育苗基质概况与开发应用研究进展

王佳佳， 赵清竹， 周佩华， 贺殊敏， 杨 磊， 傅民杰

(延边大学 农学院， 吉林 延吉 133002)

0 引言

我国以占世界7%的耕地养活了占世界22%的人口，农业可利用土地面临巨大压力[1]。与此同时，工业与城市污水的不合理排放和农业生产面源污染等使得我国47%的土壤遭受不同程度的破坏[2]，如重金属污染、水土流失、土壤盐碱化及土壤板结等问题日益突出；也导致了可用于农业生产的优质土壤资源愈加紧缺。因此，以基质为土壤替代物的栽培方式应运而生，其中，以基质化育苗的研究和应用最为广泛。传统育苗过程中存在许多弊端，如需要根据幼苗的生长需求对育苗土壤进行前期处理，工序较为复杂；育苗土壤质量参差不齐，容易造成病虫草害；育苗土容重较大，不便于运输，增加生产成本[3]等问题，严重影响幼苗的成苗率、整齐度和秧苗素质，经济效益也遭受一定损失[4]。随着我国人民生活水平的不断提高，设施蔬菜产业正朝着规模化、集约化发展，对苗床土有了更大的需求和更高的要求。育苗基质因具有经济、高效、环保等特点而逐渐被广泛使用，一方面缓解了在育苗过程中对耕地土壤的过度依赖，另一方面更加经济高效。从育苗基质的发展历程、原料、理化性状及要求等育苗基质概况和有机腐熟物、矿物质资源及新型基质材料等育苗基质的开发利用方面对当前农业生产蔬菜育苗过程中的基质化研究与应用进行分析与归纳，提出草炭替代品使用、基质配方和工艺水准、基质的系统性研究等方面存在的问题与今后的研究方向，以期为促进蔬菜基质化育苗的深入研究和育苗基质的开发利用提供借鉴与指导。

1 育苗基质概况

1.1 育苗基质的发展历程

育苗基质是指根据植物的生长特性，使用无机、有机材料或搭配微生物制剂制作而成的优良土壤或无土栽培基质[5]。基质栽培源于无土栽培，而传统的无土栽培仅指使用营养液供给植物正常生长，育苗栽培拥有土壤栽培的优点，同时弥补了营养液栽培的操作不便和成本高等缺点。随着农业种植结构的调整和设施农业的快速发展，育苗基质的应用愈加广泛，逐渐成为育苗过程中不可或缺的一部分。

最早的基质栽培可追溯到19世纪中叶，国外植物营养学家及生理学家利用填有砂砾或石英的涂蜡或纯蜡器具培育燕麦，以证明植物的正常生长需要N、P、K等营养元素[6]。萨姆于19世纪60年代将砂砾、岩棉、活性炭和石英砂等材料混合制成育苗基质用于研究燕麦的生长状况。至20世纪70年代，国外学者发现，草炭用于栽培基质可实现较好的种植效果；后经研究发现草炭搭配蛭石、珍珠岩等物质效果更好[7]。同期由美国康奈尔大学研究制作的混合基质和英国农业科研机构研发的GCRI混合物得到了较广泛的应用[8]。20世纪90年代以后，随着科技的进步，各国有关栽培基质的研究进一步深入，主要针对基质的选择、稳定性、成本、生产工艺及利用率等方面。NICOLE等[9]对多种混合基质的pH、孔隙度、养分平衡等理化性质进行评价并提出相应的栽培技术。李斗争等[10]认为，泥炭具有质地轻、结构稳定和持水性强等理化特点，可用于栽培基质。目前，荷兰的无土栽培技术处于国际领先水平，20世纪80年代其蔬菜无土栽培面积就已高达3 500 hm2，并实现了育苗产业的自动化和机械化，生产的蔬菜和花卉幼苗在满足国内需求之余还大量出口国外[11]。

我国对育苗基质的研究起步较晚[12]，20世纪30年代建立的上海四维农场是我国最早的无土栽培农场，当时使用混有煤渣的栽培基质培育番茄、黄瓜和西瓜[13]。1941年我国出版了最早的有关无土栽培的书籍——《无土栽培浅说》。1987年2月我国建成首座包含育苗、种植和收割等完整工序的现代化无土栽培工厂，实现了自动化和机械化生产[14-15]。1991年，我国农业部将工厂化育苗定为“八五”期间重点项目，随后中国农业科学院成功地将农业废弃物应用到栽培基质中；“九五”期间又将育苗基质列为其中的重点研发内容，在杭州和沈阳等地建立了农业示范点，主要研究轻质穴盘育苗[16]。近年来，随着我国苗木产业的迅速发展，土地资源愈加紧缺，具有巨大潜力的育苗基质受到越来越多的关注，并朝着高效节肥及经济环保的方向发展。

1.2 育苗基质的原料

目前，育苗基质按照原料类型主要分为3类：有机基质、无机基质和混合基质[17]。有机基质是指采用草炭、稻壳、秸秆和菌渣等有机物经高温发酵处理后，按照一定比例混合所形成的稳定并具有缓冲作用的全营养基质原料。无机基质指一些天然矿物或经高温等处理后的产物，如岩棉、蛭石、沙和珍珠岩等物质。混合基质是2种以上不同性质的基质按一定配方和工艺混合，为植物生长提供适当的水、肥、气及热等条件的基质。草炭和食用菌菌渣是目前应用较为广泛的基质原料。

1.2.1 草炭 草炭又名泥炭，是沼泽、湿地植物残体在地下多水嫌气的环境下历经长久堆积，植物残体未完全分解形成的纯天然有机物质，其中富含有机质、纤维素及氮、磷、钾、钙、锰等多种元素，并拥有疏松多孔、通气透水、无毒、无菌、无污染等特点，是目前公认在育苗中具有良好效果的基质原料[18]。此外，草炭中含有大量的腐殖酸，可提高离子的吸附螯合和交换能力，且腐殖酸中的自由基在植物体内的氧化还原反应中也有着重要的作用[19]。我国草炭资源已探明有129亿m3，储量较为丰富，但其中近60%分布在西北及西南高原地区，出于开发、运输成本高和生态保护等原因，该草炭资源未能开发。国产草炭主要来源于云南、内蒙古和东北地区，可供开采量约为50亿m3，远远不能满足国内的需求，因此，我国草炭资源主要以进口为主。然而草炭基本为不可再生资源且全球储量十分有限，随着大量的开发应用，草炭资源愈加紧缺，寻找能够替代草炭的原料已迫在眉睫[20-21]。王忠强等[22]研究发现，椰糠的物理、化学性质与草炭相近，在育苗过程中能达到与草炭相近的效果。椰糠来源于椰子外壳纤维，属于可再生资源，符合环保要求，已逐渐成为多国替代草炭原料的首选[23]。

1.2.2 食用菌菌渣 我国是食用菌生产大国，2016年食用菌生产量已占全球的70%[24]。李学梅[25]研究发现，每生产100 kg的食用菌就产生60 kg的菌渣废料；但由于产生的菌渣不能得到妥善处理，而对周围水体和土壤造成严重的污染[26]。食用菌菌渣具有容重轻、疏松多孔及持水透气等特点，且其中富含大量有机质、微量元素和菌丝体，菌丝体在生长发育过程中又会分泌菌体蛋白等次生代谢产物，因此，菌渣基质化利用既可改善基质的理化性质、满足植物的正常生长[27]，又能变废为宝，缓解环境污染压力。大量研究表明，食用菌菌渣是能够代替草炭的优良材料。王晓娥等[28]研究表明，使用菌渣代替部分草炭搭配玉米秸秆制成栽培基质，当草炭、玉米秸秆和菌渣的体积比为5∶2∶3时对番茄幼苗的育苗效果最好，出苗率为97.1%。吴松展等[29]研究发现，蚯蚓粪、蛭石、菌渣和珍珠岩等比例混配的育苗基质能使烟草幼苗在生长指标和生理活性指标方面均具有明显优势。杜彦梅等[30]研究显示，用菌渣、有机肥、蛭石按8∶1∶1和7∶1∶2的比例混配而成的辣椒育苗基质拥有较好的理化性质，其培养的辣椒幼苗在生长指标方面表现较优，壮苗指数分别比对照提高133.3%和222.2%。

1.3 育苗基质的理化性状

合格的育苗基质须满足植物对水分、养分、气体交换和支撑等方面的需求，而这些均取决于基质的理化性状。

1.3.1 物理性状 基质的物理性状主要包括粒径、容重、总孔隙度等。

1) 粒径。基质的粒径用颗粒的直径衡量，其大小影响容重、孔隙度等性状。粒径的大小与容重成正比，与孔隙度成反比。基质粒径过大，则透气性强而持水性差，反之则透气性差持水性强，若要兼顾二者，需选择不同大小粒径的基质材料相互搭配，达到既透气又持水的效果。崔秀敏等[31]研究认为，育苗基质的适宜粒径大小应为0.5～5 mm，且基质中粒径小于0.5 mm的颗粒最好低于总量的5%。

2) 容重。指单位体积下基质的干重。不同的基质材料容重差别较大，若基质容重过大，相对密度较大，不便于操作与运输，同时孔隙度较小造成透气性差，不利于幼苗发育。若容重过小，基质过轻且缺乏黏结力，不利于幼苗根系的固定。游莹卓[32]研究表明，理想的育苗基质容重应低于0.4 g/cm3；瓜菜育苗基质容重应为0.15～0.40 g/cm3[33]。

3) 总孔隙度。指基质中通气孔隙与持水孔隙之和。基质总孔隙度较大时，质地疏松，具有良好的通气透水性，有利于幼苗根系的发育，但支撑性较差；反之则基质中水、气容纳量小，不利于幼苗生长。通常要求育苗基质总孔隙度为54%～96%即可。

1.3.2 化学性状 基质的化学性状包括有效成分、酸碱度、缓冲能力及盐基交换量等。

1) 有效成分。包含有机质、氮、磷及钾等植物生长必需的大量和微量营养元素。有机质是植物营养的主要来源之一，可提高基质的保肥性和缓冲性，与基质肥力水平成正相关。必需营养元素对植物有着直接或间接的营养作用，是植物完成正常生命活动的前提。

2) 酸碱度。即pH，其大小影响植物对养分的有效吸收，如磷元素在pH较高时发生沉淀，适宜酸碱度为5.5。蔬菜幼苗对基质的酸碱度较敏感，应保持基质的酸碱度相对稳定，且最好控制在5.8～7.0[31]。

3) 缓冲能力。主要指基质在酸碱度和盐度发生变化时保持稳定的能力。缓冲力的大小主要由盐基交换量和基质中的弱酸及盐类的含量决定[33]。良好的缓冲力能为植物根系提供稳定的生长环境，通常有机基质相比无机基质拥有更大的缓冲能力。

4) 盐基交换量。又称阳离子代换量，代表基质对养分的吸附保存和抵抗养分淋洗的能力，通常要求基质的盐基交换量为10～100 me/100cm3。

1.4 育苗基质的要求

优质育苗基质需具备良好的基本理化性状、生物特性、经济性和环保性。具体需要满足以下要求： 一是基质的理化性状需要满足幼苗生长所需的水、肥、气和热，同时可为植株提供足够的支撑和缓冲能力。二是无草籽、病原菌、害虫卵和有害微生物等。三是基质材料来源广，开发、加工及运输成本较低。四是基质在开发、使用前后对环境不产生不良影响。五是混合基质的原材料种类最好控制在3种以内。除此之外，还需用所培育的蔬菜幼苗对基质的适用性做出评价。如黄瓜的壮苗标准：黄瓜的出苗率在90%以上；具有3～5片真叶，真叶水平展开，子叶健全，叶片深绿，厚实肥大；株高10～15 cm，下胚轴长度不超过6 cm，茎粗5～6 mm；根系洁白，根毛发达，长势强而敦实。

2 育苗基质的开发利用

目前对于育苗基质的研究方向主要集中在草炭替代原料的探索和混合基质组分的最佳配比方面。近些年已研制开发出多种类、来源广的基质原料，大体分为有机腐熟物类、矿物质资源类和新型材料类等3类基质。

2.1 有机腐熟物

此类基质的原料来源较广，本身含有大量有机质，在经腐熟或加工后能够提供丰富营养，同时在使用前后基本不产生污染，是目前研究的主流方向。黄丽云等[34]以椰糠和羊粪为原材料筛选适合槟榔苗生长的育苗基质发现，按体积比为红壤土∶椰糠∶羊粪=6∶3∶1时槟榔苗的综合表现最好。赵艳艳等[35]研究农业废弃物牛粪和油菜秸秆自制无土栽培基质对黄瓜等蔬菜育苗的影响发现，自制腐熟基质与草炭按体积比1∶1混合培育的黄瓜出苗率和地上、地下生长量最高，生长指标也表现最好。马艳等[36]探究棉花秸秆基质化利用的效果发现，以粉碎棉花秸秆为主要原料的基质培育出的黄瓜幼苗在生长形态、干物质积累及壮苗指数等方面表现良好，表明棉花秸秆可代替草炭作基质原料。孙建文等[37]以梭梭苗为研究发现，园土∶河沙∶腐熟羊粪的体积比为1∶1∶1培养的梭梭苗多项生长指标表现较优。王跃华等[38]研究椰糠与市售基质不同配比对白菜幼苗的影响发现，加入椰糠可有效改善基质的透气性与保水性，按体积比为椰糠∶市售基质=1∶3时白菜幼苗的长势较好，此配比可在农业生产中推广。

2.2 矿物质资源

此类材料的优点在于性质稳定，一般经过简单加工便可直接使用。除草炭外，其他矿物质资源多为无机物，不能提供植物生长所需的营养物质，基质化利用时需要额外加入有机质或营养液，更多的是搭配有机原料使用，用以调节基质的容重、孔隙度等物理性状，在一定程度上可减少草炭的用量。为实现粉煤灰的资源化利用，张强等[39]研究表明，以粉煤灰为主要原材料，按照粉煤灰∶菇渣∶蛭石=3∶1∶2配比制成的基质，其培育的黄瓜幼苗生长状况较商品基质更优。管理和[40]研究草炭、蛭石和珍珠岩不同配比基质对黄瓜等蔬菜幼苗的生长、壮苗指标的影响发现，草炭∶蛭石∶珍珠岩=6∶4∶0和6∶3∶1的配方优势明显，建议夏季使用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进行烟草育苗发现，25%草木灰+75%粉煤灰的育苗效果较优，可代替商品基质。王佳等[42]以高炉矿渣为原材料部分代替草炭用于烤烟育苗，结果表明，高炉矿渣替代量为30%时烟草幼苗的农艺性状和生理指标表现最好。

2.3 新型基质材料

新型基质材料以保水剂为典型代表。保水剂是一种吸水性极强的功能高分子材料，无毒无害，安全环保，可反复吸水释水，被喻为“微型水库”。此外，保水剂还能改善土壤物理性质，促进土壤团粒结构的形成，抑制土壤水分蒸发，对于缓解我国水资源紧缺，提高水肥利用率具有重要意义[43]。保水剂应用于育苗基质中可有效增强基质的保水保肥能力[32]。王越等[44]比较微晶纤维素保水剂和秸秆沼渣保水剂对黄瓜育苗的影响发现，2种保水剂皆能改善基质的理化性质，提高其持水力和保水力；适当浓度的保水剂可提高黄瓜幼苗的壮苗指数及根系活力。游卓莹等[45]将草炭、菇渣、珍珠岩和蛭石按一定比例混合作为基质，探究施加不同剂量的保水剂对黄瓜穴盘育苗的影响发现，按照4 g/L剂量施用保水剂可使黄瓜幼苗的茎粗、叶绿素含量、根系活力和壮苗指数等方面优于其他处理。刘宇莲[46]研究发现，在育苗基质中添加适量的保水剂可改变黄瓜幼苗叶片的光合色素含量和叶绿素荧光参数，从而促进叶片的生长和干物质的积累。李雪嫄等[47]将自制硼缓释型吸水性树脂用于油菜育苗，结果表明，适当增加含硼吸水性树脂的用量可有效改善育苗基质理化性质，促进油菜幼苗生长。于明英[48]研究保水剂对沙培小油菜的影响发现，保水剂可促进小油菜生长，提高单株平均产量，且保水剂浓度为90 kg/hm2时小油菜的生长状况表现最优。

3 问题与展望

随着科技的进步和农业现代化的发展，育苗基质的研究与应用也进入了繁荣时期，在取得许多成果的同时也暴露了不少问题。一是现阶段仍然不能避免草炭的使用。虽然目前已经开发出椰糠、食用菌菌渣等多种材料用以代替草炭，但相比草炭仍有不足。建议今后应对不同基质原料进行研究梳理，不同原料配合使用时应做到优势互补，最大程度地摆脱对草炭的依赖。二是配方和工艺水准有待加强。目前国内基质生产还在原料简单配合的初级阶段，尚未达到按原料粒度筛分、粒径组配的标准化生产阶段，导致不同批次生产的基质质量参差不齐，使用效果不能得到保证，造成育苗事故频发[46]。因此，有必要向国外学习标准化的基质制备技术，研发专业设备，掌握粒度筛分、粒径组配工艺，实现从配合基质到定制基质的转变。三是对于育苗基质的研究缺乏系统性。目前的研究主要集中于育苗基质配方的筛选，更多关注的是某种特定基质下幼苗的生长状况，而缺乏基质原材料的处理方法-物料的设计搭配-试验筛选-从基质的理化性状和植物生理、生化方面合理解释幼苗所表现的生长状况-得出结论的系统性研究。因此，建议从源头入手，完善育苗基质研究的理论与应用体系。