無土栽培基質對四種葉菜類蔬菜某些生理指標的影響

童貫和 羅勛 劉天驕

摘要：以腐熟油菜秸稈、煤矸石等廢棄資源為原料，按煤矸石與腐熟油菜秸稈體積比為2∶8、3∶7、4∶6、5∶5 和6∶4的比例配制成 5 種混合基質，以菜園土為對照（CK），在人工光照室內用盆栽的方法栽培菠菜（Spinacia oleracea L.）、莧菜（Amarantus mangostanus L.）、白菜（Brassica chinensis L.）和生菜（Lactuca sativa L.）4種葉菜類蔬菜，分別于定植后30 d和55 d測定植株體內的葉綠素含量、根系活力、氣孔導度及凈光合速率，研究腐熟油菜秸稈、煤矸石按不同配方組成的混合基質的理化性質以及栽培在混合基質上的4種蔬菜生理活動特性，評價出混合基質的最佳配方。結果表明，5種混合基質的水氣比合理，容重較低，營養豐富，具有較好的理化性狀。在混合基質上栽培的4種蔬菜的葉綠素含量、根系活力、氣孔導度、凈光合速率均顯著高于CK，尤其是配比為4∶6的混合基質上生長的蔬菜，除根系活力略低于配比為3∶7的混合基質外，其余3項指標均最高，表明5種混合基質配方以4∶6最優，其次為3∶7。

關鍵詞：煤矸石;油菜秸稈;無土栽培基質;蔬菜;生理指標

中圖分類號：S317;S636? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）21-0113-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.023

Abstract： Spinach （Spinacia oleracea L.）， amaranth （Amarantus mangostanus L.）， Chinese cabbage （Brassica chinensis L.） and lettuce（Lactuca sativa L.） were cultivated in the pot in the biotron， using soilless culture mediums composed of rape straw and decomposed coal gangue. Five culture mediums with the volume ratios of decomposed coal gangue and rape straw of 2∶8，3∶7，4∶6，5∶5 and 6∶4， respectively， were set， and the garden soil was used as control. After 30 and 55 days cultivation， the chlorophyll content， root activities， stomatal conductance and the net photosynthetic rate of four vegetables were measured. At the same time， the physicochemical properties of soilless culture mediums， as well as the characteristics of physiological activities of the four vegetable crops growing on different mediums were studied， in order to determine the best soilless culture medium. The results showed that the five soilless culture mediums had good physicochemical properties， with appropriate water-air ratio， lower unit weight， and more nutrition. Compared to the control， the vegetable crops growing on the soilless culture mediums had significantly higher chlorophyll content， root activities， stomatal conductance and net photosynthetic rate. Especially for the vegetables growing on the soilless culture medium with the volume ratios of decomposed coal gangue and rape straw of 4∶6， it showed the highest values on all indicators except for a relative lower root activity than vegetables on the soilless culture medium with the volume ratios of decomposed coal gangue and rape straw of 3∶7. In conclude， the best volume ratios of decomposed coal gangue and rape straw was 4∶6， and the second was 3∶7.

Key words： decomposed coal gangue; rape straw; soilless culture mediums; vegetable; physiological index

有機生態型無土栽培技術由于可生產無公害綠色蔬菜[1]，在中國已經得到了廣泛的應用。有機生態型無土栽培技術是以有機物、無機物為原料，按一定的體積比組成混合基質，并在其上栽種蔬菜的一項農業新技術。組成栽培基質的有機原料多為農作物秸稈或農產品加工后的廢棄物等;無機原料一般種類較多，如爐渣、河沙、蛭石、珍珠巖等。作為重要農業資源的農作物秸稈，含有豐富的氮、磷、鉀及多種微量元素[2]，而煤矸石是煤炭開采過程中的廢棄物，矸石中不僅含有豐富的鉀，還含有一定量的磷和氮，同時煤矸石還具有吸熱、貯熱和較耐風化的特點[3]。因此若以煤矸石、農作物秸稈作為無機、有機原料配制混合基質，對于栽培植物的生長發育將起到很好的增進作用，也能夠更好地促進蔬菜作物的高產量、高營養和高品質。

隨著中國工農業生產的發展，近年來形成和積累了大量的工農業廢棄物（如農作物秸稈、煤矸石等），這些廢棄物的堆積和排放不僅破壞了當地的生態環境，也占用了大量土地[4，5]。中國當前工農業廢棄物的利用率均不高，農作物秸稈每年都有大量被焚燒[6]，煤礦區的煤矸石也是堆積如山，只有少量被用于燒制水泥、制磚及充填塌陷區復田[7]，綜合利用率較低，不到30%。因此，如何充分有效地利用這些廢棄資源，對于農業可持續發展和改善當地生態環境都具有十分重要的意義。本研究以油菜秸稈、煤矸石和豬糞等工農業廢棄資源為原料，配制有機生態型無土栽培基質，并在其上種植菠菜（Spinacia oleracea L.）、莧菜（Amarantus mangostanus L.）、生菜（Lactuca sativa L.）和白菜（Brassica chinensis L.），研究以腐熟油菜秸稈與煤矸石為原料，按不同的體積比配制而成的混合基質的理化性質，以及栽培在該基質上的蔬菜生理活動規律，以期找出由腐熟油菜秸稈與煤矸石組成的有機生態型無土栽培基質的最佳配方，為工農業廢棄資源的再利用尋找一條新的途徑。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

煤矸石采自淮南市謝家集礦區，經人工破碎成粒徑1～10 mm的細粒。油菜秸稈取自淮南市三河鄉陶圩村第一村民組當年秸稈，風干后粉碎至1～5 cm，添加質量分數為15%的殺菌豬糞（取自淮南市許莊農工商聯合體養豬場）與質量分數為l%的尿素，含水量控制在60%左右，碳氮比為30左右，覆蓋塑料薄膜密閉，進行靜態高溫堆制。定時翻堆補充水分與氧氣，第一次翻堆于堆制后第五天進行，后每7天翻堆1次（共6次），再每15天翻堆1次（共3次），然后保持自然狀態，堆制腐熟結束后風干。菜園土（馬肝土）取自淮南市郊區蔬菜種植區。主要原料基本理化性狀見表1。

試驗所用的煤矸石、油菜秸稈和殺菌豬糞以及由它們組成的混合基質已經進行了重金屬污染和生態風險評價，以土壤環境質量一級標準值為參比的評價結果為安全與優良[8-10]。

供試作物為菠菜、莧菜、白菜和生菜4種蔬菜，種子由淮南市種子公司提供。

1.2? 試驗設計

試驗按不同配方配制混合基質，共設5個無土栽培基質處理，即煤矸石與腐熟油菜秸稈的比例（體積比）分別為2∶8（T1）、3∶7（T2）、4∶6（T3）、5∶5（T4）和6∶4（T5）;同時以菜園土作為對照（CK）。將5種混合基質及土壤分別裝入高30 cm、直徑30 cm的花盆中，裝盆高度28 cm。裝盆時菜園土采用一次性施入基肥的方法，肥料施入量為過磷酸鈣0.83 g/kg、尿素0.33 g/kg、氯化鉀0.25 g/kg[11];5種混合基質不作施肥處理。4種蔬菜盆栽試驗在淮南師范學院生物科學實驗中心人工光照栽培室中進行，4種蔬菜種子經殺菌浸種催芽后分別播種于128穴育苗盤中，出苗35 d后當幼苗長至3葉1心時定植，每盆定植2株，采用完全隨機區組設計，每種處理4次重復，常規栽培管理。

1.3? 樣品采集與測定

取一內徑為10 cm的硬質聚已烯圓管、截高16 cm，底部放一塊塑料圓板作管底，與圓管外徑相同并用透明膠緊密粘連，使其不漏水。圓筒容器體積為1 256 cm3，稱其重為W0。將圓筒加滿自然風干的混合基質，稱重為W1，并在水中浸泡24 h，稱重為W2，再用重量為W3的濕紗布包住圓筒口，并把圓筒倒置，讓圓筒容器中的水流出直至沒有水滲出為止，稱重為W4。按以下公式計算：

容重=（W1-W0）/1 256;

總孔隙度=（W2-W1）/1 256×100%;

通氣孔隙=（W2-W4+W3）/1 256×100%;

持水孔隙=總孔隙度-通氣孔隙;

大小孔隙比=通氣孔隙/持水孔隙。

定植后30 d和55 d分別對4種蔬菜取樣，測定相關生理指標。光合速率、氣孔導度用LI-6200型便攜式光合測定儀在光合有效輻射量大于1 000 μmol/（m2·s）下選定完全展開的第二葉測定，每處理測定4片葉。葉綠素含量參照Arnon法，根系活力采用TTC還原法測定[12]。

采用pH 酸度計（電位法）測定pH（水土比為2.5∶1），采用DDS-307電導率儀測定電導率（水土比為5.0∶1）[13]，采用重鉻酸鉀法（外加熱法）測定有機質含量，采用擴散法測定全氮和堿解氮含量，采用鉬銻抗比色法測定全磷和有效磷（P2O5）含量，采用火焰光度計法測定全鉀和速效鉀（K2O）含量[14]。

采用Duncan新復極差測驗法和Microsoft Excel（Office XP）統計軟件分析數據。

2? 結果與分析

2.1? 混合基質的理化特性

由表2可以看出，隨著煤矸石含量的增加，5種混合基質的容重也隨之增加，而通氣孔隙、持水孔隙、大小孔隙比以及總孔隙度卻有所下降，但這些指標的變化幅度均處于適合植物正常生長的范圍內[15]。與土壤（CK）相比，由于混合基質中有機質含量較高，使基質的容重降低，孔隙度增加，水氣比較為合理，所以能夠更好地協調根系水分和氣體供應之間的矛盾。

由表2還可以看出，隨著煤矸石含量的增加，5種混合基質的有機質含量、電導率、全氮含量、堿解氮含量和碳氮比也隨之下降，全磷、有效磷、全鉀、速效鉀的含量以及pH逐漸增加，表明5種混合基質的供氮能力、供肥潛力隨著煤矸石含量的增加而降低，但基質的供磷、鉀能力隨之增加而增強。與土壤（CK）相比，基質的營養豐富，各種營養成分比例協調。

2.2? 混合基質對4種葉菜類蔬菜葉綠素含量的影響

在植株正常生長條件下，葉綠素含量的高低不僅能反映植株的長勢情況，也是表征植物光合作用強弱的重要參數。分別在定植后30 d和55 d測定4種蔬菜（白菜、生菜、菠菜、莧菜）植株體內葉綠素含量，其結果見表3。定植后30 d和55 d的4種蔬菜CK的葉綠素含量最低，極顯著低于5種混合基質。表明混合基質能顯著增加葉菜類蔬菜體內的葉綠素含量。5種混合基質中，隨著煤矸石含量的逐漸增加，4種蔬菜的葉綠素含量呈先升高后下降的趨勢，T3處理的葉綠素含量最高，T5處理最低，T1、T2、T3處理間無顯著差異，T5與T1、T2、T3處理間差異顯著或極顯著（除30 d的白菜外），T5與T4處理間除55 d的莧菜有差異外其余無差異。

2.3? 混合基質對4種葉菜類蔬菜根系活力的影響

根系活力反映了植物對混合基質中水分和礦物質的代謝能力，是表征植株吸收功能的綜合指標。由表4可以看出，定植后30 d和55 d的4種蔬菜根系活力CK最小，與T1、T2處理差異顯著或極顯著（除55 d的菠菜及30 d莧菜的T1處理外），與T4、T5處理無差異;與T3處理相比，白菜差異極顯著，生菜、菠菜和莧菜的差異較小。這表明混合基質能提高蔬菜的根系活力。5種混合基質中，隨著煤矸石含量的增加，4種蔬菜的根系活力呈先升高后下降的趨勢，T2處理的根系活力最高，T5最低，除T5處理的白菜及55 d的莧菜與T1、T2處理間有顯著或極顯著差異外，其余無差異。

2.4? 混合基質對4種葉菜類蔬菜凈光合速率的影響

凈光合速率是衡量植物光合作用強弱的重要指標。由表5可知，定植后30 d和55 d的4種蔬菜凈光合速率CK最小，且與生長在5種混合基質上的相比，在白菜和生菜中，與所有處理差異極顯著;在菠菜和莧菜中，與T1、T2、T3處理差異極顯著，與T5處理差異較小。這表明混合基質能夠提高蔬菜的凈光合速率。5種混合基質中，隨著煤矸石含量的增加，4種蔬菜的凈光合速率呈先升高后下降的趨勢，T3處理的凈光合速率最高，T5處理最低。T3與T2處理間差異較小，與T1處理間有顯著或極顯著差異，與T4、T5處理間差異極顯著。

2.5? 混合基質對4種葉菜類蔬菜氣孔導度的影響

氣孔導度表示的是氣孔張開的程度，其大小直接影響植物的蒸騰作用、光合作用以及呼吸作用。分別在定植后30 d和55 d測定4種蔬菜植株的氣孔導度，結果見表6。定植后30 d和55 d 4種蔬菜的氣孔導度CK最小，均顯著或極顯著低于5種混合基質處理，表明混合基質能夠顯著增大葉菜類蔬菜的氣孔導度。5種混合基質中，隨著煤矸石含量的增加，4種蔬菜的氣孔導度呈先升高后下降的趨勢，T3處理的氣孔導度最大，T5處理最小;T3處理除與生菜及55 d莧菜的T2處理間無差異外，與其他處理差異顯著或極顯著。這表明T3處理基質的配比適宜，保水保肥性能好，有利于葉菜類蔬菜氣孔的張開。

3? 小結與討論

目前，基質栽培占無土栽培的90%以上[16]，是蔬菜無土栽培的主要形式。因此基質栽培的研究重點應放在如何選擇成本較低、來源廣泛、理化性質適宜的基質原料上。本試驗以腐熟油菜秸稈、煤矸石為原料組成有機生態型無土栽培混合基質，不僅能夠用以容納根系生長，支持和固定植物，又能夠緩解工農業廢棄物對當地環境污染所造成的壓力，同時由于混合基質中含有各種大量元素和微量元素，也成為作物生長發育的重要養分來源。因此，在完全不使用化學肥料的前提下，本試驗中的混合基質為蔬菜的生長發育提供了協調、穩定的氣、水、肥根際環境，固定、支持植物良好，而且不存在重金屬污染[10-12]，混合基質基本滿足了蔬菜有機生態型無土栽培對基質的要求[17]，生產的蔬菜產品完全達到了A級或AA級的綠色食品標準[11，12]。

本試驗結果表明，混合基質上栽種的4種葉菜類蔬菜的葉綠素含量、根系活力、凈光合速率、氣孔導度均顯著高于土壤栽培，說明混合基質對蔬菜作物的生理活動具有更好的促進作用。植物的離子和水分的主要吸收器官是根系，其生長情況和根系活力大小直接影響植物的生長發育。由于混合基質的總孔隙度大，容重輕，大小孔隙比例適中，通氣透氧性能好，保肥保水性能優良，更能滿足蔬菜作物對營養和水分的吸收需要，因而促進了植物根系的生長和根系活力的提高。根系吸收能力的增強，也使地上器官中Fe、Mn、Cu、Zn等礦質元素含量增加。這些礦質元素是葉綠素合成的必需條件，促進了蔬菜作物葉綠素的合成。光合作用的啟動者是葉綠素，在一定范圍內，葉綠素含量越高，凈光合速率越強，光合同化產物積累的就越多[18]，而較多的同化產物又會進一步促進根系的發育和根系活力的提高。植物葉片與外界進行氣體交換的通道主要是氣孔，通過氣孔擴散的氣體有CO2、O2和水蒸氣。所以用來表征氣孔張開程度的氣孔導度大小直接影響植物的蒸騰作用、光合作用和呼吸作用[19]。本試驗混合基質上栽種的4種蔬菜的氣孔導度顯著或極顯著高于土壤栽培，表明混合基質通過增加葉片氣孔導度提高蒸騰速率，進而促進了蔬菜作物光合速率的增加。這一試驗結果與沈軍等[20]用不同基質對觀賞南瓜幼苗的栽培試驗結果相一致。

栽培基質的理化性質不僅取決于混合基質的原料組成，也取決于混合基質配方的優劣。本試驗結果表明，5種混合基質上栽培的4種蔬菜以T3處理的葉綠素含量、氣孔導度和凈光合速率最大，根系活力也較高，說明T3基質配方較優，其理化特性更能促進蔬菜作物的生理活動。此外，定植后55 d的4種蔬菜與定植后30 d的相比，其體內葉綠素含量、根系活力、凈光合速率、氣孔導度都有所增加，表明在混合基質上生長的蔬菜，其生理活動會隨著株齡的延長進一步加強。目前對于蔬菜生理活動與混合基質的使用時間長短之間的相關程度還不十分清晰，有關此類問題尚需作進一步的研究。

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