐熟的一個重要生物指標(biāo)，此外，植物在類土壤基質(zhì)中生長時根系的毒害性也是反映腐熟性的另一生物指標(biāo)。

SLS技術(shù)在月宮一號中的應(yīng)用“月宮一號”是北京航空航天大學(xué)建立的空間基地生命保障人工閉合生態(tài)系統(tǒng)地基綜合實驗裝置。在月宮一號中，植物不可食用生物量（如秸稈）與人的糞便及食物殘渣等廢物一起，采用生物技術(shù)處理制備SLS，將循環(huán)用于植物栽培。

擴(kuò)展閱讀[1] 劉紅, Gitelson I. I., 胡恩柱, 等. 生物再生生命保障系統(tǒng)理論與技術(shù). 科學(xué)出版社. 2009，110-123

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉紅 - 教授 - 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院