玉米秸稈復配基質對黃瓜幼苗生長發育的影響

王宇欣 孫倩倩 王平智 趙亞楠 李雪嫄

(中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083)

0 引言

育苗基質是設施園藝蔬菜生產的重要材料，具有固定作物根系，提供營養物質，協調水分、養分和氧氣供給的作用[1-2]。目前我國設施栽培常用的基質主要有草炭、蛭石、珍珠巖等[3]。草炭中有機質含量高，具有較好的持水性和通氣性，非常適宜作物生長[4-5]。但草炭屬于不可再生資源，過度開采將會破壞環境[6-9]，因此，開展替代草炭的新型基質研究對于實現我國農業的可持續發展具有重要意義[10-12]。

我國秸稈資源豐富，用途廣泛[13]。資料表明，2013 年我國玉米秸稈資源總量達2.4億t，占全國秸稈總產量的24.17%[14-17]。秸稈本身含有較多營養元素，栽培過程中的持續降解可以增加作物根際CO2濃度，基質中活躍的微生物活動也可促進作物的生長[16-18]。曾清華等[19]采用小麥秸稈混配基質探究了甜椒幼苗生長特性，發現腐熟后的小麥秸稈是一種優質環保型的有機基質，可應用于蔬菜的穴盤育苗。但小麥秸稈基質的pH值和電導率高，持水空隙比較大，需與其他基質進行合理混配，改善其各項理化性能，才能提高使用效果。劉振國[20]以腐熟玉米秸稈為主要試驗材料，以草炭、蛭石、珍珠巖為輔助材料，制成5種不同體積配比的復合基質，開展黃瓜栽培試驗，研究了其對黃瓜形態指標、生理指標、品質和產量的影響。石慧芳等[21]以腐熟玉米秸稈基質為原料，加入不同體積比的其他添加材料組成復合栽培基質，采用營養缽育苗的方式，在日光溫室內研究了不同配比復合基質對辣椒形態特征和生理生化的影響，發現在育苗期間腐熟玉米秸稈基質對辣椒的莖粗、葉綠素含量、根系活力影響較大。同時，玉米秸稈還可以提高土壤的持水能力。張翼夫等[22]通過在不同質地的土壤中添加秸稈發現，以適量的玉米秸稈添加到土壤中能達到較好的水土保持效果和播種質量。另外，近年來秸稈生物反應堆技術在溫室蔬菜栽培中的應用也取得了明顯增產效果[23]。王忠江等[24]發現，添加沼肥后有助于促進玉米秸稈的腐解。

腐熟秸稈作為基質進行栽培試驗的研究較多，但利用未腐熟玉米秸稈與草炭復配開展育苗效果的試驗研究較少，未腐熟秸稈復配基質在育苗過程中pH值、電導率、孔隙度和容重等理化特性變化較大。本文利用未腐熟玉米秸稈按照一定比例與草炭、蛭石、珍珠巖和沼渣等復配，開展黃瓜育苗試驗，通過幼苗的株高、莖粗、根系活力和壯苗指數等生長、生理指標的檢測，探索復配基質的栽培適宜性，以期為玉米秸稈在設施育苗中的直接利用提供理論和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和儀器

試驗供試黃瓜品種為“中農19號”，由中國農業科學院蔬菜花卉研究所提供，種子發芽率95%以上。供試基質包括玉米秸稈、沼渣、草炭、蛭石、珍珠巖和土壤。供試沼渣在自然通風狀態下風干，粉碎備用。供試秸稈為玉米秸稈，取自北京市通州區中農富通國際都市農業科技園。試驗前將玉米秸稈粗略粉碎，置于75℃干燥箱中干燥，之后利用超細粉碎機(型號：RT-34，北京興時利和科技發展有限公司)進一步粉碎。對粉碎后的玉米秸稈進行粒徑分析，過80目篩的顆粒占總量的(18.30±1.03)%，剩余過40目篩的顆粒占總量的(25.53±4.68)%，剩余過20目篩的顆粒占總量的(18.66±3.69)%。

草炭和玉米秸稈形貌及能譜分析使用的主要儀器為S4800型冷場發射掃描電子顯微鏡，儀器工作電壓為15 kV，工作距離為15.0～15.1 mm，發射電流為11.0～11.4 μA，真空度1.0×10-8Pa。檢驗方法依據JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

基質的理化性質主要包括容重、相對含水量、總孔隙度、透氣孔隙度、持水孔隙度、pH值、EC、有機質質量分數等。本試驗主要測定了基質的容重、相對含水量、總孔隙度、透氣孔隙度、pH值和有機質質量分數等6指標，其中，相對含水量、基質容重的測定方法參考中華人民共和國農業測量標準，其他基質測定項目參照鮑士旦[25]采用的方法。供試玉米秸稈、沼渣、珍珠巖、草炭、蛭石和土壤基本理化性質如表1所示。

表1 供試玉米秸稈顆粒、沼渣、土壤、基質材料基本理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of straw, biogas residue, soil and substrate materials

注：每列數據不同小寫字母表示在0.05水平上的差異顯著。下同。

1.2 試驗方案

本試驗以基質配方CK1(草炭25%、沼渣25%、蛭石25%、珍珠巖25%)、CK2(玉米秸稈100%)與CK3(土壤100%)作為對照，設計了9組不同處理，每個處理設計3組重復。根據基質不同成分，又可將CK1、T1～T5(不同體積玉米秸稈代替草炭和沼渣)和CK2、CK3、T6～T9(不同體積秸稈代替土壤)劃分成兩大組。基質體積配比見表2。

表2 不同處理的基質體積配比Tab.2 Volume ratio of compound substrate formula for different treatments %

黃瓜幼苗的生長生理指標主要包括株高、莖粗、葉綠素相對含量、葉面積、地上和地下干鮮質量、根冠比、壯苗指數以及根系活力等。株高采用直尺測量基質表面到黃瓜幼苗生長點距離。莖粗采用電子游標卡尺測量黃瓜幼苗子葉下端。葉綠素相對含量采用PAD-502型葉綠素儀，每次測量時間保證在10:00—14:00之間進行，同一葉片葉綠素含量測量值采用多次測量取平均值的方法。葉面積采用長寬系數法[26]。將黃瓜幼苗清洗干凈，吸干表面水分，采用精度0.000 1 g天平分別測量黃瓜根部與地上部質量，即為其地下鮮質量和地上鮮質量；將黃瓜幼苗殺青(105℃,3 h)、干燥后分別測量黃瓜根部與地上部分質量，即為地下干質量(W1)和地上干質量(W2)。PTR(根冠比)=W1/W2。SI(壯苗指數)=(PTR+d/h)(W1+W2)，其中d為莖粗，h為株高。

1.3 數據處理

試驗數據的整理和繪圖工作通過Microsoft Excel 2007完成，采用SPSS 22.0對數據進行單因素方差分析，各處理平均值差異顯著分析采用Duncan新負極差法，進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 形貌及能譜分析

2.1.1草炭和玉米秸稈的形貌分析

由圖1a可以看出，過篩后的草炭形態較均勻，均呈球形顆粒狀，表面凹凸不平，有很多微小的孔隙(圖1b、1c)，這和草炭形成過程中微生物的分解有關。此外，草炭顆粒的表面上附著很多微小的顆粒(圖1d)。玉米秸稈和草炭相比有更多的形態，主要是球狀、片狀和桿狀(圖1e)，以桿狀和片狀為主。片狀的秸稈表面比較光滑(圖1f)，這是因為秸稈表面有一層蠟層，微孔較少，這也導致了微生物很難將其分解。在粉碎機的作用下，一些秸稈的表面可以被破壞，使其內部結構裸露出來(圖1g)，有些還會出現內部結構的破壞(圖1h)，形成很多孔隙和通道，這都有助于微生物的附著和分解。從草炭和玉米秸稈的形貌可以看出，玉米秸稈和草炭微觀結構存在差異，但是經過粉碎和育苗過程中微生物的分解，也可以和草炭有類似的形貌特征。所以，玉米秸稈可以代替草炭作為育苗基質的原料來使用。

2.1.2草炭和玉米秸稈的XPS分析

每種化學元素具有自己的X射線特征波長，特征波長的形態取決于能級躍遷過程中釋放出的特征能量。X射線光電子能譜分析是一種非破壞性的表面分析技術，可以檢測樣品表面的元素含量及形態。圖2為草炭的XPS能譜分析，分析結果如表3所示，草炭的組成元素主要是O、C、Si、Al，共占元素組成的93.67%，其中O元素最多，為47.69%，其次是C元素，為30.04%。除了這4種主要元素外，還含有K、Fe、Ca、Mg、N、P、S 7種元素，共6.33%。

圖2 草炭的X射線光電子能譜分析圖Fig.2 X-ray photoelectron spectroscopy analysis of peat

表3 草炭表面各元素的XPS分析結果Tab.3 Results of elements on surface of peat by XPS analysis

注：1s、2p表示軌道電子峰，即原子中軌道電子被激發所測光電子能量，下同。

圖3是玉米秸稈的XPS能譜分析，分析結果如表4所示。玉米秸稈中，O元素的原子百分數為20.64%，C 元素的原子百分數為75.57%，N 元素的原子百分數為1.93%。此外，玉米秸稈中含量較多的其他元素依次為Ca(0.53%)、Si(0.39%)、Mg(0.32%)、K(0.21%)、Cl(0.13%)、S(0.13%)、P(0.12%)和Al (0.03%)等。通過草炭和玉米秸稈的XPS分析結果對比可以看出，草炭中N元素原子百分數和玉米秸稈中N元素原子百分數相當；草炭中Si元素原子百分數較高，達到10.76%；此外草炭中Al元素原子百分數達到5.18%，遠高于玉米秸稈中Al元素原子百分數；草炭中C元素原子百分數和玉米秸稈中C元素原子百分數差別較大，表明玉米秸稈中有機質含量遠高于草炭。

圖3 玉米秸稈的X射線光電子能譜分析圖Fig.3 X-ray photoelectron spectroscopy analysis of corn stalks

表4 玉米秸稈表面各元素的XPS分析結果Tab.4 Results of elements on surface of corn stalks by XPS analysis

2.2 不同配比對基質理化性質的影響

復配基質主要理化性質見表5。由表5可以看出，隨著CK1、T1～T5基質中玉米秸稈顆粒所占體積比的增加，基質容重逐漸降低，相對含水量逐漸增高，pH值逐漸增高，有機質含量增加。CK3、T6～T9隨著土壤含量降低和玉米秸稈含量的增高，有機質含量逐漸增加，總孔隙度逐漸增大，相對含水量也呈現上升趨勢，基質容重減少。這種現象主要是因為玉米秸稈有機質含量高、容重小，所以隨著基質中秸稈含量的增加，基質整體有機質含量上升，容重降低。黃瓜育苗基質適宜的pH值為微酸性至中性，因此添加土壤和秸稈的基質需通過一定方式調節pH值以適宜黃瓜幼苗生長。黃瓜幼苗適宜EC約為0.5～1.25 mS/cm，由表1可知，添加秸稈基質后的EC更符合黃瓜幼苗生長需要。黃瓜幼苗生長基質適宜的容重約為0.20～0.60 g/cm3，總孔隙度大于60%。根據上述這幾項標準，篩選得出適宜黃瓜幼苗生長的基質為CK1、T1、T2和T3。基質理化性質測試結果表明，在育苗基質中添加一定比例的秸稈，可以更好地滿足黃瓜的生長需求，促進黃瓜幼苗生長。

表5 不同處理基質的理化性質Tab.5 Chemical and physical properties of substrate under different treatments

2.3 不同基質配方對黃瓜出苗率的影響

CK1、T1～T3、T6～T8自黃瓜播種6 d開始出苗，至9 d黃瓜出苗穩定。T9、CK2、CK3自播種15 d開始出苗，出苗不齊。根據我國農業行業蔬菜育苗基質的相關規定，種子發芽率為95%，種子出苗率高于90%，CK1、T1、T2出苗率均高于90%。未腐熟的玉米秸稈內含有酚類等有害物質，在一定程度上抑制黃瓜幼苗萌發，根據對黃瓜幼苗出苗率的分析，基質中玉米秸稈體積含量應控制在20%以內，酚類等有害物質的抑制作用不明顯，超過20%，玉米秸稈中的有害物質將影響黃瓜種子的萌發(圖4)。從黃瓜出苗率的結果來看，玉米秸稈的含量并不是越多越好。

圖4 不同基質配方黃瓜出苗率Fig.4 Emergence rates of cucumber under different ratios of substrate

圖5 各處理組黃瓜幼苗株高的比較Fig.5 Comparison of cucumber height for each treatment

2.4 不同基質配方對黃瓜幼苗株高的影響

圖5是對黃瓜幼苗不同時期不同處理組株高變化的比較。T5組中未腐熟玉米秸稈中的有害物質影響了黃瓜種子萌發，T9、CK2、CK3組基質孔隙度尤其是透氣孔隙度均低于黃瓜幼苗的適宜孔隙度范圍，導致4組基質出苗率均低于50%，遠低于我國農業行業育苗基質標準，且實際栽培試驗過程中，黃瓜幼苗生長緩慢，無法正常進行數據采集，不再做分析。種子萌發15 d時，T2組株高顯著高于其他各組，T1、T3組間無顯著差異，僅次于T2組，T1～T3組株高均顯著高于CK1組，T4～T8組株高顯著低于CK1組；種子萌發20 d時，T2組的株高顯著高于其他各組，CK1、T1和T3組之間株高沒有顯著差異，在所有組別中，除T1、T2組，其余各組的株高均小于CK1組；種子萌發25 d，T1、T2組株高高于CK1組，但無顯著差異，其余各組顯著低于此3組；種子萌發40 d，T2組株高達(8.91±0.62)cm，為最大株高，顯著高于T1組和CK1組，兩組株高分別為(8.61±0.34)cm和(8.41±0.71)cm，其他各處理組均顯著低于對照組CK1。

2.5 不同基質配方對黃瓜幼苗莖粗的影響

圖6是不同種子萌發時期各處理黃瓜幼苗莖粗變化的比較。種子萌發15 d，T1組莖粗最大，T1、T2、T3組莖粗均大于對照組CK1，但無顯著差異；種子萌發20 d，T1、T3組莖粗顯著高于CK1，T2組莖粗低于對照組，但不顯著，T4～T8組莖粗顯著低于對照組；種子萌發40 d，T1組莖粗(4.34±0.27)mm，顯著高于其他組，T2組莖粗(4.25±0.42)mm，低于對照組CK1(4.26±0.56)mm，但不顯著，T3～T8組莖粗均顯著低于對照組CK1。基質中添加秸稈，一方面未腐熟的秸稈中含有酚類等有害物質會在一定程度上抑制黃瓜幼苗生長，另一方面秸稈增加了基質中有機質含量，一定程度上可為黃瓜幼苗提供更多的營養物質，促進黃瓜幼苗的生長。控制基質中玉米秸稈含量在20%以內，秸稈對黃瓜幼苗莖粗的促進作用占主導，一定程度上促進黃瓜幼苗的生長。

圖6 各處理黃瓜幼苗莖粗的比較Fig.6 Comparison of cucumber stem diameter for each treatment

圖7 各處理黃瓜幼苗葉綠素相對含量的比較Fig.7 Comparison of cucumber chlorophyll content for each treatment

2.6 不同基質配方對黃瓜幼苗葉綠素相對含量的影響

圖7是不同種子萌發時期各處理黃瓜幼苗葉綠素相對含量的變化與比較，種子萌發15 d，T6～T8葉片未展開，對照組CK1葉綠素相對含量最高，與T1、T2組無顯著差異，但顯著高于T3、T4組。種子萌發前35 d內，對照組CK1葉綠素相對含量均高于其他各組。種子萌發40 d，T1葉綠素相對含量(37.40±2.15)SPAD，顯著高于其他各組，CK1葉綠素相對含量(35.62±2.61)SPAD顯著高于T2～T8組，T2組葉綠素相對含量為(35.38±3.12)SPAD，僅次于對照組CK1。葉綠素相對含量影響黃瓜幼苗光合作用，對黃瓜幼苗生物量的增加有影響。在草炭基質中，用玉米秸稈代替一部分草炭，增加了孔隙度和有機質含量，對黃瓜幼苗根系的吸收和葉綠素的合成有一定的促進作用，但是添加的玉米秸稈過量，會因為秸稈含有的酚類等有害物質會抑制黃瓜幼苗的生長發育，進而影響葉綠素的合成。

2.7 不同基質配方對黃瓜幼苗葉面積的影響

圖8是不同種子萌發時期各處理黃瓜幼苗葉面積變化的比較。種子萌發15 d，T6～T8葉片未展開，對照組CK1葉面積顯著低于T1～T4，T3組葉面積(10.25±0.68)cm2，顯著高于其他組；種子萌發至20 d，T6～T8組葉片展開，顯著低于各組，T1、T2組葉面積顯著高于對照組；種子萌發至40 d，T7～T8組葉面積顯著低于其他各組，T1組葉面積(60.21±1.69)cm2，T2組葉面積(57.34±2.65)cm2，均顯著高于對照組CK1(26.49±2.78)cm2，T3、T4組顯著低于對照組CK1。秸稈添加量在一定范圍內能夠促進黃瓜幼苗的生長發育，添加量過多，未腐熟的秸稈中酚類等有害物質的含量增加，會抑制黃瓜幼苗的生長發育，使得葉面積減小。

2.8 不同基質配方對黃瓜幼苗根系活力的影響

圖8 各處理黃瓜幼苗葉面積的比較Fig.8 Comparison of cucumber leaf area for each treatment

圖9是種子萌發40 d黃瓜幼苗根系活力。T1組根系活力(118.306±30.611)TTFμg/(g·h)，T2組根系活力(100.53±2.71)TTFμg/(g·h)，均顯著高于對照組CK1的(79.27±2.48)TTFμg/(g·h)。當基質中秸稈含量超過20%，秸稈的抑制作用占據主導地位，因此除了T1、T2組根系活力高于對照組CK1外，其他各組根系活力顯著低于對照組。

圖9 各處理黃瓜幼苗根系活力的比較Fig.9 Comparison of cucumber root activity for each treatment

2.9 不同基質配方對黃瓜幼苗生物量的影響

表6是各處理生物量對比。CK1、T1、T2地上部干、鮮質量及地下部干、鮮質量高于其他各處理組，T1組地上部鮮質量(7.35±0.03)g，顯著高于對照組CK1；T1組地下部鮮質量(1.41±0.01)g，T2組地下部鮮質量(1.21±0.05)g，均顯著高于對照組CK1；T1地上部干質量(0.91±0.01)g，高于對照組CK1；T1地下部干質量(101.10±10.22)mg，顯著高于對照組CK1。根據相關數據對黃瓜幼苗根冠比和壯苗指數進行計算比較，T1根冠比顯著高于對照組CK1，T2組略低于CK1，但顯著高于其他各組；T1、T2壯苗指數顯著高于CK1，CK1顯著高于其余各組。這說明在普通基質中添加一定量的秸稈，對黃瓜幼苗生物質量的積累有促進作用，對黃瓜幼苗的生長起積極作用，可能添加秸稈的基質有機質含量較高，為黃瓜生長提供一定的營養物質，同時增大了基質的孔隙度，有利于黃瓜幼苗根部呼吸作用，促進黃瓜幼苗的光合作用及根部的延伸。整體而言，T1、T2處理組基質對黃瓜幼苗生長有促進作用。

表6 不同基質配方對黃瓜幼苗生物量的影響Tab.6 Effect of different ratios of substrate on cucumber biomass

3 結論

(1)適量的玉米秸稈代替草炭可以有效改善黃瓜育苗基質理化性質。通過試驗得出，T1配方(秸稈含量10%、草炭20%、沼渣20%、珍珠巖25%、蛭石25%)最佳，T2配方(秸稈含量20%、草炭15%、沼渣15%、珍珠巖25%、蛭石25%)也一定程度上改良了黃瓜育苗基質，適宜作物生長。

(2)用玉米秸稈代替部分草炭用于黃瓜育苗，可提高黃瓜幼苗的生理指標。采用T1基質，黃瓜幼苗的株高(8.61±0.34)cm、莖粗(4.34±0.27)mm、葉綠素相對含量(37.40±2.15)SPAD、葉面積(60.21±1.69)cm2、根系活力(118.306±30.611)TTFμg/(g·h)均顯著高于對照組CK1；T2基質與對照組生長指標相差不大，生物量顯著高于CK1，根系活力(100.53±2.71)TTFμg/(g·h)，顯著高于CK1組。

(3)控制玉米秸稈含量20%以內，對黃瓜幼苗生長有一定的促進作用，玉米秸稈用量超過20%，由于使用的是未腐熟秸稈，含有的酚類物質較多且纖維素也難以被植物利用，將抑制黃瓜幼苗生長。總的來說，在一定的比例范圍內，用未腐熟的玉米秸稈直接代替草炭，對黃瓜幼苗的生長發育有一定的促進作用，減少了腐熟秸稈發酵堆肥的復雜程序，可以更快捷地利用玉米秸稈。