泥炭藓组成结构及基质化利用研究进展

摘要 随着无土栽培技术的兴起，基质市场迅速发展，需求量日益增大，基质的开发与应用已经成为重要的研究领域。泥炭作为主要的基质原料，不仅资源有限，而且大量开采还会破坏生态环境。综述泥炭藓的研究现状和作为基质材料的基本性能指标，对比分析了泥炭藓与泥炭和其他基质材料之间的联系和区别，并依据标准育苗基质和栽培基质的生产原则，对其基质化利用进行深入探讨，以此展望泥炭藓作为基质的发展前景，旨在为泥炭资源的恢复、生态环境的保护和泥炭藓的基质化利用提供参考。

关键词 泥炭藓；泥炭；化学成分；种植技术；基质特性

中图分类号 Q948  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）16-0011-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.16.003

Research Progress on Composition Structure and Substrate Utilization of Sphagnum

LIANG Xiao-feng1，2，LIN Wei2，QI Zhi-yong1，2 et al

（1.College of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu，Sichuan 610106;2.Institute of Urban Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Chengdu，Sichuan 610213）

Abstract With the rise of soilless cultivation technology，the market of substrate is developing rapidly and the demand for substrate is increasing.Therefore，the development and application of substrate has become an important research field.Peat，as the main substrate material，is a limited resource，and its extensive exploitation destroys the ecological environment.This paper reviews the current research status of sphagnum and property of soilless substrate materials and compares and analyzes the connections and differences between sphagnum and peat and other substrate materials.According to the production principle of standard seedling substrates and cultivation substrates，the substrate utilization of sphagnum was analyzed in depth and the development prospects of sphagnum as substrate was prospected，aiming to provide reference for the restoration of peat resources，the protection and improvement of ecological environment，and the substrate utilization of sphagnum.

Key words Sphagnum；Peat；Chemical component；Planting technology；Substrate properties

基金项目 国家自然科学基金项目（42107040）；中国农业学院科技创新工程项目（ASTIP-CAAS）；国家成都农业科技中心地方财政项目（NASC）。

作者简介 梁晓烽（1999—），男，四川内江人，硕士研究生，研究方向：城市有机废弃物资源化利用。通信作者，研究员，硕士生导师，从事城市有机废弃物资源化利用研究。

收稿日期 2022-09-08

泥炭藓（Sphagnum palustre L.）又被称为水苔、山毛草、海花草，主要生长在高湿度的沼泽和森林斜坡上的潮湿沟壑中。泥炭藓属于泥炭藓科和泥炭藓属，该属分布广泛，世界上有300余种。在我国，现有泥炭藓约有41种［1］，主要分布在东北、华东、中南和西南等地区，其中西南地区又以贵州和四川为主［2］。泥炭藓新鲜植物体通常呈淡绿色，干燥时呈灰白或黄白色，植株下部死亡后，上部可以继续生长［3］，由于缺氧，下部死亡部分不易被细菌腐烂，故逐渐炭化形成泥炭。同时，泥炭藓是一种重要的造碳植物，其固碳量占北半球泥炭沼泽总固碳总量的一半［4］，在全球生态系统中发挥着重要的作用，是泥炭地恢复和重建的首选植物。

泥炭因具有容重低、结构稳定、有机质含量高、通气透水性好、无病原体、价格便宜、便于液体调节养分供应等优点［5］，是最具优势的基质原料，被广泛地应用于农业无土栽培中。但泥炭又是一种短期不可再生资源，目前对泥炭的过度开采严重破坏了沼泽地生态环境［6］，因此各国的政府和学者都在寻求一种可以替代替泥炭的基质原料。泥炭藓作为泥炭形成地前体物质，性能方面与泥炭非常相似［7］，代替泥炭用作基质原料，具有广阔的应用前景。近年来，随着泥炭藓人工种植技术的不断成熟，大大提升了其短期再生能力，对恢复泥炭地和提供基质原料具有重要意义。但是，泥炭藓基质化利用研究尚处于起步阶段，无法对其产业化提供帮助。因此，该研究通过分析泥炭藓在组织结构、化学成分、功能应用和种植技术等方面的研究现状，探讨泥炭藓作为基质原料的主要特性及其基质化利用条件，以此展望泥炭藓的应用前景，助力泥炭藓早日实现基质化利用，推动国内基质产业的健康发展。

1 泥炭藓研究现状

1.1 泥炭藓的组织结构 泥炭藓植物体（图1a）枝条纤长，高8～20 cm，活体泥炭藓植物呈黄绿色或黄棕色。泥炭藓植物体的主体是叶和茎，茎叶大，呈舌形，先端圆钝，往往消融破裂成齿状，叶缘具白色分化狭边［8］；枝叶阔卵圆形，内凹，先端兜状内卷，绿色，细胞在叶片横切面呈狭长三角形，偏于叶片腹面。泥炭藓的叶和茎都是具有表面活性的，意味着泥炭藓茎叶具有和高等植物的根毛和表皮细胞相同的摄取养分的能力。泥炭藓茎带有中空细胞组织，叶只有一个细胞的厚度，组织由含有或不含叶绿素的活细胞和含有水或空气的死细胞组成［9］。活细胞构成网状结构，能够把泥炭藓死细胞包被在活细胞的网眼中。

泥炭藓内部的细胞（图1b）是薄壁的，具有环形、螺旋形或蝶形的木质化细胞壁［10］。泥炭藓细胞壁坚韧，能够保证泥炭藓干燥时不会崩塌变形，即使形成泥炭以后仍然能够吸收水和转运水分。当泥炭藓透明细胞中的水分蒸发或淋滤后，细胞腾出的空间能够被空气充填，从而维持稳定的孔隙结构和空气含量。泥炭藓细胞壁上具有许多孔，这些孔能够让水分进入细胞并转移到其他器官上，从而让泥炭藓拥有强大的持水能力［11］。此外，泥炭藓的叶绿体细胞是泥炭藓进行光合作用的场所。

1.2 泥炭藓的化学成分 泥炭藓主要由碳水化合物组成，主要成分有30%～60%的半纤维素和果胶、15%～25%的纤维素、5%～10%的蛋白质、5%～10%的脂肪和1%～5%的其他成分（图2a），根据泥炭藓主要成分分析元素组成，泥炭藓含有41.0%～42.0%的碳、5.5%～5.8%的氢、0.4%～1.0%的氮、51%～53%的氧和0.1%～0.5%其他元素（图2b），其中最丰富的官能团是羰基、羧基和羟基［10］。

泥炭藓中的半纤维素是由几种单糖和糖醛酸构成的异质多聚体，10%～30%的泥炭藓干质量由糖醛酸组成，糖醛酸是单糖的端基（CH2OH）被化学或生物氧化的反应产物，糖醛酸和环境的低缓冲能力是泥炭藓酸性的原因。另外，半纤维素还能使泥炭藓具有良好的亲水性能；果胶主要由半乳糖醛酸和少量单糖构成，作为天然的食品添加剂，应用于食品工业，主要起到胶凝、增稠、改善质构、乳化和稳定的作用，果胶的存在还能使泥炭藓具有吸附重金属的性能；纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，纤维素的存在使泥炭藓具有预防各种疾病的作用。

此外，研究表明，泥炭藓中还含有少量类似木质素的酚类物质，如无定形酚醛聚合物在泥炭藓的细胞壁表面覆盖着，保护泥炭藓细胞壁。酚类物质形成一个多酚网络，为降解微生物提供化学和物理屏障［12］。泥炭藓中氮元素来源是利用蓝藻等共生生物吸收大气中的氮，将大气中的氮转化为氨，然后用于合成氨基酸［13］，这些共生生物存在于泥炭藓叶片上，泥炭藓中的氮含量低于其他苔藓植物的原因可能是由于它的生长环境与其他的苔藓植物不同［14］。

1.3 泥炭藓的功能与应用 泥炭藓具有优良的性能，比如良好的防腐特性、极强的吸附能力、较好的阳离子交换能力，同时还具有抗氧化功能与抗菌活性，因而被广泛用于医药、环保、工业、农业等领域（表1）。

1.3.1 防腐功能。泥炭藓具有良好的防腐性能，将泥炭藓用作包装材料，能够储存新鲜捕获的鱼和根茎蔬菜等食物［15］。酸性泥炭藓能够抑制各种食物中毒和腐败细菌在低缓冲固体生长介质上的生长［7］。从泥炭藓中提取的焦油在历史上被用作湿疹和其他皮肤病的外部治疗的弱防腐剂［16］。研究表明，用漂白泥炭藓的方式制成的吸水垫可以提高包装好的鲑鱼鱼片的质量并延长保质期［17］。在加拿大北极考古学中，泥炭藓用作运输文物的包装材料，用泥炭藓包装的物品既能保持自然湿度，又能防止微生物定植［7］。

1.3.2 高吸附容量。泥炭藓的透明细胞可以容纳16～25倍于其干重的水［18］，据报道，泥炭藓的吸水能力是同等棉花的3～4倍［19］，这种特性被用于绷带制作和伤口处理。应用泥炭藓制作的碳纳米管［7］，其吸附容量值比活性炭的吸附容量值高出一个数量级。通过在两层湿纤维素之间压制泥炭藓，并在纤维素顶层添加聚酯纤维以提高强度可以制备可生物降解的泥炭纤维织物［20］。泥炭藓的阳离子交换容量可以吸附水中的金属离子［21］，可用于净化污水。

1.3.3 抗氧化性和抗菌活性。10%～30%的泥炭藓干物质由糖醛酸组成，已知糖醛酸具有抗氧化性能，因此泥炭藓提取物可用以制作抗氧化剂，抗氧化剂可防止与心血管和神经退行性疾病等疾病有关的自由基发挥作用，因此食用含有抗氧化剂的功能食物可以预防各种疾病［22］。泥炭藓含有复杂的脂质混合物，并且经研究检测到脂质混合物中的三萜类化合物是熊果酸，这种物质被认为可以有效地预防各种疾病，包括糖尿病、高血糖、溃疡和诱导性肝损伤等疾病［23］。泥炭藓能产生芳香类、萜类、糖醇类、脂肪酸、酚类及联苄类等大量具有抑菌效果的次生代谢活性物质［24］，这些物质所具有的抗菌特性使其能在化妆品和药物中得到应用。

1.4 泥炭藓的种植技术 泥炭藓种植的目的是最大限度地提高产量和限制成本，因此泥炭藓种植的首要条件是根据作物的产量和适用性选择合适的栽培原材料［25］。选用泥炭藓孢子作为初始材料，然后泥炭藓孢子通过培养基萌发成泥炭藓原丝体，将泥炭藓原丝体继代培养成泥炭藓茎叶体，泥炭藓茎叶体用作泥炭藓的种植原材料。第一年生产的泥炭藓可直接用于第二年泥炭藓的种植原材料，可以有效地降低成本，提高泥炭藓利用率。目前国内蔡奇英等、朱国金等分别在2008年和2014年发布多纹泥炭藓人工种植、粗叶泥炭藓人工种植、密叶泥炭藓人工种植3项专利［26］。国外方面，德国经过泥炭藓种植试验发现，锈色泥炭藓是一种很有种植前景的物种，而且种植方法也很简单［3］。这几种泥炭藓经过人工种植已经拥有了基本的种植技术与方法，在此基础上再对其进行种植技术的研究与改进，能够显著提高泥炭藓的产量与品质。泥炭藓种植技术可分为野外人工种植、室内设施栽培和组织快繁技术这3种技术（表2）。