育苗基質(zhì)及水稻用基質(zhì)概述

江志陽 邵玉飛 陳 欣 尹 微 薛 冰

中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽 110016

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

土地資源是我國農(nóng)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(fù)能力，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降。農(nóng)業(yè)上化肥、農(nóng)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(kuò)大[8]。目前，雖然土壤修復(fù)的方法很多，但因修復(fù)技術(shù)周期長、二次污染風(fēng)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(zhì)土壤較少。

常規(guī)土壤育苗中，由于土壤質(zhì)量的不同需要根據(jù)植物幼苗的需求進(jìn)行前處理，且容重較大，不利于運(yùn)輸。受土壤農(nóng)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(zhì)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(shí)問題。

1 育苗基質(zhì)概況

1.1 育苗基質(zhì)概念及發(fā)展意義

育苗基質(zhì)是根據(jù)植物幼苗生長的需求，利用有機(jī)、無機(jī)材料和生物、化學(xué)制劑配制而成的優(yōu)質(zhì)土壤或無土栽培基質(zhì)[11]。育苗基質(zhì)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(zhì)育苗高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、生產(chǎn)的可控性強(qiáng)，可避免土傳病害，便于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和移栽，便于機(jī)械化管理[12]。

1.2 育苗基質(zhì)發(fā)展歷程

育苗基質(zhì)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(zhì)的應(yīng)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(zhì)育苗與土壤栽培有許多相似之處，彌補(bǔ)了營養(yǎng)液栽培方式應(yīng)用非環(huán)保、成本高、操作難度大等缺點(diǎn)[14]。

育苗基質(zhì)應(yīng)用最早追溯到19世紀(jì)中期，國外學(xué)者在涂蠟或純蠟容器中用砂礫或活性炭作基質(zhì)培育燕麥[15]。20世紀(jì)50年代，一些國家開始對育苗基質(zhì)進(jìn)行研究，經(jīng)過一段時間的探索，發(fā)現(xiàn)育苗的理想基質(zhì)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(zhì)在北美被廣泛推廣及應(yīng)用；同時在北歐一些國家也逐漸出現(xiàn)了工廠化基質(zhì)育苗，如在丹麥利用工廠化育苗生產(chǎn)水芹。隨后，其他國家也相繼開展了育苗基質(zhì)的研究及應(yīng)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(zhì)育苗逐步推向一個相對獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)[17]。

我國雖然是最早加入育苗技術(shù)應(yīng)用行列的國家之一，但對育苗基質(zhì)的應(yīng)用較晚。20世紀(jì)70年代，溫床育苗技術(shù)的引入促進(jìn)了育苗技術(shù)的發(fā)展，我國正式進(jìn)行育苗基質(zhì)的研究，但一直沒有形成規(guī)?；恢敝?986年，育苗基質(zhì)成為原農(nóng)業(yè)部的重點(diǎn)科研課題、國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目；1986—1990年這5年我國育苗基質(zhì)處于引進(jìn)與吸收階段，許多研究者致力于引進(jìn)、比較與消化吸收國外發(fā)達(dá)國家各種育苗基質(zhì)技術(shù)和系統(tǒng)；90年代以后我國進(jìn)入自主研發(fā)階段，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研制出有機(jī)生態(tài)型無土栽培技術(shù)[18]，推動了我國育苗基質(zhì)的迅速發(fā)展。

1.3 育苗基質(zhì)的選材

1.3.1 育苗基質(zhì)原料的探索

在基質(zhì)育苗中，基質(zhì)的原料是研究的核心[19]。砂礫是人們最早使用的育苗基質(zhì)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(zhì)原料蛭石[17]；20世紀(jì)60年代，美國康奈爾大學(xué)研制了以巖棉為主的復(fù)合基質(zhì)，還開啟了泥炭和蛭石在育苗基質(zhì)上的廣泛應(yīng)用[21]；70年代，在基質(zhì)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(zhì)育苗效果更好[22]。隨后，基質(zhì)原料很快擴(kuò)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(shù)得到大幅度提高。

我國傳統(tǒng)的育苗基質(zhì)是有機(jī)肥和田園土當(dāng)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(zhì)原料的研發(fā)起步較晚，初期多依賴進(jìn)口，最早研制的基質(zhì)原料是煤渣和沙粒[24，25]。1987年江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院與南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)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(nóng)用巖棉，但未能普及；1998年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)與江蘇大學(xué)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(zhì)，但蘆葦沫需要進(jìn)行生物發(fā)酵；近年來，研究者利用各種工農(nóng)業(yè)固體廢棄物（藥渣、醋渣、豆渣、稻殼等）制成育苗基質(zhì)，在育苗中取得一定的效果[26]。

1.3.2 育苗基質(zhì)原料的類型

目前常用育苗基質(zhì)原料的類型主要有兩類：有機(jī)類和無機(jī)類（粗團(tuán)聚體）。有機(jī)類主要是泥炭、秸稈、樹皮、鋸末和堆肥等，具有團(tuán)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(zhì)量缺乏穩(wěn)定性，各批次間質(zhì)量不均；另一類無機(jī)物主要是蛭石、珍珠巖、爐渣、農(nóng)用巖棉和塑料顆粒物等，其質(zhì)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(nèi)外根據(jù)基質(zhì)原料的性質(zhì)及組成，把基質(zhì)分為無機(jī)基質(zhì)、有機(jī)基質(zhì)和混合基質(zhì)[29]。雖然基質(zhì)材料種類多種多樣，但備受大家青睞的是泥炭或椰糠有機(jī)材料為主，添加少量蛭石、珍珠巖無機(jī)材料的混合基質(zhì)[30]。

1.3.3 常用的基質(zhì)原料

目前，被大家廣泛應(yīng)用的基質(zhì)原料主要為泥炭和椰糠，這兩種原料有適合作為基質(zhì)材料獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)物質(zhì)，是目前公認(rèn)的效果良好且應(yīng)用最廣泛的育苗基質(zhì)材料[31，32]。泥炭之所以被廣泛應(yīng)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(jī)質(zhì)、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(qiáng)，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(jié)構(gòu)自由基，在植物體氧化還原中起著至關(guān)重要的作用，使植物具備較強(qiáng)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(nèi)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(hù)、限制開采，目前我國的泥炭以進(jìn)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(zhì)量不斷下降，高質(zhì)量的泥炭成本相當(dāng)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(dāng)中掉落下的一種純天然的有機(jī)物質(zhì)[38]。我國是椰子的主要生產(chǎn)國之一，椰子在加工過程中產(chǎn)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(jié)構(gòu)，因此保水保肥能力較強(qiáng)、透氣性較好，親水性能良好[40]；具有與泥炭相近的物理、化學(xué)形態(tài)，且符合環(huán)保產(chǎn)品的特點(diǎn)，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(zhì)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(chǎn)地主要在海南等熱帶地區(qū)，椰糠作為基質(zhì)材料運(yùn)輸過程為保證適宜的回彈，壓縮時含水率應(yīng)在70%左右，重量增大，導(dǎo)致運(yùn)輸成本大大增加，這使椰糠的應(yīng)用受到了限制[42]。因此，如何有效減少基質(zhì)中泥炭或椰糠的用量或進(jìn)行替代是育苗基質(zhì)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提。

2 水稻育苗基質(zhì)概況

水稻是我國主糧作物品種，水稻育苗作為水稻生產(chǎn)的基礎(chǔ)尤為重要。隨著工廠化育苗發(fā)展的需求，基質(zhì)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(chǎn)量20693萬噸，是世界上水稻產(chǎn)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(shù)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(chǎn)量低、生長周期較長、根系分布淺、易于倒伏、早衰、草害嚴(yán)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(chǎn)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(shù)作為水稻栽培的基礎(chǔ)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(dá)、移栽后根部生長快、吸收能力強(qiáng)、緩苗快的特點(diǎn)，成為現(xiàn)在尤其北方最普遍的育苗技術(shù)[47]；而水稻旱育苗技術(shù)需要挖掘大量的耕層土壤進(jìn)行水稻育苗，對耕地造成嚴(yán)重破壞。

2.1.2 水稻基質(zhì)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(zhì)育苗的應(yīng)用擺脫了水稻育苗對土壤的依賴。利用基質(zhì)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(zhì)育苗秧苗生長速度快，15天左右達(dá)到插秧標(biāo)準(zhǔn)，可以調(diào)節(jié)播種期避開灰飛虱的迫害，有效防治水稻條紋葉枯病；秧苗素質(zhì)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(qiáng)。由于秧苗根系發(fā)達(dá)、發(fā)根力強(qiáng)、移栽后無緩苗期，基質(zhì)與土壤相比，容重小、與機(jī)械插秧的兼容性強(qiáng)，因此具有“播下種，澆上水”技術(shù)簡單、成功率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[48～50]。

2.2 水稻育苗基質(zhì)

2.2.1 育苗基質(zhì)的要求

為保證植物健康生長，育苗基質(zhì)的性能應(yīng)滿足物理、化學(xué)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(zhì)中，不倒伏[51]。容重代表基質(zhì)的質(zhì)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(zhì)的粒徑、總孔隙度有關(guān)，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(yùn)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(zhì)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(xué)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(dǎo)率（EC）不同程度地反映基質(zhì)中的鹽分、水分、有機(jī)質(zhì)含量、基質(zhì)質(zhì)地結(jié)構(gòu)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(guān)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(jī)、無機(jī)營養(yǎng)，保障植物的健康生長，有機(jī)基質(zhì)的陽離子交換性能一般要優(yōu)于無機(jī)基質(zhì)。

（3）生物特性：基質(zhì)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(zhì)的評價指標(biāo)

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

表1 育苗基質(zhì)的評價指標(biāo)Tab.1 Evaluation indexes of seedling matrix

2.2.3 水稻育苗基質(zhì)的要求及其評價

水稻育苗基質(zhì)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(zhì)量進(jìn)行評價，達(dá)到壯秧標(biāo)準(zhǔn)[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(dá)、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(qiáng)，體內(nèi)積累養(yǎng)分多，單位長度內(nèi)干物質(zhì)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(zhì)的要求見表2。

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

2.3 水稻育苗基質(zhì)研究現(xiàn)狀

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

（1）礦物質(zhì)資源（如前文介紹的泥炭、蛭石、珍珠巖、巖棉等）作為育苗基質(zhì)：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(zhì)，培育秧苗質(zhì)量指標(biāo)高、葉綠素含量適宜；王晶英等[64]利用巖棉作為育苗基質(zhì)，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(biāo)準(zhǔn)的秧苗。但利用礦物質(zhì)資源存在最大的問題是秧苗的盤根性差，根易斷裂，機(jī)械插秧時易散架等[65]。

（2）生物質(zhì)資源（經(jīng)發(fā)酵、堆腐和焚燒成的產(chǎn)物）作為育苗基質(zhì)：稻殼的應(yīng)用最為廣泛，將稻殼粉碎后炭化作為育苗基質(zhì)，所育秧苗可達(dá)到壯秧標(biāo)準(zhǔn)；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(zhì)，處理過程較為復(fù)雜，本身也存在電導(dǎo)率、容重、養(yǎng)分等不穩(wěn)定的問題[66]。

（3）礦物質(zhì)和生物質(zhì)資源混合作為育苗基質(zhì)：可以使兩者的基本理化性狀得到互補(bǔ)，所以兩者混合使用，育苗效果更好。在應(yīng)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(yīng)用最廣泛，但幾乎為不可再生資源且優(yōu)質(zhì)泥炭成本較高；稻殼、秸稈等均需前處理，工藝較為繁瑣，產(chǎn)業(yè)化低，生產(chǎn)成本高，在推廣中被農(nóng)戶接受的仍然較少。

3 結(jié)論

育苗是蔬菜、花卉、水稻等農(nóng)作物種植中的必備環(huán)節(jié)，基質(zhì)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(zhì)原材料在制作基質(zhì)過程中存在許多問題，并未普及應(yīng)用，在育苗基質(zhì)中被廣泛應(yīng)用的依然為泥炭。我國是基質(zhì)使用大國，在原料選擇的基礎(chǔ)上應(yīng)合理組配，同時重視標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、生產(chǎn)設(shè)備建設(shè)等方面的工作，從而滿足我國育苗對優(yōu)質(zhì)基質(zhì)產(chǎn)品的大量需求。