水稻是我国主粮作物品种，截至2016年我国水稻种植面积为3 016万hm²，产量20 693万t^[1]。我国水稻种植的优势地区多集中在东北地区和长江中下游地区^[2]，其中东北地区的水稻育苗多采用旱育秧技术，每年均需大量的优质耕作土壤作为育苗床土^[3]。随着东北地区水稻规模化育苗的发展，对高质育苗床土的需求剧增，并且对农田耕层土壤造成了破坏；同时，受土壤农药残留的影响，水稻育苗过程也出现难以获得合格苗床土、苗床土前处理过程中药量大的问题^[4]。减少水稻育苗过程中耕作土壤的使用，摆脱育苗过程对耕作土壤的依赖，是水稻规模化亟待解决的现实问题。基质育苗即采用非营养土的方式，替代土壤进行育苗的方式，是近年来发展的主要方向^[5]。

草炭是沼泽植物的残体，在厌氧多水条件下，不完全分解堆积而成的天然物质，是目前公认的效果良好且应用最广泛的育苗基质材料^[6-7]，常应用于蔬菜和花卉栽培中^[8]，近年来也有报道利用草炭进行水稻育苗^[3]。然而草炭是一种短期内不可再生的资源且贮量有限^[7]；并具有开采限制性，不当开采会对环境造成破坏。如何有效减少基质中草炭的用量或进行替代是育苗基质产业可持续发展的前提。

煤矸石是一种采煤过程中的固体废弃物，综合排放量占原煤产量的10%~15%^[9]，是我国排放量最大的工矿业固体废弃物之一^[10]。目前，对煤矸石的资源化利用主要为铺路、生产建筑材料、燃烧发电、制作工艺品等方面。在农业领域应用较少，主要是提取煤矸石中的营养元素如氮、磷、钾、硼等，制备有机复合肥料或处理后作为土壤改良使用^[11]。草炭的容重较小（一般为0.2 g·cm^-3左右）^[12]，单纯利用草炭进行水稻育苗容易出现种子不易扎根的现象。能否利用煤矸石容重较大并含有一定营养成分的特性^[13]，参考现行的利用草炭生产育苗基质的方法，配置水稻育苗基质，在满足水稻育苗需求的同时，为固体废弃物的资源化利用找到可行途径，是本文的主要研究立意。本研究重点探索利用煤矸石作为主要材料生产出合格水稻育苗基质的方法，最大限度减少或替代草炭，生产出规模化水稻育苗所需的均一化高质量基质，在水稻育苗中摆脱对耕作土壤取用的依赖，实现无土栽培，这对保护草炭这一短期内不可再生资源具有重要意义。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试原料主要为煤矸石和草炭2种，试验用煤矸石、草炭和商品化水稻育苗基质购置于黑龙江省七台河市。其中草炭过2 mm筛待用，煤矸石由粉碎机粉碎过2 mm筛待用。水稻品种为辽粳390，测定发芽率为94%，播种前对水稻种子进行泡种、催芽露白后进行播种。

1.2 试验原料理化性质及测定方法

试验用煤矸石和草炭的主要理化指标包括：容重、pH值、EC、盐度、总氮、总磷、总钾、重金属（铅、砷、汞、镉、铬）含量等。测定方法：pH值用pH计法，EC和盐度用电导率仪法^[14]，容重用环刀法，孔隙度用计算法，总氮用开氏消煮法，总磷用碳酸钠熔融法，总钾用氢氧化钠熔融法，碱解氮用碱解扩散法，速效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾用乙酸铵提取法，重金属铅镉铬用原子吸收分光光度法，砷用原子荧光光谱法，汞用冷原子吸收法^[15]。测定结果见表 1。

所用材料中重金属含量均符合《土壤环境质量标准（GB 158618—1995）》的农业用地标准^[16]。

1.3 试验设计

利用煤矸石和其他辅料，按不同组分比例配制基质产品，在水稻育苗盘中把催芽后的水稻种子按照110 g·盘^-1的播种量进行播种，在人工气候箱内进行水稻育苗试验，人工气候培养箱内的湿度根据自然规律和水稻的生长需求按照24 h一周期进行设置，温度根据自然规律和水稻生长需求按照24 h制和水稻叶龄期进行设置，具体见表 2，试验周期为30 d。通过测定基质理化性质及观测水稻育苗过程中秧苗的各项质量评价指标，分析筛选最优水稻育苗基质组合。主要试验流程为：原料预处理—混合—肥料添加—酸度（湿度）调节—播种—观测秧苗的各项质量评价指标。

1.3.1 材料前处理

为确保实验顺利进行，试验开展前以煤矸石和草炭为原料，以容重为指标进行了配比实验，发现当基质的容重小于0.5 g·cm^-3时会出现翻种现象，而当容重大于0.7 g·cm^-3时，由于煤矸石大量添加会出现吸水困难的现象，所以将煤矸石和草炭按不同配比混合后设置容重分别为0.5、0.6、0.7 g·cm^-3 3个处理进行。

水稻育苗基质的一个重要特性是保水保肥性^[17]，由于煤矸石本身的保水保肥性能较差，为增加其活性，试验设置煤矸石活化处理组和常规处理组。活化处理组的处理为：将煤矸石以700 ℃高温煅烧1 h，并用急速冷却的方式进行处理，冷却后用1.5%的海藻酸钠溶液进行浸泡；常规处理组为：煤矸石不经煅烧处理，直接用1.5%的海藻酸钠溶液浸泡。

1.3.2 试验基质方案

试验分为对照组（CK）和试验组2类，试验组包括常规处理组（CGP1）和活化处理组（CGP2），每个处理设置3个重复，具体的试验处理见表 3。同时，经活化处理后的煤矸石容重为0.8 g·cm^-3，由于煤矸石不可能单独作为育苗基质，秉着煤矸石最大化应用的原则，将活化处理后的煤矸石与草炭混合，配置容重为0.7 g·cm^-3的基质作为煤矸石活化处理组。

所有处理的肥料保持一致，肥料的供给为：将硝酸铵、磷酸二氢钠、硫酸钾、氯化钙、无水硫酸镁、微量元素（锌、铜、铁、锰等）等混入不同配比的基质中，其中氮、磷、钾的质量之比为2:1:1，肥料的总添加量为2 g·kg^-1。然后用1%的硫酸调节酸度为pH=4.5左右。水稻育苗在24 cm×17 cm的穴盘中进行。

1.4 秧苗的质量评价指标及观测方法

根据水稻壮秧标准及水稻秧盘苗的质量评价指标^[18]，本研究在水稻育苗过程中对水稻秧苗的出苗情况、生长情况、根部的机械能力进行观察、测量并记录。

出苗情况：主要是指秧苗的出苗率和叶龄。试验中出苗率为播种后的第3 d对育秧盘的出苗数进行记录；同时记录不同配比基质两叶期、三叶期、四叶期的时间。

生长情况：主要是指对秧苗的株高、株茎进行定期测量和秧苗生长周期结束后生物量的测定。试验中株高和株茎的测量是在播种后的第10、15、20、25、30 d每次随机选取6株秧苗，分别用直尺和游标卡尺进行测量并记录；生物量为生长周期结束后秧苗的干重、鲜重（全株、地上、地下），本试验以百株秧苗为单位进行研究。在测定水稻秧苗指标时，试验处理的水稻秧苗可整株提起，对获得的水稻根部，通过蒸馏水反复冲洗，即可得到完整的根部。

根部的机械能力：主要是指生长周期结束后秧苗的根长、根茎、根的总数和发根能力。在秧苗生长周期结束后任意选取6株秧苗用直尺测量每株最长根的根长、用游标卡尺测量每株最长根的根茎、根的总数并记录，在三叶期时随机选取6株测定其发根能力^[19]。

1.5 数据处理

利用Excel 2016、SPSS 16.0和Sigma Plot 10.0软件进行数据统计分析与作图。

2 结果与分析 2.1 试验基质的理化性质

分别测定了试验组和对照组各个处理的pH值、EC、盐度、总孔隙度、持水孔隙度等理化性质^[20]，见表 4。从试验结果可以看出，试验组的pH值在4.3左右各处理之间无显著性差异（P>0.05），而与对照组相比存在极显著性差异（P < 0.01）；试验组的EC和盐度要比对照组高且存在极显著性差异（P < 0.01），常规处理组中随着容重的增大，EC和盐度略有增加，活化处理组的EC和盐度最高，处理CGP1 0.5和CGP1 0.6之间无显著性差异（P>0.05），处理CGP1 0.7和CGP2 0.7之间无显著性差异（P>0.05）；试验组的处理CGP1 0.5与对照组的总孔隙度无显著性差异（P>0.05），但其他处理的总孔隙度比对照组均小，常规处理组的总孔隙度随容重的增大而减小，处理CGP1 0.6和CGP2 0.7之间无显著性差异（P>0.05）；活化处理组的持水孔隙度最大。

2.2 不同配比基质对水稻出苗情况的影响

由表 5可以看出不同配比基质的水稻出苗率均在95%以上，常规处理组CGP1 0.5和CGP1 0.6的出苗率最高，常规处理组CGP1 0.7比对照组出苗率略高，活化处理组与对照组出苗率相同。试验组和对照组的水稻秧苗成活率均在90%以上，但试验组比对照组略高。水稻秧苗的叶龄期时间，常规处理组CGP1 0.5和CGP1 0.6的叶龄期时间略早，试验组其他处理与对照组叶龄期时间相同。从出苗情况来看，试验组有的处理出苗情况与对照组相同有的处理要好于对照组，其中常规处理组CGP1 0.5和CGP1 0.6较好。

2.3 不同配比基质对秧苗生长情况的影响 2.3.1 不同配比基质对秧苗株高、株茎的影响

不同基质处理下水稻株高和株茎情况见图 1~图 2。

图 1可以表明，秧苗株高随时间的增加总体呈上升趋势，在前15 d生长速度较快，后期生长速度较为缓慢且各处理间株高有明显的差异。株高最终整体呈现为：处理CGP1 0.5>处理CGP1 0.6>处理CK>处理CGP2 0.7>处理CGP1 0.7。根据表 6可以看出处理CK、CGP1 0.5和CGP1 0.6之间无显著性差异（P>0.05），为较好处理，活化处理组CGP2 0.7、常规处理组CGP1 0.7与对照组相比存在显著性差异（P < 0.05）。

根据图 2可以看出，秧苗株茎随时间的增加总体呈上升趋势，在25 d前生长速度较快，后期生长速度较缓慢，由表 6可知试验组CGP1 0.6处理与对照组存在显著性差异（P < 0.05），且株茎要比对照组粗，但试验组各处理间无显著性差异（P>0.05）。通过株高和株茎可以看出常规处理组CGP1 0.6总体较好。

2.3.2 不同配比基质对秧苗生物量的影响

各个处理的秧苗生长一个周期30 d时，对其百株生物量进行测量，结果见图 3。可以看出秧苗的干、鲜重为处理CGP1 0.6>处理CGP2 0.7>处理CGP1 0.7>处理CK>处理CGP1 0.5，地上的干、鲜重明显高于地下的干、鲜重。地上部分处理CGP1 0.6、CGP2 0.7的干、鲜重较大。地下部分处理CGP1 0.5的干、鲜重较小，处理CGP1 0.7的干、鲜重较大。整体来看，常规处理组CGP1 0.5的生物量略低于对照组，其他处理均高于对照组，但常规处理组CGP1 0.5与对照组的生物量无显著性差异（P>0.05）。

2.4 不同配比基质对秧苗根部机械能力的影响

通过图 4可以看出常规处理组各处理间无显著性差异（P>0.05），常规处理组CGP1 0.5和活化处理组CGP2 0.7与对照组存在显著性差异（P < 0.05）。通过图 5可以看出在根茎方面，各个处理间无显著性差异（P>0.05），试验组均好于对照组。

由图 6可以看出，处理CGP1 0.7和CGP2 0.7的根数略多，处理CGP1 0.5的根数略少，试验组与对照组并无显著性差异（P>0.05），在生根能力方面试验组之间无显著性差异（P>0.05），且好于对照组。

3 讨论

本论文采用常规处理和活化处理的煤矸石与草炭混合配比不同容重的水稻育秧基质进行水稻育苗，主要从秧苗的出苗情况、生长情况和根部的机械能力3个方面进行研究。

秧苗的出苗情况，试验组要优于或等同于对照组，试验组与对照组相比除了基质原料的不同外，试验组的基质pH值、盐度和EC与对照组存在极显著性差异（P < 0.01），这有可能是造成水稻秧苗出苗率、成活率高和叶龄期时间早的原因。而试验组中常规处理组的CGP1 0.5和CGP1 0.6要比常规处理组的CGP1 0.7和活化处理组的CGP2 0.7水稻秧苗出苗率、成活率高和叶龄期时间早, 那么在基质pH值相同的情况下造成此差距的原因有可能是基质的盐度和EC，处理CGP1 0.5和CGP1 0.6与处理CGP1 0.7和CGP2 0.7的盐度和EC存在显著性差异（P < 0.05），基质的盐度和EC在一定的范围有利于提高秧苗的出苗率、成活率和提前叶龄期的时间，而超过一定的范围就会起到抑制的作用。

秧苗的生长情况，常规处理组中容重越小总孔隙度越大有利于株高的生长，而株高最高的处理CGP1 0.5株茎略小，可以看出如果株高越高可能会影响株茎的生长。而常规处理组与活化处理组相比，在容重相同的情况下，活化处理组CGP2 0.7总孔隙度和持水孔隙度较大更有利于株高的生长。从生物量来看，常规处理组CGP1 0.5的生物量明显低于其他处理，有可能是容重偏轻不利于水稻秧苗根部养分的吸收和传输^[21]。但常规处理组CGP1 0.5的生物量与对照组无显著性差异（P>0.05），说明已达到市售基质的标准。常规处理组CGP1 0.7的根部生物量较大，而地上部分的生物量较小，与活化处理组CGP2 0.7相比有可能是孔隙度较小有利于水稻根部生物量的积累。

根部的机械能力，试验组基本达到或优于对照组水平。常规处理组中容重越小总孔隙度越大有利于根长度的增加，但根茎就相对较细，根数较少。在相同容重下或总孔隙度相同的情况下，活化后的煤矸石配置的育苗基质处理CGP2 0.7持水孔隙度较大有利于根长度的增加，根茎变粗和根数的增多。

从整体来看：试验组可以替代对照组，说明煤矸石作为水稻育苗基质的原料可行，煤矸石基质可以替代市售基质。活化处理组CGP2 0.7的煤矸石用量达到80%（体积比），草炭的用量减少到20%（体积比），达到了我们减少草炭用量的目的，但同时也面临着一定的问题，对煤矸石进行活化经济成本较高。试验组中基质的最优组合为常规组的CGP1 0.6，但是其煤矸石的添加量较少为38%（体积比），草炭的添加量较多为62%（体积比）。以煤矸石作为水稻育苗基质的主要成分，彻底取代草炭，是我们下一步研究的重点。

4 结论

（1）利用煤矸石进行水稻育苗可行，可以作为水稻育苗基质的原料；

（2）煤矸石被用于水稻育苗基质的原料过程中，处理CGP2 0.7煤矸石的最大添加量达到80%（体积比），但煤矸石需要进行活化；

（3）最优处理为CGP1 0.6，煤矸石不需活化，添加量较少，仅为38%（体积比）。