番茄秸秆发酵产物循环利用效果研究

徐晓东，虞慧彬，白雅晖，杨振超

(西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100)

2019年，我国蔬菜种植面积达到2 086.3万hm2，总产量达到72 102.6万t[1]，每年会有大量的废弃秸秆产出，仅在2018年，中国的农业秸秆数量达到8.86亿t[2]，成为全球农业秸秆资源最丰富的国家之一。番茄作为主要蔬菜作物之一，2019年种植面积达110万hm2，产量约为6 300万t[3]。这些农业秸秆通常被焚烧和掩埋[4]，焚烧排放的二氧化碳污染了大气，加速了气候变暖进程，而填埋处理增加了土壤的降解压力。此外，秸秆中含有的大量营养物质无法得到合理利用，造成有机物的浪费[5]。植物携带的致病菌被转移到土壤中，增加了作物和人类患病的风险。因此，对此类农业秸秆进行适当的处理，可以减少水、土壤污染、气候变化、当地空气污染和资源浪费。

农业绿色发展是全球农业未来的发展方向[6]。农业秸秆循环利用是农业绿色可持续发展的重要组成部分[7]。实现农业秸秆循环的研究很多，如好氧和厌氧发酵[8～10]。该方法的基本原理是通过好氧和厌氧微生物将有机废弃物降解为低分子量化合物，在发酵过程中杀死致病菌和虫卵，获得富含有效营养物质和稳定腐殖质的产品[11]。其固体产物可作为肥料、土壤改良剂和对土壤和作物有益的栽培基质[12～14]，液体产物可作为营养液和肥料[15～16]。

近年来，有关番茄秸秆循环利用的应用研究已经取得了一些进展。耿凤展[17]将番茄秸秆和牛粪堆肥的产物和蛭石按比例进行混合后进行番茄育苗，取得了较好的效果。胡晓婷[18]在番茄秸秆堆肥中加入10%的园土种植番茄，可以促进番茄生长，获得较高的产量和较优的品质。辛鑫[15]将番茄秸秆堆肥浸提后的液体作为有机营养液，将体积比为7.5%的蛭石珍珠岩与番茄秸秆堆肥残渣混合后作为栽培基质种植番茄，可以有效提高番茄品质。李琦[19]利用番茄茎秆好氧和厌氧发酵后的浸提液进行水培番茄可有效改善番茄的营养品质和风味。但关于利用番茄秸秆发酵后产物在番茄全生长期基质培上的应用鲜有报道。番茄秸秆循环利用技术将番茄秸秆废弃物变废为宝，成本投入小，这对农业生态环境的可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为“至尊1号”，由杨凌上王村番茄苗圃提供。将番茄秸秆好氧和厌氧发酵后的固体产物与蛭石进行配比作为供试栽培基质，具体配制比例如表1所示；厌氧营养液为厌氧发酵后的液体产物经过稀释配制而成。栽培基质和营养液基本理化性质和养分含量情况如表2、表3、表4所示。

表1 试验栽培基质配方

表2 栽培基质基本理化性质

表3 栽培基质养分含量

表4 营养液养分含量

1.2 试验方法

试验采用盆栽方式进行栽培，试验所用盆钵为聚乙烯材质，规格为：30 cm×28 cm。每个处理三株，共设4个处理。以番茄普通商品基质(主要成分为草炭、蛭石、珍珠岩)浇灌厌氧营养液、好氧基质浇灌山崎配方营养液和厌氧基质浇灌山崎配方营养液为不同处理，分别记为T1、T2、T3，以普通商品基质浇灌山崎配方营养液为对照(CK)。处理方法见表5。于2020年3月进行定植，生长期间按照常规管理办法进行田间管理，植株三穗果打顶。

表5 处理方法

1.3 测定项目与方法

1.3.1 栽培基质和营养液的基本理化性质及养分含量测定 栽培基质的容重和孔隙度测定方法参考土壤农化分析[20]。栽培基质的pH值、EC值测定采用1∶10(w∶v)测定；有机碳含量采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定；全氮含量采用凯氏法消解法，用AA3型连续流动分析仪测定；铵态氮和硝态氮采用KCL浸提，用AA3型连续流动分析仪进行测定；有效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定。

1.3.2 番茄植株生长指标及产量测定 分别用卷尺和游标卡尺测量植株株高和茎粗；将植株鲜样置于烘箱，105℃杀青1 h后65℃烘干至恒重即植株的生物量。叶绿素含量采用96%乙醇浸提法测定。用LI-6800型便携式光合仪测量番茄植株开花期叶片的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度以及气孔导度。分别记录每一株的单株结果数、单果重，并计算单株产量。

1.3.3 番茄果实营养品质指标的测定 硝酸盐含量、可溶性糖和可滴定酸含量按照高俊凤[21]的方法测定；将可溶性糖与可滴定酸的比值作为糖酸比；可溶性蛋白含量、维生素C含量分别采用考马斯亮蓝G-250染色法和钼蓝比色法测定。所有指标进行三次重复测定。

1.4 数据分析

分别用Excel 2010和IBM SPSS Statistics 26进行数据的整理和统计分析，用LSD法(Dunca′s)进行处理间多重比较分析，P<0.05为显著水平，利用Word 2010和Origin 2018进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同处理对番茄形态及生理指标的影响

2.1.1 不同处理对番茄株高、茎粗的影响 由表6可知，不同处理的番茄植株株高在定植后10～20 d、40～50 d有所差异，CK处理的株高在定植后10～20 d生长较快，其株高显著高于其他处理，为25.97 cm。定植后第30天，T1、T2、T3处理开始加速生长，与CK达到无显著性差异水平。这可能是因为番茄秸秆发酵产物中的养分具有缓效性。在定植后第50天，T1和T2处理株高显著高于CK，而T3处理株高与CK无显著差异。到定植后第60～70 d，各处理的株高无显著性差异。

表6 不同处理对定植后番茄株高的影响 (cm)

由表7可知各处理的茎粗在定植后10 d至30 d与CK有较大差异，T1、T2、T3处理的植株茎粗均低于CK；在番茄植株定植40 d之后各处理和CK之间差异逐渐所小，最终各处理间无显著差异。这说明利用厌氧营养液、好氧基质和厌氧基质栽培番茄，其株高和茎粗在定植前期生长速度较CK缓慢，但到植株生长中后期生长速度加快，最终与CK无显著差异。

表7 不同处理对定植后番茄茎粗的影响 (cm)

2.1.2 不同处理对番茄叶绿体色素含量的影响 叶绿素是作物进行光合作用的必要条件，光饱和点以下，叶片中的叶绿素含量与光合速率呈正相关。从表8可以看出CK植株叶片中叶绿体色素a最高，达到1.10 mg/kg，其次是T1处理，达到1.03 mg/kg，CK和T1差异不显著。叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量在所有处理中的表现一致，其排序为CK>T1>T2 (P<0.05)>T3 (P<0.05)。T1、T2、T3处理的叶绿素总含量较CK低14.68%、23.65和47.71%。这些结果表明采用番茄秸秆发酵产物栽培番茄的植株叶片的叶绿体色素含量较低。

表8 不同处理对番茄叶片叶绿体色素含量的影响

2.2 不同处理对番茄光合特性的影响

表9为不同营养液和基质栽培下对番茄开花期叶片光合特性的影响，CK的净光合速率最高，达到12.90μmol/m2/s。其次是T1和T2，与CK之间没有显著差异，T3处理的净光合速率最低，为9.05 μmol/m2/s，较CK低 29.84%。CK的蒸腾速率、胞间CO2浓度以及气孔导度最高，分别为3.16 mmol/m2/s、264.74μmol/mol、0.22μmol/m2/s，T1和T2处理的蒸腾速率、胞间CO2浓度以及气孔导度与CK差异不显著。T3处理的蒸腾速率、胞间CO2浓度以及气孔导度最低，较CK分别低41.46%、11.71%和50%。

表9 不同处理对番茄叶片光合特性的影响

2.3 不同处理对番茄产量的影响

试验结果表明(表10)，所有处理的植株鲜重、干重以及平均单果重没有显著差异。所有处理中T2处理的单株产量最高，达到1454.03g，表明利用好氧基质栽培番茄能有效提高番茄的单株产量。T3处理单株产量最低，为980.70g，T1较T2处理单株产量高48.26%；CK、T1和T2之间无显著的差异。

表10 不同处理对番茄产量的影响

2.4 不同处理对番茄品质的影响

由表11可知，所有处理之间果实品质存在一定差异，其中T1处理的维生素C含量最高，为75.96 mg/100 g，其次是T3,处理，为64.75 mg/100 g，然后是CK和T2，分别为63.07 mg/100 g和62.46 mg/100 g，其含量从大到小排序为T1>T3>CK>T2。T1可溶性蛋白含量最高，为0.21 mg/g，CK可溶性蛋白含量最低，为0.09 mg/g，T1处理的可溶性蛋白含量较CK高133.33%。T3处理和CK的可溶性蛋白含量无显著差异，T1和T2处理的的可溶性蛋白含量无显著差异。T1处理的可溶性糖含量最高，为4.14%，显著高T2和T3处理，但与CK无显著差异。所有处理的可滴定酸含量和糖酸比无显著差异。CK果实中硝酸盐含量最高，达到104.34μg/g，其次是T1和T2处理T3处理的硝酸盐含量最低，仅为58.96μg/g，较CK低43.49%。T2处理的硝酸盐含量显著低于CK，为71.10 μg/g，较CK低31.86%。T1处理的硝酸盐含量与CK无显著差异。各个处理间的硝酸盐含量均未超过国家规定的一级蔬菜硝酸盐含量432 mg/kg的限量标准[22]。

表11 不同处理对番茄品质的影响

3 讨论与结论

在笔者试验中，利用厌氧营养液、好氧基质和厌氧基质进行番茄栽培过程中，生长前期，其株高和茎粗生长较缓，一定程度上低于对照(CK)，但后期生长速度加快，最后在定植后70 d时与CK的株高和茎粗无显著差异，这可能是因为厌氧营养液和发酵基质释放养分的缓效性所致，这表明利用厌氧营养液、好氧基质和厌氧基质栽培番茄可以基本满足植株形态生长的需要。氮素的丰缺与植物叶片的叶绿素含量有密切的关系，缺乏氮素，作物叶片叶绿素含量降低，荣秀连[23]认为适宜的混合态的氮素有利于蔬菜叶片叶绿素含量的提高，在本试验中，厌氧基质栽培番茄叶片的叶绿素含量最低，这与牛博宇[24]的研究结果相反，出现这种现象的原因可能是因为厌氧基质通气空隙度较大、持水孔隙度较小而造成营养液养分的流失，而厌氧基质本身硝态氮含量较少，不能满足适宜的铵态氮/硝态氮比例，同时限制了根系对氮素的利用率降低[25～26]。光合作用是植物形成生物产量的生理代谢基础[27]。试验结果表明厌氧基质栽培会使番茄开花期叶片净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度降低，从而影响光合产物的生产和分配[28]；虽然厌氧基质中有效钾含量较高，但其持水孔隙度影响的根系对钾元素的吸收和利用，这可能是厌氧基质栽培番茄果实产量较低的原因之一。

笔者试验中T2(好氧基质栽培)单株产量最高，说明番茄秸秆好氧发酵固体产物作基质可以促进番茄产量的提高，这与胡晓婷[18]、李瑞琴[29]的研究结果一致。利用厌氧营养液栽培番茄(T1)产量与CK无显著差异，这与韩春叶[30]、豁泽春[31]、赵自超[32]在沼液促进作物产量的研究结果类似。品质方面，采用厌氧营养液栽番茄比对照(CK)表现出更高的维生素C、可溶性蛋白含量和更低的硝酸盐含量但没有达到显著性差异，这与辛鑫[15]、李琦[19]的研究结果一致，这表明采用厌氧营养液栽培番茄可以显著提高番茄果实品质。钾元素对番茄果实中维生素C具有明显影响[33]，这可能因为厌氧营养液中含有较高的速效钾含量促进了维生素C的积累。此外厌氧发酵液中富含氨基酸类物质，是合成可溶性蛋白的重要前提物质，其中一些种类可以直接被植物体吸收转化成有机态氮利用，对提高果实产量和品质具有重要作用[19,34]。利用好氧基质栽培番茄与对照(CK)相比有着更高的可溶性蛋白含量和更低的硝酸盐含量，这与胡晓婷[18]的结果一致。维生素C、可滴定酸和糖酸比与CK没有达到显著性差异,可能是因为番茄秸秆好氧发酵固体产物的加入可调节基质中微生物活动，其分解矿化的速效养分被植物直接吸收利用，促进了植株的根系发育[35]。发酵产物中存在的氨基酸如甘氨酸能够降低植物体内硝酸盐含量，并且有研究表明施用氨基酸能够提高作物产量和品质[36]，这可能是好氧基质栽培番茄可溶性含量高，硝酸盐含量低的原因之一。

研究采用盆栽试验，将番茄秸秆好氧和厌氧发酵后的固体产物与蛭石进行配比后作为栽培基质，利用番茄秸秆厌氧发酵液稀释后作为栽培营养液种植番茄，研究番茄产物循环利用后对番茄产量和品质的影响。研究结果表明厌氧营养液栽培番茄与对照相比，具有更高的维生素C、可溶性蛋白和可溶性糖含量，具有更低的硝酸盐含量。好氧基质栽培番茄与对照相比具有更高的产量、可溶性蛋白含量和更低的硝酸盐含量。利用番茄秸秆发酵后的产物再次种植番茄，可多次循环利用，不仅可以节约成本，降低资源的浪费和对生态环境的污染，又能够增加番茄产量、改善品质。