有機物料基質化利用及靶向優化調控研究進展

摘 要 農業產業化帶來有機物料過剩，基質化利用是處理過剩有機物料的主要途徑之一，也是發展循環農業的主要方式。然而，有機物料或基質化產品施用會對作物根際環境產生影響，改變土壤中微生物群落組成、豐度、酶活性和肥力。其中，土壤酶活性和微生物是參與物質循環的關鍵因素，相互之間的關聯和作用最終影響作物的生長發育。對產業發展中常見的過剩有機物料現狀和基質化前景進行了分析，并以藍莓種植為例，探討了國內外在藍莓栽培基質優化選擇方面的研究，提出應綜合考慮目標作物的生長生理特性和土壤微環境條件等因素，靶向性優化有機物料基質化的調控思路，因地制宜充分利用有機物料適地改造栽培環境，以期為管理者與農業生產者田間管理提供科學參考。

關鍵詞 有機物料；基質化；土壤微環境；靶向調控

中圖分類號：S318；Q249 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.13.017

發展高效農業已成為產業振興的關鍵，是調減低效作物、增加農民收入、三產融合發展的有力舉措。比如，我國食用菌產量占世界總產量的75%以上，2010—2021年，食用菌總產量增至4 133.96萬t，增幅87.81%，總產值增幅145.94%。再如地方經果林發展，2018年貴州果園面積達47.2萬hm2，產量330萬t，產值168億元，帶動致富人口49.9萬人，占全省脫貧人口的17.8%，近年來發展到果園面積50.67萬hm2，產量420萬t，產值超過250億元。部分水果品種的種植規模位居全國前列，其中藍莓和李栽培面積居全國第一，獼猴桃栽培面積居全國第三，水果產業已是貴州貫徹綠色發展理念的重要舉措。農業經濟的迅速發展，隨之帶來的是副產品如農業廢棄物料過剩，處置不當會帶來環境問題，還會造成資源浪費。充分利用過剩有機物料發展循環農業，因地制宜充分利用有機物料適地改造栽培土壤，提升作物生長環境是農業高質量發展的主要路徑之一。

1" 有機物料基質化應用

1.1" 有機物料基質化前處理主要考慮的因素

農業廢棄物基質化主要考慮因素有以下幾個：1）植物根系結構，要求栽培基質疏松濕潤、透氣排水性好[1]，有機質含量豐富[2]；2）果蔬作物適宜的pH值生長環境，超過適宜范圍易引起果蔬生長不良、礦質元素缺乏、果實品質下降，甚至植株死亡[3]。

1.2" 有機物料基質化主要面對的挑戰

目前果蔬栽培基質來源及存在問題：1）商業購買運輸期長、成本高，且存在通用性較低、地區局限性問題[4]；2）外源調節劑使用會對栽培基質造成干擾，如調節酸性環境用的硫磺粉見效慢，長期施用會導致土壤板結，有人用食用醋、糠醛渣替代硫磺粉調節pH值，取得了良好效果，但來源局限，難以滿足生產需要[3]；3）目標作物對栽培環境要求高，如適宜藍莓生長的土壤較少，大部分栽培地塊需要進行土壤改良。前期調查研究發現，藍莓果發酵的紅酒渣pH值為3.28，可以回收利用作為酸性基質的重要制備原料[5]，因此，課題組將藍莓紅酒糟與牛糞按照一定比例進行混合堆肥處理研究，結果表明，堆肥后藍莓紅酒糟pH值由最初的3.28增加到5.86，接近藍莓生長最佳值4.5～5.5[6]，EC值0.79 mS·cm-1，小于2.6 mS·cm-1[7]，適合藍莓生長，堆肥品種子發芽率指數為78%，達到可接受程度，基本無毒性，重金屬（As、Hg、Pb、Cd、Cr）含量均在標準限量范圍內，混合后堆肥品銨態氮、有效磷、速效鉀、有機質和有機碳等均優于外購的商品基質，是非常適宜作藍莓栽培基質的原料[8]。

1.3" 有機物料基質化對土壤環境影響的評估

有機物料基質化利用中，應注意事后評估，盲目施加和粗放管理易造成養分流失，甚至改變土壤利用價值。因此，客觀評價有機物料與土壤根際環境的相互關系和作用對研究低成本、產量大、資源利用率高的作物栽培基質有非常重要的意義，符合農業循環經濟和生態農業要求[9]，也為商業微生物菌肥和有機肥的選用提供了科學依據。以食用菌渣基質化為例，分析應用前景：菌渣是食用菌生產的副產品，菌渣中殘留大量菌絲體，富含氨基酸、纖維素、碳氫化合物和微量元素，可經過加工處理生產有機肥。食用菌產業為農業結構調整和產業振興的主攻產業之一，2021年我國食用菌產量4 133.94萬t。按菌渣量是食用菌的5倍計算[10]，菌渣年產生量高達2億t。菌渣物理性狀：容重輕、孔隙大，透氣性好，并且菌渣中的菌絲能降解纖維素和半纖維素、木質素等，生長過程中會向菌渣分泌代謝產物、菌體蛋白、微量元素等多種養分，pH值略高于7；化學成分：含有纖維素、木質素、維生素、礦質元素等，氮含量為3.24%。菌渣在基質栽培中因pH值、EC值偏高，氮磷鉀含量高，容易造成燒苗現象[10]，不能直接用于果蔬栽培，可改良處理后作為果蔬人工調控栽培的良好物料，同時菌渣有機固體廢棄物在果蔬栽培基質上應用，不僅使資源得到充分利用，提高果蔬商品性質，還大大降低人工栽培成本，生態效益和經濟效益顯著[11]。呂品等在2012年將菌渣、草炭與園土混合用于藍莓栽培，促進了藍莓生長[11]。

2" 研究現狀

2.1" 國內研究情況

科研人員對果蔬種類、繁殖方式、栽培條件等開展了大量研究[12]，其中栽培基質是關鍵控制技術之一[13]，基質是栽培成功的主要物質基礎[14]。以藍莓栽培基質研究為例，藍莓適宜生長在15 cm厚的磨碎的松樹皮中，因此，在我國北方常使用松針、樹皮等摻入土壤作為盆栽基質[14]。近年來，國內對有機廢棄物資源化用于果蔬栽培基質的研究增多，椰糠用在藍莓栽培基質上，性質穩定，9年仍保持高產期；尤毅等將花生殼、草炭與園土按比例設3個栽培基質觀測巴爾德溫的生長量、開花結實、果實品質和物候期等，結果以田園土︰花生殼按1︰1配制效果最好[4]；楊芩等用松針土、玉米秸稈和園土按照1︰1︰3的體積比作為藍豐的栽培基質，比較硫磺粉和木醋降低對pH值降低的效果，認為木醋見效快；秦霞等研究發現，園土︰椰糠土︰有機肥按照2︰1︰1的混合基質用99.5%硫磺粉將pH值調節到5.61，南高叢藍莓密斯蒂綜合表現最好[15]；黃科等使用硫磺粉調節pH值為4.53，最適宜南高叢藍莓“夏普藍”的生長，為藍莓輕基質育苗及立地條件提供了理論依據[16]；房小晶等研究得出，以松林腐殖土︰珍珠巖為3︰2的栽培基質適合藍莓組培苗生長[17]；于志民等以玉米秸稈木醋液、草炭、松樹皮和園土為原料，結果表明，木醋酸性栽培基質（將松樹皮與園土按1︰1比例混合，用硫酸溶液調酸）和草炭基質處理對設施藍莓生長、抗病性及果實品質調控效果顯著[18]；魏殿文等認為有機質含量高的基質配方可提供更多的養分，有利于N、P、K持續供應，盆栽基質應摻入草炭和沼渣等有機物料[14]；于志民等將草炭、園土和腐爛松樹皮按4︰1︰1配制，添加木醋液30 mL·盆-1，藍莓美登的生長狀況和果實品質最佳[18]；菌渣、草炭與園土混合基質可以促進藍莓生長[19]。

2.2" 國外研究情況

國外對藍莓栽培基質的替代原料研究相對較早，不斷探索擴大栽培基質的來源，且主要集中在2012年前，積累了一些種植經驗。Krewer等篩選了可用的廢棄物或低成本有機材料，對軋棉機廢渣、山核桃殼、硬木“水槽”土、城市庭院廢渣、城市喬木輔料、松木進行評價，結果表明，松桿和伐后削皮是一種優良的、低成本的替代磨碎松皮生產藍莓的方法，且認為基質氮缺乏對藍莓生長影響較小[20]；Ristow等研究發現，泥炭蘚基質和泥炭+珍珠巖、泥炭+珍珠巖+椰絲、泥炭+珍珠巖+鋸末混合基質可以提高藍莓生根率[21]。Vohník等用松木凋謝物、樹皮和木屑作為藍莓的栽培基質[22]；Goncalves等研究得出砂層與松樹皮可以組成效果較好的基質[23]。Sumedrea等用泥炭與鋸末、殘積土硫粉配制的基質效果最好[24]；Kingston等認為，泥炭和椰子是高叢藍莓生長良好的基質[25]；Ferreyra等將土壤與鋸末混合，用pH值為2的灌溉用水作為兔眼藍莓栽培基質[26]；Ochmian等以木屑和泥炭為栽培基質用酸化水灌溉[27]；Ancu等將泥炭與糞肥基質以硫調節酸性處理可以提高果實大小[28]；Damiani等在栽培中添加珍珠巖和蛭石，增加了藍莓根系的重量和生根率；Xie 等研究發現，蛭石和木屑混合基質可以增加藍莓的葉片數量、枝長等；Ochmian等用泥炭、木屑、可可殼作為栽培基質[27]；Kim等用泥炭改善土壤條件，并探討鋸末和可可殼作為土壤改良劑的可能性[29]；Delian等從藍莓生長活力角度對比發現，泥炭加肥料和泥炭加蒸餾殘渣作為藍莓栽培的改良劑效果最好[30]；Ristow等發現，土壤與米糠皮、金合歡樹皮與土壤基質最適合藍莓種苗生產，而松針覆蓋物和土壤、土壤和米糠皮、金合歡樹皮和土壤作為栽培基質適合藍莓生產[21]；Ancu等將泥炭糞肥處理用硫粉調節酸性用于藍莓栽培取得良好效果[28]；Altland等將柳枝稽替代松樹皮，通過添加海綿苔癬、固體廢物堆肥品改善基質物理性質，用于藍莓栽培[31]。

3" 作物根際微環境對栽培基質的響應

農業生產中，土壤養分受降雨、種植模式、耕作深度和栽培基質等影響，常常通過田間管理促進養分循環。不同有機物料或基質處理會顯著影響土壤微生物群落結構，多種物料配施會改變微生物多樣性和種群數量[32]。不同有機質施用會改變微生物豐度和養分傳遞吸收效果，如松林地到草地，稻田到蔬菜地存在時空變化，土地利用變化會影響營養元素的傳遞和有效性，具體表現在土壤結構、土壤質地、養分、含水量和土壤容重等重要指標；林—草結構向草—旱結構轉變可減少養分流失，退耕還林還草可以增加土壤有機質、全氮、速效磷、速效鉀含量等，林地、草地和耕地的土壤結構養分存在差異[33]。龐飛以楊樹枝條、玉米秸稈及氮肥作為材料，研究其對枸杞根際土壤養分含量、土壤酶、微生物群落功能多樣性、遺傳多樣性的影響，發現添加有機物料會提高根際土壤中養分含量和酶活性，并且改變了根際微生物群落結構[34]。梁志婷等根據旱作農田現狀，研究土壤微生物群落結構對保護性耕作措施的響應[35]，發現土壤養分與微生物群落結構顯著相關。鄭琳利用16 S rRNA分析不同土地利用和類型土壤細菌，發現同種果樹群落組成因土壤環境條件演變。

土壤微生物與土壤理化性質關系密切，微生物影響土壤肥力，改變土壤結構、透氣透水性，促進有機物料或栽培基質腐爛降解，改變團聚體含量。研究發現，土壤細菌含量與土壤C︰N呈顯著負相關；真菌分解難利用有機物與高質量碳呈正相關；細菌分解易利用有機質與低質量碳呈顯著正相關[35]。不同土壤系統對土壤微生物群落影響可達到10年左右，通過改變土壤特性如pH值、有機質含量、土壤結構、小氣候等影響微生物群落，尤其是真菌。總之，鑒于微生物群落有控制物質循環和流動功能，對土壤承載能力、外界環境脅迫有抵抗力，并且土壤環境因子作用于群落結構和種群大小，可以將微生物群落結構變化用于指示土壤環境是否良性。

有機物料利用中，土壤酶參與土壤生化和養分循環過程，酶活性顯著影響土壤微生物結構，是評價有機質的物質循環和土壤肥力的重要指標。如葡萄糖苷酶有助于有機質和植物殘體降解；脲酶可以催化水解尿素轉化NO3—引起水體污染，通過抑制脲酶活性可以降低氮素流失；酸性磷酸酶在催化有機磷和磷素中有重要作用。

4" 結論與展望

有機物料的基質化處理與利用是農業產業化、規模化發展帶來的過剩有機物料主要處置途徑之一，也是今后有機物料有效處理方法和關注的焦點領域。應該在基質化處理、施加量控制等田間管理中，聚焦地下C、N、P及其速效養分的同時，充分考慮施加對象作物的生長生理特性，結合微生物群落變化和酶活等地下微環境的系統研究，綜合評價基質化利用效果，為靶向性優化有機物料基質化處理提供科學依據。

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（責任編輯：易" 婧）

收稿日期：2023-12-08

基金項目：貴州科學院青年基金項目（黔科院J字〔2020〕04號）。

作者簡介：陳紅梅（1980—），本科，農藝師，研究方向為農業技術推廣。E-mail：715846854@qq.com。

*為通信作者，E-mail：whefeng@126.com。