發(fā)酵花生殼和牛糞替代草炭基質(zhì)的番茄育苗效果分析

陳春林， 王琳洋， 單夢偉， 裴甜甜， 王吉慶， 肖懷娟，李娟起， 李猛， 杜清潔

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，鄭州 450046）

在蔬菜育苗生產(chǎn)中，基質(zhì)不僅起到固定和支撐植物的作用，還為植物提供水分和礦質(zhì)營養(yǎng)元素。理想的育苗基質(zhì)具有適宜的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，可為根系生長提供良好的環(huán)境條件，培育出健壯的植株[1]。當(dāng)前，蔬菜育苗基質(zhì)多以草炭為主料，輔以珍珠巖、蛭石等復(fù)配而成[2]，但草炭作為一種在短期內(nèi)不可再生的資源，開采過度會破壞生態(tài)環(huán)境且生產(chǎn)成本增高[3]。因此，探尋成本低、資源豐富、可替代草炭的材料用于育苗基質(zhì)十分必要。

我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富，年總產(chǎn)量高達(dá)40億t[4]，其中牛糞約8.7億t[5]。發(fā)酵后的牛糞具有養(yǎng)分全面、肥效持久和重金屬含量低等特點(diǎn)，被視為一種可替代草炭的育苗基質(zhì)材料[6-7]。河南作為我國花生主產(chǎn)地之一，花生產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的33%，年產(chǎn)花生殼約160萬t以上[8-9]?；ㄉ鷼じ缓w維素、維生素、黃酮類化合物和鈣等礦質(zhì)營養(yǎng)成分[10]，發(fā)酵后也可作為育苗基質(zhì)材料使用[11]。目前，僅有少量研究探討了發(fā)酵花生殼和牛糞復(fù)配替代草炭作為育苗基質(zhì)的可行性，且結(jié)論相差較大。馮臣飛[12]研究發(fā)現(xiàn)，不添加發(fā)酵花生殼僅牛糞與其他物質(zhì)復(fù)配時(shí)有利于黃瓜幼苗生長；而魏代國[13]發(fā)現(xiàn)花生殼∶牛糞∶蛭石∶珍珠巖為7∶0∶3∶3時(shí)黃瓜綜合性狀較好。對于生菜[14]、番石榴[15]和番茄[16]育苗效果的研究則認(rèn)為，花生殼∶牛糞在1∶1到5∶1間較為適宜。這些研究僅以基本的基質(zhì)理化特性和簡單的植株形態(tài)為依據(jù)篩選適宜配比，礦質(zhì)營養(yǎng)元素是植物維持生長和代謝的基礎(chǔ)，也應(yīng)作為評價(jià)基質(zhì)特性的重要因素。然而，當(dāng)前對發(fā)酵花生殼和牛糞復(fù)配基質(zhì)中基質(zhì)和植物礦質(zhì)營養(yǎng)元素間關(guān)系的研究較少，發(fā)酵花生殼和牛糞復(fù)配基質(zhì)影響植株生長的機(jī)制尚不清晰。

番茄是種植面積較大的蔬菜作物之一，幼苗生產(chǎn)普遍采用穴盤基質(zhì)育苗的方式[17]。因此，本試驗(yàn)選用本地區(qū)資源量豐富的花生殼和牛糞為原料，通過發(fā)酵處理，研究發(fā)酵花生殼和牛糞不同配比下基質(zhì)理化特性及植株形態(tài)和營養(yǎng)元素含量的變化，并分析基質(zhì)理化特性與植株性狀間關(guān)系，以期揭示影響番茄幼苗性狀的關(guān)鍵基質(zhì)理化特征，篩選出可替代草炭且適宜番茄育苗的基質(zhì)配方，為農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

試驗(yàn)于2022年4月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園區(qū)日光溫室內(nèi)進(jìn)行，供試番茄品種為‘中雜105’。所用發(fā)酵花生殼和牛糞，堆肥發(fā)酵過程均在河南省田金生物科技有限公司有機(jī)肥生產(chǎn)基地進(jìn)行。堆肥發(fā)酵前調(diào)節(jié)碳氮比為25∶1，在高溫發(fā)酵罐中發(fā)酵12 h，之后移出進(jìn)行條垛式好氧堆肥發(fā)酵，每7 d翻堆1次，堆體含水量維持在65%左右，60 d后結(jié)束堆肥發(fā)酵。播種前將發(fā)酵后的花生殼和牛糞按不同比例混勻。

選取飽滿、均勻一致的種子，溫湯浸種后，在28 °C培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行催芽。將露白的種子，分別播種于裝有不同基質(zhì)的50孔穴盤內(nèi)。試驗(yàn)以草炭∶珍珠巖為6∶3的基質(zhì)作為對照，發(fā)酵花生殼和牛糞基質(zhì)設(shè)4個(gè)(T1～T4)不同配比，詳見表1，均為體積比。每個(gè)處理3次重復(fù)。植株生長期間不進(jìn)行施肥，其他同正常管理，播種45 d后結(jié)束處理。

表1 不同處理基質(zhì)中各組分配比Table 1 Ratio of components in the substrates of different treatments

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 基質(zhì)基本理化特性測定 于播種當(dāng)天，將基質(zhì)充分混勻后，隨機(jī)取樣3份，風(fēng)干。根據(jù)郭世榮[18]的方法測定基質(zhì)pH、電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）和容重。有機(jī)碳含量采用低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定[19]。

1.2.2 基質(zhì)酶活性測定 分別于播種第0、15、30和45天取穴盤內(nèi)基質(zhì)樣品，風(fēng)干后測定基質(zhì)酶活性?；|(zhì)蔗糖轉(zhuǎn)化酶、脲酶、磷酸酶采用比色法測定，過氧化氫酶活性采用容量法測定[20]。每個(gè)測定重復(fù)3次。

1.2.3 植株形態(tài)指標(biāo)測定 播種45 d后，隨機(jī)選取5株番茄幼苗植株，測定株高、莖粗、葉面積。將植株清洗干凈后，分為根、莖和葉3部分，120 °C下殺青20 min，80 °C烘干后稱重。其中，葉面積使用WinRHIZO軟件進(jìn)行分析。根據(jù)以下公式計(jì)算壯苗指數(shù)。

1.2.4 營養(yǎng)元素含量測定 取播種第0天的風(fēng)干基質(zhì)和植株根莖葉干樣，H2SO4-H2O2消煮后，凱氏定氮法測定總氮含量；鉬銻抗比色法測定總磷含量；HNO3消解后，原子吸收法測定總鉀、鈣和鎂含量?；|(zhì)堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷采用NaHCO3法測定，速效鉀采用NH4OAc浸提法[21]測定。植株?duì)I養(yǎng)元素含量計(jì)算公式如下。

式中，E為植株體內(nèi)元素含量，El為該元素在根、莖或葉中含量，Rl為該器官干重占植株總干重的比值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。單因素多重比較選用LSD法（P＜0.05）。以植株?duì)I養(yǎng)元素含量和生長指標(biāo)為原始評定指標(biāo)，利用主成分分析法和模糊隸屬函數(shù)法綜合評估不同處理對番茄植株的影響。具體方法如下。

式中，Cij是第i個(gè)處理第j個(gè)主成分值；Cjmin是第j個(gè)主成分值的最小值；Cjmax是第j個(gè)主成分值的最大值；Uij是第i個(gè)處理第j個(gè)主成分的隸屬值；Pj是第j個(gè)主成分的特征值；Wj是第j個(gè)主成分的權(quán)重；Di是第i個(gè)處理的綜合評價(jià)得分。

為進(jìn)一步探討基質(zhì)理化特性對番茄植株的影響，在以植株?duì)I養(yǎng)元素含量和生長指標(biāo)為原始變量進(jìn)行主成分分析的基礎(chǔ)上，添加基質(zhì)理化特性作為補(bǔ)充變量，利用Canoco 4.5軟件分析基質(zhì)理化特性與植株性狀指標(biāo)間關(guān)系。其中，基質(zhì)酶活性為各時(shí)間段酶活性的均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基質(zhì)的理化特性分析

由表2可知，與CK相比，pH在T2、T3和T4處理下均顯著增大，但在T2、T3和T4處理間差異不顯著。EC值在T1處理下最大，然后依次為T2、T3處理，CK和T4處理下最小?；|(zhì)容重在T1、T2和T3處理下均顯著高于T4和CK處理。有機(jī)質(zhì)含量在T4處理下較CK顯著降低17%，其他各處理均同CK差異不顯著；T2處理有機(jī)質(zhì)含量最高，分別較T3和T4處理顯著提高19%和32%。

表2 不同基質(zhì)的基本理化特性Table 2 Basic physicochemical properties of different substrates

由表3可知，總氮、堿解氮和鈣含量在CK下最高，而總磷、總鉀、有效磷和鎂含量在CK下最低，且CK與其他各處理的差異均達(dá)顯著水平。總氮含量在T3和T4處理下顯著低于其他處理。總磷含量在T2處理下顯著高于T3處理，但均與T1和T4處理無顯著差異?？傗浐吭赥1處理下顯著高于其他處理，分別為T2、T3、T4處理和CK的1.20、1.19、1.93和3.87倍。堿解氮含量在T1、T2和T3處理間無差異，但均顯著高于T4處理。有效磷含量在T2和T3處理下最大，鎂含量在T3處理下最大，且均顯著高于T4處理，有效磷含量在T1處理中介于T3和T4處理中間，而鎂含量在T1和T2處理中分別較T4處理低24%和20%?；|(zhì)中鈣含量在T1～T4處理間無差異。速效鉀含量在T1、T2、T3和T4處理間均有顯著差異，且隨發(fā)酵花生殼含量的增加逐漸減少，其中T2處理與CK的速效鉀含量水平一致。

表3 不同基質(zhì)的營養(yǎng)元素含量Table 3 Nutrient element content of different substrates（mg·g-1）

由圖1可知，播種后第45天，CK、T1、T2、T3和T4處理基質(zhì)中蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性分別較第0天降低85%、75%、83%、89%和51%；蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性在第0和第15天，均為T2處理下最高，T4處理下最低；在第30天，CK處理顯著高于其他各處理，其次為T4和T2處理，T1處理下最??；而在第45天，T2和T1處理最高，其次為CK和T4處理，T3處理下最小。T4處理下脲酶活性始終保持最高水平，且T3處理下在第0和第30天、T2處理下在第0天與T4無顯著差異，而CK和T1處理基質(zhì)中的脲酶活性在播種后均顯著低于T4處理，其中，在第30和第45天CK處理下脲酶活性為各處理中最低值。在第0、第30和第45天，CK處理下磷酸酶活性均為各處理中最高值，在第15天T4處理下磷酸酶活性為各處理中最高，而T1處理下磷酸酶活性在整個(gè)期間均為各處理中最低。在播種后整個(gè)期間，過氧化氫酶活性在T3和T4處理下最高（T4處理的第0天除外），而在CK處理下始終為最低值。

圖1 播種后不同時(shí)期基質(zhì)的酶活性Fig. 1 Enzyme activity of substrates at different times after sowing

2.2 不同基質(zhì)處理對番茄植株形態(tài)的影響

由表4可知，與CK相比，T3處理使番茄的株高、莖粗、葉面積、總干重和壯苗指數(shù)均顯著增大，分別提高了57%、17%、88%、63%和27%。T1處理使番茄的莖粗和葉面積較CK顯著增大，但株高和總干重較T3處理顯著降低33%和22%。T2處理下番茄的株高、莖粗和葉面積較CK分別顯著提高23%、14%和52%，而較T3處理的株高和總干重則顯著下降。T4處理下番茄的株高、葉面積和總干重分別為CK的1.40、1.42和1.35倍，差異顯著，而株高、莖粗和葉面積則顯著低于T3處理。

表4 不同基質(zhì)處理下的番茄植株形態(tài)指標(biāo)Table 4 Index of tomato plant morphology under different substrate treatments

2.3 不同基質(zhì)處理對番茄營養(yǎng)元素含量的影響

由圖2可知，番茄植株中氮、鈣和鎂含量在T1、T2、T3和T4處理下均顯著低于CK。與CK相比，T1和T2處理下氮含量分別下降15%和17%，T3和T4處理均下降36%。鈣含量在T2處理下較CK下降最多，其次為T3和T1處理，在T4處理下降幅最小。鎂含量在T2處理下最低，僅為CK的67%，且顯著低于T3處理，但與T1和T4處理差異不顯著。同CK相比，植株磷含量在T4處理下顯著提高84%，在T3處理下差異不顯著，在T1和T2處理下分別顯著下降39%和64%，但T1和T2處理間無顯著差異。植株鉀含量在T1、T2、T3和T4處理下分別為CK的2.97、2.57、2.26和1.53倍，且4個(gè)處理間差異均達(dá)顯著水平。

圖2 不同基質(zhì)處理下的番茄植株?duì)I養(yǎng)元素含量Fig. 2 Content of nutrients in tomato plants under different substrate treatments

2.4 不同基質(zhì)處理對番茄植株影響的綜合評價(jià)

由于植株各性狀指標(biāo)對評價(jià)植物響應(yīng)環(huán)境變化均有重要意義，且各性狀指標(biāo)間可能存在信息重疊，若采用單一指標(biāo)不能準(zhǔn)確評估不同基質(zhì)處理對植物的影響。因此，本研究利用主成分分析法提取出相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，結(jié)合模糊隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評估。

通過主成分分析，提取出的前2個(gè)主成分累積反映了全部原始變量87.96%的信息（表5），表明其可以作為評估不同基質(zhì)處理下番茄植株性狀變化的綜合指標(biāo)。各指標(biāo)在坐標(biāo)軸上的投影可反映其相關(guān)性大小，投影在正坐標(biāo)軸為正相關(guān)，反之為負(fù)相關(guān)（圖3），主成分1與葉面積、植株鈣含量、總干重、莖粗和壯苗指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.99、-0.91、0.88、0.84和0.81，且均達(dá)顯著水平；主成分2與植株磷含量顯著相關(guān)。因此，主成分1主要由葉面積、植株鈣含量、總干重、莖粗和壯苗指數(shù)決定，主成分2主要由植株磷含量決定。

圖3 各基質(zhì)理化特性與植株性狀指標(biāo)間關(guān)系Fig. 3 Relationship between the physicochemical properties of substrate and the indicators of plant traits

表5 植株性狀指標(biāo)主成分分析Table 5 Principal component analysis of plant trait indicators

根據(jù)主成分分析結(jié)果分別計(jì)算各處理下2個(gè)主成分的主成分值（C1、C2）和隸屬函數(shù)值（U1、U2），并由2個(gè)主成分特征值得到其權(quán)重（W1、W2）分別為0.72和0.28。最后，依據(jù)隸屬函數(shù)值和權(quán)重計(jì)算得到不同處理下的番茄植株綜合評價(jià)得分（表6）。綜合評價(jià)得分由高到低依次為T3、T4、T2、T1、CK，表明T3處理即發(fā)酵花生殼、牛糞和珍珠巖體積比4∶2∶3為本研究中適合番茄育苗的最優(yōu)基質(zhì)配方。

表6 綜合評價(jià)Table 6 Comprehensive evaluation

2.5 基質(zhì)理化特性與植株性狀指標(biāo)間關(guān)系分析

在對植株性狀進(jìn)行主成分分析的基礎(chǔ)上，添加基質(zhì)理化特性為補(bǔ)充變量，通過分析可知（圖3），基質(zhì)總氮、基質(zhì)總鉀、堿解氮、有效磷、鎂和過氧化氫酶與主成分1呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.89、0.83、-0.87、0.93、0.94和0.91；而EC、有機(jī)質(zhì)和速效鉀與主成分2呈顯著負(fù)相關(guān)。對基質(zhì)理化特性與植株綜合評價(jià)得分相關(guān)分析表明，基質(zhì)pH、總氮、堿解氮、有效磷、鎂、脲酶和過氧化氫酶與植株綜合評價(jià)得分相關(guān)系數(shù)達(dá)顯著水平，相關(guān)系數(shù)分別為0.90、-0.95、-0.88、0.86、0.98、0.83和0.96（圖4）。因此，基質(zhì)中總氮、堿解氮、有效磷、鎂和過氧化氫酶是影響植株性狀的關(guān)鍵變量，pH、有機(jī)質(zhì)、總鉀、速效鉀和脲酶為次要變量，EC、容重、基質(zhì)總磷、鈣、蔗糖轉(zhuǎn)化酶和磷酸酶對植株性狀影響較小。

圖4 各基質(zhì)理化特性與植株綜合評價(jià)得分相關(guān)系數(shù)Fig. 4 Coefficient of correlation between physicochemical properties of substrate and comprehensive evaluation score of plants

3 討論

不同環(huán)境條件下生長的植物，其性狀指標(biāo)差異很大，可用植物的性狀表現(xiàn)來評價(jià)環(huán)境條件的優(yōu)劣程度[22]。在評價(jià)過程中，由于采用單一指標(biāo)存在片面性的問題[23]，故本研究以植株?duì)I養(yǎng)元素含量和形態(tài)指標(biāo)為原始變量，利用主成分分析和隸屬函數(shù)法，綜合評估不同復(fù)配基質(zhì)用于番茄育苗時(shí)的適宜程度。本試驗(yàn)所用復(fù)配基質(zhì)中最適合番茄育苗的為T3處理，其次為T4處理，然后依次為T2、T1、CK處理，表明發(fā)酵花生殼和牛糞復(fù)配可替代草炭作為番茄的育苗基質(zhì)，且基質(zhì)中發(fā)酵花生殼含量比牛糞含量高時(shí)效果更好。研究結(jié)果與前人在生菜[14]和番石榴[15]上的結(jié)論相似，但馮雪峰等[16]研究認(rèn)為，發(fā)酵花生殼與牛糞比例相同時(shí)有利于番茄的生長，這可能是由于其基質(zhì)中添加了竹削，部分替代了發(fā)酵花生殼的作用。

基質(zhì)理化性質(zhì)決定了植物的性狀表現(xiàn)，但不同理化特性對植物生理和生長發(fā)育所起的決定作用不同[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，所用基質(zhì)中影響植株性狀的關(guān)鍵理化特性是基質(zhì)總氮、堿解氮、有效磷、鎂和過氧化氫酶活性，其次是pH、EC、有機(jī)質(zhì)含量、基質(zhì)總鉀、速效鉀和脲酶活性。郝丹等[25]以園林廢棄物堆肥和牛糞作為基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)影響金盞菊形態(tài)指標(biāo)的栽培基質(zhì)解釋量中，有機(jī)質(zhì)、pH、有效磷、速效鉀和總氮占比達(dá)60.0%以上，是主要決定因子，與本研究結(jié)果相似。本研究中，基質(zhì)容重、總磷含量、鈣含量、蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性和磷酸酶活性等對番茄植株性狀影響較小。這可能是試驗(yàn)所用基質(zhì)容重均在理想容重（0.1～0.8 g·cm-1）范圍內(nèi)[26]，而花生殼等原料中富含的磷、鈣和糖類物質(zhì)可充分滿足植株生長需求，且為酶促反應(yīng)提供了充足的底物[27]，使得容重、總磷含量、鈣含量、蔗糖轉(zhuǎn)化酶和磷酸酶活性不再成為影響番茄植株性狀的主要因素。

本研究發(fā)現(xiàn)，相比于發(fā)酵花生殼和牛糞復(fù)配的基質(zhì)，CK基質(zhì)的理化特性不均衡。在影響植株性狀的關(guān)鍵變量和次要變量中，CK基質(zhì)的總氮含量和堿解氮含量最高，而pH、總鉀含量、有效磷含量、鎂含量、過氧化氫酶活性最低。此外，相關(guān)性分析表明總氮含量和堿解氮含量與植株性狀呈負(fù)相關(guān)。已有研究結(jié)果也表明，草炭基質(zhì)雖然通氣透水性好、有機(jī)質(zhì)含量豐富，但也存在有效養(yǎng)分含量極低的問題，不利于植株的生長和發(fā)育[25,28]。相反，發(fā)酵的牛糞中養(yǎng)分含量較高，通過與透氣性好的發(fā)酵花生殼復(fù)配，所形成的基質(zhì)綜合理化特性較均衡。發(fā)酵花生殼和牛糞復(fù)配基質(zhì)良好的理化特性使其能夠替代草炭作為育苗基質(zhì)。

本研究中總氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量在CK和T1處理中較高，而在T3和T4處理下較低，且總氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量與植株性狀呈負(fù)相關(guān),說明草炭和發(fā)酵牛糞中總氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量可能較高，導(dǎo)致CK和T1處理植株的綜合性狀較差。CK處理植株中氮含量最高，T1處理下植株中鉀含量最高，證明植物吸收了較多的氮和鉀。植物吸收氮過多會造成體內(nèi)碳氮比失調(diào)，根系變?nèi)醭尸F(xiàn)細(xì)、短、輕的特點(diǎn)[29-30]。此外，基質(zhì)氮含量過高，硝化作用強(qiáng)烈，會釋放大量H+，抑制植物的生長[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，植株鉀含量與鈣和鎂含量均呈負(fù)相關(guān)，表明速效鉀過多，由于離子間拮抗作用抑制了植物對鈣和鎂的吸收，造成植株長勢變?nèi)?，這與已有研究結(jié)論一致[32-33]。適量的有機(jī)質(zhì)對植物的生長有促進(jìn)作用，但有機(jī)質(zhì)是一種天然螯合劑，可以與鐵、錳等金屬微量元素離子螯合[34]。在CK和T1處理基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量達(dá)22%，可能會使部分微量元素的有效性降低，進(jìn)而影響植物的生長。另外，T1和T2處理中EC值均高于理想育苗基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的上限（2.0 mS·cm-1）[35]，而高EC會使植株根系吸水困難，最終抑制植株的生長。與之相反，T3和T4處理中較低的總氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量和EC，有利于番茄植株的生長和發(fā)育。

番茄植株的綜合性狀與pH、總鉀、有效磷、鎂、過氧化氫酶和脲酶活性呈顯著正相關(guān)。適宜基質(zhì)的pH為5.50～6.50[18]，本研究中T1～T4處理中基質(zhì)pH在5.59～6.21之間，可見利用發(fā)酵花生殼和牛糞復(fù)配形成的基質(zhì)具有適宜的酸堿度。此外，基質(zhì)有效磷和鎂含量均在T3處理中最高，充足的有效磷和鎂供應(yīng)保證了番茄植株生長發(fā)育的需求。在基質(zhì)酶中，過氧化氫酶和脲酶均在T3和T4處理下活性較高，過氧化氫酶可解除基質(zhì)中過氧化氫的毒害作用[36]；而高的脲酶活性可使尿素水解成能被植物吸收利用的氮[37]，彌補(bǔ)由高比例發(fā)酵花生殼引起的總氮和堿解氮不足，從而滿足植物對氮的要求。另外，T3和T4處理中總鉀含量相比其他處理較少，且速效鉀占總鉀的比例較低，這有利于鉀的緩慢釋放，避免出現(xiàn)由于速效鉀過高而影響植物生長發(fā)育的問題。因此，T3和T4處理下基質(zhì)良好的理化特性保證了番茄植株的健壯生長。