基于农林有机废弃物处理的育苗基质应用效果Meta分析

夏思瑶，王 冲，刘萌丽

（1中国农业大学资源与环境学院/生物多样性与有机农业北京市重点实验室，北京100193；2中国农业大学有机循环研究院（苏州），江苏苏州215000）

0 引言

随着中国农业生产逐渐趋向于集约化、标准化发展，育苗基质在设施农业中显得尤为重要。适宜幼苗生长的基质必须具备以下性质：（1）满足水分的供给；（2）为植物提供必需的养分；（3）保证根际的气体交换；（4）为植株提供支撑[1-2]。由此可见育苗基质的理化特性的研究对于幼苗生长有着极为重要的意义。在传统的育苗基质中，泥炭是迄今为止被世界各国普遍认为较好的育苗基质，然而泥炭是不可再生的自然资源[3-4]，且国内泥炭资源比较少而且分布不均匀，价格昂贵，作为原料成本较高[5]；因此，寻找价格低廉，对环境无污染并且来源广泛的基质材料是目前育苗基质生产中的热点。

中国作为农业大国，每年产生的农林有机废弃物数量庞大，约15亿t[6]。农林有机废弃物中含有纤维素、木质素等生物有机高分子，含碳量在30%左右，是一种储量巨大的可循环的再生绿色资源[7-8]。农林废弃物的利用方式主要有肥料化、原料化、能源化、饲料化和基料化等[9-11]。在处理的过程中需将废弃物进行焚烧后进行处理，不仅对是对资源的浪费，也会对环境造成污染。农林废弃物的基质化利用是一条变废为宝、消除污染、改善生态环境的有效途径[12]。开发育苗基质是农林废弃物资源化利用的重要途径，能够进一步提升农林废弃物资源的循环利用，缓解资源紧张和稳定生态平衡。Schmilewski认为选用以有机废弃物为主的基质能够实现资源的可循环利用[13]。农林有机废弃物为主的轻型育苗基质，具备质地松软、疏松透气、不积水、不板结、温度适宜的特点，能够为植物的根系生长提供良好的生长空间以及生长环境。本研究通过收集现有的国内外有关农林有机废弃物以及植物苗期生长的相关数据，利用整合分析(Meta-analysis)方法，定量分析基质中添加农林有机废弃物对于植物苗期生长的影响，明确农林有机废弃物对于植物生长的综合效应，以期为农林有机废弃物在育苗基质中的使用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究收集的数据是通过在中国知网(CNKI)、万方、Web of Science、维普等中英文数据库，分别输入“基质(substrate)”或(or)“苗期(seedling stage)”或(or)“育苗(grow seedlings)”和(and)“废弃物(waste)”等关键词，检索了1960年以来公开发表的农林有机废弃物与植物苗期生长相关的文献，并对检索到的文献进行了筛选。筛选标准如下：1）试验中包含对照组，如对照组为市场基质时必须含有主要成分；2）试验数据中必须含有基质的相关理化指标；3）试验处理重复数必须大于或等于3。基于以上筛选标准，共获得符合条件的文献64篇。

1.2 数据库建立与分类

对符合标准的文献采用Microsoft Excel 2010软件建立相关数据库，内容主要包括对照组成分，处理组所用废弃物、实验对象、实验时间、种植天数、育苗基质理化性质、幼苗生长以及生理指标等。数据库中收录有番茄、辣椒、黄瓜、西瓜、南瓜、草莓、油茶、柚木等38种植物，对照组中包含不添加农林有机废弃物的基质作为育苗基质，如土壤、草炭基质、泥炭基质或商品基质等。在收集数据的过程中，如果数据是以图的形式展示，则采用GetData Graph Digitizer 2.26.0.20软件来获得。

对所有收集到的独立实验数据，按照基质中不添加农林有机废弃物（对照组）与添加农林有机废弃物（实验组）处理，提取每篇文献中各指标的数据。将种植天数划分为3个水平：＜30天，30～60天，＞60天。对照组为市场常用育苗基质：草炭基质。将基质中添加的废弃物按照不同来源分为：种植业废弃物类（腐殖土、玉米秸秆、小麦秸秆、花生秸秆、水稻秸秆）、养殖业废弃物类（牛粪、鸡粪、羊粪）、林业废弃物类（林木、枯枝落叶、松塔、种皮、果树剪下的纸条、树皮、木屑、竹屑等）3种类型；按照废弃物的不同处理方式分为：堆肥、生物处理类（蚯蚓粪）、商品有机肥类（椰糠、花生壳、菇渣、麦糠、醋糟、玉米芯等农产品加工副产物）3种类型。实验对象分为蔬菜类（白菜、番茄、黄瓜、辣椒、南瓜、花椰菜、丝瓜、洋葱等）、果类（西瓜、草莓、甜瓜等）、植物类（川西云杉、茶花、油松、对开蕨、天竺葵、针叶树等）以及类药用植物类（西桦、益智、金盏菊、降香黄檀等）4种类型进行整合分析。

1.3 数据分析

实验中的效应值使用自然对数的反应比(response ratio,RR)进行[14]，见公式(1)。Xe是实验组平均值，Xc为对照组的平均值。利用R软件对原始数据进行分析，得到平均效应值。若效应值lnRR＞0，则说明产生了正效应，表明基质中农林有机废弃物的添加促进了幼苗的生长；若效应值lnRR＜0，则说明产生了负效应，表明基质中农林有机废弃物的添加抑制了幼苗的生长。利用SigmaPlot 14.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 废弃物来源对于基质理化性质及幼苗生长的影响

2.1.1 添加农林废弃物对基质理化性质的影响 不同废弃物类型对于育苗基质（理化性质）响应的百分比有显著差异（图1）。林业废弃物以及种植业废弃物的存在显著改善了基质的物理结构，对基质的总孔隙度、通气孔隙度存在显著的正向效应（图1a），可以显著提高基质的养分含量（全N、速效磷和速效钾）（图1b）。养殖业废弃物的添加显著提高了基质的pH和EC（图1a），提高了基质的养分含量，且对基质速效钾含量的正向效应最显著（图1b）。Meta分析结果表明，林业废弃物和种植业废弃物的存在可以显著改善基质的透气性，提高基质的养分含量。

图1 不同来源废弃物对育苗基质物理结构(a)和养分含量(b)的影响

2.1.2 添加农林废弃物对幼苗生长的影响 结果表明，不同废弃物类型对幼苗根系生长的响应存在显著差异（图2）。林业废弃物的添加可以显著提高幼苗的根长，增加幼苗的根系活力，从而显著提高了幼苗的根系生物量（图2a）；养殖业废弃物对幼苗的根体积存在显著的正向效应，且在3类废弃物中正向效应最为显著。

林业废弃物的添加对幼苗的株高以及地上部干重存在显著的正向效应，且地上部干重的正向效应在3类废弃物中最显著（图2b）。养殖业废弃物对幼苗的株高以及茎粗存在显著的正向效应，且对茎粗的正向效应在3类废弃物中最显著。种植业废弃物对幼苗的茎粗以及地上部干重存在显著的负向效应，3类废弃物对幼苗的叶绿素含量均无显著影响（图2b）。

图2 不同来源的废弃物对幼苗根系(a)和地上部生长(b)的影响

2.2 废弃物资源化利用方式对基质理化性质及幼苗生长的影响

2.2.1 废弃物处理方式对基质理化性质的影响 不同废弃物处理方式对育苗基质的理化性质的影响存在显著的差异（图3）。商品有机肥可以显著改善基质的物理结构，提升基质的孔隙度和透水性，对基质的总孔隙度、通气孔隙度以及持水孔隙度存在显著的正向效应（图3a），透气性及持水性的提升促进了基质内部的养分循环，对基质的养分含量产生了显著的正向效应（图3b）。生物处理后的废弃物对基质的物理结构及养分含量存在显著的正向效应（图3），且对基质的全磷、碱解氮、速效磷以及速效钾的含量正向效应最显著（图3b）。堆肥后的废弃物对基质的总孔隙度存在显著的正向效应，但在通气孔隙度方面产生了显著的负向效应（图3a），除碱解氮含量外，对于基质的养分含量仍存在显著的正向效应（图3b）。3种废弃物处理方式均显著提高了基质的pH和EC值（图3a）。

2.2.2 废弃物处理方式对幼苗生长的影响 数据分析结果表明，商品有机肥可以显著的促进幼苗的根系生长。可以提高幼苗的根长、根体积，增强幼苗的根系活力，从而提高幼苗的根系生物量（图3a）。生物处理后的废弃物可以显著增强幼苗的根系活力，且对根系活力的正向效应在3种废弃物处理方式中最显著（图3a）。

基质中添加商品有机肥类的废弃物可以显著促进幼苗的地上部生长，叶绿素含量的显著增加提高了幼苗的地上部干重（图3b）。生物处理过后的废弃物对叶绿素含量的正向效应在3种废弃物处理方式中最显著，从而显著提高了幼苗的株高、茎粗以及地上部干重。废弃物堆肥后加入到基质中对幼苗的叶绿素含量存在显著的抑制作用，减少了幼苗的地上部干重。

图3 不同废弃物处理方式对育苗基质的物理结构(a)和养分含量(b)的影响

2.3 农林废弃物对育苗基质及幼苗生长的综合响应

农林废弃物使基质的总孔隙度、通气孔隙度以及持水孔隙度分别增加了8.11%、1.85%和4.12%（图1a，3a），基质全N、全P以及全K的含量分别提高了100.37%、69.07%和83.09%（图1b，3b）。对于幼苗的根系生长，孔隙度的改善使幼苗根系伸长10.12%，根系表面积扩大了33.49%，促进了幼苗的根系发育（图2，图4）；基质速效钾含量及根系活力分别增加了190.45%和13.78%，使根系生物量提高了7.05%（图2，图4）。对于幼苗地上部的生长，农林废弃物的添加对基质的孔隙度存在显著的正向效应，使基质的速效氮、碱解氮、速效磷分别提高了23.5%、95.46%和146.85%（图1b，3b），叶片叶绿素水平增加了4.06%，可溶性蛋白含量提高14.85%，幼苗全N、全P含量分别提高了10.07%、22.38%（图2，图4），对幼苗的地上部生长产生显著的正向影响。

图4 不同废弃物处理方式对幼苗根系(a)和地上部生长(b)的影响

3 讨论

3.1 农林废弃物对基质理化性质的影响

3.1.1 不同废弃物类型对基质的影响 不同废弃物类型对基质的理化性质均产生显著的差异。林业废弃物具备无菌疏松、透水透气性能好，不易积水、含有丰富的营养元素和有机质等特点，有利于植株存活，促进根系良好生长[15-17]。但林业废弃物也存在偏碱性、保水保肥性差等缺点，难以单独使用，在使用时应当与其他基质进行混合，达到更好的育苗效果。养殖业废弃物中含有植物生长所需的氮、磷、钾等营养物质,有丰富的纤维素、半纤维素等物质，施入土壤后能大大提升土壤肥力，在基质中加入养殖业废弃物可以提高基质的养分含量，为幼苗生长提供充足的养分。养殖业废弃物虽然养分含量丰富，但对基质的孔隙度及透气性没有显著的正向效应，基质孔隙度差会导致幼苗根系呼吸不畅，同时基质中可溶性盐含量提高，对幼苗根系造成渗透胁迫，无法正常吸收营养元素[18]，且施肥过多会造成烧苗，导致苗势过弱[19]。基质中使用养殖业废弃物时应当注意其添加比例，避免对幼苗生长造成影响。种植业废弃物添加比重过大会导致基质保水性变差，幼苗易发生缺水从而影响其生长[20]。不同类型的农林废弃物由于其自身电导率较高，容易导致育苗基质的盐分积累的问题[21]。其良好的持水性，在生产应用中会随着生育期的延长，导致基质的EC值不断上升[22]。基质中添加不同类型的农林废弃物均显著提高了基质的EC值，从而导致了基质含盐量的增加，盐分含量过高，会发生毒性效应和渗透效应，通过干扰膜代谢和降低渗透势对幼苗的种子萌发产生抑制作用[23-24]。

图5 农林废弃物对幼苗生长的响应的概念框架

3.1.2 不同废弃物处理方式对基质的影响 由于农林有机废弃物种类繁多，经过处理后形成的复合基质性质差异也非常大；另外，基质生产工艺还没有形成标准化的生产，质量也缺乏稳定性[25]。因此，基于收集的所有文献数据，以基质中不添加农林有机废弃物作为对照后分析发现，堆肥后的农林废弃物对基质的通气孔隙度产生了显著的负面影响（图1a），农业废弃物纤维素含量较高，而蛋白、淀粉和可溶性糖含量较少[26]，采用堆肥的方式处理废弃物如果发酵不彻底便进行育苗时，在分解的过程中还会消耗土壤中的氧气，使土壤处于缺氧状态中，从而降低基质的通气性。生物处理以及商品有机肥类的废弃物含有较多的纤维素[27]，改善了基质的通气孔隙度，使基质含有充足的空气供植物和微生物呼吸代谢，可以促进幼苗的根系生长。有机质含量的增加可改善基质的疏松度、提高孔隙度，有利于根系扩展[28]，经过不同方式处理过后的农林废弃物添加到基质中进行使用时，能够为微生物活动提供碳源，改善基质的养分含量；EC值反映了土壤或栽培基质中含有可溶性盐分的多少，过高则会导致植株不能正常生长[29]。不同处理方式的农林废弃物均显著提高了基质的EC值，从而导致了基质含盐量的增加，对于幼苗的发芽产生了一定的抑制作用。废弃物经过不同的处理方式处理过后仍需在育苗过程中依照幼苗的生长需求及基质的理化性质选择合适的添加量进行育苗。

3.2 农林废弃物对幼苗生长的影响

3.2.1 不同废弃物类型对幼苗生长的影响 种植业废弃物由于有益微生物量少，其中含有的大量木质纤维素，难以被充分利用或被大多数微生物直接作为碳源转化利用，往往存在发酵时间长、产生臭味、且肥效低等问题[30]。基质中添加种植业废弃物对于基质的孔隙度没有显著的改善作用（图1），且较多的纤维素，导致其通气孔隙度较大[27]，发达的孔隙结构反而对基质的养分起到吸附和固持作用，基质中的养分难以被植物吸收利用，导致幼苗生长所需养分不足[31]，对幼苗的生长起到了抑制作用。林业废弃物中具有大量的木质素与木纤维素，其结构非常稳定，对植株具有支持和保护作用[32]，还可以利用其结构本身具有吸水和附着肥料的特点，中转来自营养液的养分和水分为植株提供协调稳定的水、肥、气[33-35]。植物的生长发育离不开光合作用，光合作用是生物界所有物质代谢和能量代谢的物质基础[36]，叶绿素相对含量反映了植物叶片光合能力及植株健康状况[37]。育苗基质中添加养殖业废弃物可以提高幼苗的株高和茎粗，但对于幼苗叶绿素含量却起负向作用。可能是基质中添加堆肥、养殖业废弃物以及种植业废弃物导致用于叶绿素合成的某些关键元素（如N、Mg等）被固定，从而限制了叶绿素的合成[38]，造成了幼苗地上部生物量的减少。

3.2.2 不同废弃物处理方式对幼苗生长的影响 农业有机废弃物价格低廉，营养丰富[39]，商品有机肥类的废弃物性质稳定，具有较大的孔隙度，可以提高基质的有效养分含量[40-41]，为幼苗的根系生长提供充足的营养，提高幼苗根长以及根体积[42]，扩大根系的吸收面积，从而提高幼苗的根系生物量。植物的根系生长良好，相应的地上部分的枝叶也生长茂盛。可溶性蛋白质可以通过调节渗透势减轻植物受到的逆境伤害，其含量可以反映植株总代谢水平，可溶性蛋白质含量越高，植株生理活性越强[43]，废弃物堆肥后进行育苗，由于其可溶性蛋白含量较低，且基质通气性受到一定的影响，在育苗过程中未腐熟的堆肥会产生有机酸类和氨等植物生长抑制物质，造成蔬果、花木等的育苗或栽培遭遇种种生长障碍，如抑制发芽、“烧根”、僵苗、黄化、生长衰弱等[32]，从而对幼苗的生长产生了一定的负向影响。废弃物利用微生物处理后，分解了木质素、纤维素、蛋白质等大分子养分，使之成为植物可直接吸收利用的有机质和碳氮养分[44]。生物处理过后的有机废弃物可以有效改良土壤团粒结构，抑制土传害虫病，提高幼苗的根系活力，促进壮苗的形成[45]。经过生物处理后的有机废弃物能够促进植物体内酶的活化，同时还促进糖代谢、蛋白质合成[46]，提高幼苗的养分吸收以及生理代谢，从而促进了幼苗的生长。而生物处理后的有机废弃物细小颗粒含量较多，高比例添加对总孔隙和通气孔隙度有不利影响[47]，添加比例过高会导致幼苗根系呼吸不畅，抑制其根系生长。不同废弃物处理方式通过改善育苗基质的物理结构，直接影响了幼苗的根系生长以及养分吸收，基质氮素含量的提高，促进了叶绿体对光能的吸收和转化，从而保证较高的光合能力[48-49]，间接促进了幼苗的生长。

3.3 农林废弃物用于育苗基质的优点及注意事项

对于来源于林业的废弃物而言，收集来的树枝、落叶、草坪修剪物等园林有机废弃物经科学处理后，可以实现有机废弃物循环利用，提高土壤肥力，改善土壤物理结构，降低城市绿地维护成本并带动循环经济发展[50]。作为育苗基质使用可以提高基质的孔隙度，促进幼苗的根系生长及养分运输。农林废弃物进行堆肥腐熟后，其氮、磷、钾和有机质含量显著增加，养分均衡[51]，可以显著提高幼苗的养分含量，促进幼苗的生长。采用生物处理的方式处理过的农林废弃物具有较高的孔隙度，良好的通透性和保水特性，富含大量的可溶性盐、交换性钙、腐殖质类、氨基酸、多糖类和生物酶[52-53]，能够提高植物的养分吸收能力[54]，增强基质的微生物活性，对于植物的病虫害也有一定的抑制作用[44,55]。因此，经过堆肥或生物处理后的农林废弃物作为育苗基质使用可为根系生长提供良好的生长空间和生长环境，丰富的有机质含量及营养元素，能够改善基质的养分含量，促进叶片氮素吸收，提高幼苗的光合速率，从而促进幼苗生长。

未腐熟的堆肥在育苗过程中反而会对基质的通气性造成影响，林业废弃物碳含量较高，碳氮比值高，不利于发酵。为保证发酵过程的有序进行，可在发酵原料中添加禽畜粪便、尿素或其他氮肥来调节碳氮比后进行使用[38]。来源于养殖业废弃物以及植物残余的废弃物在育苗的过程中应当注意其添加比例，过量添加会由于养殖业废弃物中的养分含量过高、植物残余废弃物孔隙度过大而造成基质的养分过剩或流失，造成幼苗的生长受到抑制。废弃物经过生物处理后，若添加比例过高，会由于过高的氮含量抑制分生组织活力，同时抑制侧根伸长[56]。农林废弃物发达的孔隙度会导致基质的养分被固持，且其中的有机质含量过高会导致分解产生的二氧化碳过多，幼苗的根系呼吸受阻，从而抑制幼苗的生长。在育苗的过程中应当注意其添加量才能更好的促进幼苗的生长。

4 结论

在基质中添加农林废弃物提高了基质的孔隙度，促进了幼苗的根系伸长，扩大了根系表面积，提升了幼苗的根系活力，进而提高了幼苗的根系生物量。农林废弃物的添加提高了基质的氮含量，提高了幼苗的叶绿素水平和叶片的光和效率；幼苗的可溶性蛋白含量的提升，使幼苗的生理活性变强，促进了幼苗的生长。育苗基质物理结构的改善以及养分含量的提高，促进了幼苗根系的生长及养分的吸收，从而提高了幼苗的生物量。但应注意基质中添加农林有机废弃物的比例，过量的添加会使基质孔隙过大而使养分流失，对幼苗的生长造成影响。