无土栽培基质对四种叶菜类蔬菜某些生理指标的影响

童贯和 罗勋 刘天骄

摘要：以腐熟油菜秸稈、煤矸石等废弃资源为原料，按煤矸石与腐熟油菜秸秆体积比为2∶8、3∶7、4∶6、5∶5 和6∶4的比例配制成 5 种混合基质，以菜园土为对照（CK），在人工光照室内用盆栽的方法栽培菠菜（Spinacia oleracea L.）、苋菜（Amarantus mangostanus L.）、白菜（Brassica chinensis L.）和生菜（Lactuca sativa L.）4种叶菜类蔬菜，分别于定植后30 d和55 d测定植株体内的叶绿素含量、根系活力、气孔导度及净光合速率，研究腐熟油菜秸秆、煤矸石按不同配方组成的混合基质的理化性质以及栽培在混合基质上的4种蔬菜生理活动特性，评价出混合基质的最佳配方。结果表明，5种混合基质的水气比合理，容重较低，营养丰富，具有较好的理化性状。在混合基质上栽培的4种蔬菜的叶绿素含量、根系活力、气孔导度、净光合速率均显著高于CK，尤其是配比为4∶6的混合基质上生长的蔬菜，除根系活力略低于配比为3∶7的混合基质外，其余3项指标均最高，表明5种混合基质配方以4∶6最优，其次为3∶7。

关键词：煤矸石;油菜秸秆;无土栽培基质;蔬菜;生理指标

中图分类号：S317;S636         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）21-0113-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.023

Abstract： Spinach （Spinacia oleracea L.）， amaranth （Amarantus mangostanus L.）， Chinese cabbage （Brassica chinensis L.） and lettuce（Lactuca sativa L.） were cultivated in the pot in the biotron， using soilless culture mediums composed of rape straw and decomposed coal gangue. Five culture mediums with the volume ratios of decomposed coal gangue and rape straw of 2∶8，3∶7，4∶6，5∶5 and 6∶4， respectively， were set， and the garden soil was used as control. After 30 and 55 days cultivation， the chlorophyll content， root activities， stomatal conductance and the net photosynthetic rate of four vegetables were measured. At the same time， the physicochemical properties of soilless culture mediums， as well as the characteristics of physiological activities of the four vegetable crops growing on different mediums were studied， in order to determine the best soilless culture medium. The results showed that the five soilless culture mediums had good physicochemical properties， with appropriate water-air ratio， lower unit weight， and more nutrition. Compared to the control， the vegetable crops growing on the soilless culture mediums had significantly higher chlorophyll content， root activities， stomatal conductance and net photosynthetic rate. Especially for the vegetables growing on the soilless culture medium with the volume ratios of decomposed coal gangue and rape straw of 4∶6， it showed the highest values on all indicators except for a relative lower root activity than vegetables on the soilless culture medium with the volume ratios of decomposed coal gangue and rape straw of 3∶7. In conclude， the best volume ratios of decomposed coal gangue and rape straw was 4∶6， and the second was 3∶7.

Key words： decomposed coal gangue; rape straw; soilless culture mediums; vegetable; physiological index

有机生态型无土栽培技术由于可生产无公害绿色蔬菜[1]，在中国已经得到了广泛的应用。有机生态型无土栽培技术是以有机物、无机物为原料，按一定的体积比组成混合基质，并在其上栽种蔬菜的一项农业新技术。组成栽培基质的有机原料多为农作物秸秆或农产品加工后的废弃物等;无机原料一般种类较多，如炉渣、河沙、蛭石、珍珠岩等。作为重要农业资源的农作物秸秆，含有丰富的氮、磷、钾及多种微量元素[2]，而煤矸石是煤炭开采过程中的废弃物，矸石中不仅含有丰富的钾，还含有一定量的磷和氮，同时煤矸石还具有吸热、贮热和较耐风化的特点[3]。因此若以煤矸石、农作物秸秆作为无机、有机原料配制混合基质，对于栽培植物的生长发育将起到很好的增进作用，也能够更好地促进蔬菜作物的高产量、高营养和高品质。

随着中国工农业生产的发展，近年来形成和积累了大量的工农业废弃物（如农作物秸秆、煤矸石等），这些废弃物的堆积和排放不仅破坏了当地的生态环境，也占用了大量土地[4，5]。中国当前工农业废弃物的利用率均不高，农作物秸秆每年都有大量被焚烧[6]，煤矿区的煤矸石也是堆积如山，只有少量被用于烧制水泥、制砖及充填塌陷区复田[7]，综合利用率较低，不到30%。因此，如何充分有效地利用这些废弃资源，对于农业可持续发展和改善当地生态环境都具有十分重要的意义。本研究以油菜秸秆、煤矸石和猪粪等工农业废弃资源为原料，配制有机生态型无土栽培基质，并在其上种植菠菜（Spinacia oleracea L.）、莧菜（Amarantus mangostanus L.）、生菜（Lactuca sativa L.）和白菜（Brassica chinensis L.），研究以腐熟油菜秸秆与煤矸石为原料，按不同的体积比配制而成的混合基质的理化性质，以及栽培在该基质上的蔬菜生理活动规律，以期找出由腐熟油菜秸秆与煤矸石组成的有机生态型无土栽培基质的最佳配方，为工农业废弃资源的再利用寻找一条新的途径。

1  材料与方法

1.1  试验材料

煤矸石采自淮南市谢家集矿区，经人工破碎成粒径1～10 mm的细粒。油菜秸秆取自淮南市三河乡陶圩村第一村民组当年秸秆，风干后粉碎至1～5 cm，添加质量分数为15%的杀菌猪粪（取自淮南市许庄农工商联合体养猪场）与质量分数为l%的尿素，含水量控制在60%左右，碳氮比为30左右，覆盖塑料薄膜密闭，进行静态高温堆制。定时翻堆补充水分与氧气，第一次翻堆于堆制后第五天进行，后每7天翻堆1次（共6次），再每15天翻堆1次（共3次），然后保持自然状态，堆制腐熟结束后风干。菜园土（马肝土）取自淮南市郊区蔬菜种植区。主要原料基本理化性状见表1。

试验所用的煤矸石、油菜秸秆和杀菌猪粪以及由它们组成的混合基质已经进行了重金属污染和生态风险评价，以土壤环境质量一级标准值为参比的评价结果为安全与优良[8-10]。

供试作物为菠菜、苋菜、白菜和生菜4种蔬菜，种子由淮南市种子公司提供。

1.2  试验设计

试验按不同配方配制混合基质，共设5个无土栽培基质处理，即煤矸石与腐熟油菜秸秆的比例（体积比）分别为2∶8（T1）、3∶7（T2）、4∶6（T3）、5∶5（T4）和6∶4（T5）;同时以菜园土作为对照（CK）。将5种混合基质及土壤分别装入高30 cm、直径30 cm的花盆中，装盆高度28 cm。装盆时菜园土采用一次性施入基肥的方法，肥料施入量为过磷酸钙0.83 g/kg、尿素0.33 g/kg、氯化钾0.25 g/kg[11];5种混合基质不作施肥处理。4种蔬菜盆栽试验在淮南师范学院生物科学实验中心人工光照栽培室中进行，4种蔬菜种子经杀菌浸种催芽后分别播种于128穴育苗盘中，出苗35 d后当幼苗长至3叶1心时定植，每盆定植2株，采用完全随机区组设计，每种处理4次重复，常规栽培管理。

1.3  样品采集与测定

取一内径为10 cm的硬质聚已烯圆管、截高16 cm，底部放一块塑料圆板作管底，与圆管外径相同并用透明胶紧密粘连，使其不漏水。圆筒容器体积为1 256 cm3，称其重为W0。将圆筒加满自然风干的混合基质，称重为W1，并在水中浸泡24 h，称重为W2，再用重量为W3的湿纱布包住圆筒口，并把圆筒倒置，让圆筒容器中的水流出直至没有水渗出为止，称重为W4。按以下公式计算：

容重=（W1-W0）/1 256;

总孔隙度=（W2-W1）/1 256×100%;

通气孔隙=（W2-W4+W3）/1 256×100%;

持水孔隙=总孔隙度-通气孔隙;

大小孔隙比=通气孔隙/持水孔隙。

定植后30 d和55 d分别对4种蔬菜取样，测定相关生理指标。光合速率、气孔导度用LI-6200型便携式光合测定仪在光合有效辐射量大于1 000 μmol/（m2·s）下选定完全展开的第二叶测定，每处理测定4片叶。叶绿素含量参照Arnon法，根系活力采用TTC还原法测定[12]。

采用pH 酸度计（电位法）测定pH（水土比为2.5∶1），采用DDS-307电导率仪测定电导率（水土比为5.0∶1）[13]，采用重铬酸钾法（外加热法）测定有机质含量，采用扩散法测定全氮和碱解氮含量，采用钼锑抗比色法测定全磷和有效磷（P2O5）含量，采用火焰光度计法测定全钾和速效钾（K2O）含量[14]。

采用Duncan新复极差测验法和Microsoft Excel（Office XP）统计软件分析数据。

2  结果与分析

2.1  混合基质的理化特性

由表2可以看出，随着煤矸石含量的增加，5种混合基质的容重也随之增加，而通气孔隙、持水孔隙、大小孔隙比以及总孔隙度却有所下降，但这些指标的变化幅度均处于适合植物正常生长的范围内[15]。与土壤（CK）相比，由于混合基质中有机质含量较高，使基质的容重降低，孔隙度增加，水气比较为合理，所以能够更好地协调根系水分和气体供应之间的矛盾。

由表2还可以看出，随着煤矸石含量的增加，5种混合基质的有机质含量、电导率、全氮含量、碱解氮含量和碳氮比也随之下降，全磷、有效磷、全钾、速效钾的含量以及pH逐渐增加，表明5种混合基质的供氮能力、供肥潜力随着煤矸石含量的增加而降低，但基质的供磷、钾能力随之增加而增强。与土壤（CK）相比，基质的营养丰富，各种营养成分比例协调。

2.2  混合基质对4种叶菜类蔬菜叶绿素含量的影响

在植株正常生长条件下，叶绿素含量的高低不仅能反映植株的长势情况，也是表征植物光合作用强弱的重要参数。分别在定植后30 d和55 d测定4种蔬菜（白菜、生菜、菠菜、苋菜）植株体内叶绿素含量，其结果见表3。定植后30 d和55 d的4种蔬菜CK的叶绿素含量最低，极显著低于5种混合基质。表明混合基质能显著增加叶菜类蔬菜体内的叶绿素含量。5种混合基质中，随着煤矸石含量的逐渐增加，4种蔬菜的叶绿素含量呈先升高后下降的趋势，T3处理的叶绿素含量最高，T5处理最低，T1、T2、T3处理间无显著差异，T5与T1、T2、T3处理间差异显著或极显著（除30 d的白菜外），T5与T4处理间除55 d的苋菜有差异外其余无差异。

2.3  混合基质对4种叶菜类蔬菜根系活力的影响

根系活力反映了植物对混合基质中水分和矿物质的代谢能力，是表征植株吸收功能的综合指标。由表4可以看出，定植后30 d和55 d的4種蔬菜根系活力CK最小，与T1、T2处理差异显著或极显著（除55 d的菠菜及30 d苋菜的T1处理外），与T4、T5处理无差异;与T3处理相比，白菜差异极显著，生菜、菠菜和苋菜的差异较小。这表明混合基质能提高蔬菜的根系活力。5种混合基质中，随着煤矸石含量的增加，4种蔬菜的根系活力呈先升高后下降的趋势，T2处理的根系活力最高，T5最低，除T5处理的白菜及55 d的苋菜与T1、T2处理间有显著或极显著差异外，其余无差异。

2.4  混合基质对4种叶菜类蔬菜净光合速率的影响

净光合速率是衡量植物光合作用强弱的重要指标。由表5可知，定植后30 d和55 d的4种蔬菜净光合速率CK最小，且与生长在5种混合基质上的相比，在白菜和生菜中，与所有处理差异极显著;在菠菜和苋菜中，与T1、T2、T3处理差异极显著，与T5处理差异较小。这表明混合基质能够提高蔬菜的净光合速率。5种混合基质中，随着煤矸石含量的增加，4种蔬菜的净光合速率呈先升高后下降的趋势，T3处理的净光合速率最高，T5处理最低。T3与T2处理间差异较小，与T1处理间有显著或极显著差异，与T4、T5处理间差异极显著。

2.5  混合基质对4种叶菜类蔬菜气孔导度的影响

气孔导度表示的是气孔张开的程度，其大小直接影响植物的蒸腾作用、光合作用以及呼吸作用。分别在定植后30 d和55 d测定4种蔬菜植株的气孔导度，结果见表6。定植后30 d和55 d 4种蔬菜的气孔导度CK最小，均显著或极显著低于5种混合基质处理，表明混合基质能够显著增大叶菜类蔬菜的气孔导度。5种混合基质中，随着煤矸石含量的增加，4种蔬菜的气孔导度呈先升高后下降的趋势，T3处理的气孔导度最大，T5处理最小;T3处理除与生菜及55 d苋菜的T2处理间无差异外，与其他处理差异显著或极显著。这表明T3处理基质的配比适宜，保水保肥性能好，有利于叶菜类蔬菜气孔的张开。

3  小结与讨论

目前，基质栽培占无土栽培的90%以上[16]，是蔬菜无土栽培的主要形式。因此基质栽培的研究重点应放在如何选择成本较低、来源广泛、理化性质适宜的基质原料上。本试验以腐熟油菜秸秆、煤矸石为原料组成有机生态型无土栽培混合基质，不仅能够用以容纳根系生长，支持和固定植物，又能够缓解工农业废弃物对当地环境污染所造成的压力，同时由于混合基质中含有各种大量元素和微量元素，也成为作物生长发育的重要养分来源。因此，在完全不使用化学肥料的前提下，本试验中的混合基质为蔬菜的生长发育提供了协调、稳定的气、水、肥根际环境，固定、支持植物良好，而且不存在重金属污染[10-12]，混合基质基本满足了蔬菜有机生态型无土栽培对基质的要求[17]，生产的蔬菜产品完全达到了A级或AA级的绿色食品标准[11，12]。

本试验结果表明，混合基质上栽种的4种叶菜类蔬菜的叶绿素含量、根系活力、净光合速率、气孔导度均显著高于土壤栽培，说明混合基质对蔬菜作物的生理活动具有更好的促进作用。植物的离子和水分的主要吸收器官是根系，其生长情况和根系活力大小直接影响植物的生长发育。由于混合基质的总孔隙度大，容重轻，大小孔隙比例适中，通气透氧性能好，保肥保水性能优良，更能满足蔬菜作物对营养和水分的吸收需要，因而促进了植物根系的生长和根系活力的提高。根系吸收能力的增强，也使地上器官中Fe、Mn、Cu、Zn等矿质元素含量增加。这些矿质元素是叶绿素合成的必需条件，促进了蔬菜作物叶绿素的合成。光合作用的启动者是叶绿素，在一定范围内，叶绿素含量越高，净光合速率越强，光合同化产物积累的就越多[18]，而较多的同化产物又会进一步促进根系的发育和根系活力的提高。植物叶片与外界进行气体交换的通道主要是气孔，通过气孔扩散的气体有CO2、O2和水蒸气。所以用来表征气孔张开程度的气孔导度大小直接影响植物的蒸腾作用、光合作用和呼吸作用[19]。本试验混合基质上栽种的4种蔬菜的气孔导度显著或极显著高于土壤栽培，表明混合基质通过增加叶片气孔导度提高蒸腾速率，进而促进了蔬菜作物光合速率的增加。这一试验结果与沈军等[20]用不同基质对观赏南瓜幼苗的栽培试验结果相一致。

栽培基质的理化性质不仅取决于混合基质的原料组成，也取决于混合基质配方的优劣。本试验结果表明，5种混合基质上栽培的4种蔬菜以T3处理的叶绿素含量、气孔导度和净光合速率最大，根系活力也较高，说明T3基质配方较优，其理化特性更能促进蔬菜作物的生理活动。此外，定植后55 d的4种蔬菜与定植后30 d的相比，其体内叶绿素含量、根系活力、净光合速率、气孔导度都有所增加，表明在混合基质上生长的蔬菜，其生理活动会随着株龄的延长进一步加强。目前对于蔬菜生理活动与混合基质的使用时间长短之间的相关程度还不十分清晰，有关此类问题尚需作进一步的研究。

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