蔬菜秸稈發(fā)酵循環(huán)再用育苗基質(zhì)對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的影響

田素波，國艷春，宋玉曉，李傳興，王鯤霆，李英杰，國家進(jìn)，林桂玉，丁俊洋，張敬敏，胡永軍，夏海波

（1山東省壽光蔬菜產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，山東濰坊 262700；2山東省設(shè)施蔬菜技術(shù)創(chuàng)新中心，山東濰坊 262700；3中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，北京 100083；4壽光市蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，山東濰坊 262700；5壽光市科學(xué)技術(shù)局，山東濰坊 262700；6濰坊科技學(xué)院，山東濰坊 262700；7全國蔬菜質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中心，山東濰坊 262700）

0 引言

隨著中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，無土栽培被廣泛應(yīng)用。無土栽培基質(zhì)不僅起到固定作用，還決定作物的生長(zhǎng)狀況。草炭是現(xiàn)階段公認(rèn)理化性狀較好的育苗基質(zhì)，但屬于不可再生資源，對(duì)其不合理的開發(fā)利用導(dǎo)致數(shù)量減少，因此急需一種可以代替草炭的新型育苗基質(zhì)。

國內(nèi)設(shè)施蔬菜種植面積的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的蔬菜秸稈，這些蔬菜廢棄物含水量在50%以上，存在保存周期短、易發(fā)酵、不易運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，通常會(huì)采用就地丟棄或掩埋等方式處理。這些處理方法會(huì)造成環(huán)境污染蚊蟲滋生，而且秸稈的發(fā)酵可為土壤中各類病蟲害的生長(zhǎng)繁殖提供有利條件。

好氧堆肥指利用專性和兼性好氧細(xì)菌降解有機(jī)廢棄物并產(chǎn)生生物肥料的過程[1]?？捎煤醚醵逊侍幚韺?duì)秸稈進(jìn)行再利用。好氧堆肥可以將蔬菜秸稈中的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì)，適用于各類蔬菜秸稈的資源再利用[2]。大量研究顯示，部分農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過發(fā)酵代替草炭育苗、栽培作物[3-4]，幼苗生長(zhǎng)健壯，效果良好。研究結(jié)果表明，蔬菜秸稈中含有豐富的養(yǎng)分，經(jīng)過高溫發(fā)酵后殺滅自身害蟲，轉(zhuǎn)化營養(yǎng)物質(zhì)[5]，更容易被植株吸收?，F(xiàn)階段腐熟秸稈栽培基質(zhì)種植蔬菜的方式已得到廣泛應(yīng)用[6-7]。另外秸稈發(fā)酵過程中接入外源微生物可有效提高發(fā)酵溫度[8]，促進(jìn)難分解物質(zhì)的降解，減少揮發(fā)性固體物質(zhì)和C/N，減少腐熟物的植物毒性，縮短腐熟時(shí)間，加快腐熟進(jìn)程[9]。

本研究采用溫室穴盤育苗的方式，篩選蔬菜秸稈專用發(fā)酵菌劑復(fù)合配比，完善蔬菜秸稈高效堆肥發(fā)酵工藝，并優(yōu)化堆肥與蛭石配比，旨在開發(fā)一種新型育苗基質(zhì)，為全國的蔬菜產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效積極貢獻(xiàn)壽光智慧。

1 材料與方法

1.1 材料與地點(diǎn)

試驗(yàn)于2021 年3—5 月在壽光蔬菜產(chǎn)業(yè)集團(tuán)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。供試發(fā)酵菌種主要有芽孢桿菌、假單胞菌、放線菌、酵母菌、霉菌，所有菌劑總量是堆肥質(zhì)量的0.3%。蔬菜秸稈為園區(qū)內(nèi)番茄黃瓜秸稈，烘干后進(jìn)行粉碎至1～2 cm，腐熟的豬糞向附近農(nóng)戶購買。蛭石由當(dāng)?shù)剞r(nóng)資超市購得。番茄為壽光當(dāng)?shù)刂饕耘嗥贩N‘喜來得’。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將5 種菌按照不同比例與秸稈碎混合后，再與腐熟豬糞按照體積比為1:1 混合均勻，堆體水分控制在60%左右，堆成寬1 m、高1.2 m 的條垛，進(jìn)行好氧發(fā)酵，期間根據(jù)溫度變化情況進(jìn)行翻堆，堆制15 d左右，基本完成一次發(fā)酵，之后進(jìn)入堆肥陳化階段，穩(wěn)定堆肥性狀。菌株投放質(zhì)量比例見表1。

表1 不同菌種比例試驗(yàn)處理 %

將T4處理與不同體積的蛭石進(jìn)行混配成為基質(zhì)，見表2，采用穴盤育苗的方法，播種番茄，待出苗后開展測(cè)定。采用的市售育苗基質(zhì)不含有發(fā)酵菌劑，主要成分為椰糠、草炭、蛭石。

表2 番茄基質(zhì)處理

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 堆制物料性狀的測(cè)定測(cè)定基質(zhì)的容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度[10]；pH、EC 采用飽和浸提法測(cè)定[11]。根據(jù)不同發(fā)酵時(shí)間，測(cè)定堆肥溫度、含水量變化，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定含量；全氮總含量采用濃硫酸-過氧化氫消煮后，全氮含量用流動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.3.2 幼苗生長(zhǎng)性狀的測(cè)定于發(fā)芽后10 d，每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)相仿的幼苗20 棵進(jìn)行測(cè)定。葉綠素含量用SPAD 儀進(jìn)行測(cè)定，株高、莖粗采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)定，地上部/地下部鮮重、地上部/地下部干重采用電子天平測(cè)定，將新鮮的幼苗根系圖像掃描存入電腦，再用圖像分析軟件Win RHIZO 分析根總長(zhǎng)、根表面積、根體積。

1.3.3 番茄苗自身抗氧化酶活性的測(cè)定于番茄出苗后的15 d測(cè)定抗氧化酶活性。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定[12]，過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測(cè)定，過氧化物酶(POD)采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010 和SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)堆肥發(fā)酵溫度變化的影響

發(fā)酵過程發(fā)生升溫期、高溫期、降溫期3個(gè)溫度變化階段。由圖1可以看出，在4個(gè)不同處理?xiàng)l件下，堆體溫度均表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。CK、T1、T2、T3、T4 處理的0～3 d 升溫期的平均每天升溫速率分別為9.3、11.3、12.3、13.1、14.9℃/d，可以看出接種菌劑處理平均升溫速率均高于不接種菌劑處理，T4處理升溫速率最快，其次是T3。T4升溫期的平均溫度要明顯高于其他處理，平均溫度為65.3℃，T4 秸稈堆肥效果較佳。在降溫期，T4降溫幅度要高于其他處理和對(duì)照。

圖1 不同處理下發(fā)酵期秸稈堆肥溫度的變化

2.2 不同處理對(duì)堆肥發(fā)酵含水量變化的影響

從圖2 可以看出，堆肥前6 d 物料含水率快速降低，9～12 d 含水率下降幅度減小。其中從含水率的下降幅度可以看出，加入發(fā)酵菌劑處理的水分下降幅度顯著高于CK，說明接種微生物秸稈腐熟的處理有利于降低蔬菜秸稈堆肥中的水分、提高肥料產(chǎn)品的品質(zhì)；T4水分下降幅度比T1、T2、T3大，且具有顯著性差異，T4秸稈堆肥有利于降低蔬菜秸稈堆肥中水分含量。

圖2 不同處理下發(fā)酵期秸稈堆肥含水量的變化

2.3 不同處理對(duì)堆肥發(fā)酵碳氮比變化的影響

從表3 中可以看出，到堆肥結(jié)束，C/N 最低的是T4，最高的為CK，T1～T3 處理之間差異不顯著。在整個(gè)發(fā)酵過程中T4處理的C/N一直低于其他處理，測(cè)定的5 個(gè)時(shí)間段的C/N 較CK 降低了7.38%、6.36%、9.68%、10.71%、19.67%，前期降低幅度不超過10%，后期下降明顯。說明T4 秸稈堆肥有利于堆體中C/N 的快速降低，有利于堆肥快速達(dá)到穩(wěn)定。

表3 不同處理下秸稈堆肥C/N的變化

2.4 不同處理對(duì)堆肥發(fā)酵理化性質(zhì)的變化的影響

由表4可知，在經(jīng)過發(fā)酵后，秸稈堆肥的理化性質(zhì)發(fā)生改變，添加發(fā)酵菌劑后堆肥的容重增加，總孔隙度提高，基質(zhì)的通氣透水性改善，有利于后期種子發(fā)育和幼苗地生長(zhǎng)。T4處理經(jīng)過發(fā)酵堆肥的pH變?yōu)檫m合育苗的7.49，與CK相比提高了35.20%。

表4 秸稈堆肥理化性質(zhì)的變化

2.5 自制育苗基質(zhì)對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

使用自制育苗基質(zhì)培育番茄和黃瓜幼苗，幼苗的生長(zhǎng)狀況有顯著的差異（表5）。試驗(yàn)表明D1處理中番茄幼苗出苗率略低于市面銷售普通基質(zhì)，但番茄幼苗自身的株高、莖粗與CK 相比提高了30.26%、51.59%，地上部鮮重和地下部鮮重也有所增加。D1～D3處理添加的蛭石含量不變，隨著堆肥量的增加，番茄出苗率有所降低，也會(huì)抑制幼苗生長(zhǎng)。D5的出苗率不足50%，蛭石含量增加可明顯抑制番茄幼苗的出苗率，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)控制堆肥和蛭石的添加量。

表5 番茄幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)

2.6 自制育苗基質(zhì)對(duì)番茄幼苗根系抗氧化酶活性的影響

由表6 可見，自制育苗基質(zhì)均可明顯提高幼苗的SOD 活性，其中D1～D4 處理SOD 活性較高。D3 處理中POD 活性最高，另外D3 較CK 處理POD 活性增加了39.73%，D3、D4 2個(gè)處理差異性不顯著。CAT 含量的變化較大。

表6 不同處理番茄幼苗根系抗氧化酶活性的變化 U/(g·min·FW)

3 結(jié)論

蔬菜秸稈與豬糞混合經(jīng)過T4處理后，堆肥理化性質(zhì)改善，堆肥溫度50℃以上持續(xù)時(shí)間超過10 d，C/N較發(fā)酵前下降了59.31%，持水孔隙度提高到67%以上，電導(dǎo)率增加，適合幼苗的萌發(fā)及生長(zhǎng)。將T4堆肥與蛭石按照1:1 的體積比例混合形成基質(zhì)D1，番茄幼苗長(zhǎng)勢(shì)旺盛，根系抗氧化酶活性大幅提高。因此利用蔬菜秸稈可代替草炭復(fù)配基質(zhì)。

4 討論

多種蔬菜秸稈與微生物進(jìn)行堆肥化發(fā)酵，自身的各種有害微生物經(jīng)過持續(xù)高溫被殺滅，大分子物質(zhì)被分解為幼苗可直接利用的小分子，可促進(jìn)各類蔬菜萌發(fā)以及幼苗的生長(zhǎng)[14-15]。添加不同配比的發(fā)酵菌可有效加快有機(jī)碳分解速度[16-17]。適宜菌劑用量具有減少氮素?fù)p失，使堆肥腐熟提早完成的作用。試驗(yàn)中添加35%芽孢桿菌和假單胞菌、35%放線菌、15%酵母菌、15%霉菌處理可加快腐熟速度。T4 處理發(fā)酵完成后的堆肥C/N 較CK 降低了19.67%，較初始狀態(tài)降低了59.31%。其他處理中由于各種菌類的添加比例不同，發(fā)酵后理化性質(zhì)不同，因此各類菌劑良好適當(dāng)?shù)奶砑恿靠墒故卟私斩捀玫赝瓿砂l(fā)酵。試驗(yàn)過程中應(yīng)注意堆肥發(fā)酵過程中的水分及溫度，確保各種病原體可以全部殺滅以及水分含量，以達(dá)到堆肥發(fā)酵的標(biāo)準(zhǔn)。

在堆肥過程中將蔬菜秸稈發(fā)酵堆肥與蛭石按照比例混合配制成為基質(zhì)，可有效利用農(nóng)業(yè)廢棄物，減少對(duì)環(huán)境的污染。將菇渣、珍珠巖和蛭石混合進(jìn)行營養(yǎng)缽育苗試驗(yàn)，菇渣混合基質(zhì)可以作為草炭混合育苗基質(zhì)的替代品[18]。研究顯示，玉米秸稈與沸石復(fù)配的基質(zhì)可有效促進(jìn)茄子幼苗生長(zhǎng)[19]。試驗(yàn)中番茄幼苗呈現(xiàn)不同的生長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)堆肥與蛭石體積比為1:1時(shí)，番茄的出苗率與市面上的基質(zhì)僅相差4%，株高、莖粗以及其他指標(biāo)都顯著高于市售基質(zhì)。隨著堆肥含量增加，番茄根系的抗氧化酶活性提高，D3處理3種酶活性均是最高，D4、D5 處理中堆肥比例逐漸降低，蛭石含量增加，SOD 活性降低，是因?yàn)榻斩挼母煳飳?duì)幼苗的生長(zhǎng)有抑制作用，進(jìn)而導(dǎo)致各類酶活性的提高[20]。經(jīng)過發(fā)酵的蔬菜秸稈雖然適合幼苗的生長(zhǎng)，但是需要控制秸稈與蛭石的比例，避免養(yǎng)分過多造成燒苗的情況。

蔬菜秸桿經(jīng)處理后作為作物生長(zhǎng)發(fā)育的有機(jī)肥物料[21-23]，減少了秸秤作為垃圾造成的環(huán)境污染，同時(shí)考慮到草炭資源稀少以及椰糠價(jià)格較高，通過蔬菜秸秤資源化替代了部分草炭和椰糠，可以降低肥料成本[24]。蔬菜秸秤堆肥化利用，降低了蔬菜廢棄物帶來的潛在面源污染，確定了資源化利用的可行性[25]。