保水剂对底泥堆肥用作育苗基质的保水性和黄瓜幼苗生长的影响

和苗苗，卢 珏，田汝响

(1. 杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江 杭州311121； 2. 杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 311121)

0 引言

无土栽培在蔬菜育苗方面的应用越来越普遍，栽培基质质量对种苗的繁育起着十分重要的作用.目前，应用最广泛的栽培基质为泥炭，但由于天然泥炭的挖掘对湿地和森林生态环境构成了严重的威胁，造成生态系统的破坏，因此，世界各国都在探寻泥炭的替代物[1].

近年来，人们试图将有机固体废弃物堆肥用作育苗或栽培基质，如畜禽粪便堆肥、污泥堆肥、药渣堆肥等[2-4].河道底泥含有植物生长所必需的各种养分(氮、磷、钾等)，但其含量显著低于畜禽粪便或污水污泥(C含量通常是畜禽粪便或污水污泥的10%～50%，N含量通常为畜禽粪便或污水污泥的30%～80%)[5]，且盐分及重金属含量也相比养殖场动物粪便较低.经好氧堆肥后，腐熟的底泥堆肥中营养成分、电导率(EC)值、孔隙度更接近泥炭土，有利于出苗和壮苗，能够满足无土栽培基质的高要求.但目前利用河道底泥堆肥作为育苗基质或栽培基质的研究较少[5-6].

尽管有机固体废弃物堆肥用作栽培基质有成功的例子[6-8]，但在水分管理上暴露的问题也较明显，例如水稳定性差、持水性差等[9].由于基质普遍持水量有限，幼苗蒸腾作用强，其失水的速度较快，使得水分成为幼苗生长的限制性因素[10-11].因此，研究者试图添加一定比例的保水剂，以调节基质水分，促进根系发育，进而提高出苗率，促进植株生长发育[11-13].这也是评价育苗基质优劣的一个重要指标.目前，保水剂对基质栽培蔬菜苗期生长状况的影响已有相关研究[12-14]，但应用在底泥堆肥制作育苗基质中的研究鲜有报道.

有研究表明，在泥炭中适量添加保水剂可有效提升基质理化性状及幼苗指标，但过量添加会抑制幼苗生长[11].本研究以河道底泥堆肥为主要组分，配以珍珠岩，并添加不同比例的保水剂制成育苗基质，与泥炭土进行对比，考察添加不同浓度保水剂对黄瓜幼苗生长的影响，为底泥堆肥替代泥炭用作蔬菜容器育苗基质提供理论依据，这也为底泥资源化循环利用开辟了新的途径.

1 材料与方法

试验于2018年11月—2019年1月在浙江大学紫金港校区温室内进行.试验期间温室内平均温度为20 ℃.

1.1 试验材料

试验所用底泥堆肥与泥炭土理化性质如表1所示.

表1 底泥堆肥与泥炭土理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of sediment compost and peat soil

底泥堆肥：底泥采自杭州市余杭塘河(良睦路段)，堆肥材料由底泥、秸秆、药渣、麸皮混合而成，经49 d好氧发酵后，堆肥产品的pH为6.5～7.5，所得底泥堆肥C/N<15，腐熟度好.

泥炭土：市场上购买的国产泥炭.

保水剂：农林保水剂，型号为WA-1，白色胶粒状，高吸水性树脂，表观密度为0.60 g/cm3，对去离子水的吸水能力为54.3 mL/g，吸水后体积膨大,呈无色胶粒状，吸水后溶液呈中性，pH值为7.06.

试验用植物：黄瓜，津研四号品种，由杭州市农科院蔬菜所提供.

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1.2 试验设计

将底泥堆肥、泥炭分别与珍珠岩按照一定体积比例混合成不同的育苗基质，每个基质处理设置添加1%、0.5%与不添加保水剂处理，以考察树脂保水剂对基质的持水和保水性能及对黄瓜出苗和生长的影响.每种处理都设8个重复，各处理配比方案如表2所示.

表2 育苗基质组成Tab.2 Composition of different substrate treatments

1.3 理化指标及其分析方法

分别测定各配比基质中的容重、总孔隙度、持水量、pH、EC、总碳(TC)、总氮(TN)、总磷(TP)、总钾(TK)及Cu、Zn、Cd和Pb的含量.

容重和总孔隙度采用环刀法测定；基质持水量测定采用浸水称重法[15]；pH、EC值是将基质与去离子水以1∶10混合振荡2 h，在10 000 r/min离心机上离心过滤后，用离子电极法测得；TC、TN、TP分别采用重铬酸钾湿式氧化法、半定量开氏法、酚二磺酸分光光度法测定；累计失水率通过含水率测定，基质含水率是将样品在105 ℃下烘48 h至恒重获得；金属元素用火焰原子吸收法[16]测定.

1.4 植物管理与检测

种子经浸种催芽后植入50孔穴盘内，每个处理设30个平行株，测定出苗率.待苗出齐后选取84株定植于径高均为12 cm的黑色塑料盆中，每个处理设6个重复.每天观察植物长势，视情况给植物浇水(3～4 次/星期).在苗龄30 d时，停止浇水，10 d后收割，测定其株高、最大叶面积、地上部分干/鲜质量、根部干/鲜质量，计算壮苗指数(壮苗指数=[茎粗/株高+地下干物质量/地上干物质量]×全株干物质量).

株高为从地面至最高生长点高度，根用去离子水洗净与地上部放入60 ℃烘箱1个星期，测定干质量，最大叶面积采用Epson 700 扫描测定.所有数据采用EXCEL软件整理，SPSS 22.0统计软件进行方差分析和相关性分析，使用CANOCO 5 软件进行主成分分析(RDA).

2 结果与讨论

2.1 各处理育苗基质的理化性质

各处理基质的理化性质列于表3.根据理想基质的标准[17-18]，基质容重、总孔隙度和最大持水量分别在0.15～0.8 g/m3、70%～90%和60%～100%范围内更适宜植物生长.由表3可知，各处理基质容重与总孔隙度均在理想基质的标准范围内.

表3 不同原料配比处理基质的理化性质Tab.3 Physical and chemical properties of different ratio of raw material processing matrix

以泥炭为主的育苗基质容重显著小于以底泥堆肥为主的育苗基质，添加保水剂后，基质的容重均有所增加，且随保水剂添加量的增加而增加.总孔隙度则相反，以泥炭为主的育苗基质孔隙度显著高于以底泥堆肥为主的育苗基质，添加保水剂使育苗基质孔隙度略有降低.在不添加保水剂的对照处理中，最大持水量均低于标准值，在底泥堆肥为主的基质中添加保水剂后，最大持水量增加了26%～32%，但仍低于60%～100%的标准范围；泥炭为主的基质在添加保水剂后，最大持水量可达到理想基质的标准范围.

与大多数报道[19-20]一样，本研究也证实了保水剂可提升育苗基质的理化性能，为种子发芽以及种苗的生长提供保障.但是，保水剂的种类与添加量不同，其对育苗基质理化性质的提升程度也不同.

2.2 各处理育苗基质对保水性的影响

添加保水剂可有效降低基质的累计失水率，如图1所示.

与对照相比，各处理基质水分散失明显减少，累计失水率与保水剂添加比例呈显著负相关(r=-0.912,P<0.05)，且保水剂添加的比例越高，累计失水率就越低.以泥炭为主的基质失水率高于以底泥堆肥为主的基质处理，这可能是由于泥炭总孔隙度高，水分散失更快.另外，基质中珍珠岩添加量越高，失水率越高，这可能也与孔隙度大小有关.珍珠岩增加了基质的孔隙度，进而提高了水分的蒸发.各基质处理中孔隙度与其第5天的累计失水量显著相关(r=0.915,P<0.05)，证实了失水率的变化与总孔隙度有一定关系.

添加不同用量的保水剂后，基质水分蒸发速率逐渐变小，有利于基质保存较多水分以供植物生长，这与其他研究者的结果[11,21]一致.保水剂可显著降低育苗基质水分的无效蒸发，提高其自身保水能力以及植物对水分的利用率，进而利于植物的生长.

2.3 各处理育苗基质对黄瓜幼苗生长的影响

如表4所示，泥炭为主的基质出苗率均显著高于以底泥堆肥为主的基质.

表4 不同育苗基质对黄瓜生长的影响Tab.4 The influence of different substrate on cucumber growth

续表4

这主要是由于泥炭EC值显著低于底泥堆肥(表3)，而高盐分会抑制植物的出苗率[22]；同时，泥炭中稳定有机质含量高且营养适量，这更适宜植物的出苗，但底泥堆肥中仍存留一些有机酸等物质，会抑制黄瓜的出苗.相关性分析也证实了EC值、氮磷钾总营养分别与出苗率呈显著负相关(r=-0.733、r=-0.718，P<0.05).0.5%的保水剂增加了各基质的出苗率，但1%的保水剂仅提高了底泥堆肥∶珍珠岩为3∶1处理的出苗率，对其他处理的基质均表现出抑制作用.这可能是由于保水剂含量太高，反而降低了总孔隙度，进而影响通气，抑制出苗率，这从出苗率与总孔隙度的显著正相关关系(r=0.838，P<0.05)上也能得到解释.

以泥炭为主的基质中，株高与叶面积在泥炭∶珍珠岩为3∶1的3个处理(T10—T12)中均最高，添加保水剂显著提高了黄瓜苗株高与叶面积(表4).在以底泥堆肥为主的各基质处理中，黄瓜苗株高低于以泥炭基质为主的处理.保水剂在底泥堆肥∶珍珠岩为3∶1的处理中可提升黄瓜苗株高与叶面积，但在底泥堆肥比例高的基质处理中，黄瓜苗株高与叶面积均随保水剂添加量的增加而降低.株高的变化可能也与基质总孔隙度有关，底泥堆肥孔隙度低于泥炭，且添加保水剂后，孔隙度进一步减小，影响植物的株高生长.叶面积增长需要吸收大量的营养物质，底泥堆肥营养含量显著高于泥炭，因此当基质中底泥堆肥比例低时，植物更容易吸收营养，促使叶面积增长；但底泥堆肥比例高，同时添加保水剂后，高盐分、孔隙率低等原因阻碍了植株对营养物的吸收，导致叶面积降低.

添加保水剂对黄瓜苗地上干质量的影响与叶面积相似，其显著增加了泥炭处理中黄瓜苗地上部分干质量；但在以底泥堆肥为主的各基质处理中，保水剂仅提高了底泥堆肥比例低(底泥堆肥∶珍珠岩为3∶1)基质处理中的地上部分干质量.对于地下部分干质量，随着底泥堆肥比例增加，黄瓜苗根部干质量显著降低，添加保水剂也显著降低了黄瓜苗地下部分干质量，特别是1%的添加量显著抑制了根部的生长.在以泥炭为主的基质处理中，地下部分干质量随保水剂添加量的增加变化不显著.在以泥炭和以底泥堆肥为主的育苗基质中，壮苗指数最高值分别出现在T3和T12处理，这说明当底泥堆肥/泥炭∶珍珠岩为3∶1时，添加适量的保水剂更有利于黄瓜育苗.随着泥炭添加比例的增加，T13—T18处理中黄瓜苗的壮苗指数略有降低，而保水剂添加量对其影响不显著.但是，基质中底泥堆肥添加比例高的情况下(T4—T9)，添加保水剂并不利于黄瓜的出苗与生长.

在底泥堆肥比例低的基质(T1—T3)中，虽然出苗率低于以泥炭为主的基质处理，但黄瓜各生长指标均与泥炭处理差异不显著，说明底泥堆肥在一定比例下可以替代泥炭用作蔬菜容器育苗基质.但底泥堆肥比例高(底泥堆肥∶珍珠岩为5∶1)时，虽然底泥堆肥中有大量营养物质，但由于黄瓜组织娇嫩，根系吸收能力弱，营养物质浓度过高会有反作用，不利于壮苗；另外，如果堆肥腐熟程度不够，仍会存留一些有机酸等物质，加之孔隙率小、EC值高等原因，一方面会抑制幼苗对养分的吸收，另一方面会直接对根系细胞造成伤害.加入保水剂后，基质的保水性虽然有所提高，但孔隙度进一步降低，影响透气性，同样不利于植物根际对营养物质的吸收，进而导致植物活力下降[13].赵瑞等[12]研究表明，秧苗质量随黄瓜穴盘苗基质中保水剂浓度增加而降低.于茜等[11]研究也发现，在一定范围内添加保水剂可以提高蔬菜幼苗根系活力，但过量的保水剂会显著降低植物的壮苗指数以及植物SOD、POD、CAT等活性，这都证实了本研究结果.

2.4 主成分分析

为了全面客观地评估保水剂添加后育苗基质中不同理化性质对黄瓜幼苗生长的影响，本研究采用主成分分析法，如图2所示.

图2 理化指标和植物生长参数的RDA分析图Fig.2 Redundancy analysis of physic-chemical parameters and index of plant growth

表5 育苗基质主成分特征根Tab.5 Principal component eigenvalues of substrates

分析共提取出两个主成分(表5).第一主成分的方差贡献率最大，为58.58%，加上第二主成分方差贡献率29.77%，其累计方差贡献率为88.35%，满足大于85%的要求[23]，故可以用第一、二主成分这两个综合指标评价黄瓜种苗的生长状况.

各处理的主成分综合评分如表6所示.主成分分析结果表明，泥炭为主的育苗基质育苗效果整体优于底泥堆肥为主的育苗基质.所有处理中，表现最好的集中在泥炭为主的T10—T15处理中；底泥堆肥添加量较低时(T1—T3)，育苗效果与泥炭相近，但底泥堆肥比例较高时(T4—T9)，基质表现较差.原因可能包括两方面：一是泥炭为主的基质处理(T10—T18)中，与出苗率、壮苗指数正相关的指标总孔隙度显著高于底泥堆肥为主的育苗基质(T1—T9)；二是底泥堆肥为主的基质处理中，与出苗率、壮苗指数负相关的重要理化指标EC、pH值、营养含量均显著高于泥炭处理.可见，高EC值、高营养含量、低孔隙度以及不适合的pH值等，在无土栽培过程中是非常重要的限制因素，也成为一些泥炭替代品在培育种苗过程中出现问题的主要原因.例如，将猪粪堆肥、污泥堆肥等用作育苗基质会有幼苗不强壮、烧苗现象出现[22,24-26].可见，有机废弃物堆肥完全替代泥炭仍需要进一步研究.

表6 各基质处理主成分综合评分Tab.6 Principal component comprehensive score of different substrates

添加0.5%的保水剂对育苗效果的负面影响较小，在底泥堆肥∶珍珠岩为4∶1以及泥炭∶珍珠岩为5∶1的处理中添加0.5%的保水剂后，育苗效果还有所提高.但是高比例(1%)的保水剂显著降低了基质育苗效果，原因主要为：保水剂浓度过大导致基质的气相比例降低，其附着在根际周围影响透气性，对植物根系生长不利，进而导致根系活力下降[13].另外，保水剂本身的性质并不利于对育苗基质的改善.因此，添加保水剂后，在提高基质保水性的同时，也要对其理化性质进行调节，可考虑在基质中加入有效调理物质，进而更好地改善育苗效果.

3 结论

以河道底泥堆肥为主要组分，配合不同量的珍珠岩并添加不同比例的保水剂，制成育苗基质，考察不同浓度保水剂对黄瓜幼苗生长的影响，同时与以泥炭土为主的育苗基质进行对比.

结果表明，保水剂可以显著提高底泥堆肥的持水量，减少累计失水率，但同时也降低了底泥堆肥育苗基质的孔隙度并提高了其EC值.在底泥堆肥比例低(底泥堆肥∶珍珠岩为3∶1)的基质中，黄瓜各生长指标均与泥炭处理差异不显著，说明底泥堆肥在一定比例下可以替代泥炭用作蔬菜容器育苗基质.高添加量的保水剂对底泥堆肥基质中黄瓜的出苗率、幼苗株高与叶面积均表现出不同程度的抑制作用，特别是在底泥堆肥比例高(底泥堆肥∶珍珠岩为4∶1、5∶1)的基质处理中，黄瓜苗株高、叶面积以及地下部分干质量均随保水剂添加量的增加而降低.但高添加量的保水剂对泥炭基质的育苗效果影响相对较小，仅导致地下部分干质量有显著的降低.以壮苗指数来看，底泥堆肥/泥炭∶珍珠岩为3∶1时，添加0.5%或1%的保水剂，更有利于黄瓜出苗与幼苗生长.而在底泥堆肥比例高的基质处理中，由于孔隙度降低、EC值升高，保水剂反而会显著降低植物的壮苗指数.可见，保水剂用量并不是越大越有利于黄瓜幼苗生长.主成分分析结果进一步表明，高EC值、高营养含量、低孔隙度等，在无土栽培过程中是非常重要的限制因素；添加低剂量的保水剂对育苗效果的影响较小，但保水剂浓度过大，并不利于对育苗基质理化性质的改善及育苗效果的提高.因此，在提高基质保水性的同时，也要考虑对理化性质的调节.