蚯蚓粪—土复合基质对益智幼苗生长和叶绿素荧光特征的影响

程汉亭 李勤奋 刘景坤 严廷良 张俏燕 王进闯

摘 要 以蚯蚓粪与砖红土混配比例为0 ∶ 10、1 ∶ 10、2 ∶ 10、3 ∶ 10、5 ∶ 10、10 ∶ 10、10 ∶ 5、10 ∶ 0获得蚯蚓粪-土复合基质，同时设置1个单施化肥处理，研究其对益智幼苗生长和叶绿素荧光参数的影响。结果表明，试验处理60 d后随着蚯蚓粪含量的增加，益智幼苗的株高、叶面积、地上部分干物质积累量、总干物质积累量、根系活力、总叶绿素含量均显著增加，且同等肥力条件下施用蚯蚓粪处理（T6）的生长指标高于化肥处理（HF），而其地下部分干物质积累量和根冠比显著下降；蚯蚓粪含量高于50%时，益智叶片Fv/Fm和Y（II）值显著高于纯土处理（CK），但是当蚯蚓粪含量为50%时，益智幼苗生长发育指标与单施化肥处理无显著差异。结合不同配比蚯蚓粪-土育苗基质对益智幼苗生长发育指标和生产成本综合考虑，蚯蚓粪含量为50%的蚯蚓粪-土复合基质（T5）可以在生产上规模化推广应用。

关键词 蚯蚓粪；益智；叶绿素荧光参数；基质

中图分类号 S567.5 文献标识码 A

Abstract The 0 ∶ 10， 1 ∶ 10， 2 ∶ 10， 3 ∶ 10， 5 ∶ 10， 10 ∶ 10， 10 ∶ 5 and 10 ∶ 0 mixtures of vermicompost and soil， compared with chemical fertilizer treatment， were used to investigate the effects of vermicompost-soil complex media， mixing different volume ratio of vermicompost and soil on the growth and chlorophyll fluorescence characters of Alpinia oxyphylla Miq seedlings. Results showed that high proportion of vermicompost significantly increased stem height， leaf area， aboveground dry weight， total dry weight， root activity， and chlorophyll fluorescence parameters. In the same fertilizer condition， the growth indicators of seedlings with vermicompost-soil complex media（T6）were superior to the treatment groups of chemical fertilizer（HF）， but significantly increased root dry weight ratio and root shoot ratio. When the ratio of vermicompost was above 50%， the quantum yield（Y（II））and maximum photochemical efficiency of PSII（Fv/Fm）were significantly higher than that of the soil treatment group（CK）. Compared with the chemical fertilizer treatment， the volume ratio of 50% vermicompost was not significantly different in total dry weight， root activity， and chlorophyll fluorescence parameters. In conclusion， considering the growth indicators of seedlings and production costs， the vermicompost-soil complex media with 50% of vermicompost（T5）could be applied in seedling production.

Key words Vermicompost； Alpinia oxyphylla Miq； chlorophyll a fluorescence parameters； substrate

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.12.012

益智（Alpinia oxyphylla Miq.）为姜科（Zingiberaceae）山姜属（Alpinia）植物，其果实称为益智或益智仁，是我国著名四大“南药”之一。橡胶园间作益智具有较好的经济效益和生态效益，已成为提高橡胶生产效益和胶农收入的一项重要措施[1]。随着胶园间作益智面积的迅速扩大，开展益智种苗规模化繁育对保障其产业的健康发展具有重要的意义。项目组研究发现，现阶段针对益智育苗基质研发不足。主要表现在益智种苗的育苗基质使用随意性大，普遍存在理化性状较差、营养成分缺乏的现象，导致益智育苗成活率较低、幼苗生长发育不良，形成大量的弱苗、死苗、病苗的现象。因此研发低成本、高效益的生物育苗基质已迫在眉睫。

蚯蚓粪具有较高的孔隙度，良好的通透性和保水特性[2]；同时蚯蚓粪有很大的表面积，使得许多有益微生物得以生存并具有良好的吸收和保持营养物质的能力[3]；并含有植物所需大量可溶性盐（硝酸盐、磷酸盐、可溶性钾）、交换性钙、腐殖质类、氨基酸、多糖类和生物酶[2， 4]等成分，蚯蚓粪能够改善土壤的物理、化学和提高土壤微生物活性[5]，是很好的有机肥料，也是作为育苗基質理想组分。蚯蚓粪对许多作物的生长、产量和品质均有促进作用。大量研究表明：蚯蚓粪能够促进种子萌发，增加植物的株高、叶片数量、叶面积、叶干重、根长、根数量、总产量、叶绿素含量[6-7]。例如添加蚯蚓粪能够促进金盏花、西红柿和辣椒种子萌发和植株生长[8-10]。蚯蚓粪中的微生物群和酚类化合物能够抑制多种病原体和害虫[11]。同时利用蚯蚓粪作为生物育苗基质，既可以充分利用农业废弃物又能提高育苗品种和降低育苗成本[12-14]。将蚯蚓粪应用于南药益智种植的研究报道较少，尤其关于蚯蚓粪对益智幼苗生长发育的研究是鲜有报道。因此，本研究采用穴盘盆栽试验，研究不同比例蚯蚓粪-土复合基质对益智幼苗生长发育指标的影响，为益智育苗专用基质的筛选提供理论和应用依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试蚯蚓粪是将黄牛牛粪充分腐熟后，经过赤子爱胜蚓（Eiseniafoetida）处理60 d后得到。供试土壤为典型砖红壤土。益智幼苗来自中国热带农业科学院环境与植物保护研究所标准化育苗基地。供试益智（Alpinia oxyphylla Miq）幼苗苗龄65 d，株高约2.5 cm，两叶一心。塑料穴盘规格为72孔，长4 cm、宽4 cm、高6 cm，每孔容积72 cm3。供试化肥为尿素（含N质量分数46%）、磷酸二氢钾（含P2O5质量分数52.2%、含K2O质量分数34.6%）和氯化钾（含K2O质量分数63.1%）。

1.2 方法

蚯蚓粪和砖红壤土风干，过2 mm筛后，设置1个对照和7个处理，分别按照体积比0 ∶ 10（CK）、1 ∶ 10（T1）、2 ∶ 10（T2）、3 ∶ 10（T3）、5 ∶ 10（T4）、10 ∶ 10（T5）、10 ∶ 5（T6）、10 ∶ 0（T7），蚯蚓粪分别占混合基质的0、9.1%、16.7%、23.1%、33.3%、50%、66.7%和100%（各处理土壤的基本性质见表1）。根据益智幼苗营养需求，开展施肥预试验，获得其生长的需肥量，并以此施肥量设置一个单施化肥处理（HF），单施化肥处理每千克土施用尿素0.939 g、磷酸二氢钾2.300 g、氯化钾0.972 g，其肥力水平相当于土壤蚯蚓粪含量为66.7%，即T6处理。

将混合均匀的蚯蚓粪-土混合基质分别装入穴盘中，穴盘规格为72孔，长4 cm、宽4 cm、高6 cm，每孔容积72 cm3，每个处理为3个穴盘，测量本试验相关指标时，每个处理随机选取5株苗，即5个重复。2016年9月20日将苗龄65 d的益智幼苗移栽于穴盘中，放置在遮光度80%的温室大棚内培养，室内平均温度23～33 ℃，每天定时浇水，每隔10 d测量各处理益智植株的株高、茎粗和叶面积。60 d后结束试验并进行以下指标测定。

1.2.1 生长指标测定 洗净后测定幼苗的叶面积、株高和茎粗；然后置于烘箱内105 ℃杀青15 min，80 ℃恒温48 h，测定地上部干质量和地下部干质量，并计算根冠比。

1.2.2 叶绿素含量测定 用孔径为1.5 cm的打孔器打下14个叶圆片（约0.2 g，以实际称重为准），共3份。加石英砂和少量碳酸钙粉末，96%乙醇研磨呈匀浆状，继续加乙醇研磨直至叶片变白。静置，过滤至25 mL棕色容量瓶，将滤纸上绿色洗净，定容，混匀，以乙醇为空白，分别在665 nm、649 nm和470 nm下测定吸光度。单位质量叶绿素含量/（mg/g FW）=（色素浓度×提取液体积×稀释倍数）÷样品鲜重。

1.2.3 根系活力的测定 采用TTC氧化还原法，称取根尖0.5 g，浸没在由0.4%TTC和磷酸缓冲液（pH7.0）各5 mL的溶液内，在37 ℃下暗保温2 h，此后加入1 mol/L硫酸2 mL停止反应。将根放入研钵中，加乙酸乙酯3～4 mL充分研磨，将红色提取液移入刻度试管，用乙酸乙酯冲洗数次并定容至10 mL，用分光光度计在波长485 nm下比色，以空白试验（将根先用硫酸处理）作参比测出吸光度，查标准曲线，即可求出TTC还原量[15]。四氮唑还原强度/[mg/（g FW·h）]=四氮唑还原量（mg）/[根重（g）×时间（h）]。

1.2.4 叶绿素荧光参数 选取益智功能叶片，使用便携式调制叶绿素荧光仪（PAM-2500，USA）将益智叶片经过充分暗适应（黑暗处理30 min）后测定初始荧光（Fo）和最大荧光（Fm），打开光化学光[800 μmol/（m2·s）]持续光诱导30 min，测定稳态荧光（Fs）、光适应下的初始荧光（Fo'）和最大荧光（Fm'）。根据Demmig-Adams[16]等计算PSII的最大量子产量Fv/Fm、PSII的实际量子产量Y（II）、光化学淬灭qL、非光化学淬灭NPQ。Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm；Y（II）=ΦPSII=（Fm'-Fs）/Fm'；qL=（Fm'-F）/（Fm'-Fo'）·Fo'/F；NPQ=（Fm-Fm'）/Fm'。

1.3 數据处理

采用Microsoft Excel 2010和DPS7.05软件对数据数据进行显著性分析（LSD法，p<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同配比蚯蚓粪-土对益智幼苗生长发育的影响

由图1可知，蚯蚓粪处理的益智株高和叶面积值均高于纯土处理，随着蚯蚓粪含量的增加，益智幼苗株高和叶面积也呈增加的趋势。处理20 d时，各处理间株高和叶面积生长值增加缓慢，且各处理之间无显著差异（p<0.05）；试验处理60 d后，不同含量蚯蚓粪处理的株高和叶面积均值由高到低的顺序为：T7>T5>T6>HF>T4>T3>T2>T1>CK。其中含66.7%蚯蚓粪的处理（T6）比同等肥力的化肥处理（HF）的株高和叶面积分别高15.05%和5.83%（p<0.05）；试验处理60 d后，纯蚯蚓粪（T7）处理的株高和叶面积分别为8.45 cm和26.99 cm2，比纯土（CK）处理增加108.13%和83.6%。说明蚯蚓粪可促进益智株高和叶面积的生长。

2.2 不同配比蚯蚓粪-土对益智幼苗物质积累与根冠比的影响

由表2可知，随着蚯蚓粪含量的增加，益智植株地上部分和全株干物质积累量显著增加（p<0.05），而植株地下部分干物质积累和根冠比量显著下降（p<0.05）。与纯土（CK）处理相比较，纯蚯蚓粪（T7）的地上部分和全株干物质积累量分别增加77.38%和39.49%；而植株地下部分干物质积累和根冠比分别降低17.02%和53.14%。不同含量蚯蚓粪处理的地上部分和全株干物质积累量由高到低的顺序为：T7>T5>T6>HF>T4>T3>T2>T1>CK；而地下部分干物质积累和根冠比的顺序与之相反。说明增施蚯蚓粪可促进益智幼苗全株干物质积累量增加，但是会降低其根冠比，使得植物干物质积累主要向地上部分分配。

2.3 不同配比蚯蚓粪-土对益智幼苗根系活力的影响

通过分析不同配比的蚯蚓粪-土复合育苗基质对益智幼苗根系活力的影响，由图2所示，总体来看蚯蚓粪可提高益智幼苗的根系活力。与纯土相比较，随着蚯蚓粪含量的增加，益智根系活力呈阶梯式增长。蚯蚓粪含量在0～33.3%之间时（CK、T1、T2、T3、T4），随着蚯蚓粪含量的增加，益智根系活力线性递增，其中蚯蚓粪含量为33.3%（T4）时，根系活力为868.84 mg/（g FW·h），与纯土比较根系活力增加421.24%。蚯蚓粪含量高于33.3%时，益智根系活力增幅变缓。纯蚯蚓粪（T7）根系活力最高，为1 062.52 mg/（g FW·h），与纯土比较（CK），根系活力增加537.31%。T6处理与同等肥力的化肥处理（HF）的根系活力无显著差异（p<0.05）。可见，只有蚯蚓粪含量达到33.3%以上，才能够显著提高益智根系活力。

2.4 不同配比蚯蚓粪-土对益智幼苗叶绿素组分含量的影响

由表3可以看出，随着蚯蚓粪含量的增加，益智幼苗叶片叶绿素总含量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的含量均呈现出上升的趋势。蚯蚓粪的含量在0～23.1%时（CK、T1、T2、T3），4个处理益智幼苗叶片叶绿素总含量、叶绿素a和叶绿素b含量无显著差异（p<0.05）。蚯蚓粪含量在23.1%～50%时（T3、T4、T5），随着蚯蚓粪含量的增加，益智幼苗叶片叶绿素总含量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量呈线性增加；与纯土处理（CK）相比较，T4、T5、T6各处理的益智幼苗叶片叶绿素总含量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量的增幅达到30%以上。蚯蚓粪含量高于50%～100%时（T5、T6、T7），随着蚯蚓粪含量的增加，益智幼苗叶片叶绿素总含量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量增长缓慢。土壤中蚯蚓粪的含量对益智叶片叶绿素a/b的比值无显著影响。T6处理的叶绿素总含量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量均显著（p<0.05）高于同等肥力的化肥处理（HF）。表明土壤的蚯蚓粪含量低于23.1%时，蚯蚓粪对益智叶绿素含量的增加无促进作用。土壤的蚯蚓粪含量高于50%时，在增施蚯蚓粪对益智叶绿素含量的增加贡献率较高。同时在相同肥力下，施用蚯蚓粪可提高益智叶片的叶绿素含量。

2.5 不同配比蚯蚓粪-土对益智幼苗叶绿素荧光参数的影响

由图3可知，随着蚯蚓粪含量的增加，益智叶片潜在最大光合能力（Fv/Fm）和光照状态下PSII的实际光合效率[Y（II）]值均呈现先增加后降低的趋势。蚯蚓粪含量高于50%时（T5、T6、T7），益智叶片Fv/Fm值显著（p<0.05）高于纯土处理（CK），其中T5处理的益智叶片Fv/Fm值最高，比纯土处理高5.22%。蚯蚓粪含量高于33.33%时（T4、T5、T6、T7），益智叶片Y（II）值显著（p<0.05）高于纯土处理（CK），其中T4处理的益智叶片Y（II）值最高，比纯土处理高47.38%。表明添加蚯蚓粪有助于提高益智叶片潜在最大光合能力和光照状态下PSII的实际光合效率。

随着蚯蚓粪含量的增加，益智叶片的光化学淬灭系数（qL）呈增加趋势，纯蚯蚓粪（T7）处理的qL值最高，其比纯土处理增加29.66%。而随着蚯蚓粪含量的增加，益智叶片的非光化学淬灭系数（NPQ）先迅速降低在缓慢升高的“V”字型。50%含量的蚯蚓粪（T5）处理的NPQ值最低，比纯土处理降低49.45%。表明添加蚯蚓粪有助于提高益智叶片光合活性。

3 讨论

干物质是叶片的光合产物，也是产量形成的基础，作物的生长过程实际上是干物质不断积累的过程[17]。本研究通过蚯蚓粪与砖红土混配作为益智幼苗生长基质，研究其对益智生长发育的影响。结果显示试验处理60 d后，益智的株高、叶面积、地上部分干物质和总干物质积累量、根系活力均大于纯土处理（CK），且随着蚓粪施入量的增多而升高（图1、2和表2），表明蚯蚓粪可以促进作物植株的生长发育，增加叶面积、干物质积累量、根系活力[18-19]。地下部分干物质积累量和根冠比小于纯土处理，且随着蚓粪施入量的增多而降低（表2）。而李敬蕊[20]研究不同配比蚯蚓粪对茄子幼苗生长的影响发现，蚯蚓粪能够显著促进地上与地下部干物质积累，这与本研究结果相反。可能是土壤中低氮素营养水平对植物根冠比调控的结果，李卫民等[21]研究发现氮素营养缺乏会导致地上部分生长受阻使根冠比增大。除地下部分干物质积累量和根冠比外，蚯蚓粪处理（T6）的其他生长指标均高于同等肥力的化肥处理（HF）；而且含50%以上蚯蚓粪处理，益智的株高、叶面积等生长指标均达到或超过正常施肥水平（HF）（图1和表2）。表明增施蚯蚓粪可促进益智生长发育，同时效果优于同等肥力下的施用化肥[22]。

叶绿素是光合作用过程中影响光能吸收和转化的关键色素，其含量高低是衡量叶片衰老的敏感指标[23]。李静娟等[7]研究表明，玉米生长期内随着蚓粪施入量的增多叶绿素值增大，且叶绿素值均高于纯土处理（CK）。本研究结果显示，随着蚯蚓粪含量的增加，益智幼苗叶片叶绿素各组分的含量增大，其值均高于CK和同等肥力下的HF处理（表3）。这可能是蚯蚓糞提高了植物根系活力、根系总根长、比根长、根系表面积、根系体积和根尖数，扩大了根系的总吸收面积和活跃吸收面积，进一步增强了植株对氮素营养的吸收能力有关[24]。

叶绿素荧光是研究光合作用机制和探测光合生理状况的一种新兴技术，其为研究植物光合生理与逆境胁迫的内在探针[25]。本试验中通过对生长在不同配比蚯蚓粪-土基质中益智叶绿素荧光参数变化情况研究发现，蚯蚓粪含量高于50%时（T5、T6、T7），益智叶片Fv/Fm和Y（II）值显著高于纯土处理（CK）（图3），表明T5、T6、T7处理的益智幼苗有较强的潜在光合能力和PSII较高的光能的利用率；低于50%时无显著差异，而这与益智幼苗生长指标存在差异。叶绿素荧光参数可以作为壮苗的一种准确、简便的鉴定指标，但是对于弱苗由于影响因素较多，不能简单地用叶绿素荧光作为鉴定指标[26]。

蚯蚓粪中除了含有化学肥料中的氮、磷、钾等无机营养元素，还含有大量的有机质、腐殖酸、植物激素、大量有益微生物等[27]，并能够显著增强土壤微生物活性[28]。这是蚯蚓粪-土育苗基质优于同等肥力下施用化肥的主要原因。但是蚯蚓粪通过改善育苗基质的物理指标和化学性质，而基质的物理指标、化学性质和蚯蚓粪特有的活性物质对益智幼苗生长发育中各种生理指标贡献率大小，以及基质性状和蚯蚓粪活性物质与植物生长发育的内在关系，如何通过调节基质的性状来控制幼苗生长指标，这些问题有待进一步深入研究。综上所述，综合益智幼苗生长发育指标、根系活力、叶绿素含量及叶绿素荧光参数，蚯蚓粪含量在50%以上的蚯蚓粪-土复合基质比较适合益智幼苗的生长，当蚯蚓粪含量为50%时，益智幼苗生长发育指标与单施化肥处理无显著差异；结合生长成本综合考虑，蚯蚓粪含量为50%的蚯蚓粪与土育苗基质（T5）可以在生产上规模化推广应用。

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