泥炭蘚組成結(jié)構(gòu)及基質(zhì)化利用研究進(jìn)展

梁曉烽,林 偉,戚智勇*,周晚來(lái),楊 睿,張冬冬,王 虹

(1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川成都 610106;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所,四川成都 610213)

泥炭蘚(SphagnumpalustreL.)又被稱為水苔、山毛草、海花草,主要生長(zhǎng)在高濕度的沼澤和森林斜坡上的潮濕溝壑中。泥炭蘚屬于泥炭蘚科和泥炭蘚屬,該屬分布廣泛,世界上有300余種。在我國(guó),現(xiàn)有泥炭蘚約有41種[1],主要分布在東北、華東、中南和西南等地區(qū),其中西南地區(qū)又以貴州和四川為主[2]。泥炭蘚新鮮植物體通常呈淡綠色,干燥時(shí)呈灰白或黃白色,植株下部死亡后,上部可以繼續(xù)生長(zhǎng)[3],由于缺氧,下部死亡部分不易被細(xì)菌腐爛,故逐漸炭化形成泥炭。同時(shí),泥炭蘚是一種重要的造碳植物,其固碳量占北半球泥炭沼澤總固碳總量的一半[4],在全球生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用,是泥炭地恢復(fù)和重建的首選植物。

泥炭因具有容重低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有機(jī)質(zhì)含量高、通氣透水性好、無(wú)病原體、價(jià)格便宜、便于液體調(diào)節(jié)養(yǎng)分供應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[5],是最具優(yōu)勢(shì)的基質(zhì)原料,被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)無(wú)土栽培中。但泥炭又是一種短期不可再生資源,目前對(duì)泥炭的過(guò)度開(kāi)采嚴(yán)重破壞了沼澤地生態(tài)環(huán)境[6],因此各國(guó)的政府和學(xué)者都在尋求一種可以替代替泥炭的基質(zhì)原料。泥炭蘚作為泥炭形成地前體物質(zhì),性能方面與泥炭非常相似[7],代替泥炭用作基質(zhì)原料,具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái),隨著泥炭蘚人工種植技術(shù)的不斷成熟,大大提升了其短期再生能力,對(duì)恢復(fù)泥炭地和提供基質(zhì)原料具有重要意義。但是,泥炭蘚基質(zhì)化利用研究尚處于起步階段,無(wú)法對(duì)其產(chǎn)業(yè)化提供幫助。因此,該研究通過(guò)分析泥炭蘚在組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、功能應(yīng)用和種植技術(shù)等方面的研究現(xiàn)狀,探討泥炭蘚作為基質(zhì)原料的主要特性及其基質(zhì)化利用條件,以此展望泥炭蘚的應(yīng)用前景,助力泥炭蘚早日實(shí)現(xiàn)基質(zhì)化利用,推動(dòng)國(guó)內(nèi)基質(zhì)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1 泥炭蘚研究現(xiàn)狀

1.1 泥炭蘚的組織結(jié)構(gòu)泥炭蘚植物體(圖1a)枝條纖長(zhǎng),高8～20 cm,活體泥炭蘚植物呈黃綠色或黃棕色。泥炭蘚植物體的主體是葉和莖,莖葉大,呈舌形,先端圓鈍,往往消融破裂成齒狀,葉緣具白色分化狹邊[8];枝葉闊卵圓形,內(nèi)凹,先端兜狀內(nèi)卷,綠色,細(xì)胞在葉片橫切面呈狹長(zhǎng)三角形,偏于葉片腹面。泥炭蘚的葉和莖都是具有表面活性的,意味著泥炭蘚莖葉具有和高等植物的根毛和表皮細(xì)胞相同的攝取養(yǎng)分的能力。泥炭蘚莖帶有中空細(xì)胞組織,葉只有一個(gè)細(xì)胞的厚度,組織由含有或不含葉綠素的活細(xì)胞和含有水或空氣的死細(xì)胞組成[9]?；罴?xì)胞構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),能夠把泥炭蘚死細(xì)胞包被在活細(xì)胞的網(wǎng)眼中。

圖1 泥炭蘚組織結(jié)構(gòu)植物學(xué)圖譜(a)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)(b)Fig.1 Tissue structure of sphagnum botanical atlas(a) and cell structure (b)

泥炭蘚內(nèi)部的細(xì)胞(圖1b)是薄壁的,具有環(huán)形、螺旋形或蝶形的木質(zhì)化細(xì)胞壁[10]。泥炭蘚細(xì)胞壁堅(jiān)韌,能夠保證泥炭蘚干燥時(shí)不會(huì)崩塌變形,即使形成泥炭以后仍然能夠吸收水和轉(zhuǎn)運(yùn)水分。當(dāng)泥炭蘚透明細(xì)胞中的水分蒸發(fā)或淋濾后,細(xì)胞騰出的空間能夠被空氣充填,從而維持穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)和空氣含量。泥炭蘚細(xì)胞壁上具有許多孔,這些孔能夠讓水分進(jìn)入細(xì)胞并轉(zhuǎn)移到其他器官上,從而讓泥炭蘚擁有強(qiáng)大的持水能力[11]。此外,泥炭蘚的葉綠體細(xì)胞是泥炭蘚進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所。

1.2 泥炭蘚的化學(xué)成分泥炭蘚主要由碳水化合物組成,主要成分有30%～60%的半纖維素和果膠、15%～25%的纖維素、5%～10%的蛋白質(zhì)、5%～10%的脂肪和1%～5%的其他成分(圖2a),根據(jù)泥炭蘚主要成分分析元素組成,泥炭蘚含有41.0%～42.0%的碳、5.5%～5.8%的氫、0.4%～1.0%的氮、51%～53%的氧和0.1%～0.5%其他元素(圖2b),其中最豐富的官能團(tuán)是羰基、羧基和羥基[10]。

圖2 泥炭蘚化學(xué)成分主要成分干重占比(a)和元素組成干重占比(b)Fig.2 Chemical composition of sphagnum dry weight of main components(a) and dry weight of element composition(b)

泥炭蘚中的半纖維素是由幾種單糖和糖醛酸構(gòu)成的異質(zhì)多聚體,10%～30%的泥炭蘚干質(zhì)量由糖醛酸組成,糖醛酸是單糖的端基(CH2OH)被化學(xué)或生物氧化的反應(yīng)產(chǎn)物,糖醛酸和環(huán)境的低緩沖能力是泥炭蘚酸性的原因。另外,半纖維素還能使泥炭蘚具有良好的親水性能;果膠主要由半乳糖醛酸和少量單糖構(gòu)成,作為天然的食品添加劑,應(yīng)用于食品工業(yè),主要起到膠凝、增稠、改善質(zhì)構(gòu)、乳化和穩(wěn)定的作用,果膠的存在還能使泥炭蘚具有吸附重金屬的性能;纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖,纖維素的存在使泥炭蘚具有預(yù)防各種疾病的作用。

此外,研究表明,泥炭蘚中還含有少量類似木質(zhì)素的酚類物質(zhì),如無(wú)定形酚醛聚合物在泥炭蘚的細(xì)胞壁表面覆蓋著,保護(hù)泥炭蘚細(xì)胞壁。酚類物質(zhì)形成一個(gè)多酚網(wǎng)絡(luò),為降解微生物提供化學(xué)和物理屏障[12]。泥炭蘚中氮元素來(lái)源是利用藍(lán)藻等共生生物吸收大氣中的氮,將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨,然后用于合成氨基酸[13],這些共生生物存在于泥炭蘚葉片上,泥炭蘚中的氮含量低于其他苔蘚植物的原因可能是由于它的生長(zhǎng)環(huán)境與其他的苔蘚植物不同[14]。

1.3 泥炭蘚的功能與應(yīng)用泥炭蘚具有優(yōu)良的性能,比如良好的防腐特性、極強(qiáng)的吸附能力、較好的陽(yáng)離子交換能力,同時(shí)還具有抗氧化功能與抗菌活性,因而被廣泛用于醫(yī)藥、環(huán)保、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域(表1)。

表1 泥炭蘚性能及其應(yīng)用

1.3.1防腐功能。泥炭蘚具有良好的防腐性能,將泥炭蘚用作包裝材料,能夠儲(chǔ)存新鮮捕獲的魚(yú)和根莖蔬菜等食物[15]。酸性泥炭蘚能夠抑制各種食物中毒和腐敗細(xì)菌在低緩沖固體生長(zhǎng)介質(zhì)上的生長(zhǎng)[7]。從泥炭蘚中提取的焦油在歷史上被用作濕疹和其他皮膚病的外部治療的弱防腐劑[16]。研究表明,用漂白泥炭蘚的方式制成的吸水墊可以提高包裝好的鮭魚(yú)魚(yú)片的質(zhì)量并延長(zhǎng)保質(zhì)期[17]。在加拿大北極考古學(xué)中,泥炭蘚用作運(yùn)輸文物的包裝材料,用泥炭蘚包裝的物品既能保持自然濕度,又能防止微生物定植[7]。

1.3.2高吸附容量。泥炭蘚的透明細(xì)胞可以容納16～25倍于其干重的水[18],據(jù)報(bào)道,泥炭蘚的吸水能力是同等棉花的3～4倍[19],這種特性被用于繃帶制作和傷口處理。應(yīng)用泥炭蘚制作的碳納米管[7],其吸附容量值比活性炭的吸附容量值高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)在兩層濕纖維素之間壓制泥炭蘚,并在纖維素頂層添加聚酯纖維以提高強(qiáng)度可以制備可生物降解的泥炭纖維織物[20]。泥炭蘚的陽(yáng)離子交換容量可以吸附水中的金屬離子[21],可用于凈化污水。

1.3.3抗氧化性和抗菌活性。10%～30%的泥炭蘚干物質(zhì)由糖醛酸組成,已知糖醛酸具有抗氧化性能,因此泥炭蘚提取物可用以制作抗氧化劑,抗氧化劑可防止與心血管和神經(jīng)退行性疾病等疾病有關(guān)的自由基發(fā)揮作用,因此食用含有抗氧化劑的功能食物可以預(yù)防各種疾病[22]。泥炭蘚含有復(fù)雜的脂質(zhì)混合物,并且經(jīng)研究檢測(cè)到脂質(zhì)混合物中的三萜類化合物是熊果酸,這種物質(zhì)被認(rèn)為可以有效地預(yù)防各種疾病,包括糖尿病、高血糖、潰瘍和誘導(dǎo)性肝損傷等疾病[23]。泥炭蘚能產(chǎn)生芳香類、萜類、糖醇類、脂肪酸、酚類及聯(lián)芐類等大量具有抑菌效果的次生代謝活性物質(zhì)[24],這些物質(zhì)所具有的抗菌特性使其能在化妝品和藥物中得到應(yīng)用。

1.4 泥炭蘚的種植技術(shù)泥炭蘚種植的目的是最大限度地提高產(chǎn)量和限制成本,因此泥炭蘚種植的首要條件是根據(jù)作物的產(chǎn)量和適用性選擇合適的栽培原材料[25]。選用泥炭蘚孢子作為初始材料,然后泥炭蘚孢子通過(guò)培養(yǎng)基萌發(fā)成泥炭蘚原絲體,將泥炭蘚原絲體繼代培養(yǎng)成泥炭蘚莖葉體,泥炭蘚莖葉體用作泥炭蘚的種植原材料。第一年生產(chǎn)的泥炭蘚可直接用于第二年泥炭蘚的種植原材料,可以有效地降低成本,提高泥炭蘚利用率。目前國(guó)內(nèi)蔡奇英等、朱國(guó)金等分別在2008年和2014年發(fā)布多紋泥炭蘚人工種植、粗葉泥炭蘚人工種植、密葉泥炭蘚人工種植3項(xiàng)專利[26]。國(guó)外方面,德國(guó)經(jīng)過(guò)泥炭蘚種植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),銹色泥炭蘚是一種很有種植前景的物種,而且種植方法也很簡(jiǎn)單[3]。這幾種泥炭蘚經(jīng)過(guò)人工種植已經(jīng)擁有了基本的種植技術(shù)與方法,在此基礎(chǔ)上再對(duì)其進(jìn)行種植技術(shù)的研究與改進(jìn),能夠顯著提高泥炭蘚的產(chǎn)量與品質(zhì)。泥炭蘚種植技術(shù)可分為野外人工種植、室內(nèi)設(shè)施栽培和組織快繁技術(shù)這3種技術(shù)(表2)。

表2 泥炭蘚種植技術(shù)

1.4.1野外人工種植技術(shù)。近年來(lái),泥炭蘚濕地因?yàn)槟嗵刻\的大量采收而導(dǎo)致了濕地的貧瘠退化[18],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大的破壞,在泥炭蘚濕地采用野外種植技術(shù)種植泥炭蘚可以恢復(fù)泥炭蘚濕地。由于泥炭的過(guò)度開(kāi)采,泥炭開(kāi)采跡地同樣也貧瘠退化,為了恢復(fù)泥炭開(kāi)采地,需要采用苔蘚層轉(zhuǎn)移技術(shù)[27],該技術(shù)的目的是通過(guò)重建以泥炭蘚為主的植被覆蓋層,恢復(fù)泥炭地生態(tài)系統(tǒng)的泥炭積累和碳匯功能。在泥炭開(kāi)采跡地開(kāi)展泥炭蘚的種植,可以使泥炭資源再生,實(shí)現(xiàn)泥炭資源的可持續(xù)利用與保育平衡。同時(shí)在泥炭開(kāi)采跡地應(yīng)用野外人工種植技術(shù)種植泥炭蘚不僅可以恢復(fù)泥炭地,增加大氣碳的固定,而且可以滿足市場(chǎng)對(duì)栽培基質(zhì)的需求,具有很強(qiáng)的環(huán)境價(jià)值和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性[3]。泥炭蘚野外種植場(chǎng)地必須選擇一個(gè)均勻、水平的表面,以確保泥炭蘚生長(zhǎng)的最佳水位的控制[25];安裝水位管理的基礎(chǔ)設(shè)施,運(yùn)用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)來(lái)控制水位[27];在泥炭蘚上覆蓋作物(秸稈)[28],為泥炭蘚的生長(zhǎng)營(yíng)造一個(gè)有利的生存和再生環(huán)境。野外種植泥炭蘚會(huì)存在一些問(wèn)題,首先是泥炭蘚生長(zhǎng)時(shí),維管植物的出現(xiàn)是不可避免的,并且可能會(huì)抑制泥炭蘚的生長(zhǎng),需要定期割草進(jìn)行處理。其次,野外種植泥炭蘚雖然產(chǎn)量大,但是品質(zhì)不均,存在雜質(zhì),泥炭蘚收獲材料中的雜質(zhì)包括其他苔蘚植物和維管植物的殘留物,這些雜質(zhì)可能會(huì)影響泥炭蘚本身的生物和物理穩(wěn)定性[25,27-28]。

1.4.2室內(nèi)設(shè)施栽培技術(shù)。室內(nèi)設(shè)施栽培泥炭蘚一般使用無(wú)土栽培,種植方法分為水培種植和固體基質(zhì)種植,兩種方法相比較,固體基質(zhì)栽培的設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低,基質(zhì)緩沖性強(qiáng),栽培技術(shù)容易掌握,因而種植方法通常選用固體基質(zhì)種植。在室內(nèi)使用人工設(shè)施對(duì)泥炭蘚進(jìn)行栽培,栽培場(chǎng)地尋找空置的廠房或者搭建簡(jiǎn)易的大棚,栽培架需要搭三層或五層架子,栽培槽的大小根據(jù)需求自行設(shè)計(jì)。夏季高溫地區(qū)溫度超過(guò)30 ℃,不利于泥炭蘚生長(zhǎng),因此需要安裝溫控設(shè)備,將溫度控制在30 ℃以內(nèi),通常使用水簾降溫設(shè)備來(lái)降低溫度。泥炭蘚在平均溫度22.8 ℃時(shí),生長(zhǎng)速度最快。濕度是泥炭蘚設(shè)施栽培最關(guān)鍵的條件之一,泥炭蘚的生長(zhǎng)需要能夠保持在80%以上的濕度環(huán)境,因此需要安裝一個(gè)噴霧加濕系統(tǒng)來(lái)維持濕度。泥炭蘚在室內(nèi)光照300～500 Lx[29]是可以生長(zhǎng)的,但是生長(zhǎng)速度緩慢,因此需要安裝補(bǔ)光燈[30]來(lái)加強(qiáng)光照強(qiáng)度,并且有研究表明當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到8 000 Lx時(shí),泥炭蘚的光合作用也沒(méi)有出現(xiàn)飽和[26,31],因此光照強(qiáng)度保持在8 000 Lx以內(nèi)都是可以的。研究認(rèn)為泥炭蘚的生長(zhǎng)對(duì)氮(N)、磷(P)、鉀(K)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需求量很低[32],過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致泥炭蘚死亡,pH在6.5時(shí)泥炭蘚生長(zhǎng)最快[33]。因此,泥炭蘚需要生長(zhǎng)在對(duì)水質(zhì)較嚴(yán)格的貧營(yíng)養(yǎng)化條件下,并且不可添加復(fù)合肥及其他富足營(yíng)養(yǎng)液。室內(nèi)設(shè)施栽培存在的主要問(wèn)題是設(shè)備的使用成本高、管理方式的投入較大。

1.4.3組織快繁技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)室的無(wú)菌條件下培養(yǎng)泥炭蘚原絲體是為了更深入地研究泥炭蘚的組織培養(yǎng)技術(shù)[34]。利用實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)孢子脫毒而獲得的泥炭蘚配子體,在傳統(tǒng)獲得苔蘚植物原絲體的方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,從而成功獲得了泥炭蘚原絲體[35]。將得到的泥炭蘚原絲體在液體培養(yǎng)基中繼代培養(yǎng)一段時(shí)間后,停止繼代培養(yǎng),3～4周后可獲得其葉為單一綠色細(xì)胞的泥炭蘚幼嫩莖葉體[36]。以泥炭蘚幼嫩莖葉體為種植材料,通過(guò)在稀釋劑中分散到一定濃度,然后將該材料均勻定植在培養(yǎng)土地或基質(zhì)上,在特定溫度、濕度、光照和營(yíng)養(yǎng)等培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)一定時(shí)間后,最終獲得快速生長(zhǎng)且品質(zhì)均一的泥炭蘚。這種泥炭蘚人工繁殖方法可以做到通過(guò)控制種植材料來(lái)調(diào)控收獲量,且播種材料再生能力強(qiáng),產(chǎn)量高,品質(zhì)一致性高,可用于泥炭蘚大批量的生產(chǎn)種植和泥炭蘚濕地修復(fù)等領(lǐng)域[37]。泥炭蘚再生的機(jī)理、途徑、生理過(guò)程及相關(guān)因素有待進(jìn)一步探討[35]。

2 無(wú)土栽培基質(zhì)及其功能指標(biāo)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,無(wú)土栽培技術(shù)的推廣應(yīng)用,栽培基質(zhì)的需求量日益增大,極大地促進(jìn)了固體栽培基質(zhì)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。無(wú)土栽培基質(zhì)是能為植物提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)的水、氣、肥結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)介質(zhì)。

2.1 栽培基質(zhì)自然土壤由于化學(xué)(反應(yīng)、養(yǎng)分可用性等)、物理(容重、結(jié)構(gòu)、保水性等)或生物(存在病原體、枯竭等)方面的限制,通常不適合某些植物的生長(zhǎng),因而在植物栽培中使用無(wú)土栽培基質(zhì)替代土壤,能夠更好地控制植物的生長(zhǎng)[38]。盆栽植物的特點(diǎn)是地上部分和根系之間的比例高且不平衡,并且需要更多的水、空氣和養(yǎng)分,植物在土壤中生長(zhǎng)不能夠充分滿足條件,從而生長(zhǎng)速度較慢。為了滿足這些植物生長(zhǎng)的要求,使用的基質(zhì)是根據(jù)特定作物需求和各種原料的物理、化學(xué)和生物特性采用不同比例配制而成的混合物?；|(zhì)原料是制備構(gòu)成基質(zhì)的原始物料,又分為有機(jī)基質(zhì)材料和無(wú)機(jī)基質(zhì)材料,可能具備基質(zhì)的某一種或某幾種功能[39]。

2.1.1有機(jī)基質(zhì)材料。泥炭[40]是優(yōu)良的傳統(tǒng)基質(zhì)原料,具有纖維豐富、通氣透水性好、沒(méi)有病菌蟲(chóng)卵草籽、不會(huì)傳播病蟲(chóng)草害、酸度和養(yǎng)分含量低、便于靈活調(diào)整和工業(yè)化加工、多功能多效益等特點(diǎn),用于基質(zhì)使用能夠提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)、修復(fù)受損環(huán)境、促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展。食用菌棒[41]是種苗基質(zhì)的優(yōu)良原料,其養(yǎng)分豐富,能夠滿足種苗生產(chǎn)需求,將其用作基質(zhì)使用,可以實(shí)現(xiàn)廢棄菌棒的再利用,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。蘆葦沫[42]是造紙廠的廢棄物,堆置發(fā)酵可用作種苗基質(zhì),具有較強(qiáng)的酸堿緩沖能力,并且礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)豐富。爐渣灰[43]是民用燃料的廢棄物,其通透性好,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,養(yǎng)分豐富,容重適中,易于固定植物,本身不會(huì)攜帶病菌、蟲(chóng)卵和草籽,不會(huì)發(fā)生病害。椰糠基質(zhì)[44]具有纖維素含量高、保水吸水性好、保肥能力強(qiáng)、通氣性能好、疏松多孔、價(jià)格低廉等特性,在園藝栽培時(shí)使用較多。

2.1.2無(wú)機(jī)基質(zhì)材料。珍珠巖[45]穩(wěn)定性好,能抵抗各種理化性質(zhì)的變化,價(jià)格低廉,質(zhì)量均勻,廣泛應(yīng)用于種苗基質(zhì)的調(diào)制,通常與有機(jī)基質(zhì)材料混配使用,可用作一些分解度大、纖維含量低、容重和通氣性差的泥炭基質(zhì)原料的結(jié)構(gòu)性材料。蛭石[46]通氣性好、具有較高的緩沖性和離子交換能力,適于與泥炭材料一起配制育苗基質(zhì)、扦插基質(zhì),是目前實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用較多的一種基質(zhì)材料。

2.1.3復(fù)合基質(zhì)材料。有機(jī)基質(zhì)與無(wú)機(jī)基質(zhì)通常并不能單獨(dú)作為基質(zhì)使用,需要根據(jù)特定作物需求,采用不同的比例復(fù)合配制形成滿足植物生長(zhǎng)的基質(zhì)。復(fù)配后的基質(zhì)應(yīng)具備4個(gè)基本功能:①支持和固定植物,植物根系在基質(zhì)中正常伸展,固定植物地上部分,使其正常生長(zhǎng)。②擁有良好的潤(rùn)濕性能,為滿足植物對(duì)水分和氧氣的需求,提供了良好的水分和通氣條件。③提供有效的養(yǎng)分,控制鹽分含量,保障植物的健康生長(zhǎng)。④具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)不會(huì)發(fā)生較大變化。

2.2 栽培基質(zhì)功能指標(biāo)圍繞基質(zhì)的4個(gè)基本功能建立對(duì)應(yīng)的指標(biāo)體系,用來(lái)描述和衡量這些功能的大小和優(yōu)劣。對(duì)于基質(zhì)性狀和品質(zhì)的描述指標(biāo),可從物理、化學(xué)、生物學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.1物理指標(biāo)。在物理性質(zhì)方面,基質(zhì)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是基質(zhì)顆粒分布狀況和抵御破壞的能力。總孔隙度是指水分孔隙和空氣孔隙之和,標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)總孔隙度一般>60%,大小孔隙比為1∶(2～4),此時(shí)通氣和透水性為最佳。基質(zhì)的容重與其固定和支持植物根系的功能有關(guān),容重大,則基質(zhì)緊密,不利于植物根系擴(kuò)展;容重過(guò)小,則基質(zhì)疏松,植物容易倒伏,不利于根系固定,標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)容重為0.2～0.6 g/cm3[47]。良好的基質(zhì)潤(rùn)濕性能提高基質(zhì)的水分保持與吸收能力,因此,在基質(zhì)配制過(guò)程中,需要對(duì)其潤(rùn)濕性進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2.2.2化學(xué)指標(biāo)?；|(zhì)的化學(xué)性質(zhì)包括pH、電導(dǎo)率、養(yǎng)分有效性、有機(jī)質(zhì)、有害化學(xué)物質(zhì)和緩沖容量等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。不同的基質(zhì)原料具有不同的酸堿度,在使用時(shí)需要調(diào)節(jié),標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)酸堿度為5.5～7.5。基質(zhì)鹽分含量用基質(zhì)水浸液的電導(dǎo)率表征,鹽分過(guò)高會(huì)對(duì)植物根系造成脅迫,影響植物生長(zhǎng),標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)電導(dǎo)率為0.1～0.2 mS/cm。

2.2.3生物學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)?；|(zhì)的生物學(xué)指標(biāo)一般包括其生物毒性、植物雜草、病原菌、蟲(chóng)卵、微生物活性等?；|(zhì)的經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)包括基質(zhì)獲得的便利性、質(zhì)量的穩(wěn)定性、栽培技術(shù)的適應(yīng)性、植物需求滿足性和基質(zhì)的價(jià)格等。因此,選用基質(zhì)既要考慮對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)有良好效果,又要考慮基質(zhì)來(lái)源容易、價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)效益高、不污染環(huán)境、使用方便(包括混合難易和消毒難易等)、可利用時(shí)間長(zhǎng)和外觀潔美等因素。

3 泥炭蘚基質(zhì)化利用研究

栽培基質(zhì)原料種類繁多,但目前用量最大、效果最好的基質(zhì)原料只有泥炭。然而,泥炭作為一種有限的資源,過(guò)度的開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞,因此,各國(guó)政府和研究人員都在不斷研究開(kāi)發(fā)新的基質(zhì)材料,探求合成理想的栽培基質(zhì)。泥炭蘚具有有機(jī)質(zhì)含量高、纖維含量豐富、疏松多孔、通氣性好、比表面積大、吸水性好等優(yōu)點(diǎn),可用做無(wú)土栽培基質(zhì)原料。分析泥炭蘚的基質(zhì)特性,并與泥炭和其他基質(zhì)材料相對(duì)比,對(duì)研究泥炭蘚的基質(zhì)化利用,節(jié)約泥炭資源,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,加快基質(zhì)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

3.1 泥炭蘚的基質(zhì)特性從栽培基質(zhì)的功能指標(biāo)分析泥炭蘚的基質(zhì)特性(表3)。泥炭蘚的容重為0.045～0.080 g/cm3,總孔隙度70%～99%,大小孔隙比為1∶2,持水量為1 600%～2 500%,pH 4.3～4.7,EC值0.35～0.45 mS/cm[49]。泥炭蘚作為基質(zhì)使用,擁有良好的功能特性。首先,從基質(zhì)的物理指標(biāo)進(jìn)行分析,泥炭蘚所具有的特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu),可以使基質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定,泥炭蘚吸水不是植物本身生命活動(dòng)的結(jié)果,而是毛細(xì)作用的結(jié)果,即使泥炭蘚死亡之后持水能力也不會(huì)改變。從大小孔隙分析,泥炭蘚擁有強(qiáng)大的持水能力與通氣性能[50],當(dāng)泥炭蘚作為基質(zhì)使用時(shí),如果保持泥炭蘚適當(dāng)濕度,泥炭蘚就能夠?yàn)橹参锔稻S持理想的水分和通氣條件[11,51]。潤(rùn)濕性能是基質(zhì)重要的使用條件,良好的潤(rùn)濕性能,決定基質(zhì)對(duì)水分吸收和保持的能力[52]。泥炭蘚具有良好的親水性能[8],能夠提高基質(zhì)對(duì)水分保持與吸收的能力,為植物根系的生長(zhǎng)維持理想的水分條件。其次,從分析化學(xué)指標(biāo)分析,泥炭蘚作為一種弱有機(jī)酸,可以通過(guò)吸收陽(yáng)離子和釋放氫離子來(lái)酸化周?chē)h(huán)境,用作基質(zhì)時(shí)需要將其pH調(diào)節(jié)至中性微酸。并且泥炭蘚內(nèi)含豐富的有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵等多種營(yíng)養(yǎng)元素,能夠滿足栽培植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求。最后根據(jù)生物學(xué)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo),泥炭蘚作為純天然產(chǎn)品,材料干凈,無(wú)病菌,能減少蟲(chóng)害的發(fā)生。泥炭蘚是一種可更新資源,取之不盡,用之不竭。泥炭蘚能夠吸收、儲(chǔ)存和釋放大量的植物營(yíng)養(yǎng),而其他植物殘?bào)w只有在粉碎或者腐殖化以后才可能擁有這種功能,因此泥炭蘚不需要任何處理,就可直接用于基質(zhì)和土壤調(diào)理劑生產(chǎn)。

表3 泥炭蘚與無(wú)土栽培基質(zhì)理化性質(zhì)[48]

3.2 泥炭蘚的基質(zhì)化利用分析

3.2.1泥炭蘚與泥炭基質(zhì)。如表3所示,泥炭蘚與泥炭的容重差別不大,泥炭電導(dǎo)率為0.1～0.7,泥炭蘚電導(dǎo)率剛好在泥炭電導(dǎo)率范圍內(nèi),兩者的總孔隙度范圍與大小孔隙比基本相同?？梢园l(fā)現(xiàn)泥炭蘚完全具備泥炭所擁有的各種理化性質(zhì),并且在某些方面具有比泥炭更加優(yōu)良的性質(zhì),比如泥炭能吸收5～7倍于自身的水分,而泥炭蘚能夠吸收自身重量16～25倍的水分[18],泥炭蘚的吸水能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥炭的,這種強(qiáng)大的吸水能力,在作為基質(zhì)使用時(shí)可以為植物根系提供良好的水分條件。泥炭是一種不可再生的資源,目前對(duì)泥炭資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)造成了巨大的環(huán)境問(wèn)題,因此,泥炭蘚作為可再生的資源,擁有與泥炭相似的特性,可以用作泥炭的替代材料,但最佳的替代比例還需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究來(lái)探尋。

3.2.2泥炭蘚與有機(jī)基質(zhì)材料。有機(jī)基質(zhì)材料由于理化性質(zhì)的差異,在栽培過(guò)程中都會(huì)有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。菌棒在使用的時(shí)候不能碾碎為質(zhì)地均一的基質(zhì),內(nèi)部孔隙少,顆粒間孔隙多,在使用過(guò)程中會(huì)因?yàn)樵絹?lái)越細(xì)密導(dǎo)致病害的發(fā)生[53]。爐渣通透性較好,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,但是保水性和吸水性較差,溫度變化幅度大,pH呈堿性,需要在配置時(shí)加以調(diào)整。蘆葦沫雖然礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)豐富且緩沖能力強(qiáng),但是需要經(jīng)過(guò)堆置發(fā)酵才能使用。椰糠基質(zhì)具有纖維素含量高、保水吸水性好、通氣性能好、疏松多孔等特性,在園藝栽培時(shí)使用較多,但是椰糠價(jià)格較貴,使用壽命一般,并且重復(fù)使用需要消毒,存在一定缺陷[54]。與這些基質(zhì)材料相比,泥炭蘚擁有低pH和低EC值,有利于基質(zhì)的酸度與養(yǎng)分調(diào)節(jié)(表3)。另外,泥炭蘚總孔隙度高、通氣透水性好,具有作為基質(zhì)原材料的優(yōu)勢(shì)。

3.2.3泥炭蘚與標(biāo)準(zhǔn)育苗基質(zhì)。泥炭蘚基質(zhì)性狀與育苗基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)性狀對(duì)比(表3),總孔隙度和大小孔隙比是相似的,說(shuō)明泥炭蘚作為育苗基質(zhì)使用可以提供良好的通氣性和透水性。泥炭蘚容重過(guò)輕,在澆水時(shí)容易漂浮,不利于固定根系。因此,泥炭蘚可與爐渣、蘆葦沫和椰糠等容重較大基質(zhì)材料混配使用提高容重。泥炭蘚基質(zhì)電導(dǎo)率(EC)和pH都低于標(biāo)準(zhǔn)育苗基質(zhì),EC會(huì)直接影響幼苗生長(zhǎng)狀況,過(guò)低的電導(dǎo)率會(huì)使幼苗生長(zhǎng)緩慢,過(guò)高的電導(dǎo)率會(huì)導(dǎo)致植物受到損傷或造成植株根系的死亡;此外,基質(zhì)酸性過(guò)強(qiáng),會(huì)使植物根系活動(dòng)能力下降,基質(zhì)中的有效養(yǎng)分不能釋放,有益微生物的活動(dòng)能力下降,影響幼苗的正常生長(zhǎng)。因此,泥炭蘚可與爐渣、蘆葦沫和椰糠配比提高電導(dǎo)率(EC),與蛭石、珍珠巖、蘆葦沫配比調(diào)節(jié)酸堿度。由此可見(jiàn),泥炭蘚與蘆葦沫混配使用作為標(biāo)準(zhǔn)育苗基質(zhì)是最佳的選擇,但其最佳的混配比例還需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行探索研究。

3.2.4泥炭蘚與標(biāo)準(zhǔn)栽培基質(zhì)。與標(biāo)準(zhǔn)栽培基質(zhì)對(duì)比(表3),泥炭蘚的總孔隙度、大小孔隙比和電導(dǎo)率完全符合標(biāo)準(zhǔn)栽培基質(zhì)的要求。泥炭蘚容重與標(biāo)準(zhǔn)栽培基質(zhì)差距較大,需要將泥炭蘚與菌棒和爐渣這兩種容重較大的基質(zhì)配比使用。泥炭蘚的pH與標(biāo)準(zhǔn)栽培基質(zhì)的pH相差不大,使用蛭石、珍珠巖、爐渣、蘆葦沫、椰糠等基質(zhì)與泥炭蘚混配都可以提高其pH。泥炭蘚作為標(biāo)準(zhǔn)栽培基質(zhì),缺乏無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng),需要與無(wú)機(jī)基質(zhì)材料蛭石或珍珠巖混配使用。但是基質(zhì)混配使用時(shí),在改善一部分性狀的同時(shí),可能會(huì)對(duì)其他各項(xiàng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此用泥炭蘚進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)栽培基質(zhì)的配比需要通過(guò)基質(zhì)栽培試驗(yàn)驗(yàn)證,并以基質(zhì)配比的理化性質(zhì)和作物生長(zhǎng)狀況優(yōu)劣為參考標(biāo)準(zhǔn)尋找最佳的基質(zhì)配比。

3.3 泥炭蘚的基質(zhì)化利用展望泥炭地在大氣碳匯中發(fā)揮了重要的作用,但是泥炭的過(guò)度開(kāi)采引發(fā)了泥炭資源減少、泥炭地固氮功能喪失、濕地生態(tài)系統(tǒng)破壞等問(wèn)題。泥炭蘚具有高品質(zhì)的無(wú)土栽培基質(zhì)所有的物理、化學(xué)和生物特性,并且是可再生的,是替代泥炭的首選材料。然而,要充分了解泥炭蘚基質(zhì)與植物性能之間的相互作用,還需要更多的泥炭蘚植物生理學(xué)等方面的研究。

(1)加強(qiáng)各國(guó)在苔蘚方面的交流,運(yùn)用新技術(shù)深入研究泥炭蘚。雖然近年來(lái)新興的科技和技術(shù)得到了發(fā)展,但是這些技術(shù)對(duì)于泥炭蘚的應(yīng)用還不夠廣泛,尤其是在泥炭蘚的生理生態(tài)學(xué)、化學(xué)成分、超微結(jié)構(gòu)、分子生物學(xué)等方面的研究深度還處于起步階段,甚至還比較欠缺,因此,加強(qiáng)各國(guó)苔蘚學(xué)之間的溝通和交流是非常有必要的。只有充分發(fā)揮我國(guó)豐富的苔蘚植物資源,并且充分運(yùn)用新的技術(shù)手段研究泥炭蘚,才能給我國(guó)的泥炭蘚的研究帶來(lái)更深層次的發(fā)展[26]。

(2)吸取國(guó)內(nèi)外泥炭蘚種植經(jīng)驗(yàn),提升泥炭蘚種植技術(shù)。泥炭蘚作為一種國(guó)際貿(mào)易商品,是當(dāng)今最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的苔蘚植物,每年世界產(chǎn)值高達(dá)十億美金。研究泥炭蘚種植技術(shù)是提升泥炭蘚的產(chǎn)量與品質(zhì)、降低栽培成本,以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的必由之路。在泥炭蘚種植方面,國(guó)外已經(jīng)形成了較為成熟的泥炭蘚種植行業(yè),可以通過(guò)廣泛的借鑒和吸收外國(guó)種植產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與理念,為我國(guó)泥炭蘚種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新鮮血液,從而研發(fā)出具有中國(guó)特色的泥炭蘚高水平種植技術(shù)。

(3)對(duì)泥炭蘚用作育苗和栽培基質(zhì)進(jìn)行深入研究。目前泥炭蘚作為育苗和栽培基質(zhì)的研究還不夠全面,泥炭蘚資源沒(méi)有得到良好的使用,因此需要對(duì)泥炭蘚的基質(zhì)化利用進(jìn)行更深一步的探索與研究。單一基質(zhì)由于理化性狀上的缺陷可能無(wú)法滿足不同作物生長(zhǎng)的各項(xiàng)需求,通過(guò)基質(zhì)的混配使用改善理化性狀的不足才是如今的研究重點(diǎn),開(kāi)發(fā)研究能夠循環(huán)利用、不污染環(huán)境、性能穩(wěn)定、養(yǎng)分豐富且栽培效果好的各種混配基質(zhì)是基質(zhì)化利用重要的發(fā)展方向。泥炭蘚是理想的栽培基質(zhì)原料,運(yùn)用泥炭蘚與各種基質(zhì)材料相配比,通過(guò)調(diào)控比例可使基質(zhì)擁有不同的理化性質(zhì)。不同比例的泥炭蘚混配基質(zhì)將會(huì)適應(yīng)不同設(shè)施、不同地域、不同作物,可以成本低、效果好、管理方便、作物生長(zhǎng)周期和作物品質(zhì)優(yōu)劣為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),尋求開(kāi)發(fā)出以泥炭蘚為主的各種特性優(yōu)良的育苗或栽培基質(zhì)。

4 總結(jié)

泥炭蘚在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可作為育苗或栽培基質(zhì),因其擁有有機(jī)質(zhì)含量高、纖維含量豐富、疏松多孔、通氣性好、比表面積大、吸水性好、無(wú)病菌和能減少蟲(chóng)害的發(fā)生等優(yōu)良的性質(zhì),是替代泥炭基質(zhì)的最佳材料。通過(guò)綜述泥炭蘚的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),泥炭蘚擁有獨(dú)特的細(xì)胞結(jié)構(gòu),細(xì)胞壁上的孔使其擁有強(qiáng)大的持水能力,同時(shí)具有穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu),其化學(xué)成分又使其具有防腐性能、吸附特性、抗氧化功能和抗菌活性等性能。因此,泥炭蘚在作為基質(zhì)使用時(shí),既為植物提供有利的水分和空氣條件,也顯著提升了其基質(zhì)化利用的附加功能。同時(shí)也注意到泥炭蘚本身與理想育苗或栽培基質(zhì)的性能存在差距,需要探索其與其他基質(zhì)材料進(jìn)行不同比例的配比,研究各種配比基質(zhì)的不同的性質(zhì),以期能夠開(kāi)發(fā)出各種具有優(yōu)良性能的泥炭蘚育苗或栽培基質(zhì),推動(dòng)泥炭蘚的基質(zhì)化利用。此外,也要不斷提升泥炭蘚的種植技術(shù),提高泥炭蘚的產(chǎn)量與品質(zhì),為其基質(zhì)化利用提供堅(jiān)強(qiáng)保障。