香菇廢料秸稈反應(yīng)堆在平泉市溫室越冬茬黃瓜栽培中的應(yīng)用

武春成，馬 楠，曹 霞，魏新雨，張 寧，謝 洋，龐瑞斌

（1.河北省特色園藝種質(zhì)挖掘與創(chuàng)新利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·河北科技師范學(xué)院園藝科技學(xué)院 河北秦皇島 066004；2.平泉市益農(nóng)科技育苗有限公司 河北平泉 067500）

平泉市屬河北省承德市所轄，位于河北省東北部，遼寧、河北與內(nèi)蒙古的交界處，是典型“七山一水兩田”的山區(qū)地貌。由于其獨(dú)特的場(chǎng)地環(huán)境和冬季光照充足的氣候優(yōu)勢(shì)，黃瓜種植規(guī)模大、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好、品質(zhì)優(yōu)，已成為河北省日光溫室越冬茬黃瓜的主產(chǎn)區(qū)，2019 年平泉黃瓜成為河北省特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)。同時(shí)平泉市香菇產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，平泉香菇是第一批河北省中國(guó)特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)區(qū)，目前該市每年可產(chǎn)生香菇廢料100 萬～150 萬t，如處理不當(dāng)不僅會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)，還會(huì)污染環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，香菇廢料造成平泉市的園區(qū)污染指數(shù)連年升高，阻礙了食用菌產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，香菇廢料的再利用成為亟待解決的一大難題。

食用菌生產(chǎn)后產(chǎn)生的廢棄物，除被菌絲吸收的營(yíng)養(yǎng)外，仍然殘留了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包含大量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀以及微量元素，這些都可供作物吸收。因此，常作為無土栽培的基質(zhì)和土壤改良劑。有研究表明，黑木耳菌渣加入發(fā)酵劑制成有機(jī)肥施入土壤后可以提高土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而提高土壤肥力。秸稈反應(yīng)堆技術(shù)是改良設(shè)施土壤理化性質(zhì)和微生態(tài)環(huán)境的一種重要方式，該技術(shù)是將生物技術(shù)與秸稈相結(jié)合，微生物菌種發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生熱量、抗病孢子以及各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。其分解過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的有益物質(zhì)來改善土壤環(huán)境，減少土壤病原體，創(chuàng)造出適合園藝作物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，生產(chǎn)上秸稈反應(yīng)堆的填充物主要是玉米秸稈，而利用食用菌廢料作為填充物的研究較少。如果能將平泉市香菇廢料作為秸稈反應(yīng)堆的填充物，在越冬茬黃瓜上進(jìn)行應(yīng)用，不但能解決廢棄物的污染問題，而且可以促進(jìn)該區(qū)域黃瓜產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展，一舉兩得。由此，筆者以香菇廢料作為秸稈反應(yīng)堆的填充物與其他填充物進(jìn)行比較，探明秸稈反應(yīng)堆不同填充物對(duì)溫室越冬茬黃瓜生長(zhǎng)、土壤理化性質(zhì)和細(xì)菌多樣性的影響，以期為香菇廢料秸稈反應(yīng)堆在平泉市溫室越冬茬黃瓜生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試黃瓜品種為抗寒性較強(qiáng)的密刺類黃瓜品種中荷17，由天津德瑞特種業(yè)有限公司培育。秸稈反應(yīng)堆所需要的材料為香菇廢菌棒、整玉米秸稈、粉碎玉米秸稈、玉米芯、麥麩、腐熟有機(jī)肥，均采自平泉市榆樹林子鎮(zhèn)。發(fā)酵復(fù)合菌劑由承德豐酵素菌有限公司生產(chǎn)，有效菌素含量≥0.20 億·g，有機(jī)質(zhì)含量（，后同）≥25.0%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019 年10 月至2020 年5 月在河北省承德市平泉市榆樹林子鎮(zhèn)平泉市益農(nóng)科技育苗有限公司日光溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)整株玉米秸稈（T1）、粉碎玉米秸稈（T2）、玉米芯（T3）、香菇廢菌棒（T4）4 個(gè)不同秸稈反應(yīng)堆填充物處理，以不使用秸稈反應(yīng)堆為對(duì)照（CK）。每畦為1個(gè)小區(qū)，4 次重復(fù)，共20 個(gè)畦。

1.3 方法

1.3.1 秸稈反應(yīng)堆的制作及黃瓜定植 定植前10 d，將充分腐熟的羊糞有機(jī)肥按10 m·667 m施入土壤旋耕后，在種植行下開溝，溝寬0.55 m，溝深0.35 m，溝長(zhǎng)與栽培畦長(zhǎng)一致，將土壤放在兩邊，向溝內(nèi)填加不同填充物，鋪好后踏實(shí)，厚度約為0.30 m，而后將拌有麥麩的菌種均勻撒在填充物上，用鐵鍬輕拍使之充分接觸，覆土整平，然后澆水使填充物浸透。3 d 后覆土做畦，畦長(zhǎng)6 m，畦寬1.2 m，大行距0.80 m，小行距0.40 m。2019 年11 月13 日定植2 葉1 心黃瓜插接嫁接苗，雙行定植，株距0.25 m，行距0.40 m，每畦定植48 株，畦面覆蓋黑色地膜，膜下鋪設(shè)滴灌管，整個(gè)生育期對(duì)照和秸稈反應(yīng)堆處理的黃瓜水肥管理和植株調(diào)整保持一致。

1.3.2 黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量的測(cè)定 于2020 年5月1 日黃瓜拉秧期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取4 株測(cè)定其生長(zhǎng)指標(biāo)，株高采用米尺測(cè)量黃瓜基部到生長(zhǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)度；莖粗使用游標(biāo)卡尺測(cè)量植株第1 片真葉下部節(jié)間的直徑；總節(jié)數(shù)采用計(jì)數(shù)法測(cè)定，準(zhǔn)確數(shù)出黃瓜植株拉秧期的總節(jié)數(shù)。按小區(qū)定期采收成熟果實(shí)稱質(zhì)量，于拉秧后統(tǒng)計(jì)黃瓜小區(qū)產(chǎn)量。

1.3.3 土壤樣品采集方法 于2020 年5 月1 日黃瓜拉秧后，采集根區(qū)土壤，每個(gè)處理采用五點(diǎn)法取0～20 cm 土層的土壤，將土壤中根系、雜物等去除干凈并過篩，混合均勻，一部分置于室內(nèi)風(fēng)干后進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定，另一部分轉(zhuǎn)移至-80 ℃冰箱中用于土壤細(xì)菌多樣性的測(cè)定。

1.3.4 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定 土壤pH 值和EC 值采用上海雷磁多參數(shù)水質(zhì)分析儀DZS-708 測(cè)定（土水質(zhì)量比為1∶5）；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量稀釋法測(cè)定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定；土壤速效鉀含量采用火焰法測(cè)定。

1.3.5 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析 將土壤樣品送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，采用Illumina Miseq 平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序分析。采用338F/806R引物對(duì)16S rRNA V4-V5 區(qū)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增，每個(gè)樣品的引物序列中包含6 bp 的特異標(biāo)簽序列用于區(qū)分不同樣品，引物序列如下：

338F：ACTCCTACGGGAGGCAGCAG（5’-3’）；

806R：GGACTACHVGGGTWTCTAAT（5’-3’）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019 整理數(shù)據(jù)，采用DPS 7.05 版分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。采用Mothur（V1.30.2）軟件進(jìn)行微生物Alpha 多樣性分析；采用Qiime（V1.9.1）進(jìn)行beta 多樣性距離計(jì)算。采用R 語言Vegan 包進(jìn)行非度量多維尺度NMDS（Non-metric multi-dimensional scaling）分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈反應(yīng)堆對(duì)黃瓜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

由表1 可以看出，T4 以香菇廢菌棒為填充物的秸稈反應(yīng)堆的黃瓜株高、莖粗和總節(jié)數(shù)顯著高于T2以粉碎玉米秸稈為填充物的秸稈反應(yīng)堆，與CK 不使用秸稈反應(yīng)堆和T1 以整株玉米秸稈為填充物的秸稈反應(yīng)堆無顯著差異，株高和總節(jié)數(shù)顯著高于T3以玉米芯為填充物的秸稈反應(yīng)堆。秸稈反應(yīng)堆可以提高黃瓜產(chǎn)量，各處理在黃瓜小區(qū)產(chǎn)量上表現(xiàn)為T3＞T4＞T1＞T2＞CK。其中，T1、T3 和T4 的產(chǎn)量無顯著差異，但均顯著高于CK 和T2；與對(duì)照相比，T4在黃瓜小區(qū)產(chǎn)量上的增幅為12.25%。

表1 不同秸稈反應(yīng)堆對(duì)黃瓜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

2.2 不同秸稈反應(yīng)堆對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

從表2 可以看出，秸稈反應(yīng)堆處理均顯著提高了土壤pH，降低了土壤EC 值。T4 的pH 值顯著高于CK 和T2，分別提高了0.49 和0.28；與對(duì)照相比，T4 的EC 值降低了19.76%。秸稈反應(yīng)堆處理能提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量。其中，T4效果最明顯，顯著高于對(duì)照，有機(jī)質(zhì)含量增加了35.01%；速效鉀含量除T1 外，其他處理均高于對(duì)照。綜上說明秸稈反應(yīng)堆在一定程度上能夠緩解土壤酸化和鹽漬化，提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤理化性質(zhì)。

表2 不同秸稈反應(yīng)堆對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3 不同秸稈反應(yīng)堆對(duì)土壤細(xì)菌多樣性的影響

2.3.1 土壤細(xì)菌Alpha 多樣性和OTU 分析 高通量測(cè)序分析結(jié)果如表3 所示，各處理的土壤細(xì)菌群落OUT 數(shù)量均顯著高于對(duì)照，測(cè)序覆蓋率均大于96%，說明本試驗(yàn)測(cè)序量能夠反映土壤樣本的細(xì)菌群落種類和結(jié)構(gòu)多樣性。土壤細(xì)菌Alpha 多樣性指數(shù)中，ACE 指數(shù)和Chao1 指數(shù)可以表示物種的豐富度，秸稈反應(yīng)堆處理后均顯著高于對(duì)照，但各處理之間差異不顯著；Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)反映種群多樣性，各處理的Shannon 指數(shù)均高于對(duì)照，Simpson 指數(shù)均低于對(duì)照，其中T4 的Shannon指數(shù)顯著高于除T1 以外的其他處理，其Simpson指數(shù)顯著低于CK 和T2 處理。表明秸稈反應(yīng)堆可以增加土壤微生物的豐富度和種群多樣性。其中，以T4 香菇菌棒為填充物的秸稈反應(yīng)堆效果最明顯。

表3 不同秸稈反應(yīng)堆對(duì)土壤細(xì)菌Alpha 多樣性的影響

圖1 是根據(jù)各樣品測(cè)序數(shù)據(jù)計(jì)算出的每個(gè)樣品共有和獨(dú)有的OTU 數(shù)量，以此來反映各處理間OTU 的差異。CK、T1、T2、T3、T4 的土壤細(xì)菌群落總OTU 數(shù)分別為3523、3823、3844、3885、3821 個(gè)；各處理共有的OTU 為3320 個(gè)，CK、T1、T2、T3、T4處理各自特有的OTU 數(shù)量分別是88、152、139、127、202，分別占相應(yīng)樣品總OTU 的比例為2.50%、3.98%、3.62%、3.27%、5.29%；由此可見，與對(duì)照相比各處理均增加了獨(dú)有土壤細(xì)菌群落數(shù)量。其中，T4以香菇菌為填充物的秸稈反應(yīng)堆效果最明顯。

圖1 不同秸稈反應(yīng)堆的土壤細(xì)菌組成維恩圖

2.3.2 土壤細(xì)菌Beta 多樣性分析 由層級(jí)聚類分析（圖2）可知在土壤細(xì)菌屬水平上，CK、T1 和T3處理能夠聚合在一起，T2 和T4 處理分別獨(dú)立處于一個(gè)分枝。土壤細(xì)菌屬水平上NMDS 分析結(jié)果如圖3 所示，每個(gè)處理中3 個(gè)重復(fù)的土壤細(xì)菌群落都能聚集在一個(gè)區(qū)域，與其他處理明顯分開，說明各個(gè)處理之間的細(xì)菌種群均有一定的差異，且同一處理內(nèi)存在較強(qiáng)的一致性。其中，CK、T1 和T3 處理距離較近，T2 和T4 處理分別獨(dú)自處在一個(gè)區(qū)域。層級(jí)聚類分析結(jié)果和NMDS 分析結(jié)果相似，總體說明T2 以粉碎玉米秸稈為填充物的秸稈反應(yīng)堆和T4 以香菇菌棒為填充物的秸稈反應(yīng)堆能夠較明顯地影響越冬茬黃瓜根系周圍的土壤細(xì)菌群落多樣性。

圖2 土壤細(xì)菌群落屬水平的樣本層級(jí)聚類分析

圖3 土壤細(xì)菌群落屬水平的NMDS 分析

2.3.3 土壤細(xì)菌相對(duì)豐度分析 由圖4 可知，各處理土壤細(xì)菌在門水平上相對(duì)豐度大于5%的細(xì)菌門有4 個(gè)，分別是變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門（Acidobacteria），這些細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門的相對(duì)豐度分別是28.67%～34.53%、13.76%～17.76%、13.44%～15.11%、10.29%～15.29%。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，可知秸稈反應(yīng)堆處理后明顯增加了變形菌門（Proteobacteria）的相對(duì)豐度，各處理分別比對(duì)照增加3.24%、13.15%、4.54%、16.97%，其中，T4 處理增加幅度最大；降低了放線菌門（Actinobacteria）的相對(duì)豐度，各處理之間無明顯差異；T4 的酸桿菌門和綠彎菌門相對(duì)豐度明顯降低，其他處理較對(duì)照無明顯變化。

圖4 土壤細(xì)菌在門水平上種群的相對(duì)豐度

進(jìn)一步分析屬水平上的種類和豐度（圖5），各處理的優(yōu)勢(shì)屬或亞屬主要屬于變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸 桿 菌 門（Acidobacteria）、芽 單 胞 菌 門（Geaumtimonadota）、厚壁菌門（Fimmicutes）。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，可知T4 處理使變形菌門（Proteobacteria）屬的豐度顯著升高，酸桿菌門（Acidobacteria）屬的豐度顯著降低。綜上所述，香菇廢料秸稈反應(yīng)堆處理后能夠增加較多細(xì)菌門和屬的相對(duì)豐度，且以有益細(xì)菌為主。

圖5 土壤細(xì)菌在屬水平上種群的相對(duì)豐度

3 討論與結(jié)論

秸稈反應(yīng)堆對(duì)提高越冬茬黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)效果顯著，能夠明顯改善設(shè)施內(nèi)土壤微環(huán)境，促進(jìn)園藝作物的生長(zhǎng)發(fā)育。有研究者發(fā)現(xiàn)秸稈反應(yīng)堆技術(shù)與菌劑共施能夠提高設(shè)施土壤溫度，為植株根系創(chuàng)造出適宜生長(zhǎng)的環(huán)境。本試驗(yàn)結(jié)論與前人相似，研究結(jié)果表明香菇廢料秸稈反應(yīng)堆處理后的溫室越冬茬黃瓜株高、莖粗、總節(jié)數(shù)均高于對(duì)照，產(chǎn)量顯著高于對(duì)照，與生產(chǎn)上常用的整株玉米秸稈反應(yīng)堆無顯著性差異，這說明香菇廢料秸稈反應(yīng)堆有利于溫室越冬茬黃瓜的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。

多數(shù)研究表明，秸稈反應(yīng)堆技術(shù)不僅能夠改善土壤理化性質(zhì)，同時(shí)秸稈在分解過程中會(huì)連續(xù)向土壤釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和氮磷鉀等有效養(yǎng)分含量，提高了土壤肥力。本試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈反應(yīng)堆處理后均提高了土壤pH 值，降低了土壤EC 值，一定范圍內(nèi)緩解了土壤酸化和鹽漬化；香菇廢料秸稈反應(yīng)堆處理后與對(duì)照相比顯著提高了有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷的含量，與其他秸稈反應(yīng)堆相比，也表現(xiàn)出了相對(duì)優(yōu)勢(shì)，說明香菇廢料秸稈反應(yīng)堆可以改善土壤理化性質(zhì)。

秸稈還田可以顯著影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，增加土壤中變形菌門等的豐度并且增加了土壤微生物多樣性。本研究結(jié)果表明，添加香菇廢料顯著增加了土壤細(xì)菌群落的豐富度和均勻度，保持了較高的細(xì)菌群落多樣性，這可能與其自身富含多種微生物有關(guān)。通過聚類分析和非度量多維尺度（NMDS）分析發(fā)現(xiàn)，以香菇廢料為填充物的秸稈反應(yīng)堆顯著影響了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。土壤中的優(yōu)勢(shì)菌門為變形菌門，其次為放線菌門、綠彎菌門和酸桿菌門；較多的細(xì)菌門和屬處于上升趨勢(shì)，且以有益細(xì)菌為主。

綜上所述，香菇廢料秸稈反應(yīng)堆增加了土壤養(yǎng)分含量，改善了土壤理化性狀，提高了土壤細(xì)菌種群多樣性，改善了黃瓜根區(qū)土壤微環(huán)境，促進(jìn)了黃瓜生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高。綜合考慮認(rèn)為在平泉市等香菇主產(chǎn)區(qū)，香菇廢料可替代生產(chǎn)上常用的其他填充物來制作秸稈反應(yīng)堆，不僅可以促進(jìn)溫室越冬茬黃瓜生長(zhǎng)發(fā)育，還可減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用。