以奶白菜为例评估有机基质再生利用的可行性及障碍因子消解策略

2020-03-03周金燕严少华罗佳刘新红张苗郭德杰马艳

江苏农业科学 2020年22期

周金燕严少华罗佳刘新红张苗郭德杰马艳

摘要：有机基质的高成本生产限制了其规模化栽培的发展，探索有机基质重复利用的可行性及可能的障碍因子消解办法有利于节约生产成本。通过在有机基质上连续种植5茬奶白菜，检测奶白菜产量及品质、基质养分含量和理化性质等指标，评估有机基质重茬种植的效果及影响因子。结果表明，新基质连续种植2茬对奶白菜的产量无显著影响，在第3茬出现明显的生长抑制现象，产量降低25%，这种抑制可以在第3茬基质中补充与新基质等量速效养分来消除。将第3茬无添加养分的基质作为重茬基质，添加与新基质等量的养分后继续种植2茬，直到第5茬奶白菜的产量与新基质中生长的并无显著差异。连续5茬种植中，奶白菜的品质指标硝酸盐、可溶性糖含量均在合格范围内。基质物理指标（容重、总孔隙度、田间持水量）均符合基质栽培生产要求，化学指标pH值为6.91～7.87，可溶性盐浓度（EC值）为1.89～4.16mS/cm时，奶白菜均能正常生长。说明连续种植5茬奶白菜，养分是限制有机基质再生利用的影响因子，补齐养分可以有效降低规模化有机基质栽培下奶白菜生产成本。

关键词：奶白菜，有机基质，再生利用，可行性，消解策略

中图分类号：S634.304文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2020）22-0301-06

作者简介：周金燕（1987—），女，河南沈丘人，博士，助理研究员，主要从事植物营养与废弃物资源化利用研究。E-mail：23240962@163.com。

通信作者：马艳，博士，研究员，主要从事植物营养与废弃物资源化利用研究。E-mail：myjaas@sina.com。

无土栽培是世界设施农业中广泛采用的先进技术，与传统的土壤栽培相比，具有充分利用农业生产物质、提高农业生产潜力、肥料利用率高、节水节肥省工、避免土壤盐渍化以及生产可控性等诸多优点，在无公害绿色蔬菜生产中得到迅速发展[1-3]。有机基质栽培是无土栽培中应用最为广泛的一种栽培方式，其基质主要由农业废弃物如农作物秸秆、菇渣、草炭、锯末、畜禽粪便等经发酵或高温处理后，按一定比例混合辅助以珍珠岩、蛭石等惰性矿物单独或混合制备而成[4-5]。因此，有机基质栽培不仅具备无土栽培的优点，还具有将农业废弃物“变废为宝”的优势，是一种有利于经济发展和环境保护的栽培方式[6-7]。然而，有机基质的高成本是限制有机基质栽培规模化发展的重要因素[8-9]。探索有机基质重复利用的可行性及可能的障碍因子消解办法成为了生产实际的一种客观需要。

已有研究表明，田间土壤种植模式下，在同一块土地上连续種植同一种或同一科作物，会出现连作障碍（植株生长矮小、病虫害加剧、产量和品质下降）[10-11]。研究者们将原因主要归结为以下4个方面：（1）养分流失[12];（2）土壤物理、化学性状恶化[13];（3）微生物种群特征改变，病虫害加剧[14];（4）根系残留及有害分泌物积累（如酚酸类物质）[15-16]。目前，国内外学者对于土壤连作障碍的研究较多，然而关于有机基质栽培中基质连作障碍的研究相对较少。鉴于与土壤质地、缓冲性等各方面的巨大差异，笔者推测有机基质的重复利用（客观上导致的重茬）可能与田间土壤种植模式下的表现存在一定差异。

奶白菜属于普通小白菜中株型中矮肥、叶柄宽厚的一个种类，因具有明目、健脾、和胃、润肠等功效，成为一种被人们广泛食用的叶菜类蔬菜，具有良好的市场前景。本试验以奶白菜为试验材料，通过在有机基质上连续种植5茬，检测奶白菜产量及品质、基质中养分含量和理化性质等指标，评估有机基质重复利用的可行性，并探索可能的障碍因子消解策略，以期为有机基质栽培下奶白菜的规模化经济生产提供理论和实践依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试有机基质（江苏省农业科学院六合动物科学基地堆肥厂提供）由发酵床熟化垫料、蛭石、泥炭和灰渣，按2∶3∶3∶2的体积比混合制成，它的基本理化性质指标如下：容重0.38g/cm3、总孔隙度79.1%、pH值6.91、可溶性盐浓度（EC值）4.16mS/cm、全氮含量9.23g/kg、全磷含量6.96g/kg、全钾含量为18.81g/kg、速效氮含量2.12g/kg、有效磷含量0.49g/kg、速效钾含量5.91g/kg。供试奶白菜品种为火箭小黄白（昆明九华农业发展有限公司生产）。

1.2试验设计

试验于2018年9月至2019年5月在江苏省农业科学院试验基地温室大棚内进行。基质槽长80cm，宽15cm，高10cm，种植时以7L体积计算。待培育的奶白菜秧苗长至三叶一心时，选择长势基本一致的幼苗定植于装好基质的基质槽中，每槽8株，每茬至少种植9槽。

以未种植过的基质为新基质种植第1茬奶白菜。每茬收获后在其生长基质（去掉其中根系后混匀）上继续种植，直至5茬。每茬试验均以新基质为对照。考虑到重茬种植可能产生养分耗竭的情况，在第3茬重茬基质中分别进行补齐养分（添加与新基质等量的速效养分）、与不添加养分的处理，发现养分不足限制了奶白菜生长。于是，第4茬以第3茬无添加养分的重茬基质为栽培基质继续补齐养分，考察其他的基质重复利用限制因子。所用化肥N、P、K分别以化学试剂硝酸钙、磷酸二氢钾和硫酸钾的形式添加。

奶白菜定植30d后，测定每槽中奶白菜的产量，每个处理取6棵苗测定植株叶片数、叶面积及叶绿素相对含量（SPDA值），并将植株分为根系和地上部2个部分，用去离子水清洗干净，于105℃烘箱中杀青30min，然后在70℃下烘干至恒质量，用于可溶性糖含量的测定。另取4棵苗，洗净后，用液氮冷冻，置于-20℃下保存，用于硝酸盐含量的测定。奶白菜收获后将基质混匀取样，每3个基质槽作为1个重复，共3个重复，用于基质基础理化性质的测定。

1.3测定项目与方法

1.3.1基质理化性质测定

基质容重、总孔隙度以及田间持水量的测定参考连兆煌的《无土栽培原理与技术》中的方法[17]。基质养分含量依照常规方法测定，用浓H2SO4-H2O2消煮后分别测定全氮、全磷、全钾含量，水浸提后分别测定速效氮、速效磷、速效钾含量[18]。有机质含量采用湿烧法测定。pH值和可溶性盐浓度（EC值）的测定方法：将风干基质与去离子水以质量比1∶5混合，在180r/min下振荡30min，静置30min后，分别用pH计和电导仪测定基质pH值和可溶性盐浓度。

1.3.2植株叶绿素含量以及品质测定

叶绿素含量采用SPAD-502型叶绿素仪进行测定，以SPAD值表示，采集时每个处理选定6棵植株，每株取最大展开叶片的不同部位测6次取平均值。植株品质指标硝酸盐含量采用水杨酸-硫酸法测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定。

1.4数据分析

为了去除环境因子对奶白菜产量及品质的影响，以新基质种植第1茬奶白菜为基准，各重茬基质奶白菜产量、生长发育指标以及硝酸盐含量和可溶性糖含量采取相对值，具体计算方法如下：

第n茬重茬基质奶白菜各指标相对数值=第n茬重茬基质上种植奶白菜的各指标实际数值×（第1茬新基质上种植奶白菜的各指标数值/第n茬新基质上种植奶白菜的各指标实际数值）。

试验数据用Excel2010和SPSS16.0整理和统计分析，采用Duncans法进行多重比较（P<0.05）。

2结果与分析

2.1有机基质连茬种植对奶白菜生长及产量的影响

由图1可知，将新基质上种植后的基质、奶白菜分别命名为（第）1茬基质、（第）1茬奶白菜。将第1茬基质种植后的基质、奶白菜产量分别命名为（第）2茬基质、（第）2茬产量。依次类推，直到5茬。与新基质相比，基质种植第2茬的奶白菜生长效果并无显著性差异。表明有机基质连续种植2茬对奶白菜生长并无影响（图1-A、图1-E）。而在种植2茬奶白菜后的基质直接种植第3茬时，奶白菜生长与新基质相比显著矮小，产量降低了25%;但在第3茬基质中添加与新基质等量养分后，奶白菜生长恢复到与对照新基质中相当的水平（图1-B;图1-E）。在第4茬基质中添加与新基质等量的速效养分后，奶白菜的生长与新基质中并没有显著性差异（图1-C;图1-E）。此外，利用第4茬的基质继续种植奶白菜，即使不补充养分，生长的奶白菜与新基质对照相比也无显著性差异（图1-D;图1-E）。新基质连续种植的2茬奶白菜的产量并无显著差异，种植第3茬时产量显著降低，添加与新基质等量养分后恢复正常生长。向第4茬基质中添加与新基质等量养分可以维持4、5茬的奶白菜产量与第1茬相比无显著差异（图1-E）。上述结果说明，奶白菜连续种植3茬时出现生长障碍，生长障碍的主要限制因子是养分不足;新基质或者补齐养分的旧基质可以连续种植2茬奶白菜，不影响产量。

2.2有机基质连茬种植对奶白菜生长发育的影响

图2表明，新基质连续种植2茬时，奶白菜叶片数、叶面积、SPAD值与第1茬（对照）相比并无显著变化;种植第3茬时，奶白菜叶片数无显著变化，叶面积、SPAD值分别下降了40%、19%，添加养分之后，与第1茬相比均无显著性差异。说明连续种植3茬，养分是限制基质重复利用的主要因子。将第3茬无添加养分的基质作为重茬基质，添加与新基质等量养分后，继续种植的第4茬和第5茬奶白菜叶片数、叶面积和SPAD值与第1茬相比均无显著性差异。说明补充一次养分可供2茬奶白菜正常生长。

2.3有机基质连茬种植对奶白菜硝酸盐和可溶性糖含量的影响

硝酸盐和可溶性糖含量是表征叶菜品质的重要指标。由图3-A可知，新基质连续种植3茬（无添加养分），随着种植茬数的增加，植株体内硝酸盐含量逐渐降低。将第3茬无添加养分的基质作为重茬基质，添加与新基质等量的养分后继续种植2茬，硝酸盐含量依旧呈降低趋势。与第1茬相比，第2茬和第3茬硝酸盐含量分别下降25%和90%。补齐养分后继续种植（第3茬+化肥、第4茬+化肥），硝酸盐含量较不补充养分的第3茬剧烈增加，增加幅度分别为9.8倍和9.6倍，但与第1茬相比均无显著性差异。第5茬（不补养分）较第4茬硝酸盐含量降低约36%，但与第2茬相比无显著性差异。

从图3-B可以看出，新基质连续种植3茬（无添加养分），随着种植茬数的增加，植株体内可溶性糖含量先降低后增加，将第3茬无添加养分的基质作为重茬基质，添加与新基质等量的养分后继续种植2茬，可溶性糖含量呈降低趋势。与第1茬相比，第2茬降低了53%，第3茬升高了约44%。补齐养分后继续种植（第3茬+化肥、第4茬+化肥），可溶性糖含量与第1茬相比均无显著差异。第5茬（不补养分）较第4茬可溶性糖含量降低约39%，但与第2茬相比无显著差异。

2.4有機基质连茬种植奶白菜对基质理化性状的影响

2.4.1有机基质连茬种植奶白菜对基质养分含量的影响

如表1所示，新基质种植奶白菜后，随着种植茬数的增加，有机质含量显著下降，且下降幅度呈降低趋势。前3茬中，随着种植茬数的增加，基质的所有养分含量均逐渐降低。在第3茬补加化肥后，虽然基质的速效养分含量与不加化肥处理相比均明显升高，但仍明显低于种植1茬后基质的速效养分含量，可能是由于第3茬奶白菜的实际产量高于第1茬（文中未显示），并且由于种植环境因素，本试验每茬新基质栽培下的奶白菜产量均与第1茬新基质栽培下的奶白菜产量不同，因此本试验每茬重茬基质栽培下的植株数据均为相对值，第n茬重茬基质奶白菜各指标相对数值=第n茬重茬基质上种植奶白菜的各指标实际数值×（第1茬新基质上种植奶白菜的各指标数值/第n茬新基质上种植奶白菜的各指标实际数值）。添加的速效养分在微生物等的作用下导致利用效果有所差异。第4茬补加化肥后，与第3茬无补加养分处理相比，全磷含量、速效磷、钾含量及NH4+-N、NO3--N含量均显著升高，且随着茬数的增加逐渐减少。说明养分不足是限制基质再生利用的主要障碍因子。

2.4.2有机基质连茬种植奶白菜对基质容重、孔隙度及田间持水量的影响由表2可知，连续种植2茬奶白菜对有机基质的物理性质影响较大，容重由0.38g/cm3增大到0.47g/cm3，增加了24%;孔隙度由79.1%降低到72.5%;田间持水量由67.5%降低到61.9%。然而补齐养分后继续种植奶白菜至5茬，基质容重、孔隙度、田间持水量与3茬、4茬相比无显著变化，由于连续种植5茬时，奶白菜产量与新基质上种植的奶白菜产量并无显著差异，说明本试验中基质的物理性质（容重、总孔隙度、田间持水量）变化并非影响基质再生利用的主要限制因子，同时也说明奶白菜可适应这种幅度的物理性质变化。

2.4.3有机基质连茬种植奶白菜对基质pH值和电导率的影响

如图4所示，前3茬中（无添加养分处理），随着种植茬数的增加，基质pH值持续增加，EC值持续降低，直至第3茬达到平台期;与新基质相比，第3茬基质pH值由6.91增加到7.91，增加了约1个单位，EC值由4.16mS/cm降低到1.64mS/cm，降低了约61%。补齐养分后继续种植（第3茬+化肥、第4茬+化肥），与没有补充养分的第3茬相比，基质pH值显著下降，EC值显著升高。这些结果表明，养分是造成基质pH值和EC值改变的主要原因。另外，与第4茬相比，第5茬（不补养分）的pH值增加了约0.8个单位，达到8.22，而EC值降低到2.07，降低了约34%。由于连续种植5茬，补充养分后奶白菜产量并未降低，说明基质pH值为6.91～8.22，EC值为1.89～4.16mS/cm时均适合奶白菜生长栽培。

3讨论与结论

目前，关于有机基质进行叶菜栽培时基质重复利用方面的报道相对较少。本研究以发酵床垫料为基础原料配制有机基质，以叶菜类蔬菜——奶白菜为例评估有机基质重复利用的可行性，分析可能产生的限制因子的消解策略。

3.1仅补齐养分即可保障奶白菜在重复利用基质上正常生长5茬

本试验结果表明，以发酵床垫料为主要原料配制的有机基质，连续种植2茬不会影响奶白菜的产量及生长发育指标，说明基质中含有的养分足以供2茬奶白菜正常生长。种植第3茬时，奶白菜出现生长矮小状况，补加化肥后恢复正常生长，说明限制有机基质重复利用第3茬的主要因子是养分。第4茬补加养分后连续种植2茬奶白菜的产量及生长发育指标，与新基质相比均无显著差异，说明以发酵床垫料为基础原料配制的有机基质连续种植5茬，在补足养分的条件下，即可以满足奶白菜的正常生长。随着人们生活水平的提高，蔬菜的品质越来越受到重视。研究表明，氮肥用量与蔬菜体内的硝酸盐含量呈正相关关系[19]，在本试验中，奶白菜体内的硝酸盐含量与基质中NO-3-N含量呈明显的正相关关系（表1、图3）。前3茬中，随着基质NO-3-N含量的降低，奶白菜体内硝酸盐含量逐渐降低，补加化肥后，基质NO-3-N含量升高，硝酸盐含量升高。此外，根据GB18406.1—2001《农产品安全质量无公害蔬菜安全要求》的规定，叶菜类硝酸盐含量不得高于3000mg/kg，而本试验中硝酸盐含量为88～960mg/kg，均在合适的范围内。说明一次性补充养分不会影响奶白菜硝酸盐品质。可溶性糖含量是农产品品质性状的重要指标之一，它是果蔬味觉感受的有效调节剂，直接影响蔬菜的甜度口感[20]。本试验表明，前3茬中，随着种植茬数的增加，可溶性糖含量先降低后增加，第3茬增加可能是由于收获时间在3月份，气温较低，低水平氮促进了奶白菜提前长薹，而长薹促进了可溶性糖含量的增加[21-22]。第3茬和第4茬添加养分后，可溶性糖含量和第1茬相比无显著差异，说明补齐养分不会影响可溶性糖含量，与第4茬相比，第5茬可溶性糖含量呈降低趋势，在旧基质中补齐养分即可将这一指标恢复到与新基质中相当的水平。由此，仅补齐养分即可保障奶白菜在重复利用基质上至少正常生长（产量和品质）5茬。

本试验中发现的基质可重复利用（补齐养分即可维持连续5茬奶白菜的正常生长）可以有效降低有机基质叶菜类蔬菜规模化种植的成本，便于这种种植模式的推广。与田间土壤种植模式下造成的连作障碍相比[10-11，23]，本试验中仅补齐养分即可维持有机基质上奶白菜种植连续5茬生长良好，这一方面可能是因为有机基质种植的茬数相对较少，连作的障碍因子如化感物质累积还没有达到致毒阈值，另一方面可能与有机基质和土壤的差异以及叶菜类别有关。有研究表明，番茄在有机基质上种植2茬后即出现连作障碍[9]，但有待于进一步研究。另外，本试验结果还说明，补充一次养分可以支撑2茬奶白菜的正常生长，这与笔者所在课题组利用辣椒进行的有机基质重复利用研究结果相类似[24]，体现了这种有机基质配比的便利性。

3.2奶白菜在保障产量和品质的前提下可以忍耐有机基质理化性质在一定范围内的变化

在無土栽培条件下，基质理化性质的优劣是决定基质栽培成功与否的关键[25]。基质理化性质只有达到一定的要求，才能为植物生长提供适宜的水肥气热根际环境。研究表明，基质的容重为0.1～0.8g/cm3，总孔隙度为54%～96%，pH值在7.0左右，EC值在2.0～4.0mS/cm范围内时较宜适合作物生长[26]。本研究结果表明，连续种植5茬奶白菜的基质，容重为0.38～0.48g/cm3，总孔隙度为71.8%～79.1%，均在适宜范围内，当pH值为6.91～7.87，EC值为1.89～4.16mS/cm时奶白菜均能正常生长，说明在一定范围内，基质pH值偏高，电导率过高对奶白菜的生长没有影响。

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