牛粪堆肥成型基质块蔬菜育苗灌溉方式

杨龙元，袁巧霞，刘志刚，曹红亮，罗 帅

0 引 言

成型基质块育苗具有移栽方便、成活率高、无缓苗期和减少病虫害等优点[1-5]，其已逐渐成为研究热点。部分学者已经对成型基质块及其育苗配方和压缩工艺进行了一定的研究[6-10]，但因成型基质块具有一定强度和压实密度，吸水和保水特性也不同于散体基质，故其育苗方式和灌溉方式均不同于散体基质穴盘育苗。同时，良好的灌溉方式不仅可以为育苗基质补充水分，改善基质理化性状，保证幼苗良好的生长，还能做到节约水资源，避免灌溉方式和灌溉量不当造成基质中营养成分的流失[11-13]，而传统的灌溉方式如漫灌、沟灌等灌溉方式用水量大，水的有效利用率低，造成严重的水资源浪费，并且易造成土壤的板结和营养流失，部分学者提出的低位浸泡灌溉和微喷灌溉方式能较好解决上述缺点[14-16]。但少有文章对成型基质块育苗中的灌溉方式及水分配规律和水盐在成型基质块中的运动等进行研究，因此研究成型基质块的灌溉方式及灌溉量尤为重要。

本文考虑到成型基质块的灌溉不同于传统散体基质，它既需要在灌溉过程中逐步膨胀来增加其孔隙，又需要在育苗过程中具有一定的形状，不易分散崩解等特点[17-18]，并结合低位浸泡灌溉和微喷灌溉 2种灌溉方式对基质块的冲刷力较小的特点。我们通过成型基质块灌溉育苗试验，探究这 2种不同灌溉方式及灌溉量对不同配方成型基质块养分的流失及黄瓜育苗生长的影响，从而优选出适宜于牛粪成型基质块的育苗灌溉方式，为成型基质块在蔬菜育苗产业上的高效利用和推广提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验采用牛粪好氧堆肥腐熟料和牛粪蚯蚓腐熟料2种为主料的配方基质。牛粪好氧堆肥腐熟料风干后过5 mm筛网保存备用，牛粪蚯蚓堆肥腐熟料取自湖北省黄冈市某牛粪蚯蚓养殖场，风干后过5 mm筛网保存备用，辅料稻草秸秆取自华中农业大学周边农户的农田，风干后粉碎过5 mm筛网（稻草秸秆长度≤2.5 cm）；草炭购于市场，为加拿大进口，其pH值为5.95，EC值0.22 mS/cm；高吸水树脂为一种交联型丙烯酸/丙烯酸钠聚合物，其吸水倍率为200，购于市场。将各原料按配方（牛粪好氧腐熟料：草炭为 1∶1，体积比；牛粪蚯蚓腐熟料、稻草丝和草炭三者体积比为0.592 1：0159 9：0.248 0；高吸水树脂与混合料的比例为5.5 mL：1L）比例均匀混合，并调节其含水率约为25%左右，密封保存。

在基质成型试验表明[6-7]，圆柱形的基质块稳定性较好，且较适合黄瓜等须根系植物的生长，故本试验的基质块选取圆柱形。将混合料置于内径40 mm的圆柱形模具中，利用液压式成型机进行压缩，压力分别为15 kN（牛粪好氧堆肥腐熟料配方）、10 kN（牛粪蚯蚓腐熟料配方）。试验采用的黄瓜种子均购买于市场（新津研四号，永安燕丰种业有限公司生产）。2种成型基质块的特性如表1所示，其中牛粪好氧堆肥腐熟料基质块和牛粪蚯蚓腐熟料基质块压缩后高度分别为（20±3）和（17±3）mm，吸水膨胀后（60±8）和（48±5）mm，牛粪好氧堆肥腐熟料基质块的直径吸水前后分别为（39±1.1）和（42±1.1）mm，牛粪蚯蚓腐熟料基质块的直径吸水前后分别为（39.5±1.1）和（41.5±1.1）mm。

表1 成型基质块的基本特性Table 1 Basic characteristics of compressed substrate

1.2 试验设计与田间管理

试验于2017年3月3日至3月29日在湖北武汉华中农业大学工学院植物温室内进行。试验设计如表 2所示，设有牛粪好氧腐熟料成型基质块组（T）和牛粪蚯蚓腐熟料成型基质块组（TS），2组中设有6个处理水平，各处理水平重复3次。由于2种牛粪腐熟料单个基质块的质量和最大含水量不同，故 2组中各处理水平不同。由于2种成型基质块的高度在灌溉前为（18.5±4.5）mm，灌溉后膨胀为（55.5±12.5）mm，故低位浸泡灌溉的液面高度为1 cm，而微喷灌溉量则根据成型基质块的最大持水量计算。其中T1和TS1为低位浸泡灌溉，其余的为微喷灌溉。牛粪好氧腐熟料组中，36块牛粪好氧堆肥腐熟料基质的总计最大持水量为865.39 mL，其灌溉耗水量体积的处理水平分别为2 500、350、700、1 050、1 400、1 750 mL，用T1、T2、T3、T4、T5、T6表示；牛粪蚯蚓腐熟料组中，36块牛粪蚯蚓堆肥腐熟料基质总计最大持水量1 377.78 mL, 其灌溉耗水量体积的处理水平分别为3 000、700、1 050、1 400、1 750、2 100 mL，用 TS1、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6 表示。

表2 成型基质块的灌溉方式及灌溉时间Table 2 Method and time of irrigation for different compressed substrates

微喷的系统如图1所示，从左到右依次为水泵/干管/减压阀（带水压表）/毛管（带喷头）/水阀开关。试验时，2个喷头下各有一个塑料带孔托盘（孔的直径为4 mm），托盘下方为一固定位置的塑料盆用于回收多余的灌溉水，每个处理36块基质装入同一塑料托盘中，灌溉试验设置为3次重复区组随机试验，每隔1天灌溉一次，每隔3天对回收水取样一次，灌溉试验共进行26d，试验结束时黄瓜幼苗生长情况如图2所示。

图1 微喷系统示意图Fig.1 Schematic diagram of irrigation equipment

图2 黄瓜幼苗生长26 d后状况Fig.2 Growth of cucumber seedlings at 26 day

1.3 测定内容与方法

1.3.1 成型基质块的基本理化参数

成型基质块的基本理化性质主要测试指标有容重、总孔隙度、pH值、EC值。容重和总孔隙度采用压汞仪测量[19]；测试pH值和EC值时，将风干的基质与蒸馏水按体积比为1∶5（v/v）稀释，充分搅拌15 min后静置1 h，分别采用METTLER TOLEDO笔氏pH值测定仪和EC值测定仪（型号 雷磁DDS-307A 电导率仪）测定成型基质块的pH值和EC值[20]。成型基质块的TN、TP用全自动化学分析仪（smart），TK含量则按Johnson的方法，用原子吸收光谱仪测定[21]，。

1.3.2 幼苗的基本理化参数

幼苗生长指标主要包括茎粗、株高、地上部和地下部的鲜质量及干质量，待播种26 d后，采用游标卡尺测定幼苗的茎粗、株高，株高为自基质块表面至幼苗心叶顶端，茎粗的测量点为子叶下端1 cm处。在育苗26 d后取苗，切分地上和地下根部，洗净并吸干水分后，采用0.000 1 g精度的电子天平称量，即得到幼苗地上部和地下部鲜质量；将幼苗地上部和地下部置于 105 ℃下杀青15 min，80 ℃下烘干12 h至恒质量，称量幼苗地上部和地下部干质量，壮苗指数=（茎粗/株高+根干质量/地上部干质量）×全株干质量[22]; 幼苗的TN、TP和TK浓度按1.3.1中的TN、TP和TK测试方法进行测量；幼苗的根系指标和生理指标未作为本试验的指标参数。

1.3.3 幼苗灌溉水的特性及水利用效率

回收水中的TN、TP和TK浓度按1.3.1中的TN、TP和TK测试方法进行测量，其pH值和EC值用1.3.1中的仪器直接测量。作物耗水量：ETa=P+I-ΔW，其中ETa作物生育期的耗水量，P为降水量，I为灌溉量，ΔW为基质块贮水量，本试验在温室大棚中进行即P为0，灌溉水利用效率=幼苗干物质总量（g）/灌水量（kg）[23]，其中干物质总量=存活的幼苗棵数×全株幼苗干质量均值。

1.4 数据处理

所有测试数据采用SAS® 9.1软件进行Duncan方差分析和多重比较（P =0.05）。

2 结果与分析

2.1 灌溉过程成型基质块持水吸水特性

成型基质育苗过程灌溉时，基质块会吸收部分水分，其余水分在基质块间流失，在每处理组基质块排列布置相同的情况下，通过收集每处理组流失回收水，则可间接反应各处理组吸水量。如图3a、3b所示， T1和TS1为低位浸泡灌溉，每次可以使基质块含水率达到最大持水量，T2、T3和TS2、TS3均小于其最大持水量，但每次均有部分回收水，其一是基质块中的水分没有全部蒸发；其二是微喷灌溉时，部分灌溉水从基质块间的排列空隙中流失，还有小部分灌溉水可能在基质块表面通过径流流失，为了减小这部分灌溉水的损失，基质块上表面预置有蓄水槽，同时播种孔也具有蓄水作用，可提高水分利用率。试验期间气温逐渐升高，而图3c、3d表明每个灌溉处理组基质块吸水量呈现先上升后下降的变化趋势，可能是随着黄瓜幼苗的生长，叶面增大遮挡部分自然光对成型基质块的直接照射，减小其蒸发；另一方面可能是灌溉水喷向叶面时通过叶片表面径流流向基质块间缝隙，使其不能与基质块充分接触，减小了成型基质块的吸水量。从T2到T3处理，基质块吸水量呈现较大增长，T4到 T6处理保持相对稳定，进一步说明最优灌溉梯度在T2到T3之间。针对牛粪蚯蚓堆肥腐熟料配方的基质块，也有相似的变化，仅从减少灌溉水损失的角度，最优灌溉梯度在TS2到TS3间。

图3 不同灌溉条件回收水和吸收水的体积Fig.3 Volume of recycled water and absorbed water by compressed substrates on different irrigation conditions

2.2 不同处理灌溉回收水pH和EC值的变化

如图4a、4b所示，不同处理水平下2种堆肥腐熟料的成型基块回收水pH值均在6.5到9.0之间变化，整体偏微碱性，一定程度上是由于自来水的pH值在7.0～8.5间变化所致。图 4c、4d整体变化趋势一致，T1和 TS1（低位浸泡灌溉）处理组回收水的EC值最低并且各次之间无显著变化，表明低位浸泡灌溉相比于微喷灌溉对基质块的脱盐效果差，能更多的保留成型基质块中的可溶性盐[24-25]。处理T4、T5、T6的EC值均显著降低，在3月15日第6次灌溉后趋于稳定，T2处理由于每次灌溉水量均未使其达到最大持水量，因此在不同微喷灌溉条件下其EC先缓慢减小趋于稳定，且呈现上升趋势，与处理T4、T5、T6的变化刚好相反。在牛粪蚯蚓堆肥腐熟料配方（TS）中，也具有相同变化趋势。

图4 不同灌溉条件回收水的pH值和EC值Fig.4 Values of pH and EC of recycled water on different irrigation conditions

2.3 不同灌溉处理育苗成型基质块的质量损失状况

成型基质块育苗过程中，由于灌溉水的冲刷或浸泡作用，基质块存在一定程度的质量损失。从图5可看出，处理组 T1、T2、T3无显著差异（P＞0.05），而处理组T4、T5、T6的成型基质块流失的质量百分比显著高于T1、T2、T3，最小损失百分比为 T2（5.69%），最大损失百分比为T5（8.78%）。随着微喷灌溉量的增加，牛粪好氧堆肥腐熟料配方的成型基质块的质量损失百分比增加，且灌溉量达到一定量时，损失的质量百分比稳定在较小的变化范围内，原因是颗粒直径较大固体颗粒组成型基质块骨架结构，维持其形状，而颗粒直径较小固体颗粒在灌溉过程中最容易流失[26]，并且流失量最大恒定在8.78%左右。在牛粪蚯蚓堆肥腐熟料配方的成型基质块中，低位浸泡灌溉（TS1）条件下成型基质块的质量损失百分比最小，为1.73%，相比于微喷灌溉显著减少了成型基质块的质量损失，TS2、TS3、TS4、TS5处理的成型基质块质量损失百分比无显著变化（P＞0.05）。2种腐熟料相比较，牛粪好氧堆肥腐熟料配方的成型基质块更易流失，可能是牛粪蚯蚓堆肥腐熟料的成型基质块配方中添加有少量稻草丝（长度≤2 cm），起到了一定链接、固定作用，减小了成型基质块的流失量。

图5 不同灌溉条件对基质块的流失影响Fig.5 Loss quality of compressed substrates on different irrigation conditions

2.4 不同灌溉处理育苗成型基质块 TN、TP、TK的流失状况

图6为不同灌溉条件下基质块淋洗损失的TN、TP、TK量，其值根据回收水的容积乘以回收水中TN、TP、TK容积浓度百分含量进行计算。牛粪好氧堆肥腐熟料成型基质块在低位浸泡灌溉（T1）处理组所损失的TN大于微喷灌溉中的T2和T3处理组，但明显低于T4、T5和T6处理组。从图6a中可以看出T4、T5和T6微喷灌溉下成型基质块淋洗损失的 TN呈先增加后减小再稳定趋势，由于水解氮可被植物利用，不易被土壤胶体所吸附，易随水移动[27]。T2和T3处理成型基质块淋洗损失的TN较小的主要原因是灌溉量较小，经过成型基质块截面的灌溉水绝大部分被基质块所吸收，回收水主要是成型基质块间缝隙流过的水分，故其TN含量较低。2种不同堆肥腐熟料成型基质块在各处理组淋洗损失的 TN变化趋势一致，但好氧堆肥腐熟料基质TN损失总量高于蚯蚓腐熟料。从图6c、6d、6e、6f可以看出2种成型基质块在不同微喷灌溉量下，TP和TK的淋洗损失最大值均比TN的淋洗损失最大值提前4 ～8d，并且淋洗损失总量为TK＞TN＞TP，这与2种基质块初始TN、TP、TK含量相对大小有关。2种基质块在T1和T2（或TS1与TS2）处理下淋洗损失的TP和TK均显著少于其它处理，并且T2和TS2处理成型基质块淋洗损失的TP和TK均小于低位浸泡灌溉（T1和TS1），说明低位浸泡灌溉不仅能充分湿润基质块，其损失的TN、TP和TK总量也较小。

图6 不同灌溉处理下回收水中的TN、TP、TKFig.6 TN, TP and TK in recycled water on different irrigation conditions

2.5 不同灌溉处理下幼苗生长的状况

如图2和图7a和7b所示，好氧堆肥料成型基质块在T2～T6微喷灌溉量增加时，黄瓜幼苗的茎粗先从 4.05 mm（T2）增加到5.31 mm（T5）后略有减小（T6处理为5.25 mm），T1（低位浸泡灌溉）和T2无显著变化，均小于其它处理组，黄瓜幼苗的株高也有类似变化。黄瓜幼苗的茎粗和株高主要是水、肥、光、温度的综合作用[28,29]，本试验主要为水、肥的影响，T1处理黄瓜幼苗的茎粗和株高均小于微喷灌溉（T3、T4、T5和T6）处理是因为牛粪好氧腐熟料成型基质块的EC值较大，而低位浸泡灌溉盐分淋洗量较少，其黄瓜幼苗可能出现轻微盐胁迫。蚯蚓堆肥腐熟料成型基质块从TS1处理到TS6处理，其黄瓜幼苗茎粗和株高分别从6.23和138.09 mm减小到4.44和77.52 mm，结合图6可知，TS2损失的TN、TP、TK均小于TS1处理，但其黄瓜幼苗却显著小于TS1处理，原因可能是 TS2处理牛粪蚯蚓堆肥腐熟料成型基质块吸收的灌溉水量不足，阻碍了黄瓜幼苗的生长，而 TS3、TS4、TS5和TS6处理可能是营养的缺乏引起植株生长缓慢。不同灌溉条件下黄瓜幼苗的地上部分干质量和地下部分干质量与其茎粗、株高的变化趋势一致，牛粪好氧堆肥腐熟料各处理地上部分干质量和地下部分干质量分别由257.57 mg和47.55 mg（T2）增加到574.77 mg和79.52 mg（T6），牛粪蚯蚓堆肥腐熟料各处理地上部干质量和地下干质量分别由758.85 mg和147.92 mg减小到481.87 mg和78.35 mg。从表3中各幼苗的壮苗指数来看，牛粪好氧堆肥腐熟料在T4、T5和T6各处理之间无显著变，因此牛粪好氧堆肥腐熟料成型基质块可以在播种12天内选用T4处理进行灌溉，之后减小灌溉量（如采用T1或者T2处理），既可以淋洗掉成型基质块的部分可溶性盐分，又能在后期保留基质块中的养分含量，节约用水。而牛粪蚯蚓堆肥腐熟料的成型基质块的各灌溉处理下各幼苗壮苗指数TS1显著高于其他处理组（P＜0.05），因此采用低位浸泡灌溉有利于黄瓜幼苗生长，同时也可减小基质块的质量流失和养分损失。

2.6 不同灌溉处理幼苗TN、TP、TK的累积量

如图 8所示，牛粪好氧堆肥腐熟料成型基质块各处理黄瓜幼苗累计的TN含量以T2处理最高，可能是由于T2处理灌溉淋洗损失的TN总量最少；各处理组黄瓜幼苗吸收的TP浓度无显著性差异；TK的变化与黄瓜幼苗生长状况有关，T1、T2和T3处理幼苗生长前期受到基质中盐的轻微胁迫，且T2和T3处理吸收的灌溉水量没有达到最大持水量，这3个处理组幼苗对TK的吸收量均较低T4、T5和T6处理组以T4处理组黄瓜幼苗吸收TK量最大，主要是该组所淋洗的TK量相对较少。2种堆肥腐熟料成型基质块所栽培的黄瓜幼苗累积 TN、TP、TK含量变化趋势一起。2种成型基质块在不同灌溉处理下，黄瓜幼苗根部累积的TN、TP、TK含量均显著高于茎叶部分，与 Incrocci 等人进行滴灌和地下灌溉对番茄生长影响的试验结论一致，均表明植物根部累积的TN、TP、TK含量均显著高于茎叶累积的含量[30]。

图7 不同灌溉处理组黄瓜幼苗生长状况Fig.7 Growth of cucumber seedlings on different conditions

图8 不同灌溉处理黄瓜幼苗地下部分和地上部分吸收的TN、TP、TK含量Fig.8 Cumulative concentration of TN, TP and TK in different part of cucumber seedlings on different irrigation conditions

表3 不同灌溉处理组幼苗的壮苗指数Table 3 Seedling index of cucumber seedling in compressed substrates under different irrigations

2.7 不同灌溉处理灌溉水的利用率

如表 4所示，牛粪好氧堆肥腐熟料成型基质块中，不同灌溉条件下，灌溉水利用效率最高的为 1.64g/kg（T4），并且显著高于其他处理组（P＜0.05），仅从节水灌溉方面看T4灌溉条件即可，但育苗后期T4灌溉条件下，基质的营养元素流失较大，故采用微喷灌溉 T4（1 050 mL）进行前5～6次灌溉，然后采取低位浸泡灌溉至育苗结束，既保证黄瓜幼苗正常生长，又可相对减少基质TN、TP、TK的淋洗损失量。牛粪蚯蚓堆肥腐熟料成型基质块中，不同灌溉条件下，灌溉水利用效率最高的为2.79 g/kg（TS1）和2.93 g/kg（TS2），两者之间无显著差别，但TS1（低位浸泡灌溉）条件下的黄瓜幼苗比TS2组的黄瓜幼苗更健壮，故应采取TS1（低位浸泡灌溉）方法灌溉牛粪蚯蚓堆肥腐熟料成型基质块。

表4 不同灌溉方式下灌溉水利用效率Table 4 Irrigation water use efficiency under different irrigations

3 结 论

1）针对具有高EC值的牛粪好氧堆肥腐熟料成型基质块，应选取微喷灌溉T4进行前5～6次灌溉，然后采取低位浸泡灌溉至育苗结束，既保证黄瓜幼苗正常生长，又可相对减少基质TN、TP、TK的淋洗损失量。

2）针对牛粪蚯蚓堆肥腐熟料成型基质块，则可采取低位浸泡灌溉方式（TS1）以减少养分损失，该处理下黄瓜幼苗的茎粗（6.23 mm）、株高（138.09 mm）、地上部分干质量（758.85 mg）、地下部分干质量（147.92 mg）均为本试验中最大值，其灌溉水利用率为2.79 g/kg。

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