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菊芋发酵秸秆复合基质对番茄生长发育的影响
刘明池1,2,季延海2,3,赵孟良1,武占会2,3
（1青海大学农林科学院,西宁810016；2北京市农林科学院蔬菜研究中心,北京100097；3农业部都市农业（北方）重点实验室,北京100097）
摘 要：为探索菊芋发酵秸秆部分替代草炭等紧缺资源的技术,研究不同配比菊芋发酵秸秆复合基质对番茄生长发育的影响,验证菊芋秸秆在无土栽培基质中的应用效果,筛选菊芋发酵秸秆复合基质的适宜配比,试验选取草炭:蛭石等于2:1 的体积比作为对照(CK)栽培基质,设置发酵后菊芋秸秆的添加比例为20%（T1）、40%(T2)、60%(T3)、80%(T4)、100%(T5),测定复合基质的理化性状并进行番茄栽培试验.结果表明：菊芋发酵秸秆添加量越大,持水能力越强；随着菊芋添加量的增大,总孔隙度、通气孔隙增加,持水孔隙下降,大小孔隙比增大.在株高上以T2最高,T5最低,T2比对照、T5分别高14.18%、22.39%.番茄品质上,菊芋发酵秸秆的添加提高了VC的含量,T5处理比对照增加12.07%；可溶性糖的含量随着菊芋秸秆添加量的增大呈先增大后变小的趋势,其中最高处理T3比对照高45.10%；可溶性固形物含量T3最高,与其他各处理间差异显著,T1含量最低.单株产量呈现先上升后下降的趋势,以T1最高,与其他各处理间差异显著,比对照显著增加23.16%；T5处理比对照降低37.71%.试验表明添加一定比例的菊芋发酵秸秆后,由于复合基质理化性质的优化,促进了番茄的生长发育,适宜番茄基质栽培菊芋发酵秸秆的复配量为20%~40%.
关键词：复合基质；菊芋；番茄；秸秆
中图分类号：S626 文献标志码：A 论文编号：cjas16030008
0 引言
中国是设施农业生产大国,从面积和产量来看,中国设施农业位于世界前列[1-2].但是,在中国设施农业发展过程中出现的大水大肥等管理方式,导致了设施农业土壤栽培中的连作障碍、土壤次生盐渍化、营养供需不均衡、病虫害难以防治等缺点[3-4].无土栽培是应用于设施农业的先进栽培技术,具有避免土传病虫害及连作障碍、节水节肥以生产的可控性等诸多优点,已成为设施农业可持续发展的可靠途径[5-7].世界上90%以上的无土栽培是采用基质栽培的方式,而基质是基质栽培成功与否的基础和关键[8-9].目前,应用面积最广和最多的基质是草炭和岩棉[10-11],但这2 种基质成本越来越昂贵,且草炭属短期内不可再生的自然资源,长期开采会使资源枯竭,地貌和生态环境遭到破坏,而岩棉的不可降解性也会造成环境污染.因此,各国都在研究草炭和岩棉的替代物,如以色列用牛粪和葡萄渣,英国用椰子壳纤维等均获得良好效果[12-13].王新右等[14]研究了以发酵腐熟的玉米秸秆和牛粪为主要成分,并复配草炭、蛭石、炉渣灰等基质原料对日光温室黄瓜的影响,结果表明秸秆:牛粪:草炭:蛭石:河沙＝2:3.5:1:1:2.5 配方的黄瓜产量、结瓜数和干鲜质量均最高.
菊芋(Helionthus tuborosus L.)又称洋姜,为菊科向日葵属多年生草本植物[15-16].近年来,菊芋在食品配料[17-18]、生物技术[19]、荒漠化治理[20]、生物质能源[21]等方面都有了广泛的研究和应用.目前关于菊芋的研究重点在其块茎的综合开发和利用上,菊芋地上部分还没有得到有效利用,菊芋的综合价值未能得到充分体现.菊芋地上茎叶蛋白质、糖分等营养成分较高,生物量占全株总量的40%~50%,667 m2 产量可达2 t 以上[15].本试验研究菊芋秸秆在无土栽培基质中的应用技术,在分析测定复合基质理化性状的基础上,筛选菊芋发酵秸秆复合基质的适宜配比,旨在探索菊芋发酵秸秆部分替代草炭等紧缺资源的途径.
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验使用北京市农林科学院蔬菜中心研发的封闭式槽培系统,菊芋秸秆腐熟发酵选用的是北京园圃园艺公司的农作物秸秆发酵剂,秸秆切碎后用水浸泡,同时拌发酵剂,再用塑料覆盖,然后高温腐熟3 个月以上.选用腐熟发酵后的菊芋秸秆、草炭、蛭石作为基质,番茄品种为荷兰瑞克斯旺公司的‘丰收’.试验于2015 年3—6 月,在北京市农林科学院蔬菜研究中心现代化温室内进行.
1.2 试验设计
试验设置6 个处理,以草炭:蛭石等于2:1（体积比）为对照,菊芋秸秆添加量分别为20%、40%、60%、80%、100%,如表1 所示.每个试验处理有5 个栽培槽,每个栽培槽放9 L 基质,3 次重复；试验全程浇灌番茄专用营养液,营养液配方为北京市农林科学院蔬菜研究中心刘增鑫[22]地下水改良配方.
1.3 测定项目及方法
基质物理性质：容重、持水能力、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙、大小孔隙比；采用常规方法进行测定[5,22].
番茄生长指标：使用直尺测定株高；使用游标卡尺测定茎粗；叶片数直接计数；单株干重、单株鲜重是在试验结束时取样品在105℃下杀青,然后在75℃下烘干至恒重,永电子天平称重；产量是在番茄果实成熟后直接采收称重.
番茄叶绿素含量使用SPAD-502 手持式叶绿素测定仪测定功能叶片SPAD值.
番茄品质：VC含量采用钼蓝比色法测定；可溶性固形物使用便携式数显糖度计测定；可滴定酸采用酸碱滴定法测定；可溶性糖采用蒽酮比色法测定[23-25].
使用Excel 2010 和SPSS 17.0 软件进行数据的分析处理.
2 结果与分析
2.1 不同菊芋秸秆添加量基质物理性质比较
试验分别在定植前、定植后60天、定植后100天测定了复合基质的物理性质.从表2 可以看出,菊芋的添加降低了草炭和蛭石基质的容重,且添加量越大,在生长过程中容重变化越小,T5处理3 次测量容重均为0.11 g/cm3,无变化.但随着菊芋秸秆添加量的增大,复合基质容重偏离理想基质(0.1~0.8)要求越大.在持水能力上,菊芋发酵秸秆添加量越大,持水能力越强,菊芋秸秆的添加使复合基质持水能力随定植时间的增加逐渐降低.表2 显示,随着菊芋添加量的增大,总孔隙度、通气孔隙增加,持水孔隙呈下降趋势,大小孔隙比增大.菊芋秸秆的添加使复合基质的通气孔隙更加趋于理想基质的通气孔隙要求(＞15%).
2.2 不同菊芋秸秆添加量对番茄生长的影响
从表3 中可以看出番茄最终的株高随着菊芋秸秆添加量的增加呈先上升后下降的趋势.在前3 次的测定中CK高于其他处理,从第4 次测定（定植后46 天）T1、T2处理均高于CK.最终以T2最高,T5最低,T2比对照、T5分别高14.18%、22.39%.CK最后一次测定株高大于T4、T5.
表4 显示定植后的茎粗变化,从表中可以看出CK的茎粗在整个测定过程中均最大,显著高于其他处理,茎粗随着菊芋秸秆的添加呈下降的趋势,T3最低,比对照低39.15%.
番茄的叶片数以CK最多,随着菊芋秸秆添加的增加呈降低的趋势,且CK与T1、T2间差异不显著.T4处理最低,比对照减少19.78%（见表5）.
番茄功能叶片的SPAD 值能反映叶片叶绿素含量,各处理SPAD值随着栽培周期的增加均表现出降低的趋势.除第一次测定外,各处理测定值均高于对照.最后一次测定中SPAD值以T2最高,CK最低,整体呈先上升后下降的趋势（见表6）.
2.3 不同菊芋秸秆添加量对番茄品质的影响通过品质指标的测定（见表7）,可以看出菊芋发酵秸秆的添加提高了VC的含量,T5处理比对照增加12.07%；可溶性糖的含量随着菊芋秸秆添加量的增大呈先增大后变小的趋势,其中最高处理T3 比对照高45.10%,T3、T4间差异不显著.可溶性固形物含量T3最高,与其他各处理间差异显著,T1含量最低.可滴定酸含量随菊芋秸秆添加量的增大基本呈降低的趋势,但各处理间差异不显著.
2.4 不同菊芋秸秆添加量对番茄产量的影响
从图1、图2 中可以看出,番茄单株鲜重和干重均随菊芋秸秆添加量的增大呈现先增大后减小的趋势,地上部和地下部表现与全株表现一致.全株鲜重T1处理最大,与T2 处理差异不显著,比CK 显著增加36.31%,T5处理比CK显著降低41.68%.全株干重与鲜重表现一致,T1处理最大,与T2处理差异不显著,T1处理比CK显著增加44.84%,T5处理最小,比CK降低34.83%.
在试验后期,由于受到番茄褪绿病毒的严重影响,只进行了3次果实采收.通过图3可以看出,单株产量呈现先上升后下降的趋势,以T1最高,与其他各处理间差异显著,比对照显著增加23.16%.T5处理比对照降低37.71%.
3 结论
（1）对基质的理化性质分析表明：菊芋发酵秸秆的容重(0.11 g/cm3)、持水孔隙(57.9%)较低,不符合理想基质容重0.1~0.8 g/cm3和持水孔隙大于60%的要求,而其通气孔隙(26%)、总孔隙度(83.9%)大,满足理想基质通气孔隙大于15%和总孔隙度大于75%的要求.草炭蛭石混合基质容重(0.35 g/cm3)、持水孔隙(66.11%)较大,符合理想基质的要求,而通气孔隙(7.04%)、总孔隙度(73.14%)较低,不符合理想基质的要求.因此,菊芋发酵秸秆和草炭蛭石的复合基质实现了容重、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙等基质性质的互补.
（2）菊芋秸秆发酵后与草炭蛭石以不同比例复配后进行番茄栽培试验,因添加比例的不同,番茄生长、产量、品质等表现存在显著差异.适宜菊芋发酵秸秆的添加量,可提高番茄的株高、叶片数和功能叶片SPAD值.菊芋发酵秸秆的添加显著提高了番茄果实VC、可溶性糖和可溶性固形物含量,菊芋发酵秸秆的添加还显著提高了番茄的产量和单株的干鲜重,表明添加一定比例的菊芋发酵秸秆后,由于复合基质理化性质的优化,促进了番茄的生长发育.
（3）综合考虑菊芋发酵秸秆对草炭的替代量以及复合基质对番茄的生长、品质、产量的影响,以在草炭和蛭石的基质中添加20%~40%的菊芋发酵秸秆,效果最佳.
4 讨论
无土栽培基质中,草炭是世界各国普遍认为最好的介质之一[26],其具有团粒结构好、阳离子交换量大、纤维含量丰富、保水保肥能力强,植物致病菌侵染少等优点,是蔬菜育苗基质和无土栽培基质的常见组分[10-11].而草炭短期内不可再生、资源紧缺,使用过度会破坏生态环境,购买成本越来越高.中国无土栽培常采用草炭、蛭石和珍珠岩[27]进行不同体积比混合配制作为混合基质,使用过程中存在供液时透气性差、含水量偏高及草炭用量大、成本高的缺点.试验中草炭蛭石混合基质也存在着总孔隙度和通气孔隙较差,不符合理想基质的要求,但容重和持水孔隙则符合理想基质的要求.而菊芋发酵秸秆则存在着容重、持水孔隙较低,不符合理想基质的要求,但总孔隙度和通气孔隙较大,符合理想基质的要求.菊芋发酵秸秆与草炭蛭石按照一定比例进行混合配制,能够实现容重、持水孔隙、总孔隙度和通气孔隙间的互相弥补,达到理想基质的要求.
本研究率先对菊芋秸秆的利用进行了研究,这对于实现菊芋的综合开发利用以及减少草炭等使用对环境的破坏有着重要的意义.菊芋地上部生物量丰富,有着很好的开发利用前景,要实现菊芋发酵秸秆复合基质的产业化利用,还应加大对菊芋发酵秸秆的基础性质的研究,明确菊芋发酵秸秆的基本成分,确立最佳的复合配比,加强产业化产品的开发等方面的研究.
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