发酵花生壳和牛粪替代草炭基质的番茄育苗效果分析

陈春林， 王琳洋， 单梦伟， 裴甜甜， 王吉庆， 肖怀娟，李娟起， 李猛， 杜清洁

（河南农业大学园艺学院，郑州 450046）

在蔬菜育苗生产中，基质不仅起到固定和支撑植物的作用，还为植物提供水分和矿质营养元素。理想的育苗基质具有适宜的物理、化学和生物学特性，可为根系生长提供良好的环境条件，培育出健壮的植株[1]。当前，蔬菜育苗基质多以草炭为主料，辅以珍珠岩、蛭石等复配而成[2]，但草炭作为一种在短期内不可再生的资源，开采过度会破坏生态环境且生产成本增高[3]。因此，探寻成本低、资源丰富、可替代草炭的材料用于育苗基质十分必要。

我国农业废弃物资源丰富，年总产量高达40亿t[4]，其中牛粪约8.7亿t[5]。发酵后的牛粪具有养分全面、肥效持久和重金属含量低等特点，被视为一种可替代草炭的育苗基质材料[6-7]。河南作为我国花生主产地之一，花生产量占全国总产量的33%，年产花生壳约160万t以上[8-9]。花生壳富含纤维素、维生素、黄酮类化合物和钙等矿质营养成分[10]，发酵后也可作为育苗基质材料使用[11]。目前，仅有少量研究探讨了发酵花生壳和牛粪复配替代草炭作为育苗基质的可行性，且结论相差较大。冯臣飞[12]研究发现，不添加发酵花生壳仅牛粪与其他物质复配时有利于黄瓜幼苗生长；而魏代国[13]发现花生壳∶牛粪∶蛭石∶珍珠岩为7∶0∶3∶3时黄瓜综合性状较好。对于生菜[14]、番石榴[15]和番茄[16]育苗效果的研究则认为，花生壳∶牛粪在1∶1到5∶1间较为适宜。这些研究仅以基本的基质理化特性和简单的植株形态为依据筛选适宜配比，矿质营养元素是植物维持生长和代谢的基础，也应作为评价基质特性的重要因素。然而，当前对发酵花生壳和牛粪复配基质中基质和植物矿质营养元素间关系的研究较少，发酵花生壳和牛粪复配基质影响植株生长的机制尚不清晰。

番茄是种植面积较大的蔬菜作物之一，幼苗生产普遍采用穴盘基质育苗的方式[17]。因此，本试验选用本地区资源量丰富的花生壳和牛粪为原料，通过发酵处理，研究发酵花生壳和牛粪不同配比下基质理化特性及植株形态和营养元素含量的变化，并分析基质理化特性与植株性状间关系，以期揭示影响番茄幼苗性状的关键基质理化特征，筛选出可替代草炭且适宜番茄育苗的基质配方，为农业废弃物的资源化利用提供指导和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

试验于2022年4月在河南农业大学科技园区日光温室内进行，供试番茄品种为‘中杂105’。所用发酵花生壳和牛粪，堆肥发酵过程均在河南省田金生物科技有限公司有机肥生产基地进行。堆肥发酵前调节碳氮比为25∶1，在高温发酵罐中发酵12 h，之后移出进行条垛式好氧堆肥发酵，每7 d翻堆1次，堆体含水量维持在65%左右，60 d后结束堆肥发酵。播种前将发酵后的花生壳和牛粪按不同比例混匀。

选取饱满、均匀一致的种子，温汤浸种后，在28 °C培养箱内进行催芽。将露白的种子，分别播种于装有不同基质的50孔穴盘内。试验以草炭∶珍珠岩为6∶3的基质作为对照，发酵花生壳和牛粪基质设4个(T1～T4)不同配比，详见表1，均为体积比。每个处理3次重复。植株生长期间不进行施肥，其他同正常管理，播种45 d后结束处理。

表1 不同处理基质中各组分配比Table 1 Ratio of components in the substrates of different treatments

1.2 测定项目与方法

1.2.1 基质基本理化特性测定 于播种当天，将基质充分混匀后，随机取样3份，风干。根据郭世荣[18]的方法测定基质pH、电导率（electrical conductivity，EC）和容重。有机碳含量采用低温外加热重铬酸钾氧化-比色法测定[19]。

1.2.2 基质酶活性测定 分别于播种第0、15、30和45天取穴盘内基质样品，风干后测定基质酶活性。基质蔗糖转化酶、脲酶、磷酸酶采用比色法测定，过氧化氢酶活性采用容量法测定[20]。每个测定重复3次。

1.2.3 植株形态指标测定 播种45 d后，随机选取5株番茄幼苗植株，测定株高、茎粗、叶面积。将植株清洗干净后，分为根、茎和叶3部分，120 °C下杀青20 min，80 °C烘干后称重。其中，叶面积使用WinRHIZO软件进行分析。根据以下公式计算壮苗指数。

1.2.4 营养元素含量测定 取播种第0天的风干基质和植株根茎叶干样，H2SO4-H2O2消煮后，凯氏定氮法测定总氮含量；钼锑抗比色法测定总磷含量；HNO3消解后，原子吸收法测定总钾、钙和镁含量。基质碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用NaHCO3法测定，速效钾采用NH4OAc浸提法[21]测定。植株营养元素含量计算公式如下。

式中，E为植株体内元素含量，El为该元素在根、茎或叶中含量，Rl为该器官干重占植株总干重的比值。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。单因素多重比较选用LSD法（P＜0.05）。以植株营养元素含量和生长指标为原始评定指标，利用主成分分析法和模糊隶属函数法综合评估不同处理对番茄植株的影响。具体方法如下。

式中，Cij是第i个处理第j个主成分值；Cjmin是第j个主成分值的最小值；Cjmax是第j个主成分值的最大值；Uij是第i个处理第j个主成分的隶属值；Pj是第j个主成分的特征值；Wj是第j个主成分的权重；Di是第i个处理的综合评价得分。

为进一步探讨基质理化特性对番茄植株的影响，在以植株营养元素含量和生长指标为原始变量进行主成分分析的基础上，添加基质理化特性作为补充变量，利用Canoco 4.5软件分析基质理化特性与植株性状指标间关系。其中，基质酶活性为各时间段酶活性的均值。

2 结果与分析

2.1 不同基质的理化特性分析

由表2可知，与CK相比，pH在T2、T3和T4处理下均显著增大，但在T2、T3和T4处理间差异不显著。EC值在T1处理下最大，然后依次为T2、T3处理，CK和T4处理下最小。基质容重在T1、T2和T3处理下均显著高于T4和CK处理。有机质含量在T4处理下较CK显著降低17%，其他各处理均同CK差异不显著；T2处理有机质含量最高，分别较T3和T4处理显著提高19%和32%。

表2 不同基质的基本理化特性Table 2 Basic physicochemical properties of different substrates

由表3可知，总氮、碱解氮和钙含量在CK下最高，而总磷、总钾、有效磷和镁含量在CK下最低，且CK与其他各处理的差异均达显著水平。总氮含量在T3和T4处理下显著低于其他处理。总磷含量在T2处理下显著高于T3处理，但均与T1和T4处理无显著差异。总钾含量在T1处理下显著高于其他处理，分别为T2、T3、T4处理和CK的1.20、1.19、1.93和3.87倍。碱解氮含量在T1、T2和T3处理间无差异，但均显著高于T4处理。有效磷含量在T2和T3处理下最大，镁含量在T3处理下最大，且均显著高于T4处理，有效磷含量在T1处理中介于T3和T4处理中间，而镁含量在T1和T2处理中分别较T4处理低24%和20%。基质中钙含量在T1～T4处理间无差异。速效钾含量在T1、T2、T3和T4处理间均有显著差异，且随发酵花生壳含量的增加逐渐减少，其中T2处理与CK的速效钾含量水平一致。

表3 不同基质的营养元素含量Table 3 Nutrient element content of different substrates（mg·g-1）

由图1可知，播种后第45天，CK、T1、T2、T3和T4处理基质中蔗糖转化酶活性分别较第0天降低85%、75%、83%、89%和51%；蔗糖转化酶活性在第0和第15天，均为T2处理下最高，T4处理下最低；在第30天，CK处理显著高于其他各处理，其次为T4和T2处理，T1处理下最小；而在第45天，T2和T1处理最高，其次为CK和T4处理，T3处理下最小。T4处理下脲酶活性始终保持最高水平，且T3处理下在第0和第30天、T2处理下在第0天与T4无显著差异，而CK和T1处理基质中的脲酶活性在播种后均显著低于T4处理，其中，在第30和第45天CK处理下脲酶活性为各处理中最低值。在第0、第30和第45天，CK处理下磷酸酶活性均为各处理中最高值，在第15天T4处理下磷酸酶活性为各处理中最高，而T1处理下磷酸酶活性在整个期间均为各处理中最低。在播种后整个期间，过氧化氢酶活性在T3和T4处理下最高（T4处理的第0天除外），而在CK处理下始终为最低值。

图1 播种后不同时期基质的酶活性Fig. 1 Enzyme activity of substrates at different times after sowing

2.2 不同基质处理对番茄植株形态的影响

由表4可知，与CK相比，T3处理使番茄的株高、茎粗、叶面积、总干重和壮苗指数均显著增大，分别提高了57%、17%、88%、63%和27%。T1处理使番茄的茎粗和叶面积较CK显著增大，但株高和总干重较T3处理显著降低33%和22%。T2处理下番茄的株高、茎粗和叶面积较CK分别显著提高23%、14%和52%，而较T3处理的株高和总干重则显著下降。T4处理下番茄的株高、叶面积和总干重分别为CK的1.40、1.42和1.35倍，差异显著，而株高、茎粗和叶面积则显著低于T3处理。

表4 不同基质处理下的番茄植株形态指标Table 4 Index of tomato plant morphology under different substrate treatments

2.3 不同基质处理对番茄营养元素含量的影响

由图2可知，番茄植株中氮、钙和镁含量在T1、T2、T3和T4处理下均显著低于CK。与CK相比，T1和T2处理下氮含量分别下降15%和17%，T3和T4处理均下降36%。钙含量在T2处理下较CK下降最多，其次为T3和T1处理，在T4处理下降幅最小。镁含量在T2处理下最低，仅为CK的67%，且显著低于T3处理，但与T1和T4处理差异不显著。同CK相比，植株磷含量在T4处理下显著提高84%，在T3处理下差异不显著，在T1和T2处理下分别显著下降39%和64%，但T1和T2处理间无显著差异。植株钾含量在T1、T2、T3和T4处理下分别为CK的2.97、2.57、2.26和1.53倍，且4个处理间差异均达显著水平。

图2 不同基质处理下的番茄植株营养元素含量Fig. 2 Content of nutrients in tomato plants under different substrate treatments

2.4 不同基质处理对番茄植株影响的综合评价

由于植株各性状指标对评价植物响应环境变化均有重要意义，且各性状指标间可能存在信息重叠，若采用单一指标不能准确评估不同基质处理对植物的影响。因此，本研究利用主成分分析法提取出相互独立的综合指标，结合模糊隶属函数法进行综合评估。

通过主成分分析，提取出的前2个主成分累积反映了全部原始变量87.96%的信息（表5），表明其可以作为评估不同基质处理下番茄植株性状变化的综合指标。各指标在坐标轴上的投影可反映其相关性大小，投影在正坐标轴为正相关，反之为负相关（图3），主成分1与叶面积、植株钙含量、总干重、茎粗和壮苗指数的相关系数分别为0.99、-0.91、0.88、0.84和0.81，且均达显著水平；主成分2与植株磷含量显著相关。因此，主成分1主要由叶面积、植株钙含量、总干重、茎粗和壮苗指数决定，主成分2主要由植株磷含量决定。

图3 各基质理化特性与植株性状指标间关系Fig. 3 Relationship between the physicochemical properties of substrate and the indicators of plant traits

表5 植株性状指标主成分分析Table 5 Principal component analysis of plant trait indicators

根据主成分分析结果分别计算各处理下2个主成分的主成分值（C1、C2）和隶属函数值（U1、U2），并由2个主成分特征值得到其权重（W1、W2）分别为0.72和0.28。最后，依据隶属函数值和权重计算得到不同处理下的番茄植株综合评价得分（表6）。综合评价得分由高到低依次为T3、T4、T2、T1、CK，表明T3处理即发酵花生壳、牛粪和珍珠岩体积比4∶2∶3为本研究中适合番茄育苗的最优基质配方。

表6 综合评价Table 6 Comprehensive evaluation

2.5 基质理化特性与植株性状指标间关系分析

在对植株性状进行主成分分析的基础上，添加基质理化特性为补充变量，通过分析可知（图3），基质总氮、基质总钾、碱解氮、有效磷、镁和过氧化氢酶与主成分1呈显著相关，相关系数分别为-0.89、0.83、-0.87、0.93、0.94和0.91；而EC、有机质和速效钾与主成分2呈显著负相关。对基质理化特性与植株综合评价得分相关分析表明，基质pH、总氮、碱解氮、有效磷、镁、脲酶和过氧化氢酶与植株综合评价得分相关系数达显著水平，相关系数分别为0.90、-0.95、-0.88、0.86、0.98、0.83和0.96（图4）。因此，基质中总氮、碱解氮、有效磷、镁和过氧化氢酶是影响植株性状的关键变量，pH、有机质、总钾、速效钾和脲酶为次要变量，EC、容重、基质总磷、钙、蔗糖转化酶和磷酸酶对植株性状影响较小。

图4 各基质理化特性与植株综合评价得分相关系数Fig. 4 Coefficient of correlation between physicochemical properties of substrate and comprehensive evaluation score of plants

3 讨论

不同环境条件下生长的植物，其性状指标差异很大，可用植物的性状表现来评价环境条件的优劣程度[22]。在评价过程中，由于采用单一指标存在片面性的问题[23]，故本研究以植株营养元素含量和形态指标为原始变量，利用主成分分析和隶属函数法，综合评估不同复配基质用于番茄育苗时的适宜程度。本试验所用复配基质中最适合番茄育苗的为T3处理，其次为T4处理，然后依次为T2、T1、CK处理，表明发酵花生壳和牛粪复配可替代草炭作为番茄的育苗基质，且基质中发酵花生壳含量比牛粪含量高时效果更好。研究结果与前人在生菜[14]和番石榴[15]上的结论相似，但冯雪峰等[16]研究认为，发酵花生壳与牛粪比例相同时有利于番茄的生长，这可能是由于其基质中添加了竹削，部分替代了发酵花生壳的作用。

基质理化性质决定了植物的性状表现，但不同理化特性对植物生理和生长发育所起的决定作用不同[24]。本研究发现，所用基质中影响植株性状的关键理化特性是基质总氮、碱解氮、有效磷、镁和过氧化氢酶活性，其次是pH、EC、有机质含量、基质总钾、速效钾和脲酶活性。郝丹等[25]以园林废弃物堆肥和牛粪作为基质，发现影响金盏菊形态指标的栽培基质解释量中，有机质、pH、有效磷、速效钾和总氮占比达60.0%以上，是主要决定因子，与本研究结果相似。本研究中，基质容重、总磷含量、钙含量、蔗糖转化酶活性和磷酸酶活性等对番茄植株性状影响较小。这可能是试验所用基质容重均在理想容重（0.1～0.8 g·cm-1）范围内[26]，而花生壳等原料中富含的磷、钙和糖类物质可充分满足植株生长需求，且为酶促反应提供了充足的底物[27]，使得容重、总磷含量、钙含量、蔗糖转化酶和磷酸酶活性不再成为影响番茄植株性状的主要因素。

本研究发现，相比于发酵花生壳和牛粪复配的基质，CK基质的理化特性不均衡。在影响植株性状的关键变量和次要变量中，CK基质的总氮含量和碱解氮含量最高，而pH、总钾含量、有效磷含量、镁含量、过氧化氢酶活性最低。此外，相关性分析表明总氮含量和碱解氮含量与植株性状呈负相关。已有研究结果也表明，草炭基质虽然通气透水性好、有机质含量丰富，但也存在有效养分含量极低的问题，不利于植株的生长和发育[25,28]。相反，发酵的牛粪中养分含量较高，通过与透气性好的发酵花生壳复配，所形成的基质综合理化特性较均衡。发酵花生壳和牛粪复配基质良好的理化特性使其能够替代草炭作为育苗基质。

本研究中总氮、碱解氮、有机质和速效钾含量在CK和T1处理中较高，而在T3和T4处理下较低，且总氮、碱解氮、有机质和速效钾含量与植株性状呈负相关,说明草炭和发酵牛粪中总氮、速效钾、有机质含量可能较高，导致CK和T1处理植株的综合性状较差。CK处理植株中氮含量最高，T1处理下植株中钾含量最高，证明植物吸收了较多的氮和钾。植物吸收氮过多会造成体内碳氮比失调，根系变弱呈现细、短、轻的特点[29-30]。此外，基质氮含量过高，硝化作用强烈，会释放大量H+，抑制植物的生长[31]。本研究发现，植株钾含量与钙和镁含量均呈负相关，表明速效钾过多，由于离子间拮抗作用抑制了植物对钙和镁的吸收，造成植株长势变弱，这与已有研究结论一致[32-33]。适量的有机质对植物的生长有促进作用，但有机质是一种天然螯合剂，可以与铁、锰等金属微量元素离子螯合[34]。在CK和T1处理基质中有机质含量达22%，可能会使部分微量元素的有效性降低，进而影响植物的生长。另外，T1和T2处理中EC值均高于理想育苗基质标准要求的上限（2.0 mS·cm-1）[35]，而高EC会使植株根系吸水困难，最终抑制植株的生长。与之相反，T3和T4处理中较低的总氮、碱解氮、有机质、速效钾含量和EC，有利于番茄植株的生长和发育。

番茄植株的综合性状与pH、总钾、有效磷、镁、过氧化氢酶和脲酶活性呈显著正相关。适宜基质的pH为5.50～6.50[18]，本研究中T1～T4处理中基质pH在5.59～6.21之间，可见利用发酵花生壳和牛粪复配形成的基质具有适宜的酸碱度。此外，基质有效磷和镁含量均在T3处理中最高，充足的有效磷和镁供应保证了番茄植株生长发育的需求。在基质酶中，过氧化氢酶和脲酶均在T3和T4处理下活性较高，过氧化氢酶可解除基质中过氧化氢的毒害作用[36]；而高的脲酶活性可使尿素水解成能被植物吸收利用的氮[37]，弥补由高比例发酵花生壳引起的总氮和碱解氮不足，从而满足植物对氮的要求。另外，T3和T4处理中总钾含量相比其他处理较少，且速效钾占总钾的比例较低，这有利于钾的缓慢释放，避免出现由于速效钾过高而影响植物生长发育的问题。因此，T3和T4处理下基质良好的理化特性保证了番茄植株的健壮生长。