中药渣复合基质对设施西瓜生长及果实产量品质的影响

陈 亮，栾倩倩，蔺 毅，李彦荣，王 赟，杨世梅，严宗山，王翠丽，张自强

（甘肃省农业工程技术研究院，甘肃 武威 733006）

0 引言

【研究意义】西瓜Citrullus lanatus( Thunb) Manf.是葫芦科西瓜属一年生蔓性草本植物，原产非洲[1]。果瓤脆嫩，味甜多汁，含有丰富的矿物盐和多种维生素，具有解热、散毒、润肺及利尿功能，是夏季主要的消暑果品。我国是世界上西瓜生产与消费的第一大国，据中国农业农村部统计，2017 年我国西瓜总播种面积和总产量分别达151.97 万hm2和6314.70万t[2]，已占世界西瓜总栽培面积的 1/2 以上，产量占世界总产量的 2/3 以上[3]。因此，西瓜作为我国重要的园艺作物，在农业结构调整与农民增收中发挥着重要作用。中药渣是指在中药材炮制加工、中成药生产以及其他中药相关产品生产加工过程中产生的废弃物，通常是植物的根、茎、叶等经过提取后的混合物[4]。近年来随着我国中草药产业迅猛发展，每年在中草药生产、加工过程中产生大量的药渣废弃物，早期中药企业处理药渣主要采用填埋、焚烧和堆放等方式，这些方式不仅占用大量土地，还严重污染环境，造成资源浪费[5−6]。因此，如何开发利用药渣废弃物已成为目前亟待解决的问题。【前人研究进展】目前研究发现中药渣富含纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和核酸等有机质及微量元素，中药渣经混合、发酵后制备栽培基质具有增产提质、提高作物抗逆性等优点[7−8]。边三根等[9]以中药渣基质栽培番茄，显著降低了番茄病害，增产增收效果明显。刘国宇等[10]以中药渣为培养基质栽培平菇，均能正常出菇，菌丝长势良好。刘爱军[11]选用不同配方的黄芪药渣培养基栽培鸡腿菇，得出黄芪药渣48%、棉籽壳25%、麸皮18%、玉米粉5%的配方可促进菌丝的快速生长。张跃群等[12]研究发现75%中药渣+10%蛭石+15%珍珠岩的中药渣基质配比促进了番茄植株生长，显著提高了番茄产量。改善了番茄果实品质。杜龙龙等[13]以中药渣堆肥、椰糠、蛭石、珍珠岩作为基质材料，中药渣添加的体积分数为70%时，提高了黄瓜的叶片数和干物质积累量。【本研究切入点】目前国内学者对中药渣的研究主要集中在食用菌类栽培方面，而以中药渣为栽培基质主材料，针对设施西瓜栽培的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以充分发酵腐熟的中药渣为主要原料，按照不同体积比复配牛粪、菇渣等原料，探讨不同中药渣复合基质对设施西瓜叶片光合特性及产量品质的影响，旨在筛选最适宜设施西瓜栽培的中药渣复合基质配方，以期为中药渣栽培基质的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在甘肃省农业工程技术研究院试验基地（37.67°N，102.85°E）日光温室（规格长100 m×跨度8 m）展开。试验地处甘肃西部、河西走廊东端，地势平坦，属于典型的西北绿洲灌溉农业区，主要依靠石羊河地下水灌溉。平均海拔1776 m，年均降水量162.4 mm，主要集中在7—9 月，年潜在蒸发量2 114 mm，年均气温7.10 ℃，昼夜温差平均7.9 ℃，≥10 ℃的有效积温2955.2 ℃，年均无霜期156 d。

1.2 试验材料

供试西瓜为美丽品种，属设施小果型西瓜，早熟品种，整个生育期90 d 左右，平均单瓜重1～2 kg，生长势中等，具有果型好、皮薄和品质较优等优点。嫁接苗购于甘肃省武威市古浪县绿盈盈蔬菜种苗种植专业合作社。基质原料为中药渣、牛粪和菇渣，均在甘肃省农业工程技术研究院试验基地进行高温发酵后使用。牛粪购于武威市凉州区黄羊镇附近农户养殖场；菇渣为工厂化生产金针菇的尾料，购于甘肃省武威市益菌康生物科技有限公司；中药渣为生产镇痛、止咳和麻醉类药物的残渣尾料，为含水有机物料，主要成分为有机质、粗蛋白质、纤维素、木质素、矿物质、糖类、生物碱及各种微量元素，由甘肃省植物药碱厂提供；中药渣使用前不进行粉碎处理，经高温好氧堆置发酵后直接使用，发酵后的中药渣为片状团簇结构（横径 3.88 mm、纵径5.50 mm）。

1.3 试验设计

1.3.1 中药渣复配处理 试验共设置7 个配方。将充分发酵腐熟的中药渣、牛粪和菇渣按照不同的体积比配制成复合基质，以商品基质为对照（CK），由江苏省淮安市中禾农业科技开发有限公司生产的通用型蔬菜有机栽培基质（有机质≥40%、N+P2O5+K2O≥2%）。具体基质配比详见表1。

表1 中药渣复合基质配方设计Table 1 Formulation of watermelon cultivation substrates with Chinese herbal medicine spent

1.3.2 种苗定植及管理 西瓜种植采用袋培种植方式。使用规格为高40 cm×宽50 cm 无纺布美植袋种植，每袋呈“品”字形错位定植2 株，共定植2 行，共26 株，3 次重复，装填基质深度为25 cm，株距40 cm，走道宽50 cm，另选小区东西两边2 行作为保护行，不采样，在种植小区内采样测定。西瓜于9 月8 日定植，12 月13 日收获。

定植前浇透定植水，不施用底肥，生长前期只灌水不追肥，后期追肥灌水使用自主研发的YX-3 型智能水肥一体化管控设备定时定量供给，每天滴水1 次，每次滴灌18 m3·hm−2，在幼苗生长期适量冲施菌根发液肥；在伸蔓期每7～10 d 滴灌施肥1 次，每次施肥22.5～37.5 kg·hm−2，施肥3 次，共施波美浓平衡型（20-20-20+TE）水溶肥67.5～112.5 kg·hm−2；在果实膨大期和成熟期每6～8 d 滴灌施肥1 次，每次施肥22.5～37.5 kg·hm−2，施肥4 次，共施波美浓富钾型（13-6-40+TE）水溶肥90～150 kg·hm−2。西瓜采用单蔓整枝，选留主蔓10～15 节位的雌花坐果，留单瓜，待瓜秧长至28～30 片叶时打顶，其他管理措施与当地西瓜高产温室管理模式相同，并使各个处理保持一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 基质理化指标测定 在西瓜种苗定植后60 d

测定中药渣复合基质配方的理化指标，测定指标主要包括基质的容重、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙、大小孔隙比、pH、电导率EC，具体测定方法参考蒲胜海[14]的无土栽培基质理化性状测定方法，并略有改动。

1.4.2 西瓜植株生物量测定 于西瓜成熟（12 月15 日）收获时，使用钢卷尺测定西瓜植株地下部主根系长度，并分别称量植株地上部和地下部鲜质量，然后分开装入牛皮纸袋中，置于烘箱105 ℃杀青30 min，再转入80 ℃烘干至恒重，最后称量植株地上部和地下部干质量。

1.4.3 西瓜叶片光合指标测定 分别于西瓜生长的苗期（9 月13 日）、开花坐果期（10 月17 日）和成熟期（12 月13 日）每处理连续选取健康的西瓜植株5 株测定其叶片光合指标。叶绿素含量使用SPAD 502 型便携式叶绿素仪测定；选择晴天上午9:00～11:30，采用美国LI-6400XT 型便携式光合测定系统测定植株主蔓中部完全展开功能叶（从上往下第3片真叶）的净光合速率（Pn，μmol·m−2·s−1）、气孔导度（Gs， mmol·m−2·s−1）、 胞间CO2浓度（Ci， μmol·mol−1）和蒸腾速率（Tr，mmol·m−2·s−1），测定光强为800 μmol·m−2·s−1，叶温为27 ℃，外界CO2为400 μmol·mol−1，每处理3 次重复，每个重复测定5 株，每个叶片记录3 组稳定数值。并计算叶片瞬时水分利用效率WUE=Pn/Tr[15]

1.4.4 西瓜产量及品质测定 在成熟期，每处理连续选取5 个成熟果实测定单瓜重、单株产量、果实纵横径、果皮厚度和可溶性固性物含量，每处理3 次重复；并依据西瓜成熟度分批采收，每批采收测定各小区实际产量，最后按照各小区面积折算成每667 m2总产量。

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS19.0 数据处理系统进行差异显著性分析（Duncan 新复极差法P＜0.05），利用Excel 2007 软件进行数据记录和作图。

2 结果与分析

2.1 不同基质配方的主要理化性状分析

除F2 配方的通气孔隙9.90%不符合蔬菜作物栽培的理想基质要求外，其余各配方的容重（0.22～0.30 g·cm−3）、总孔隙度（68.20%～72.31%）、持水孔隙（53.34%～58.29%）和大小孔隙比（0.17～0.36）均在无土栽培基质的适宜范围内[16]，除F7 配方的pH值＞7.0，其余各配方的pH 值略微呈酸性（6.0～7.0），EC值为0.48～2.23 ms·cm−1（表2）。复合基质容重以F2 最大，F7 最小，但各配方之间无显著差异；复合基质的总孔隙度、通气孔隙、大小孔隙比、pH 及EC值随着中药渣量的增加呈现增加的趋势，容重和持水孔隙呈现下降趋势。中药渣量最大的F7 配方的总孔隙度、通气孔隙、大小孔隙比和pH 值均达到最大且显著高于其他各配方，较CK 显著增加了3.01%、12.72%、12.5%、0.38%和16.8%，中药渣量最小的F2 配方的总孔隙度、通气孔隙、大小孔隙比均为最小且显著低于其余各配方，而持水孔隙达到最大且显著高于其他各配方，较对照显著增加了9.20%，其他各配方之间差异不显著。

表2 不同基质配方的主要理化性状Table 2 Major physiochemical properties of formulated substrates

2.2 不同基质配方对西瓜植株生物量累积的影响

不同复合基质配方下西瓜植株的地上部干重和鲜重、地下部干重和鲜重、主根长存在一定差异（表3）。其中以F4 配方的地上部干重和鲜重、地下部干重和鲜重、主根长最大，且显著高于其他各配方，地上鲜重、地下鲜重、地上干重、地下干重、主根长较CK 显著增加了34.29%、30.26%、33.15%、35.36%、37.33%，F7 配方最小，其地上下部干鲜重及主根长大小依次表现为F4＞F2＞F3＞F5＞F6＞CK＞F1＞F7，F3、F5、F6 和CK 各配方之间的地上部鲜重无显著差异，F5、F6和CK 各配方间的地下部鲜重、地上下部干重及主根长无显著差异。

表3 不同基质配方对西瓜植株生物量累积的影响Table 3 Effect of substrates on biomass accumulation of watermelon plants

2.3 不同基质配方对西瓜叶片光合特性的影响

随着生育期的推进，各配方下的西瓜叶片叶绿素含量SPAD 呈先升后降的趋势，在开花坐果期达到峰值（图1-A）。3 个生育时期，F4 配方的SPAD值最大，且显著高于其他各配方，F7 配方的SPAD值最小，且显著低于CK。在苗期，F2、F4 配方的SPAD 值显著高于CK 7.53%、10.59%，F1、F7 配方显著低于CK 4.94%、5.65%，其余各配方与CK 差异不显著；在成熟期，F2、F4 配方的SPAD 值显著高于CK6.71%、13.19%，F1、F7 配方显著低于CK 4.63%、5.79%，其余各配方与CK 差异不显著；在开花坐果期，F2、F4 配方的SPAD 值显著高于CK 4.90%、12.24%，其余各配方与CK 差异不显著，F1、F5、F6、F7、CK 各配方之间差异不显著。

图1 不同基质配方对西瓜叶片光合特性的影响Fig. 1 Effect of substrates on photosynthetic characteristics of watermelon leaves

随着生育期的推进，各配方下的西瓜叶片净光合速率Pn呈先升后降的趋势，在开花坐果期达到峰值（图1-B）。3 个生育时期，F4 配方的西瓜叶片Pn最大，且显著高于其他各配方。在苗期，F2、F4配方的叶片Pn显著高于其他配方，较CK 显著增加了7.33%、8.19%，F5、F6 配方的叶片Pn显著低于CK1.71%、2.44%，F1、F3、F7 和CK 各配方之间差异不显著；在开花坐果期，F2、F3、F4 配方的叶片Pn显著高于其他配方，较CK 显著增加了5.08%、1.91%、8.47%，F1、F7 配方的叶片Pn显著低于CK3.28%、5.52%，F5、F6 和CK 各配方之间差异不显著；在成熟期，F2、F4、F5 配方的叶片Pn显著高于其他配方，较CK 显著增加了10.12%、15.23%、2.80%，F1、F3、F7 配方的叶片Pn显著低于CK7.65%、4.53%、5.60%，F3 和F7 配方间差异不显著，F6 和CK 配方间差异不显著。

随着生育期的推进，除F1、F5、F6、F7 和CK配方下的西瓜叶片气孔导度Gs呈逐渐上升趋势外，其余各配方呈先升后降的趋势，在开花坐果期达到峰值（图1-C）。在苗期，F4 配方的叶片Gs显著高于其他配方，F4、F5 配方较CK 显著增加了18.18%、9.09%，其余各配方与CK 间无显著差异；在开花坐果期，F2、F4 配方的叶片Gs显著高于其他配方，较CK 显著增加了87.88%、93.94%，F2 与F4 配方间差异不显著，F3、F5 配方显著高于CK69.70%、15.15%，其余各配方与CK 间无显著差异；在成熟期，F2、F4 配方的叶片Gs显著高于其他配方，较CK 显著增加了26.67%、26.67%，F1、F7 配方的叶片Gs显著低于CK20.00%、17.78%，其余各配方与CK 间无显著差异。

随着生育期的推进，各配方下的西瓜叶片胞间CO2浓度Ci呈现逐渐升高的趋势，在成熟期达到峰值（图1-D）。在苗期，F2 配方的叶片Ci显著高于其他配方，F2、F3 配方较CK 显著增加了5.87%、2.69%，F1、F6 显著低于CK2.72%、1.94%，其余各配方与CK 间无显著差异；在开花坐果期，F2 配方的叶片Ci显著高于其他配方，F1、F4 配方的叶片Ci显著低于CK7.79%、8.65%，其余各配方与CK 间无显著差异；在成熟期，F2、F4 配方的叶片Ci显著低于CK3.31%、7.60%，F1、F3、F7 配方的叶片Ci显著高于CK3.79%、3.31%、3.71%，F5、F6 配方与CK 间无显著差异。

随着生育期的推进，除F5 和F7 配方外，其余各配方下的西瓜叶片蒸腾速率Tr呈先升后降的趋势，在开花坐果期达到峰值（图1-E）。在苗期，F6 配方的叶片Tr显著低于其他各配方，其余各配方间差异不显著；在开花坐果期和成熟期，F4 配方的叶片Tr显著高于其他配方，分别较CK 显著增加了9.85%和42.62%，成熟期F1、F6、F7 配方与CK 无显著差异。

随着生育期的推进，除F5、F6 和F7 配方下的西瓜叶片水分利用效率WUE呈先升后降的趋势外，其余各配方呈逐渐升高的趋势，在成熟期达到峰值（图1-F）。在苗期，F2、F4 配方的叶片WUE显著高于其他配方，较CK 显著增加了8.58%、7.73%，F6 配方显著高于CK2.15%，其余各配方间差异不显著；在开花坐果期，F5 配方的叶片WUE显著高于其他配方，较CK 显著增加了70.25%，F1、F6、F7配方显著高于CK20.40%、48.16%、48.73%，其余各配方间差异不显著；在成熟期，F1、F2、F3、F4 和F5 配方的叶片WUE显著低于CK4.42%、13.45%、11.85%、19.28%和12.65%，F6、F7 和CK 配方间差异不显著。

2.4 不同基质配方对西瓜果实产量的影响

各配方下的667 m2果实产量为2174.88～4150.22 kg，F4 配方的西瓜果实产量显著高于其他配方，其果实纵横径、单果重和单株产量均达到最大值（表4）。F4 配方的西瓜果实纵横径达到最大值，果实纵径较CK 显著增加了4.87%，但果实横径与CK 间无显著差异，F5、F7 配方的果实纵径较CK 显著减少了4.79%、12.17%，F7 配方的果实横径较CK 显著减少了12.56%，其余配方与CK 间无显著差异；F4 配方的果实产量较CK 显著增加了21.23%，F5、F7 配方较CK 显著减少了12.49%、36.47%，其余配方与CK间无显著差异。

表4 不同基质配方对西瓜果实产量的影响Table 4 Effect of substrates on watermelon yield

2.5 不同基质配方对西瓜果实品质的影响

各配方下的西瓜果皮厚度在1.41～1.61 cm 区间波动，果实可溶性固性物含量为7.59%～9.74%，其中F1 配方的果皮厚度最厚，可溶性固形物含量中等，F4 配方的果皮厚度较薄，果实可溶性固形物含量最高（表5）。F1 配方的果实果皮厚度显著高于其他配方，较CK 显著增加了5.23%，F2 配方的果皮厚度显著低于CK7.84%，其余各配方之间无显著差异。F3、F4 配方的果实可溶性固性物含量显著高于其余各配方处理（除F2 配方外），F3、F4 配方较CK显著增加了9.32%、12.08%，F5、F7 配方较CK 显著降低了8.63%、12.66%，其余各配方与CK 无显著差异。

表5 不同基质配方对西瓜果实品质的影响Table 5 Effect of substrates on quality of watermelons

3 讨论

基质在植物栽培过程中起着固定植株根系、输送水分和养分、促进根系气体交换等作用，基质诸多作用的发挥与其理化性状密切相关，直接影响着植株的正常生长[17−18]。复合基质较单一基质而言，可有效调节基质理化性状，弥补单一基质理化性状的不足，使植株根系始终处在适宜生长的范围内，而复合基质的理化性状取决于复配原料的材质和组成，因此选用何种原料作为基质组分，以及各配方的原料配比是制作优良复合基质的技术关键和核心[19]。诸多研究针对基质的适宜理化性状范围不尽一致，蒲胜海等[14]研究认为无土栽培基质的适宜容重为0.6～0.8 g·cm−3，总孔隙度为60%～70%，持水能力为55%～75%；李谦盛等[20]研究认为无土栽培基质的适宜pH 值在5.5～7.5，EC值不宜超过2.6 ms·cm−1，容重为0.1～0.8 g·cm−3，总孔隙度在70% ～90%；尚庆茂[21]研究表明适宜蔬菜育苗的基质容重为0.2～0.6 g·cm−3，总孔隙度＞60%，pH 5.5～7.5。本研究在前期预试验中发现，中药渣作为栽培基质单一使用时，存在pH、EC值偏高，碱性大、容重小等缺点，故本试验在基质复配时将中药渣与菇渣、牛粪混配，适度调节其复合基质的理化性状指标。混配后除V（中药渣）∶V（牛粪）∶V（菇渣）=0∶1∶1 配方的通气孔隙9.90%不符合蔬菜作物栽培的理想基质要求外，其余各配方的容重（0.22～0.30 g·cm−3）、总孔隙度（68.20%～72.31%）、持水孔隙（53.34%～58.29%）、大小孔隙比（0.17～0.36）、pH（6.25～7.30）、EC（＜2.6 ms·cm−1）均在无土栽培基质的适宜范围内[16]；且随着中药渣复配量的增加，基质总孔隙度、通气孔隙、大小孔隙比、pH 及EC值增大，容重和持水孔隙下降。这说明中药渣原料疏松，容重较小，添加中药渣后提高了复合基质的孔隙度，通气能力提升，更有利于西瓜根系的生长。

栽培基质是否适宜将直接影响根系的生长发育，从而影响对水肥的吸收，最终影响作物的生长和产量品质[22]。本试验结果表明，F4 配方的植株地上部干重、地上部鲜重、地下部干重、地下部鲜重和主根长分别较对照显著增加了33.15%，34.29%，35.36%，30.26%和37.33%；在开花坐果期，F4 配方的叶片SPAD 值、Pn、气孔导度Gs和蒸腾速率Tr较对照显著增加了12.24%、8.47%、93.94%和9.85%，Ci较对照显著减少了8.65%。这说明过多或过少的中药渣复配量虽然改变了复合基质的通气能力，但也导致了复合基质的持水能力偏低或偏高，本试验中采用的是早熟小果型西瓜品种，根系入土较浅，分布范围较小，水分和养分吸收受限，致使西瓜地上、下部长势较弱，而适当的中药渣复配量使得西瓜根系生长良好，进而促进了植株地上部生长，植株长势健壮，光合作用强；另外中药渣本身pH、EC值偏高，过量的中药渣会导致复合基质pH、EC值偏高，影响其西瓜植株的生长，这与王涛等[23]的研究结果相类似。从产量品质指标来看，F4 配方的果实产量达最大值，较对照显著增产21.23%，较F5 配方显著增产38.53%，F5、F7 配方产量较对照显著减产12.49%、36.47%，其他配方产量与对照无显著差异（P＜0.05）；F3、F4 配方的果实可溶性固性物含量较对照显著增加了9.32%、12.08%，F4 配方的果实可溶性固形物较F5 显著增加了22.67%，F5、F7 配方较对照显著降低了8.63%、12.66%，其他各配方间无显著差异。这说明F4 配方中药渣复配比例适中，牛粪复配比例最高，养分供应充足，肥效持续时间长，促进了西瓜产量形成；F4 配方的产量品质指标显著高于F5 配方，这说明相同药渣占比下，牛粪的高复配量对西瓜的果实产量和品质影响更大，充分发酵腐熟的牛粪本身养分丰富，肥效时间长，更容易被西瓜根系吸收利用，从而促进了西瓜产量和品质的形成；而菇渣作为食用菌采收后的残渣尾料，其大部分养分已被菌类吸收殆尽，剩余残渣尾料养分及肥效不及牛粪；F3 和F4 配方的西瓜糖含量最高，表明在菇渣占比相同的条件下，高比例的中药渣和牛粪改善了西瓜的品质，提高了西瓜果实的糖含量。而相同中药渣比例的F5 和F7 配方，其果实产量和糖含量均显著低于对照，这可能是由于菇渣和牛粪所占的比例不一致引起的，在后续的配比筛选试验中有待进一步研究。

4 结论

本研究认为利用中药渣复合基质进行设施西瓜栽培是完全可行的，明确了适宜设施西瓜基质栽培中药渣的复配量为30%，V（中药渣）∶V（牛粪）∶V（菇渣）=3∶4∶3 为设施西瓜栽培的最佳复合基质配方，通过农业无土栽培生产中中药渣的基质化利用，不仅节省了生产成本，还可有效解决目前中药渣大量堆积而导致的农业面源污染问题，实现农业的绿色可持续发展。