多种原料基质配方的多元分析方法应用研究

王攀磊，郭玉蓉，李向东，姚照兵，潘艳华*

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；2.农业部嵩明农业环境科学观测实验站，云南 昆明 650205；3.玉溪市乐土科技有限公司，云南 玉溪 653100)

【研究意义】无土栽培是一种利用非土壤基质作为培养基的植物栽培方法[1-2]，与传统土壤栽培相比，无土栽培的水肥利用率、成本效益和单位面积产量更高，同时还可减少根际疾病[3-4]，降低肥料、农药、除草剂等的投入，减少其对外部环境的污染[5]。但是由于无土栽培对基质的理化性状要求较高，在物理结构上要求基质透气性和持水性达到平衡，在化学性状上要求基质养分含量低、吸释养分能力强，长期以来，草炭因具有良好的理化性状成为无土栽培基质的主要原料，但近年草炭的使用被证明为碳源效应，且其来源日趋枯竭[1]，从生态环境角度出发，在本地资源中寻求来源稳定、效果良好、可替代草炭的有机无机原料，研制开发新的保水型混合基质产品势在必行[6]。【前人研究进展】在利用有机无机原料替代草炭进行无土栽培研究方面，国内外已开展不同替代材料的理化性状及栽培效果试验[7-10]，但是多数试验仅研究1～2种替代原料，且配方设置数目有限，由人为设置固定比例，对比分析也仅为单一元素分析比较，没有系统的数据模拟和分析。有上下限条件约束的混料均匀设计方法[11-13]可以实现在设置水平数较多时通过较少试验次数达到配方优化的目的，它能够考察各试验因素在所有因素混料中所占比例对目标响应的影响，试验点设置更具代表性，所需试验点较少，与每个因子的水平数一致[14]。【本研究切入点】选取多种有机无机原料和保水材料，根据混料均匀设计方法配置了25种不同配比的保水型复合基质，并以此为基础开展番茄栽培试验，通过测定、计算原料和基质配方的基础理化性状、水分变化特征和番茄植株的农艺性状、产量及产投比，比较不同基质配方在上述指标中的差异，利用对应分析方法分析各个指标间的相互影响关系，最后通过回归模拟，拟合最佳产量、产投比下的原料比例。【拟解决的关键问题】以达到高效利用有机废物资源、降低生产成本、提高和改善作物的产量和品质、保护生态资源的目的。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年6-12月在玉溪市乐土科技有限公司温室大棚进行。供试材料主要包括基质原料甘蔗渣、中药渣、菌包、褐煤、草炭、珍珠岩、蛭石、水凝胶。菌包由楚雄市林鑫食用菌发展有限公司提供，由玉米芯颗粒和甘蔗渣混合制成；中药渣、褐煤、草炭、珍珠岩、蛭石由玉溪市乐土科技有限公司提供；水凝胶由青岛首科新材料有限公司提供。

甘蔗渣、中药渣、菌包、褐煤、草炭、珍珠岩和蛭石的理化性状如表1所示。由于珍珠岩、蛭石为无机材料，故在本试验中默认其电导率、有机质、腐殖酸、全氮、全磷和全钾含量为0。水凝胶品名为聚丙烯酸钾型SAP(型号SHK220N)，是一种超级吸水型材料，吸水倍率≥350(纯水，mL/g)，pH值6.0～7.5。栽培容器为45 cm(直径)×35 cm(高度)的圆筒形无纺布营养钵，可装填基质35 L。

表1 基质原料的理化性状

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note： Different lowercase letters after the data in same column indicate significant difference (P<0.05).

表2 混料均匀设计配方基质各原料比例

1.2 试验设计

采用DPS软件的有上下限条件约束的混料试验设计。均匀设计采用8因素25次试验，选择Un(ns)的设计表，其中s=8，n=25，即U25(n8)。在均匀设计表的基础上，采用有上下限的混料设计，各原料组分的限制比例分别为褐煤0～60 %、中药渣0～30 %、菌包0～30 %、褐煤0～40 %、草炭0～50 %、珍珠岩0～30 %、蛭石0～15 %、水凝胶0～1 %，其中水凝胶为质量比，其他原料为体积比。25个配方配置如表2所示。试验采用完全随机区组设计，每个配方处理4次重复。

1.3 番茄栽培方法

混合基质装入栽培容器前，在营养钵底部铺设1层厚度3 cm的松树皮，基质浇透水后移栽番茄苗，每盆移栽1颗株高10 cm、茎粗0.2 cm、3叶1心的番茄幼苗。各处理浇水量一致，采用浇灌方式，每隔2 d浇水1次，浇水量为2000 mL；各处理均采用浇灌营养液的方式施肥，且施肥量一致，移栽10 d后开始施肥，第1次每株施用育苗复合肥(N∶P2O5∶K2O=16∶10∶14)10 g。此后，幼苗期每隔10 d施用1000 mL的1/1000育苗肥，直至开花坐果期。开花坐果期(移栽后50 d)每隔1周施用100 mL的1/1000高钾复合肥(N∶P2O5∶K2O=8∶8∶30)。

1.4 数据测定与分析

1.4.1 理化性状测定 pH值、电导率：采用饱和浸提法(SME法)[15]，具体步骤为，将一定量的栽培基质放到一个烧杯中，然后加入蒸馏水或去离子水至饱和——当液浆开始发亮，基质表面没有或有极少量自由水时即达到饱和状态。对非常干燥的基质，可用玻棒或小刀搅拌以促使其饱和。饱和后，静置样品30 min，用广泛滤纸通过真空漏斗过滤饱和液，以待分析基质的pH值和电导率。

有机质、腐殖酸、全氮、全磷、全钾：有机质、腐殖酸分别按照NY 525-2012和HGT3276-1999所述方法测定。全氮、全磷、全钾按照NY/T 2017-2011所述方法测定。

基质水分特征：在栽培条件下，利用便携式土壤水分速测仪(TZS-1K)测定正常灌水(2000 mL/盆)后0、6、24、48 h后基质水分含量。

容重、孔隙度：按照Inbar[16]所述方法进行测定。具体步骤为，将基质彻底浸湿后装入已知体积、重量的圆柱体内(100 mL，圆柱底部有一层细纱布)，在基质滤水后保证基质表面填充至容器顶部，然后浸入水中48 h并滤水，重复3次后测定湿重wm，随后在105 ℃下烘干4 d后，再次测定干重dm。容重(bd)按照NY/T 1121.23-2010土粒密度测定方法进行测定。容重(bd)、总孔隙度(tp)、持水空隙度(cp)、通气孔隙度(as)分别按照公式1～4计算。

容重(g/cm2)=dm/100

(1)

(2)

(3)

通气孔隙度(%)=tp-cp

(4)

1.4.2 番茄农艺性状测定与计算 农艺性状与产量：分别在移栽前(0 d)、幼苗期(移栽后10 d)、开花期(移栽后30 d)、盛果期(移栽后60 d)测定番茄株高、茎粗及产量。产投比：番茄单价按4元/kg计算。由于本次试验时间较短，番茄只收获1个月，因此产量、产值按照试验收获的3倍计算。甘蔗渣、中药渣、菌包、褐煤、草炭、珍珠岩、蛭石、水凝胶的成本分别按150元/m3、120元/m3、120元/m3、250元/t、650元/m3、350元/m3、480元/t、12元/kg计算。

1.4.3 数据分析 ①数据处理：本试验数据处理分析均采用DPS软件(v16.05)，各处理之间的差异采用方差分析，基质理化性状分析采用主成分分析，配方比例、原料理化性状、番茄农艺性状及产量之间的相关性分析采用典型相关分析和对应分析，番茄水分特征曲线模拟采用一元非线性回归模拟。②模型应用：采用指数函数曲线y=ae-bx(R2>0.90,P<0.05)模拟基质含水率随时间变化的动态关系，得出各配方基质的水分特征系数a、b，其中，a表征浇后水基质的初始含水率，b表征水分的损失快慢程度。采用Logistic 生长模型y=c1/(1+ec2-c3x)(R2>0.99,P<0.01)模拟番茄苗株高随栽培天数的变化规律，式中,c1表示模型估计的番茄植株最终栽培最大值，而由于番茄栽培在植株进入生殖生长期后，需要对植株进行打顶，植株的实际最终株高由人为控制，因此模型模拟的最终株高并不具有参考意义；c2表示模型预估的植株可达到的最高生长速率，c3表征番茄植株在幼苗期和开花期的生长速率，本章采用c3来描述各基质栽培植株的生长速率。

2 结果与分析

2.1 基质理化性状

如表3所示，各基质的pH值在5.12～6.80，除T8、T12、T17和T19 的pH呈中性外，其他基质多数呈酸性；各基质容重在0.26～0.47 g/cm3，符合标准基质要求的0.1～0.8 g/cm3；总孔隙度在53.96 %～71.36 %，在标准基质要求范围54 %～90 %；持水孔隙度15.25 %～21.35 %相对较低，低于田间土壤的40 %～60 %，更低于岩棉的94 %；透气孔隙度在33.56 %～55.42 %，整体相对较高，高于田间土壤的20 %～25 %；电导率在1128～2550 us/cm，均在适宜植物生长的500～3000 us/cm。

主成分分析结果显示，将基质各理化性状指标降维3个主成分时，所包含的信息量可占总体信息量的88.82 %，其中pH值、全氮、全磷、全钾聚为一类，为第一主成分PC1，贡献率达53.12 %；有机质、腐殖酸、电导率聚为一类，为第二主成分PC2，贡献率为26.78 %；孔隙度、容重聚为一类，为第三主成分PC3，贡献率8.92 %。根据3个主成分在各基质配方的赋值情况，可以更简便地观察不同基质的理化性状表现，不同基质的主成分得分情况如表3所示。从表3可以看出，T4、T13和T20的PC1得分较低，即表明其pH值、全氮、全磷、全钾含量较低，相应地，T8、T17和T23得分较高则上述含量较高；同理，T6、T9和T19的PC2得分较低，表明其有机质、腐殖酸和电导率含量较低，相反T5、T8和T21含量较高；T5和T16的容重较高、孔隙度较低，相反，T8和T12容重较低而孔隙度较高。

2.2 基质水分特征

不同基质含水率之间存在显著性差异(P<0.05)。基质含水率随时间变化的指数函数关系如图1所示，水分特征系数a、b见表4，其与基质原料、理化性状及栽培效果的对应关系如图4A所示。从原点向a或b连线作水分向量，各指标往此向量作垂线。从水分特征系数与原料的对应关系看，蛭石x7和褐煤x4距离a、b最近，在水分向量正方向上的载距也最大，草炭x5在正方向载距也较大，表明草炭、蛭石和褐煤初始含水系数较高，但是水分损失速度也较快，这与三者较高的孔隙度有关。相反，水凝胶x8和甘蔗渣x1距离a、b较远，且在向量负方向的载距最大，说明水凝胶和甘蔗渣初始水分含量较低，但是水分损失速度同样较低，即基质添加水凝胶后，可降低水分损失速率，具有较强的保水能力，初始含水率降低的原因是浇水后水凝胶将水分吸入自身结构体内，不能被水分测定装置检测。从水分特征与植物生长速率的对应关系看，植株生长速率c3和番茄产量Y的垂线均落于水分向量的负方向，表明基质初始含水率和水分损失率较低更利于植株生长，说明基质的持续保水力比初始含水率更重要。

水凝胶含量和基质水分衰减系数有微弱的负相关关系(R2=0.3486)，而与番茄产量有微弱的正相关关系(R2=0.3217，图3)。水凝胶含量较低的基质番茄平均产量为1664 g/株，而含量较高的产量为2043 g/株，水凝胶含量较低(平均含量0.078 %)的基质比含量较高(平均含量0.913 %)的基质所栽培的番茄产量可平均增产22.89 %。

2.3 基质栽培效果

2.3.1 农艺性状 番茄的株高和茎粗具有显著相关性(P<0.05)，因此使用株高作为番茄幼苗期至结果期的生长指标。番茄苗株高随栽培天数的模拟函数如图2所示，各基质配方栽培的番茄生长模型参数c3见表4，c3与基质不同原料、理化性状、水分特征及栽培效果之间的对应关系如图4所示。由对应图可知，c3与草炭x5、水凝胶x8在横轴的投影均落在负方向且载距较大，说明草炭和水凝胶含量较高利于番茄植株生长，而菌包x3则落在负方向且有较大载距，表明菌包比例过高不利于植株生长。从番茄生长速率与基质的理化性状对应关系看，表示基质pH值、全氮、全磷和全钾含量的PC1因子在横轴的投影落在的正方向，与c3投影相反，表明高养分含量并不利于番茄生长，可能是由于基质所含的氮磷钾含量相对较低，不足以引起栽培差异，而较高的pH值可能影响了植株生长。此外，水分特征系数b的投影落在横轴正方向，但载距较小，表明在植株幼苗期和开花期较高的保水率利于植株生长。

表3 配方基质理化性状及主成分因子

2.3.2 产量及产投比 ①产量。从原点向Y连线作产量向量，各指标往此向量作垂线，如图4B。从番茄产量与各原料比例的对应关系看，水凝胶x8和甘蔗渣x1在向量正方向的投影载距最大，说明二者比例增加利于番茄增产，同时，表征土壤水分特征的系数a、b恰好在向量的负方向上，表明水凝胶具有较强的保水能力从而使番茄增产，而甘蔗渣容重较低，孔隙度较高，利于增产。从基质理化性状来看，表征物理特性的因子PC3的投影落在产量向量的正方向上，说明容重低、孔隙度高利于番茄增产，而因子PC1、PC2的投影载距几乎为0，说明基质的全氮、全磷、全钾、有机质及腐殖酸含量对番茄产量无显著影响。从基质水分特征对产量的影响看，水分特征系数a、b的投影均落在负方向，且载距较大，高于其落在植株生长速率c3上的载距，说明基质的水分在番茄坐果期影响更大，高于幼苗期和坐果期，其原因是番茄坐果期水分、养分需求旺盛，基质是否能够提供持续的水分至关重要[17]，因此保水性能更强的基质其产量越高。

各基质配方的番茄产量如表4所示。各处理番茄产量差异显著(P<0.05)，其中T9和T25的产量较高，分别为2170和2346 g/株，其次为T2、T3、T8、T13和T23，产量均超过2000 g/株，T15、T16和T21产量较低，低于1500 g/株。值得注意的是，产量高的配方基质相应地具有较高的水凝胶比例，质量比在0.85 %～1.00 %，而产量低的处理其水凝胶含量较低，质量比低于0.10 %，分析结果表明，水凝胶含量和番茄产量具有明显的相关性(P<0.05)，其一元线性回归关系见图3A。经计算，水凝胶含量较高(平均含量0.913 %)的基质所栽培的番茄产量比含量较低(平均含量0.078 %)的增产22.72 %，即在一定范围内，每添加1 %含量的水凝胶，可增产27.21 %。利用混料回归分析对产量进行Scheffe多项式模型分析，拟合最高产量下的原料比例。模拟结果显示，当配方为甘蔗渣28.39 %+中药渣4.10 %+菌包4.55 %+褐煤10.94 %+草炭20.84 %+珍珠岩19.56 %+蛭石10.74 %+水凝胶0.88 %时，番茄产量可达最高值2692 g/株，此时模型方差分析值为F=9.58，P值等于0.0013(P<0.01)，决定系数R2=0.9588，模型有意义。②产投比：根据每株栽培基质35L计算，基质总成本为6.80～13.67元/株，其中草炭成本最高，在1.26～8.26元/株，其次为珍珠岩和水凝胶，成本分别在0.41～2.64和0.09～1.98元/株，其余原料的成本均低于1.00元/株。因此，含草炭比例较高的基质成本均较高，如处理1、2、4、5、6、7等，成本均高于12.00～13.00元/株。从产投比结果来看，各基质配方的产投比均在1.32～3.25，其中处理3、8、13、23和25的产投比最高，在2.88～3.25，而处理4、7、10、16和18产投比较低，均低于1.70，主要是由于草炭含量较高，而产值并未相应增加。同理，对产量进行Scheffe多项式模型分析，拟合最高产投比下的原料比例，结果显示，当配方为10.25 %甘蔗渣+15.79 %中药渣+20.75 %菌包+24.34 %褐煤+8.78 %草炭+8.47 %珍珠岩+10.74 %蛭石+0.88 %水凝胶时(水凝胶比例为重量百分比)，基质产投比可达3.70。

表4 基质水分特征系数、植株生长指标、产量及产投比

图1 基质水分特征曲线Fig.1 Water characteristic curve of the substrate blends

图2 番茄植株生长模型Fig.2 Logistic model of plant height

图3 水凝胶含量和水分衰减系数、番茄产量的线性相关关系Fig.3 Linear relationship between gravimetric hydrogel content, water loss index and tomato yield

图4 基质理化性状、水分特征、栽培效果之间的对应关系Fig.4 Correspondence relationship between the physiochemical properties, water characteristic and plant cultivation effect

3 讨 论

3.1 基质的理化性状对栽培效果的影响

基质的容重、孔隙度、pH值、全量氮磷钾、有机质、腐殖酸和电导率可归纳为养分因子、有机质因子和孔隙度因子3个主成分，从栽培效果来看，孔隙度因子对基质的水分特征和番茄植株生长及产量有显著影响，表现为基质容重越小，基质保水性能越好，番茄植株生长速率及产量越高。这和Blythe[18]等人的研究结果较为一致，可将基质的物理性质归纳为2个主成分，空隙度为第一主成分，干燥度为第二主成分。基质的容重、空隙度是影响作物的主要因素，而科学的水肥管理管理措施应建立在对基质容重、空隙度的深刻理解的基础上[9]。

在5个有机原料中，中药渣、菌包的养分因子特征明显，pH值、全量氮磷钾含量显著高于其它原料，而褐煤的pH、有机质因子和孔隙度因子特征明显，pH值显著低于其余原料，有机质、腐殖酸和容重显著高于其余原料。但是，试验结果表明，基质的全氮、全磷、全钾、有机质及腐殖酸对番茄的增产效果不明显，同样Caron[19]等人发现基质的氮含量和电导率与作物生长仅有微弱的负相关关系，究其原因，是由于基质中的养分水平较低，均远低于施肥水平，在作物移栽初期即第1次施肥前，基质中的养分会给作物提供一定养分，在后期施肥阶段，与投入的大量化肥所含的氮磷钾相比，含量很少，不足以引起最终栽培产量上的差异，即这种微弱的差距会被后期的施肥所消除。总腐殖酸含量并不代表水溶性腐殖酸含量，多数有机原料的腐殖酸并未在栽培过程中起到增产效果。不过，腐殖酸与养分的相互作用机理还需进一步研究。

3.2 水凝胶对番茄栽培效果的影响

添加水凝胶可显著提高基质的保水能力，利于植株生长发育，提高产量。水凝胶含量较高(平均含量0.913 %)的基质比含量较低(平均含量0.078 %)的基质番茄产量平均增产22.72 %。为保证无土栽培基质的通气孔隙度，许多基质采用颗粒较大的有机原料，如锯末、树皮等，但是这类原料往往保水性较差，影响栽培作物的发育[20-21]，而水凝胶具有超强的吸水膨胀能力，许多研究通过添加水凝胶以提高基质的持水力，减少灌溉次数[22-24]。Fonteno[25]等人的研究表明，基质中添加水凝胶后可显著增加持水孔隙度，但会降低通气孔隙度。Gehring[26]的研究报告指出，基质添加水凝胶后，种植的金盏菊和鱼尾菊萎蔫的速度更慢，且水湿张力更低，这和本试验的结果一致，Wang[27]等人研究也显示水凝胶可延迟作物的萎蔫速度，而对作物生长无显著影响。

4 结 论

无土栽培基质的理化性状可归纳为养分、有机质和孔隙度3个主要成分，其中孔隙度因子与基质的水分特征、番茄植株生长及产量有显著相关性，表现为基质孔隙度越大，保水性能越好，番茄产量越高，而基质的养分和有机质含量对番茄栽培无显著影响。研究显示，水凝胶可显著提高保水能力，利于植株生长发育，提高产量。混料均匀设计和多元分析方法是开展无土栽培基质配方优化的有效工具，有助于阐明不同原料及其理化性状对栽培作物的影响机理，为开发高效新型基质提供技术支撑。