以玉米秸秆为主料的番茄育苗基质配方优化

张 爽, 郑安旺, 刘 涛, 晏 磊

(1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院/黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室,黑龙江大庆 163319;2.农业农村部东北平原农业绿色低碳重点实验室,黑龙江大庆 163319)

我国番茄种植面积广泛,现已居世界首位,在很多地区番茄产业已经成为带动当地农业经济发展的关键引擎。但是长时间种植番茄导致的连作障碍严重影响了我国番茄种植业的健康发展,提高番茄育苗质量成为改善番茄生长与提高番茄产量、品质的一个重要因素。因此寻找优质的育苗基质原料,开发优良的育苗基质生产技术,是保证番茄产业稳定发展的基本需要[1]。

随着我国农业种植结构的调整和现代化农业的高速发展,育苗基质在作物的培育中得以应用,逐渐成为育苗过程中的一个重要环节[2]。现阶段用于番茄等果蔬的育苗基质原料主要以草炭土,珍珠岩、蛭石等不可再生资源为主,施用后残留于土壤中难以降解,损害土壤的耕作性状,过度开采也会威胁生态平衡。国家对草炭等矿物资源的保护、限制开采,使得传统育苗基质原料价格昂贵,基质生产成本升高,因此代替草炭、珍珠岩等传统育苗基质材料的新型基质原料亟待开发[3]。目前,新开发育苗基质材料仍然存在一些弊端,距离商品化生产还有一定距离[4]。随着我国农业废弃物资源化利用观念的不断深入,将农业废弃物作为穴盘栽培基质材料已经逐步成为新型基质开发领域的研究热点。有大量的研究证明,农业废弃物(菌糠、秸秆、棉杆、椰糠、薯渣、甘蔗渣等)可以替代传统的基质原料,用于果蔬等作物的培育。我国是农业大国,每年秸秆等农业废弃物存在大量冗余,我国每年玉米秸秆产量超3亿t,仅有少量被用于饲料与农业还田中,多数被丢弃或焚烧,造成严重的环境污染与资源浪费。玉米秸秆作为一种极具潜力的生物质资源,含有丰富的碳、氮、磷、钾等大量元素,还含有钙、镁、硫等矿质元素,具有元素储备丰富、有机质含量高等优点[5]。马铃薯渣是淀粉加工过程中产生的废弃物渣滓,具有质地轻、通气性好等作为轻型育苗基质的优良特性,将其用于育苗基质中能够为番茄幼苗的生长提供氮、磷、钾等元素[6],其作为蔬菜育苗基质原料也已经得了较好的效果[7]。但是目前育苗基质的生产还处于简单混配的阶段,由于基质配比不严格,基质结构优化简单,导致了基质质量参差不齐,育苗效果不稳定的问题[8]。本研究将玉米秸秆、马铃薯渣、有机肥、田园土等基质原料进行混配,形成番茄育苗基质,研究不同配比对番茄幼苗生长的影响,通过响应面分析软件确定番茄育苗基质的最优配比,形成具有稳定育苗特性的番茄育苗基质,旨在为农业有机废弃物基质化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究番茄种子为中蔬4号(金种子种业),选用籽粒饱满、大小一致、纯度高的种子,去除杂质,常规消毒后催芽。供试原料为玉米秸秆、鲜马铃薯渣、有机肥、田园土及有机肥(原料为牛粪、水稻秸秆),以上材料均由黑龙江八一农垦大学农学院提供,其中玉米秸秆干燥后粉碎至2 mm左右。选用乐霖育苗基质(安徽乐林农林科技有限公司)作为对照组进行试验。基质N、P、K含量测定选用土壤肥料植株氮磷钾有机质检测试剂盒(郑州朋检农业科技有限公司)。

1.2 试验设计

试验于2021年6月在黑龙江八一农垦大学农学院大棚中进行,大棚内白天温度20～25 ℃,夜间温度16～18 ℃,湿度50%～60%,光照4 000～12 000 lx。本试验通过Design Expert 12.0中Mixture Design(U伪编码-best-D)设计,得到20个试验组(表1),对照组选用乐霖育苗基质。按照试验设计配方将玉米秸秆、马铃薯渣、有机肥、田园土进行混配,配制完毕后,将基质装满育苗盘,保证四角和盘边的孔穴全部装满基质,同时使各个格室能清晰可见,切忌用力压紧,以免破环基质的物理性状。对各组基质容重、孔隙度等指标进行测定。番茄种子置于湿润温暖的环境中放置36 h,至番茄种子露出白芽,即可播种。试验期间,室内温度、湿度和光照均能满足番茄幼苗的正常生长。试验采用50孔穴盘,每穴播种1粒,播种后置于大棚中进行田间培养,培养15 d后测定各组的出苗率,培养至3叶1心(28 d)时各组随机抽取15株番茄幼苗,对其茎粗、株高、干质量、鲜质量进行测定,计算其壮苗指数。

表1 Design Expert 12.0混料试验设计

1.3 指标测定及方法

基质容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度按照以下公式进行计算[9]。

持水孔隙度=总孔隙度-通气孔隙度。

式中：V为容器体积,cm3;m1为容器质量,g;m2为基质充分干燥后均匀装入容器后的总质量,g;m3为容器与基质浸泡在水中24 h 后总质量,g;m4为等待容器内水分沥干后质量,g。

pH值：按照 2 ∶1 的土水比例进行配置,搅拌静置 30 min 后,用pH 计测量;

电导率(EC值)：测量溶液中可溶性盐浓度,利用便携式电导仪进行 EC 值测定[10]。

幼苗生长指标测定：生长至3叶1心期的番茄幼苗用自来水冲洗干净,利用游标卡尺测量幼苗的茎粗、株高等指标[11],并计算其壮苗指数,壮苗指数=(茎粗/株高+地下部干质量/地上部干质量)×全株干质量。

基质N、P、K含量测定：使用土壤肥料植株氮磷钾有机质检测试剂盒,速效氮、速效磷、速效钾含量检测具体操作依据试剂盒说明书。

1.4 数据处理及统计方法

采用Design Expert 12.0对数据进行混料试验响应面分析,应用SPSS 26(https://www.ibm.com/)对苗期理化等数据进行单因素方差分析(Duncan’s新复极差检验),并采用Origin 2021(https://www.originlab.com)对数据进行统计分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 不同配比基质理化性质

育苗基质的持水量、容重、孔隙度等物理性状对蔬菜苗期生长影响较大,合格的育苗基质容重应在0.15～0.75 g/cm3,总孔隙度60%～90%,通气孔隙度15%～30%,持水孔隙度40%～75%[12]。如表2所示,T12处理的容重最大(0.335 2 g/cm3),容重最小的是T9 (0.225 2 g/cm3)。各处理的容重随马铃薯渣、田园土占比的提高逐渐升高。总孔隙度最高的是T6(74.97%),最低的是T13(62.00%)。除了T2、T3、T4、T10、T13、T16的通气孔隙度偏低外,其他处理基本在适宜范围内[13]。

表2 不同育苗基质配方物理性状

2.2 不同配比基质对番茄幼苗出苗率的影响

于番茄播种后3、5、7 d进行其出苗率的测定。由表3可知,3 d时T18处理组出苗率最低(13%),T1、T13这2组处理出苗率较高(43%、45%);5 d时T18出苗率最低(37%),T1、T13这2组出苗率较高(81%、79%);7 d时T18出苗率最低(52%),T8、T13出苗率最高(98%);其中,T8、T13在7 d时2组的出苗率高于CK组。综上所述,T8、T13出苗率最高,T4、T5这2组出苗速度最快,试验结果表明不同基质配比对番茄幼苗出苗率会产生一定影响。

表3 不同配比基质对出苗率的影响

2.3 不同配比基质对番茄幼苗形态指标的影响

番茄幼苗生长到达3叶1心时对其进行株高、茎粗等相关形态指标的测定。 由图1、 图2可知,T9、T13这2组在株高与茎粗上与其他组别相比较为突出,与 CK组无明显差异。T3、T17这2组株高较低,造成其现象的原因可能为基质配比中没有添加机肥及田园土,基质中玉米秸秆、薯渣虽然富含有机质,但由于玉米秸秆、薯渣含量较高,又无田园土、有机肥与其混拌,导致EC值较高,阻碍了番茄幼苗对基质中有机质的吸收,导致番茄生长缓慢,株高较矮;在茎粗方面,T9较为突出,T7、T17这2组番茄幼苗的茎粗较细,造成T7茎粗较细的原因是基质中没有添加田园土,由于秸秆、薯渣、有机肥混拌导致基质孔隙度较大,容重较小,造成番茄幼苗定植困难,难以正常吸收基质中无机盐及其他营养物质,致使其茎粗较细,T17则是因其基质中大量的玉米秸秆与马铃薯渣导致其基质中渗透压过高,使得番茄幼苗根部细胞收缩变形,难以运输有机质到达茎部,使得番茄幼苗发育不良。

2.4 不同配比基质对番茄幼苗壮苗指数的影响

由图3可知,番茄壮苗指数较优的分别是T4、T9、T13、T14,与CK组大致接近。从基质配比上来看,T4、T14中各成分配比较为均衡,其中含有的有机质较为全面,基质理化性状也较为适宜,能够支撑番茄幼苗的正常生长,但其壮苗指数较其他2组较低的原因可能是薯渣含量较高,导致基质中EC值稍高,使番茄幼苗后期生长受到抑制;T9中含量较多的玉米秸秆可能弥补了薯渣的缺失,加之玉米秸秆、田园土、有机肥的混配等综合因素使其壮苗指数与CK组无明显差异;T13基质配比中分别缺少了田园土和马铃薯渣,但其壮苗指数与CK组无明显差异,且茎粗、株高均有较好的生长表现,说明玉米秸秆中有机质含量可以满足番茄幼苗的生长要求,玉米秸秆可以作为一种优良的基质原料。

2.5 番茄育苗基质混料设计响应面分析

番茄幼苗培育至28 d时,检测番茄幼苗的地上地下干质量、茎粗、根长等数据,计算壮苗指数,输入混料设计,进行响应面分析(图4)。

由表4可知,模型的AB、AC、AD、BC项显著(P<0.05),表明4个自变量与壮苗指数之间具有交互作用,总模型方程R2=0.926 6(P<0.05);失拟性检验P=0.545 8>0.1,不显著,表明该回归模型拟合情况良好,回归方程具有较高的代表性[14]。玉米秸秆、有机肥、马铃薯渣、田园土交互作用的三元等高线图及曲面3D图如图4所示,三角响应面图为一曲面,说明各因素之间存在一定交互作用;图形呈一定的拱形状[15],说明4种基质对壮苗指数都起着显著影响,表明可以利用回归方程确定番茄育苗基质的最优配比,通过Design-Expert 12.0软件优化出的番茄育苗基质配比为：玉米秸秆55.61%、有机肥 24.39%、田园土18.80%,马铃薯渣 1.20%,此时壮苗指数预测值为0.122 81。

表4 响应面回归方程方差分析

2.6 番茄育苗基质配比优化验证

使用响应面优化后的番茄育苗基质进行育苗试验,以市售基质为对照,育苗过程同试验设计,培养至3叶1心期后,对试验组与对照组幼苗出苗率、壮苗指数、基质养分含量、物理参数等进行测量,对优化结果进行验证。由表5可知,最优配比组壮苗指数(0.121 57)与优化后预测值(0.122 81)无明显差异,优于市售基质(0.120 72);优化后的基质由于含有较多的秸秆、有机肥,其容重(0.334 7 g/cm3)显著低于对照(0.368 1 g/cm3), 较为松软, 透气性较好;基质中氮、磷、钾含量符合国家标准NY/T 2118—2012《蔬菜育苗基质》,速效钾含量略高于市售基质,其原因是最优育苗基质中含一定添加量的马铃薯渣。

表5 优化对比试验指标测定

3 讨论与结论

研究表明,农业有机质废弃物玉米秸秆、薯渣是用作育苗基质的理想原材料,能够提供幼苗生长过程的有机质,调节育苗基质理化性质。本试验条件下通过混料设计响应面优化得到的基质配比(体积分数)为玉米秸秆55.61%、有机肥24.39%、田园土18.80%、马铃薯渣1.20%,此配比下基质N、P、K元素丰富,番茄幼苗长势良好,育苗效果优于市售基质,可以代替市售基质用于番茄幼苗的培育。

番茄育苗质量对番茄产量、品质等有着至关重要的影响,培育番茄壮苗是番茄增产增收的重要基础,也是获得高产、优质蔬菜的重要手段。研究表明,不同基质对培育番茄幼苗有较大影响,基质是穴盘育苗的基础,其营养成分和理化性质将直接影响番茄幼苗的生长状况[16],本试验中不同的混配基质对番茄幼苗的茎粗、株高、壮苗指数等指标都有明显的影响,这与诸多研究结论[17]一致。同时有研究表明,玉米秸秆作为一种可再生的农业有机废弃物,其丰富的营养成分和良好的物理结构赋予其成为优良育苗基质原材料的潜质,添加玉米秸秆对基质的容重、总孔隙度、有机质含量等理化性质均有改善作用[18],T13通过玉米秸秆与田园土混拌,育苗效果良好,壮苗指数优于CK,茎粗、株高等生理指标也均有较好表现,与CK无显著差异(P<0.05)。本试验基质中添加薯渣,相关研究表明,其有机质含量丰富,经过淀粉生产过程后粒径均一,适于作为基质原料,但单独使用薯渣作为育苗基质,会导致基质EC值过高,对幼苗产生盐害作用,影响出苗效果,出苗后抑制作物生长[19]。本试验中T7、T17这2组基质中薯渣含量均为30%,导致其茎粗、株高等指标显著低于CK,但T4、T20基质中虽然也含有30%的薯渣,但通过与其他基质原料的混配,基质物理性状与育苗效果均有明显改善,本试验结果与相关研究结论[20]一致(表6)。

表6 不同番茄育苗基质理化性质对比

相关研究表明,木薯渣、醋糟、 蛭石按照一定比例混配也可代替市售基质进行番茄幼苗的培育[25],代惠洁等利用椰糠、草炭、蛭石、珍珠岩按照 2 ∶2 ∶4 ∶4 的比例混拌,可代替纯草炭土基质进行育苗[26]。本试验利用玉米秸秆、薯渣、有机肥、田园土混配形成育苗基质,通过对番茄幼苗生理指标、基质理化性质的检测表明,本试验基质育苗效果良好,T4、T9、T14与市售基质无显著差异,T13育苗效果优于市售基质。以壮苗指数为参考指标,通过响应面设计优化,得到最优配比(体积分数)为：玉米秸秆55.61%、有机肥 24.39%、 田园土18.80%,马铃薯渣 1.20%,对优化后的番茄育苗基质进行对比验证试验,数据表明,优化后的番茄育苗基质优于市售育苗基质,番茄幼苗壮苗指数、基质有机质含量均高于市售基质,重要的是基质中薯渣的加入使得钾含量高于市售基质,钾素能够促进植物根系的发育,提高植株根部细胞的渗透压,保持细胞的弹性,提高根部细胞抵抗寄生菌穿透的能力,对植株苗期的发育具有积极意义。

通过与其他番茄育苗基质研究比较来看,本研究通过响应面设计优化后,基质中N、P、K含量均衡,壮苗指数较优(因各研究壮苗指数计算方法不同,未在表6中体现)。由表6可知,多数基质组成仍以传统育苗基质中以草炭、珍珠岩、蛭石等原料进行混配,其中草炭主要取自沼泽泥炭地与水藓泥炭地,属于不可再生资源,在自然条件下,草炭的形成需约上千年时间,而人为过度开采利用,会使草炭的消耗速度加快,加剧全球温室效应[4];珍珠岩使用后会残留于土壤中,造成土壤污染。本试验利用玉米秸秆、薯渣、有机肥、田园土的混配,能够有效代替草炭进行番茄幼苗的培育,减少草炭这类不可再生资源的使用,改变传统育苗基质对草炭资源依赖的局面[27],降低因基质原料使用不当而产生的土壤污染。同时,玉米秸秆、薯渣均属于农业废弃物,在北方地区大量存在,以此作为基质原料将大大降低番茄育苗基质的生产成本,能够推动农业废弃物基质化利用的进程,提高农业废弃物的利用价值,对于改善农业生态环境、实现农业废弃物循环利用具有重要意义。

农业有机质废弃物玉米秸秆、薯渣是用作育苗基质的理想原材料,能够提供幼苗生长过程的有机质,调节育苗基质理化性质。本试验条件下通过响应面优化得到的基质配比(体积分数)为玉米秸秆55.61%、有机肥24.39%、田园土18.80%,马铃薯渣1.20%,此配比下基质N、P、K元素丰富,番茄幼苗长势良好,育苗效果优于市售基质,可以代替市售基质用于番茄幼苗的培育。