蘑菇渣堆肥对油松容器苗生长及养分吸收的影响*
2017-03-27胡嘉伟娄军山李国雷
胡嘉伟 刘 勇 王 琰 娄军山 李国雷
(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室 北京 100083)
蘑菇渣堆肥对油松容器苗生长及养分吸收的影响*
胡嘉伟 刘 勇 王 琰 娄军山 李国雷
(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室 北京 100083)
【目的】 研究蘑菇渣堆肥对油松容器苗生长及养分吸收的影响，探究蘑菇渣堆肥替代草炭进行容器育苗的可行性，以促进农业废弃物资源的循环利用。【方法】 以油松1年生播种容器苗为研究对象，通过维持混合基质中珍珠岩比例不变，逐渐增加蘑菇渣堆肥的比例以替代草炭。试验设置堆肥添加比例0～75%组成8种基质配方，研究不同基质处理理化性质及其对油松容器苗生长、根系形态及养分吸收的影响。【结果】 当蘑菇渣堆肥添加比例在30%以内时，各基质处理的出苗率能达到80%的生产指标，且苗木高度、地径、茎叶生物量以及茎根比等均与常用草炭处理(对照)无显著差异，而根系各相关形态指标(0 蘑菇渣堆肥； 油松； 根系形态； 养分吸收 近年来，国内外轻基质容器育苗技术不断兴起，作为优良轻型基质材料——草炭的使用量不断增大(李晓强， 2006)。但草炭是一种短期内不可再生资源，其储量有限、地区分布不均、运输成本大，且过度开采易造成生态环境破坏(田赟， 2012)，因此，研发或筛选出可替代草炭的育苗基质材料十分必要。来源广泛、价格低廉的蘑菇渣逐渐被认为是一种潜在良好的草炭替代品，其密度较小，结构疏松多孔(刁清清等， 2012)，且营养物质充足，应用于有机肥料和土壤调节剂均有良好的效果(胡清秀等， 2011)。我国是食用菌生产大国，每年都会产生大量蘑菇渣废料，这些废料若不进行有效处理不仅会造成极大浪费，更会加剧环境负担(马海林等， 2010)。不少研究将蘑菇渣堆肥化处理后部分甚至全部替代草炭进行育苗试验，并取得一定的进展。刘方春等(2010)研究得出当用腐熟蘑菇渣与草炭搭配进行侧柏(Platycladusorientalis)和黑松(Pinusthunbergii)容器苗培育时，所育苗木在出苗率、形态指标上均与常用草炭基质育苗的相应指标无显著差异。采用蘑菇渣堆肥、蛭石、珍珠岩体积比为2∶1∶1的复合基质培育桑树 (Morusalba) 幼苗的生物量以及根系发育状况显著优于相应配比的草炭复合基质(草炭∶蛭石∶珍珠岩=2∶1∶1)(刘斌等， 2014)。 根系是苗木吸收和运输栽培基质中水分及养分、合成与贮藏营养物质的重要器官(马献发等， 2011)，根系形态对基质中根域环境、营养条件等因素尤为敏感，不同基质理化性质，如保水通气性(范伟国等， 2009)、养分状况(郝龙飞等, 2014)等，对根系形态分布特征影响明显。范伟国等(2009)研究认为，当苗木根系长期处于不适基质环境胁迫下，苗木会通过改变根系形态来适应根系环境的变化,其中细根形态结构的变化尤为值得关注(于立忠等， 2007)。大量研究也证实，不同根系形态分布将直接造成苗木对栽培基质中养分与水分吸收的差异(Russell,1977； Yanetal., 1995； Burtonetal., 2000)，进而影响苗木地上部分的生长及生态功能的发挥。根系生长状况是通过根系形态结构来实现的，基质环境中苗木根系发育的好坏直接反映该栽培基质的优良与否(杨延杰等， 2013)。因此，研究不同基质类型，特别是检验一种新型基质材料使用量对苗木根系形态特征的影响显得尤为重要。 油松(Pinustabulaeformis)是我国西北、华北地区优良的园林绿化及山地造林树种，蘑菇渣堆肥作为基质材料应用于部分针叶树种及园艺植物的可行性虽已得到验证(刘方春等，2010； 刘斌等， 2014)，但将其作为油松容器苗替代性基质材料的相关研究还未见报道。为探究蘑菇渣堆肥材料的可行性，以常用草炭处理为对照，并在其中分别添加10%～75%的蘑菇渣堆肥，探究添加蘑菇渣堆肥对油松容器苗生长及根系发育的影响，以期为蘑菇渣堆肥在容器苗培育中的合理应用提供理论参考。 1.1 试验材料及处理 试验地位于河北省平泉县北京林业大学北方基地(118°70′E，41°22′N)温室大棚内。油松种子来源于平泉县，千粒质量45.10 g,发芽率为87%。将种子除杂后用0.5%的高锰酸钾溶液消毒1～2 h,然后用清水洗净再放入50 ℃温水浸泡24 h,第2天将种子捞出，放入含水率约60%的沙床中进行层积催芽，催芽时间约为1周。2014年4月15日，将催芽后的种子播于高21 cm、上口径3.8 cm的育苗容器(材料： ABS，型号： SC10 Super)内，每容器播2粒。播种后大棚内即采用65 W节能灯均匀地进行补光，光照强度为600 lux, 每天日落后补光3 h。5月16日，待种子出苗稳定后统计出苗率，之后进行间苗，每个容器保留1株壮苗。育苗期间参考称量法(Timmer,1989)判断基质水分缺失状况并据此进行适当灌溉。每周定期移动容器盘，以减少边际效应的影响。8月下旬开始减少灌水量并停止补光以促进苗木木质化，9月17日将苗木移置室外进行锻炼。 1.2 基质处理及试验设计 育苗基质材料采用丹麦进口草炭土(纤维结构长度0～10 mm)、珍珠岩(北京首创科技有限公司)及蘑菇渣堆肥。蘑菇渣堆肥为自行堆制而成，以当地蘑菇厂的蘑菇菌渣废料[简称“蘑菇渣”，主要原料为杨树(Populus)木屑，种植菌菇后经微生物发酵剩下的有机废渣]及新鲜绿草[野苋菜(Amaranthustricolor)、马唐(Digitariasanguinalis)等]为原料，粉碎后按体积比3∶1均匀混合，调节至含水量60%左右。于2013年8月初进行室外好氧堆肥，腐解期间采用人工翻堆，堆体呈长堆形，堆肥历时6个月。翌年堆肥完成后(即堆肥理化性质稳定后)摊开晾晒风干，过10 mm筛，装袋备用。基质配方采用上述3种材料组成8种处理(表1)，其中以常用草炭处理(草炭∶珍珠岩=3∶1)为对照。配方中珍珠岩所占比例不变，处理T1～T8逐渐增加蘑菇渣堆肥的成分以替代草炭。 表1 油松基质配方Tab.1 Medium components of P.tabulaeformis 试验采用完全随机设计，8个配方处理，每个处理4次重复，共形成32个小区，每个小区育49株苗。配方完成后用四分法对各初始配方取样，重复3次。然后用3%硫酸亚铁溶液对基质进行喷洒消毒，盖膜放置2天后在各基质均匀混入缓释肥颗粒(N∶P∶K=14∶13∶13，北京大汉农业科技有限公司)，考虑硫酸亚铁及缓释肥对基质酸碱度和EC值的影响，此后再次对各基质重复取样以测定其酸碱度及EC值变化。最后将基质等体积统一装入育苗容器中，此时每容器基质中施氮量约100 mg。 1.3 基质理化性质测定 对第1次采集的初始基质配方样品采用环刀法测定密度、持水孔隙、通气孔隙、总孔隙度等物理性质指标。基质pH、EC值分别用pH计(雷磁pHS-2F型)及DDS307雷磁电导率仪测定。基质中全氮含量用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法测定，用碱解扩散法测定碱解氮含量，0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量，乙酸铵浸提-火焰原子吸收法测定速效钾含量。第2次采集的基质样品仅测定pH及EC值。 1.4 苗木取样及指标测定 2014年10月26日对苗木进行破坏取样。每小区取8株苗木，测量苗高、地径。再将根系小心取出，洗净，采用ESRON V750 Pro型根系扫描仪对根系进行扫描，扫描所得图片经Photoshop 7.0软件处理后，用Win RHIZO根系分析仪对根系平均直径、累计长度、表面积以及体积等指标进行精确分析。根系形态分级确定为3个范围： 0.0 1.5 数据分析 数据采集后应用Excel 2003软件进行整理，再采用SPSS18.0软件进行单因素方差分析，如处理间差异显著，则用Turkey法在0.05水平上进行多重比较。 2.1 不同基质处理对油松容器苗出苗率、苗高、地径以及生物量的影响 不同基质处理间油松容器苗出苗率差异显著(表2)，处理T1(对照)最高，达到95.00%，处理T2、T3、T4出苗率与对照差异不显著，其他处理出苗率均低于80%，与对照差异显著。当蘑菇渣堆肥添加比例≤40%时，不同处理的苗高差异不显著。对照的地径最大，为3.50 mm,其他处理虽出现不同程度下降，但处理T2、T3、T4与对照差异不显著。与地径的生长表现相似，对照苗木各组织生物量处在较高水平。添加蘑菇渣堆肥后，各处理生物量基本呈现逐渐减小的趋势，但处理T2、T3的根生物量，处理T2、T3、T4的茎生物量以及处理T2、T4的叶生物量,均与对照差异不显著。各处理茎根比差异不显著。 2.2 不同基质处理对油松容器苗根系形态的影响 对各处理下根系形态指标进行方差分析(表3)，苗木根系平均直径在8种基质处理间差异不显著。处理T2～T5的根系总长度分别比对照高出18.47%，12.48%，27.07%和20.97%，但处理间差异不显著； 所有处理中只有处理T8的总根长显著低于对照(P<0.05)。就根表面积来说，处理T2～T4均与对照差异不显著，处理T7、T8显著小于对照。根体积分析结果与根表面积相似，也是在蘑菇渣堆肥添加比例≤50%时，各处理根体积与对照差异不显著，对照的根体积最大，为2.07 cm3。 表2 不同基质处理下出苗率、苗高、地径及生物量①Tab.2 Seedling height, root-collar diameter and biomass in response to different medium treatments ① 表中数据为均值±标准误，同一项目的不同字母表示差异显著(P< 0.05)。下同。Data are means ± standard error, different letters in the same item indicate significant difference at 0.05 level. The same below. 表3 不同基质处理下油松容器苗根系平均直径、总根长、根表面积及体积Tab.3 Root average diameter, root length,root surface area and root volume in response to different medium treatments 2.3 苗木根系径级分布特征对不同基质处理的响应 由图1可知，从处理T1～T8，第1径级根系累计长度随蘑菇渣堆肥添加比例的增大呈现先增大后减小的趋势，处理T4达到最大，为1 066.89 cm，显著大于对照； 此径级各处理苗木根系累计长度占总根长度的66.08%～76.85%。第2径级处理T1～T6差异不显著，而当堆肥比例≥60%时，此径级的根系累计长度出现显著减小。各处理根系在第3径级内累计长度差异不显著。由此可见蘑菇渣堆肥添加量对根系累计长度的影响主要集中在径级较小的范围内。 与第1径级根系累计长度变化趋势相似，该径级各处理根系累计表面积也随蘑菇渣堆肥添加比例增大呈现先升高后下降的趋势，处理T4最大，显著高于对照； 仅处理T7、T8相对于对照出现显著降幅，分别为39.87%和46.57%(P<0.05)。处理T1～T4间根系表面积差异不显著，处理T7、T8显著低于对照。第3径级各处理根系累计表面积呈现略微下降趋势，处理T1～T7差异不显著，处理T8最小，显著小于对照。 当蘑菇渣堆肥添加比例≤30%时，不同处理根系累计体积在第1径级内呈逐渐递增趋势，当堆肥量持续增加时，根系累计体积转而渐小。此种变化趋势与根系累计长度和累计表面积极为相似，可见在0 图1 不同径级根系分布特征对不同基质处理的响应Fig.1 Total root length, total root surface area and total root volume in response to different treatments图中不同字母表示差异显著(P <0.05)。下同。Data followed by different letters meant difference at 0.05 level in the figure. The same below. 图 2 不同基质处理根、茎、叶的N、P、K含量Fig.2 The content of N, P and K in root, shoot and foliar in response to different medium treatments 2.4 单株养分含量对不同基质处理的响应 由图2可知，随着蘑菇渣堆肥添加比例的不断增大，苗木各组织内不同的养分含量呈现不同的变化趋势。各处理根氮含量均与对照无显著差异。从处理T1～T8，苗木茎、叶氮含量基本呈现逐渐升高的趋势，在处理T8达到最高，分别为1.61%和1.52%。其中茎氮含量在堆肥添加比例由50%开始均显著高于对照，而叶氮含量在处理T4处即开始比对照显著升高。这说明蘑菇渣堆肥的增加会促进苗木茎、叶中氮的积累。不同基质处理根、叶磷含量的变化亦出现略微上升的趋势，然而茎磷含量却随蘑菇渣堆肥的添加先降低后升高。苗木根钾含量在不同处理下无显著差异，而地上部分茎、叶对钾的积累却随蘑菇渣堆肥添加比例的增加而逐渐递增。当堆肥添加比例≥30%时，叶钾含量显著高于对照。 2.5 不同基质配方理化性质差异 随着蘑菇渣堆肥添加比例的增大，各基质密度显著增大(表4)，最大为处理T8，达到0.27 g·cm-3。各处理通气孔隙、持水孔隙以及总孔隙度均差异不显著，总孔隙度范围在69%～76%之间，可见添加堆肥后对基质通气持水性质影响不大。从处理T1～T8，各基质配方初始的pH和EC值逐渐增大(P<0.05)，pH范围在6.02～9.08，EC值范围在0.66～1.23 mS·cm-1。由酸变碱，说明蘑菇渣为碱性，而EC值的显著增大说明蘑菇渣堆肥含较多的盐分。均匀洒入FeSO4溶液后，各基质pH均出现一致的降低，处理T8的pH降到7.98，而处理T5的pH降到6.97，靠近中性。混入缓释肥后，肥料释放的部分养分使得各基质EC值出现一致的升高，最高达到2.16 mS·cm-1。堆肥比例的逐渐增加，各基质全氮、全磷、全钾含量呈逐渐增大趋势，且差异显著； 各基质处理有效态的营养水平亦逐渐增大(P<0.05)，其中碱解氮范围为463.8～647.1 mg·kg-1，有效磷为38.45～58.36 mg·kg-1，速效钾为78.5～201.1 mg·kg-1。 苗木的生长状况是判断基质是否合适的重要依据(林霞等， 2010)。很多研究尝试在草炭中添加替代性堆肥材料进行育苗试验，所培育的苗木在出苗率、形态指标及生物量等方面均与常用草炭基质存在一定的差异，而这些差异通常是不利的(Heiskanen， 2013； Wilsonetal., 2001)。草炭是较为理想的育苗基质，草炭处理下培育的苗木质量往往较高。本研究表明，添加不同比例蘑菇渣堆肥后，苗木在各指标上出现不同程度的下降，这与前人的研究结论(Medinaetal., 2009)相似； 但当蘑菇渣堆肥添加比例≤30%时，苗木在出苗率、苗高、地径、茎叶生物量以及茎根比等方面与草炭处理无显著差异，并且此处理范围内种子出苗率都达到80%以上，也符合容器苗生产的一般要求(吴雅婧， 2010)。可见，蘑菇渣堆肥添加比例在30%以内时，对油松出苗及形态生长来说是适宜的。 表4 不同基质的理化性质Tab.4 Physical and chemical property of different mediums 尽管苗木根生物量在蘑菇渣堆肥添加比例达20%时即开始出现显著下降，但堆肥对根系形态的影响却未这样显著。试验中即使堆肥添加比例达到50%，苗木在根总长度、表面积以及根体积等方面均与对照无显著差异，根系平均直径更是在所有处理间差异不显著。由于根系对苗木生长的重要性，近年来以根系结构作为评价苗木质量标准的研究逐渐增多，很多研究显示，根系形态指标,如根体积(Roseetal.,1991)、根长度(Chiatanteetal., 2002)等,与造林成活率或生长有较强的相关性，相比于根系其他指标可更好地预测造林效果(李国雷等， 2011)。 关于细根的径级划分目前尚没有确切的定义(程云环， 2004)，传统研究常将直径小于2 mm的根作为细根。Pregitzer等(2002)对北美8个树种的细根研究发现，其中75%细根由直径小于0.5 mm的根构成，并指出细根的划分要根据实际情况加以改进； 而奚旺(2014)在研究不同水肥处理对华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)容器幼苗根系影响时就将直径小于0.5 mm的根作为细根。本研究中根系指标测试的对象仅是一个生长季的油松小苗，2 mm的直径已接近苗木地径，因此以D≤0.5 mm作为细根范围划分或许更能反映细根的生长状态。许多研究显示，细根虽仅占苗木根系总生物量不到30%，但却是苗木吸收水分和养分的主要器官，对苗木碳分配和养分循环起着极为关键的作用，同时对根际环境的变化具有重要指示意义(张小全等， 2001)。随着蘑菇渣堆肥添加量的增加，各基质对D>0.5 mm和0 各处理基质中蘑菇渣堆肥比例的不断增大，促进了苗木根中磷的积累，茎中氮、钾的积累，同时也提高了叶中氮、磷、钾的含量。苗木体内养分含量的提高能显著促进苗木生长及增强抗逆性(李国雷等， 2011)。Joseph等(2004)研究显示，云杉(Piceaasperata)苗木在北欧立地条件下造林13周后，体内初始养分水平高的苗木能显著提高苗木质量和养分含量； Oliet等(2009)造林试验表明根磷含量与造林成活率相关性最为密切； 而富含钾的苗木能提高苗木抗旱性，从而造林效果较好。因此笔者认为，添加堆肥后的苗木部分组织内高水平的氮、磷、钾养分含量可能有利于造林。 苗木的生长与栽培基质理化性质密切相关。国内外学者经过大量研究，相对一致地认为理想基质的质量标准为： 密度0.1～0.8 g·cm-3，总孔隙度54%～94%，且EC≤2.5 mS·cm-1，呈微酸性(储双双等， 2014)。试验中处理T1～T8各基质密度逐渐增大，但总体密度较小，处于合理范围内； 通气持水孔隙及总孔隙度均与对照差异不显著，说明各处理基质保水透气能力差别不大。可见基质物理性质对于育苗来说是适宜的，可能不是影响苗木质量差异的主要因素。 逐渐增加蘑菇渣堆肥的比例后，各基质pH显著增大，这与李海燕等(2011)的研究结果一致。硫酸亚铁具有基质消毒及调节pH的双重功效(周航等， 2014)，统一加入硫酸亚铁溶液后，各基质pH出现一致的下降，但显著增值的趋势未变。油松适合在微酸性基质中生长(海晓明等， 2012)，当堆肥添加比例达到40%及以上时，pH已接近中性并趋向于碱性，而此时，油松部分指标包括出苗率、地径、茎叶生物量等已开始显著低于对照，苗木质量显著降低。有研究认为，处于弱碱性环境中的苗木根系，其细胞膜的性质和状态会发生改变，进而影响对外界溶液中离子的吸收； 而且当环境pH较高时，基质溶液中Mn、Zn、Cu、P等矿质元素易产生沉淀，这对苗木根系吸收矿质元素较为不利(郭培国等， 2000)。因此，各基质pH的变化可能是影响苗木质量的重要因素之一。 苗木氮、磷、钾的贮存量是基质养分供应与利用状况的反应(储双双等， 2014)。堆肥的增加提高了基质EC值，其中有效性的N、P、K元素也相应显著增多，这可能是导致苗木组织内N、P、K养分积累的直接因素。尽管加入缓释肥后，各基质中最高的EC水平(处理T8为2.16 mS·cm-1)并未超过育苗的合理界限，但由于本试验以1年生油松的最佳施肥量为参考设置相对合理统一的缓释肥施肥量，添加堆肥后基质中营养水平进一步增高，可能会对苗木产生毒害而不利于苗木生长(林平等， 2013)。细根受基质养分环境的影响较大(郝龙飞等， 2014),其受养分有效性的影响相对于粗根更为敏感(于立忠等， 2007)。在蘑菇渣堆肥添加比例≤30%时，基质物理性质包括pH均相对适宜，在苗木体内除养分含量外的其他指标均与对照差异不大或者略低于对照时，细根相关指标(累计长度、表面积、体积)却逐渐增大，处理T4达到高峰。在堆肥比例≥40%时又逐渐降低，这可能是pH值由酸变碱所致，但也不排除可能由于基质养分有效性低时(堆肥比例≤30%)，堆肥的增加提高了养分有效性而促进了细根的生长(郝龙飞等， 2014)，而养分过高时(堆肥比例≥40%)又可能对其产生胁迫效应，抑制细根生长(马献发等， 2011)。由于细根与基质养分水平关联度尤为密切，从细根生长的指示角度判断基质养分过高可能有一定的参考性。为此，基质内有效养分的升高也可能是影响苗木生长的另一个关键因素。 通过对苗木生长及基质指标的综合分析得出，当蘑菇渣堆肥添加比例在30%以内时，基质理化性质较为适宜，所育油松出苗率(>80%)、苗高、地径、茎叶生物量、茎根比以及根系相关指标(总长度、表面积、体积，0 本试验中，蘑菇渣原料从就近的蘑菇厂回收，算上运费及人工费用，每立方米蘑菇渣堆肥成本在80元左右(大规模生产成本可能更低)； 而试验中的草炭为丹麦进口，每立方米价格约为650元。若以蘑菇渣堆肥在配方中比例为30%计算，配制1 m3混合基质相对于草炭配方能节约成本171元左右，明显提升了经济效益。对蘑菇渣的资源化回收利用，能有效减少其因被随意丢弃堆放而造成的病菌滋生、水体污染等环境问题，生态效益同样较为显著。 综上所述，本试验的最佳基质配方为草炭45%、珍珠岩25%、蘑菇渣堆肥30%。 程云环. 2004.落叶松人工林细根生产和周转及其与土壤资源有效性关系. 哈尔滨：东北林业大学硕士学位论文. 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(责任编辑 王艳娜 郭广荣) Effects of Mushroom Residue Compost on Growth and Nutrient Uptake ofPinustabulaeformisContainer Seedlings Hu Jiawei Liu Yong Wang Yan Lou Junshan Li Guolei (KeyLaboratoryforSilvicultureandConservationofMinistryofEducation,BeijingForestryUniversityBeijing100083) 【Objective】 The agricultural waste—mushroom residue, which remains after the production of edible fungi, is widely available and cheap. And it is now gradually cognized as a potential alternative to the peat for seedling production. This study aimed to explore the mushroom residue compost as peat alternative substrate material for the feasibility of container seedlings and promote cyclic utilization of agricultural waste resources. 【Method】 This study was tested for feasibility as a component (0-75%) of a container medium for growing one-year-oldPinustabulaeformiscontainer seedlings in a greenhouse. The physical and chemical properties of different mediums and their effects on the growth of seedlings were studied. 【Result】 When the proportions of mushroom residue compost reaching to 30%, seedling germination percentage could achieve 80% production index requirements; seedling height, diameter, shoot biomass, and foliar biomass all did not exhibit significant changes compared with the peat treatment. Root morphology (except the fine root of 0 mushroom residue compost;Pinustabulaeformis; root morphology; nutrient uptake 10.11707/j.1001-7488.20170215 2015-04-17； 2016-11-28。 林业公益性行业科研专项经费项目(201004021)； “948”计划项目(2012-4-26)。 S723.133 A 1001-7488(2017)02-0129-09 * 刘勇为通讯作者。1 材料与方法
2 结果与分析
3 讨论
4 结论
