番茄秸稈發(fā)酵產(chǎn)物循環(huán)利用效果研究

徐曉東，虞慧彬，白雅暉，楊振超

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

2019年，我國(guó)蔬菜種植面積達(dá)到2 086.3萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)到72 102.6萬t[1]，每年會(huì)有大量的廢棄秸稈產(chǎn)出，僅在2018年，中國(guó)的農(nóng)業(yè)秸稈數(shù)量達(dá)到8.86億t[2]，成為全球農(nóng)業(yè)秸稈資源最豐富的國(guó)家之一。番茄作為主要蔬菜作物之一，2019年種植面積達(dá)110萬hm2，產(chǎn)量約為6 300萬t[3]。這些農(nóng)業(yè)秸稈通常被焚燒和掩埋[4]，焚燒排放的二氧化碳污染了大氣，加速了氣候變暖進(jìn)程，而填埋處理增加了土壤的降解壓力。此外，秸稈中含有的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)無法得到合理利用，造成有機(jī)物的浪費(fèi)[5]。植物攜帶的致病菌被轉(zhuǎn)移到土壤中，增加了作物和人類患病的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)此類農(nóng)業(yè)秸稈進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，可以減少水、土壤污染、氣候變化、當(dāng)?shù)乜諝馕廴竞唾Y源浪費(fèi)。

農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展是全球農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展方向[6]。農(nóng)業(yè)秸稈循環(huán)利用是農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分[7]。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)秸稈循環(huán)的研究很多，如好氧和厭氧發(fā)酵[8～10]。該方法的基本原理是通過好氧和厭氧微生物將有機(jī)廢棄物降解為低分子量化合物，在發(fā)酵過程中殺死致病菌和蟲卵，獲得富含有效營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和穩(wěn)定腐殖質(zhì)的產(chǎn)品[11]。其固體產(chǎn)物可作為肥料、土壤改良劑和對(duì)土壤和作物有益的栽培基質(zhì)[12～14]，液體產(chǎn)物可作為營(yíng)養(yǎng)液和肥料[15～16]。

近年來，有關(guān)番茄秸稈循環(huán)利用的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。耿鳳展[17]將番茄秸稈和牛糞堆肥的產(chǎn)物和蛭石按比例進(jìn)行混合后進(jìn)行番茄育苗，取得了較好的效果。胡曉婷[18]在番茄秸稈堆肥中加入10%的園土種植番茄，可以促進(jìn)番茄生長(zhǎng)，獲得較高的產(chǎn)量和較優(yōu)的品質(zhì)。辛鑫[15]將番茄秸稈堆肥浸提后的液體作為有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液，將體積比為7.5%的蛭石珍珠巖與番茄秸稈堆肥殘?jiān)旌虾笞鳛樵耘嗷|(zhì)種植番茄，可以有效提高番茄品質(zhì)。李琦[19]利用番茄莖稈好氧和厭氧發(fā)酵后的浸提液進(jìn)行水培番茄可有效改善番茄的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和風(fēng)味。但關(guān)于利用番茄秸稈發(fā)酵后產(chǎn)物在番茄全生長(zhǎng)期基質(zhì)培上的應(yīng)用鮮有報(bào)道。番茄秸稈循環(huán)利用技術(shù)將番茄秸稈廢棄物變廢為寶，成本投入小，這對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄品種為“至尊1號(hào)”，由楊凌上王村番茄苗圃提供。將番茄秸稈好氧和厭氧發(fā)酵后的固體產(chǎn)物與蛭石進(jìn)行配比作為供試栽培基質(zhì)，具體配制比例如表1所示；厭氧營(yíng)養(yǎng)液為厭氧發(fā)酵后的液體產(chǎn)物經(jīng)過稀釋配制而成。栽培基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)液基本理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量情況如表2、表3、表4所示。

表1 試驗(yàn)栽培基質(zhì)配方

表2 栽培基質(zhì)基本理化性質(zhì)

表3 栽培基質(zhì)養(yǎng)分含量

表4 營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用盆栽方式進(jìn)行栽培，試驗(yàn)所用盆缽為聚乙烯材質(zhì)，規(guī)格為：30 cm×28 cm。每個(gè)處理三株，共設(shè)4個(gè)處理。以番茄普通商品基質(zhì)(主要成分為草炭、蛭石、珍珠巖)澆灌厭氧營(yíng)養(yǎng)液、好氧基質(zhì)澆灌山崎配方營(yíng)養(yǎng)液和厭氧基質(zhì)澆灌山崎配方營(yíng)養(yǎng)液為不同處理，分別記為T1、T2、T3，以普通商品基質(zhì)澆灌山崎配方營(yíng)養(yǎng)液為對(duì)照(CK)。處理方法見表5。于2020年3月進(jìn)行定植，生長(zhǎng)期間按照常規(guī)管理辦法進(jìn)行田間管理，植株三穗果打頂。

表5 處理方法

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 栽培基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)液的基本理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量測(cè)定 栽培基質(zhì)的容重和孔隙度測(cè)定方法參考土壤農(nóng)化分析[20]。栽培基質(zhì)的pH值、EC值測(cè)定采用1∶10(w∶v)測(cè)定；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測(cè)定；全氮含量采用凱氏法消解法，用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用KCL浸提，用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用火焰光度法測(cè)定。

1.3.2 番茄植株生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量測(cè)定 分別用卷尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量植株株高和莖粗；將植株鮮樣置于烘箱，105℃殺青1 h后65℃烘干至恒重即植株的生物量。葉綠素含量采用96%乙醇浸提法測(cè)定。用LI-6800型便攜式光合儀測(cè)量番茄植株開花期葉片的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導(dǎo)度。分別記錄每一株的單株結(jié)果數(shù)、單果重，并計(jì)算單株產(chǎn)量。

1.3.3 番茄果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定 硝酸鹽含量、可溶性糖和可滴定酸含量按照高俊鳳[21]的方法測(cè)定；將可溶性糖與可滴定酸的比值作為糖酸比；可溶性蛋白含量、維生素C含量分別采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法和鉬藍(lán)比色法測(cè)定。所有指標(biāo)進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

分別用Excel 2010和IBM SPSS Statistics 26進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法(Dunca′s)進(jìn)行處理間多重比較分析，P<0.05為顯著水平，利用Word 2010和Origin 2018進(jìn)行圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)番茄形態(tài)及生理指標(biāo)的影響

2.1.1 不同處理對(duì)番茄株高、莖粗的影響 由表6可知，不同處理的番茄植株株高在定植后10～20 d、40～50 d有所差異，CK處理的株高在定植后10～20 d生長(zhǎng)較快，其株高顯著高于其他處理，為25.97 cm。定植后第30天，T1、T2、T3處理開始加速生長(zhǎng)，與CK達(dá)到無顯著性差異水平。這可能是因?yàn)榉呀斩挵l(fā)酵產(chǎn)物中的養(yǎng)分具有緩效性。在定植后第50天，T1和T2處理株高顯著高于CK，而T3處理株高與CK無顯著差異。到定植后第60～70 d，各處理的株高無顯著性差異。

表6 不同處理對(duì)定植后番茄株高的影響 (cm)

由表7可知各處理的莖粗在定植后10 d至30 d與CK有較大差異，T1、T2、T3處理的植株莖粗均低于CK；在番茄植株定植40 d之后各處理和CK之間差異逐漸所小，最終各處理間無顯著差異。這說明利用厭氧營(yíng)養(yǎng)液、好氧基質(zhì)和厭氧基質(zhì)栽培番茄，其株高和莖粗在定植前期生長(zhǎng)速度較CK緩慢，但到植株生長(zhǎng)中后期生長(zhǎng)速度加快，最終與CK無顯著差異。

表7 不同處理對(duì)定植后番茄莖粗的影響 (cm)

2.1.2 不同處理對(duì)番茄葉綠體色素含量的影響 葉綠素是作物進(jìn)行光合作用的必要條件，光飽和點(diǎn)以下，葉片中的葉綠素含量與光合速率呈正相關(guān)。從表8可以看出CK植株葉片中葉綠體色素a最高，達(dá)到1.10 mg/kg，其次是T1處理，達(dá)到1.03 mg/kg，CK和T1差異不顯著。葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量在所有處理中的表現(xiàn)一致，其排序?yàn)镃K>T1>T2 (P<0.05)>T3 (P<0.05)。T1、T2、T3處理的葉綠素總含量較CK低14.68%、23.65和47.71%。這些結(jié)果表明采用番茄秸稈發(fā)酵產(chǎn)物栽培番茄的植株葉片的葉綠體色素含量較低。

表8 不同處理對(duì)番茄葉片葉綠體色素含量的影響

2.2 不同處理對(duì)番茄光合特性的影響

表9為不同營(yíng)養(yǎng)液和基質(zhì)栽培下對(duì)番茄開花期葉片光合特性的影響，CK的凈光合速率最高，達(dá)到12.90μmol/m2/s。其次是T1和T2，與CK之間沒有顯著差異，T3處理的凈光合速率最低，為9.05 μmol/m2/s，較CK低 29.84%。CK的蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導(dǎo)度最高，分別為3.16 mmol/m2/s、264.74μmol/mol、0.22μmol/m2/s，T1和T2處理的蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導(dǎo)度與CK差異不顯著。T3處理的蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導(dǎo)度最低，較CK分別低41.46%、11.71%和50%。

表9 不同處理對(duì)番茄葉片光合特性的影響

2.3 不同處理對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明(表10)，所有處理的植株鮮重、干重以及平均單果重沒有顯著差異。所有處理中T2處理的單株產(chǎn)量最高，達(dá)到1454.03g，表明利用好氧基質(zhì)栽培番茄能有效提高番茄的單株產(chǎn)量。T3處理單株產(chǎn)量最低，為980.70g，T1較T2處理單株產(chǎn)量高48.26%；CK、T1和T2之間無顯著的差異。

表10 不同處理對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

2.4 不同處理對(duì)番茄品質(zhì)的影響

由表11可知，所有處理之間果實(shí)品質(zhì)存在一定差異，其中T1處理的維生素C含量最高，為75.96 mg/100 g，其次是T3,處理，為64.75 mg/100 g，然后是CK和T2，分別為63.07 mg/100 g和62.46 mg/100 g，其含量從大到小排序?yàn)門1>T3>CK>T2。T1可溶性蛋白含量最高，為0.21 mg/g，CK可溶性蛋白含量最低，為0.09 mg/g，T1處理的可溶性蛋白含量較CK高133.33%。T3處理和CK的可溶性蛋白含量無顯著差異，T1和T2處理的的可溶性蛋白含量無顯著差異。T1處理的可溶性糖含量最高，為4.14%，顯著高T2和T3處理，但與CK無顯著差異。所有處理的可滴定酸含量和糖酸比無顯著差異。CK果實(shí)中硝酸鹽含量最高，達(dá)到104.34μg/g，其次是T1和T2處理T3處理的硝酸鹽含量最低，僅為58.96μg/g，較CK低43.49%。T2處理的硝酸鹽含量顯著低于CK，為71.10 μg/g，較CK低31.86%。T1處理的硝酸鹽含量與CK無顯著差異。各個(gè)處理間的硝酸鹽含量均未超過國(guó)家規(guī)定的一級(jí)蔬菜硝酸鹽含量432 mg/kg的限量標(biāo)準(zhǔn)[22]。

表11 不同處理對(duì)番茄品質(zhì)的影響

3 討論與結(jié)論

在筆者試驗(yàn)中，利用厭氧營(yíng)養(yǎng)液、好氧基質(zhì)和厭氧基質(zhì)進(jìn)行番茄栽培過程中，生長(zhǎng)前期，其株高和莖粗生長(zhǎng)較緩，一定程度上低于對(duì)照(CK)，但后期生長(zhǎng)速度加快，最后在定植后70 d時(shí)與CK的株高和莖粗無顯著差異，這可能是因?yàn)閰捬鯛I(yíng)養(yǎng)液和發(fā)酵基質(zhì)釋放養(yǎng)分的緩效性所致，這表明利用厭氧營(yíng)養(yǎng)液、好氧基質(zhì)和厭氧基質(zhì)栽培番茄可以基本滿足植株形態(tài)生長(zhǎng)的需要。氮素的豐缺與植物葉片的葉綠素含量有密切的關(guān)系，缺乏氮素，作物葉片葉綠素含量降低，榮秀連[23]認(rèn)為適宜的混合態(tài)的氮素有利于蔬菜葉片葉綠素含量的提高，在本試驗(yàn)中，厭氧基質(zhì)栽培番茄葉片的葉綠素含量最低，這與牛博宇[24]的研究結(jié)果相反，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)閰捬趸|(zhì)通氣空隙度較大、持水孔隙度較小而造成營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分的流失，而厭氧基質(zhì)本身硝態(tài)氮含量較少，不能滿足適宜的銨態(tài)氮/硝態(tài)氮比例，同時(shí)限制了根系對(duì)氮素的利用率降低[25～26]。光合作用是植物形成生物產(chǎn)量的生理代謝基礎(chǔ)[27]。試驗(yàn)結(jié)果表明厭氧基質(zhì)栽培會(huì)使番茄開花期葉片凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度降低，從而影響光合產(chǎn)物的生產(chǎn)和分配[28]；雖然厭氧基質(zhì)中有效鉀含量較高，但其持水孔隙度影響的根系對(duì)鉀元素的吸收和利用，這可能是厭氧基質(zhì)栽培番茄果實(shí)產(chǎn)量較低的原因之一。

筆者試驗(yàn)中T2(好氧基質(zhì)栽培)單株產(chǎn)量最高，說明番茄秸稈好氧發(fā)酵固體產(chǎn)物作基質(zhì)可以促進(jìn)番茄產(chǎn)量的提高，這與胡曉婷[18]、李瑞琴[29]的研究結(jié)果一致。利用厭氧營(yíng)養(yǎng)液栽培番茄(T1)產(chǎn)量與CK無顯著差異，這與韓春葉[30]、豁澤春[31]、趙自超[32]在沼液促進(jìn)作物產(chǎn)量的研究結(jié)果類似。品質(zhì)方面，采用厭氧營(yíng)養(yǎng)液栽番茄比對(duì)照(CK)表現(xiàn)出更高的維生素C、可溶性蛋白含量和更低的硝酸鹽含量但沒有達(dá)到顯著性差異，這與辛鑫[15]、李琦[19]的研究結(jié)果一致，這表明采用厭氧營(yíng)養(yǎng)液栽培番茄可以顯著提高番茄果實(shí)品質(zhì)。鉀元素對(duì)番茄果實(shí)中維生素C具有明顯影響[33]，這可能因?yàn)閰捬鯛I(yíng)養(yǎng)液中含有較高的速效鉀含量促進(jìn)了維生素C的積累。此外厭氧發(fā)酵液中富含氨基酸類物質(zhì)，是合成可溶性蛋白的重要前提物質(zhì)，其中一些種類可以直接被植物體吸收轉(zhuǎn)化成有機(jī)態(tài)氮利用，對(duì)提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要作用[19,34]。利用好氧基質(zhì)栽培番茄與對(duì)照(CK)相比有著更高的可溶性蛋白含量和更低的硝酸鹽含量，這與胡曉婷[18]的結(jié)果一致。維生素C、可滴定酸和糖酸比與CK沒有達(dá)到顯著性差異,可能是因?yàn)榉呀斩捄醚醢l(fā)酵固體產(chǎn)物的加入可調(diào)節(jié)基質(zhì)中微生物活動(dòng)，其分解礦化的速效養(yǎng)分被植物直接吸收利用，促進(jìn)了植株的根系發(fā)育[35]。發(fā)酵產(chǎn)物中存在的氨基酸如甘氨酸能夠降低植物體內(nèi)硝酸鹽含量，并且有研究表明施用氨基酸能夠提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[36]，這可能是好氧基質(zhì)栽培番茄可溶性含量高，硝酸鹽含量低的原因之一。

研究采用盆栽試驗(yàn)，將番茄秸稈好氧和厭氧發(fā)酵后的固體產(chǎn)物與蛭石進(jìn)行配比后作為栽培基質(zhì)，利用番茄秸稈厭氧發(fā)酵液稀釋后作為栽培營(yíng)養(yǎng)液種植番茄，研究番茄產(chǎn)物循環(huán)利用后對(duì)番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明厭氧營(yíng)養(yǎng)液栽培番茄與對(duì)照相比，具有更高的維生素C、可溶性蛋白和可溶性糖含量，具有更低的硝酸鹽含量。好氧基質(zhì)栽培番茄與對(duì)照相比具有更高的產(chǎn)量、可溶性蛋白含量和更低的硝酸鹽含量。利用番茄秸稈發(fā)酵后的產(chǎn)物再次種植番茄，可多次循環(huán)利用，不僅可以節(jié)約成本，降低資源的浪費(fèi)和對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，又能夠增加番茄產(chǎn)量、改善品質(zhì)。