菌渣还田比例及粒级对土壤特性及水曲柳苗木生长的影响

马常钦 李 敏 卫 星

（东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040）

菌渣是食用菌栽培过程中收获产品后剩下的培养基废料。中国每年产生超过3000万t的菌渣[1]，其中黑龙江省年产黑木耳约250万t，产生的菌渣废弃物超过600万t[2]，如果不能有效处理，会对环境造成严重污染[3-4]。近年来，菌渣由于含有多种微生物、酶和丰富的营养物质[5-6]，已被证实具有重复利用的价值[4,7-8]。

菌渣作为一种新型的有机肥料，还田是再次利用的最好方式之一[3-4]。菌渣还田可以增加土壤的有效养分含量[9-10]，促进植物养分的吸收和苗木生长[11-13]。然而，关于菌渣还田对土壤有效养分含量和苗木生长的影响也有负面的报道[1,14-15]。Zhu等发现在较高的菌渣还田比例下，植物生长缓慢，且不同的植物也有不同的适宜比例[1,16]。Eudoxie发现菌渣小粒级（＜2 mm）比大粒级（＞2 mm，＜6.25 mm）更有利于番茄（Solanum lycopersicum）幼苗的生长发育[17]。由于以往研究仅考虑了菌渣还田比例或粒级的单一因素对苗木生长的影响，而当不同还田比例与粒级混合的菌渣添加到土壤时，菌渣对土壤理化性质和苗木生长的影响尚未可知。

水曲柳（Fraxinus Mandshurica）是中国东北地区珍贵的用材树种[18]。苗圃每年需要生产大量优质的苗木，肥沃的土壤是苗木生长的基础，而菌渣合理施用会提高苗圃土壤的肥力，促进苗木生长。因此，为探究菌渣还田对土壤的改良机制，本研究以一年生水曲柳苗木为研究对象，设置3种菌渣施用粒级和5种菌渣施用量梯度，在圃地进行完全随机区组试验，通过评估不同还田比例和粒级混合的菌渣对土壤理化性质和苗木生长的影响，进而为菌渣还田在苗木培育中的推广利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于黑龙江省东北林业大学帽儿山实验基地（127°30′～127°34′E，45°21′～45°25′N）。该地区属寒温带大陆性季风气候，平均海拔300 m，年均气温2.8℃，最低气温-44℃。年均降水量723 mm，年均蒸发量1094 mm。试验地土壤的基本理化性质：土壤pH值6.10，土壤有机质67.80 g/kg，土壤碱解氮0.26 g/kg，土壤有效磷0.03 g/kg，土壤速效钾0.11 g/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 供试材料

供试菌渣为2018年秋季收获黑木耳后堆肥腐熟的废弃菌棒，主要成分是阔叶树（杨树（Populussp.）和白桦（Betula platyphylla）锯末、白灰、石膏、豆饼、稻糠。还田菌渣pH值7.02，全碳400.34 g/kg，全氮8.10 g/kg，全磷1.02 g/kg，全钾1.22 g/kg。

1.2.2 试验设计

本研究采用完全随机区组试验设计，设置3种菌渣粒级（3、5、8 mm），5种菌渣施用量梯度，即CK（0）、1∶10、1∶8、1∶5、1∶3、1∶2，共16个处理小区，每个处理3次重复。试验小区按1 m ×1 m划分，各小区间设置40 cm宽的间隔带。将木耳菌渣堆肥腐熟后消毒打碎，分别过3、5、8 mm的筛网得到3种菌渣粒级；将上述3种粒级与土壤分别按照1∶10、1∶8、1∶5、1∶3、1∶2的体积比均匀混合后，施入深翻0.4 m的试验小区内，并用6%的硫酸亚铁溶液对苗床进行消毒。

供试苗木来源于东北林业大学帽儿山试验林场，选取长势均一无病虫害的1年生水曲柳苗木进行栽植。供试苗木的平均苗高20.0 cm，平均地径0.35 cm。4月中旬，在每小区栽植25株1年生水曲柳裸根苗，育苗密度为25株/m²，其他田间管理按照常规栽培技术要求进行。

1.2.3 土壤取样和理化性质测定

在8月下旬水曲柳苗木生长停止后，在各试验小区用100 cm3的环刀取0～10 cm的土层进行土壤容重的测定。另外取1 kg的根际土带回实验室后风干，混合均匀后用四分法取部分土样过2 mm筛，用于pH值及速效氮磷钾的测定。

土壤pH值按土水比为1∶5体积比酸度计法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定；土壤碱解氮测定采用碱解扩散法；土壤有效磷测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；土壤速效钾测定采用醋酸铵浸提—火焰光度法[19]。

1.2.4 水曲柳苗木指标测定

用直尺和游标卡尺在苗木生长开始前和生长停止后分别测量所有苗木的苗高（cm）和地径（cm），进而计算试验期间苗高和地径的增长量。每个处理选择20株代表性单株，用便携式激光叶面积仪（CI-203）测量整株叶面积（cm2）。用烘干法测定苗木根茎叶的干质量，得到苗木各营养器官的生物量（g）[20]，并计算苗木质量指数（QI）[21]。

1.3 数据分析

采用Excel 2013和SPSS 13.0统计分析软件对数据进行描述统计和正态检验，然后进行方差分析，并用LSD法进行多重比较分析。分析菌渣还田比例和粒级对土壤理化性质和苗木各指标的主效应作用，并分析16个菌渣还田处理对土壤理化性质和苗木各指标的影响。用Canoco 4.5软件对菌渣还田比例下土壤理化性质与苗木生长指标之间进行主成分分析（PCA）。用SigmaPlot 12.5(SYSTA T,San Jose,CA,USA)作图。

2 结果与分析

2.1 菌渣还田对土壤理化性质的影响

菌渣还田对土壤理化性质的主效应作用分析表明：还田比例对土壤容重、pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的主效应作用均极显著，还田粒级仅对土壤容重的主效应作用极显著（P＜0.01）；但还田比例与粒级的交互作用对土壤理化性质的主效应作用不显著。

进一步对土壤理化性质的影响分析表明：土壤容重随还田比例的增加而显著降低（P＜0.05），仅菌渣还田比例为1∶10时不同粒级间差异显著；随着还田比例增大到1∶5时，土壤容重不再显著下降。土壤pH值随菌渣还田比例的增加而增大，但与CK相比无显著差异，且不同粒级间无显著差异。土壤有机质和碱解氮含量均随还田比例的增加而显著降低（P＜0.05），且不同粒级间无显著差异，其中1∶10和1∶8还田比例的有机质和碱解氮含量均显著高于CK，1∶3和1∶2的还田比例显著降低了土壤有机质和碱解氮含量。有效磷含量随还田比例的增加而显著增加（P＜0.05），且 还 田 比 例 为1∶10时，3 mm和8 mm还田粒级的土壤有效磷含量显著高于5 mm还田粒级（P＜0.05），其中1∶10和1∶8还田比例的有效磷含量显著低于CK，1∶3和1∶2的还田比例显著高于CK（P＜0.05）。土壤速效钾含量随菌渣还田比例的增大先减少后增加，且不同粒级间无显著差异，除1∶2还田比例的有效钾含量与CK相比无显著差异外，其余4个还田比例均显著降低了速效钾含量（P＜0.05）（表1）。

表1 菌渣还田比例和粒级对圃地土壤理化性质的影响Table1 Effectsof the SMSratio and SMSsize classeson soil physical and chemical properties

续表 1

2.2 菌渣还田对水曲柳苗木生长的影响

菌渣还田处理对水曲柳苗木生长的主效应作用分析表明：还田比例对水曲柳苗高增长量、地径增长量、叶面积、根生物量、茎生物量、叶生物量、质量指数（QI）的主效应作用均极显著（P＜0.01），但还田粒级仅对苗木质量的主效应作用极显著（P＜0.01）。菌渣还田比例与粒级的交互作用对苗高增长量和质量指数的主效应作用有显著影响（P＜0.05），但对其他指标的主效应作用不显著。

进一步对苗木生长各指标的影响分析表明：苗高和地径均随菌渣还田比例的增加而逐渐降低，仅在还田比例为1∶10时，不同还田粒级间的苗高增长量差异显著。与CK和其他处理相比，还田比例为1∶10，粒级为8 mm时，显著提高了苗高生长量，比CK显著增加了125.91%（P＜0.05）。与CK相比，1∶2的还田比例显著降低了苗高和地径的生长量（图1）。

图1 菌渣还田比例和粒级对苗高和地径增长量的影响Fig.1 The growth of seedling height and ground diameter under different SMSratios and size classes

叶面积随菌渣还田比例的增加而显著减小，且不同还田粒级间无显著差异。其中1∶10和1∶8还田比例的叶面积显著高于CK（P＜0.05），还田比例为1∶10，粒级为8 mm的水曲柳叶面积比CK显著增加了258.87%（P＜0.05）（图2）。

图2 菌渣还田比例和粒级对叶面积的影响Fig.2 The leaf area of seedlings under different SMS ratiosand size classes

水曲柳苗木的根生物量、茎生物量和叶生物量随着还田比例的增加而逐渐降低，1∶10和1∶8还田比例的各营养器官生物量显著高于CK（P＜0.05）。其中还田比例为1∶10，粒级为8 mm时根生物量、茎生物量和叶生物量最高，分别比对照显著提高了187.9%、197.05%和310.68%（P＜0.05）（图3）。

图3 菌渣还田比例和粒级对水曲柳各营养器官生物量的影响Fig.3 The biomassof leaf,stem and root under different SMSratiosand size classes

水曲柳的苗木质量指数随菌渣还田比例增加而逐渐降低，且在还田比例为1∶10和1∶5时，不同还田粒级间的苗木质量指数差异显著，随着还田比例增大到1∶5时，苗木质量指数不再显著变化（P＞0.05）。与CK和其他处理相比，还田比例为1∶10，粒级为8 mm时，苗木质量指数最大，比对照显著增加了2倍（P＜0.05）（图4）。

图4 菌渣还田比例和粒级对水曲柳苗木质量指数的影响Fig.4 The seedling Quality Index(QI) under different SMSratiosand size classes

2.3 土壤理化性质对苗木生长的影响

对土壤理化性质和苗木生长各指标的主成分进行分析（图5），第一排序轴的解释量（PC2）为91.3%，第二排序轴的解释量（PC1）为3.3%，可以认为这两轴为主成分轴。还田比例越低，有机质和碱解氮的含量越高，二者之间存在显著的负相关性，同时苗木生长指标显著受土壤容重和碱解氮含量正向影响。

图5 菌渣还田比例下土壤理化性质与苗木指标的主成分分析Fig.5 PCA among soil and seedlings traitsafter SMSadded to the soil

3 结论与讨论

3.1 菌渣还田比例对圃地土壤理化性质的影响

菌渣具有低的容重和高的孔隙率，在土壤中添加菌渣后，可以降低土壤容重，增加土壤的通气性和透水性，改善土壤理化性质[8,15]。在本研究中，添加菌渣的土壤容重较对照显著降低，土壤容重随菌渣还田比例的增加而降低，说明添加菌渣能有效提高土壤容重，与冯惠翎等[22]在金针菇（Flammulinavelutipes）菌渣还田川西高原沙地土壤的研究结果一致。

土壤有机质是土壤固相的重要组成部分，在改善土壤结构、保持土壤肥力方面起着重要作用[23]。慕平等[24]研究发现有机肥还田能有效增加耕层土壤有机质含量，且还田年限越长增加越显著。本研究表明，在还田比例较低（1∶10）时，有机质显著增加，而在菌渣比例较高（1∶2）时，有机质含量显著降低，这可能是由于木质纤维素的存在，添加到土壤中的大量菌渣不能在当年内充分分解进入土壤[25-26]，加上苗木生长期内土壤腐殖质被矿化分解，致使土壤有机质含量下降。同时，由于菌渣还田前进行了堆肥和发酵，菌渣的性质相对稳定，这使得矿化变得缓慢[2]。因此，当土壤添加较高比例的菌渣后，土壤有机质不能及时得到菌渣矿化补充而减少，这与Li等[7]的研究结果相似。

氮、磷、钾是植物生长发育必不可少的主要营养元素[27]。王斯佳等[28]研究发现土壤中增施有机肥，可以提高土壤的供氮能力。土壤碱解氮作为衡量土壤中氮素水平高低的重要指标，可以比较直观的、灵敏的反映土壤氮素变化和供给能力[29]。本研究表明，随着还田比例的增加，土壤碱解氮含量显著降低，这可能是由于氮的消耗速率显著高于菌渣矿化速率[30]，并且氮的活化率与土壤有机质含量密切相关[31]，因此，当有机质被矿化分解时，碱解氮含量也会相应地减少。土壤有效磷和速效钾的含量随菌渣还田量的增加而增加，但当还田量较低时（1∶10和1∶8），有效磷和速效钾含量均显著低于对照，这可能是植物吸收的结果[10]。在菌渣还田较高比例（1∶3和1∶2）下，有效磷的含量显著高于对照，这表明有机磷的矿化补偿了通过降水或幼苗吸收而逐渐流失的矿质磷[32]。

3.2 菌渣还田比例对水曲柳苗木生长的影响

苗高和地径作为形态学调查工作中的基本指标，可以最直观的表现苗木的生长状况和生长趋势[33]。霍常富等[34]发现沙培营养液供氮量为16 mmol/L时，比供氮量为1 mmol/L的水曲柳苗木根系生物量显著提高了85.9%。本研究结果表明，当菌渣还田比例较低(1∶10）时，苗高增长量和根系生物量均显著高于CK。这可能是菌渣低比例还田可使圃地土壤达到良好的水、肥、气、热环境，同时土壤速效氮的提高为植物根系提供了一定的养分，有利于植物根系的生长发育，进而提高植物的净光合速率，促进蛋白质、非结构性碳（NSC）等有机质的合成[35-36]，从而促进水曲柳幼苗的生长发育，与吴楚等[37]的研究结果相似。然而，当还田比例较高（1∶2）时，苗高生长、地径生长和根系生物量显著降低，这可能是由于大量菌渣还田会降低土壤中碱解氮的含量，提高土壤的电导率[1]，从而抑制苗木的生长。虽然还田粒级对土壤理化性质无显著影响，但较低比例（1∶10）与较大粒级（8 mm）混合的菌渣还田显著提高了水曲柳苗木的高生长量。低比例和大粒级混合的菌渣施入土壤后导致土壤发生异质性的变化，这可能是改善了土壤的物理性质，利于苗木根系呼吸和生长发育[8]，提高了根系吸收能力从而促进苗木的地上生长。

综上所述，低比例的菌渣还田可以改善土壤理化性质，还田粒级对苗木生长无显著影响，但比例和粒级的交互作用促进了苗木的高生长并提高了苗木质量。本试验的土壤状况表明还田比例为1∶10，粒级为8 mm时显著提高了土壤速效氮含量和土壤有机质含量，促进了根系生长和苗木高生长量，并提高苗木质量。