小麦秸秆基水稻育苗基质最佳配比研究
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作者:郝冰 郭哈伦 任兰天
摘要 [目的]为研究腐熟小麦秸秆制作水稻育苗基质的可行性，促进秸秆基质化应用。[方法]通过5种不同配比的腐熟小麦秸秆复合基质用于水稻育秧，研究了其对水稻形态指标、生理指标的影响，选出适宜于水稻幼苗生长的最佳基质配比。[结果]腐熟小麦秸秆70%+蛭石15%+珍珠岩15%基质所培育的水稻幼苗的株高、茎粗、地上部干重和根系活力等，与其他处理有显著性差异。最高株高为14.3 cm、最粗茎粗2.580 mm、最重地上部干重为0.017 4 g/株、根干重0.015 8 g/株。 腐熟小麦秸秆70%+蛭石15%+珍珠岩15%基质处理的小麦秸秆基质的容重为0.226 g/ cm3，总孔隙度为92.7%，持水孔隙为76.7%，通气孔隙为18.4%。物理性状良好，各项指标均在理想基质的指标范围内。腐熟小麦秸秆70%+蛭石15%+珍珠岩15%基质处理的小麦秸秆基质水稻幼苗的根系活力、叶绿素含量也较大，与其他处理间形成差异。[结论]腐熟小麦秸秆70%+蛭石15%+珍珠岩15%基质最好，该体积配比的复合育苗基质更适合于水稻幼苗生长发育，可以在实践中应用推广。
关键词 小麦秸秆;基质化;水稻幼苗;最佳配比
Abstract [Objective]To study the feasibility of using decomposed wheat straw to make rice seedling substrate and to promote the application of straw substrate.[Method] Five kinds of decomposed wheat straw composite substrates with different proportions were used to raise rice seedlings， and their effects on morphological and physiological indicators of rice were studied， in order to choose the optimal substrate ratio suitable for the growth of rice seedlings from this experiment.[Result]The plant height， stem diameter， dry weight of aboveground parts and root activity of rice seedlings cultivated with decomposed wheat straw 70%+vermiculite 15%+perlite 15% substrate were significantly different from other treatments.The highest plant height was 14.3 cm， the thickest stem diameter was 2.580 mm， the dry weight of the heaviest upper part was 0.017 4 g/plant， and the dry weight of roots was 0.015 8 g/plant.The bulk density of wheat straw matrix treated with decomposed wheat straw 70%+vermiculite 15%+perlite 15% matrix was 0.226 g/cm3， with total porosity， waterholding porosity and ventilation porosity being 92.7%， 76.7% and 18.4%， respectively.Its physical properties were good， and all indicators were within the range of ideal matrix indicators. The root activity and chlorophyll content of rice seedlings treated with decomposed wheat straw 70%+vermiculite 15%+perlite 15% substrate were also larger， which formed differences with other treatments.[Conclusion]70% decomposed wheat straw+15% vermiculite+15% perlite matrix was the best， and this volume ratio of composite seedling medium was more suitable for the growth and development of rice seedlings， which could be applied and promoted in practice.
Key words Wheat straw;Matrix;Rice seedlings;Optimal ratio
農业部数据显示，我国农作物秸秆资源丰富，每年总量达10.4亿t[1]，秸秆利用率从2010年的70%提高到了2015年的80%左右，由于农村农业管理水平和经济状况的制约，仍有19.9%的农作物秸秆被当地人废弃或焚烧浪费[2]。秸秆应用于食用菌的栽培和各作物育苗生长，有固定植物和提供营养的作用[3]。我国是农业大国，水稻的种植面积很广，是主要的粮食作物，据有关部门统计2017年我国的水稻种植面积将近3 015万hm2，随着现代农业的发展，我国水稻种植产业逐渐走向机械化、现代化和规模化的方向。只有不断地创新育苗基质，提高基质育苗的品质，完善水稻产业结构，改进工厂化育苗技术，才能促进我国水稻机械化水平不断发展[4]。 我国大部分地区机插水稻采用的是带土移栽和营养土育苗方式，虽然这种方式可以促进我国水稻机插秧水平的发展空间，但是长期会严重地破坏当地土壤资源，并影响周边植被的结构、打破生态平衡。近年来育苗基质的开发利用迅速发展，其原因是新型育苗基质具有良好的通气性、轻便的质量、可调控的理化性质以及节约成本和劳动力等优点[5]。将农业废弃物秸秆回收利用作为基质资源，不仅能使农业的有机废弃物变废为宝，而且还能提高耕地的生产力，提高土壤的理化性质，提高农业的生产力，是农村以及工厂现阶段改良育苗的一项有效措施。目前，水稻产业市场上的工厂化育苗技术多采用的是穴盘育苗，其主要应用的材料是由草炭、蛙石和珍珠岩等轻型材料，这种新型基质材料来替代土壤。精量播种是机械化的一大优势，一次成苗的高密度集约化现代育苗生产体系，也称穴盘育苗[6]。新型的工厂化育苗将现代智能温室投入使用，精准地掌握环境变化以及科学的人工环境调控等高科技手段，通过科学的生产流程对水稻幼苗实现全程质量监测，优质高效的生产集约化模式[7]。这种高效高质量的生产技术逐步开始在农业生产中推行。工厂化的穴盘育苗的优势非常明显，其育苗质量高、周期短、种子成本降低、单位面积成苗率高、秧苗素质好、根系根系活力强、便于移栽、省工省力及可远距离运输等[8]。
工厂化育秧产业的发展除了需要结合互联网技术还离不开育苗基质的筛选，育苗基质的选择直接关系到基质盘中幼苗的质量。自从西方发达国家实施了有关限制资源开采的法令后，无土栽培行业迅速发展起来，逐步走向经济环保和技术创新的方向[7]。人类环境保护意识的逐步加强，各个国家都在积极地研究基质材料，开发土壤和草炭的替代物[9]。最先使用的替代土壤的材料是岩棉，底部铺设不织布来供应营养液[10]。随后科学家将目光放在了农业废弃物秸秆身上，因为秸秆有着丰富的来源、便捷的取材、无竞争且最要的是达到环保要求。近年来，国内外诸多研究者相继利用农作物秸秆作为育苗基质用于幼苗生长均取得良好效果。任兰天等[11]、曾清华等[12]、刘涛等[13]将小麦秸秆粉碎生物降解后用于育苗基质材料并添加蛭石、珍珠岩等材料，对烟草、黄瓜、番茄的培育栽培上取得了明显成果;徐明辉[14]、曹红星[15]、李晓强[16]等对菇渣进行研究，作物复合基质在黄瓜、甜椒、番茄的育苗效果良好。巩芳娥[17]、薛书浩[18]、刘振国[19]等研究了玉米秸秆与牛粪的混合基质在辣椒、番茄、黄瓜育苗上的效果。
育苗基质的研究目前仍然存在一些问题。例如用于的水稻幼苗生长的秸秆生物质育苗盘育苗效果不理想，其原因是营养土厚度不足，保水性能差，秧苗经常缺水影响秧苗生长。另外营养土的松散流动性易造成秧盘的厚度不均，甚至营养土偏向一侧，造成种子接触秸秆生物质底盘，造成顶盖严重的现象。目前基质研究开发中基质材料的开发力度不够大，商品化基质少，基质的基础性研究环节薄弱。育苗基质仍在使用传统的基质如草炭、珍珠岩、蛙石等[20]，有些刚开发的材料还有很多缺陷和不足，基质的使用效果不稳定在研究基质的性质上没有统一标准，造成研究结果通用性差等缺憾[21]。鉴于此，笔者从水稻机插秧育秧基质的使用现状着手，研究小麦秸秆配比的育苗基质的物理性状以及水稻幼苗生长生物性状，从而找出合理的水稻育苗基质配方。
1 材料与方法
1.1 试验材料 堆肥试验及配比育苗试验于2017年4—10月在安徽莱姆佳生物科技股份公司进行。腐熟小麦秸秆为附近收购共10 t ，粉碎至8～10 cm，每吨添加15 kg尿素和2 kg腐熟劑，腐熟剂为安徽莱姆佳生物科技股份公司产品（CFU≥108个/g，纤维素酶≥30 μ/g，淀粉酶≥10 μ/g），喷水后用抓草机充分搅拌至含水量65%～70%，5 t用腐熟专用黑白膜覆盖进行室外堆腐，温度升高至70 ℃翻堆，每7 d用抓草机翻堆1次，直至温度降至40 ℃。另外运至机械翻堆槽中进行发酵，温度升高至70 ℃时开始翻堆，每4 d机械翻堆1次，直至温度降至30 ℃。放置30 d陈化备用。
1.2 试验设计
该试验设5组处理，将小麦秸秆堆肥产品与珍珠岩、蛙石按一定比例进行混配，详细配比见表1。试验前期准备籽粒饱满、种子活力强且整齐的水稻种子，之后进行浸种和催芽后穴盘播种。育苗盘使用的是由72孔穴，每穴播2粒种子，定苗1棵，每盘重复3次，随机区组排列。整个试验阶段，各处理不增施肥料，仅浇清水。
在播种后4、8、12、16、20 d选择代表性秧苗3盘，每盘取代表性秧苗5穴，共10株，测定秧苗叶龄、株高、根长、根数、茎基宽（距秧苗生根处1 cm ），在20 d时，测定叶绿素、50株地上部干重、50株株根质量、根冠比等。
1.3 测定方法
1.3.1 基质物理性质的测定方法。
制作基质前收集取样部分，置于通风口等风干后的基质加入300 mL（8 cm×6 cm）体积的铝盒（重40 g），然后称重为Q1;之后将其浸泡在水中24 h，再称重为Q2;烧杯中的水分自由沥干后再称重量为Q3。计算容重、通气孔隙度、总孔隙度、持水孔隙度。
1.3.2 水稻幼苗素质及生物量的测定。
用刻度尺测量水稻幼苗前期生长的株高、根长;用千分尺测水稻前期的茎粗;用SPAD-502叶绿素仪测定水稻幼苗后期的叶绿素相对含量。
取秧苗若干棵，把根系上的残留基质洗去，用吸水纸吸干后立刻测定地上及地下部鲜重，然后把其放入烘箱后调到105 ℃烤2 h，最后75 ℃烘干至恒重。计算水稻幼苗的半百株干重。
1.4 数据处理 采用Excel和DPS 15.10高级版进行数据处理。
2 结果与分析
2.1 不同处理小麦秸秆混配基质理化性状的比较 郭世荣[22]、周静等[23]研究认为，育苗基质的容重一般范围在0.1～0.8 g/cm3，总孔隙度在54%～96%时较理想。由表2可知，4个处理及CK的容重均满足育苗基质行业标准，符合上述育苗基质的理论适用范围，在添加蛭石、珍珠岩后各处理容重呈下降趋势，除T1与T2处理差异不显著外，其他各处理间均存在显著差异。总孔隙度偏高说明植物根系固定性差，从而影响生长。各处理的总孔隙度为92.7%～94.6%，在合理的范围之中，符合前人研究结果。添加蛙石和珍珠岩后总孔隙度显著降低。水稻幼苗正常能生长的通气孔隙度为15%～20%，各处理（除CK）均在此范围。各处理持水孔隙度呈下降趋势并有显著差异。有关理论认为，EC值过高会影响种子萌发与生长，甚至会损伤根和根毛以及灼伤叶片，试验中5个处理EC大小顺序为CK处理>T1处理>T2处理>T3处理>T4处理，均在植物生长适宜的EC范围。一般认为高产水稻生长的环境pH接近7。各处理的pH均呈偏弱碱性，表现为CK处理>T1处理>T2处理>T3处理>T4处理。该基质在播种前需要调酸，T3、T4处理需要添加的酸比其他处理少。通过观察小麦秸秆基质理化性质可以看出小麦秸秆量的减少，基质的总孔隙度、持水孔隙度、容重、EC和pH都在减少，而通气孔隙度是在上升。电导率是测出基质中含有盐的浓度，一般认为可溶性盐含量过高会影响渗透压，导致根系失水变褐，甚至干枯至死。 2.2 不同配比基质对水稻幼苗地上部分生长特征的影响
2.2.1 对水稻幼苗的株高的影响。机插秧要求水稻整齐一致且秧苗素质良好，便于机械化的种植。株高是反映水稻整齐度的1个特征，过高和过低都会对水稻插秧有影响。由于所用的水稻育秧盘空间和营养物质的有限，因此株高呈先快后慢的增长曲线模式。从图1可以看出，不同体积配比处理的水稻秧苗株高呈上升趋势，在播种前期对水稻幼苗株高的影响不大。到中期，不同配比基质育秧的株高开始有明显差异，从图1可以看出在水稻幼苗的8 d后，T3处理的配比基质在营养元素与理化性质方面的优势逐渐显现出来，添加珍珠岩和蛭石的配比基质要明显优于单一的秸秆基质（CK）。珍珠岩和蛭石不同比例添加量对育苗的株高也有影响，T3处理（70%+15%珍珠巖+15%蛭石）优于其他处理，秧苗的株高最优。2.2.2 对水稻幼苗的茎粗的影响。茎粗是评价水稻秧苗品质的重要指标之一[24]，一般说的壮苗，首先必须保证茎粗足够粗。茎粗比较大的水稻秧苗一般干物质也相对比较大。从图2可以看出，不同处理在秧苗前期对茎粗的影响不大，但到中后期秧苗茎粗开始有明显差异，在播种后10 d的两叶期以后，单一基质和添加蛭石和珍珠岩的复合基质处理在理化性状与营养元素方面的优势逐渐显现出来，添加蛭石和珍珠岩的复合基质（T1、T2、T3、T4处理）的茎粗比单一基质（CK）粗很多。由于育秧盘的营养物质和环境空间等方面的限制，后期的秧苗的茎粗变化不明显。但T3处理（秸秆70%+15%珍珠岩+15%蛭石）、T4处理（秸秆60%+20%珍珠岩+20%蛭石）的茎粗优于其他处理。
2.3 不同处理对水稻秧苗根系生长特征的影响
2.3.1 对水稻秧苗根长的影响。水稻的根系不仅是养分水分的吸收器官，而且是氨基酸和生理物质合成的重要场所，其形态和生理特性与水稻地上部生长发育有密切联系，对秧苗盘根性也有较大影响，并影响大田机插质量[25]。该试验中的水稻幼苗在5种不同体积配比处理的基质生长的根长、根数均呈前期快速增长，后期缓慢增长趋势。从图3可以看出，在水稻秧苗后期的数据分析中，添加了珍珠岩和蛭石的育秧基质的根长与对照纯秸秆的差异性显著。秧苗在前期不同配比的基质上最长根长的差异性不大，到中后期看，T3处理（秸秆70%+15%珍珠岩+15%蛭石）基质育秧的最长根根长优势逐渐显现出来。播种后单一基质和添加不同配比的复合比例基质在理化性状与营养元素方面的优势逐渐显现出来。添加珍珠岩和蛭石的复合配比的基质（T1、T2、T3、T4处理）要比单一基质（CK）的根长要长。T2、T3、T4处理的根长比较长，说明添加不同比例的珍珠岩和蛭石适宜水稻幼苗根系生长环境。在T1、T2、T3、T4处理中，T3处理的配比方案变化趋势优于其他处理。2.3.2 对水稻幼苗根数的影响。水稻发根力的强弱是衡量秧苗健壮与否的主要标志。发根力强的秧苗移栽后是壮苗，反之是弱苗[26]。由表4可知，在育秧前期，不同育秧基质的根数差异性不是很大，其他处理的根数相差不大;到中期，5种不同配比方案的育秧基质中，T2、T3、T4处理的水稻根数有差异但不明显，与单一的纯秸秆（CK）和添加少量的珍珠岩和蛭石的配比（T1）处理相比较有明显的差异。在后期，5个处理的发根数无差异。在前中期秧苗生长旺盛，后期可能由于生长空间及养分供应潜能等原因，秧苗生长速度有减缓趋势，但综合变化趋势可以看出T3处理（秸秆70%+15%珍珠岩+15%蛭石）、T4处理（秸秆60%+20%珍珠岩+20%蛭石）的所育秧苗根系生长特征总体优于其他处理。
2.4 不同处理对水稻幼苗农艺性状的影响
水稻幼苗的叶绿素含量反映其光合作用的强弱，直接影响到水稻后期的产量。表3是秧苗生长20 d时水稻幼苗试验的农艺性状。试验中对水稻幼苗叶片中叶绿素进行测定，结果显示T3处理的叶绿素总量与其他各处理均存在显著差异，CK处理叶绿素SPAD值在株高指标中最低。T3、T4处理株高相对较高且差异不显著。各处理中叶龄均接近三叶。茎粗以T4处理最大，其次是T3处理，而CK、T1处理间区别不大。叶面宽度以T4、T3处理较大，其次为 T2处理。结果表明，小麦秸秆腐熟后在添加适当的比例珍珠岩和蛭石调节基质的理化性质下依旧适于水稻幼苗的生长。且T3、T4处理基质效果最好，可以作为基础配方加以优化。
2.5 不同处理对水稻幼苗根系活力的影响
水稻根系是评价水稻生产潜力的重要指标之一。从表4可以看出，T3处理的根系活力最大，达1.35 mg/（g·h），比CK高28.89%，与其他各处理均呈显著差异。其中T3处理百株地上部干重最大，其次是T4处理，与其他处理间存在显著性差异，且秧苗长势较一致;单独使用堆肥秸秆的CK处理，以及少量配比的T1处理地上部较小。T4处理根重最重，高于其他处理。相应地，T4及T3处理根冠比最高，且前者较后者偏差更小。
3 讨论
目前，我国作物秸秆资源化利用率相对较低，每年大量的秸秆作为废弃物被丢弃焚烧，不但污染环境还浪费资源。将麦秸进行堆腐处理后作为育苗基质进行水稻育苗，不仅可以有效地降低对环境污染、减少草炭开发中环境的破坏，同时也可为水稻育苗提供可再生、廉价的育苗基质。因此，应发展水稻工厂化育秧技术，优化水稻生产结构。
在栽培上壮苗的培育一直都是水稻生产环节中重要的目标之一。当前，随着水稻育苗技术的发展，育苗基质逐步受到了许多专家学者的关注。郑爱军等[27]研究表明，利用农作物秸秆可再生性植物资源等作为水稻育苗基质的材料，可使稻苗的根系发达，秧苗矮壮，也可增加秧苗的茎基宽。梁启全等[28]研究出的基质配方（60%秸秆+15%蛭石+5%珍珠岩+20%草炭）可使水稻秧苗根长、根多、叶挺，提高了水稻秧苗的素质，可以替代床土培育稻苗。也有学者研究有机质、无机基质等按照一定比例与客土混合配制基质，培育的秧苗根系健壮、茎基宽增粗、干物质积累量增大。有研究表明，采用基质板培育秧苗，可使秧苗高、根数多、根系长，提高了水稻的秧苗素质。该研究结果表明，在其他条件相同的情况下，基质的体积配比不同，T3处理（70%麦秸+15%珍珠岩+15蛭石%）的秧苗的茎粗、根长、根数、干重、叶绿素以及根系活力达到了壮苗的标准，并且优于其他的处理。但不同体积配比基质的处理对水稻秧苗的根数无明显的作用，还需进一步研究。 该试验结果还表明，将不同的体积配比的基质材料、营养液及秧盘进行配套组合研究，改变了以往只注重研究不同基质或营养筛选或秧盘类型对秧苗素质影响的单一研究，可以更快地筛选出最佳基质组合，在生产中可操作性更强，从而为加速推广应用奠定了良好的基础。建议基质板生产企业进一步研究生产出钵形基质板秧盘。
4 结论
（1）在水稻秧苗株高、茎粗方面，T3处理的水稻秧苗的株高、茎粗最大，其次为T4处理，秧苗株高、茎粗最差的为CK。在根长方面，二叶期时T3处理的基质盘中的水稻秧苗根长最长，其次是T4、T2处理。在水稻秧苗发根力方面，T3、T4处理的根数最多。
（2）在水稻幼苗干重方面，T3处理水稻秧苗最重，而CK的水稻幼苗的干重最小。
（3）在水稻幼苗叶绿素SPAD值方面，T3处理的叶绿素含量含量最高，其次是T2、T4处理，而T1、CK处理最低。
综合分析显示，用发酵的小麦秸秆基质、珍珠岩、蛙石为主要原料配制成的复合基质育苗前后理化性状在合理指标范围内。小麦秸秆基质添加珍珠岩和蛭石可有效改善小麦秸秆基质的理化性质，使复合基质理化性质符合育苗要求。其中T3处理培育的水稻幼苗生长旺盛，干物质积累量大，根系活力和叶绿素含量显著高于其他处理。T3处理（小麦秸秆70%+15%珍珠岩+15%蛭石）基质盘中水稻秧苗的综合素质最优，可以代替育秧土进行水稻育秧，在节约土壤资源的同时，可有效提高劳动效率。
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