王佳佳， 趙清竹， 周佩華， 賀殊敏， 楊 磊， 傅民杰

(延邊大學 農學院， 吉林 延吉 133002)

0 引言

我國以占世界7%的耕地養(yǎng)活了占世界22%的人口，農業(yè)可利用土地面臨巨大壓力[1]。與此同時，工業(yè)與城市污水的不合理排放和農業(yè)生產面源污染等使得我國47%的土壤遭受不同程度的破壞[2]，如重金屬污染、水土流失、土壤鹽堿化及土壤板結等問題日益突出；也導致了可用于農業(yè)生產的優(yōu)質土壤資源愈加緊缺。因此，以基質為土壤替代物的栽培方式應運而生，其中，以基質化育苗的研究和應用最為廣泛。傳統(tǒng)育苗過程中存在許多弊端，如需要根據(jù)幼苗的生長需求對育苗土壤進行前期處理，工序較為復雜；育苗土壤質量參差不齊，容易造成病蟲草害；育苗土容重較大，不便于運輸，增加生產成本[3]等問題，嚴重影響幼苗的成苗率、整齊度和秧苗素質，經(jīng)濟效益也遭受一定損失[4]。隨著我國人民生活水平的不斷提高，設施蔬菜產業(yè)正朝著規(guī)?；⒓s化發(fā)展，對苗床土有了更大的需求和更高的要求。育苗基質因具有經(jīng)濟、高效、環(huán)保等特點而逐漸被廣泛使用，一方面緩解了在育苗過程中對耕地土壤的過度依賴，另一方面更加經(jīng)濟高效。從育苗基質的發(fā)展歷程、原料、理化性狀及要求等育苗基質概況和有機腐熟物、礦物質資源及新型基質材料等育苗基質的開發(fā)利用方面對當前農業(yè)生產蔬菜育苗過程中的基質化研究與應用進行分析與歸納，提出草炭替代品使用、基質配方和工藝水準、基質的系統(tǒng)性研究等方面存在的問題與今后的研究方向，以期為促進蔬菜基質化育苗的深入研究和育苗基質的開發(fā)利用提供借鑒與指導。

1 育苗基質概況

1.1 育苗基質的發(fā)展歷程

育苗基質是指根據(jù)植物的生長特性，使用無機、有機材料或搭配微生物制劑制作而成的優(yōu)良土壤或無土栽培基質[5]?；|栽培源于無土栽培，而傳統(tǒng)的無土栽培僅指使用營養(yǎng)液供給植物正常生長，育苗栽培擁有土壤栽培的優(yōu)點，同時彌補了營養(yǎng)液栽培的操作不便和成本高等缺點。隨著農業(yè)種植結構的調整和設施農業(yè)的快速發(fā)展，育苗基質的應用愈加廣泛，逐漸成為育苗過程中不可或缺的一部分。

最早的基質栽培可追溯到19世紀中葉，國外植物營養(yǎng)學家及生理學家利用填有砂礫或石英的涂蠟或純蠟器具培育燕麥，以證明植物的正常生長需要N、P、K等營養(yǎng)元素[6]。薩姆于19世紀60年代將砂礫、巖棉、活性炭和石英砂等材料混合制成育苗基質用于研究燕麥的生長狀況。至20世紀70年代，國外學者發(fā)現(xiàn)，草炭用于栽培基質可實現(xiàn)較好的種植效果；后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)草炭搭配蛭石、珍珠巖等物質效果更好[7]。同期由美國康奈爾大學研究制作的混合基質和英國農業(yè)科研機構研發(fā)的GCRI混合物得到了較廣泛的應用[8]。20世紀90年代以后，隨著科技的進步，各國有關栽培基質的研究進一步深入，主要針對基質的選擇、穩(wěn)定性、成本、生產工藝及利用率等方面。NICOLE等[9]對多種混合基質的pH、孔隙度、養(yǎng)分平衡等理化性質進行評價并提出相應的栽培技術。李斗爭等[10]認為，泥炭具有質地輕、結構穩(wěn)定和持水性強等理化特點，可用于栽培基質。目前，荷蘭的無土栽培技術處于國際領先水平，20世紀80年代其蔬菜無土栽培面積就已高達3 500 hm2，并實現(xiàn)了育苗產業(yè)的自動化和機械化，生產的蔬菜和花卉幼苗在滿足國內需求之余還大量出口國外[11]。

我國對育苗基質的研究起步較晚[12]，20世紀30年代建立的上海四維農場是我國最早的無土栽培農場，當時使用混有煤渣的栽培基質培育番茄、黃瓜和西瓜[13]。1941年我國出版了最早的有關無土栽培的書籍——《無土栽培淺說》。1987年2月我國建成首座包含育苗、種植和收割等完整工序的現(xiàn)代化無土栽培工廠，實現(xiàn)了自動化和機械化生產[14-15]。1991年，我國農業(yè)部將工廠化育苗定為“八五”期間重點項目，隨后中國農業(yè)科學院成功地將農業(yè)廢棄物應用到栽培基質中；“九五”期間又將育苗基質列為其中的重點研發(fā)內容，在杭州和沈陽等地建立了農業(yè)示范點，主要研究輕質穴盤育苗[16]。近年來，隨著我國苗木產業(yè)的迅速發(fā)展，土地資源愈加緊缺，具有巨大潛力的育苗基質受到越來越多的關注，并朝著高效節(jié)肥及經(jīng)濟環(huán)保的方向發(fā)展。

1.2 育苗基質的原料

目前，育苗基質按照原料類型主要分為3類：有機基質、無機基質和混合基質[17]。有機基質是指采用草炭、稻殼、秸稈和菌渣等有機物經(jīng)高溫發(fā)酵處理后，按照一定比例混合所形成的穩(wěn)定并具有緩沖作用的全營養(yǎng)基質原料。無機基質指一些天然礦物或經(jīng)高溫等處理后的產物，如巖棉、蛭石、沙和珍珠巖等物質?；旌匣|是2種以上不同性質的基質按一定配方和工藝混合，為植物生長提供適當?shù)乃?、肥、氣及熱等條件的基質。草炭和食用菌菌渣是目前應用較為廣泛的基質原料。

1.2.1 草炭 草炭又名泥炭，是沼澤、濕地植物殘體在地下多水嫌氣的環(huán)境下歷經(jīng)長久堆積，植物殘體未完全分解形成的純天然有機物質，其中富含有機質、纖維素及氮、磷、鉀、鈣、錳等多種元素，并擁有疏松多孔、通氣透水、無毒、無菌、無污染等特點，是目前公認在育苗中具有良好效果的基質原料[18]。此外，草炭中含有大量的腐殖酸，可提高離子的吸附螯合和交換能力，且腐殖酸中的自由基在植物體內的氧化還原反應中也有著重要的作用[19]。我國草炭資源已探明有129億m3，儲量較為豐富，但其中近60%分布在西北及西南高原地區(qū)，出于開發(fā)、運輸成本高和生態(tài)保護等原因，該草炭資源未能開發(fā)。國產草炭主要來源于云南、內蒙古和東北地區(qū)，可供開采量約為50億m3，遠遠不能滿足國內的需求，因此，我國草炭資源主要以進口為主。然而草炭基本為不可再生資源且全球儲量十分有限，隨著大量的開發(fā)應用，草炭資源愈加緊缺，尋找能夠替代草炭的原料已迫在眉睫[20-21]。王忠強等[22]研究發(fā)現(xiàn)，椰糠的物理、化學性質與草炭相近，在育苗過程中能達到與草炭相近的效果。椰糠來源于椰子外殼纖維，屬于可再生資源，符合環(huán)保要求，已逐漸成為多國替代草炭原料的首選[23]。

1.2.2 食用菌菌渣 我國是食用菌生產大國，2016年食用菌生產量已占全球的70%[24]。李學梅[25]研究發(fā)現(xiàn)，每生產100 kg的食用菌就產生60 kg的菌渣廢料；但由于產生的菌渣不能得到妥善處理，而對周圍水體和土壤造成嚴重的污染[26]。食用菌菌渣具有容重輕、疏松多孔及持水透氣等特點，且其中富含大量有機質、微量元素和菌絲體，菌絲體在生長發(fā)育過程中又會分泌菌體蛋白等次生代謝產物，因此，菌渣基質化利用既可改善基質的理化性質、滿足植物的正常生長[27]，又能變廢為寶，緩解環(huán)境污染壓力。大量研究表明，食用菌菌渣是能夠代替草炭的優(yōu)良材料。王曉娥等[28]研究表明，使用菌渣代替部分草炭搭配玉米秸稈制成栽培基質，當草炭、玉米秸稈和菌渣的體積比為5∶2∶3時對番茄幼苗的育苗效果最好，出苗率為97.1%。吳松展等[29]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞、蛭石、菌渣和珍珠巖等比例混配的育苗基質能使煙草幼苗在生長指標和生理活性指標方面均具有明顯優(yōu)勢。杜彥梅等[30]研究顯示，用菌渣、有機肥、蛭石按8∶1∶1和7∶1∶2的比例混配而成的辣椒育苗基質擁有較好的理化性質，其培養(yǎng)的辣椒幼苗在生長指標方面表現(xiàn)較優(yōu)，壯苗指數(shù)分別比對照提高133.3%和222.2%。

1.3 育苗基質的理化性狀

合格的育苗基質須滿足植物對水分、養(yǎng)分、氣體交換和支撐等方面的需求，而這些均取決于基質的理化性狀。

1.3.1 物理性狀 基質的物理性狀主要包括粒徑、容重、總孔隙度等。

1) 粒徑。基質的粒徑用顆粒的直徑衡量，其大小影響容重、孔隙度等性狀。粒徑的大小與容重成正比，與孔隙度成反比?；|粒徑過大，則透氣性強而持水性差，反之則透氣性差持水性強，若要兼顧二者，需選擇不同大小粒徑的基質材料相互搭配，達到既透氣又持水的效果。崔秀敏等[31]研究認為，育苗基質的適宜粒徑大小應為0.5～5 mm，且基質中粒徑小于0.5 mm的顆粒最好低于總量的5%。

2) 容重。指單位體積下基質的干重。不同的基質材料容重差別較大，若基質容重過大，相對密度較大，不便于操作與運輸，同時孔隙度較小造成透氣性差，不利于幼苗發(fā)育。若容重過小，基質過輕且缺乏黏結力，不利于幼苗根系的固定。游瑩卓[32]研究表明，理想的育苗基質容重應低于0.4 g/cm3；瓜菜育苗基質容重應為0.15～0.40 g/cm3[33]。

3) 總孔隙度。指基質中通氣孔隙與持水孔隙之和?；|總孔隙度較大時，質地疏松，具有良好的通氣透水性，有利于幼苗根系的發(fā)育，但支撐性較差；反之則基質中水、氣容納量小，不利于幼苗生長。通常要求育苗基質總孔隙度為54%～96%即可。

1.3.2 化學性狀 基質的化學性狀包括有效成分、酸堿度、緩沖能力及鹽基交換量等。

1) 有效成分。包含有機質、氮、磷及鉀等植物生長必需的大量和微量營養(yǎng)元素。有機質是植物營養(yǎng)的主要來源之一，可提高基質的保肥性和緩沖性，與基質肥力水平成正相關。必需營養(yǎng)元素對植物有著直接或間接的營養(yǎng)作用，是植物完成正常生命活動的前提。

2) 酸堿度。即pH，其大小影響植物對養(yǎng)分的有效吸收，如磷元素在pH較高時發(fā)生沉淀，適宜酸堿度為5.5。蔬菜幼苗對基質的酸堿度較敏感，應保持基質的酸堿度相對穩(wěn)定，且最好控制在5.8～7.0[31]。

3) 緩沖能力。主要指基質在酸堿度和鹽度發(fā)生變化時保持穩(wěn)定的能力。緩沖力的大小主要由鹽基交換量和基質中的弱酸及鹽類的含量決定[33]。良好的緩沖力能為植物根系提供穩(wěn)定的生長環(huán)境，通常有機基質相比無機基質擁有更大的緩沖能力。

4) 鹽基交換量。又稱陽離子代換量，代表基質對養(yǎng)分的吸附保存和抵抗養(yǎng)分淋洗的能力，通常要求基質的鹽基交換量為10～100 me/100cm3。

1.4 育苗基質的要求

優(yōu)質育苗基質需具備良好的基本理化性狀、生物特性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。具體需要滿足以下要求： 一是基質的理化性狀需要滿足幼苗生長所需的水、肥、氣和熱，同時可為植株提供足夠的支撐和緩沖能力。二是無草籽、病原菌、害蟲卵和有害微生物等。三是基質材料來源廣，開發(fā)、加工及運輸成本較低。四是基質在開發(fā)、使用前后對環(huán)境不產生不良影響。五是混合基質的原材料種類最好控制在3種以內。除此之外，還需用所培育的蔬菜幼苗對基質的適用性做出評價。如黃瓜的壯苗標準：黃瓜的出苗率在90%以上；具有3～5片真葉，真葉水平展開，子葉健全，葉片深綠，厚實肥大；株高10～15 cm，下胚軸長度不超過6 cm，莖粗5～6 mm；根系潔白，根毛發(fā)達，長勢強而敦實。

2 育苗基質的開發(fā)利用

目前對于育苗基質的研究方向主要集中在草炭替代原料的探索和混合基質組分的最佳配比方面。近些年已研制開發(fā)出多種類、來源廣的基質原料，大體分為有機腐熟物類、礦物質資源類和新型材料類等3類基質。

2.1 有機腐熟物

此類基質的原料來源較廣，本身含有大量有機質，在經(jīng)腐熟或加工后能夠提供豐富營養(yǎng)，同時在使用前后基本不產生污染，是目前研究的主流方向。黃麗云等[34]以椰糠和羊糞為原材料篩選適合檳榔苗生長的育苗基質發(fā)現(xiàn)，按體積比為紅壤土∶椰糠∶羊糞=6∶3∶1時檳榔苗的綜合表現(xiàn)最好。趙艷艷等[35]研究農業(yè)廢棄物牛糞和油菜秸稈自制無土栽培基質對黃瓜等蔬菜育苗的影響發(fā)現(xiàn)，自制腐熟基質與草炭按體積比1∶1混合培育的黃瓜出苗率和地上、地下生長量最高，生長指標也表現(xiàn)最好。馬艷等[36]探究棉花秸稈基質化利用的效果發(fā)現(xiàn)，以粉碎棉花秸稈為主要原料的基質培育出的黃瓜幼苗在生長形態(tài)、干物質積累及壯苗指數(shù)等方面表現(xiàn)良好，表明棉花秸稈可代替草炭作基質原料。孫建文等[37]以梭梭苗為研究發(fā)現(xiàn)，園土∶河沙∶腐熟羊糞的體積比為1∶1∶1培養(yǎng)的梭梭苗多項生長指標表現(xiàn)較優(yōu)。王躍華等[38]研究椰糠與市售基質不同配比對白菜幼苗的影響發(fā)現(xiàn)，加入椰糠可有效改善基質的透氣性與保水性，按體積比為椰糠∶市售基質=1∶3時白菜幼苗的長勢較好，此配比可在農業(yè)生產中推廣。

2.2 礦物質資源

此類材料的優(yōu)點在于性質穩(wěn)定，一般經(jīng)過簡單加工便可直接使用。除草炭外，其他礦物質資源多為無機物，不能提供植物生長所需的營養(yǎng)物質，基質化利用時需要額外加入有機質或營養(yǎng)液，更多的是搭配有機原料使用，用以調節(jié)基質的容重、孔隙度等物理性狀，在一定程度上可減少草炭的用量。為實現(xiàn)粉煤灰的資源化利用，張強等[39]研究表明，以粉煤灰為主要原材料，按照粉煤灰∶菇渣∶蛭石=3∶1∶2配比制成的基質，其培育的黃瓜幼苗生長狀況較商品基質更優(yōu)。管理和[40]研究草炭、蛭石和珍珠巖不同配比基質對黃瓜等蔬菜幼苗的生長、壯苗指標的影響發(fā)現(xiàn)，草炭∶蛭石∶珍珠巖=6∶4∶0和6∶3∶1的配方優(yōu)勢明顯，建議夏季使用6∶4∶0的混合比例，冬季使用6∶3∶1的混合比例。徐文兵[41]研究粉煤灰替代草炭進行煙草育苗發(fā)現(xiàn)，25%草木灰+75%粉煤灰的育苗效果較優(yōu)，可代替商品基質。王佳等[42]以高爐礦渣為原材料部分代替草炭用于烤煙育苗，結果表明，高爐礦渣替代量為30%時煙草幼苗的農藝性狀和生理指標表現(xiàn)最好。

2.3 新型基質材料

新型基質材料以保水劑為典型代表。保水劑是一種吸水性極強的功能高分子材料，無毒無害，安全環(huán)保，可反復吸水釋水，被喻為“微型水庫”。此外，保水劑還能改善土壤物理性質，促進土壤團粒結構的形成，抑制土壤水分蒸發(fā)，對于緩解我國水資源緊缺，提高水肥利用率具有重要意義[43]。保水劑應用于育苗基質中可有效增強基質的保水保肥能力[32]。王越等[44]比較微晶纖維素保水劑和秸稈沼渣保水劑對黃瓜育苗的影響發(fā)現(xiàn)，2種保水劑皆能改善基質的理化性質，提高其持水力和保水力；適當濃度的保水劑可提高黃瓜幼苗的壯苗指數(shù)及根系活力。游卓瑩等[45]將草炭、菇渣、珍珠巖和蛭石按一定比例混合作為基質，探究施加不同劑量的保水劑對黃瓜穴盤育苗的影響發(fā)現(xiàn)，按照4 g/L劑量施用保水劑可使黃瓜幼苗的莖粗、葉綠素含量、根系活力和壯苗指數(shù)等方面優(yōu)于其他處理。劉宇蓮[46]研究發(fā)現(xiàn)，在育苗基質中添加適量的保水劑可改變黃瓜幼苗葉片的光合色素含量和葉綠素熒光參數(shù)，從而促進葉片的生長和干物質的積累。李雪嫄等[47]將自制硼緩釋型吸水性樹脂用于油菜育苗，結果表明，適當增加含硼吸水性樹脂的用量可有效改善育苗基質理化性質，促進油菜幼苗生長。于明英[48]研究保水劑對沙培小油菜的影響發(fā)現(xiàn)，保水劑可促進小油菜生長，提高單株平均產量，且保水劑濃度為90 kg/hm2時小油菜的生長狀況表現(xiàn)最優(yōu)。

3 問題與展望

隨著科技的進步和農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，育苗基質的研究與應用也進入了繁榮時期，在取得許多成果的同時也暴露了不少問題。一是現(xiàn)階段仍然不能避免草炭的使用。雖然目前已經(jīng)開發(fā)出椰糠、食用菌菌渣等多種材料用以代替草炭，但相比草炭仍有不足。建議今后應對不同基質原料進行研究梳理，不同原料配合使用時應做到優(yōu)勢互補，最大程度地擺脫對草炭的依賴。二是配方和工藝水準有待加強。目前國內基質生產還在原料簡單配合的初級階段，尚未達到按原料粒度篩分、粒徑組配的標準化生產階段，導致不同批次生產的基質質量參差不齊，使用效果不能得到保證，造成育苗事故頻發(fā)[46]。因此，有必要向國外學習標準化的基質制備技術，研發(fā)專業(yè)設備，掌握粒度篩分、粒徑組配工藝，實現(xiàn)從配合基質到定制基質的轉變。三是對于育苗基質的研究缺乏系統(tǒng)性。目前的研究主要集中于育苗基質配方的篩選，更多關注的是某種特定基質下幼苗的生長狀況，而缺乏基質原材料的處理方法-物料的設計搭配-試驗篩選-從基質的理化性狀和植物生理、生化方面合理解釋幼苗所表現(xiàn)的生長狀況-得出結論的系統(tǒng)性研究。因此，建議從源頭入手，完善育苗基質研究的理論與應用體系。