水稻無土育秧基質(zhì)研究進展

張均華 黃晶 徐青山 朱春權(quán) 汪瑋 孫愛軍 洪小智 金千瑜*

（1 中國水稻研究所，杭州310006；2 蕪湖青弋江種業(yè)有限公司，安徽 蕪湖241300；3 蚌埠市億豐生物有機肥有限公司，安徽 蚌埠233300；第一作者：zhangjunhua@caas.cn；*通訊作者：jinqianyu@caas.cn）

我國水稻生產(chǎn)的耕作和收獲環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)了機械化作業(yè)，而種植環(huán)節(jié)仍是水稻生產(chǎn)全程機械化的瓶頸，至2018 年水稻種植機械化水平不足60%[1]。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移，水稻輕簡化栽培成為水稻種植機械化發(fā)展的主要方向[2]。目前普遍應(yīng)用的水稻輕簡化栽培方式有機插秧、直播和拋秧[3]。在我國，拋秧和機械直播對區(qū)域性氣候特征及栽培管理模式要求較強，機插秧是我國水稻種植機械化的發(fā)展方向[1]。

我國水稻種植面積約0.3 億hm2，其中機插秧面積約占40%[1]。當前我國水稻機插育秧主要利用農(nóng)田優(yōu)質(zhì)表層土，原地或異地集中育秧。農(nóng)田優(yōu)質(zhì)表層土育秧有利于培育機插壯秧，但機械負荷大，不便于運輸和規(guī)范化作業(yè)，且年復(fù)一年取土育秧，對農(nóng)田耕作層土壤及周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞[4]。隨著水稻機插種植的不斷發(fā)展，育秧用土的制備已成規(guī)模化育秧的難題，同時也是大面積推廣水稻機插秧的障礙因素之一。為解決機插水稻育秧取土困難、取土破壞植被與環(huán)境等問題，緩解農(nóng)村勞動力緊張的現(xiàn)狀，研制無土育秧基質(zhì)并構(gòu)建基質(zhì)育秧關(guān)鍵技術(shù)，對水稻機械化種植的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。本文對我國機插秧現(xiàn)狀、無土基質(zhì)育秧研究進展進行綜述，并介紹了中國水稻研究所研制的機插水稻無土育秧基質(zhì)技術(shù)要點、存在問題及發(fā)展趨勢，以期為研制和推廣應(yīng)用水稻無土育秧基質(zhì)提供參考，促進我國水稻機插秧的大面積推廣，加快我國水稻全程機械化進程。

1 我國水稻機插秧現(xiàn)狀

1.1 我國水稻機插秧發(fā)展歷程

我國自20 世紀50 年代開始水稻機插秧研究，采用傳統(tǒng)水田育秧、大苗洗根移栽模式[5]。20 世紀70 年代，引進日本工廠化育秧和秧苗帶土機插成套技術(shù)與設(shè)備，開始了秧苗帶土機插時代[6]，70 年代中期我國水稻機插秧面積占水稻種植面積的1.1%[7]。90 年代后，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，農(nóng)民對機插秧技術(shù)需求日益增強。1995 年全國機插水稻面積占水稻種植面積的2.3%，2009 年占16.0%，2019 年約占42.3%[1]，我國水稻機插秧發(fā)展實現(xiàn)了從初級階段向中級階段的跨越。

1.2 當前水稻育秧大面積發(fā)展的局限性

我國機插水稻主要采用硬盤育秧、軟盤育秧、雙膜育秧、本田泥漿育秧和工廠化育秧等幾種育秧方式，播種量60～150 g/盤，秧齡15 ～30 d，葉齡3.0～4.0 葉[8]。在秧苗個體素質(zhì)上，機插秧苗健壯，具備早生快發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在形態(tài)上表現(xiàn)為葉挺色綠、節(jié)短稈壯、根多色白；其次，為減少漏插，機插秧苗需要具備良好的群體素質(zhì)，株高適宜，苗數(shù)充足，根系盤結(jié)牢固，提起不散，形如毯狀。目前機插水稻主要采用盤土育秧和帶土移栽，傳統(tǒng)土育秧具有節(jié)能、生產(chǎn)效率高、秧苗素質(zhì)好、成活率高等優(yōu)點[9]。為提升水稻育秧質(zhì)量，促進中小苗機插后的早生快發(fā)，農(nóng)田優(yōu)質(zhì)表層土中添加一定的氮源、激素、有機肥等得到廣泛研究，取得了較好的機插效益[10-11]。

表1 北方稻區(qū)無土基質(zhì)主要理化屬性

表2 長江中下游單季稻區(qū)無土基質(zhì)主要理化屬性

圖1 黑龍江省寶清縣氣溫情況

圖2 浙江省杭州市氣溫情況

隨著水稻機插種植面積的不斷擴大，傳統(tǒng)育秧用土的制備已成規(guī)?；淼碾y題，同時也是大面積推廣水稻機插秧的障礙因素之一。每年大量取土嚴重破壞了耕層土壤。據(jù)估算，每100 hm2機插秧約破壞667 m2農(nóng)田或林地耕作層土壤。同時，每年育秧用土的制作、運輸、儲存要花費大量用工，床土培肥也不易均勻一致，育秧土質(zhì)量不能保證，甚至造成育秧質(zhì)量參差不齊，影響機插水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)潛力的發(fā)揮[2]。張楠等[12]發(fā)現(xiàn)，黑龍江省水稻育秧面積約4 萬hm2（以600 m2大棚計算），每年需要育秧土1 400 m3，嚴重破壞當?shù)剞r(nóng)田表層土（腐殖層），環(huán)境破壞性極大。研制培育秧苗素質(zhì)好、機插質(zhì)量高、替代傳統(tǒng)土育秧的水稻無土育秧基質(zhì)，可緩解機插水稻育秧取土難、取土破壞植被與環(huán)境等問題，促進我國機插秧的大力發(fā)展。

2 水稻無土育秧基質(zhì)的發(fā)展趨勢

2.1 我國水稻無土育秧基質(zhì)的發(fā)展

20 世紀50 年代，一些國家開始對育苗基質(zhì)開展研究，發(fā)現(xiàn)理想育苗基質(zhì)是泥炭與蛭石的混合物[5]。我國對育苗基質(zhì)的研究與應(yīng)用較晚。20 世紀70 年代，溫床育苗技術(shù)的引入促進了育秧基質(zhì)的發(fā)展，80 年代中后期我國育秧基質(zhì)處于引進與吸收階段，90 年代后我國進入自主研發(fā)階段[13-14]。2004 年開始，我國對農(nóng)機進行補貼，全國插秧機數(shù)量快速增多，對機插秧苗素質(zhì)要求日益提高，盤育秧苗市場迅速壯大，水稻無土育秧基質(zhì)逐漸成為研究熱點[15]。目前水稻無土育秧基質(zhì)一般為泥炭（草炭）、作物秸稈、農(nóng)家肥、沼渣、造紙廢漿等添加化學肥料與高分子化學物質(zhì)配置而成[16]?；瘜W原料的添加在一定程度上提高了基質(zhì)生產(chǎn)成本，也對周圍生態(tài)環(huán)境造成一定負面影響；高分子化學物質(zhì)隨秧苗移栽進入稻田土壤，其在土壤中降解周期緩慢，且降解殘留物易對農(nóng)田土壤造成二次污染；泥炭等原料來源不可再生，限制了水稻無土育秧基質(zhì)的可持續(xù)發(fā)展[15]。

2.2 我國農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)利用現(xiàn)狀

我國農(nóng)作物秸稈年生產(chǎn)總量約10.4 億t，秸稈利用量達到7.2 億t[17]，所含的N、P2O5、K2O 養(yǎng)分資源總量分別達到625.6 萬t、197.9 萬t、1 159.5 萬t[18]。目前秸稈通過肥料化、飼料化、燃料化、原料化、基料化等途徑的利用率約為70.0%，而每年廢棄和露天焚燒掉的秸稈超過2.0 億t，其損失的氮、磷、鉀相當于全國化肥總產(chǎn)量的60.0%左右[19]，不僅造成秸稈資源的巨大浪費，還導(dǎo)致了嚴重的環(huán)境污染和經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，2004年秸稈的露天焚燒造成生物量和大氣污染的損失達309.9 億元[20]。2015 年中國畜禽糞尿數(shù)量31.6 億t，N、P2O5、K2O 養(yǎng)分資源總量分別達到1 478.0 萬t、901.0 萬t 和1 453.9 萬t[21]，但據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計其綜合利用率不足60.0%[22]。如何全面推進秸稈資源、畜禽養(yǎng)殖廢棄物的處理及資源化利用成為亟待解決的問題。我國每年白酒糟的產(chǎn)量達2 100.0 萬t，酒精廢糟液排放量高達6 500.0 萬t[23]。酒糟含有豐富的粗纖維（28%）、粗灰分（18%）、粗淀粉（8%）、粗蛋白（約16%）、粗脂肪（3%）和少量無機成分，還含有豐富的氨基酸、醇類以及酒類的芳香物質(zhì)，營養(yǎng)成分極高[24]。

表3 南方單季稻區(qū)機插水稻基質(zhì)育秧產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

表4 南方雙季晚稻區(qū)無土基質(zhì)主要理化屬性處理

圖3 江西省南昌市氣溫情況

2.3 機插水稻無土基質(zhì)的發(fā)展趨勢

利用農(nóng)業(yè)廢棄物研制完全替土的育秧基質(zhì)，促進水稻機械化與水稻種植生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，降低生產(chǎn)成本，增加水稻生產(chǎn)的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，是水稻生產(chǎn)機械化可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，是保障我國糧食安全的一項戰(zhàn)略措施。郝冰等[25]以腐熟小麥秸稈、蛭石、珍珠巖為主要原料研制的無土基質(zhì)所育水稻幼苗（20 d 秧齡） 根系活力可達1.35 mg/（g·h），SPAD 為26.0，株高14.3 cm，莖基寬2.5 mm，地上部干物質(zhì)量為0.0176 g/株，根系干物質(zhì)量為0.0158 g/株。國內(nèi)外常規(guī)播種育秧流水線主要依靠重力作用完成基質(zhì)鋪盤與覆蓋工序，因此對基質(zhì)容重有一定要求。以作物秸稈等輕型原料為主制備的水稻育秧基質(zhì)，育秧素質(zhì)高，根系發(fā)育好，但可能存在容重過低的局限性，給機插秧的大面積推廣造成一定困難[26]。也有一些研究表明，基質(zhì)中混合一定比例的土壤或細沙，可解決輕型基質(zhì)育秧的局限性，提高基質(zhì)育秧與播種流水線的兼容性[27]。但有土混合基質(zhì)不能根本上解決常規(guī)土育秧取土的難題。因此，以農(nóng)業(yè)廢棄物為主原料研制水稻無土育秧基質(zhì)，同時滿足基質(zhì)所育秧苗素質(zhì)好、機插質(zhì)量高與容重、孔隙度適宜的特點，將是水稻無土基質(zhì)育秧的主要發(fā)展趨勢。

3 因地制宜研制水稻無土育秧基質(zhì)

中國水稻研究所根據(jù)我國北方稻區(qū)、南方單季稻區(qū)、南方雙季稻區(qū)水稻育秧環(huán)境溫度、育秧模式、機插秧齡等水稻種植栽培技術(shù)差異，以不同稻區(qū)作物秸稈、酒糟、黏土礦物等為基礎(chǔ)，因地制宜研制了適宜不同稻區(qū)推廣應(yīng)用的水稻無土育秧基質(zhì)系列產(chǎn)品，提高了無土基質(zhì)育秧的廣適性，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，解決了機插水稻育秧取土難題，促進了我國作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的循環(huán)利用效率與效益。

3.1 北方稻區(qū)

北方稻區(qū)（主要為東北稻區(qū)）育秧主要采用半自動播種流水線，以軟盤營養(yǎng)土育秧為主；有較多農(nóng)場采用干播種，前期無紡布覆蓋保溫；秧齡30～35 d，常規(guī)土育秧易發(fā)青枯病與立枯病。中國水稻研究所通過提高基質(zhì)容重，提升基質(zhì)保溫性能，提高基質(zhì)育秧出苗率并降低機插漏插率；增加基質(zhì)緩效養(yǎng)分含量，提高低溫下基質(zhì)養(yǎng)分釋放速率；提高基質(zhì)吸水性能，增加基質(zhì)保墑能力；控制基質(zhì)電導(dǎo)率低于2 ms/cm，降低鹽基離子對種子發(fā)芽的抑制作用；合理選擇基質(zhì)生產(chǎn)原料，提高無土基質(zhì)在北方稻區(qū)育秧的適用性。

3.2 南方單季稻區(qū)

南方單季稻區(qū)（長江中下游單季稻為主）主要采用全自動播種流水線，以硬盤營養(yǎng)土育秧為主；主要使用半催芽稻谷，秧齡20～25 d，播種后可增加疊盤暗出苗工序。中國水稻研究所通過提高基質(zhì)容重，增加秧盤重量，提高與播種流水線的兼容性；控制基質(zhì)速效養(yǎng)分含量，防止秧苗徒長；提高基質(zhì)吸水速率，提升與播種流水線噴水裝置的兼容性；控制基質(zhì)電導(dǎo)率低于2 ms/cm，降低鹽基離子對芽谷的抑制作用。

3.3 南方雙季稻區(qū)

南方雙季早稻區(qū)與單季稻區(qū)育秧模式一致，與其它稻區(qū)不同的是雙季早稻育秧期間環(huán)境溫度較低，秧齡以25～30 d 為宜。中國水稻研究所通過提高低溫下基質(zhì)養(yǎng)分釋放速率來提高無土基質(zhì)在雙季早稻區(qū)育秧的適用性。雙季晚稻區(qū)與單季稻區(qū)、雙季早稻區(qū)育秧模式一致，與其他稻區(qū)不同的是，雙季晚稻育秧期間環(huán)境溫度較高，秧齡以15～20 d 為宜。中國水稻研究所通過調(diào)控基質(zhì)理化性能，控制高溫下秧苗生長速率，提高基質(zhì)在雙季晚稻區(qū)育秧的適應(yīng)性。

4 展望

隨著我國機插秧面積的不斷擴大，基質(zhì)育秧技術(shù)不斷發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品逐步推陳出新，其中無土基質(zhì)育秧技術(shù)已成為解決傳統(tǒng)土育秧的有效途徑。但目前無土基質(zhì)應(yīng)用效果及配套技術(shù)還存在一定問題。機播作業(yè)效率與無土基質(zhì)吸水性能密切相關(guān)，市面上的一些產(chǎn)品為提升無土基質(zhì)吸水性可能會添加高分子材料，如聚丙烯酰胺，其二次降解產(chǎn)物會對土壤造成一定危害。水稻壯秧劑是以消毒為主，調(diào)節(jié)pH、施肥和化控為輔的水稻育秧制劑，農(nóng)戶因一時掌握不了技術(shù)，常常造成基質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、育秧效果差等難題[14]。畜禽糞便質(zhì)量穩(wěn)定性及重金屬含量、病蟲含量也是影響水稻無土基質(zhì)質(zhì)量及育秧效果的重要因素[28]。因此，制定水稻無土基質(zhì)生產(chǎn)與育秧質(zhì)量標準及配套技術(shù)規(guī)范，對水稻無土育秧基質(zhì)領(lǐng)域的研究創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要指導(dǎo)作用。

我國不同稻區(qū)原料來源、育秧模式、當?shù)貧夂蛱卣?、管理模式有較大差異。不同稻區(qū)對基質(zhì)理化屬性及育秧配套技術(shù)的需求不同，如北方稻區(qū)的大豆秸稈、華南稻區(qū)的甘蔗渣等原料差異，北方寒地稻區(qū)的超低溫育秧、南方雙季晚稻區(qū)的高溫育秧等育秧環(huán)境條件差異。因地制宜，合理開發(fā)利用當?shù)剞r(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)水稻無土育秧基質(zhì)并研制其配套育秧技術(shù)，不僅可以降低無土基質(zhì)生產(chǎn)成本與運輸成本，適合在當?shù)卮竺娣e推廣應(yīng)用，還可減少環(huán)境污染。

我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源儲備量大、利用率低，不僅造成有機資源的極大浪費，且對周圍生態(tài)環(huán)境有較大負面影響。以秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物為主要原料研制水稻無土育秧基質(zhì)，不僅能夠解決我國水稻機插秧取土難題，促進我國水稻種植機械化的長遠發(fā)展，并且為農(nóng)業(yè)廢棄物提供了一條變廢為寶的出路，為提高我國耕地生產(chǎn)能力、促進農(nóng)業(yè)固碳減排提供了有效手段。構(gòu)建水稻種植產(chǎn)業(yè)的綠色輕簡化循環(huán)技術(shù)體系，可促進我國水稻機插秧的大面積推廣應(yīng)用，加快水稻全程機械化的進程。