基于隶属函数法的油麦菜栽培基质综合评价

王 飞，王 波，郁继华，颉建明，冯 致，廖伟彪，吕 剑

(甘肃农业大学 园艺学院，兰州 730070)

油麦菜(LactucasativaL.)属菊科莴苣属1a生或2a生草本植物，以嫩梢、嫩叶为产品的尖叶型叶用莴苣变种，油麦菜营养丰富、抗病性和适应性强、生长周期短，是无土栽培研究的模式植物之一[1-3]。无土栽培是现代化农业的主要模式，与传统栽培相比，无土栽培不仅产量高、效益大、产品品质好，而且能够预防虫害，降低病害发生率，同时减少农药、肥料、除草剂等的施用[4-5]。基质栽培作为无土栽培的重要形式，近年来，在中国西北地区的非耕地区域迅速发展，而传统基质当中草炭为主要原料，但草炭属于不可再生资源，过度开发会严重破坏生态环境，加之其价格和运输成本高昂，导致基质价格长期居高不下[6]。

当前，中国作物秸秆、畜禽粪便等农业废弃物的处理技术落后、利用途径较为单一，秸秆还田量约为秸秆总量的30%～50%[7-8]。焚烧仍是中国农民处理秸秆的普遍方式，造成严重的环境污染和养分资源的低利用率，西北地区焚烧和废弃的秸秆分别占秸秆资源的11.1%和5.3%[9]。近年来，农业废弃物的多元化利用越来越受到重视，其中基质化利用已成为研究热点[10]，该方式不仅有效解决了作物秸秆、禽畜粪便造成的环境污染问题，同时也为农业废弃物的综合利用开辟了新的途径。大量研究证明，鸡粪、牛粪、玉米秸秆、棉籽壳、糠醛渣、花生壳、椰糠等农业废弃物经发酵后可以替代传统的栽培基质，在辣椒、番茄、黄瓜等果菜类蔬菜栽培中取得了较好的效果[11-13]。但利用菇渣、棉花秸秆等废弃物进行叶菜类蔬菜栽培的研究较少。因此，本研究以不同比例的腐熟菇渣、棉花秸秆、牛粪为原料，添加蛭石及珍珠岩，分析不同复配基质对油麦菜生长的影响，探讨菇渣、棉花秸秆、牛粪等农业废弃物作为栽培基质的可行性以及适宜的基质配比，旨在筛选出有效替代草炭并适合油麦菜生长的有机栽培基质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年在甘肃农业大学塑料拱棚进行。试验材料为特高产尖叶油麦菜(‘球研一号’，河北粒尔田种业有限公司)，该品种对播种和采收时间要求不严格、抗寒、抗病等特点，基质成分有草炭、蛭石、珍珠岩、牛粪(甘肃农业大学牛场提供)、平菇菇渣和棉花秸秆(酒泉肃州区非耕地产业园区提供)，均经高温腐熟消毒处理。

1.2 试验设计

试验共设6个处理(表1)。栽培基质以草 炭∶蛭石∶珍珠岩=3∶1∶1(体积比)为对照，各处理蛭石和珍珠岩体积比相同，基质配比及处理编号见表1。播种前先测定单一基质和复配基质的养分含量及理化性状。然后选取饱满、健康、大小一致的油麦菜种子，浸种后进行播种。育苗容器采用50孔穴盘，每穴播1粒，每个处理设置3个重复(3盘)。在玻璃温室中进行维护和管理，两叶一心时，基质装盆，为防止养分的流失，要用塑料袋套在盆子底部，选取长势一致的幼苗，进行移栽定植，每盆定量浇水。在后期的管理中注意苗的补水、防晒及防病虫害。油麦菜收获时，取样测定以下各项指标。

表1 不同处理的基质配比Table 1 Substrate ratio of different treatments

1.3 测定指标与方法

1.3.1 基质理化性质及酶活 每个处理的基质理化性状在基质复配后测定。基质的体积质量和孔隙度的测定采用郭世荣[14]的方法；取体积为660 mL(V)的塑料烧杯，称量(W1)，加满风干的待测基质称量(W2)，将装有基质的塑料烧杯用两层以上纱布封口，在水中浸泡24 h过夜，取出称量(W3)，并将封口用的湿纱布称量(W4)，然后用湿纱布包住塑料烧杯后倒置，直至烧杯中没有水分渗出称量(W5)。计算体积质量和孔隙度：体积质量=(W2-W1) /V；总孔隙度=(W3-W2) / V×100%；通气孔隙=(W3+W4-W5)/V×100%；持水孔隙=总孔隙度-通气孔隙。

将去离子水(体积)与风干基质(质量)以 5∶1比例相混合，2 h后取滤液，分别用DMP-2 型pH计和DDS-11型EC计测定pH和电导率[15]。

脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法[16]。基质中全氮用全自动凯氏定氮仪(山东青岛康信环保设备有限公司，K1100)测定，碱解扩散法测定碱解氮，速效磷采用钼蓝比色法测定，全磷含量用钼锑抗比色法测定，钾(全钾、速效钾)含量的测定采用火焰光度计法[17]。

1.3.2 生长生理指标 用叶面积仪测定叶面积，采用破坏性试验测定单株鲜质量，每次取样后，随机选取3株用清水冲洗干净，用电子天平分别称量其根、茎、叶鲜质量。称取0.5 g洗净吸干水分的根系，用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定根系活力[18]。

1.3.3 光合参数 用φ=95%乙醇提取法测定叶绿素a和叶绿素b质量分数[19]。用CIRAS-2型便携式光合仪测定光合速率(Pn)。

1.4 数据统计分析

用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0进行试验数据的统计、方差分析及相关性分析。

隶属函数法[20]计算公式：

隶属值=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，X为测定值，Xmax为最大值，Xmin为最小值。

反隶属函数与单株鲜质量呈负相关。反隶属函数值=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

将隶属函数值进行累加，求取平均值，平均值越大，则该处理单株鲜质量越大，产量越高。

2 结果与分析

2.1 基质理化性质及基质酶活性

由表2可见，单一基质成分的养分含量和理化性质差异显著。菇渣碱解氮、速效钾、有机质、pH均为最大，表明菇渣养分含量较高，但pH较高，不适合植株生长，需与pH较低的基质复合使用；牛粪全氮、全磷、速效磷质量分数较高，但电导率显著高于其他基质，易对植物产生盐害。草炭全钾、速效磷质量分数最低；珍珠岩全氮、全磷质量分数和电导率显著低于其他基质；蛭石碱解氮、速效钾、有机质质量分数显著低于其他基质，因此草炭、珍珠岩、蛭石养分含量较低，不能为植株后期生长提供足够营养。

除总孔隙度外，试验前油麦菜各处理基质的理化性质存在一定差异(表3)。基质体积质量在0.19～0.27 g/cm3，CK最小，为0.19 g/cm3，说明CK基质的松紧程度较低，不适宜植株生长；总孔隙度在72.23%～76.35%，各处理无显著差异；通气孔隙由大到小依次为：T1>CK>T3>T4>T2>T5；持水孔隙为67.28%～74.00%，T2最大；T2、T5水气比最低，为0.03，与T3、T4无显著差异，说明T2、T5处理基质的水分和空气容纳量较少；各基质pH偏碱性，T5最大，为 9.24；电导率以T2最大，为3.49 mS/cm，T3次之，处理T2、T3易对植物造成盐害。

由表4可以看出，各处理复配基质的养分含量差异显著。CK全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾质量分数均为最低值，说明CK肥效不足，不利于植株营养吸收；T1有机质质量分数最低，为409.62 g/kg，与T3、T4、T5差异显著；T3速效磷质量分数最高，为526.31 mg/kg，与其他各处理差异显著；T4全氮、全钾质量分数最高，分别为0.57 mg/kg、1.87 g/kg；T5全磷、碱解氮、速效钾、有机质质量分数均为各处理最高值，能为植物提供充足养分，适合油麦菜生长(表4)。

脲酶活性代表基质的氮素情况，脲酶催化基质中尿素酰胺态氮水解为铵态氮[21]。由图1可知，T5脲酶活性最高，为0.417 mg/(g·h)，与T3无显著差异；CK脲酶活性最低，为0.22 mg/(g·h)，与T1和T2无显著差异。各处理脲酶活性分别比CK高13.64%、18.18%、 86.36%、 50.00%、90.91%。表明T5基质的供氮能力要高于其他处理。

表2 单一基质成分的养分含量和理化性质Table 2 Nutrient contents and physicochemical properties of single substrate component

注：同列不同小写字母表示在0.05水平差异显著。下同。

Note:Different lowercase letters in the same column mean significantly different(P<0.05). The same below.

表3 各处理复配基质的理化性质Table 3 Physicochemical properties of the treated substrates

表4 各处理复配基质的养分含量Table 4 Nutrient content of mixed substrates in each treatment

图1 不同配方对基质脲酶活性的影响Fig.1 Effects of different recipe on urease activity of substrate

由图2可知，蔗糖酶活性由高到低顺序依次为：CK>T1>T3>T2>T4>T5。CK处理的蔗糖酶含量高于T1～T5处理，可能与基质中养分含量有关。CK和T1～T3蔗糖酶活性分别是T5的2.74、2.43、2.06、2.38倍；T4蔗糖酶活性比T5高6.43%。CK与T1、T3蔗糖酶活性无显著差异,与T2、T4、T5差异显著。

图2 不同配方对基质蔗糖酶活性的影响Fig.2 Effects of different recipe on sucrose activity of substrate

2.2 基质对油麦菜光合参数的影响

叶绿素是光合作用重要的色素，其含量高低能反应绿色植物叶片光合作用能力及植株健康状态。由表5可知，T2叶绿素a质量分数、叶绿素b质量分数、叶绿素a+b质量分数、叶片光合速率最高，分别为1.74 mg/g、0.66 mg/g、2.39 mg/g、18.73 μmol/(m2·s)，比CK高85.11%、83.33%、83.85%、18.69%；T2的光合参数与CK、T3、T5差异显著。说明T2较其他处理组光合作用强，有利于碳水化合物的积累。

2.3 基质对油麦菜生长及生理的影响

由方差分析可知，各处理单株鲜质量差异显著(图3)。T5单株鲜质量最高，为65.08 g，CK单株鲜质量最低，为25.10 g。单株鲜质量由高到低顺序依次为：T5>T4>T1>T3>T2>CK；处理T1～T3单株鲜质量分别比CK高87.53%、48.80%、69.20%；处理T4和T5分别是CK的2.15倍、2.59倍；表明处理T5植株较其他处理营养丰富，长势好，其基质适合油麦菜生长。

根系具有吸收和重要的合成与代谢功能，旺盛的根系活力对植物的生长、产量等至关重要。如图4所示，T1根系活力最高，为0.54 mg/(g·h)，T5次之；CK根系活力最低，为0.08 mg/(g·h)。CK与T2根系活力无显著差异，T4和T3、T5无显著差异；处理T2根系活力比CK高87.50%；处理T1、T3、T4、T5根系活力分别是CK的6.75倍、3.02倍、3.34倍、4.48倍。表明T1和T5植株根系发育良好，营养吸收能力强。

T5叶面积与CK、T2、T3、T4叶面积差异显著(图5-A)。T5叶面积最大，为80.63 cm2；CK叶面积最小，为52.05 cm2，且叶片发黄(图5-B)。叶面积由高到低顺序依次为T5>T1>T4> T3>T2>CK，且叶面积分别比CK高54.91%、34.76%、18.41%、10.09%、 5.34%。表明T5叶片光合面积大，从而增强植株光合作用，促进植株营养积累。

表5 不同配方基质对油麦菜叶片光合参数的影响Table 5 Effects of different compound substrates on photosynthetic parameter in lettuce leaves

图3 不同配方基质对油麦菜单株鲜质量的影响Fig.3 Effects of different compound substrates on fresh mass per plant in lettuce

图4 不同配方基质对油麦菜根系活力的影响Fig.4 Effects of different compound substrates on root activity in lettuce

图5 不同配方基质对油麦菜叶面积的影响Fig.5 Effects of different compound substrates on leaf area in lettuce leaves

2.4 各指标的相关性分析

为探索各指标间相互关系，进行相关性分析(表6)。脲酶与有机质、pH呈显著正相关性，与总空隙度呈极显著负相关性；蔗糖酶与pH、单株鲜质量呈显著负相关；速效磷与速效钾、电导率呈极显著正相关性，与体积质量呈显著正相关性；速效钾与pH、体积质量、电导率显著正相关；pH与单株鲜质量呈显著正相关性；体积质量与电导率呈显著正相关性。可见，pH、电导率、体积质量与各指标间关系较紧密，对其影响较大。

2.5 隶属函数分析

利用隶属函数法，对各处理油麦菜的生长情况进行多指标综合评价，值越大，处理的植株生长越好(表7)。各处理的隶属函数平均值均高于CK，说明各处理基质的油菜产量和品质的综合指标均优于CK；T5隶属函数平均值显著高于其他处理，表明T5是用生物质代替草炭且适于油麦菜生长的最佳基质配方。

3 讨 论

良好的基质不仅能够为蔬菜作物创造适宜根际环境，保证养分、水分的持续供应，而且要易于操作和标准化管理[22-23]。然而将单一的有机基质作为蔬菜的栽培基质，往往存在孔隙度、持水性、电导率等问题，只有相互混合或添加一定量的无机基质，才能充分发挥不同基质原料的特性，有利于蔬菜生长。杨红丽等[24]利用花生壳的通气孔隙度较大，持水性较差，将花生壳、牛粪、蛭石按照一定的比例复配，基质的通气孔隙度降低，持水孔性增强，适合番茄的育苗。于庆文等[25]利用菇渣电导率较大，复配一定比例的双孢菇渣、羊粪、炉渣、细河沙，复合基质电导率降低，提高了辣椒产量。良好的通气状况能够为微生物提供丰富的空气来源, 加快基质中有机质的分解, 促进植物营养吸收，因此, 基质孔隙的大小是其肥力高低的一个重要指标。体积质量过大则基质紧实、通气透水性差, 体积质量过小则基质疏松、根系不易固定。研究表明，植物理想栽培基质的体积质量为0.1～0.8 g/cm3，总孔隙度 60%～90%，透气性良好，性质稳定[26-27]。本研究中，CK和不同处理的体积质量均在0.19～0.27 g/cm3，总孔隙度均在72.23%～76.35%(表 3)。电导率是基质理化性状的一项重要指标，能够反映基质可溶性盐分含量的多少，各处理基质的电导率均在作物生长安全范围内(1～4 mS/cm)[28]。基质的有效养分不仅在植物生长过程中可作为养分被植物吸收，还可以调节基质物理化学性质。蔬菜基质中碱解氮质量分数为50～500 mg/kg、速效钾质量分数为50～600 mg/kg、速效磷质量分数10～100 mg/kg较适宜[29]。本试验各复合基质中(除CK)速效养分含量均达到标准含量甚至超过上限(表4)。因此，各处理栽培基质理化性状优良，适合油麦菜生长。

近年来，有关替代草炭的复合基质配方研究较多，然而将菇渣、棉花秸秆、牛粪等农业废弃物复配作为栽培基质的研究较少。支中朝等[30]发现以菇渣∶蛭石∶珍珠岩 = 2∶1∶1培育的番茄幼苗效果最好，叶面积、单株干质量均显著高于其他处理。本试验中，处理T5全磷、碱解氮、速效钾、有机质均为各处理最高值(表4)，表明其理化性质优良，能为油麦菜提供充足养分。脲酶活性在基质氮元素的循环与转化过程中至关重要。本试验测得T5脲酶活性最高(图1)，表明其基质的供氮能力要高于其他处理。基质蔗糖酶可水解蔗糖为葡萄糖，促进植株自身生长。CK处理的蔗糖酶含量高于T1～T5处理(图2)，可能与基质中氮、磷、微生物含量有关[31]，王巍巍等[32]发现不同种稻年限土壤蔗糖酶与速效钾负相关的结果与本文一致。根系是重要的固定植株、吸收养分和水分的器官，根的生长情况和活力状况直接影响植物营养的吸收、产量、品质[33]。本试验中T1和T5的根系活力(图4)相对较大，表明其油麦菜吸收营养能力强，生长良好。叶面积大有利于增强植株的光合作用、蒸腾作用、呼吸作用。本试验测得处理T5油麦菜单株鲜质量和叶面积均最大(图3和图5)，其处理植株光合作用强，长势好。然而处理T5的叶绿素质量分数和净光合速率并不是最高，可能与T5植株叶片面积大，植株间距离较近，叶片间互相遮挡有关。

目前，利用鸡粪、牛粪、玉米秸秆、棉籽壳、糠醛渣、花生壳、椰糠等农业废弃物经发酵后替代传统的栽培基质的技术已经成熟，但利用菇渣、棉花秸秆等废弃物进行叶菜类蔬菜栽培的研究较少，本研究以不同比例的腐熟菇渣、棉花秸秆、牛粪为原料成功筛选出有效替代草炭并适合油麦菜生长的有机栽培基质，为有效解决作物秸秆、禽畜粪便造成的环境污染问题，提高农业废弃物的综合利用提供了技术参考。

4 结 论

通过对不同复合基质理化性质及其对油麦菜生长的影响的分析，研究油麦菜在不同复合基质中的适应性，得到处理T5(腐熟菇渣∶珍珠岩∶蛭石为6∶2∶2)(体积比)基质理化性质适宜，其全磷、碱解氮、速效钾、有机质、脲酶活性、叶面积、单株鲜质量均最大，且隶属函数综合排名最高，说明T5的透气性和保水保肥效果好，养分充足，适合作油麦菜栽培基质。