酒糟沼渣在番茄基质育苗上的应用

车艳丽 李彦明 杨其长 程瑞锋* 范青山

(1.中国农业科学研究院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100193；2.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193；3.海军农业新技术试验培训基地， 北京 102101)

厌氧发酵是酒糟资源化利用的重要手段之一，沼渣、沼液的合理利用不仅关系到沼气工程的顺利运行，也是其经济效益的重要来源。较为粗放的沼渣、沼液的利用，不仅效率低下，还可能带来二次环境污染。沼渣作为厌氧消化产物中固含量最多的成分，不仅营养丰富，而且质地疏松，适合作为作物栽培基质使用。有机基质栽培是无土栽培的一个研究热点[1]，近年来作为沼渣高值利用的新途径的沼渣人工基质技术也日益受到重视[5]。已有沼渣基质化研究主要以栽培基质为主[2-4]；范少英等[5]在1991年沼渣应用到育苗基质中，沼渣和煤渣制备复合基质。随着有机废弃物基质化研究的深入，进行了关于沼渣应用于育苗的研究。李忠琴等[6]利用沼渣和华美草炭、立陶宛草炭混合配制育苗基质，结果发现2份沼渣+1份立陶宛草炭是黄瓜、番茄、甘蓝育苗的良好基质，花椰菜和青菜以2份沼渣+1份立陶宛草炭+0.5 份Ca基质为最佳；王丽丽等[7]研究了不同添加量猪粪和鸡粪沼渣在番茄育苗基质中化肥的替代情况，发现10%沼渣添加量的情况下可以完全替代化肥，且不同类型沼渣的氮素形态不同；李妮等[8]发现在育苗基质中添加15%和30% 沼渣，番茄、黄瓜和茄子的育苗效果最佳；李金怀等[9]将沼渣应用到油茶育苗基质中，添加沼渣对油茶扦插苗存活、地径、苗高、新梢生长等有一定的影响，对叶面叶绿素和N、P、K含量有显著影响，添加15%的沼渣育苗综合效果较好；王玉等[10]研究了鸡粪沼渣、醋糟、蛭石的不同配比的黄瓜和番茄育苗基质，结果表明鸡粪沼渣(100%)处理中的As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn含量显著高于对照，As、Cd、Pb、Cr等4种重金属均未达到国家一级标准，并且该处理的黄瓜和番茄均未出苗，表明该沼渣作为基质不利于种子萌发及生长，该研究筛选出最适合黄瓜和番茄的育苗基质配方；刘娟等[11]探讨基质中添加不同比例腐熟沼渣对西瓜幼苗生长的影响，发现腐熟沼渣40%+泥炭40%+蛭石15%+珍珠岩5%的配比不仅可以提高出苗率、株高、茎粗、地上部鲜重和根系鲜重等，同时该基质对西瓜幼苗生长具有促进作用。已有研究所用的沼渣原料基本上都是来源于畜禽粪污、秸秆等农业废弃物，来源广泛且复杂，难以形成稳定一致的基质产品，另外，其有害及限量成分难以得到控制，严重制约了沼渣基质化的应用推广。关于酒糟沼渣应用于基质育苗的研究报道很少，因此，为研究酒糟沼渣基质化的可行性、最佳配方比例及相关参数，拟以酱香型白酒酒糟沼渣为研究对象，采用植物营养和园艺栽培学的知识以及环境工程学方法，以期获得酱香白酒糟厌氧沼渣的最优基质配方及相关评价参数，从而为酒糟沼渣应用于育苗基质提供理论和应用基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验在中国农业大学资源与环境学院实验室进行，试验时间为2017年11月1日—2018年8月15日。试验所用酒糟、沼渣和窖泥均由贵州茅台酒厂绿生有机肥有限责任公司；沼渣是通过中温厌氧发酵(35～37 ℃)，CRTS工艺，发酵周期为30～45 d，然后经过两级螺旋挤压后得到，分为粉碎和未粉碎，粗渣为固液分离后的沼液经过卧螺离心后得到的沼泥(质量比3∶1)和沼渣混合后加入少量鲜酒糟(总质量的20%～25%)好氧发酵后得到，发酵周期为45 d；细渣为粗渣经过半湿物料粉碎机粉碎后得到。蛭石和商品育苗基质(草炭)均购自北京市中蔬大森林花卉市场。

供试作物为番茄Lycospersiconesukurentamu，品种为‘田立方-盆栽红’，购自田立方种业企业店。

1.2 试验方法

1.2.1试验设计

首先将发酵后沼渣与未发酵沼渣进行粉碎处理，进行粒径分析和吸水性能测，对测定结果进行评价。再以发酵沼渣和未发酵沼渣为试验材料，按沼渣添加量为20%、40%、60%、80%、100%的梯度与蒸馏水进行混合配制，共计10 个处理，每个处理设3次重复，进行发芽试验，计算发芽指数。

按照表1的16 个复配基质配方，以商品草炭育苗基质)(草炭蛭石混合基质)为对照，共17个处理，每个处理设3次重复，进行穴盘育苗试验。先在实验室选取饱满的番茄种子进行催芽，当种子露白超过80%时再进行播种，将露白的种子播于72 穴盘的基质中，并覆盖少量蛭石，于每天8:00—9:00、12:30—1：30、18:00—19:00各浇1 次水。播种 10 d 后，测定出苗率，在播种后30 d，每个重复选择10 株测定其叶片数、株高、茎粗、叶面积、地上(下)部的干鲜重，计算番茄幼苗的壮苗指数，从而对复配基质进行评价，从中择出最优基质配方。

表1 番茄育苗复配基质配方(干物质质量比)Table 1 Tomato seedling compound matrix formula (dry weight mass ratio)

1.2.2测定项目和方法

基质测试包括物理和化学指标，物理指标包括容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度，化学指标包括pH、电导率EC，测试方法参照NY/T 2118—2012[12]。

粒径分析：将一定质量的基质分别过孔径为1、2、3、4、5 mm的筛子进行筛分，称取各个级别的质量，并计算各个级占总质量的百分比，%。

发芽指数(GI)：将基质样品过筛(2 mm)，取鲜样10 mL加入50 mL蒸馏水，混合后震荡1 h浸提，然后在3 000 r/min离心20 min，过滤后取滤液5 mL，注入装有滤纸的清洁培养皿中，将20 粒番茄种子均匀放入其中，25 ℃培养箱中恒温培养48 h，以蒸馏水为对照计算发芽率指数。发芽指数计算公式如下：

试验结果测试包括生物学特性，生物特性包括株高、茎粗、叶面积，株高、茎粗测试方法参照《园艺植物研究法》[13]，叶面积采用长宽积系数法测量(番茄叶面积系数0.35)[14]。

壮苗指数计算公式如下：

1.2.3精密仪器和药品规格

本研究室内使用仪器为北京海天友成科技有限公司生产的SPAD502测试仪。

1.3 统计分析

数据采用Excel 2016软件进行数据处理和作图。通过SPSS 18.0软件进行数据方差和Pearson相关分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 基质材料理化性质

从表2 可以看出，沼渣、发酵沼渣和窖泥都呈碱性。EC值以酒糟最高，发酵过的沼渣EC值显著高于未发酵沼渣，窖泥、蛭石和草炭EC值比较低。窖泥容重最高，接近于1.00 g/cm3，酒糟和粉碎的沼渣容重也较大，都超过0.31 g/cm3，其他原料的EC均在合理范围内。原料中酒糟、粉碎后的沼渣和窖泥总孔隙度偏低，未粉碎沼渣孔隙度较大，达到35.10%，窖泥通气孔隙只有0.36%，持水空隙度方面，只有发酵后沼渣、窖泥、蛭石和草炭在合理范围内，酒糟和沼渣的通气空隙较小。因此，酒糟和窖泥在多项指标均偏差较大，不适合直接用作基质，而窖泥的高容重、低EC值的特点可以作为填充料使用。从沼渣和发酵沼渣理化性质来看，细渣在容重，孔隙度方面都好于沼渣及粗渣，但是EC值较高，未粉碎沼渣容重太低，持水能力弱，粉碎以后沼渣容重太高，过于紧实，通气保水性较差，可见，单一的沼渣类原料难以满足育苗基质的理化性状要求，需要经过复配。

表2 供试基质原材料理化性状Table 2 Physical and chemical properties of raw materials of test matrix

2.2 沼渣基质粒径分析

从图1(a)和(b)可以看出，Z0中小粒径分布较少，小于2 mm的粒径总共仅占6.22%，而大粒径分布较多，大于2 mm粒径的超过90%，其中大于 5 mm 粒径的达到38.09%。F0中小粒径居多，小于2 mm的粒径占了约70%，其次是2～3 mm，约占30%。由图2(a)和(b)所示，沼渣经过好氧发酵以后粒径发生了很大变化，基质粒径分布相对均匀，D0小于3 mm粒径的基质超过80%，大于 4 mm 粒径的比例达到9.8%，DF0大粒径(>4 mm)仅仅为3.8%，2 mm以下的颗粒超过了70%。

图1 不同处理未发酵沼渣的粒径分布图Fig.1 Particle diameter distribution of unfermented biogas residue in different treatments

因此，沼渣大颗粒较多，透气但不保水，粉碎后沼渣小颗粒较多，保水但不透气，从粒径分布来看都不适合直接做基质，发酵以后沼渣粒径发生了很大变化，更加适做基质。

2.3 沼渣基质吸水能力分析

由图2可以看出，发酵后的物料(D0和DF0)吸水能力在30 min内高于未发酵物料(Z0和F0)，5 min 内吸水能力差异较大，且变化幅度较小。未发酵物料在5 min内吸水速率相当，都在35%左右，F0在5 mm到10 mm吸水速率有大幅度增长，增幅接近17%，而在30 min，Z0和F0吸水能力分别达到53.80%和57.89%，相差并不大。说明发酵后的沼渣可以提高基质在前30 min的吸水能力，提高水分利用率，减少水分流失。

图2 不同处理发酵沼渣的粒径分布图Fig.2 Particle diameter distribution of fermented biogas residue in different treatments

2.4 沼渣基质的生物性状评价

对于有机物料的生物抑制性或毒性，通常用发芽指数(GI)进行评价，该指数在一定程度上可以表明基质对种子的生物抑制性或促进作用，发芽指数越大，表明基质的生物抑制性越小，甚至有促进作用。一般认为，当GI值不小于80%时可用于植物生产[15]。

由图4可知，未发酵沼渣在各个添加比例的GI值都要高于发酵沼渣，随着添加比例的增加，GI值呈现下降趋势。在添加量是20%时，GI值最高，未发酵和发酵沼渣GI分别达到165.29%和131.98%，所有处理的发芽指数均高于80%，说明沼渣可以直接用于基质育苗和栽培，并且有一定的促进作用(20%、40%和60%)，且随着沼渣添加比例的减少，发芽指数在升高。

图3 不同处理时间对基质吸水能力的影响Fig.3 Effect of different fertilizer treatments on stem diameter of tomato

图4 不同添加比例对沼渣发芽指数的影响Fig.4 Effect of different proportion on germination index of biogas residue

2.5 不同配方育苗基质理化性状分析

对16 种不同配方的酒糟厌氧沼渣复配基质和对照(商用草炭育苗基质)进行了理化性质测定，如表3所示,除了对照pH在6以下，其他处理都高于6，随着添加沼渣添加量的减少，pH和EC呈现下降趋势，D和DF处理有较高的EC，添加量在40%和60%时，EC值下降到1 000 uS/cm以各个处理的容重都在合理范围内。孔隙度方面，总孔隙度位于60%～80%，通气孔隙和持水空隙变化差异较大。从理化性质分析可以看出，纯沼渣都呈碱性，EC值相对较高，且发酵后沼渣高于未发酵，经过复配以后，理化性状都在育苗基质合理范围内。蛭石和窖泥的添加可以有效的降低复配基质的pH和EC值，蛭石可以降低基质容重，提高基质通气性，具有一定保水功能，可以和沼渣吸水能力差形成互补，窖泥可以提高基质容重，增加基质保水性。综合各个处理来看，理化性质比较良好的处理为沼渣添加量为40%和60%的处理。需要进一步通过育苗试验来验证。

表3 不同处理基质的理化性状Table 3 Physical and chemical properties of different substrates

2.6 不同基质配方对番茄出苗率的影响

出苗率对于无土栽培复配基质的配方筛选是一个非常重要的指标。如图5所示，不同基质配方对番茄出苗率有极大影响，随着沼渣添加比例增加，出苗率呈下降趋势，未发酵沼渣的出苗率高于发酵沼渣，100%添加粉碎发酵物料的处理(DF0)出苗率只有77.31%，比对照低20.27%。所有处理中只有添加60%未粉碎沼渣的处理(Z2)番茄出苗率可以达到对照处理水平。可见，沼渣基质对番茄出苗有一定的抑制作用，且发酵沼渣的抑制作用更加明显。

图5 不同基质配方对番茄幼苗出苗率的影响Fig.5 Effect of different matrix formula on the emergence rate of tomato seedlings

2.7 不同基质配方对番茄植株生物学性状的影响

2.7.1对番茄株高和茎粗的影响

从图6可以看出，所有处理的株高和茎粗都显著高于对照，说明沼渣基质可以促进番茄幼苗生长。综合比较可以得出，粉碎沼渣(F)处理株高和茎粗表现最差，F2的株高和茎粗仅为47.10和2.07 mm，沼渣发酵粉碎的处理(DF)株高和茎粗在各个添加比例都比较好，DF2处理的株高和DF0处理的茎粗最高，分别达到147.17和3.61 mm。发酵沼渣株高和茎粗优于未发酵沼渣。

图6 不同基质配方对番茄株高和茎粗的影响Fig.6 Effect of different matrix formula on plant height and stem diameter of tomato

2.7.2不同基质配方对番茄幼苗叶片的影响

植株叶片叶是植物制造有机养料的重要器官，光合作用的主要载体，是基质育苗一个重要的衡量指标。如图7所示：所有处理的叶面积、叶片数和叶绿素含量都高于对照，粉碎后沼渣处理(F)的表现最差；番茄叶面积与茎粗有一致的变化规律，发酵沼渣的处理要优于未发酵沼渣，沼渣和发酵沼渣未粉碎处理(Z和D)的叶面积与添加比例呈现负相关，而发酵粉碎沼渣处理(DF)随着添加量的增加，叶面积增大；叶片数在低沼渣添加比例的情况下，变化幅度不大，随着添加量的增加，叶片数变化幅度加大，在100%的添加比例下，DF0和Z0叶片数相差1.8个；40%和60%添加比例叶绿素含量要高于80%和100%，且Z、D和DF处在以100%的处理叶绿素含量最低。

图7 不同基质配方对番茄叶片数(a)、叶面积(b)及叶绿素(c)的影响Fig.7 Effect of different matrix formula on the number (a), area (b) and chlorophyll (c) of tomato leaves

2.7.3不同基质配方对番茄生物量的影响

植株生物量是当前生长情况体现，也是衡量干物质积累量的指标，壮苗指数是衡量秧苗素质的数据。如表4所示，不同处理的地上部和地下部生物量及壮苗指数差异较大，总体来看，沼渣处理的番茄生物量和壮苗指数都显著高于对照，不同添加量的处理并未呈现规律性变化。发酵沼渣地上部鲜重和干重高于未发酵沼渣，发酵粉碎沼渣(DF)高于发酵未粉碎沼渣(D)，以DF2处理最高，且显著高于其他处理，地上部鲜重和干重分别为23.59和1.81 g，而Z0、Z1和F处理鲜重和干重都较低，数值都没有达到10和1 g。地下部鲜重和干重与地上部并没有呈现很好的相关性，说明不同添加比例和沼渣处理方式对根冠影响不一致，Z3根鲜重最高，DF3的根干重最高，都与其他处理有显著性差异。Z0、Z1和F处理根鲜重和干重并不是所有处理中最低的，可见，基质育苗地下部和地上部协调至关重要。壮苗指数方面，前5位的依次为D0>Z2>D3>DF2>Z3，都没有显著性差异。DF2地上部生物量和根干重最大，且显著高于其他处理，说明DF2配方的地上部和地下部协调性较好。

3 讨 论

3.1 沼渣制备育苗基质的可行性及理化性状评价

已有农林废弃物制备基质研究发现好氧腐熟是很有必要而且有益处。腐熟发酵可以通过高温杀灭病原菌和杂草种子，同时可以改善基质理化性质，降低C/N，提高基质稳定性[16]。柴小媛[17]研究猪粪、牛粪、菇渣和锯末配制育苗基质，发现随着发酵时间的延长，提高了小白菜的发芽指数，降低了基质毒害性，同时认为有机基质进行堆肥发酵可以提高基质的吸水和保水性。刘聪[18]研究表明有机熟料比生料更加稳定，其育苗效果更好，还筛选出了适合黄瓜和番茄育苗的基质配方。

本研究的酒糟沼渣，虽然经过厌氧发酵，不存在病原菌等问题，但是酒糟沼渣90%以上都是稻壳，木质素、纤维素含量高，容重太小，持水能力弱，因此特进行了发酵和粉碎处理。先对4种基础物料的粒径进行了分析，认为发酵以后物料更加适合直接做育苗基质。基质的水分特性分为吸水性和保水性，吸水性是指基质一定时间能吸入的水分量，是提高灌溉效率和制定灌溉策略的依据之一。而大多数有机物料表面有一层蜡质，有一定的斥水性，造成基质灌溉效率低下，常常下层基质难以吸到水分。本研究同样表明，发酵后的基质30 min内的吸水速率要高于未发酵沼渣。发芽指数是衡量基质生物毒性和抑制性最方便的方法，发酵后的沼渣发芽指数要高于未发酵沼渣。综上，沼渣好氧发酵以及发酵后粉碎是制备育苗基质的有效途径。

表4 不同基质处理对番茄幼苗的地上部和地下部发育的影响Table 4 Effects of different substrate treatments on the growth of tomato seedlings

沼渣经过发酵和粉碎，以及添加窖泥和蛭石，大多数处理的理化性状可以达到要求范围。发酵沼渣的EC值显著高于未发酵沼渣，EC值和基质物料中盐浓度成正相关，EC值过高会对植物产生抑制和毒害，发酵过程EC值升高可能与沼渣有机物降解成小分子物质有关，包括铵盐、磷酸盐和有机酸盐等。本研究的高EC值处理(D0和DF0)出现了一定的抑制作用。

3.2 不同配比基质对番茄育苗影响

育苗基质的合理配比是秧苗生长及其质量的基础，间接的决定定植后的产量、品质等生产力。秧苗质量很难以一个具体的指标来衡量，多采用壮苗指数来表示，但是壮苗指数的计算方法和适用作物都有差异[19-20]，本研究采用比较广泛的计算公式(茎粗/株高×全株干重)[21]，本研究壮苗指数前五位的不存在显著性差异，结合株高、茎粗、叶片情况和干物质积累等指标，结果显示DF2(m(细渣)∶m(蛭石)∶m(窖泥)=15∶8∶2)处理适合番茄基质育苗，且对生长有促进作用，同样，马小龙[21]也得到类似结果，养猪场沼渣发酵以后复配珍珠岩和蛭石(6∶1∶1)是番茄很好的育苗基质，且可替代草炭性基质。

4 结 论

酒糟沼渣经过不同处理得到的沼渣基质，可以用作番茄育苗，但不适合单独使用，对种子萌发和出苗率有一定的抑制作用，但对秧苗生长有促进作用，这种抑制和促进可能和高EC值有关，需混配其他原料，好氧发酵腐熟是沼渣基质化得一个必要工艺。本研究沼渣经过发酵、粉碎后复配窖泥和蛭石取得了很好的育苗效果。基质配方为细渣、蛭石、窖泥质量比15∶8∶2，该配方具有促进番茄生长、提高生物量及壮苗指数的作用。