牛粪堆肥替代泥炭用于3种茄科植物育苗的可行性

殷泽欣，张 璐，郝 丹，白一帆

(北京林业大学 林学院，北京 100083)

无土育苗是目前培育蔬菜幼苗的常用方式。该方式不仅可以减轻蔬菜苗期病害，提高幼苗出苗率和品质，还可以突破空间限制，缩短育苗期，提高育苗生产效率，降低经济成本[1-2]。泥炭是茄科蔬菜无土育苗中的常用基质材料，但是泥炭为不可再生资源。随着绿色生态理念的倡行，寻找可以替代泥炭进行蔬菜无土育苗的基质材料已成为当下研究的热点问题[3]。

牛粪堆肥是牛粪在好氧状态下经过微生物发酵后的无害化产品，具有结构疏松、养分全面、肥效持久等优点[4]，是一种良好的育苗基质材料。刘铭等[5]发现，在烟草漂浮育苗中，若用牛粪堆肥替代草炭，当其配比为70%(体积分数，下同)牛粪堆肥、15%珍珠岩、15%蛭石时，可以显著提高烟草的出苗率；郝丹等[6]研究发现，园林废弃物堆肥和牛粪有机肥均可全部替代泥炭用于金盏菊育苗；杨龙元[3]将牛粪堆肥和草炭配制成育苗基质用于黄瓜育苗，当其配比为50%牛粪堆肥+50%草炭时，育苗效果最佳。综上可知，用牛粪堆肥替代泥炭，不仅可以改善育苗基质的理化性质，提高其养分含量，还可以解决牛粪堆积带来的环境问题，降低其处理成本，实现经济和生态的双重效益。然而，在茄科植物的无土育苗研究中，将牛粪堆肥作为泥炭替代基质的研究还相对较少。为此，本文通过温室育苗试验，将牛粪堆肥和泥炭2种材料以不同比例配制成5种育苗基质，探究其对3种茄科蔬菜(茄子、辣椒、番茄)出苗率的影响，以期筛选出适合茄科蔬菜育苗的配比，降低育苗成本，减少泥炭使用量，为培育高品质和高产量的茄科蔬菜提供新的育苗基质资源。

1 材料与方法

1.1 试验材料

育苗蔬菜：茄子(SolanummelongenaL.)、辣椒(CapsicumannuumL.)、番茄(LycopersiconesculentumMill.)，均属于茄科植物，种子均购于北京林大林业科技股份有限公司。

育苗基质原材料：牛粪堆肥、泥炭(丹麦品氏泥炭)，均购于北京林大林业科技股份有限公司。将其部分理化性质整理于表1。

表1 育苗基质原材料的部分理化性质

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验在北京林大林业科技股份有限公司温室苗圃进行，共设5个育苗基质处理(T1～T4，CK)，每个处理重复3次。将各处理基质中牛粪堆肥与泥炭的体积分数整理于表2。

表2 各处理育苗基质中2种原材料的体积分数

1.2.2 育苗基质制备

按照各处理的设计，取适量牛粪堆肥和泥炭倒入尺寸为660 mm×412 mm×170 mm的塑料方盆中，充分混合，拌入质量分数为0.1%的多菌灵杀菌消毒。将混匀后的基质装入底部尺寸为180 mm×160 mm的塑料花盆中，同时采集育苗基质样品。

1.2.3 播种与管理

将茄子、辣椒、番茄种子均匀播撒入装有育苗基质的花盆中(每盆10粒种子)，将种子埋于距基质表面深1 cm处。播种后，首次浇水至花盆底部渗水2次；播种至幼苗发芽期间，每周浇水3次，保持基质湿润。30 d后，统计每盆出苗率(即30 d内幼苗数占供试种子数的百分比)。

1.3 育苗基质理化性质测定

采用环刀法测定育苗基质的容重(单位为g·cm-3)、最大含水量(单位为%)、总孔隙度(单位为%)、通气孔隙(单位为%)和持水孔隙(单位为%)[7]：取风干基质放入200 cm3环刀(环刀质量为m0)中，记录总质量m1，加水浸泡24 h后记录质量m2，自然沥干4 h后记录质量m3，然后在65 ℃恒温烘至质量恒定，记录质量m4。

VBD=(m4-m0)/200；

(1)

VMWC=(m3-m1)/(m1-m0)；

(2)

VTP=(m2-m4)/200；

(3)

VAP=(m2-m3)/200；

(4)

VWP=VTP-VAP。

(5)

式(1)～(5)中：VBD、VMWC、VTP、VAP、VWP分别为容重、最大含水量、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙的值。

参考鲍士旦[8]方法测定育苗基质的pH、电导率(EC)，及全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、腐殖酸、有机质含量。其中，pH值使用pH400防水型笔式pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)测定；EC值使用EC400防水型笔式电导率/TDS/盐度计(上海仪电科学仪器股份有限公司)测定；全氮采用K1306型全自动凯氏定氮仪(上海晟声自动化分析仪器有限公司)测定；全磷采用H2SO4-H2O2消煮，钼锑抗比色法(752型紫外光栅分光光度计，上海元析仪器有限公司)测定；全钾采用火焰光度法(FP640型火焰光度计，上海精密科学仪器有限公司)测定；速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3提取、钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；腐殖酸采用重铬酸钾氧化-容量法测定；有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定。

1.4 数据分析

采用Microsoft Office 2016软件进行数据处理，利用SPSS 20统计分析软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，利用Canoco 5.0软件进行主成分分析(PCA)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对育苗基质理化性质的影响

理化性状适宜的育苗基质有利于蔬菜种子的萌发。一般，可通过测定育苗基质的容重、最大含水量、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙来判断育苗基质的通气透水性和保水保肥能力[9]，通过育苗基质的化学性质反映基质的养分含量[10]，从而推断育苗基质对蔬菜种子出苗率的影响。将本试验中各处理基质的理化性质整理于表3。

表3 各处理下育苗基质的理化性质

2.1.1 容重

育苗基质的容重能够综合反映基质的疏松程度和孔隙情况[11]。本试验中，不同处理育苗基质的容重在0.25～0.48 g·cm-3，其中：CK处理的容重最小，与其他处理差异显著(P<0.05)，T1～T4处理的容重随牛粪堆肥添加量(体积分数)的增加而升高，T1处理的容重显著(P<0.05)大于T4处理。Abad等[12]提出，理想基质的容重不应超过0.40 g·cm-3，接近0.40 g·cm-3时更优。与之对照， T4和CK处理的育苗基质适用于无土栽培。其中，T4处理的容重更接近理想值。

2.1.2 最大含水量

育苗基质的最大含水量是指在自然状态下(无外力作用于基质)，基质能够保存的最大水分含量[13]。不同处理育苗基质的最大含水量在54.97%～77.70%，其中：CK处理的最大含水量最高，且与T1～T3处理差异显著(P<0.05)；T1处理的最大含水量最低，与其他处理差异显著(P<0.05)。一般，理想基质的最大含水量在70%～85%[14]。与此对照，T4和CK处理的基质最大含水量均符合要求，能够满足种子萌发对水分的需求[15]。

2.1.3 孔隙度

育苗基质的总孔隙度是指在自然状态下(无外力作用于基质)，基质内孔隙空间的总和，即通气孔隙和持水孔隙的总和，是反映育苗基质疏松透气程度的重要指标[16]。不同处理育苗基质的总孔隙度在70.11%～81.15%，均符合理想基质的总孔隙度要求[17]。其中：CK处理的总孔隙度最大，且与T1～T3处理差异显著(P<0.05)；T1处理的总孔隙度最小，与T2、T4和CK处理差异显著(P<0.05)。

不同处理育苗基质的通气孔隙在19.50%～23.36%，其中：CK处理的通气孔隙最小，与T1、T2、T4处理差异显著(P<0.05)；T1处理的通气孔隙最大，与T3、CK处理差异显著(P<0.05)。与理想基质的通气孔隙要求(20%～30%)相比，仅CK处理略低，其他处理均可满足要求[18]。

不同处理育苗基质的持水孔隙在46.75%～61.65%。其中：CK处理的持水孔隙最大，显著(P<0.05)高于其他处理；T1处理的持水孔隙最小，显著(P<0.05)低于其他处理。除CK和T1处理外，其他处理的持水孔隙均达到理想基质的要求[18]。

综上，T2～T4处理的总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙均符合理想基质的要求，透气保水能力较好。

2.1.4 pH

育苗基质的pH值是影响营养元素有效释放的重要因素，其值过高或者过低均会直接影响种子对养分的吸收[19]。不同处理育苗基质的pH值随牛粪堆肥添加比例的增大而升高，其中：CK处理的pH值最小，且呈酸性，与其他处理差异显著(P<0.05)；T1～T3处理的pH均呈碱性，且T1处理的pH值最大，与T3、T4、CK处理差异显著(P<0.05)。Zhang等[18]研究表明，育苗基质的pH值最适范围为5.2～6.5。与之对照，CK处理的pH值在此范围内，而其他处理的pH值均超出此范围；T4处理的育苗基质呈弱酸性，接近于前述育苗基质的pH值最适范围；而T1～T3处理的pH值较高。

2.1.5 EC

育苗基质的EC反映了其可溶性盐的含量，直接关系到基质中含有的可溶性矿物营养元素含量，是衡量其能否用于育苗的重要指标[20-21]。一般地，基质的EC值过高会导致盐害，抑制种子萌发；而EC值过低，会造成基质矿质营养不足，难以维持幼苗生长[20]。CK处理的EC值最低，显著(P<0.05)低于其他处理；T1处理的EC值最高，显著(P<0.05)高于其他处理。Garcia-Gomez等[22]认为，理想育苗基质的EC值范围为0.75～3.49 mS·cm-1。以此作参照，各处理育苗基质的EC值均在此范围内。

2.1.6 营养元素含量

氮、磷、钾是植物生长发育所必需的营养元素，其含量高低会直接影响蔬菜出苗，及幼苗的产量和品质，是蔬菜生产过程的主要限制因子[23]。CK处理育苗基质的养分(全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾)含量均最低，显著(P<0.05)低于其他处理。由于牛粪堆肥的营养元素含量均高于泥炭，因此随着牛粪堆肥添加比例的升高，育苗基质的养分含量总体呈上升趋势。

2.1.7 腐殖酸含量

腐殖酸可以促进种子对育苗基质中营养元素的吸收利用，刺激种子萌发，还可以维持育苗基质的环境稳定性，增强幼苗抗逆性；因此，腐殖酸含量是评价育苗基质品质的重要指标[24]。不同处理育苗基质的腐殖酸含量从高到低依次为CK>T2>T4>T3>T1，且各处理间差异显著(P<0.05)。育苗基质中的腐殖酸能够促进幼苗发育和养分吸收，但是腐殖酸含量过高会起到一定的抑制作用[25]。因此，腐殖酸含量并不是越高越好，应结合茄子、辣椒、番茄种子的出苗率来选择适宜的育苗基质[26]。

2.1.8 有机质含量

有机质含量是反映育苗基质肥力水平的重要指标[27]。不同处理育苗基质的有机质含量从高到低依次为CK>T4>T3>T2>T1，且各处理间差异显著(P<0.05)，即随着牛粪堆肥添加比例提高，育苗基质的有机质含量降低。虽然有机质是种子获取营养的重要来源，但是有机质含量低并不意味着育苗基质中的营养不能够满足植物需求，且过多的有机质也并不能全部被植物吸收[28]；因此，还需结合种子的出苗率来选择。

2.2 不同处理对3种茄科植物出苗率的影响

对于茄子来说，T2～T4处理的出苗率与CK无显著差别(表4)，均显著(P<0.05)高于T1处理。对于辣椒来说，T2～T4处理的出苗率与CK无显著差别，但仅T3和CK处理的出苗率显著(P<0.05)高于T1处理。对于番茄来说，T3、T4和CK处理的出苗率无显著差异，均显著(P<0.05)高于T1处理；T2处理的出苗率与T3、T4处理无显著差异，但显著(P<0.05)高于T1处理，显著(P<0.05)低于CK处理。总的来看，对于这3种供试的茄科植物来说，均以CK处理下出苗率较高，T1处理下出苗率最低。

表4 不同处理下3种茄科植物的出苗率

2.3 育苗基质理化性质与3种茄科植物出苗率的相关性

2.3.1 育苗基质理化性质与3种茄科植物出苗率的主成分分析

对育苗基质的理化性质与3种茄科植物的出苗率进行主成分分析(表5)，茄子、辣椒和番茄出苗率的影响因子均可提取为2个主成分。对于茄子来说，2个主成分对变量解释的累积贡献率可达96.37%，其中，第一主成分(PC1)的贡献率为87.27%，第二主成分(PC2)的贡献率为9.10%；对于辣椒来说，2个主成分对变量解释的累积贡献率可达98.13%，其中，PC1的贡献率为92.64%，PC2的贡献率仅为5.49%；对于番茄来说，2个主成分对变量解释的累积贡献率可达97.26%，其中，PC1的贡献率为88.01%，PC2的贡献率为9.25%。总体来看，对于茄子、辣椒、番茄来说，2个主成分的累积贡献率均达96%以上。

表5 育苗基质理化性质与3种茄科植物出苗率的主成分分析结果

PC1反映的解释变量有容重、最大含水量、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙、pH、EC、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、碱解氮、腐殖酸和有机质。其中，最大含水量、总孔隙度、持水孔隙、腐殖酸、有机质对茄子、辣椒、番茄出苗率的影响方向为正，而其他指标的影响方向为负。由此可知，结构疏松、通气透水性强，且富含腐殖酸和有机质的育苗基质更有利于茄子、辣椒、番茄的种子萌发，而过高的pH值、EC值和养分含量可能会抑制种子萌发。

2.3.2 育苗基质理化性质与3种茄科植物出苗率的相关性检验

对3种茄科植物的出苗率与育苗基质的理化性质做相关性检验(表6)，结果显示：腐殖酸和通气孔隙分别与茄子出苗率呈显著(P<0.05)正相关和显著(P<0.05)负相关；通气孔隙与辣椒出苗率呈显著(P<0.05)负相关；容重、pH、EC、全氮、全磷、全钾与番茄出苗率呈极显著(P<0.01)负相关，最大含水量、有机质与番茄出苗率呈极显著(P<0.01)正相关，总孔隙度、持水孔隙与番茄出苗率呈显著(P<0.05)正相关，速效磷、速效钾、碱解氮与番茄出苗率呈显著(P<0.05)负相关。

表6 育苗基质理化因子与3种茄科植物出苗率的相关性特征

3 讨论

3.1 不同配比的牛粪堆肥和泥炭对育苗基质理化性质的影响

牛粪堆肥具有良好的通气孔隙，将其添加入育苗基质，不仅可以提高育苗基质的通气透水性，还可以提高育苗基质的容重，使其接近于理想水平，增强育苗基质固定植株的能力[29]。但是，牛粪堆肥的持水孔隙和总孔隙度较低，若添加比例过高，会降低育苗基质的持水孔隙和总孔隙度。结合前文分析可知，牛粪堆肥的添加比例范围宜在25%～75%，此时育苗基质的总孔隙度、通气孔隙和持水孔隙均在理想范围内，可以为植物根系生长提供良好的空气流通和水分供给环境，对种子萌发具有积极的促进作用[30]。当牛粪堆肥的添加比例大于75%时，育苗基质的容重和最大含水量表现较差，基质孔隙度过小，黏结成团，不利于种子的萌发。

牛粪堆肥中含有较多的碱性元素(如Ca、Mg、K等)和可溶性盐类，导致牛粪堆肥具有较高的pH值和EC值[26]。但过高的pH值会降低育苗基质中Ca、Mg等元素的游离度和活度，使营养元素沉淀，降低育苗基质的有效养分含量，无法持续供给种子萌发所需的养分[31]。过高的EC值会升高育苗基质的渗透压，阻碍种子对水分和营养元素的吸收[32]。另外，当育苗基质中牛粪堆肥的添加比例过高时，会降低基质中的腐殖酸和有机质含量，可能会影响种子的萌发。这主要是由于牛粪在堆肥过程中，其含有的有机质和腐殖酸被微生物分解释放热量，因此牛粪堆肥的腐殖酸和有机质含量较低[33]。但是，牛粪堆肥往往含有丰富的营养元素(如N、P、K、Zn、Mo等)，可以提高育苗基质的养分含量和种类，为种子萌发提供均衡的养分来源[34]。因此，很难仅凭养分含量指标来判断育苗基质的质量，须结合茄子、辣椒、番茄种子的出苗率情况综合评判。

3.2 不同配比的牛粪堆肥和泥炭对3种茄科植物出苗率的影响

在3种茄科植物的出苗率方面，T2和CK处理的茄子出苗率较好；CK、T2、T3、T4处理的辣椒出苗率较好；T4和CK处理的番茄出苗率较好。已有研究表明，辣椒幼苗耐旱性差，所以供给水分能力强的育苗基质更适宜辣椒种子的萌发[35]。T2～T4处理的育苗基质孔隙度均在理想范围内，有利于种子呼吸和获取水分；因此，在T2～T4处理的育苗基质中，辣椒出苗率均高于80%，符合生产实践标准要求[36]。番茄幼苗出苗时需水量较大，在有机质含量丰富且呈微酸性的育苗基质中更易于萌发[37]。T4和CK处理的育苗基质呈酸性，有机质含量丰富，且最大含水量均处于理想范围内，但是T4处理的pH值和EC值相比CK处理要高，易发生盐胁迫和碱胁迫，从而限制种子对营养元素的吸收，因此T4处理的番茄出苗率较CK处理略低，但是其仍符合生产实践要求[36]。茄子幼苗耐旱性差，出苗时养分需求量大，且其种子在中性至微碱性的育苗基质中更易于萌发[38]。T1～T3处理的pH值呈中性至微碱性，但其最大含水量和有机质含量均较低，且EC值较高，易发生碱胁迫；因此，5个处理下茄子的出苗率均低于80%，不符合生产实践要求[36]，均不能用于茄子育苗。

3.3 育苗基质理化性质与3种茄科植物出苗率的相关性

在辣椒育苗方面，种子萌发主要取决于育苗基质的通气孔隙大小。一般来说，通气孔隙在适宜范围内且数值较低的育苗基质更有利于辣椒种子的萌发。当牛粪堆肥添加比例为50%时，育苗基质的通气孔隙处于理想范围内，且接近于理想范围的最低值。因此，T3处理下辣椒的出苗率较高(达98%)。

在茄子育苗方面，通气孔隙在适宜范围内且数值较低、含有丰富腐殖酸的育苗基质更有利于种子萌发。由此可知，茄子育苗基质在进行选择时，不仅要考虑通气孔隙的大小，还要考虑腐殖酸含量的高低。当牛粪堆肥添加比例为0和75%时，育苗基质的腐殖酸含量较高，同时通气孔隙处于理想范围内；因此，CK和T2处理下茄子出苗率相对较高，达70%以上。

在番茄育苗方面，物理环境适宜、养分含量较低的育苗基质，更有利于种子萌发和出苗。当牛粪堆肥添加比例为0和25%时，育苗基质的容重、最大含水量、孔隙度均在理想范围内，同时其养分含量均较低；因此，CK和T4处理下番茄出苗率较高，达80%以上。

当牛粪堆肥的添加比例为100%时，育苗基质的孔隙度较高，养分含量丰富，但是其容重和pH值偏高，易降低育苗基质的通气透水性，破坏离子平衡，不利于3种蔬菜种子的萌发[39]。因此，T1处理下3种茄科蔬菜的出苗率均最低。

3.4 结论

在泥炭中添加适量的牛粪堆肥不仅可以增加育苗基质的容重和养分含量，还可以提高育苗基质的通气孔隙；但是，牛粪堆肥添加比例过高会导致育苗基质pH值和EC值升高，最大含水量、持水孔隙、腐殖酸和有机质含量降低，不利于种子的萌发和出苗。用牛粪堆肥替代部分泥炭制成的育苗基质，可用于辣椒和番茄的育苗。用于辣椒育苗时，牛粪堆肥替代泥炭的比例可达50%；用于番茄育苗时，牛粪堆肥替代泥炭的比例可达25%。泥炭和牛粪堆肥混合配制的育苗基质用于茄子育苗时，其出苗率均达不到生产实践中不低于80%的要求，因此不适用于茄子育苗。