陳春林， 王琳洋， 單夢偉， 裴甜甜， 王吉慶， 肖懷娟，李娟起， 李猛， 杜清潔
（河南農業大學園藝學院，鄭州 450046）
在蔬菜育苗生產中，基質不僅起到固定和支撐植物的作用，還為植物提供水分和礦質營養元素。理想的育苗基質具有適宜的物理、化學和生物學特性，可為根系生長提供良好的環境條件，培育出健壯的植株[1]。當前，蔬菜育苗基質多以草炭為主料，輔以珍珠巖、蛭石等復配而成[2]，但草炭作為一種在短期內不可再生的資源，開采過度會破壞生態環境且生產成本增高[3]。因此，探尋成本低、資源豐富、可替代草炭的材料用于育苗基質十分必要。
我國農業廢棄物資源豐富，年總產量高達40億t[4]，其中牛糞約8.7億t[5]。發酵后的牛糞具有養分全面、肥效持久和重金屬含量低等特點，被視為一種可替代草炭的育苗基質材料[6-7]。河南作為我國花生主產地之一，花生產量占全國總產量的33%，年產花生殼約160萬t以上[8-9]。花生殼富含纖維素、維生素、黃酮類化合物和鈣等礦質營養成分[10]，發酵后也可作為育苗基質材料使用[11]。目前，僅有少量研究探討了發酵花生殼和牛糞復配替代草炭作為育苗基質的可行性，且結論相差較大。馮臣飛[12]研究發現，不添加發酵花生殼僅牛糞與其他物質復配時有利于黃瓜幼苗生長；
而魏代國[13]發現花生殼∶牛糞∶蛭石∶珍珠巖為7∶0∶3∶3時黃瓜綜合性狀較好。對于生菜[14]、番石榴[15]和番茄[16]育苗效果的研究則認為，花生殼∶牛糞在1∶1到5∶1間較為適宜。這些研究僅以基本的基質理化特性和簡單的植株形態為依據篩選適宜配比，礦質營養元素是植物維持生長和代謝的基礎，也應作為評價基質特性的重要因素。然而，當前對發酵花生殼和牛糞復配基質中基質和植物礦質營養元素間關系的研究較少，發酵花生殼和牛糞復配基質影響植株生長的機制尚不清晰。
番茄是種植面積較大的蔬菜作物之一，幼苗生產普遍采用穴盤基質育苗的方式[17]。因此，本試驗選用本地區資源量豐富的花生殼和牛糞為原料，通過發酵處理，研究發酵花生殼和牛糞不同配比下基質理化特性及植株形態和營養元素含量的變化，并分析基質理化特性與植株性狀間關系，以期揭示影響番茄幼苗性狀的關鍵基質理化特征，篩選出可替代草炭且適宜番茄育苗的基質配方，為農業廢棄物的資源化利用提供指導和依據。
1.1 試驗材料與處理
試驗于2022年4月在河南農業大學科技園區日光溫室內進行，供試番茄品種為‘中雜105’。所用發酵花生殼和牛糞，堆肥發酵過程均在河南省田金生物科技有限公司有機肥生產基地進行。堆肥發酵前調節碳氮比為25∶1，在高溫發酵罐中發酵12 h，之后移出進行條垛式好氧堆肥發酵，每7 d翻堆1次，堆體含水量維持在65%左右，60 d后結束堆肥發酵。播種前將發酵后的花生殼和牛糞按不同比例混勻。
選取飽滿、均勻一致的種子，溫湯浸種后，在28 °C培養箱內進行催芽。將露白的種子，分別播種于裝有不同基質的50孔穴盤內。試驗以草炭∶珍珠巖為6∶3的基質作為對照，發酵花生殼和牛糞基質設4個(T1～T4)不同配比，詳見表1，均為體積比。每個處理3次重復。植株生長期間不進行施肥，其他同正常管理，播種45 d后結束處理。
表1 不同處理基質中各組分配比Table 1 Ratio of components in the substrates of different treatments
1.2 測定項目與方法
1.2.1 基質基本理化特性測定 于播種當天，將基質充分混勻后，隨機取樣3份，風干。根據郭世榮[18]的方法測定基質pH、電導率（electrical conductivity，EC）和容重。有機碳含量采用低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定[19]。
1.2.2 基質酶活性測定 分別于播種第0、15、30和45天取穴盤內基質樣品，風干后測定基質酶活性。基質蔗糖轉化酶、脲酶、磷酸酶采用比色法測定，過氧化氫酶活性采用容量法測定[20]。每個測定重復3次。
1.2.3 植株形態指標測定 播種45 d后，隨機選取5株番茄幼苗植株，測定株高、莖粗、葉面積。將植株清洗干凈后，分為根、莖和葉3部分，120 °C下殺青20 min，80 °C烘干后稱重。其中，葉面積使用WinRHIZO軟件進行分析。根據以下公式計算壯苗指數。
1.2.4 營養元素含量測定 取播種第0天的風干基質和植株根莖葉干樣，H2SO4-H2O2消煮后，凱氏定氮法測定總氮含量；
鉬銻抗比色法測定總磷含量；
HNO3消解后，原子吸收法測定總鉀、鈣和鎂含量。基質堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用NaHCO3法測定，速效鉀采用NH4OAc浸提法[21]測定。植株營養元素含量計算公式如下。
式中，E為植株體內元素含量，El為該元素在根、莖或葉中含量，Rl為該器官干重占植株總干重的比值。
1.3 數據處理
采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。單因素多重比較選用LSD法（P＜0.05）。以植株營養元素含量和生長指標為原始評定指標，利用主成分分析法和模糊隸屬函數法綜合評估不同處理對番茄植株的影響。具體方法如下。
式中，Cij是第i個處理第j個主成分值；
Cjmin是第j個主成分值的最小值；
Cjmax是第j個主成分值的最大值；
Uij是第i個處理第j個主成分的隸屬值；
Pj是第j個主成分的特征值；
Wj是第j個主成分的權重；
Di是第i個處理的綜合評價得分。
為進一步探討基質理化特性對番茄植株的影響，在以植株營養元素含量和生長指標為原始變量進行主成分分析的基礎上，添加基質理化特性作為補充變量，利用Canoco 4.5軟件分析基質理化特性與植株性狀指標間關系。其中，基質酶活性為各時間段酶活性的均值。
2.1 不同基質的理化特性分析
由表2可知，與CK相比，pH在T2、T3和T4處理下均顯著增大，但在T2、T3和T4處理間差異不顯著。EC值在T1處理下最大，然后依次為T2、T3處理，CK和T4處理下最小。基質容重在T1、T2和T3處理下均顯著高于T4和CK處理。有機質含量在T4處理下較CK顯著降低17%，其他各處理均同CK差異不顯著；
T2處理有機質含量最高，分別較T3和T4處理顯著提高19%和32%。
表2 不同基質的基本理化特性Table 2 Basic physicochemical properties of different substrates
由表3可知，總氮、堿解氮和鈣含量在CK下最高，而總磷、總鉀、有效磷和鎂含量在CK下最低，且CK與其他各處理的差異均達顯著水平。總氮含量在T3和T4處理下顯著低于其他處理。總磷含量在T2處理下顯著高于T3處理，但均與T1和T4處理無顯著差異。總鉀含量在T1處理下顯著高于其他處理，分別為T2、T3、T4處理和CK的1.20、1.19、1.93和3.87倍。堿解氮含量在T1、T2和T3處理間無差異，但均顯著高于T4處理。有效磷含量在T2和T3處理下最大，鎂含量在T3處理下最大，且均顯著高于T4處理，有效磷含量在T1處理中介于T3和T4處理中間，而鎂含量在T1和T2處理中分別較T4處理低24%和20%。基質中鈣含量在T1～T4處理間無差異。速效鉀含量在T1、T2、T3和T4處理間均有顯著差異，且隨發酵花生殼含量的增加逐漸減少，其中T2處理與CK的速效鉀含量水平一致。
表3 不同基質的營養元素含量Table 3 Nutrient element content of different substrates（mg·g-1）
由圖1可知，播種后第45天，CK、T1、T2、T3和T4處理基質中蔗糖轉化酶活性分別較第0天降低85%、75%、83%、89%和51%；
蔗糖轉化酶活性在第0和第15天，均為T2處理下最高，T4處理下最低；
在第30天，CK處理顯著高于其他各處理，其次為T4和T2處理，T1處理下最小；
而在第45天，T2和T1處理最高，其次為CK和T4處理，T3處理下最小。T4處理下脲酶活性始終保持最高水平，且T3處理下在第0和第30天、T2處理下在第0天與T4無顯著差異，而CK和T1處理基質中的脲酶活性在播種后均顯著低于T4處理，其中，在第30和第45天CK處理下脲酶活性為各處理中最低值。在第0、第30和第45天，CK處理下磷酸酶活性均為各處理中最高值，在第15天T4處理下磷酸酶活性為各處理中最高，而T1處理下磷酸酶活性在整個期間均為各處理中最低。在播種后整個期間，過氧化氫酶活性在T3和T4處理下最高（T4處理的第0天除外），而在CK處理下始終為最低值。
圖1 播種后不同時期基質的酶活性Fig. 1 Enzyme activity of substrates at different times after sowing
2.2 不同基質處理對番茄植株形態的影響
由表4可知，與CK相比，T3處理使番茄的株高、莖粗、葉面積、總干重和壯苗指數均顯著增大，分別提高了57%、17%、88%、63%和27%。T1處理使番茄的莖粗和葉面積較CK顯著增大，但株高和總干重較T3處理顯著降低33%和22%。T2處理下番茄的株高、莖粗和葉面積較CK分別顯著提高23%、14%和52%，而較T3處理的株高和總干重則顯著下降。T4處理下番茄的株高、葉面積和總干重分別為CK的1.40、1.42和1.35倍，差異顯著，而株高、莖粗和葉面積則顯著低于T3處理。
表4 不同基質處理下的番茄植株形態指標Table 4 Index of tomato plant morphology under different substrate treatments
2.3 不同基質處理對番茄營養元素含量的影響
由圖2可知，番茄植株中氮、鈣和鎂含量在T1、T2、T3和T4處理下均顯著低于CK。與CK相比，T1和T2處理下氮含量分別下降15%和17%，T3和T4處理均下降36%。鈣含量在T2處理下較CK下降最多，其次為T3和T1處理，在T4處理下降幅最小。鎂含量在T2處理下最低，僅為CK的67%，且顯著低于T3處理，但與T1和T4處理差異不顯著。同CK相比，植株磷含量在T4處理下顯著提高84%，在T3處理下差異不顯著，在T1和T2處理下分別顯著下降39%和64%，但T1和T2處理間無顯著差異。植株鉀含量在T1、T2、T3和T4處理下分別為CK的2.97、2.57、2.26和1.53倍，且4個處理間差異均達顯著水平。
圖2 不同基質處理下的番茄植株營養元素含量Fig. 2 Content of nutrients in tomato plants under different substrate treatments
2.4 不同基質處理對番茄植株影響的綜合評價
由于植株各性狀指標對評價植物響應環境變化均有重要意義，且各性狀指標間可能存在信息重疊，若采用單一指標不能準確評估不同基質處理對植物的影響。因此，本研究利用主成分分析法提取出相互獨立的綜合指標，結合模糊隸屬函數法進行綜合評估。
通過主成分分析，提取出的前2個主成分累積反映了全部原始變量87.96%的信息（表5），表明其可以作為評估不同基質處理下番茄植株性狀變化的綜合指標。各指標在坐標軸上的投影可反映其相關性大小，投影在正坐標軸為正相關，反之為負相關（圖3），主成分1與葉面積、植株鈣含量、總干重、莖粗和壯苗指數的相關系數分別為0.99、-0.91、0.88、0.84和0.81，且均達顯著水平；
主成分2與植株磷含量顯著相關。因此，主成分1主要由葉面積、植株鈣含量、總干重、莖粗和壯苗指數決定，主成分2主要由植株磷含量決定。
圖3 各基質理化特性與植株性狀指標間關系Fig. 3 Relationship between the physicochemical properties of substrate and the indicators of plant traits
表5 植株性狀指標主成分分析Table 5 Principal component analysis of plant trait indicators
根據主成分分析結果分別計算各處理下2個主成分的主成分值（C1、C2）和隸屬函數值（U1、U2），并由2個主成分特征值得到其權重（W1、W2）分別為0.72和0.28。最后，依據隸屬函數值和權重計算得到不同處理下的番茄植株綜合評價得分（表6）。綜合評價得分由高到低依次為T3、T4、T2、T1、CK，表明T3處理即發酵花生殼、牛糞和珍珠巖體積比4∶2∶3為本研究中適合番茄育苗的最優基質配方。
表6 綜合評價Table 6 Comprehensive evaluation
2.5 基質理化特性與植株性狀指標間關系分析
在對植株性狀進行主成分分析的基礎上，添加基質理化特性為補充變量，通過分析可知（圖3），基質總氮、基質總鉀、堿解氮、有效磷、鎂和過氧化氫酶與主成分1呈顯著相關，相關系數分別為-0.89、0.83、-0.87、0.93、0.94和0.91；
而EC、有機質和速效鉀與主成分2呈顯著負相關。對基質理化特性與植株綜合評價得分相關分析表明，基質pH、總氮、堿解氮、有效磷、鎂、脲酶和過氧化氫酶與植株綜合評價得分相關系數達顯著水平，相關系數分別為0.90、-0.95、-0.88、0.86、0.98、0.83和0.96（圖4）。因此，基質中總氮、堿解氮、有效磷、鎂和過氧化氫酶是影響植株性狀的關鍵變量，pH、有機質、總鉀、速效鉀和脲酶為次要變量，EC、容重、基質總磷、鈣、蔗糖轉化酶和磷酸酶對植株性狀影響較小。
圖4 各基質理化特性與植株綜合評價得分相關系數Fig. 4 Coefficient of correlation between physicochemical properties of substrate and comprehensive evaluation score of plants
不同環境條件下生長的植物，其性狀指標差異很大，可用植物的性狀表現來評價環境條件的優劣程度[22]。在評價過程中，由于采用單一指標存在片面性的問題[23]，故本研究以植株營養元素含量和形態指標為原始變量，利用主成分分析和隸屬函數法，綜合評估不同復配基質用于番茄育苗時的適宜程度。本試驗所用復配基質中最適合番茄育苗的為T3處理，其次為T4處理，然后依次為T2、T1、CK處理，表明發酵花生殼和牛糞復配可替代草炭作為番茄的育苗基質，且基質中發酵花生殼含量比牛糞含量高時效果更好。研究結果與前人在生菜[14]和番石榴[15]上的結論相似，但馮雪峰等[16]研究認為，發酵花生殼與牛糞比例相同時有利于番茄的生長，這可能是由于其基質中添加了竹削，部分替代了發酵花生殼的作用。
基質理化性質決定了植物的性狀表現，但不同理化特性對植物生理和生長發育所起的決定作用不同[24]。本研究發現，所用基質中影響植株性狀的關鍵理化特性是基質總氮、堿解氮、有效磷、鎂和過氧化氫酶活性，其次是pH、EC、有機質含量、基質總鉀、速效鉀和脲酶活性。郝丹等[25]以園林廢棄物堆肥和牛糞作為基質，發現影響金盞菊形態指標的栽培基質解釋量中，有機質、pH、有效磷、速效鉀和總氮占比達60.0%以上，是主要決定因子，與本研究結果相似。本研究中，基質容重、總磷含量、鈣含量、蔗糖轉化酶活性和磷酸酶活性等對番茄植株性狀影響較小。這可能是試驗所用基質容重均在理想容重（0.1～0.8 g·cm-1）范圍內[26]，而花生殼等原料中富含的磷、鈣和糖類物質可充分滿足植株生長需求，且為酶促反應提供了充足的底物[27]，使得容重、總磷含量、鈣含量、蔗糖轉化酶和磷酸酶活性不再成為影響番茄植株性狀的主要因素。
本研究發現，相比于發酵花生殼和牛糞復配的基質，CK基質的理化特性不均衡。在影響植株性狀的關鍵變量和次要變量中，CK基質的總氮含量和堿解氮含量最高，而pH、總鉀含量、有效磷含量、鎂含量、過氧化氫酶活性最低。此外，相關性分析表明總氮含量和堿解氮含量與植株性狀呈負相關。已有研究結果也表明，草炭基質雖然通氣透水性好、有機質含量豐富，但也存在有效養分含量極低的問題，不利于植株的生長和發育[25,28]。相反，發酵的牛糞中養分含量較高，通過與透氣性好的發酵花生殼復配，所形成的基質綜合理化特性較均衡。發酵花生殼和牛糞復配基質良好的理化特性使其能夠替代草炭作為育苗基質。
本研究中總氮、堿解氮、有機質和速效鉀含量在CK和T1處理中較高，而在T3和T4處理下較低，且總氮、堿解氮、有機質和速效鉀含量與植株性狀呈負相關,說明草炭和發酵牛糞中總氮、速效鉀、有機質含量可能較高，導致CK和T1處理植株的綜合性狀較差。CK處理植株中氮含量最高，T1處理下植株中鉀含量最高，證明植物吸收了較多的氮和鉀。植物吸收氮過多會造成體內碳氮比失調，根系變弱呈現細、短、輕的特點[29-30]。此外，基質氮含量過高，硝化作用強烈，會釋放大量H+，抑制植物的生長[31]。本研究發現，植株鉀含量與鈣和鎂含量均呈負相關，表明速效鉀過多，由于離子間拮抗作用抑制了植物對鈣和鎂的吸收，造成植株長勢變弱，這與已有研究結論一致[32-33]。適量的有機質對植物的生長有促進作用，但有機質是一種天然螯合劑，可以與鐵、錳等金屬微量元素離子螯合[34]。在CK和T1處理基質中有機質含量達22%，可能會使部分微量元素的有效性降低，進而影響植物的生長。另外，T1和T2處理中EC值均高于理想育苗基質標準要求的上限（2.0 mS·cm-1）[35]，而高EC會使植株根系吸水困難，最終抑制植株的生長。與之相反，T3和T4處理中較低的總氮、堿解氮、有機質、速效鉀含量和EC，有利于番茄植株的生長和發育。
番茄植株的綜合性狀與pH、總鉀、有效磷、鎂、過氧化氫酶和脲酶活性呈顯著正相關。適宜基質的pH為5.50～6.50[18]，本研究中T1～T4處理中基質pH在5.59～6.21之間，可見利用發酵花生殼和牛糞復配形成的基質具有適宜的酸堿度。此外，基質有效磷和鎂含量均在T3處理中最高，充足的有效磷和鎂供應保證了番茄植株生長發育的需求。在基質酶中，過氧化氫酶和脲酶均在T3和T4處理下活性較高，過氧化氫酶可解除基質中過氧化氫的毒害作用[36]；
而高的脲酶活性可使尿素水解成能被植物吸收利用的氮[37]，彌補由高比例發酵花生殼引起的總氮和堿解氮不足，從而滿足植物對氮的要求。另外，T3和T4處理中總鉀含量相比其他處理較少，且速效鉀占總鉀的比例較低，這有利于鉀的緩慢釋放，避免出現由于速效鉀過高而影響植物生長發育的問題。因此，T3和T4處理下基質良好的理化特性保證了番茄植株的健壯生長。