番茄秸稈發酵產物循環利用效果研究

徐曉東，虞慧彬，白雅暉，楊振超

(西北農林科技大學 園藝學院，陜西 楊凌 712100)

2019年，我國蔬菜種植面積達到2 086.3萬hm2，總產量達到72 102.6萬t[1]，每年會有大量的廢棄秸稈產出，僅在2018年，中國的農業秸稈數量達到8.86億t[2]，成為全球農業秸稈資源最豐富的國家之一。番茄作為主要蔬菜作物之一，2019年種植面積達110萬hm2，產量約為6 300萬t[3]。這些農業秸稈通常被焚燒和掩埋[4]，焚燒排放的二氧化碳污染了大氣，加速了氣候變暖進程，而填埋處理增加了土壤的降解壓力。此外，秸稈中含有的大量營養物質無法得到合理利用，造成有機物的浪費[5]。植物攜帶的致病菌被轉移到土壤中，增加了作物和人類患病的風險。因此，對此類農業秸稈進行適當的處理，可以減少水、土壤污染、氣候變化、當地空氣污染和資源浪費。

農業綠色發展是全球農業未來的發展方向[6]。農業秸稈循環利用是農業綠色可持續發展的重要組成部分[7]。實現農業秸稈循環的研究很多，如好氧和厭氧發酵[8～10]。該方法的基本原理是通過好氧和厭氧微生物將有機廢棄物降解為低分子量化合物，在發酵過程中殺死致病菌和蟲卵，獲得富含有效營養物質和穩定腐殖質的產品[11]。其固體產物可作為肥料、土壤改良劑和對土壤和作物有益的栽培基質[12～14]，液體產物可作為營養液和肥料[15～16]。

近年來，有關番茄秸稈循環利用的應用研究已經取得了一些進展。耿鳳展[17]將番茄秸稈和牛糞堆肥的產物和蛭石按比例進行混合后進行番茄育苗，取得了較好的效果。胡曉婷[18]在番茄秸稈堆肥中加入10%的園土種植番茄，可以促進番茄生長，獲得較高的產量和較優的品質。辛鑫[15]將番茄秸稈堆肥浸提后的液體作為有機營養液，將體積比為7.5%的蛭石珍珠巖與番茄秸稈堆肥殘渣混合后作為栽培基質種植番茄，可以有效提高番茄品質。李琦[19]利用番茄莖稈好氧和厭氧發酵后的浸提液進行水培番茄可有效改善番茄的營養品質和風味。但關于利用番茄秸稈發酵后產物在番茄全生長期基質培上的應用鮮有報道。番茄秸稈循環利用技術將番茄秸稈廢棄物變廢為寶，成本投入小，這對農業生態環境的可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為“至尊1號”，由楊凌上王村番茄苗圃提供。將番茄秸稈好氧和厭氧發酵后的固體產物與蛭石進行配比作為供試栽培基質，具體配制比例如表1所示；厭氧營養液為厭氧發酵后的液體產物經過稀釋配制而成。栽培基質和營養液基本理化性質和養分含量情況如表2、表3、表4所示。

表1 試驗栽培基質配方

表2 栽培基質基本理化性質

表3 栽培基質養分含量

表4 營養液養分含量

1.2 試驗方法

試驗采用盆栽方式進行栽培，試驗所用盆缽為聚乙烯材質，規格為：30 cm×28 cm。每個處理三株，共設4個處理。以番茄普通商品基質(主要成分為草炭、蛭石、珍珠巖)澆灌厭氧營養液、好氧基質澆灌山崎配方營養液和厭氧基質澆灌山崎配方營養液為不同處理，分別記為T1、T2、T3，以普通商品基質澆灌山崎配方營養液為對照(CK)。處理方法見表5。于2020年3月進行定植，生長期間按照常規管理辦法進行田間管理，植株三穗果打頂。

表5 處理方法

1.3 測定項目與方法

1.3.1 栽培基質和營養液的基本理化性質及養分含量測定 栽培基質的容重和孔隙度測定方法參考土壤農化分析[20]。栽培基質的pH值、EC值測定采用1∶10(w∶v)測定；有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定；全氮含量采用凱氏法消解法，用AA3型連續流動分析儀測定；銨態氮和硝態氮采用KCL浸提，用AA3型連續流動分析儀進行測定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定。

1.3.2 番茄植株生長指標及產量測定 分別用卷尺和游標卡尺測量植株株高和莖粗；將植株鮮樣置于烘箱，105℃殺青1 h后65℃烘干至恒重即植株的生物量。葉綠素含量采用96%乙醇浸提法測定。用LI-6800型便攜式光合儀測量番茄植株開花期葉片的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導度。分別記錄每一株的單株結果數、單果重，并計算單株產量。

1.3.3 番茄果實營養品質指標的測定 硝酸鹽含量、可溶性糖和可滴定酸含量按照高俊鳳[21]的方法測定；將可溶性糖與可滴定酸的比值作為糖酸比；可溶性蛋白含量、維生素C含量分別采用考馬斯亮藍G-250染色法和鉬藍比色法測定。所有指標進行三次重復測定。

1.4 數據分析

分別用Excel 2010和IBM SPSS Statistics 26進行數據的整理和統計分析，用LSD法(Dunca′s)進行處理間多重比較分析，P<0.05為顯著水平，利用Word 2010和Origin 2018進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同處理對番茄形態及生理指標的影響

2.1.1 不同處理對番茄株高、莖粗的影響 由表6可知，不同處理的番茄植株株高在定植后10～20 d、40～50 d有所差異，CK處理的株高在定植后10～20 d生長較快，其株高顯著高于其他處理，為25.97 cm。定植后第30天，T1、T2、T3處理開始加速生長，與CK達到無顯著性差異水平。這可能是因為番茄秸稈發酵產物中的養分具有緩效性。在定植后第50天，T1和T2處理株高顯著高于CK，而T3處理株高與CK無顯著差異。到定植后第60～70 d，各處理的株高無顯著性差異。

表6 不同處理對定植后番茄株高的影響 (cm)

由表7可知各處理的莖粗在定植后10 d至30 d與CK有較大差異，T1、T2、T3處理的植株莖粗均低于CK；在番茄植株定植40 d之后各處理和CK之間差異逐漸所小，最終各處理間無顯著差異。這說明利用厭氧營養液、好氧基質和厭氧基質栽培番茄，其株高和莖粗在定植前期生長速度較CK緩慢，但到植株生長中后期生長速度加快，最終與CK無顯著差異。

表7 不同處理對定植后番茄莖粗的影響 (cm)

2.1.2 不同處理對番茄葉綠體色素含量的影響 葉綠素是作物進行光合作用的必要條件，光飽和點以下，葉片中的葉綠素含量與光合速率呈正相關。從表8可以看出CK植株葉片中葉綠體色素a最高，達到1.10 mg/kg，其次是T1處理，達到1.03 mg/kg，CK和T1差異不顯著。葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量在所有處理中的表現一致，其排序為CK>T1>T2 (P<0.05)>T3 (P<0.05)。T1、T2、T3處理的葉綠素總含量較CK低14.68%、23.65和47.71%。這些結果表明采用番茄秸稈發酵產物栽培番茄的植株葉片的葉綠體色素含量較低。

表8 不同處理對番茄葉片葉綠體色素含量的影響

2.2 不同處理對番茄光合特性的影響

表9為不同營養液和基質栽培下對番茄開花期葉片光合特性的影響，CK的凈光合速率最高，達到12.90μmol/m2/s。其次是T1和T2，與CK之間沒有顯著差異，T3處理的凈光合速率最低，為9.05 μmol/m2/s，較CK低 29.84%。CK的蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導度最高，分別為3.16 mmol/m2/s、264.74μmol/mol、0.22μmol/m2/s，T1和T2處理的蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導度與CK差異不顯著。T3處理的蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導度最低，較CK分別低41.46%、11.71%和50%。

表9 不同處理對番茄葉片光合特性的影響

2.3 不同處理對番茄產量的影響

試驗結果表明(表10)，所有處理的植株鮮重、干重以及平均單果重沒有顯著差異。所有處理中T2處理的單株產量最高，達到1454.03g，表明利用好氧基質栽培番茄能有效提高番茄的單株產量。T3處理單株產量最低，為980.70g，T1較T2處理單株產量高48.26%；CK、T1和T2之間無顯著的差異。

表10 不同處理對番茄產量的影響

2.4 不同處理對番茄品質的影響

由表11可知，所有處理之間果實品質存在一定差異，其中T1處理的維生素C含量最高，為75.96 mg/100 g，其次是T3,處理，為64.75 mg/100 g，然后是CK和T2，分別為63.07 mg/100 g和62.46 mg/100 g，其含量從大到小排序為T1>T3>CK>T2。T1可溶性蛋白含量最高，為0.21 mg/g，CK可溶性蛋白含量最低，為0.09 mg/g，T1處理的可溶性蛋白含量較CK高133.33%。T3處理和CK的可溶性蛋白含量無顯著差異，T1和T2處理的的可溶性蛋白含量無顯著差異。T1處理的可溶性糖含量最高，為4.14%，顯著高T2和T3處理，但與CK無顯著差異。所有處理的可滴定酸含量和糖酸比無顯著差異。CK果實中硝酸鹽含量最高，達到104.34μg/g，其次是T1和T2處理T3處理的硝酸鹽含量最低，僅為58.96μg/g，較CK低43.49%。T2處理的硝酸鹽含量顯著低于CK，為71.10 μg/g，較CK低31.86%。T1處理的硝酸鹽含量與CK無顯著差異。各個處理間的硝酸鹽含量均未超過國家規定的一級蔬菜硝酸鹽含量432 mg/kg的限量標準[22]。

表11 不同處理對番茄品質的影響

3 討論與結論

在筆者試驗中，利用厭氧營養液、好氧基質和厭氧基質進行番茄栽培過程中，生長前期，其株高和莖粗生長較緩，一定程度上低于對照(CK)，但后期生長速度加快，最后在定植后70 d時與CK的株高和莖粗無顯著差異，這可能是因為厭氧營養液和發酵基質釋放養分的緩效性所致，這表明利用厭氧營養液、好氧基質和厭氧基質栽培番茄可以基本滿足植株形態生長的需要。氮素的豐缺與植物葉片的葉綠素含量有密切的關系，缺乏氮素，作物葉片葉綠素含量降低，榮秀連[23]認為適宜的混合態的氮素有利于蔬菜葉片葉綠素含量的提高，在本試驗中，厭氧基質栽培番茄葉片的葉綠素含量最低，這與牛博宇[24]的研究結果相反，出現這種現象的原因可能是因為厭氧基質通氣空隙度較大、持水孔隙度較小而造成營養液養分的流失，而厭氧基質本身硝態氮含量較少，不能滿足適宜的銨態氮/硝態氮比例，同時限制了根系對氮素的利用率降低[25～26]。光合作用是植物形成生物產量的生理代謝基礎[27]。試驗結果表明厭氧基質栽培會使番茄開花期葉片凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度降低，從而影響光合產物的生產和分配[28]；雖然厭氧基質中有效鉀含量較高，但其持水孔隙度影響的根系對鉀元素的吸收和利用，這可能是厭氧基質栽培番茄果實產量較低的原因之一。

筆者試驗中T2(好氧基質栽培)單株產量最高，說明番茄秸稈好氧發酵固體產物作基質可以促進番茄產量的提高，這與胡曉婷[18]、李瑞琴[29]的研究結果一致。利用厭氧營養液栽培番茄(T1)產量與CK無顯著差異，這與韓春葉[30]、豁澤春[31]、趙自超[32]在沼液促進作物產量的研究結果類似。品質方面，采用厭氧營養液栽番茄比對照(CK)表現出更高的維生素C、可溶性蛋白含量和更低的硝酸鹽含量但沒有達到顯著性差異，這與辛鑫[15]、李琦[19]的研究結果一致，這表明采用厭氧營養液栽培番茄可以顯著提高番茄果實品質。鉀元素對番茄果實中維生素C具有明顯影響[33]，這可能因為厭氧營養液中含有較高的速效鉀含量促進了維生素C的積累。此外厭氧發酵液中富含氨基酸類物質，是合成可溶性蛋白的重要前提物質，其中一些種類可以直接被植物體吸收轉化成有機態氮利用，對提高果實產量和品質具有重要作用[19,34]。利用好氧基質栽培番茄與對照(CK)相比有著更高的可溶性蛋白含量和更低的硝酸鹽含量，這與胡曉婷[18]的結果一致。維生素C、可滴定酸和糖酸比與CK沒有達到顯著性差異,可能是因為番茄秸稈好氧發酵固體產物的加入可調節基質中微生物活動，其分解礦化的速效養分被植物直接吸收利用，促進了植株的根系發育[35]。發酵產物中存在的氨基酸如甘氨酸能夠降低植物體內硝酸鹽含量，并且有研究表明施用氨基酸能夠提高作物產量和品質[36]，這可能是好氧基質栽培番茄可溶性含量高，硝酸鹽含量低的原因之一。

研究采用盆栽試驗，將番茄秸稈好氧和厭氧發酵后的固體產物與蛭石進行配比后作為栽培基質，利用番茄秸稈厭氧發酵液稀釋后作為栽培營養液種植番茄，研究番茄產物循環利用后對番茄產量和品質的影響。研究結果表明厭氧營養液栽培番茄與對照相比，具有更高的維生素C、可溶性蛋白和可溶性糖含量，具有更低的硝酸鹽含量。好氧基質栽培番茄與對照相比具有更高的產量、可溶性蛋白含量和更低的硝酸鹽含量。利用番茄秸稈發酵后的產物再次種植番茄，可多次循環利用，不僅可以節約成本，降低資源的浪費和對生態環境的污染，又能夠增加番茄產量、改善品質。