基于黑木耳菌渣的生菜栽培基质研究

柳霖，高峰，韩宁，郑太极，王天龙，周佩华，贺殊敏，王佳佳，傅民杰*

（1.延边大学农学院，吉林 延吉 133000；2.吉林省松原市气象局，吉林 松原 138005）

食用菌菌渣是菌类生产后的残余物，其平均产量为食用菌的5 倍。近年来，随着食用菌产业快速发展，我国已成为最大的食用菌生产国，食用菌年产量占全球产量的3/4以上，菌渣年产量超过8×107t[1]。目前，全国大部分菌渣处于废弃状态，造成了严重的资源浪费和区域性土壤、水体环境污染，同时也阻碍了食用菌行业的可持续发展。菌渣富含菌丝蛋白、磷、钾等大量营养物质和漆酶、木质素过氧化物酶、纤维素酶等生物活性物质[2]，同时还具有杂菌少、质量轻、保水性好等特点，是一种重要的生物资源。为此，许多学者开展了菌渣资源的再利用研究，内容包括以菌渣制作有机肥料[3-4]、动物饲料[5]、能源材料[6]以及栽培基质[7-8]等。其中，菌渣基质化再利用是实现菌渣多级利用和广泛使用的有效途径。如贾静等[9]以30%的木耳菌糠代替木屑栽培元蘑，发现元蘑的发菌天数明显缩短，且子实体生长良好，出菇整齐；王芳等[7]以25%～45%木耳菌糠代替木屑栽培滑蘑，同样缩短了滑菇的发菌天数并促进了子实体生长。在其他作物的基质化利用方面，吴松展等[10]发现25%的菌渣与蛭石、珍珠岩等配制的基质，有利于烟苗的生长；葛桂民等[11]分别用双孢菇、香菇、平菇和金针菇菌渣与蛭石按体积比2∶1配制的基质来栽培黄瓜，获得成功。但是4 种菌渣基质的栽培效果存在一定差异。王晓娥等[12]以30%菌渣替代部分草炭进行番茄育苗，获得较好的栽培效果；徐阳等[13]用菌渣和草炭各50%配制的基质栽培番茄，番茄的产量和品质最佳。但该2 项研究仍未能解决草炭资源全部替代的问题。尽管在菌渣的基质化再利用方面开展了许多研究，但由于不同菌类菌渣材料构成的多样性和作物对培养基质需求的特异性等，目前还难以实现基质配方的统一性和通用性。针对不同菌类和作物，仍需要研究与其配套的栽培基质。

黑木耳是我国继平菇、香菇后的第三大食用菌类型，以硬杂木的木段或木屑为栽培基质原料，主产区为北方林区。随着黑木耳代料栽培技术的普及，大量菌渣也随之而生。北方地区的冬季漫长而寒冷，阻碍了木耳菌渣的自然分解过程，造成菌渣成肥难、成土难以及再利用难的现状。为此，本研究以黑木耳菌渣为主要材料，结合蛭石和有机肥等，制成不同结构比例的生菜栽培基质，研究各基质处理对生菜生长量及品质的影响，以期为今后黑木耳菌渣基质化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

栽培基质包括黑木耳菌渣（自然腐熟）、珍珠岩、蛭石、有机肥等。其中，菌渣取自吉林省延边朝鲜族自治州汪清县天桥岭黑木耳生产基地，经过3年的自然堆熟，使之达到腐熟标准[14]。菌渣过筛粒径≤5 mm。蛭石购自河北省灵寿县思博矿产品加工厂，粒径为1～3 mm。有机肥为商品腐熟鸡粪，购自辽宁省鞍山市农皇生态农业有限公司，粒径≤2 mm，含有机质不小于450 g/kg，其中N、P2O5、K2O总量超过50 g/kg。供试生菜品种为‘超级美国大速生菜’。供试材料理化性质见表1。

表1 供试材料基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested materials

1.2 试验方法

本试验于2019年7月4日在延边大学农学试验基地进行，参考连兆煌[15]的无土栽培方法和前期其他作物基质配方经验[8]，将黑木耳菌渣与蛭石、珍珠岩、有机肥等材料按照不同体积比混合，形成18 种基质配方（设置T1～T18处理），基质配比见表2。并以生菜传统的土壤栽培处理作为对照（CK），共19个试验处理。试验以箱式栽培方式进行，栽培箱长、宽、深分别为60、40、30 cm。试验采用完全随机区组设计，每个处理设3个重复。

表2 生菜栽培的基质配方Table 2 Formula of lettuce cultivation substrate

1.3 项目测定与方法

1.3.1 基质理化性质测定

全氮、全磷以及全钾提取采用H2SO4-H2O2消煮法[16]。全氮含量采用AA3流动分析仪（德国布朗卢比公司）测定；全磷含量采用钒钼黄比色法[16]测定；全钾含量采用火焰光度法[16]测定；基质有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-火焰光度法[16]测定；基质速效钾采用1.0 mol/L 乙酸铵浸提-火焰光度法[16]测定；基质硝态氮和铵态氮含量采用1mol/L KCl浸提-AA3 流动分析仪测定；基质pH 采用蒸馏水浸提-pH计测定[16]；电导率（electrical conductivity,EC）值采用蒸馏水浸提-电导率仪测定[16]。基质密度及含水量参照郭世荣[17]的方法测定：用已知体积为V的容器，称取容器质量，记为m器。自然状态下装入基质，将容器口用双层纱布包住，在水中浸泡24 h，

水量以淹没容器口为准，然后取出，倒控至不滴水时称量，记为m0，后正置放于通风处每日称量，记为mn（n表示第2，3，…，11天），连续称量11 d。容器中烘干基质质量为m烘。按以下公式计算：

其中，浸泡后倒控至不滴水时的基质含水量为基质最大持水量。各处理每日含水量变化即表现出基质的保水能力差异。

1.3.2 生菜生长指标及品质测定

自生菜长出第2 片真叶开始，在不同处理中定点定株，每个处理分别选取12 株（每个重复测定4株）测定生菜的株高及叶片数，同时各处理选取3株进行叶绿素测定，每7 d测定1次。自8月5日起，每7 d 测定一次各处理植株的地上部和地下部的鲜质量、叶面积、根冠比。叶绿素含量采用SPAD-502叶绿素仪（日本柯尼卡美能达公司）测定；叶面积采用AM350叶面积仪（英国ADC生物科学有限公司）测定；植株株高，叶片数，地上部、地下部鲜质量和干质量采用常规法测定。

生菜中的硝酸盐含量采用水杨酸法测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；抗坏血酸含量采用滴定法测定；可溶性蛋白质含量采用紫外分光光度法[18]测定。

1.4 数据分析

采用SPSS 23.0 软件进行试验数据统计和分析；采用Excel 2016制表和绘图，图表中数据以平均值±标准误表示；采用单因素方差分析法进行差异显著性分析；采用邓肯法进行多重比较；采用主成分分析法筛选最佳配方。

2 结果与分析

2.1 不同处理基质的基本理化性质

由表3 可知，所有基质配方处理的密度介于0.40～0.54 g/cm3之间，且显著小于对照（CK）。各基质配方最大持水量约为CK的2倍，显著高于CK，表明菌渣的添加可以显著提高基质的持水能力。各基质处理中，蛭石与珍珠岩体积比为1∶1 组内的各处理的最大持水量普遍较高，说明珍珠岩的添加对基质持水能力有促进作用。种植前，各处理电导率明显高于CK，且基质pH介于7.42～7.79之间，呈中性或弱碱性。所有处理的全磷、全钾和全氮含量与CK 相近或显著高于CK，其中，蛭石与珍珠岩体积比为3∶1 的各处理中，全氮含量均显著高于CK。蛭石与珍珠岩体积比为2∶0 和1∶1 的各处理中，有效磷含量均显著高于CK。蛭石与珍珠岩体积比为1∶1 组内，各处理的速效钾和铵态氮含量差异不显著。各处理中硝态氮含量均显著高于CK。

表3 不同处理基质的基本理化性质比较Table 3 Comparison of basic physical and chemical properties of different substrates

2.2 不同处理基质的保水能力

由图1 可知，3 种蛭石-珍珠岩配比处理组的基质含水量变化趋势基本一致，即随着蒸发时间的延长而不断下降。在这3种基质中，除最后测定期（第12 天）外，其他处理测定期的含水量均显著高于对照组，表明所有基质的保水能力显著强于对照。此外，不同蛭石-珍珠岩比例组的各处理间保水能力存在差异，在单独添加蛭石组[V（蛭石）∶V（珍珠岩）=2∶0]的各个处理中，相同测定时期的含水量差异不显著，表明各基质的保水能力不受菌渣和有机质比例的影响，蛭石是维持基质保水能力的关键因素。在添加珍珠岩的其他2 个处理组的各处理间，含水量均表现出随菌渣和有机肥的添加比例不同而异，说明这2 组处理中有机与无机物料的比例共同影响着基质的保水能力。综上所述，各组内分别以T4、T5和T6的保水能力相对较好，说明V（有机质）∶V（无机质）以4∶2的处理具有更好的保水效果。

图1 各处理基质的持水能力Fig.1 Water holding capacity of each treatment substrate

2.3 栽培生菜后基质的理化性质变化

由表4 可知，生菜收获后各处理基质中的有效磷含量较种植前减少近50%，但仍表现出显著高于CK的特征，说明各处理中的有效磷完全能够满足生菜栽培对磷素的需求。除T4和T7处理外，其他处理的速效钾含量在生菜收获后表现出不同程度下降，降幅介于2%～50%之间，其中，T11和T17处理的速效钾含量下降幅度最大，约为50%。在生菜种植前、收获后，各处理基质的硝态氮含量存在较大差异，但均高于CK。生菜收获后，各处理基质铵态氮含量也均明显高于CK，且收获后T13和T14处理的基质铵态氮含量最高，且明显高于同组其他处理。在生菜种植前，各处理电导率（EC）均显著高于CK，但种植生菜后基质的电导率表现出大幅度降低。其中：T17的电导率变化幅度最大，减少650.17 μS∕cm；T7变化幅度最小，减少22.56 μS∕cm。分析认为，生菜在生长过程中对各营养元素的吸收及浇水淋溶作用导致了EC 的降低。在生菜收获后，各处理基质均呈弱碱性，且部分处理的pH 略有下降，其中，V（有机质）∶V（无机质）为3∶2 时各处理pH 下降幅度较大，平均下降0.2 左右。在生菜收获后，各处理总体表现出随着菌渣比例的增加，pH逐渐升高的趋势。

表4 不同处理收获后基质的基本理化性质Table 4 Basic physical and chemical properties of different treatments after harvest

2.4 不同处理下不同时期的生菜生长指标变化

由表5 可知，在生菜生长前期和中期（7 月28日—8 月5 日），各处理叶片中叶绿素含量（SPAD值）较为接近，叶片数差异较小，但叶面积存在较大差异，其中，V（蛭石）∶V（珍珠岩）=2∶0 组中各处理单株叶面积多与CK 相近，V（蛭石）∶V（珍珠岩）=1∶1 组中大部分处理单株叶面积显著大于CK，而V（蛭石）∶V（珍珠岩）=3∶1 组中部分处理单株叶面积大于CK。在生长后期（8 月11 日），V（蛭石）∶V（珍珠岩）=2∶0 各处理的生菜叶绿素含量（SPAD值）明显高于CK处理。V（有机质）∶V（无机质）=3∶2 组中的T1、T2和T3处理单株叶片数显著低于其他处理和CK，而其他处理的单株叶片数与CK 相近或显著大于对照，其中，以T13的单株叶片数（15.75）最多。在生长后期，生菜叶面积显著增加，在V（蛭石）∶V（珍珠岩）=3∶1 组内，各处理与CK 差异不显著，其他2 个组别中各处理间及各处理与CK 间存在显著差异。在生长后期，所有处理的叶绿素含量有所下降。在整个生长期中，与CK 相比，同组内各处理株高差异日渐显著，生长后期T1和T3处理植株较矮，且显著低于CK，表明此基质配比不利于生菜生长。综上所述，随着菌渣含量的增加株高普遍呈增高趋势，且多数处理的株高明显高于同期的CK处理。

表5 2019年不同处理下不同时期的生菜生长指标Table 5 Growth indexes of lettuce during different treatment periods among different treatments in 2019

2.5 不同处理对生菜品质的影响

由表6 可知，各处理的可溶性蛋白质含量均高于CK，其中，T16处理可溶性蛋白质含量最低，约为CK的1.2倍，T10处理最高，约为CK的3.6倍。除T10处理的生菜叶片中抗坏血酸含量显著低于CK 外，其他处理的抗坏血酸含量与CK 相比无显著差异。处理T3、T5、T6、T8、T9、T11、T12、T14和T16处理的生菜叶中可溶性糖含量显著高于CK，其他处理与CK间无显著差异。各处理生菜叶中的硝酸盐含量存在显著差异，且均显著高于CK。此外，相关分析表明，各组内硝酸盐含量与有机肥添加比例呈显著的正相关关系（图2），而与菌渣添加比例呈负相关关系（图3）。

图2 各处理下生菜中的硝酸盐含量与基质有机肥占比的相关性Fig.2 Correlation between nitrate content of lettuce and proportion of organic fertilizer in substrate in each treatment

图3 各处理下生菜中的硝酸盐含量与基质菌渣占比的相关性Fig.3 Correlation between nitrate content of lettuce and fungus residue proportion in substrate in each treatment

表6 不同处理下生菜的可溶性蛋白质、抗坏血酸、可溶性糖及硝酸盐含量Table 6 Contents of soluble protein,ascorbic acid,soluble sugar and nitrate of lettuce under different treatments

2.6 不同处理对生菜地上和地下部鲜质量、根冠比以及产量的影响

由表7可知，3次采样期间，V（蛭石）∶V（珍珠岩）为3∶1和1∶1配比组中，尽管各处理地上、地下部鲜质量大多高于CK，但是根冠比与CK相比差异不显著，表明各处理在保证地下根系正常生长的同时，更多地促进了地上部茎叶的生长。从各处理的产量来看，除了T1、T2和T3外，其他处理的生菜产量均显著高于CK，增产幅度达13%～186%，表现出显著的增产潜力。此外，从菌渣增加对产量的影响来看，生菜产量表现出随菌渣添加比例的增大呈先增加后下降的趋势，其中，V（蛭石）∶V（珍珠岩）=2∶0处理组中以T13产量（130.00 kg/m2）最高，V（蛭石）∶V（珍珠岩）=3∶1处理组中以T8产量（138.33 kg/m2）最高，V（蛭石）∶V（珍珠岩）=1∶1 处理组中以T9产量（133.33 kg/m2）最高，且此4种处理产量间无显著差异。

表7 不同处理下不同时期生菜地上和地下部鲜质量、根冠比以及产量Table 7 Fresh mass of above ground and below ground, ratio of root to shoot and yield of lettuce during different periods under different treatments

2.7 不同处理下生菜栽培基质配方的主成分分析

由于单一的某个因素无法科学、全面地反映各处理的优劣，因此，本试验采用主成分分析法进行了各处理效果的综合判定。从表8 中可知，设定特征值大于1，提取到7 个主成分，其累计贡献率达到84.76%。主成分的初始因子荷载系数表示主成分与原始指标之间的相关性。第1 主成分特征值为7.01，贡献率为30.50%，其中密度、铵态氮、地上部鲜质量、根冠比、叶绿素的载荷系数绝对值均大于0.7，该主成分反映了基质的理化性质和生菜的生长指标。第2 主成分的累计贡献率为45.61%，pH、电导率、有效磷的荷载系数绝对值大于0.7，主要反映产量及生长初期生菜的生长指标。第3主成分单株叶片数、株高、全钾的荷载系数绝对值大于0.7，主要反映基质的部分基本理化性质与生长指标。前3个主成分的累计贡献率达到56.77%，超过累计总贡献率的一半，主要反映栽培前的基本理化性质及生长过程中生菜部分生长指标，表明生菜生长过程中受前3个主成分的影响较大。

表8 主成分初始因子荷载、特征值及贡献率Table 8 Initial factor load,eigen value and contribution rate of principal component(PC)

用7 个主成分综合评判基质配方的优劣，综合得分越高，表明基质配方表现越好。由表9可知，18个处理表现均优于CK。其中，T13、T14、T17的综合排名最高，位于前3，表明此3 种处理的基质有利于生菜生长，提高了生菜的产量和品质。

表9 生菜生长指标的主成分分析Table 9 Principal component analysis of lettuce growth indexes

3 讨论

3.1 不同物料及配比对基质理化性质的影响

单一菌渣发酵后对水汽调节能力不强，电导率较高，易产生盐害，不适合直接用于无土栽培[11]，因此，对基质物料的选择及物料间合适的配比一直是基质研究的核心内容。本试验所有处理的保水能力均优于CK，分析认为，菌渣的纤维素和半纤维素含量高于土壤，促进了水分的吸收和保持[19]，从而导致以菌渣为主料的各处理基质的保水能力大幅提高。同时，通过添加一定比例的蛭石和珍珠岩，调节了基质的通气能力，实现了模拟土壤环境的效果，提高了基质的水汽调节能力[20]。试验中所有处理基质的密度在0.40～0.54 g/cm3之间，均显著小于CK。较小的密度有利于基质储水保肥，促进根系生长，同时也可减少运输成本和降低用工强度[21-22]。后续试验数据表明，各处理pH 虽略有偏高但并未对生菜生长造成明显抑制，为挖掘基质更大生产潜力，未来可适当加入调酸物质以降低基质的pH[23]。本试验中，在生菜收获后，基质的硝态氮、铵态氮含量明显高于CK，原因在于各基质中的有机肥提供了稳定持久的氮素供应[24]。由于有机肥中含氮物质易被细菌发酵并分解生成氨态氮和硝态氮，导致生菜吸收的硝酸盐含量与其栽培基质中有机肥占比呈正相关，与菌渣的含量呈负相关。

3.2 不同基质处理对生菜生长指标和品质的影响

有机质的添加与植物生长密切相关，一定量有机质的添加可以促进植物生长[25]。余新等[26]研究发现，在土壤、有机肥和玉米秸秆配制的基质中，有机肥和玉米秸秆的总占比增加有利于番茄的生长。邵玉飞等[27]研究表明，含煤矸石、草炭体积比3∶5和1∶3的基质最有利于水稻植株的生长。曾长立等[28]研究也表明，栽培基质中菇渣所占的体积不同，对辣椒生长的影响也不同。本试验中，在生长初期时各处理生菜的地上部、地下部鲜质量均大于CK，显示出菌渣与有机肥对生菜生长的促进作用。但由于基质的原料配比不同，导致对生菜生长中后期的各项生长指标有较大影响。比较3组蛭石与珍珠岩配比发现，处理T1、T2和T3在生长中后期的株高、叶面积等生长指标均表现为组内最差，且明显低于CK。T1、T2和T3处理的营养物质如铵态氮、硝态氮和有效磷含量高于CK，速效钾含量与其他处理相近，说明营养物质并不是该处理组生菜生长不良的主要原因，而是该组处理的无机物料比例高于其他处理，导致基质的保水能力偏低，在基质的密度较轻的状态下，不利于植物根系的附着和吸水，由此导致植株生长不良[29]。同时，试验后期调查发现，用菌渣栽培基质种植的生菜叶绿素含量有轻微下降的趋势，这与各基质处理在生长后期促进叶面积增大、叶片变薄有关。本次叶绿素采用SPAD-502 叶绿素测定仪测定，该仪器通过测定叶片吸光度值来判定叶绿素含量，因此，变薄后的叶片SPAD值会相对降低。

生菜的产量和品质是衡量生菜生产的重要指标，关系到菜农的收入和食品营养。本试验中部分基质配方相较于传统土壤栽培模式更利于生菜生长，不仅生菜产量指标显著优于CK，而且生菜在品质（如可溶性蛋白质、抗坏血酸、可溶性糖含量等）方面也均有良好表现，与前人研究一致[30-32]。菌渣矿化时会释放一定的营养物质[32]，当伴随有机肥（营养物质）的添加时，可丰富和平衡基质营养，提高蔬菜的品质及产量[33-34]。本试验除T1、T2和T3外，V（有机质）∶V（无机质）为4∶2 和5∶2 的基质处理均可用于生菜栽培，其中，V（蛭石）∶V（珍珠岩）为1∶1的各处理比CK增产83.3%～177.1%，表现出显著的增产特性。

4 结论

以黑木耳菌渣、蛭石、珍珠岩和有机肥配置的生菜栽培基质，具有全氮、全钾、有效磷含量高，保水性好的特点，有利于生菜的生长。V（有机质）∶V（无机质）=6∶2的处理栽培的生菜在株高、单株叶片数、单株叶面积、产量等方面明显优于土壤栽培的生菜，其生物学综合性状表现较好。用菌渣基质栽培的生菜，其抗坏血酸、可溶性糖、可溶性蛋白质含量等品质特征高于土壤栽培，其中，V（有机质）∶V（无机质）=5∶2 的处理中生菜品质最好。依据生菜生物学和品质综合判定，适于生菜生产的基质配方为T13[V（菌渣）∶V（有机肥）∶V（蛭石）=4∶2∶2]、T14[V（菌渣）∶V（有机肥）∶V（蛭石）∶V（珍珠岩）=4∶2∶1.5∶0.5]、T17[V（菌渣）∶V（有机肥）∶V（蛭石）∶V（珍珠岩）=5∶2∶1.5∶0.5]。