江志陽 邵玉飛 陳 欣 尹 微 薛 冰

中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所 沈陽 110016

常規(guī)生產育苗采用土壤育苗，針對土壤育苗所面臨的問題，基質育苗成為近年來發(fā)展的主要方向[1]。

土地資源是我國農業(yè)發(fā)展的基本保障，然而，我國作為目前世界上人口最多的國家，可利用土地卻成為世界上極為稀缺的國家之一[2]。由于人類長期不合理利用、過度開采與破壞土壤，造成的土壤污染已超過其自身的自凈與修復能力，導致土壤質量下降。農業(yè)上化肥、農藥的大量使用，尤其污灌造成的土壤污染尤為突出[3]。張勇[4]和韓晉仙等[5]研究發(fā)現(xiàn)，長期利用低濃度污水灌溉，污灌區(qū)土壤發(fā)生不同程度的重金屬污染。長期污灌還會造成次生鹽堿化、理化性能降低等一系列的問題[6，7]。研究表明，我國土壤遭受到不同程度的污染，并且面積在逐年擴大[8]。目前，雖然土壤修復的方法很多，但因修復技術周期長、二次污染風險或其他限制條件而不適宜在污染土壤中使用[9]。因此，可利用的優(yōu)質土壤較少。

常規(guī)土壤育苗中，由于土壤質量的不同需要根據(jù)植物幼苗的需求進行前處理，且容重較大，不利于運輸。受土壤農藥殘留的影響，育苗過程也出現(xiàn)了難以獲得合格苗床土、苗床土前處理過程中藥量大的問題[10]。隨著我國規(guī)?；绲陌l(fā)展，對優(yōu)質育苗床土的需求劇增。減少育苗過程中耕作土壤的使用，擺脫育苗過程對耕作土壤的依賴，是規(guī)?；缲酱鉀Q的現(xiàn)實問題。

1 育苗基質概況

1.1 育苗基質概念及發(fā)展意義

育苗基質是根據(jù)植物幼苗生長的需求，利用有機、無機材料和生物、化學制劑配制而成的優(yōu)質土壤或無土栽培基質[11]。育苗基質在一定程度上代替土壤，減少了對土地資源的開采與破壞。與土壤育苗相比，基質育苗高效、經(jīng)濟、環(huán)保、生產的可控性強，可避免土傳病害，便于遠距離運輸和移栽，便于機械化管理[12]。

1.2 育苗基質發(fā)展歷程

育苗基質源于無土栽培，傳統(tǒng)無土栽培是指利用營養(yǎng)液代替天然土壤提供作物正常生長及完成整個生命周期所需的養(yǎng)分、水分和氧氣等[13]。育苗基質的應用打破了無土栽培必須使用營養(yǎng)液的傳統(tǒng)模式，且基質育苗與土壤栽培有許多相似之處，彌補了營養(yǎng)液栽培方式應用非環(huán)保、成本高、操作難度大等缺點[14]。

育苗基質應用最早追溯到19世紀中期，國外學者在涂蠟或純蠟容器中用砂礫或活性炭作基質培育燕麥[15]。20世紀50年代，一些國家開始對育苗基質進行研究，經(jīng)過一段時間的探索，發(fā)現(xiàn)育苗的理想基質即泥炭和蛭石混合物[16]。70年代中期，以巖棉、酚醛塑料及聚酯塑料為主的育苗基質在北美被廣泛推廣及應用；同時在北歐一些國家也逐漸出現(xiàn)了工廠化基質育苗，如在丹麥利用工廠化育苗生產水芹。隨后，其他國家也相繼開展了育苗基質的研究及應用，還發(fā)現(xiàn)了具有商業(yè)意義的泥炭田，這將工廠化基質育苗逐步推向一個相對獨立的產業(yè)[17]。

我國雖然是最早加入育苗技術應用行列的國家之一，但對育苗基質的應用較晚。20世紀70年代，溫床育苗技術的引入促進了育苗技術的發(fā)展，我國正式進行育苗基質的研究，但一直沒有形成規(guī)?；?；直至1986年，育苗基質成為原農業(yè)部的重點科研課題、國家重點攻關項目；1986—1990年這5年我國育苗基質處于引進與吸收階段，許多研究者致力于引進、比較與消化吸收國外發(fā)達國家各種育苗基質技術和系統(tǒng)；90年代以后我國進入自主研發(fā)階段，中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所研制出有機生態(tài)型無土栽培技術[18]，推動了我國育苗基質的迅速發(fā)展。

1.3 育苗基質的選材

1.3.1 育苗基質原料的探索

在基質育苗中，基質的原料是研究的核心[19]。砂礫是人們最早使用的育苗基質原料，李謙盛等[20]研究通過利用砂礫培育的作物對養(yǎng)分吸收及生理的影響。1964年發(fā)現(xiàn)蘭花的培育基質原料蛭石[17]；20世紀60年代，美國康奈爾大學研制了以巖棉為主的復合基質，還開啟了泥炭和蛭石在育苗基質上的廣泛應用[21]；70年代，在基質研究中發(fā)現(xiàn)了具有良好種植效果的泥炭，之后研究發(fā)現(xiàn)泥炭與蛭石、珍珠巖配制的混合基質育苗效果更好[22]。隨后，基質原料很快擴展到椰殼發(fā)酵物、樹葉堆積物、陶粒、海綿、硅膠等，國際上的育苗技術得到大幅度提高。

我國傳統(tǒng)的育苗基質是有機肥和田園土當量混合的營養(yǎng)土，價格低廉，但育苗效果非常不理想[23]。對于基質原料的研發(fā)起步較晚，初期多依賴進口，最早研制的基質原料是煤渣和沙粒[24，25]。1987年江蘇省農業(yè)科學院與南京玻璃纖維研究設計院合作研制開發(fā)了用于培育蔬菜、花卉具有良好效果的農用巖棉，但未能普及；1998年，南京農業(yè)大學與江蘇大學合作，發(fā)現(xiàn)具有良好育苗效果的紙廠下腳料蘆葦沫可制成育苗基質，但蘆葦沫需要進行生物發(fā)酵；近年來，研究者利用各種工農業(yè)固體廢棄物（藥渣、醋渣、豆渣、稻殼等）制成育苗基質，在育苗中取得一定的效果[26]。

1.3.2 育苗基質原料的類型

目前常用育苗基質原料的類型主要有兩類：有機類和無機類（粗團聚體）。有機類主要是泥炭、秸稈、樹皮、鋸末和堆肥等，具有團聚或成粒作用，顆粒間有較大的孔隙度，保水保肥性能好，但質量缺乏穩(wěn)定性，各批次間質量不均；另一類無機物主要是蛭石、珍珠巖、爐渣、農用巖棉和塑料顆粒物等，其質量穩(wěn)定均勻，耐分解，有較大的孔隙度，但緩沖性能差且陽離子交換量較少[27，28]。國內外根據(jù)基質原料的性質及組成，把基質分為無機基質、有機基質和混合基質[29]。雖然基質材料種類多種多樣，但備受大家青睞的是泥炭或椰糠有機材料為主，添加少量蛭石、珍珠巖無機材料的混合基質[30]。

1.3.3 常用的基質原料

目前，被大家廣泛應用的基質原料主要為泥炭和椰糠，這兩種原料有適合作為基質材料獨特的優(yōu)點，但也存在不足。

泥炭是沼澤植物的殘體，在厭氧多水條件下，不完全分解堆積而成的天然有機物質，是目前公認的效果良好且應用最廣泛的育苗基質材料[31，32]。泥炭之所以被廣泛應用主要是其具有適宜植物生長所需的理化和生物特性，富含有機質、腐植酸，含有植物生長所需的氮、磷、鉀和微量元素，疏松多孔，通氣透水性好，吸附能力強，無菌、雜草種子等[33]；另外泥炭腐植酸有既能氧化為醌，又能還原為酚的半醌結構自由基，在植物體氧化還原中起著至關重要的作用，使植物具備較強的抗鹽漬、抗病、抗低溫、抗旱能力[34]。然而泥炭的形成和積累是一個極緩慢的過程，世界泥炭的積累量為0.2～0.8 mm/a，幾乎為不可再生資源且儲量有限[35，36]。我國的泥炭具有開采限制性，雖然已發(fā)現(xiàn)的泥炭儲量較大，為129 億立方米，但有一半以上分布在難以開采、生態(tài)較敏感的西南、西北高原地區(qū)[37]。我國可開采、利用泥炭較少，多集中在東北、云南和內蒙古地區(qū)，但由于人們的過度開采也成為了稀缺資源。隨著國家對泥炭資源的保護、限制開采，目前我國的泥炭以進口為主，這使得泥炭的成本增加；并且由于近百年來大家對泥炭的廣泛使用，使得全球的泥炭儲量和質量不斷下降，高質量的泥炭成本相當高，受環(huán)境影響開采量有限，尋找泥炭的替代原料勢在必行[36]。經(jīng)過研究者的不斷探索，發(fā)現(xiàn)了與泥炭基本理化性狀極為相似的替代物椰糠。

椰糠是指椰子外殼纖維加工過程當中掉落下的一種純天然的有機物質[38]。我國是椰子的主要生產國之一，椰子在加工過程中產生大量的椰糠，椰糠的降解速率較為緩慢且為可再生資源[39]。由于椰糠具有良好的孔隙結構，因此保水保肥能力較強、透氣性較好，親水性能良好[40]；具有與泥炭相近的物理、化學形態(tài)，且符合環(huán)保產品的特點，使其成為了替代泥炭的首選原料[41]。但是椰糠作為育苗基質原料最突出的問題是含鹽量高、離子交換能力差；并且椰子的產地主要在海南等熱帶地區(qū)，椰糠作為基質材料運輸過程為保證適宜的回彈，壓縮時含水率應在70%左右，重量增大，導致運輸成本大大增加，這使椰糠的應用受到了限制[42]。因此，如何有效減少基質中泥炭或椰糠的用量或進行替代是育苗基質產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提。

2 水稻育苗基質概況

水稻是我國主糧作物品種，水稻育苗作為水稻生產的基礎尤為重要。隨著工廠化育苗發(fā)展的需求，基質育苗成為水稻育苗的主要方向。

2.1 水稻育苗簡介

2.1.1 水稻育苗方式

截至2016年，我國水稻種植面積為3016萬公頃，產量20693萬噸，是世界上水稻產量最多的國家[43]。在我國，水稻栽培已有七千多年的歷史，隨著科技的發(fā)展和人類需求的不斷提升，水稻栽培技術也在不斷提高[44]。我國最傳統(tǒng)的水稻栽培方式是直播，雖然直播方式簡單、成本低，但是存在產量低、生長周期較長、根系分布淺、易于倒伏、早衰、草害嚴重等問題[45]。水稻育苗移栽在宋元時期開始盛行，雖然工序繁雜，但生長周期短，還可以充分利用季節(jié)提前播種避開后期不利氣候，以提高水稻產量[46]。目前，我國采用的水稻種植方式為育苗移栽，水稻育苗技術作為水稻栽培的基礎主要以水育苗、濕潤育苗和旱育苗為主。旱育苗具有苗壯、分孽旺、根系發(fā)達、移栽后根部生長快、吸收能力強、緩苗快的特點，成為現(xiàn)在尤其北方最普遍的育苗技術[47]；而水稻旱育苗技術需要挖掘大量的耕層土壤進行水稻育苗，對耕地造成嚴重破壞。

2.1.2 水稻基質育苗的意義

隨著水稻種植面積的不斷增加，對育苗床土的需求與日俱增，而我國的耕地土壤也面臨巨大的挑戰(zhàn)，基質育苗的應用擺脫了水稻育苗對土壤的依賴。利用基質育苗首先解決了取土難的問題，減少對土層的破壞；苗床雜草和藥害的問題得以解決，避免土傳病害的發(fā)生；出苗速度快，一般會提前2天左右，而且均勻、整齊；基質育苗秧苗生長速度快，15天左右達到插秧標準，可以調節(jié)播種期避開灰飛虱的迫害，有效防治水稻條紋葉枯??；秧苗素質好，出葉速度快、總根數(shù)多、生物量大、發(fā)根力前慢后快、無立枯青枯病害、抗逆性強。由于秧苗根系發(fā)達、發(fā)根力強、移栽后無緩苗期，基質與土壤相比，容重小、與機械插秧的兼容性強，因此具有“播下種，澆上水”技術簡單、成功率高、成本低等優(yōu)點[48～50]。

2.2 水稻育苗基質

2.2.1 育苗基質的要求

為保證植物健康生長，育苗基質的性能應滿足物理、化學和生物3方面的要求。

（1）物理特性：首先能夠固定和支持植物，使植物根系固著于基質中，不倒伏[51]。容重代表基質的質量，過小容易出現(xiàn)翻種的情況，過大阻礙秧苗出苗。容重與基質的粒徑、總孔隙度有關，容重大、粒徑小、總孔隙度小，容重過大則透氣性降低、不利于運輸；容重小、粒徑大、總孔隙度大，容重過小則缺乏黏力、植物根系不易固著、不利于保水保肥[52，53]；適宜孔隙度，能保證基質良好的透氣、持水性能，為植物根系生長提供良好的環(huán)境[54，55]。

（2）化學特性：由于不同植物對酸堿的喜好程度不同，所以對pH值的要求有所差異[56]；電導率（EC）不同程度地反映基質中的鹽分、水分、有機質含量、基質質地結構和孔隙率等參數(shù)的大小，會影響到幼苗的生長情況[57]；陽離子交換性能關系到養(yǎng)分及供給與保持能力和緩沖性能，緩沖性能可以使植物根系具有相對穩(wěn)定的生長環(huán)境，提供一定的有機、無機營養(yǎng)，保障植物的健康生長，有機基質的陽離子交換性能一般要優(yōu)于無機基質。

（3）生物特性：基質的生物特性一般要求無草籽、病原體、昆蟲、腐敗微生物即可[58～60]。

2.2.2 育苗基質的評價指標

根據(jù)現(xiàn)階段對育苗基質的研究，育苗基質的評價指標主要涉及以下5個方面，見表1。

表1 育苗基質的評價指標Tab.1 Evaluation indexes of seedling matrix

2.2.3 水稻育苗基質的要求及其評價

水稻育苗基質在符合水稻生長所需基本理化性狀要求的同時，還需對其培育秧苗的質量進行評價，達到壯秧標準[61]。壯秧的形態(tài)特征如下：首先秧苗的成苗率高，一般在90%以上；秧苗的秧齡25～30天、葉齡3.5～4.0、株高15～20 cm，苗壯整齊，葉片深綠、黃枯葉少，苗體有彈性、無蟲病；根系發(fā)達、根數(shù)12～15，根粗、短、白，無黑根，盤根要好。壯秧的生理特征如下：光合能力強，體內積累養(yǎng)分多，單位長度內干物質量多；秧苗中自由水相比束縛水含量要低，這樣有利于移栽后水分平衡。水稻育苗基質的要求見表2。

表2 水稻育苗基質的要求Tab.2 The requirements of rice seedling matrix

2.3 水稻育苗基質研究現(xiàn)狀

對水稻育苗基質的研究主要集中在對基質原料的探索與改良上，現(xiàn)已開發(fā)的基質原料種類繁多、來源較廣。概括來講主要分為三大類：礦物質資源、生物質資源、礦物質資源與生物質資源按一定比例混配[62，63]。

（1）礦物質資源（如前文介紹的泥炭、蛭石、珍珠巖、巖棉等）作為育苗基質：劉華招[61]利用珍珠巖外加化肥、壯秧劑和生根粉作為育苗基質，培育秧苗質量指標高、葉綠素含量適宜；王晶英等[64]利用巖棉作為育苗基質，以育苗專用肥供給養(yǎng)分，發(fā)現(xiàn)完全可以培育出符合壯秧標準的秧苗。但利用礦物質資源存在最大的問題是秧苗的盤根性差，根易斷裂，機械插秧時易散架等[65]。

（2）生物質資源（經(jīng)發(fā)酵、堆腐和焚燒成的產物）作為育苗基質：稻殼的應用最為廣泛，將稻殼粉碎后炭化作為育苗基質，所育秧苗可達到壯秧標準；還有利用發(fā)酵、腐熟的秸稈、菇渣等，樹枝、山草、禾桿等燃燒后的草木灰作為育苗基質，處理過程較為復雜，本身也存在電導率、容重、養(yǎng)分等不穩(wěn)定的問題[66]。

（3）礦物質和生物質資源混合作為育苗基質：可以使兩者的基本理化性狀得到互補，所以兩者混合使用，育苗效果更好。在應用中仍然存在諸多問題，巖棉難降解對環(huán)境造成破壞；泥炭應用最廣泛，但幾乎為不可再生資源且優(yōu)質泥炭成本較高；稻殼、秸稈等均需前處理，工藝較為繁瑣，產業(yè)化低，生產成本高，在推廣中被農戶接受的仍然較少。

3 結論

育苗是蔬菜、花卉、水稻等農作物種植中的必備環(huán)節(jié)，基質育苗作為近年來發(fā)展的主要方向，已取得一定成效，但多種基質原材料在制作基質過程中存在許多問題，并未普及應用，在育苗基質中被廣泛應用的依然為泥炭。我國是基質使用大國，在原料選擇的基礎上應合理組配，同時重視標準建設、生產設備建設等方面的工作，從而滿足我國育苗對優(yōu)質基質產品的大量需求。