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用有機基質代替岩棉被認為可以減少對環境的影響，例如，通過在生產過程中節約能源和防止水培作物造成的浪費。
適合植物生產的基質的特徵是空氣和充滿水的孔隙的最佳組成。在我們的研究中，我們使用大麻纖維作為岩棉的有機替代品，在水培中培養番茄植株36周。葉面積、株長、產量以及果實品質(包括可溶性固形物含量、乾重含量、礦物質組成和兩種基質引起的酚類化合物含量)相似。
在一些測量日期，類胡蘿蔔素在大麻植物生長的果實中顯著增加。然而，大麻纖維在使用過程中產生的N₂O、CO₂、CH4等溫室氣體的排放率高於岩棉，這對環境是非常不利的。
雖然大麻在某些物理性質(總孔隙體積，體積密度)方面被證明是一種合適的基質，但必須考慮到空氣體積較小，容易獲得水以及非常快速的微生物分解和相關的高氮固定化是缺點。
一、水培番茄必要性及影響因素
到2050年，世界人口將從73億增長到96億，這將減少全球範圍內可用於種植糧食的土地數量。這將伴隨著城市化進程的加快(66%的人口將居住在大城市)。
一般而言，人口增長也增加了人為溫室氣體(GHG)排放總量，目前其中23%來自農業部門。然而，在未來，農業部門的溫室氣體排放份額將繼續向受保護的溫室生產轉移。精確的氣候控制可以減少植物病害，提高產品質量，這導致了溫室面積的增加，其中溫室大多被定義為永久性結構，不包括隧道，排蓋等。
這些溫室結構在工業化國家很常見，在世界範圍內占地497,815公頃，用於生產蔬菜。不幸的是，由於溫室的定義，無法估計中國使用的溫室面積。據報導，2004年該地區覆蓋塑料薄膜的溫室面積(包括覆蓋的露天植被田)為250萬公頃。
從能源的角度來看，溫室生產造成了非常高的CO₂排放，這是由於許多地方的植物需要加熱能量。據估計，僅升溫1攝氏度就會使CO₂排放量增加100tha-1。此外，在生長介質生產過程中，由於能量輸入而產生的CO₂排放不可忽略。在集約化水培蔬菜生產中，在生產年度結束時產生大量的基質殘留物。
例如，岩棉是許多園藝生產者首選的生長介質。每年每公頃番茄生產可產生多達150立方米的基質殘留物。如果考慮到2021年德國在玻璃或其他可步行保護罩下種植的番茄、黃瓜和辣椒的整個種植面積(758公頃)上使用岩棉，那麼每年必須處理的岩棉基材殘留物將達到113,700立方米。此外，生產一立方米岩棉需要平均275千瓦時的一次能源需求，167公斤的二氧化碳被釋放到環境中。
雖然岩棉幾乎是水培系統的完美生長介質，但必須找到替代的環保有機基質，以關閉循環經濟並減少對環境的影響。
在長達330天的長時間內使用有機基質，特別是在水培中密集栽培番茄時，保持這些最佳物理特性是具有挑戰性的，因為有機基質會因高微生物活性而降解。一方面，這意味著額外的碳輸入，結合營養液中豐富的礦物氮的施用，可以促進反硝化細菌的生長。
反過來，這意味著反硝化過程產生了大量的氧化亞氮(N₂O)排放，例如使用有機種植袋時，因為氮通常以的形式在水培系統中供應。
由於反硝化過程在很大程度上取決於C源的質量，並且可以通過降低的氧(O₂)濃度來補充，因此這種效應在不同的有機基質之間可能會有所不同。在嚴格的厭氧條件下，有機基質也可能排放甲烷(CH4)，但通常與水培無關。
另一方面，高分解過程也會對根區水分和養分供應以及植物穩定性產生負面影響，進而對產量、乾物質和果實品質特徵(如可溶性固溶體含量(SSC))產生負面影響。基於這些事實，對許多有機基質作為水培蔬菜生產的適宜性進行了試驗。例如，與使用岩棉相比，使用椰子纖維、樹皮或稻殼不會引起番茄植株生長、產量和SSC的變化。
相比之下，使用杏仁殼作為生長介質可以增加番茄中的SSC，而將這種基質與岩棉進行比較時，番茄產量沒有差異。其他研究小組將有機基質與無機基質或不同的有機基質結合起來，與暴露在岩棉中的番茄植株相比，獲得了相同的番茄產量。
其中，使用以下混合物:泥炭和堆肥樹皮(66.6%:33.4%，v/v)，海泡石和鉛輝石(97%:3%，v/v)，過篩浮石和泥炭(85%:15%，v/v)，海泡石和珍珠岩(80%:20%，v/v)，以及珍珠岩和泥炭(85%:15%，v/v)。一些以木材為基礎的基材，雖然不是全部，似乎也有希望替代岩棉。
白雲杉和冷杉樹皮(40%:60%，v/v)在溫室番茄生產中表現出很高的潛力，而由新鮮白雲杉和冷杉鋸末(40%:60%，v/v)或白雲杉和冷杉刨花(40%:60%，v/v)組成的基質生產的番茄產量低於岩棉。這可能是由於樹皮中的酚類物質具有植物毒性作用。
基於對在水培系統中使用有機基質的可能優點和缺點的簡要概述，很明顯不是所有的有機基質都可以用於集約化蔬菜生產，因此必須尋求岩棉的進一步替代品。關於不同生長介質對溫室氣體排放影響的研究很少。
此外，在水培系統中，對不同基質作為生長介質的次生代謝物合成的研究還存在缺陷。因此，本研究的重點是評價大麻纖維袋作為岩棉在番茄集約化生產中的替代基質。本研究的主要目的是分析使用過的可再生麻纖維袋與岩棉袋的物理性質，以了解其保水曲線的差異以及使用麻纖維袋可能存在的缺點。
由於大麻纖維的礦化可以導致微生物生物量中氮的固定，而這些氮可能無法為植物所利用，因此對氮固定化進行了研究。由於我們假設有機基質在蔬菜生產過程中通過分解產生溫室氣體排放，我們通過氣體通量測量評估了細菌在水培番茄栽培中對大麻纖維的降解如何影響N₂O-，CO₂-和ch4的直接排放。
除了這些研究參數外，還研究了葉片面積、產量發育以及葉片和果實中的礦物質組成。後一種特徵應該為有機基質中的氮固定化是否會導致植物的營養供應瓶頸提供信息。在此基礎上，對番茄果實的SSC、乾物質、類胡蘿蔔素、類黃酮和酚酸進行了分析。我們假設溫室氣體排放可能導致番茄次生代謝物的變化。
二、結果與討論
1、番茄果實的SSC與乾物質含量
除礦物質含量外，還測定了番茄果實的可溶性糖含量(SSC)和乾物質含量。結果如表4所示。在所有測量日期，不同培養基的果實在SSC和乾物質含量這兩個參數上沒有發現差異。果實幹重由高達60%的還原糖和有機酸組成，使果實幹重成為番茄重要的品質參數。在我們的研究中，乾物質含量在4.7-9.1%之間，因此在已經發表的數值範圍內。
SSC值範圍為5.1-7.1g100g−1FM，SSC和乾物質含量似乎受測量日期的影響大於受基質的影響，並且在栽培期間呈下降趨勢。乾物質含量和SSC受光合作用過程中產生的蔗糖量的影響，這些蔗糖被輸送到果實中。光合作用反過來又與太陽輻射密切相關。這解釋了從年中到秋季，番茄果實幹物質含量和SSC含量呈下降趨勢。
2、次生代謝物——類胡蘿蔔素的含量
為了測定次生成分(類胡蘿蔔素、酚酸、類黃酮)，在24周內(2020年6月11日至11月25日)，每隔3周採集15種不同植物的果實。
在用大麻纖維生產的番茄果實中，與用岩棉生產的果實相比，在幾個測量日期上，類胡蘿蔔素含量顯著增加。此外，每個測試日期的類胡蘿蔔素含量隨培養時間的變化而變化，這可能反映了光照和溫度等非生物因素對類胡蘿蔔素含量的影響。
此外，大麻和岩棉造成的類胡蘿蔔素的顯著差異可能有兩種假設:(i)營養供應和/或(ii)底物中的乙烯釋放。在這種情況下，不同氮水平對番茄中類胡蘿蔔素的積累沒有影響，而營養液中高比例的K和Mg可以增加番茄中的這些次生植物化合物。由於無論使用哪種基質，葉片和果實中的所有宏量營養素都是相似的，因此第一個假設是無效的。
就第二種假設而言，有機底物中的乙烯來自微生物對這些底物的分解，其中在厭氧條件下檢測到更高的乙烯產率。
乙烯在番茄果實成熟過程中起著核心作用。乙烯產量的急劇增加與類胡蘿蔔素的快速積累有關。根據我們關於使用大麻引起的高二氧化碳排放和體重減輕的結果，我們假設這些種植袋中存在高乙烯產量，隨後是更高的類胡蘿蔔素積累，特別是在種植期結束時。必須對這一假設進行更詳細的調查。特別是，乙烯濃度和微生物活性和組成必須在實驗期間密切間隔確定。
不同基質對番茄總類胡蘿蔔素含量的影響。不同小寫字母表示變量之間的顯著性(t檢驗，p<0.05,n=3)。
3、次生代謝物-酚酸和類黃酮含量
除類胡蘿蔔素外，還研究了以酚類物質和類黃酮為代表的次生代謝物。對於第一印象，測定了總酚和類黃酮含量。從下圖可以看出，不同基質對番茄果實中總酚含量沒有影響。同樣適用於總黃酮含量。在這種情況下，根區缺氧可以增加植物中的酚類。在我們的研究中，可能缺氧程度不足以增加番茄中的酚類物質。
番茄果實中平均總酚酸和類黃酮含量。未發現顯著差異(t檢驗，p<0.05,n=3，超過9個收穫日期間隔3周)。
此外，如果不考慮最後一次採樣日期，可以認為在栽培期間總酚含量增加。栽培末期溫度的降低與番茄果實中酚酸含量的積累之間存在正相關關係。
不同生長介質下番茄酚類化合物與溫度的關係。
三、結論
本研究表明，大麻纖維作為有機基質在番茄水培栽培中的產量與傳統使用的岩棉相似。
同樣，對植物的生長參數、葉片和果實的營養積累或酚類化合物也沒有負面影響。在幾周內發現，類胡蘿蔔素甚至可以通過使用大麻來增加。然而，大麻只能作為短期使用的基質，因為快速的礦化可能不利於根錨定，從而不利於植物的穩定性，特別是在水培中使用集約蔬菜生產時。
植物需要更多的氮供應，因為礦化將大量的氮融入微生物生物量，使植物無法獲得氮。
雖然這種氮固定可以通過定期施用營養液來補償，但從可持續性的角度來看，這種對礦物氮需求的增加是相當不利的。從大麻纖維中觀察到的溫室氣體如N₂O,CH4和CO₂的釋放也不符合當前使園藝更加環保的目標，但仍然可能低於岩棉生產的CO₂排放。
參考文獻：
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