張 爽, 鄭安旺, 劉 濤, 晏 磊

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院/黑龍江省寒區(qū)環(huán)境微生物與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點實驗室,黑龍江大慶 163319;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北平原農(nóng)業(yè)綠色低碳重點實驗室,黑龍江大慶 163319)

我國番茄種植面積廣泛,現(xiàn)已居世界首位,在很多地區(qū)番茄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵引擎。但是長時間種植番茄導(dǎo)致的連作障礙嚴(yán)重影響了我國番茄種植業(yè)的健康發(fā)展,提高番茄育苗質(zhì)量成為改善番茄生長與提高番茄產(chǎn)量、品質(zhì)的一個重要因素。因此尋找優(yōu)質(zhì)的育苗基質(zhì)原料,開發(fā)優(yōu)良的育苗基質(zhì)生產(chǎn)技術(shù),是保證番茄產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的基本需要[1]。

隨著我國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展,育苗基質(zhì)在作物的培育中得以應(yīng)用,逐漸成為育苗過程中的一個重要環(huán)節(jié)[2]?，F(xiàn)階段用于番茄等果蔬的育苗基質(zhì)原料主要以草炭土,珍珠巖、蛭石等不可再生資源為主,施用后殘留于土壤中難以降解,損害土壤的耕作性狀,過度開采也會威脅生態(tài)平衡。國家對草炭等礦物資源的保護、限制開采,使得傳統(tǒng)育苗基質(zhì)原料價格昂貴,基質(zhì)生產(chǎn)成本升高,因此代替草炭、珍珠巖等傳統(tǒng)育苗基質(zhì)材料的新型基質(zhì)原料亟待開發(fā)[3]。目前,新開發(fā)育苗基質(zhì)材料仍然存在一些弊端,距離商品化生產(chǎn)還有一定距離[4]。隨著我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用觀念的不斷深入,將農(nóng)業(yè)廢棄物作為穴盤栽培基質(zhì)材料已經(jīng)逐步成為新型基質(zhì)開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點。有大量的研究證明,農(nóng)業(yè)廢棄物(菌糠、秸稈、棉桿、椰糠、薯渣、甘蔗渣等)可以替代傳統(tǒng)的基質(zhì)原料,用于果蔬等作物的培育。我國是農(nóng)業(yè)大國,每年秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物存在大量冗余,我國每年玉米秸稈產(chǎn)量超3億t,僅有少量被用于飼料與農(nóng)業(yè)還田中,多數(shù)被丟棄或焚燒,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染與資源浪費。玉米秸稈作為一種極具潛力的生物質(zhì)資源,含有豐富的碳、氮、磷、鉀等大量元素,還含有鈣、鎂、硫等礦質(zhì)元素,具有元素儲備豐富、有機質(zhì)含量高等優(yōu)點[5]。馬鈴薯渣是淀粉加工過程中產(chǎn)生的廢棄物渣滓,具有質(zhì)地輕、通氣性好等作為輕型育苗基質(zhì)的優(yōu)良特性,將其用于育苗基質(zhì)中能夠為番茄幼苗的生長提供氮、磷、鉀等元素[6],其作為蔬菜育苗基質(zhì)原料也已經(jīng)得了較好的效果[7]。但是目前育苗基質(zhì)的生產(chǎn)還處于簡單混配的階段,由于基質(zhì)配比不嚴(yán)格,基質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化簡單,導(dǎo)致了基質(zhì)質(zhì)量參差不齊,育苗效果不穩(wěn)定的問題[8]。本研究將玉米秸稈、馬鈴薯渣、有機肥、田園土等基質(zhì)原料進行混配,形成番茄育苗基質(zhì),研究不同配比對番茄幼苗生長的影響,通過響應(yīng)面分析軟件確定番茄育苗基質(zhì)的最優(yōu)配比,形成具有穩(wěn)定育苗特性的番茄育苗基質(zhì),旨在為農(nóng)業(yè)有機廢棄物基質(zhì)化應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究番茄種子為中蔬4號(金種子種業(yè)),選用籽粒飽滿、大小一致、純度高的種子,去除雜質(zhì),常規(guī)消毒后催芽。供試原料為玉米秸稈、鮮馬鈴薯渣、有機肥、田園土及有機肥(原料為牛糞、水稻秸稈),以上材料均由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供,其中玉米秸稈干燥后粉碎至2 mm左右。選用樂霖育苗基質(zhì)(安徽樂林農(nóng)林科技有限公司)作為對照組進行試驗?；|(zhì)N、P、K含量測定選用土壤肥料植株氮磷鉀有機質(zhì)檢測試劑盒(鄭州朋檢農(nóng)業(yè)科技有限公司)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021年6月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院大棚中進行,大棚內(nèi)白天溫度20～25 ℃,夜間溫度16～18 ℃,濕度50%～60%,光照4 000～12 000 lx。本試驗通過Design Expert 12.0中Mixture Design(U偽編碼-best-D)設(shè)計,得到20個試驗組(表1),對照組選用樂霖育苗基質(zhì)。按照試驗設(shè)計配方將玉米秸稈、馬鈴薯渣、有機肥、田園土進行混配,配制完畢后,將基質(zhì)裝滿育苗盤,保證四角和盤邊的孔穴全部裝滿基質(zhì),同時使各個格室能清晰可見,切忌用力壓緊,以免破環(huán)基質(zhì)的物理性狀。對各組基質(zhì)容重、孔隙度等指標(biāo)進行測定。番茄種子置于濕潤溫暖的環(huán)境中放置36 h,至番茄種子露出白芽,即可播種。試驗期間,室內(nèi)溫度、濕度和光照均能滿足番茄幼苗的正常生長。試驗采用50孔穴盤,每穴播種1粒,播種后置于大棚中進行田間培養(yǎng),培養(yǎng)15 d后測定各組的出苗率,培養(yǎng)至3葉1心(28 d)時各組隨機抽取15株番茄幼苗,對其莖粗、株高、干質(zhì)量、鮮質(zhì)量進行測定,計算其壯苗指數(shù)。

表1 Design Expert 12.0混料試驗設(shè)計

1.3 指標(biāo)測定及方法

基質(zhì)容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度按照以下公式進行計算[9]。

持水孔隙度=總孔隙度-通氣孔隙度。

式中：V為容器體積,cm3;m1為容器質(zhì)量,g;m2為基質(zhì)充分干燥后均勻裝入容器后的總質(zhì)量,g;m3為容器與基質(zhì)浸泡在水中24 h 后總質(zhì)量,g;m4為等待容器內(nèi)水分瀝干后質(zhì)量,g。

pH值：按照 2 ∶1 的土水比例進行配置,攪拌靜置 30 min 后,用pH 計測量;

電導(dǎo)率(EC值)：測量溶液中可溶性鹽濃度,利用便攜式電導(dǎo)儀進行 EC 值測定[10]。

幼苗生長指標(biāo)測定：生長至3葉1心期的番茄幼苗用自來水沖洗干凈,利用游標(biāo)卡尺測量幼苗的莖粗、株高等指標(biāo)[11],并計算其壯苗指數(shù),壯苗指數(shù)=(莖粗/株高+地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量)×全株干質(zhì)量。

基質(zhì)N、P、K含量測定：使用土壤肥料植株氮磷鉀有機質(zhì)檢測試劑盒,速效氮、速效磷、速效鉀含量檢測具體操作依據(jù)試劑盒說明書。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計方法

采用Design Expert 12.0對數(shù)據(jù)進行混料試驗響應(yīng)面分析,應(yīng)用SPSS 26(https://www.ibm.com/)對苗期理化等數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(Duncan’s新復(fù)極差檢驗),并采用Origin 2021(https://www.originlab.com)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比基質(zhì)理化性質(zhì)

育苗基質(zhì)的持水量、容重、孔隙度等物理性狀對蔬菜苗期生長影響較大,合格的育苗基質(zhì)容重應(yīng)在0.15～0.75 g/cm3,總孔隙度60%～90%,通氣孔隙度15%～30%,持水孔隙度40%～75%[12]。如表2所示,T12處理的容重最大(0.335 2 g/cm3),容重最小的是T9 (0.225 2 g/cm3)。各處理的容重隨馬鈴薯渣、田園土占比的提高逐漸升高?？偪紫抖茸罡叩氖荰6(74.97%),最低的是T13(62.00%)。除了T2、T3、T4、T10、T13、T16的通氣孔隙度偏低外,其他處理基本在適宜范圍內(nèi)[13]。

表2 不同育苗基質(zhì)配方物理性狀

2.2 不同配比基質(zhì)對番茄幼苗出苗率的影響

于番茄播種后3、5、7 d進行其出苗率的測定。由表3可知,3 d時T18處理組出苗率最低(13%),T1、T13這2組處理出苗率較高(43%、45%);5 d時T18出苗率最低(37%),T1、T13這2組出苗率較高(81%、79%);7 d時T18出苗率最低(52%),T8、T13出苗率最高(98%);其中,T8、T13在7 d時2組的出苗率高于CK組。綜上所述,T8、T13出苗率最高,T4、T5這2組出苗速度最快,試驗結(jié)果表明不同基質(zhì)配比對番茄幼苗出苗率會產(chǎn)生一定影響。

表3 不同配比基質(zhì)對出苗率的影響

2.3 不同配比基質(zhì)對番茄幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

番茄幼苗生長到達3葉1心時對其進行株高、莖粗等相關(guān)形態(tài)指標(biāo)的測定。 由圖1、 圖2可知,T9、T13這2組在株高與莖粗上與其他組別相比較為突出,與 CK組無明顯差異。T3、T17這2組株高較低,造成其現(xiàn)象的原因可能為基質(zhì)配比中沒有添加機肥及田園土,基質(zhì)中玉米秸稈、薯渣雖然富含有機質(zhì),但由于玉米秸稈、薯渣含量較高,又無田園土、有機肥與其混拌,導(dǎo)致EC值較高,阻礙了番茄幼苗對基質(zhì)中有機質(zhì)的吸收,導(dǎo)致番茄生長緩慢,株高較矮;在莖粗方面,T9較為突出,T7、T17這2組番茄幼苗的莖粗較細(xì),造成T7莖粗較細(xì)的原因是基質(zhì)中沒有添加田園土,由于秸稈、薯渣、有機肥混拌導(dǎo)致基質(zhì)孔隙度較大,容重較小,造成番茄幼苗定植困難,難以正常吸收基質(zhì)中無機鹽及其他營養(yǎng)物質(zhì),致使其莖粗較細(xì),T17則是因其基質(zhì)中大量的玉米秸稈與馬鈴薯渣導(dǎo)致其基質(zhì)中滲透壓過高,使得番茄幼苗根部細(xì)胞收縮變形,難以運輸有機質(zhì)到達莖部,使得番茄幼苗發(fā)育不良。

2.4 不同配比基質(zhì)對番茄幼苗壯苗指數(shù)的影響

由圖3可知,番茄壯苗指數(shù)較優(yōu)的分別是T4、T9、T13、T14,與CK組大致接近。從基質(zhì)配比上來看,T4、T14中各成分配比較為均衡,其中含有的有機質(zhì)較為全面,基質(zhì)理化性狀也較為適宜,能夠支撐番茄幼苗的正常生長,但其壯苗指數(shù)較其他2組較低的原因可能是薯渣含量較高,導(dǎo)致基質(zhì)中EC值稍高,使番茄幼苗后期生長受到抑制;T9中含量較多的玉米秸稈可能彌補了薯渣的缺失,加之玉米秸稈、田園土、有機肥的混配等綜合因素使其壯苗指數(shù)與CK組無明顯差異;T13基質(zhì)配比中分別缺少了田園土和馬鈴薯渣,但其壯苗指數(shù)與CK組無明顯差異,且莖粗、株高均有較好的生長表現(xiàn),說明玉米秸稈中有機質(zhì)含量可以滿足番茄幼苗的生長要求,玉米秸稈可以作為一種優(yōu)良的基質(zhì)原料。

2.5 番茄育苗基質(zhì)混料設(shè)計響應(yīng)面分析

番茄幼苗培育至28 d時,檢測番茄幼苗的地上地下干質(zhì)量、莖粗、根長等數(shù)據(jù),計算壯苗指數(shù),輸入混料設(shè)計,進行響應(yīng)面分析(圖4)。

由表4可知,模型的AB、AC、AD、BC項顯著(P<0.05),表明4個自變量與壯苗指數(shù)之間具有交互作用,總模型方程R2=0.926 6(P<0.05);失擬性檢驗P=0.545 8>0.1,不顯著,表明該回歸模型擬合情況良好,回歸方程具有較高的代表性[14]。玉米秸稈、有機肥、馬鈴薯渣、田園土交互作用的三元等高線圖及曲面3D圖如圖4所示,三角響應(yīng)面圖為一曲面,說明各因素之間存在一定交互作用;圖形呈一定的拱形狀[15],說明4種基質(zhì)對壯苗指數(shù)都起著顯著影響,表明可以利用回歸方程確定番茄育苗基質(zhì)的最優(yōu)配比,通過Design-Expert 12.0軟件優(yōu)化出的番茄育苗基質(zhì)配比為：玉米秸稈55.61%、有機肥 24.39%、田園土18.80%,馬鈴薯渣 1.20%,此時壯苗指數(shù)預(yù)測值為0.122 81。

表4 響應(yīng)面回歸方程方差分析

2.6 番茄育苗基質(zhì)配比優(yōu)化驗證

使用響應(yīng)面優(yōu)化后的番茄育苗基質(zhì)進行育苗試驗,以市售基質(zhì)為對照,育苗過程同試驗設(shè)計,培養(yǎng)至3葉1心期后,對試驗組與對照組幼苗出苗率、壯苗指數(shù)、基質(zhì)養(yǎng)分含量、物理參數(shù)等進行測量,對優(yōu)化結(jié)果進行驗證。由表5可知,最優(yōu)配比組壯苗指數(shù)(0.121 57)與優(yōu)化后預(yù)測值(0.122 81)無明顯差異,優(yōu)于市售基質(zhì)(0.120 72);優(yōu)化后的基質(zhì)由于含有較多的秸稈、有機肥,其容重(0.334 7 g/cm3)顯著低于對照(0.368 1 g/cm3), 較為松軟, 透氣性較好;基質(zhì)中氮、磷、鉀含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2118—2012《蔬菜育苗基質(zhì)》,速效鉀含量略高于市售基質(zhì),其原因是最優(yōu)育苗基質(zhì)中含一定添加量的馬鈴薯渣。

表5 優(yōu)化對比試驗指標(biāo)測定

3 討論與結(jié)論

研究表明,農(nóng)業(yè)有機質(zhì)廢棄物玉米秸稈、薯渣是用作育苗基質(zhì)的理想原材料,能夠提供幼苗生長過程的有機質(zhì),調(diào)節(jié)育苗基質(zhì)理化性質(zhì)。本試驗條件下通過混料設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化得到的基質(zhì)配比(體積分?jǐn)?shù))為玉米秸稈55.61%、有機肥24.39%、田園土18.80%、馬鈴薯渣1.20%,此配比下基質(zhì)N、P、K元素豐富,番茄幼苗長勢良好,育苗效果優(yōu)于市售基質(zhì),可以代替市售基質(zhì)用于番茄幼苗的培育。

番茄育苗質(zhì)量對番茄產(chǎn)量、品質(zhì)等有著至關(guān)重要的影響,培育番茄壯苗是番茄增產(chǎn)增收的重要基礎(chǔ),也是獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)蔬菜的重要手段。研究表明,不同基質(zhì)對培育番茄幼苗有較大影響,基質(zhì)是穴盤育苗的基礎(chǔ),其營養(yǎng)成分和理化性質(zhì)將直接影響番茄幼苗的生長狀況[16],本試驗中不同的混配基質(zhì)對番茄幼苗的莖粗、株高、壯苗指數(shù)等指標(biāo)都有明顯的影響,這與諸多研究結(jié)論[17]一致。同時有研究表明,玉米秸稈作為一種可再生的農(nóng)業(yè)有機廢棄物,其豐富的營養(yǎng)成分和良好的物理結(jié)構(gòu)賦予其成為優(yōu)良育苗基質(zhì)原材料的潛質(zhì),添加玉米秸稈對基質(zhì)的容重、總孔隙度、有機質(zhì)含量等理化性質(zhì)均有改善作用[18],T13通過玉米秸稈與田園土混拌,育苗效果良好,壯苗指數(shù)優(yōu)于CK,莖粗、株高等生理指標(biāo)也均有較好表現(xiàn),與CK無顯著差異(P<0.05)。本試驗基質(zhì)中添加薯渣,相關(guān)研究表明,其有機質(zhì)含量豐富,經(jīng)過淀粉生產(chǎn)過程后粒徑均一,適于作為基質(zhì)原料,但單獨使用薯渣作為育苗基質(zhì),會導(dǎo)致基質(zhì)EC值過高,對幼苗產(chǎn)生鹽害作用,影響出苗效果,出苗后抑制作物生長[19]。本試驗中T7、T17這2組基質(zhì)中薯渣含量均為30%,導(dǎo)致其莖粗、株高等指標(biāo)顯著低于CK,但T4、T20基質(zhì)中雖然也含有30%的薯渣,但通過與其他基質(zhì)原料的混配,基質(zhì)物理性狀與育苗效果均有明顯改善,本試驗結(jié)果與相關(guān)研究結(jié)論[20]一致(表6)。

表6 不同番茄育苗基質(zhì)理化性質(zhì)對比

相關(guān)研究表明,木薯渣、醋糟、 蛭石按照一定比例混配也可代替市售基質(zhì)進行番茄幼苗的培育[25],代惠潔等利用椰糠、草炭、蛭石、珍珠巖按照 2 ∶2 ∶4 ∶4 的比例混拌,可代替純草炭土基質(zhì)進行育苗[26]。本試驗利用玉米秸稈、薯渣、有機肥、田園土混配形成育苗基質(zhì),通過對番茄幼苗生理指標(biāo)、基質(zhì)理化性質(zhì)的檢測表明,本試驗基質(zhì)育苗效果良好,T4、T9、T14與市售基質(zhì)無顯著差異,T13育苗效果優(yōu)于市售基質(zhì)。以壯苗指數(shù)為參考指標(biāo),通過響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化,得到最優(yōu)配比(體積分?jǐn)?shù))為：玉米秸稈55.61%、有機肥 24.39%、 田園土18.80%,馬鈴薯渣 1.20%,對優(yōu)化后的番茄育苗基質(zhì)進行對比驗證試驗,數(shù)據(jù)表明,優(yōu)化后的番茄育苗基質(zhì)優(yōu)于市售育苗基質(zhì),番茄幼苗壯苗指數(shù)、基質(zhì)有機質(zhì)含量均高于市售基質(zhì),重要的是基質(zhì)中薯渣的加入使得鉀含量高于市售基質(zhì),鉀素能夠促進植物根系的發(fā)育,提高植株根部細(xì)胞的滲透壓,保持細(xì)胞的彈性,提高根部細(xì)胞抵抗寄生菌穿透的能力,對植株苗期的發(fā)育具有積極意義。

通過與其他番茄育苗基質(zhì)研究比較來看,本研究通過響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化后,基質(zhì)中N、P、K含量均衡,壯苗指數(shù)較優(yōu)(因各研究壯苗指數(shù)計算方法不同,未在表6中體現(xiàn))。由表6可知,多數(shù)基質(zhì)組成仍以傳統(tǒng)育苗基質(zhì)中以草炭、珍珠巖、蛭石等原料進行混配,其中草炭主要取自沼澤泥炭地與水蘚泥炭地,屬于不可再生資源,在自然條件下,草炭的形成需約上千年時間,而人為過度開采利用,會使草炭的消耗速度加快,加劇全球溫室效應(yīng)[4];珍珠巖使用后會殘留于土壤中,造成土壤污染。本試驗利用玉米秸稈、薯渣、有機肥、田園土的混配,能夠有效代替草炭進行番茄幼苗的培育,減少草炭這類不可再生資源的使用,改變傳統(tǒng)育苗基質(zhì)對草炭資源依賴的局面[27],降低因基質(zhì)原料使用不當(dāng)而產(chǎn)生的土壤污染。同時,玉米秸稈、薯渣均屬于農(nóng)業(yè)廢棄物,在北方地區(qū)大量存在,以此作為基質(zhì)原料將大大降低番茄育苗基質(zhì)的生產(chǎn)成本,能夠推動農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用的進程,提高農(nóng)業(yè)廢棄物的利用價值,對于改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用具有重要意義。

農(nóng)業(yè)有機質(zhì)廢棄物玉米秸稈、薯渣是用作育苗基質(zhì)的理想原材料,能夠提供幼苗生長過程的有機質(zhì),調(diào)節(jié)育苗基質(zhì)理化性質(zhì)。本試驗條件下通過響應(yīng)面優(yōu)化得到的基質(zhì)配比(體積分?jǐn)?shù))為玉米秸稈55.61%、有機肥24.39%、田園土18.80%,馬鈴薯渣1.20%,此配比下基質(zhì)N、P、K元素豐富,番茄幼苗長勢良好,育苗效果優(yōu)于市售基質(zhì),可以代替市售基質(zhì)用于番茄幼苗的培育。