低碳環(huán)保型育苗容器的研究進(jìn)展

鄧子軒，高 策，石思遠(yuǎn)，宋欣聲，蘇鉦皓，王曉珂，馬勁松，張 信，侯連龍

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北省柔性功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050018）

0 前言

在傳統(tǒng)的育苗工作中，由于苗木生長周期較長，自然環(huán)境等因素難以控制，苗木的生長質(zhì)量難以得到保證[1]。因此，常使用容器育苗來保證苗木的生長質(zhì)量。容器育苗是在裝有營養(yǎng)土的容器中培育苗木，通過該方法培育的苗木稱為容器苗。這種育苗方式最早出現(xiàn)在造林育苗，現(xiàn)主要用于繁殖裸根苗、培育較難成活的植株和珍稀園林植物[2]。由于容器育苗多在室內(nèi)或大棚開展，環(huán)境相對(duì)統(tǒng)一，因此采用容器育苗栽培植株可以節(jié)約育苗空間、育苗土地，使空間得到立體化利用，同時(shí)保證同批種子的苗木規(guī)格相同，便于移栽后的統(tǒng)一管理[3]。此外，還可提高種子成活率，縮短育苗周期。而采用不同容積、不同材質(zhì)的容器進(jìn)行育苗時(shí)，又會(huì)對(duì)苗體的直徑、高度產(chǎn)生一定的影響，對(duì)促進(jìn)幼苗葉重增加、促進(jìn)根系生長有顯著作用[4?5]。

在農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域，由于生產(chǎn)需要，常使用一次性塑料容器進(jìn)行育苗。隨著石油產(chǎn)業(yè)和塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，由塑料難以降解引發(fā)的環(huán)境問題日益突出，國家相繼出臺(tái)了諸多政策限制一次性塑料制品的使用，并制定了相關(guān)檢驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)[6]。然而，傳統(tǒng)塑料育苗容器在自然環(huán)境下難降解，只能部分降解。在自然環(huán)境下，土壤中累積的塑料能通過光降解、熱氧化降解或老化降解等降解作用被破碎分解成直徑小于5 mm的微塑料顆粒，對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的傷害，而且也嚴(yán)重危害了人們的身體健康，在自然和社會(huì)方面都不具備顯著優(yōu)勢[6?7]。而且，國內(nèi)主要使用的塑料制品育苗容器，由于塑料制品透氣性較差，容易對(duì)幼苗根系生長產(chǎn)生不利影響；育苗器底部對(duì)根系產(chǎn)生束縛，從而出現(xiàn)根系盤旋生長的現(xiàn)象，苗木在定植后很長一段時(shí)間后才能逐步好轉(zhuǎn)[8]。因此迫切需要環(huán)境友好、對(duì)根系生長有利的可降解育苗容器填補(bǔ)市場。

環(huán)保型育苗器有多種不同材質(zhì)，其優(yōu)勢在于可以充分利用其他生產(chǎn)生活中的廢料，如木材廢料、作物秸稈等，還可使用畜牧業(yè)廢料如牛糞等制作育苗容器，使其得到回收利用的同時(shí)，又能完全降解，減少對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)起到增肥、促進(jìn)根系生長等作用[9]。因此，本文主要介紹了不同類型的環(huán)保型容器，從可降解型育苗容器的材質(zhì)出發(fā)，介紹了幾種不同材質(zhì)的可降解育苗容器，之后，簡要介紹了育苗容器的結(jié)構(gòu)和功能，最后，對(duì)可降解育苗容器的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 可降解育苗器的材質(zhì)

育苗器的種類按材質(zhì)可大致分成兩類：一類是可降解型育苗容器，如植物纖維、動(dòng)物糞便等天然高分子材料制成的可生物降解容器；另一類是不可降解的育苗容器，如用聚苯乙烯、聚氯乙烯制成的塑料容器。傳統(tǒng)的塑料質(zhì)育苗器成本低、質(zhì)量輕、保水性好，但透氣性差、散水性差；塑料膜的靜電作用使得膜片間貼連嚴(yán)重；不能在土壤中降解；脫膜移栽則易傷根系而影響成活率[1，10]?？山到庥缛萜鲃t完美地規(guī)避了塑料育苗器的弊端，種子育成苗后可與容器一同移植，育苗器在土壤微生物的作用下自然分解，給植株帶來一定的施肥作用[11]。因此，可降解育苗容器具有廣闊的前景，目前發(fā)明出的可降解育苗容器可分為以下幾種材質(zhì)。

1.1 秸稈育苗器

秸稈是一種來源廣、價(jià)格低的天然可降解高分子材料，在我國有著豐富的秸稈資源，然而秸稈處理方法簡單，通常采用燃燒或掩埋的處理辦法，不能充分利用。以秸稈等為增強(qiáng)體制備復(fù)合材料，并采用相容劑、表面改性等對(duì)秸稈復(fù)合材料進(jìn)行改性，可以改善其物理性能，提高秸稈和其他復(fù)合材料的界面相容性[12?13]。卓光銘等[14]對(duì)麥秸稈（WF）和廢紙纖維（WP）增強(qiáng)高密度聚乙烯（PE?HD）復(fù)合材料性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，PE?HD/WP和PE?HD/WF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均隨WP和WF含量的增加先升高后降低。當(dāng)材料受力時(shí)，適量的植物纖維可以分散基體的載荷，起到了承力作用，但WF和WP含量過多時(shí)，纖維在基體中分散不勻，容易形成應(yīng)力缺陷。KH570的加入可有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。天然纖維素的加入使—OH增多，材料親水性增強(qiáng)。加入WP和WF可使復(fù)合材料吸水率顯著增長。圖1為加入WP和WF后復(fù)合材料吸水率隨時(shí)間的變化曲線。

圖1 PE?HD/WP與PE?HD/WF復(fù)合材料的吸水率[14]Fig.1 Water absorption properties of PE?HD/WP and PE?HD/WF composites[14]

采用秸稈為原材料制成育苗容器，不僅為工廠化育苗提供了新方式，也開辟了秸稈的應(yīng)用領(lǐng)域。秸稈育苗器是由秸稈粉碎改性后，加入膠黏劑冷壓模塑合成。生產(chǎn)工藝流程可概括為：粉碎→配料→攪拌→制坯成型→烘干→包裝[15]。與傳統(tǒng)塑料育苗容器相比，秸稈容器的貯水性能好，飽和含水量可達(dá)600%，容器中的水分可促進(jìn)幼苗根系的生長，與土壤形成供養(yǎng)一體結(jié)構(gòu)。而且在飽和含水量狀態(tài)下，容器壁仍有一定強(qiáng)度，便于苗株的移栽，從而有效提高移栽幼苗的抗旱性和移栽成活率[16]。而且秸稈材質(zhì)極易被土壤微生物分解，形成復(fù)雜的腐殖質(zhì)，能有效改善土壤結(jié)構(gòu)及肥力。土壤中的容器在微生物及其酶的作用下，親水性和透水性增加，降低了容器壁強(qiáng)度，使得根系在生長過程中能穿透缽壁，順利進(jìn)入土壤。

圖2 秸稈育苗容器Fig.2 Straw seedling containers

秸稈由于其來源廣、可降解、可促進(jìn)植物生長等特性，常和其他可降解材料復(fù)合制成可降解育苗容器，對(duì)植物的培育和生長有很大的幫助。Ma等[17]將秸稈和發(fā)酵牛糞進(jìn)行混合，制備盆栽育苗容器，通過該方法制備得育苗器可生物降解而且環(huán)保，為秸稈和動(dòng)物糞便的完美利用提供了思路，并且為利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的其他育苗容器提供了可靠的思路。Zhang等[18]將小麥秸稈纖維和未漂白亞硫酸鹽木漿纖維混合作為育苗盆原料，分層制備育苗盆原料膜，結(jié)果表明，通過該方法制備的育苗容器再添加化學(xué)添加劑后即可滿足作物培育的要求。陳宜勇[19]選用不同配比的辣椒秸稈、椰糠、珍珠巖和蛭石作為復(fù)合育苗基質(zhì)，結(jié)果表明，辣椒秸稈復(fù)配基質(zhì)對(duì)辣椒幼苗出苗率、株高、葉長、葉寬和莖粗等有一定促進(jìn)作用。

用作育苗容器的秸稈類可降解材料主要以秸稈纖維為增強(qiáng)材料，以淀粉為基體，通過模壓成型制成。由于該材料為可降解材料，因此降解速度的快慢至關(guān)重要。滕翠青等[20]使用土埋法測試該種材料的可降解性能，由圖3和圖4可知，隨著土壤中掩埋時(shí)間的延長，復(fù)合材料的的質(zhì)量損失不斷增長，斷裂強(qiáng)度下降且隨時(shí)間變化加速，適當(dāng)減少秸稈纖維的長度和厚度可以獲得更好的可降解性能。對(duì)埋入土中的復(fù)合材料進(jìn)行定期跟蹤拍照，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)該種材料在土壤中掩埋一段時(shí)間后，表面出現(xiàn)大量霉點(diǎn)和空洞，33天后樣品表面出現(xiàn)部分破損，3個(gè)月后降解成小碎片和粉狀，其降解速率隨時(shí)間延長而增加。

圖3 秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的材料質(zhì)量損失率與土埋時(shí)間的變化關(guān)系[20]Fig.3 Relationship between material mass loss rate of straw fiber reinforced composites and soil burial time[20]

圖4 秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的土埋時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響[20]Fig.4 Influence of soil burial time on mechanical properties of straw fiber reinforced composites[20]

圖5 秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土壤中因降解受破壞情況的照片[20]Fig.5 Straw fiber reinforced composite damaged due to degradation in soil[20]

1.2 紙質(zhì)可降解育苗容器

紙質(zhì)育苗容器是一種采用植物纖維漿或廢紙等再生漿作為基料，利用獨(dú)特工藝和專門助劑，在定型的專用網(wǎng)模上壓制成型的一類立體紙類產(chǎn)品，通過模具造型的變化，調(diào)整紙漿與合成纖維的比例控制紙杯的微生物分解時(shí)間，可以生產(chǎn)出多種結(jié)構(gòu)的紙包裝產(chǎn)品或紙類物品。工藝流程大致為：將原材料打漿后經(jīng)過調(diào)配、施膠形成成品漿，然后成型烘干，熱壓定型，打包生產(chǎn)而成。其主要特點(diǎn)為透氣透水性好，利于苗的生長發(fā)育，可在自然條件下降解。

圖6 紙質(zhì)可降解育苗容器Fig.6 Paper degradable seedling containers

紙質(zhì)育苗器由于其透氣透水性優(yōu)于秸稈育苗器，且比起塑料容器極易降解，所以在植物的生長發(fā)育過程中常使用紙質(zhì)育苗器。彭祚登等[21]對(duì)比研究了秸稈育苗容器、紙質(zhì)容器和塑料容器的育苗效果，表明紙質(zhì)容器和塑料容器育苗效果稍優(yōu)于秸稈容器。試驗(yàn)選用塑料容器、紙質(zhì)容器作為參照，比較幾種容器的育苗效果。結(jié)果表明相對(duì)于塑料袋容器和紙杯容器，秸稈容器培育的刺槐苗木在幼苗期，不僅根系數(shù)量與生長量較差，而且苗高和地徑指標(biāo)在整個(gè)生長過程中的表現(xiàn)也不良（圖7）。

圖7 不同容器類型對(duì)培育刺槐幼苗生長過程的影響[21]Fig.7 Effects of different container types on the growth of robinia pseudoacacia seedlings[21]

生產(chǎn)紙質(zhì)育苗器的主要原料是各種植物纖維漿或廢紙漿，原料來源廣，價(jià)格低廉，屬于廢棄物再利用。紙質(zhì)育苗器用后就地腐爛，可增加土壤有機(jī)質(zhì)，為幼苗提供養(yǎng)分還有利于生態(tài)平衡，解決農(nóng)業(yè)“白色污染”的問題。如以玄武巖纖維和植物纖維為原料生產(chǎn)的紙質(zhì)育苗器：將玄武巖礦石經(jīng)過熔融、拉絲等工藝制成玄武巖纖維，與植物纖維混合“打漿”，并在漿料中添加濕強(qiáng)劑、防水劑、防油劑等攪拌均勻，制得的育苗容器挺度高、可完全降解，玄武巖纖維分解后變成土壤的母質(zhì)，對(duì)環(huán)境不造成二次污染[22]。

由于紙質(zhì)容器通常為壓縮制品，吸水能力較強(qiáng)，苗盆更容易變干，但此時(shí)底部根系濕度并不低。若此時(shí)再次澆水易造成過度澆水導(dǎo)致根部缺氧，若長時(shí)間不澆水會(huì)造成幼苗缺水，因此難以掌握苗床的干濕程度以及合適的澆水時(shí)機(jī)；另外由于紙質(zhì)容器原料為天然有機(jī)成分，長時(shí)間育苗表面容易產(chǎn)生霉菌影響幼苗成長。蔣希芝等[23]對(duì)紙質(zhì)、不腐熟秸稈和腐熟秸稈3種生物基可降解營養(yǎng)缽，通過土埋降解試驗(yàn)對(duì)其降解率進(jìn)行研究分析，對(duì)比研究不同類型生物基可降解營養(yǎng)缽的降解特性，發(fā)現(xiàn)紙質(zhì)營養(yǎng)缽降解率最終高達(dá)85%，降解效果最好。不腐熟秸稈營養(yǎng)缽的降解率為78%，大于腐熟秸稈營養(yǎng)缽的降解率47%（圖8）。

圖8 生物基可降解質(zhì)量和營養(yǎng)缽降解率的變化曲線[23]Fig.8 Degradation rate of biodegradable nursery containers[23]

1.3 無紡布育苗容器

輕基質(zhì)無紡布容器育苗是新興的一種容器育苗技術(shù)，其透水性、透氣性、透根性與其他育苗器相比有很大提高。在現(xiàn)有的容器材質(zhì)中，輕基質(zhì)無紡布有著良好的透氣、透水以及透根性，適宜培育造林品種，并且輕基質(zhì)無紡布材質(zhì)的容器重量較輕，便于苗木的運(yùn)輸，一定程度上降低了運(yùn)輸成本。與常規(guī)性育苗方式所培育出的幼苗根系相比，輕基質(zhì)無紡布材質(zhì)容器培育出來的樹種根系更加發(fā)達(dá)，移栽時(shí)不需要脫離容器，避免了由于脫離容器不當(dāng)而造成樹種死亡的現(xiàn)象[24]。

周偉國等[25]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)比輕基質(zhì)無紡布容器育苗、塑料缽容器育苗和大田育苗的根系生長、成本以及經(jīng)濟(jì)效益，如表1、表2和表3所示，輕基質(zhì)無紡布容器育苗的效果最好，造林后保存率可達(dá)91.6%，育苗成本也為最低。綜上所述，使用輕基質(zhì)無紡布材質(zhì)容器對(duì)重要造林樹種培育、造林工程開展具有重大意義。

圖9 無紡布育苗容器Fig.9 Non woven seedling containers

表1 不同育苗方式根系生長量[25]Tab.1 Increment of root system in different seedling modes[25]

表2 苗木成本分析[25]Tab.2 Seedling cost analysis[25]

表3 苗木效益分析[25]Tab.3 Seedling benefit analysis[25]

目前常見的無紡布育苗器還包含平衡根系無紡布容器育苗技術(shù)，是指用無紡布制作容器，并添加天然有機(jī)質(zhì)作為育苗基質(zhì)，容器成型、基質(zhì)填充、定長度切割一次完成，進(jìn)行喬、灌、藤樹種的扦插苗、播種苗、組培苗的繁育，使苗木根系發(fā)育完整均衡，實(shí)現(xiàn)苗木可控生長、無緩苗期、移栽成活率高的育苗技術(shù)[26]。應(yīng)用無紡布平衡根系容器進(jìn)行育苗，成苗后苗根系發(fā)達(dá)，可以解決常規(guī)育苗器移栽時(shí)引起根系受損的問題，且保水保濕性與紙質(zhì)育苗器相比更佳，使苗體種植前后環(huán)境差異性降低，提高幼苗的成活率。王月海等[26]通過試驗(yàn)對(duì)比，如表4所示，平衡根系無紡布容器苗造林的8個(gè)樹種成活率皆在95%以上，平均達(dá)到98.4%，與裸根苗造林相比較，成活率提高522.8%。與塑料袋容器育苗相比，采用無紡布育苗無需多次補(bǔ)種，可以實(shí)現(xiàn)一次造林成功，降低了相關(guān)費(fèi)用及成本[27]。

表4 不同苗木類型的樹種造林成活率[26]Tab.4 Afforestation survival rate of tree species with different seedling types[26]

1.4 聚乳酸（PLA）育苗容器

目前生物降解材料的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)降解材料的要求也越來越高，不僅對(duì)材料的性能有一定的要求，對(duì)其降解安全性方面也有很高要求。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，要求降解過程不影響農(nóng)作物的生長，不會(huì)在土壤中殘留有害物質(zhì)。PLA由植物資源（如甜菜、木薯）提取出的淀粉原料經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)制得，因其良好的生物降解性能和加工性能廣受歡迎。

使用PLA材料育苗容器，為便于運(yùn)輸和移栽，PLA需要具備一定強(qiáng)度；同時(shí)具備耐水能力，以保證育苗期間不會(huì)崩解；育苗容器的密度則會(huì)影響幼苗根系破壁；此外，育苗容器的吸水性和保水性也將影響幼苗的生長。所以抗跌落性、密度、耐水性、吸水性以及保水性在育苗容器的實(shí)際應(yīng)用中具有至關(guān)重要的作用。PLA可降解育苗容器的基本制作工藝如圖10所示[28]。

圖10 PLA可降解育苗容器的制作工藝[28]Fig.10 Manufacturing process of PLA degradable seedling containers[28]

柑橘皮渣（citrus dregs，CD）與PLA混合，可以制得力學(xué)性能良好的育苗缽。潘浪等[29]對(duì)柑橘皮渣與含量與破損跌落次數(shù)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)。研究表明，CD含量的增加使育苗缽破損所需重復(fù)跌落次數(shù)減少，育苗缽抗跌落性能減弱。這可能是由于當(dāng)育苗缽中CD含量增加時(shí)，PLA在CD之間的分布減少，熱壓時(shí)主要是CD受壓后向四周延展，與相鄰粒子相互嚙合成型，故強(qiáng)度較低[29]。

圖11 PLA育苗容器抗跌落能力與CD含量的關(guān)系[29]Fig.11 Relationship between the drop resistance of PLA seedling containers and CD content[29]

CD/PLA熱壓成型制備育苗容器，原料無需改性，成型工藝簡單，提高了CD的綜合利用水平。作為新型育苗容器，CD/PLA育苗容器可完全降解，移栽時(shí)可以將育苗容器連帶苗一同移動(dòng)，提高了工作效率，CD降解后可提高土壤肥力，不會(huì)在土壤中殘留有害物質(zhì)。但缺點(diǎn)也較為明顯，作為育苗容器材料，PLA價(jià)格較高，導(dǎo)致成本增加，不利于推廣。

1.5 聚丁二酸乙二醇酯（PBS）系列生物降解塑料

PBS是一種優(yōu)異的生物降解材料，由丁二酸和1，4?丁二醇縮聚而成，外觀呈乳白色，在土壤中易被微生物和動(dòng)植物體內(nèi)的酶分解，PBS聚酯與其衍生產(chǎn)品聚丁二酸?己二酸丁二酯樹脂（PBSA）、聚己二酸?對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚對(duì)苯二甲酸?丁二酸丁二酯（PBST）統(tǒng)稱為PBS系列聚酯，經(jīng)改性后可應(yīng)用于農(nóng)用地膜。與硬而脆的PLA相比，PBS系列聚酯屬于軟塑料，其柔韌性好，耐受溫度范圍寬[30]。

PBAT中含有可微生物降解和水解的酯鍵，具有優(yōu)良的可降解性能。陳詠等[31]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，如圖12和圖13所示，PBAT纖維在自然環(huán)境下土壤降解最為突出，纖維結(jié)晶度顯著降低。因此PBAT及其改性材料可用于制作全生物降解地膜，以及制作各種育苗盤。與其他材料相比，PBAT存在結(jié)晶性較差、熔體強(qiáng)度較低、改性制品制作成本較高的缺點(diǎn)，限制了其在育苗領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可通過與淀粉共混改性、PBS共混改性、與PPC共混改性等方式提高其力學(xué)性能[32]。

圖12 降解4周后PBAT樣品表面的掃描電子顯微鏡照片[31]Fig.12 SEM of suefaces of the samples after 4 week’s degradation[31]

圖13 PBAT降解周期對(duì)花園土降解產(chǎn)物結(jié)晶度的影響[32]Fig.13 Effect of degradation period on crystallinity[32]

1.6 其他新型材質(zhì)的育苗容器

除紙質(zhì)、纖維、無紡布等常規(guī)材質(zhì)外，目前市面上也出現(xiàn)了許多新型材質(zhì)，如黃麻編織育苗袋，由黃麻紗和其他低成本粘合劑等經(jīng)編織紡織而成，其在土壤中可以完全降解，可以起到防止水土流失的作用。經(jīng)過生物降解后，產(chǎn)生的磷、鉀等物質(zhì)，可以作為植物生長的養(yǎng)料[33]。而通過改變育苗袋的尺寸、編織纖維的粗細(xì)等，可進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提高這種育苗器的經(jīng)濟(jì)性，適應(yīng)不同作物根系生長需求。

利用牛糞和木材廢料等做增強(qiáng)體，使用羊毛、淀粉等作為天然黏合劑，是近年來新興的一類可降解育苗器[34]。牛糞作為天然的生物肥料，內(nèi)含大量可被植物吸收利用的元素，可以為植物提供養(yǎng)分，促進(jìn)植物根系生長。Tian等[35]將不同比例的稻草和牛糞與淀粉膠黏劑進(jìn)行混合，設(shè)計(jì)出不同種類的育苗容器模型，結(jié)果表明，隨著秸稈含量的增加，育苗容器的透氣性和保水性值增加，而且有利于保持土壤肥力，有利于生態(tài)恢復(fù)過程中物種的播種和移栽。此外，Zhao等[36]將牛糞和泥炭混合加工后作為土壤改良劑，結(jié)果表明，土壤改良劑降低土壤中重金屬含量和作物對(duì)重金屬鎘的生物富集，并且改良劑中的鈣、鎂等離子進(jìn)入土壤后，仍可繼續(xù)為植物生長提供養(yǎng)分。

此外，利用羽毛纖維可以制備能夠被自然界中微生物降解的角蛋白育苗盆，與牛糞育苗盆相似，這種育苗盆本身可以為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素，但因此在制備育苗盆的過程中需要考慮自然降解對(duì)育苗器的力學(xué)性能的影響。Cu2+在植物生長中不可或缺，而過量的銅離子對(duì)植物生長也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。研究表明，使用角質(zhì)育苗盆能夠在一定時(shí)間內(nèi)使穩(wěn)定向土壤中釋放植物所需的銅離子，使土壤中的銅離子含量維持在一定水平，從而減少甚至無需在育苗器外部施肥[37]。雍宬等[38]從養(yǎng)雞場回收的廢棄羽毛中提取角蛋白，并將其與脲醛樹脂接枝共聚，從而形成一種可生物降解的膠黏劑，可與秸稈基復(fù)合材料相結(jié)合，提高其降解性能和其他理化性能。研究表明，加入角蛋白對(duì)秸稈基復(fù)合材料進(jìn)行改性后，其彎曲強(qiáng)度和彈性模量均有所提高（圖14）。

圖14 秸稈花盆的彎曲強(qiáng)度和彈性模量[38]Fig.14 Bending strength and elastic modulus of straw flowerpots[38]

利用靈芝栽培的殘留基質(zhì)作為原材料，制備可降解的育苗容器，也是近年來出現(xiàn)的一種新型育苗容器。研究表明，該育苗容器對(duì)于促進(jìn)種子發(fā)芽、改善幼苗根系生長情況有顯著作用，且具備相對(duì)優(yōu)異的理化性能[39]。由此，將我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)同可降解育苗容器相結(jié)合，形成新型的可全生物降解的育苗容器，符合人們對(duì)生物降解材料的期望，適應(yīng)了近年來國家對(duì)綠色發(fā)展的環(huán)保理念，也推動(dòng)著新型可降解材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 現(xiàn)有育苗器的結(jié)構(gòu)

21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)將進(jìn)入現(xiàn)代化、多方面發(fā)展的時(shí)代，隨之帶來的問題的是人均耕地面積不斷減少，預(yù)計(jì)今后30%以上市民消費(fèi)的水果和蔬菜將由人工溫室提供，這就需要大量的農(nóng)用培育裝置，育苗器僅是其中的一種[40]。在初期對(duì)育苗其的功能要求較少，導(dǎo)致市面上的育苗器結(jié)構(gòu)較為單一，而且在土壤中不易降解，會(huì)直接導(dǎo)致土壤環(huán)境遭受到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致土地荒廢，失去價(jià)值。但隨著不斷發(fā)展，也不斷衍生出了多種新穎、多樣的育苗器如離體式育苗穴盤、深根窄口苗育苗器、可降解透氣紙杯、育苗架、作物移栽的種子育苗裝置等等[40?43]。

2.1 離體式育苗穴盤

由于容器苗的根系生長在有限的空間內(nèi)，根尖會(huì)沿著器壁不斷生長，導(dǎo)致側(cè)根減少，形成根系畸形。目前容器育苗存在的主要問題是常發(fā)生根系畸形現(xiàn)象，影響到造林后期成林的效果，根的盤繞是已經(jīng)被證實(shí)的幼苗不穩(wěn)固的潛在因素[44]。針對(duì)于此，部分育苗器設(shè)置了控根系統(tǒng)，其中離體式育苗穴盤功能較為全面。該育苗盤包括一個(gè)支座以及若干個(gè)可拆卸的育苗杯，每個(gè)育苗杯的底部均設(shè)有輸水通氣孔，大大提高了杯體的通氣能力，側(cè)壁上有豎方向的凹陷導(dǎo)根槽，避免了主根過長，側(cè)根形狀短而粗，發(fā)育數(shù)量大，幼苗根部纏繞的現(xiàn)象，能縮短育苗周期，提高移栽成活率，簡化苗木移栽后的工作量，并使育苗杯與育苗盤形成可拆卸的結(jié)構(gòu)，每個(gè)杯體既可以單一使用，在實(shí)現(xiàn)了控根功能的基礎(chǔ)上又可以能夠?qū)崿F(xiàn)育苗差異化培養(yǎng)；此外該育苗器的底座與育苗杯為可拆卸的結(jié)構(gòu)，又有效避免了傳統(tǒng)育苗其移苗時(shí)對(duì)根系造成的損傷，使植株移栽成活率顯著提高，降低育苗風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究較有意義[40]。圖15為目前較為常見的離體式育苗器。

圖15 離體式育苗器Fig.15 Detached seedling incubators

2.2 單個(gè)獨(dú)立容器

獨(dú)立單個(gè)的育苗器在幼苗培養(yǎng)過程中不便于大量苗的裝土、澆水等集中管理，但可以提升使用中的靈活性。搭配育苗托盤以及托盤支架的離體式育苗穴盤，不僅提升了使用靈活性，而且可實(shí)現(xiàn)育苗集約化管理。育苗架還可包含可拆卸的結(jié)構(gòu)，多個(gè)育苗托盤在空間上進(jìn)行疊放，節(jié)省大量的空間并方便人工進(jìn)行大規(guī)模的搬運(yùn)。育苗架上還可設(shè)置儲(chǔ)水槽，內(nèi)設(shè)疏水槽，便于每個(gè)育苗盆都能接收到水分，也便于澆水、清洗和后期保養(yǎng)。并且一般的環(huán)保型育苗器能將容器和苗木一起栽入，在育苗完成后需要移栽時(shí)，直接取出容器即可，使用中不會(huì)損傷幼苗，保持培養(yǎng)土的完整性。集約經(jīng)營土地，充分、高效利用空間資源的同時(shí)，又兼顧后期移栽過程。目前市面上出現(xiàn)了多樣的可循環(huán)使用或可降解材質(zhì)的育苗器，其中較為新穎較有代表性的有深根窄口苗育苗器、可降解透氣紙杯。

2.2.1 深根窄口苗育苗器

通過觀察容器大小對(duì)植物生長的影響的細(xì)節(jié)，研究報(bào)告表明容器大小主要影響根的體積，減少容器大小可能限制根的發(fā)展，從而限制植物生長[45]。深根窄口苗育苗器為可循環(huán)使用的容器，包括外殼一和外殼二。外殼一右后側(cè)固定安裝了一個(gè)連接條，頂部內(nèi)側(cè)有一個(gè)半圓形窄口板，外殼二內(nèi)部也固定安裝有一個(gè)半圓形窄口板，內(nèi)側(cè)有多個(gè)等距半圓形限水片，通過外殼一和活動(dòng)外殼一與外殼二和活動(dòng)外殼二之間弧形滑塊和弧形導(dǎo)槽的配合，方便根據(jù)植物根莖的密度和長度調(diào)節(jié)內(nèi)部空間，鎖塊、彈性片和鎖板之間的配合脫膜時(shí)，相比于直接將其抽出幼苗的方式，可以更好的保護(hù)幼苗[41]，該育苗容器的特點(diǎn)在于抓住了不同幼苗的生長對(duì)育苗器的規(guī)格有不同需求的關(guān)鍵，合適規(guī)格的育苗容器，可以有效提高植株的生長速率和健康情況[46]，因此選擇合適的育苗容器對(duì)于作物幼苗的生長，尤其對(duì)谷物的產(chǎn)量具有較大影響[47]。

2.2.2 可降解透氣紙杯

可降解透氣紙杯育苗杯屬于可降解材質(zhì)育苗器，解決了幼苗容易盤根，不利于幼苗的根透氣和吸收水分的問題，包括紙杯本體和杯底，紙杯本體周側(cè)開有多個(gè)透氣孔，有利于幼苗根系的呼吸作用，對(duì)植物的生長和作物的生產(chǎn)效率都有較大的促進(jìn)作用，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較有意義[48]。透氣孔的一端內(nèi)壁固定有多個(gè)用于封閉透氣孔的封口片，封口片與紙杯一體成形。該育苗杯實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)了幼苗生長期的透氣，有利于幼苗的根延伸，有利于促進(jìn)幼苗的良好生長，通過紙杯本體和幼苗整體移植，減少了對(duì)幼苗的直接損傷[42]，同時(shí)紙杯本體在田地土壤內(nèi)能夠降解、吸收，減少了環(huán)境污染，更加環(huán)保。對(duì)比傳統(tǒng)育苗杯一次性不可降解的性質(zhì)，該育苗器大程度符合綠色環(huán)保，移入土壤后能被土壤中的微生物分解為營養(yǎng)成分改善植物生長環(huán)境，提供更多的生長養(yǎng)料，促使植株幼苗快速成長，提高作物產(chǎn)量，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有較高的推廣價(jià)值。圖16為目前較為常見的一種可降解透氣紙杯。

圖16 可降解透氣紙杯Fig.16 Degradable breathable paper cups

2.3 分層育苗框架結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)育苗器不方便拿取而且一般為單層結(jié)構(gòu)，對(duì)占地面積和立體空間的利用率較低。因此，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)為分層的育苗框架結(jié)構(gòu)，從而提高對(duì)對(duì)空間的利用率，例如作物移栽的種子育苗裝置，該育苗器包括多個(gè)育苗托盤，在每個(gè)育苗托盤的上端表面固定安裝有安裝支架，其上端設(shè)有安裝孔，便于多個(gè)育苗器的組裝，節(jié)約集成空間；安裝支架與安裝孔可以起到增強(qiáng)連接穩(wěn)定性的作用，同時(shí)育苗盤有把手，便于工作人員端??；育苗盤四角下有托盤支架，托盤上端表面開設(shè)有托盤凹槽，其上安裝有育苗盤蓋；該多層育苗器也支持循環(huán)使用，育苗裝置內(nèi)設(shè)置有既能拆卸且又能單獨(dú)培育的育苗器皿，使培育出來的芽苗中不夾雜有其它芽苗，容器位置固定，可以對(duì)種植密度起到精準(zhǔn)控制，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，而種子育苗裝置能自由的拆卸和組裝，使得在育苗過程中更加方便工作人員的操作[43]。圖17為目前較為常見的分層育苗框架。

圖17 分層育苗框架育苗裝置Fig.17 Hierarchical seedling raising frame seedling devices

此外，針對(duì)不同的植株幼苗，亦開發(fā)出與之相對(duì)應(yīng)的特殊育苗裝置和育苗盤?，F(xiàn)有的一種育苗裝置將育苗杯中安裝蓄水裝置，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，充足的水分有利于種子萌發(fā)和幼苗的成長，在土壤缺水的情況下，會(huì)影響到葉綠素含量和植株對(duì)外的氣體交換，因此水分充足有利于幼苗更好的成長[49]；另有將植株固定在育苗器中心位置的固定裝置、多個(gè)育苗杯排列一起組成連體式結(jié)構(gòu)的育苗穴盤（包括可拆分型和不可拆分型育苗器）等。

3 育苗容器的功能性

傳統(tǒng)容器苗無法避免重量大、體積大的特點(diǎn)，增加了運(yùn)輸成本，且傳統(tǒng)容器苗基質(zhì)中依然使用了大量泥土，造成種植區(qū)域的土壤肥力不夠，土質(zhì)越來越差。目前國內(nèi)多以使用塑料制品育苗為主，這樣的材料容易導(dǎo)致容器苗根部通風(fēng)、透氣性差的特點(diǎn)，從而出現(xiàn)根系盤旋生長的現(xiàn)象，苗木在定植后很長一段時(shí)間后才能逐步好轉(zhuǎn)。而新型育苗容器，具備了許多新型的功能，由于其選取材料，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，使其具有各種不同的功能性，不僅可以解決目前傳統(tǒng)育苗容器面臨的問題，對(duì)育苗也有著極大的幫助和便利。

3.1 節(jié)水性

例如淺山區(qū)水資源相對(duì)匱乏，無法大量地供應(yīng)林地灌溉所需用水，因此給苗木繁育工作帶來很大限制。采用容器育苗技術(shù)，不僅可以最大限度地提高水資源利用率，節(jié)約水資源，還可以起到保墑增溫的效果，提高育苗成活率[50]。因此節(jié)水性成了非常重要的一種功能。據(jù)調(diào)查可知，容器育苗對(duì)于干旱地區(qū)有明顯效果，而且苗木生長健壯，對(duì)于實(shí)施林業(yè)等重點(diǎn)工程，加快生態(tài)建設(shè)具有重要意義。宋占寶等[51]對(duì)冀北地區(qū)蘋果營養(yǎng)杯栽培情況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表5所示，證實(shí)了采用育苗器的節(jié)水效果。采用容器育苗可以改善氣候因子對(duì)苗木生產(chǎn)的影響，具有延長育苗時(shí)間、改善育苗環(huán)境、節(jié)水抗旱、節(jié)省人力物力、提高苗木品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，而且技術(shù)成熟，可以大面積推廣應(yīng)用[52]。

表5 蘋果營養(yǎng)杯節(jié)水延遲栽植生長情況調(diào)查表[51]Tab.5 Questionnaires on the growth of apple nutritional cup water saving and delayed planting[51]

3.2 平衡根系性

在我國的容器育苗工作中，為大眾所了解的育苗方法多為用塑料袋裝上黏土進(jìn)行育苗，然而這種方法在國外卻早己被淘汰。因?yàn)檫@種傳統(tǒng)的容器育苗方式雖然制作簡單、操作方便、價(jià)格低廉，但在育苗工作中卻暴露出了普遍存在窩根、偏根、稀根、弱根、隔水、不透氣等對(duì)根系生長不良的情況，培育出的苗木經(jīng)過人工造林后成活率低，進(jìn)一步制約我國用容器育苗造林的瓶頸，這也是我國人工造林質(zhì)量不高的主要原因之一[53]。根系發(fā)育狀況是影響造林成活率的重要因素，在培養(yǎng)基質(zhì)適宜的情況下，容器類型對(duì)根系發(fā)育起著關(guān)鍵作用。尤其當(dāng)容器大小成為幼苗生長的限制因素時(shí)，較大容器對(duì)于幼苗生長的促進(jìn)作用更為明顯。

3.3 光照性能

光照周期的減少對(duì)植物芽的形成沒有任何影響，但它降低了幼苗的生長和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的濃度，同時(shí)增加了植物的氮濃度。延遲光照周期處理的應(yīng)用增加了植物大小和發(fā)育芽的幼苗比例，并降低了植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和氮濃度[54]。在光照充分的地區(qū)，也會(huì)因?yàn)椴煌仓甑纳L方式，可能采光不能最大化[55]。光照性能此時(shí)便成了育苗容器的一個(gè)極為強(qiáng)大的功能。它擺脫了自然條件的束縛和地域性的限制，可以控制種苗生長周期，促進(jìn)種苗快速發(fā)育，為蔬菜的育苗創(chuàng)造了良好的生長環(huán)境。研究LED照明光譜對(duì)西蘭花幼苗GSL和萊菔子積累的影響結(jié)果表明，紅光質(zhì)量促進(jìn)了GSL的生物合成和萊菔子的積累，而藍(lán)光質(zhì)量抑制了這種作用。通過使用LED人工光照燈，紅光結(jié)合藍(lán)光對(duì)的生物合成和萊菔子的積累有積極作用。目前有一種新型提供光照均勻的果蔬育苗用培育設(shè)施，可以很好的解決現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)果蔬育苗的人工光照的均勻性較差、不能夠及時(shí)對(duì)育苗容器內(nèi)的培養(yǎng)基進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充而且補(bǔ)充效率也較低、培育箱不能夠方便移動(dòng)以及不能夠方便觀察的問題。通過橫向照燈、縱向照盤，且均設(shè)置密布小型LED燈珠，實(shí)現(xiàn)人工光照的均勻性，此新型結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)育苗容器內(nèi)的果蔬育苗進(jìn)行兩側(cè)以及頂部的全面均勻照射，有效提高了對(duì)果蔬育苗的人工光照的均勻性[56]。圖18為閉鎖型人工光照育苗系統(tǒng)。

圖18 閉鎖型人工光照育苗系統(tǒng)[55]Fig.18 Closed?type transplant production system under artificial light[55]

3.4 防蟲性

在過去的幾十年里，化學(xué)殺蟲劑在世界范圍內(nèi)被頻繁地用于管理害蟲，使得一些害蟲已經(jīng)進(jìn)化出對(duì)許多化學(xué)物質(zhì)的抗性，并且這些化學(xué)物質(zhì)對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)都是有害的[57?58]。新型育苗容器的防蟲行主要是以物理屏障來阻擋害蟲入侵、防止病蟲害發(fā)生和蔓延的一種農(nóng)用栽培技術(shù)。使用育苗器與防蟲育苗床相結(jié)合的方式，可以將保溫性、防蟲性等多種性能結(jié)合，一體化、自動(dòng)化對(duì)育苗棚進(jìn)行管理[59]。如一種新型防蟲式白及育苗容器，優(yōu)點(diǎn)在于在白及育苗容器本體頂部設(shè)有電網(wǎng)，通過電網(wǎng)通電可進(jìn)行防蟲，在電網(wǎng)的上方設(shè)置有防護(hù)網(wǎng)，從而形成兩重防護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于防蟲效果更好，而且在防護(hù)網(wǎng)和電網(wǎng)之間形成的空間端部設(shè)置吹風(fēng)機(jī)構(gòu)，通過吹風(fēng)機(jī)構(gòu)吹風(fēng)，一方面可使得蟲子無法通過防護(hù)網(wǎng)和電網(wǎng)之間形成的空間，進(jìn)一步提高防蟲效果，另一方面可保持白及育苗容器本體上方的空氣流動(dòng)，使得育苗的效果更好[60]。

3.5 可降解性

相比于傳統(tǒng)容器，可降解容器其主要成分是天然高分子材料，置于室外可自然分解，其一般壽命只有2年。因此在進(jìn)行造林時(shí)，無需將營養(yǎng)缽取下，避免了在取下營養(yǎng)缽過程中造成根系的“散坨”，同時(shí)，也避免了傳統(tǒng)營養(yǎng)缽回收等問題[61]。可降解育苗容器不僅能有效地利用營養(yǎng)基質(zhì)、有利于苗木根系的生長、提高了抗旱能力，提高了造林成活率，還減輕了杯體的質(zhì)量、縮小了杯體的體積。這一設(shè)計(jì)，由于減輕了質(zhì)量、減少了體積，首先，可以減少運(yùn)輸、搬運(yùn)成本；其次，可減少育苗土地租賃費(fèi)，提高育苗造林的經(jīng)濟(jì)效益[62]。

4 結(jié)語

隨著我國育苗技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，供育苗使用的可降解容器種類越來越多，全生物降解材料將成為未來主要方向。雖然有大量新型可降解材料不斷產(chǎn)生，但其成本相對(duì)較高，不利于廣泛推廣使用。因此，可采用農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、皮革業(yè)等生產(chǎn)廢棄物做原材料制作可降解育苗器，進(jìn)一步降低成本。此外，對(duì)于環(huán)保型可降解育苗器，不僅要考慮產(chǎn)品使用過程中對(duì)環(huán)境的影響，還應(yīng)考慮到其生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的影響。結(jié)構(gòu)方面，目前育苗結(jié)構(gòu)形式較為單一，多采用育苗架與單獨(dú)育苗器相組合的方式，未來可針對(duì)育苗架的空間構(gòu)造進(jìn)行更多設(shè)計(jì)，進(jìn)一步突出育苗器節(jié)約空間的優(yōu)勢。一些育苗容器的技術(shù)和理論還在發(fā)展之中，還有許多問題有待于進(jìn)一步研究完善。但是使用育苗容器可以縮短育苗時(shí)間，對(duì)于未來花卉、林木、珍貴植物的培育有至關(guān)重要的作用，仍然具有廣闊的發(fā)展前景。