保水劑對(duì)底泥堆肥用作育苗基質(zhì)的保水性和黃瓜幼苗生長的影響

和苗苗，盧 玨，田汝響

(1. 杭州師范大學(xué)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)杭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州311121； 2. 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 311121)

0 引言

無土栽培在蔬菜育苗方面的應(yīng)用越來越普遍，栽培基質(zhì)質(zhì)量對(duì)種苗的繁育起著十分重要的作用.目前，應(yīng)用最廣泛的栽培基質(zhì)為泥炭，但由于天然泥炭的挖掘?qū)竦睾蜕稚鷳B(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，造成生態(tài)系統(tǒng)的破壞，因此，世界各國都在探尋泥炭的替代物[1].

近年來，人們?cè)噲D將有機(jī)固體廢棄物堆肥用作育苗或栽培基質(zhì)，如畜禽糞便堆肥、污泥堆肥、藥渣堆肥等[2-4].河道底泥含有植物生長所必需的各種養(yǎng)分(氮、磷、鉀等)，但其含量顯著低于畜禽糞便或污水污泥(C含量通常是畜禽糞便或污水污泥的10%～50%，N含量通常為畜禽糞便或污水污泥的30%～80%)[5]，且鹽分及重金屬含量也相比養(yǎng)殖場(chǎng)動(dòng)物糞便較低.經(jīng)好氧堆肥后，腐熟的底泥堆肥中營養(yǎng)成分、電導(dǎo)率(EC)值、孔隙度更接近泥炭土，有利于出苗和壯苗，能夠滿足無土栽培基質(zhì)的高要求.但目前利用河道底泥堆肥作為育苗基質(zhì)或栽培基質(zhì)的研究較少[5-6].

盡管有機(jī)固體廢棄物堆肥用作栽培基質(zhì)有成功的例子[6-8]，但在水分管理上暴露的問題也較明顯，例如水穩(wěn)定性差、持水性差等[9].由于基質(zhì)普遍持水量有限，幼苗蒸騰作用強(qiáng)，其失水的速度較快，使得水分成為幼苗生長的限制性因素[10-11].因此，研究者試圖添加一定比例的保水劑，以調(diào)節(jié)基質(zhì)水分，促進(jìn)根系發(fā)育，進(jìn)而提高出苗率，促進(jìn)植株生長發(fā)育[11-13].這也是評(píng)價(jià)育苗基質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo).目前，保水劑對(duì)基質(zhì)栽培蔬菜苗期生長狀況的影響已有相關(guān)研究[12-14]，但應(yīng)用在底泥堆肥制作育苗基質(zhì)中的研究鮮有報(bào)道.

有研究表明，在泥炭中適量添加保水劑可有效提升基質(zhì)理化性狀及幼苗指標(biāo)，但過量添加會(huì)抑制幼苗生長[11].本研究以河道底泥堆肥為主要組分，配以珍珠巖，并添加不同比例的保水劑制成育苗基質(zhì)，與泥炭土進(jìn)行對(duì)比，考察添加不同濃度保水劑對(duì)黃瓜幼苗生長的影響，為底泥堆肥替代泥炭用作蔬菜容器育苗基質(zhì)提供理論依據(jù)，這也為底泥資源化循環(huán)利用開辟了新的途徑.

1 材料與方法

試驗(yàn)于2018年11月—2019年1月在浙江大學(xué)紫金港校區(qū)溫室內(nèi)進(jìn)行.試驗(yàn)期間溫室內(nèi)平均溫度為20 ℃.

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用底泥堆肥與泥炭土理化性質(zhì)如表1所示.

表1 底泥堆肥與泥炭土理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of sediment compost and peat soil

底泥堆肥：底泥采自杭州市余杭塘河(良睦路段)，堆肥材料由底泥、秸稈、藥渣、麩皮混合而成，經(jīng)49 d好氧發(fā)酵后，堆肥產(chǎn)品的pH為6.5～7.5，所得底泥堆肥C/N<15，腐熟度好.

泥炭土：市場(chǎng)上購買的國產(chǎn)泥炭.

保水劑：農(nóng)林保水劑，型號(hào)為WA-1，白色膠粒狀，高吸水性樹脂，表觀密度為0.60 g/cm3，對(duì)去離子水的吸水能力為54.3 mL/g，吸水后體積膨大,呈無色膠粒狀，吸水后溶液呈中性，pH值為7.06.

試驗(yàn)用植物：黃瓜，津研四號(hào)品種，由杭州市農(nóng)科院蔬菜所提供.

建立旅游文化分享小課堂，學(xué)生可自由選擇自己感興趣的旅游相關(guān)知識(shí)，如自己關(guān)注的旅游相關(guān)新聞、導(dǎo)游常用的活躍氣氛小技能等，主要目的是促進(jìn)學(xué)生積極參與課程學(xué)習(xí)，鍛煉語言表達(dá)能力，營造良好的課程學(xué)習(xí)氛圍。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將底泥堆肥、泥炭分別與珍珠巖按照一定體積比例混合成不同的育苗基質(zhì)，每個(gè)基質(zhì)處理設(shè)置添加1%、0.5%與不添加保水劑處理，以考察樹脂保水劑對(duì)基質(zhì)的持水和保水性能及對(duì)黃瓜出苗和生長的影響.每種處理都設(shè)8個(gè)重復(fù)，各處理配比方案如表2所示.

表2 育苗基質(zhì)組成Tab.2 Composition of different substrate treatments

1.3 理化指標(biāo)及其分析方法

分別測(cè)定各配比基質(zhì)中的容重、總孔隙度、持水量、pH、EC、總碳(TC)、總氮(TN)、總磷(TP)、總鉀(TK)及Cu、Zn、Cd和Pb的含量.

容重和總孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定；基質(zhì)持水量測(cè)定采用浸水稱重法[15]；pH、EC值是將基質(zhì)與去離子水以1∶10混合振蕩2 h，在10 000 r/min離心機(jī)上離心過濾后，用離子電極法測(cè)得；TC、TN、TP分別采用重鉻酸鉀濕式氧化法、半定量開氏法、酚二磺酸分光光度法測(cè)定；累計(jì)失水率通過含水率測(cè)定，基質(zhì)含水率是將樣品在105 ℃下烘48 h至恒重獲得；金屬元素用火焰原子吸收法[16]測(cè)定.

1.4 植物管理與檢測(cè)

種子經(jīng)浸種催芽后植入50孔穴盤內(nèi)，每個(gè)處理設(shè)30個(gè)平行株，測(cè)定出苗率.待苗出齊后選取84株定植于徑高均為12 cm的黑色塑料盆中，每個(gè)處理設(shè)6個(gè)重復(fù).每天觀察植物長勢(shì)，視情況給植物澆水(3～4 次/星期).在苗齡30 d時(shí)，停止?jié)菜?0 d后收割，測(cè)定其株高、最大葉面積、地上部分干/鮮質(zhì)量、根部干/鮮質(zhì)量，計(jì)算壯苗指數(shù)(壯苗指數(shù)=[莖粗/株高+地下干物質(zhì)量/地上干物質(zhì)量]×全株干物質(zhì)量).

株高為從地面至最高生長點(diǎn)高度，根用去離子水洗凈與地上部放入60 ℃烘箱1個(gè)星期，測(cè)定干質(zhì)量，最大葉面積采用Epson 700 掃描測(cè)定.所有數(shù)據(jù)采用EXCEL軟件整理，SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，使用CANOCO 5 軟件進(jìn)行主成分分析(RDA).

2 結(jié)果與討論

2.1 各處理育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)

各處理基質(zhì)的理化性質(zhì)列于表3.根據(jù)理想基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)[17-18]，基質(zhì)容重、總孔隙度和最大持水量分別在0.15～0.8 g/m3、70%～90%和60%～100%范圍內(nèi)更適宜植物生長.由表3可知，各處理基質(zhì)容重與總孔隙度均在理想基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

表3 不同原料配比處理基質(zhì)的理化性質(zhì)Tab.3 Physical and chemical properties of different ratio of raw material processing matrix

以泥炭為主的育苗基質(zhì)容重顯著小于以底泥堆肥為主的育苗基質(zhì)，添加保水劑后，基質(zhì)的容重均有所增加，且隨保水劑添加量的增加而增加.總孔隙度則相反，以泥炭為主的育苗基質(zhì)孔隙度顯著高于以底泥堆肥為主的育苗基質(zhì)，添加保水劑使育苗基質(zhì)孔隙度略有降低.在不添加保水劑的對(duì)照處理中，最大持水量均低于標(biāo)準(zhǔn)值，在底泥堆肥為主的基質(zhì)中添加保水劑后，最大持水量增加了26%～32%，但仍低于60%～100%的標(biāo)準(zhǔn)范圍；泥炭為主的基質(zhì)在添加保水劑后，最大持水量可達(dá)到理想基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)范圍.

與大多數(shù)報(bào)道[19-20]一樣，本研究也證實(shí)了保水劑可提升育苗基質(zhì)的理化性能，為種子發(fā)芽以及種苗的生長提供保障.但是，保水劑的種類與添加量不同，其對(duì)育苗基質(zhì)理化性質(zhì)的提升程度也不同.

2.2 各處理育苗基質(zhì)對(duì)保水性的影響

添加保水劑可有效降低基質(zhì)的累計(jì)失水率，如圖1所示.

與對(duì)照相比，各處理基質(zhì)水分散失明顯減少，累計(jì)失水率與保水劑添加比例呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.912,P<0.05)，且保水劑添加的比例越高，累計(jì)失水率就越低.以泥炭為主的基質(zhì)失水率高于以底泥堆肥為主的基質(zhì)處理，這可能是由于泥炭總孔隙度高，水分散失更快.另外，基質(zhì)中珍珠巖添加量越高，失水率越高，這可能也與孔隙度大小有關(guān).珍珠巖增加了基質(zhì)的孔隙度，進(jìn)而提高了水分的蒸發(fā).各基質(zhì)處理中孔隙度與其第5天的累計(jì)失水量顯著相關(guān)(r=0.915,P<0.05)，證實(shí)了失水率的變化與總孔隙度有一定關(guān)系.

添加不同用量的保水劑后，基質(zhì)水分蒸發(fā)速率逐漸變小，有利于基質(zhì)保存較多水分以供植物生長，這與其他研究者的結(jié)果[11,21]一致.保水劑可顯著降低育苗基質(zhì)水分的無效蒸發(fā)，提高其自身保水能力以及植物對(duì)水分的利用率，進(jìn)而利于植物的生長.

2.3 各處理育苗基質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗生長的影響

如表4所示，泥炭為主的基質(zhì)出苗率均顯著高于以底泥堆肥為主的基質(zhì).

表4 不同育苗基質(zhì)對(duì)黃瓜生長的影響Tab.4 The influence of different substrate on cucumber growth

續(xù)表4

這主要是由于泥炭EC值顯著低于底泥堆肥(表3)，而高鹽分會(huì)抑制植物的出苗率[22]；同時(shí)，泥炭中穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)含量高且營養(yǎng)適量，這更適宜植物的出苗，但底泥堆肥中仍存留一些有機(jī)酸等物質(zhì)，會(huì)抑制黃瓜的出苗.相關(guān)性分析也證實(shí)了EC值、氮磷鉀總營養(yǎng)分別與出苗率呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.733、r=-0.718，P<0.05).0.5%的保水劑增加了各基質(zhì)的出苗率，但1%的保水劑僅提高了底泥堆肥∶珍珠巖為3∶1處理的出苗率，對(duì)其他處理的基質(zhì)均表現(xiàn)出抑制作用.這可能是由于保水劑含量太高，反而降低了總孔隙度，進(jìn)而影響通氣，抑制出苗率，這從出苗率與總孔隙度的顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.838，P<0.05)上也能得到解釋.

以泥炭為主的基質(zhì)中，株高與葉面積在泥炭∶珍珠巖為3∶1的3個(gè)處理(T10—T12)中均最高，添加保水劑顯著提高了黃瓜苗株高與葉面積(表4).在以底泥堆肥為主的各基質(zhì)處理中，黃瓜苗株高低于以泥炭基質(zhì)為主的處理.保水劑在底泥堆肥∶珍珠巖為3∶1的處理中可提升黃瓜苗株高與葉面積，但在底泥堆肥比例高的基質(zhì)處理中，黃瓜苗株高與葉面積均隨保水劑添加量的增加而降低.株高的變化可能也與基質(zhì)總孔隙度有關(guān)，底泥堆肥孔隙度低于泥炭，且添加保水劑后，孔隙度進(jìn)一步減小，影響植物的株高生長.葉面積增長需要吸收大量的營養(yǎng)物質(zhì)，底泥堆肥營養(yǎng)含量顯著高于泥炭，因此當(dāng)基質(zhì)中底泥堆肥比例低時(shí)，植物更容易吸收營養(yǎng)，促使葉面積增長；但底泥堆肥比例高，同時(shí)添加保水劑后，高鹽分、孔隙率低等原因阻礙了植株對(duì)營養(yǎng)物的吸收，導(dǎo)致葉面積降低.

添加保水劑對(duì)黃瓜苗地上干質(zhì)量的影響與葉面積相似，其顯著增加了泥炭處理中黃瓜苗地上部分干質(zhì)量；但在以底泥堆肥為主的各基質(zhì)處理中，保水劑僅提高了底泥堆肥比例低(底泥堆肥∶珍珠巖為3∶1)基質(zhì)處理中的地上部分干質(zhì)量.對(duì)于地下部分干質(zhì)量，隨著底泥堆肥比例增加，黃瓜苗根部干質(zhì)量顯著降低，添加保水劑也顯著降低了黃瓜苗地下部分干質(zhì)量，特別是1%的添加量顯著抑制了根部的生長.在以泥炭為主的基質(zhì)處理中，地下部分干質(zhì)量隨保水劑添加量的增加變化不顯著.在以泥炭和以底泥堆肥為主的育苗基質(zhì)中，壯苗指數(shù)最高值分別出現(xiàn)在T3和T12處理，這說明當(dāng)?shù)啄喽逊?泥炭∶珍珠巖為3∶1時(shí)，添加適量的保水劑更有利于黃瓜育苗.隨著泥炭添加比例的增加，T13—T18處理中黃瓜苗的壯苗指數(shù)略有降低，而保水劑添加量對(duì)其影響不顯著.但是，基質(zhì)中底泥堆肥添加比例高的情況下(T4—T9)，添加保水劑并不利于黃瓜的出苗與生長.

在底泥堆肥比例低的基質(zhì)(T1—T3)中，雖然出苗率低于以泥炭為主的基質(zhì)處理，但黃瓜各生長指標(biāo)均與泥炭處理差異不顯著，說明底泥堆肥在一定比例下可以替代泥炭用作蔬菜容器育苗基質(zhì).但底泥堆肥比例高(底泥堆肥∶珍珠巖為5∶1)時(shí)，雖然底泥堆肥中有大量營養(yǎng)物質(zhì)，但由于黃瓜組織嬌嫩，根系吸收能力弱，營養(yǎng)物質(zhì)濃度過高會(huì)有反作用，不利于壯苗；另外，如果堆肥腐熟程度不夠，仍會(huì)存留一些有機(jī)酸等物質(zhì)，加之孔隙率小、EC值高等原因，一方面會(huì)抑制幼苗對(duì)養(yǎng)分的吸收，另一方面會(huì)直接對(duì)根系細(xì)胞造成傷害.加入保水劑后，基質(zhì)的保水性雖然有所提高，但孔隙度進(jìn)一步降低，影響透氣性，同樣不利于植物根際對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進(jìn)而導(dǎo)致植物活力下降[13].趙瑞等[12]研究表明，秧苗質(zhì)量隨黃瓜穴盤苗基質(zhì)中保水劑濃度增加而降低.于茜等[11]研究也發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)添加保水劑可以提高蔬菜幼苗根系活力，但過量的保水劑會(huì)顯著降低植物的壯苗指數(shù)以及植物SOD、POD、CAT等活性，這都證實(shí)了本研究結(jié)果.

2.4 主成分分析

為了全面客觀地評(píng)估保水劑添加后育苗基質(zhì)中不同理化性質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗生長的影響，本研究采用主成分分析法，如圖2所示.

圖2 理化指標(biāo)和植物生長參數(shù)的RDA分析圖Fig.2 Redundancy analysis of physic-chemical parameters and index of plant growth

表5 育苗基質(zhì)主成分特征根Tab.5 Principal component eigenvalues of substrates

分析共提取出兩個(gè)主成分(表5).第一主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，為58.58%，加上第二主成分方差貢獻(xiàn)率29.77%，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為88.35%，滿足大于85%的要求[23]，故可以用第一、二主成分這兩個(gè)綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)黃瓜種苗的生長狀況.

各處理的主成分綜合評(píng)分如表6所示.主成分分析結(jié)果表明，泥炭為主的育苗基質(zhì)育苗效果整體優(yōu)于底泥堆肥為主的育苗基質(zhì).所有處理中，表現(xiàn)最好的集中在泥炭為主的T10—T15處理中；底泥堆肥添加量較低時(shí)(T1—T3)，育苗效果與泥炭相近，但底泥堆肥比例較高時(shí)(T4—T9)，基質(zhì)表現(xiàn)較差.原因可能包括兩方面：一是泥炭為主的基質(zhì)處理(T10—T18)中，與出苗率、壯苗指數(shù)正相關(guān)的指標(biāo)總孔隙度顯著高于底泥堆肥為主的育苗基質(zhì)(T1—T9)；二是底泥堆肥為主的基質(zhì)處理中，與出苗率、壯苗指數(shù)負(fù)相關(guān)的重要理化指標(biāo)EC、pH值、營養(yǎng)含量均顯著高于泥炭處理.可見，高EC值、高營養(yǎng)含量、低孔隙度以及不適合的pH值等，在無土栽培過程中是非常重要的限制因素，也成為一些泥炭替代品在培育種苗過程中出現(xiàn)問題的主要原因.例如，將豬糞堆肥、污泥堆肥等用作育苗基質(zhì)會(huì)有幼苗不強(qiáng)壯、燒苗現(xiàn)象出現(xiàn)[22,24-26].可見，有機(jī)廢棄物堆肥完全替代泥炭仍需要進(jìn)一步研究.

表6 各基質(zhì)處理主成分綜合評(píng)分Tab.6 Principal component comprehensive score of different substrates

添加0.5%的保水劑對(duì)育苗效果的負(fù)面影響較小，在底泥堆肥∶珍珠巖為4∶1以及泥炭∶珍珠巖為5∶1的處理中添加0.5%的保水劑后，育苗效果還有所提高.但是高比例(1%)的保水劑顯著降低了基質(zhì)育苗效果，原因主要為：保水劑濃度過大導(dǎo)致基質(zhì)的氣相比例降低，其附著在根際周圍影響透氣性，對(duì)植物根系生長不利，進(jìn)而導(dǎo)致根系活力下降[13].另外，保水劑本身的性質(zhì)并不利于對(duì)育苗基質(zhì)的改善.因此，添加保水劑后，在提高基質(zhì)保水性的同時(shí)，也要對(duì)其理化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可考慮在基質(zhì)中加入有效調(diào)理物質(zhì)，進(jìn)而更好地改善育苗效果.

3 結(jié)論

以河道底泥堆肥為主要組分，配合不同量的珍珠巖并添加不同比例的保水劑，制成育苗基質(zhì)，考察不同濃度保水劑對(duì)黃瓜幼苗生長的影響，同時(shí)與以泥炭土為主的育苗基質(zhì)進(jìn)行對(duì)比.

結(jié)果表明，保水劑可以顯著提高底泥堆肥的持水量，減少累計(jì)失水率，但同時(shí)也降低了底泥堆肥育苗基質(zhì)的孔隙度并提高了其EC值.在底泥堆肥比例低(底泥堆肥∶珍珠巖為3∶1)的基質(zhì)中，黃瓜各生長指標(biāo)均與泥炭處理差異不顯著，說明底泥堆肥在一定比例下可以替代泥炭用作蔬菜容器育苗基質(zhì).高添加量的保水劑對(duì)底泥堆肥基質(zhì)中黃瓜的出苗率、幼苗株高與葉面積均表現(xiàn)出不同程度的抑制作用，特別是在底泥堆肥比例高(底泥堆肥∶珍珠巖為4∶1、5∶1)的基質(zhì)處理中，黃瓜苗株高、葉面積以及地下部分干質(zhì)量均隨保水劑添加量的增加而降低.但高添加量的保水劑對(duì)泥炭基質(zhì)的育苗效果影響相對(duì)較小，僅導(dǎo)致地下部分干質(zhì)量有顯著的降低.以壯苗指數(shù)來看，底泥堆肥/泥炭∶珍珠巖為3∶1時(shí)，添加0.5%或1%的保水劑，更有利于黃瓜出苗與幼苗生長.而在底泥堆肥比例高的基質(zhì)處理中，由于孔隙度降低、EC值升高，保水劑反而會(huì)顯著降低植物的壯苗指數(shù).可見，保水劑用量并不是越大越有利于黃瓜幼苗生長.主成分分析結(jié)果進(jìn)一步表明，高EC值、高營養(yǎng)含量、低孔隙度等，在無土栽培過程中是非常重要的限制因素；添加低劑量的保水劑對(duì)育苗效果的影響較小，但保水劑濃度過大，并不利于對(duì)育苗基質(zhì)理化性質(zhì)的改善及育苗效果的提高.因此，在提高基質(zhì)保水性的同時(shí)，也要考慮對(duì)理化性質(zhì)的調(diào)節(jié).