基于田口方法的草菇渣堆肥育秧基质配方筛选研究

徐 荣，朱凌宇，王小治，张家宏，寇祥明，王桂良，唐鹤军，王守红∗

（1．江苏里下河地区农业科学研究所，江苏 扬州 225007；2．江苏省生态农业工程技术研究中心，江苏 扬州 225007；3．扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127）

随着我国农业机械化程度不断提升，水稻机插秧技术迅速推广开来。为保证机插效率、秧苗素质，控制育秧成本，基质育秧技术应运而生。相对于传统营养土育秧，其优势在于价廉物美、省时省工，方便运输，且不破坏土壤耕层，有利于实现育秧过程的规模化、标准化［1］。

当前，育秧基质产品纷繁多样，质量却参差不齐。基质的稳定性是水稻丰收的先决条件，也是评价基质产品质量的重要指标。而选择客观、有效的秧苗生长评价方法则是评价基质产品稳定性的关键。相关研究［2-4］中，其评价方法主要采用单个指标比较与综合评判结合；在此过程中，易忽略不同指标对秧苗长势的表征能力存在差异，因而，评价结果的稳定性有待检验。

基于变异系数赋权的原理为单个指标在不同处理间差异性越大，则该指标对试验结果指示作用越强。据此，本文基于指标变异系数赋权，计算秧苗生长综合指数，实现秧苗长势有效评价；通过不同基质组分单因素试验，采用稳健设计-田口方法分析秧苗综合生长指数，筛选有效、合理的基质配方；并通过田口预测系统与Nash-Sutcliffe 效率系数计算相结合，验证筛选模型的可靠性，全方位保证基质配方效果优良，且稳定。

1 材料与方法

1.1 试验材料

有机废弃物基质化不仅有利于废弃物循环利用，且可降低育秧成本，已成为研究热点［5-7］。为降低生产成本，本文前期针对本地区-主要有机废弃物的理化性质进行测定分析（表1），结果表明，腐熟草菇渣是草炭土理想替代物。因而选择草菇渣堆肥（腐熟）与草炭土进行复配，作为基质有机组分（表2）。

此外，试验所用稻种为扬粳805，速效肥（N∶P∶K=13∶5∶7）的组分为硫酸铵（含氮量21%）、磷酸一铵（含氮量11%，含磷量44%）、氯化钾（含钾量60%），锌肥（有效含量98%）及生根粉（主要成分为萘乙酸，有效含量20%），高吸水树脂包括锦上（JS）和沃特（WT）保水剂两种；基质填充剂选择蛭石（粒径为2mm）和珍珠岩（5mm），添加比例依次为10%、5%（w/w），其余为草炭土（表2）；对照组采用淮安柴米河公司的育秧基质产品（表2）。试验秧盘为自制，规格为10cm×10cm×2cm，每盘用种300 粒，约为9.32g。

表2 基质主要组分及“柴米河”基质相关指标

1.2 试验设计

1.2.1 单因素设计

针对草菇渣堆肥用量，速效肥、锌肥、生根粉及保水剂用量，设置不同的用量水平，依据秧苗综合生长指数，初步筛选适宜种类或用量，见表3。

表3 单因素试验因素及水平

1.2.2 田口设计

基于单因素试验筛选结果，采用田口设计进一步优化育秧基质配方。其中每一配方均采用10%（w/w）蛭石及5%（w/w）珍珠岩作为基质填充剂，剩余组分为草炭土。

本文利用 Minitab 软件进行数据处理，包括方差分析，田口分析和预测等工作。

1.2.3 试验统计方法

变异系数计算公式：

其中Vi为第i 个指标的变异系数，σi为第i 个指标的标准差，为第i 个指标的平均数。

权重计算公式：

其中Wi为第i 个指标的权重，Vi为第i 个指标的变异系数，为所有指标的变异系数之和。

生长综合指数计算公式：

其中Zj为第j 个处理的生长综合指数，Ri，j为第j 个处理的第i 个指标值，Wi为第i 个指标的权重。

均值计算公式：

信噪比计算公式：

Nash-Sutcliffe 效率系数计算公式：

其中Oi为第i 场试验实测值；Pi为第i 场试验的预测值；为所有试验实测值的均值；n 为试验场次数。NSE 值变化范围为（-∞，1），越趋近 于1，说明实测值与预测值之间吻合越完美。

试验中的方差分析均采用Fisher 检验方法。

1.3 试验过程及育秧管理

基质制备过程：有机组分均经过粉碎，过1.68mm 筛后与适度粉碎的草炭土、蛭石及珍珠岩混匀，速效肥、锌肥、生根粉均匀配制成水溶液，喷施至基质中并混匀；保水剂则通过粉碎过0.35mm筛，与蛭石、珍珠岩（过1.68mm 筛）混匀后，拌入基质中。

基质使用过程：将复配基质装入自制秧盘中，用直尺刮平表面，均匀撒上经筛选后的稻种，盖上基质，厚度在0.5cm 左右，以不影响出苗为宜，置于室内生长。

试验条件设置：试验时间为2017 年4月5日至12月10日，光照主要采取自然光照，冬季增温保湿主要采用油汀加热、加湿，种植期间每日平均光照时间为6～8h，白天平均室温为22～30℃，夜间平均室温为17～24 ℃，空气相对湿度为55%～90%。

秧苗生长管理过程：秧苗出苗前，保持秧盘湿润，上覆无纺布；出苗后，待齐苗后，白天揭膜，夜晚盖膜，浇水与否则以早晨心叶吐水与否为标准；1叶1 心期后，完全揭膜，表层基质露白则浇水；二叶期后，适当减少浇水次数，炼苗为主。基质试验过程中，部分单因素试验存在缺肥现象（叶片呈淡绿色），主要通过喷施硫酸铵水溶液缓解症状，浓度为1∶100，用量5g/m2。二叶期用毒死蜱喷施一次，药剂浓度按照说明配制。

1.4 测试指标及方法

待秧苗全部进入三叶期即收获，测定水稻秧苗出苗率；选取长势相近的秧苗30 株，分别测定株高、叶绿素含量、茎基宽、根数；再将秧苗105℃杀青0.5h后，70℃烘干至恒重，分别测定秧苗地上与地下部干重指标，并计算出总干重、根冠比及壮苗指数等指标。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 废弃物腐熟堆肥用量

如图1 所示，秧苗指标按照权重显著差异性可分为4组：最强组包括根冠比和地上部干重；而出苗率、总干重、壮苗指数及根数仅次之；除与壮苗指数差异不显著外（P＞0.05），根数均显著弱于出苗率和总干重；最弱组为地下部干重、茎基宽。

图1 不同草菇渣堆肥添加量对育秧效果的影响

随着草菇渣堆肥用量的增加，秧苗长势呈下降趋势，但草菇渣堆肥不同添加量组间的差异未达到显著水平（P＞0.05）；此外，添加草菇渣堆肥后秧苗长势均劣于纯草炭土组，但差异未达到显著水平（P＞0.05），基于成本控制及废弃物循环利用的角度考虑，选择50%～70%作为草菇渣堆肥用量水平筛选区间。

2.1.2 速效肥用量

由图2 可知，根数对秧苗长势的指示作用最强，并显著优于其他指标（P＜0.05）；壮苗指数、地下部干重、出苗率、地上部干重、总干重及茎基宽指示能力仅次于根数，但该6 个指标间差异并未达到显著水平（P＞0.05）；根冠比权重最低，且与其他指标的差异性达到显著水平（P＜0.05）。

图2 不同速效肥初始添加量基质的育秧效果

由秧苗生长综合指数比较可知，随着氮、磷、钾速效肥用量等比例的增加，秧苗长势总体呈现“先增后降”的趋势，在1% 用量水平条件下，秧苗长势最佳，且仅在该条件下显著优于对照组（P＜0.05）；但所有添加速效肥的处理组，秧苗长势差异性并未达到显著水平（P＞0.05）。结合上述分析，选定0%～0.5%作为速效肥用量筛选区间。

2.1.3 锌肥用量

如图3 所示，对于秧苗长势的指示能力，壮苗指数最强，且与其他指标的差异性达到显著水平（P＜0.05）；地下部干重和根冠比仅次之，且显著高于剩余指标（地上部干重、总干重、出苗率、根数及茎基宽）（P＜0.05）；此外，剩余指标间的差异性并未达到显著水平（P＞0.05）。

图3 不同锌肥添加量基质的育秧效果

随着锌肥添加量的增加，秧苗长势趋好，且最高用量时，秧苗长势最佳，但处理间差异均未达到显著水平（P＞0.05）。由于基质预备试验中，锌肥具备一定调酸功能；且在本文所设置用量下，成本较低，因此，选择0‰～2‰作为锌肥用量筛选区间。

2.1.4 生根粉用量

如图4 所示，按照秧苗长势指示能力强弱，秧苗指标分为：最强组仅有壮苗指数；根冠比、地下部干重及根数仅次之，最弱组包括地上部干重、总干重、茎基宽及出苗率；此外，前述基质组分试验中，指标按照差异显著性分组后，组内指标间差异未达到显著性，而本试验权重分析结果则反之，例如次强组中的根冠比和根数，以及最差组中的地上部干重与茎基宽、出苗率，总干重与出苗率均达显著水平（P＜0.05）。

依据秧苗的生长综合指数可知，与前述基质组分作用不同，生根粉对秧苗长势影响更显著；生根粉与秧苗长势呈正相关，且不同用量间及与对照组间的差异性均达到显著水平（P＜0.05），最佳用量为0.02‰。但试验中也发现，随着生根粉用量的增加，秧苗根系数量虽然增加，但其根系生长却呈现短而粗的趋势，不利于秧盘盘结力的形成，因此，设定其用量筛选区间为0‰～0.005‰。

图4 不同生根粉添加量基质的育秧效果

2.1.5 保水剂用量

由图5 可知，壮苗指数权重最大，显著高于其他指标（P＜0.05）；根冠比、地上部干重、地下部干重及出苗率权重仅次之，总干重、茎基宽及根数最低；权重第二分组中，仅根冠比权重显著同时高于最低组中3 个指标，其他3 个指标中，仅地上部干重显著高于权重最低组中的根数指标（P＜0.05）。

图5 不同保水剂类型及添加量基质的育秧效果

综合育秧基质成本及保水剂参考用量角度考虑，设定两种保水剂（沃特和锦上）添加量，其中沃特保水剂用量与秧苗长势呈正相关，而锦上保水剂则正相反；此外，所有处理组间的差异未达到显著水平（P＞0.05）。从成本角度考虑，本文选择沃特保水剂作为后期试验筛选对象，且其用量区间设定为0%～2.42%。

2.2 基质配方综合筛选评价

依据前述单因子试验结果，初步筛选得到基质各组分适宜用量范围（表4）。将各处理及其水平代入Minitab软件田口设计中，得到L27表（表5）。此外，还设置验证组和对照组各1个，共29 个处理组，重复3 次。

表4 田口设计因子及水平

如图6 所示，田口试验中，出苗率对于秧苗长势指示能力最强，显著优于其他处理组（P＜0.05）；叶绿素含量、壮苗指数及根数仅次于前者，且前四者显著优于除根冠比外的其他指标（P＜0.05）；其他指标中，茎基宽指示能力最弱，与其他指标差异均达到显著水平（P＜0.05）。

图6 不同处理组育秧效果

各基质配方生长综合指数（表5）中，仅1、2、3、4、5、12、15、23、28 号处理组显著高于对照组；且仅7、8 号处理组显著小于对照组。

田口方法主要采用信噪比控制干扰因子对试验过程的影响，且规定信噪比值与试验期望方向一致；秧苗生长综合指数的均值则越大越好，而相应的标准差则代表数据重复的离散程度，因而其值越小代表试验重复性越好。通过对信噪比、均值及标准差的方差分析，筛选在统计意义上对育秧效果具有显著影响的组分。

由表6 可知，对于信噪比，草菇渣堆肥、锌肥与响应极显著相关（P＜0.01），而速效肥则达到显著相关水平（P＜0.05）；对于均值，草菇渣堆肥、速效肥及锌肥与响应显著相关（P＜0.05）；而标准差方差分析结果显示，没有因子与其响应显著相关。

表5 田口设计表（L27）及生长综合指数

表6 信噪比、均值及标准差的方差分析

如表7 所示，对于信噪比，因子排秩（即各因子对响应影响程度）为锌肥＞速效肥＞草菇渣堆 肥＞保水剂＞生根粉；对于均值而言，因子排秩与信噪比相同；对于标准差而言，因子排秩为速效 肥＞草菇渣堆肥＞生根粉＞保水剂＞锌肥。

为保证试验结果的准确性、稳定性，要选择可使标准差尽可能小，而信噪比和均值尽可能大的最佳因子水平组合。据此，针对信噪比、均值及标准差，为每个因子筛选适宜水平。信噪比中，5 个因子的适宜水平排秩分别为1、1、1、2、1；均值为 1、1、1、2、1；标准差为2、3、3、1、2。而结合方差分析（表6）结果分析可知，生根粉及保水剂对于响应的影响均未达到显著水平（P＞0.05），因而，该二者最佳水平选择最小即可。因此，最佳配方仅包括草菇渣堆肥、速效肥及锌肥，其信噪比、均值及标准差的适宜水平排秩调整为1、1、1，1、1、1，2、3、3；由于三者的信噪比、均值及标准差水平均不统一，因而，需要依据草菇渣堆肥（50%、60%、70%）、速效肥（0、0.25%、0.50%）及锌肥（0、1‰、2‰）用量水平组合，进行田口预测，筛选同时适合3 种响应的最佳组合。

通过田口设计预测系统，计算得到27 个潜在最佳组合配方的信噪比、均值及标准差（表8），依据最佳因子水平组合的信噪比、均值及标准差的要求，综合比较分析发现，第11 组配方最佳，即草菇渣堆肥用量为60%，锌肥用量为1‰。

表7 信噪比、均值及标准差响应表

表8 田口设计预测结果

此外，为验证模型的准确性和稳定性，本文设置第28 组（预测组）。依据其配方组成及用量（表5），通过Minitab 软件进行预测，得到生长综合指数预测值：2.8622；同时育秧试验得到生长综合指数试验值，同时代入公式（6）计算Nash-Sutcliffe 效率系数。结果表明，当n=3 时，效率系数为0.943，表明试验值与预测值较为接近。

如图7 所示，育秧过程中，生根粉中、低用量条件下，信噪比系数随着速效肥用量的增加，不断降低，且在中-高浓度的降低趋势要强于低-中浓度；生根粉高用量条件下，信噪比系数随着速效肥用量的增加，降低趋势减缓。锌肥与生根粉的交互作用效果与速效肥相似。但速效肥与生根粉以及锌肥与生根粉之间的交互作用并未达到显著水平（P＞0.05）。

图7 信噪比交互作用

3 讨论

3.1 经典植物生长评价指标在基质组分筛选过程中的有效性探究

壮苗指数广泛应用于水稻秧苗生长过程中的长势评级［8-11］。结合单因素试验中，各生长指标权重计算结果可知，锌肥、生根粉及保水剂等基质简单组分用量筛选中，壮苗指数对于秧苗长势的表征能力强于其他指标，而草菇渣堆肥与速效肥组成相对复杂，壮苗指数并未存在相同表现。分析认为相对于草菇渣堆肥及速效肥，锌肥等组分中成分较为简单，其功能较为单一，因而采用壮苗指数评价筛选成分、功能较为单一的组分用量，更具可行性。

此外，茎基宽也是快速判别秧苗长势的指标之一。而在单因素试验和田口试验中该指标对秧苗生长指示作用均较弱。分析认为，水稻机插秧一般秧龄较小，其主要养分源自稻种胚乳［12］，造成不同处理间的地上部指标差异较小。其他指标的权重，在基质不同组分用量筛选过程中，呈现不断变化趋势，并未表现出规律性，分析认为，不同基质组分功能各异，由其培育秧苗的各个生长指标，其指示作用强弱程度各异。

3.2 育秧基质组分的合理复配

单因素分析结果表明，基质各组分不同程度的影响秧苗生长，其中生根粉用量与生长综合指数呈极显著正相关性（P＜0.01）。田口试验中，草菇渣堆肥用量与秧苗长势呈极显著负相关（P＜0.01）；而最终筛选结果表明，基质适宜成分为中等用量的草菇渣堆肥和锌肥，而不包括生根粉、速效肥及保水剂。

配方变化直接影响基质理化性质，而这与秧苗生长息息相关。而物理性质对基质配方变化响应较弱。例如不同用量草菇渣堆肥配方的容重、孔隙度分别处于0.6～0.8g/cm3，60%～80%的适宜范围 内［13］；此外，单因素试验中的保水剂使用效果并不显著（P＞0.05），表明中等用量草菇渣堆肥为主的基质配方自身保水性能较好。因而，物理性状对基质配方筛选指示作用有限。

对化学性质而言，除29 号处理（“柴米河”基质）外，各处理配方pH 值处于7.01～8.44 的范围内，高于育秧基质适宜的pH 值范围（5.50～6.50），使得本文中秧苗长势对基质配方pH 值的响应力度较强；此外，代表基质盐度的电导率值也越小越好。因此，本文认为通过不同配方pH 值、电导率变化分析最佳配方组成具有一定可行性。以pH 值为响应的田口分析结果表明，草菇渣堆肥的添加能显著提高基质pH 值（P＜0.05），这不利于秧苗根系养分吸收效果。但通过锌肥的使用（表6、9）不仅极显著的促进秧苗生长（P＜0.01），有效降低基质pH 值（P＜0.05），直接改善以草菇渣堆肥为主的育秧环境，使得基质固有养分向可利用态转化［14］，且对基质电导率影响并不显著（P＞0.05），有利于根系养分吸收能力的保持；而生根粉功能为促根生长，但田口试验结果表明其对秧苗生长促进效果并未达到显著（P＞0.05），使得其并不在最终配方中，原因可能在于其相较于锌肥，并不具备显著的调酸作用（P＞0.05）。

对速效肥组分而言，分别以pH 值、生长综合指数为响应的田口分析结果（表6、9）表明，添加速效肥虽可极显著降低基质pH 值（P＜0.01），但其添加显著抑制秧苗长势（P＜0.05）。分析认为，速效肥调酸能力虽强，但以电导率为响应的田口分析结果（表9）表明，仅速效肥的添加可极显著提高基质电导率（P＜0.01），且鉴于基质主要组分-草菇渣堆肥具有一定盐度（表1），因而速效肥添加极易造成根系养分吸收能力减弱［15］；机插秧苗要求秧龄短［15］，本文在三叶期即收获测定，其利用外界养分较少［12］，这使得速效肥使用可增加盐度的负面效应被放大化；此外，不同速效肥用量处理的秧苗生长综合指数（图2）差异未达到显著水平（P＞0.05），表明即使发生秧苗离乳期后急需补充养分情况，而基质浇水等过程导致速效肥养分不断流失，而无法有效实现其供养功能［5］。因此，本文建议机插秧苗培育过程中，速效肥应在二叶期后，视秧苗长势进行适量追施。

表9 以pH 值及电导率为响应的均值方差分析

对保水剂而言，鉴于草菇渣堆肥本身具有一定的保水能力［5，16］，且本试验中水分管理严格按照育秧要求进行，这可能是造成保水剂效果并不显著的主要原因。

3.3 育秧基质配方筛选模型稳定性探讨

田口方法主要应用于机械、化工等领域［17-19］。在农业研究领域也有应用，其中张风宝等［20］针对土壤侵蚀，分析田口设计替代全因子设计的可行性，并与正交试验进行对比，结果表明田口设计有效减少试验量，节省试验成本，提高试验效率，而且能获得比较可靠的试验结果；缴锡云等［21］为保证畦灌稳定性，采用田口设计进行稳健设计，结果表明，优化后的畦灌质量较高，且波动较小；曲芬霞等［22］采用田口设计针对核桃施肥组成及用量进行优化，筛选得到最佳配方，且核桃生长效果较好。据此，本文依据经过变异系数法确权后的指标计算得到的生长综合指数，进行田口分析，降低噪声因子（外界温度、光照条件等）对试验的干扰程度筛选出最佳基质配方，且试验模型的稳定性和准确性通过Nash-Sutcliffe 效率系数的计算，得到验证。

此外，田口预测系统实际应比较最佳配方组的试验值和实际值，进而验证模型稳定性和准确性；鉴于后期试验过程中气温降低、光照不足等情况，因此，随机设置与田口设计27 个处理不同的配方即预测组，进行模型稳定性验证，也取得一定的效果。分析认为，田口设计毕竟是正交设计的一种，其稳定性和准确性，对于数据来源的客观性非常依赖，因此，试验平行的设置是必不可少的；此外，前期需要进行系列单因素试验，对因子适宜水平进行初筛，可提高科研效率和试验结果可靠性。

4 结论

壮苗指数单独作为简单基质组分筛选过程中的评判依据，相较于文中其他指标，更为有效；而茎基宽因机插秧秧龄较短，其对秧苗长势指示能力较弱；其余指标权重并未表现出规律性。

草菇渣堆肥、速效肥及锌肥对秧苗长势影响达到显著水平，而最佳育秧基质配方组成仅包括60%（w/w）草菇渣堆肥和1‰（w/w）锌肥。其原因在于速效肥预先添加可增加基质盐度，且由于随水淋洗而无法在育秧后期有效供给养分；锌肥添加不仅显著降低基质pH 值（P＜0.05），且促进根系生长，进而导致生根粉虽有促进效果，但未达到显著水平（P＞0.05）。草菇渣堆肥保水能力和育秧过程水分的严格管理可能是导致保水剂并非配方组分的主要原因。

在此基础之上，依据预测值和试验值，计算得到NSE值（0.943），田口试验模型的准确性和稳定性得到验证。