不同秸秆育苗基质对水稻幼苗生长和根际微环境的影响

赵颖 何志刚 曲航 刘慧屿 肖劲松

摘要：以玉米秸秆和水稻秸秆为原料制备水稻育苗基质，通过对玉米秸秆和水稻秸秆进行堆肥试验，将堆肥产物以不同比例配制成基质，研究基质对水稻苗期植株生理指标、形态指标的影响，选择适合水稻幼苗生长的最佳基质配方。结果表明，腐熟玉米秸秆50%+腐殖酸25%+泥炭土25%基质（T1）所培育的水稻幼苗的地上部干质量、株高、叶绿素SPAD值与CK比较，差异达到显著水平，水稻幼苗根干质量、根长、根数，与CK比较，差异达到显著性水平。T1基质物理性状良好，容重为0.78g/cm3，田间持水量55.85%。生物性状显示，腐熟玉米秸秆50%+腐殖酸25%+泥炭土25%基质（T1）与腐熟玉米秸秆30%+腐殖酸35%+泥炭土35%基质（T2）处理聚为一类，这一类群主要的菌群是假单胞菌属、土地杆菌属等；腐熟水稻秸秆50%+腐殖酸25%+泥炭土25%基质（T3）和腐熟水稻秸秆30%+腐殖酸35%+泥炭土35%基质（T4）处理聚为一类，主要菌群是假黄色单胞菌属和寡养食单胞菌属等，2个类群菌群丰度均高于CK。综合比较，T1体积配比的复合育苗基质更适合水稻幼苗生长发育，可以在实践中应用推广。

关键词：秸秆；基质化；水稻幼苗；最佳配比；根际微生物；生理指标；形态指标

中图分类号：S511.06文献标志码：A

文章編号：1002-1302（2023）10-0100-05

秸秆是极为丰富且能直接利用的可再生有机资源［1］。但秸秆大量丢弃或焚烧，不仅造成资源浪费，还加剧了大气污染［2］。水稻是辽宁省种植面积仅次于玉米的第二大作物［3］。我国大部分地区机插秧水稻采用水稻土育苗和营养土基质育苗2种方式，长期存在取土量大、取土困难、容易发生土传病害、除草剂残留影响出苗等问题［4］。并严重破坏当地土壤资源，影响周边植被的结构、打破生态平衡［5］。因此，利用农作物秸秆等有机废弃物研制无土水稻育苗基质，是辽宁省乃至全国发展优质绿色稻米产业的首要任务之一［6-7］，不仅提高了废弃资源利用率，还能改善水稻基质育苗品质，对水稻种植的可持续发展具有重要的现实意义。

秸秆栽培基质已在欧洲和北美等地得到广泛应用［8］。我国对育苗基质的研究与应用较晚，起步于20世纪70年代温床育苗技术的引入［9］。20世纪90年代后，国内诸多学者开始自主研发应用基于农作物秸秆的育苗基质。例如，周青等以秸秆等为主要原料制备的轻型有机基质可使水稻秧苗植株高大、叶片颜色深绿、叶绿素含量高、可溶性糖含量高等［10］。赵伯康等利用秸秆、牛粪等废弃物经高温发酵、腐熟处理后制成的基质育苗，能促进秧苗生长，但制作程序繁琐、育苗成本高［11］。任兰天等将小麦秸秆制备成育苗基质材料，在烟草育苗上取得了明显成果［12］；徐明辉等对菌糠进行研究，制备的育苗基质在辣椒上育苗效果较好［13］。巩芳娥等研究了玉米秸秆与牛粪发酵制备的育苗基质在辣椒上育苗的效果良好［14］。但是现阶段育苗基质还存在应用效果不稳定、基质配制没有统一标准等问题。鉴于此，笔者通过研究玉米秸秆和水稻秸秆不同配比育苗基质的微环境变化以及基质对水稻幼苗生长性状的影响，以期为水稻育苗基质研究提供理论支撑。

1材料与方法

1.1试验材料

2019年11月至2020年4月，玉米和水稻秸秆堆肥试验及配比育苗试验在辽宁省农业科学院室内试验基地进行，复合微生物菌剂（辽宁省农业科学院研制），有效菌种为枯草芽孢杆菌、酵母等，有效菌数达到5×107CFU/g，菌剂添加量：复合微生物菌剂4kg/t。玉米秸秆和水稻秸秆均为2019年辽宁省农业科学院周边种植基地利用秸秆收集打包机收集打包的产物，其中，玉米秸秆与水稻秸秆的理化性质见表1。碳氮调节剂：尿素（含N46%）。

1.2秸秆堆肥试验

试验地点：辽宁省农业科学院西地试验基地（123°55′43.16″E，41°82′17.74″N）。

本研究设置2个处理：

（1）处理A：1t玉米秸秆，添加复合微生物菌剂4kg/t、碳氮调节剂8kg。

（2）处理B：1t水稻秸秆，添加复合微生物菌剂4kg/t、碳氮调节剂8kg。

流程：将粉碎的玉米秸秆、水稻秸秆（长度≤10cm）均匀铺于地表，分别撒复合微生物菌剂和碳氮调节剂，踩实，直到堆肥高度达到1.4m。试验重复3次，共堆积45d。试验开始时间：2019年3月13日至2019年4月29日。

1.3秸秆堆肥产物基质试验

试验共设5个处理，详细配比见表2。

试验地点：辽宁省农业科学院西地试验基地（123°55′43.16″E，41°82′17.74″N）。

试验前期秸秆发酵产物粉碎后过40目筛，水稻种子（辽粳401），2019年5月5日整地作床，5月7日浸种，5月9日穴盘播种。育苗盘使用72穴，每穴2粒水稻种子，定植1株，每盘重复3次，随机区组排列。整个试验阶段，温度（25℃左右）、湿度（80%左右）及其他管理同当地水稻育苗［12］。腐殖酸和泥炭土采购自辽宁先丰农业科技有限公司。

1.4测定方法

1.4.1堆肥测定项目与方法

测定堆肥过程的温度变化。堆肥结束后应用国标NY525—2012《有机肥料标准》［15］采样并分析堆肥后秸秆中氮（N）、五氧化二磷（P2O5）、氧化钾（K2O）及有机质含量和酸碱度（pH值）。

1.4.2基质物理性质的测定测定容重、田间持水量等［12］。

1.4.3水稻幼苗生理指标的测定在播种后20d选择有代表性的幼苗30株，测定水稻地上部生理指标及地上部干质量、根干质量等，叶绿素仪测定水稻叶绿素SPAD值。

1.4.4微生物群落样品采集与测定采用多点取样法采集水稻育苗基质根部样品，采集的样品用冰盒保存送至北京百迈客生物科技有限公司应用Illumina平台的HiSeq进行测序［1］。

1.5数据分析和处理

微生物种群测序结果通过北京百迈客生物科技有限公司百迈云平台进行数据分析。常规数据采用Excel进行分析作图，SPSS22.0软件统计分析［16］。

2结果与分析

2.1秸秆堆肥理化性质变化

2.1.1温度变化

由圖1可见，在外界温度为2℃条件下进行的秸秆堆肥，处理A表现为升温快，持续时间长，在处理后2d达到54.0℃，处理后8d达到最高峰75.9℃，持续高温50℃以上达到36d；处理B在处理后4d达到48.5℃，发酵过程中翻堆对处理B影响较大，温度下降后上升，呈现波峰-波谷趋势，处理后9d达到最高峰71.5℃，持续高温50℃以上达到22d。

2.1.2秸秆养分变化

在堆肥过程中，随堆肥体积和质量的不断减少，发生养分的“浓缩效应”［17］。在第45天时，处理A物料中的氮、磷、钾含量分别达到1.51%、0.34%和0.99%。处理B物料第45天的氮、磷、钾含量分别达到0.98%、0.24%和0.72%，可能是由于2种不同秸秆原料发酵所致（表3）。

2.2不同处理基质理化性质变化

育苗基质较理想的容重范围为0.1～0.8g/cm3，总孔隙度为50%～96%［12］。从表4中可以观察到，容重为CK>T2>T4>T1>T3，田间持水量为T3>T1>T4>T2>CK，处理间差异显著，酸碱度T1>T2>CK>T4>T3。与CK比较，在添加作物秸秆后各处理容重随添加比例升高呈下降趋势，田间持水量呈上升趋势。

2.3不同处理基质水稻育苗生育性质变化

2.3.1不同处理基质水稻育苗对地上部生长特征影响

株高是反映水稻整齐度的特征，过高和过低都会对水稻插秧有影响［12］。从表5中可以观察到株高为CK>T1>T4>T2>T3，各处理与CK之间差异显著。叶绿素含量反映其光合作用的强弱，直接影响水稻后期的产量［5］。叶绿素SPAD值表现为T4>T3>T1>T2>CK，各处理与CK之间差异显著。茎基宽为T1=T4>T3>T2>CK，T1、T3、T4处理与CK之间差异显著。叶龄为T4>T1>T2>T3>CK，T1、T4处理与CK之间差异显著。地上部干质量为T4>T1>CK>T2>T3，T4、T1与CK之间差异显著。

2.3.2不同处理基质水稻育苗对地下部生长特征影响

水稻的根系不仅是养分水分的吸收器官，对秧苗盘根性也有较大影响，并影响大田机插质量［14］。从表5中可以观察到根长为T1>T4>T2>T3>CK，处理与CK之间差异显著。从表5中可以观察到根数T1>T3>T4>T2>CK，除T2处理外，其他与CK之间差异显著。根干质量为T1>T3>T4>T2>CK，与根数变化趋势相同。

2.4不同处理根际细菌群落生物多样性的变化

2.4.1根际细菌物种种群丰度的变化

从表6可以观察到腐熟秸秆处理均可以增加育苗基质根际细菌生物多样性，OTU数量均有所增加，其中T1、T4处理比CK分别提高了78.66、110.33个；种群丰度结果表明，T1和T4处理的ACE指数均有所增高，分别提高了64.74和98.18，与CK相比差异显著；Shannon指数也有所增加，T1和T4处理分别提高了0.75和0.69，与CK相比差异显著。以上结果说明，在水稻育苗中，腐熟秸秆作为基本原料配合其他基质可以增加细菌的多样性和丰富度。

2.4.2根际细菌种群种属成分分析

观察不同处理Venn图（图2）可见，5个处理优势属数量共有2467个，其中共同存在优势种属有298个；T4优势属种类达到511个，在各处理中最多；T2优势属种类达到476个，在各处理中最少。

进一步观察图3柱状图5个处理中，CK处理菌群丰度较差，T1处理菌群分布较为均匀，其次是T2处理，这一类群主要的菌群是假单胞菌属、土地杆菌属、短波单胞菌属、根瘤菌属；T3和T4处理主要菌群是假黄色单胞菌属、寡养食单胞菌属、根瘤菌属、短波单胞菌属。

2.4.3根际细菌种群种属趋势分布特征

如图4所示，不同处理细菌群落变化差异明显。各处理分为三大类群，CK为一类；处理T1和T2聚为一类，位于第2象限，分布在PC2轴正向；处理T3和T4聚为一类，位于第3象限，分布在PC2轴反向。CK位于第1象限分布在PC1轴正向。

进一步对不同处理UPGMA聚类热图进行分析，如图5所示，不同处理微生物群落结构差异变化显著，与主成分分析图结论一致。

2.5基质理化性质与细菌群落纲水平的关系

由图6结果表明，容重和田间持水量对土壤细菌群落结构有显著影响，并可以解释细菌群落结构总变异度的32.47%。容重主要影响T1、T3、T4处理。田间持水量影响的主要是CK和T2处理；进一步发现影响的菌群不同，其中假黄单胞菌、黄杆菌、短波单孢杆菌与容重所处同一象限，表现显著正相关；藤黄色杆菌、双孢菌与田间持水量所处同一象限，表现显著正相关。

3讨论

目前，水稻育苗一直都是水稻生产环节中重要的环节之一。将秸秆进行堆腐处理后作为育苗基质进行水稻育苗，不仅可以有效降低对环境的污染、减少对耕地资源的破坏，也可为水稻生产提供优良的育苗基质［12］。

由本试验结果可知，50%腐熟的玉米秸秆替代草炭后，基质的物理指标等均符合行业标准，郑爱军等研究表明，作物秸秆制备的水稻育苗基质，使水稻苗根系发达、植株挺拔［18-20］。本研究结果显示，T1基质所培育的水稻幼苗的地上部干质量、株高、叶绿素SPAD值与CK比较，差异达到显著水平，与以上研究结果相似，张琼芬等研究结果表明，利用60%的玉米秸秆替代草炭可节约284.5元/hm2［21］，本研究结果与之相似，辽宁省玉米秸秆资源丰富，价格低廉，取代草炭符合现代农业发展要求，具有较好的经济效益与社会效益。

4结论

本研究结果表明，T1腐熟玉米秸秆50%+腐殖酸25%+泥炭土25%基质所培育的水稻幼苗的地上部干质量、株高、叶绿素SPAD值与CK比较，差异达到显著水平，水稻幼苗根干质量、根长、根数，与CK比较，差异顯著，其中株高为15.12cm、地上部干质量为0.22g/株、根干质量0.11g/株。T1基质物理性状良好，容重为0.78g/cm3，田间持水量55.85%。生物性状显示，T1与T2处理聚为一类，这一类群主要的菌群是假单胞菌属、土地杆菌属等；T3和T4处理聚为一类，主要菌群是假黄色单胞菌属和寡养食单胞菌属等，2个类群菌群数量均高于CK。该体积配比的复合育苗基质更适合水稻幼苗生长发育，可以在实践中应用推广。

参考文献：

［1］刘慧屿，何志刚，刘艳，等.低温堆腐与秸秆深翻还田对玉米产量及土壤微生物群落的影响［J］.土壤通报，2021，52（4）：873-884.

［2］陈亚楠，张长华，梁永江，等.玉米秸秆堆肥的田间积制和原位还田肥效［J］.应用生态学报，2014，25（12）：3507-3513.

［3］高继平，隋阳辉，霍轶琼，等.生物炭用作水稻育苗基质的研究进展［J］.作物杂志，2014（2）：16-21.

［4］李金文，熊又升，鲁寒英，等.秸秆与啤酒淤泥堆肥基质调控及水稻育苗应用效果评价［J］.湖北农业科学，2018，57（7）：54-57，95.

［5］郝冰，郭哈伦，任兰天，等.小麦秸秆基水稻育苗基质最佳配比研究［J］.安徽农业科学，2020，48（8）：33-37.

［6］BuRY，RenT，LeiMJ，etal.Tillageandstraw-returningpracticeseffectonsoildissolvedorganicmatter，aggregatefractionandbacteriacommunityunderrice-rice-rapeseedrotationsystem［J］.Agriculture，Ecosystems&Environment，2020，287：106681.

［7］张洪程，龚金龙.中国水稻种植机械化高产农艺研究现状及发展探讨［J］.中国农业科学，2014，47（7）：1273-1289.

［8］DiverS.Organicgreenhousevegetableproduction［J］.JournalofAmericanAssociationforPediatricOphthalmology&Strabismus，2000，14（1）：e32.

［9］张均华，黄晶，徐青山，等.水稻无土育秧基质研究进展［J］.中国稻米，2020，26（5）：40-44.

［10］周青，陈新红，丁静，等.不同基质育秧对水稻秧苗素质的影响［J］.上海交通大学学报（农业科学版），2007，25（1）：76-79，85.

［11］赵伯康，孙华香，王强盛.机插水稻基质育秧技术初探［J］.江苏农业科学，2012，40（2）：48-49.

［12］任兰天，刘庆，梅艳艳，等.小麦秸秆漂浮育苗基质对烟苗生长的影响［J］.中国烟草科学，2017，38（3）：26-29，36.

［13］徐明辉，梁明勤.菇渣在辣椒育苗上的应用效果试验［J］.北方园艺，2010（10）：62-64.

［14］巩芳娥，张国斌，李雯琳，等.不同配比基质对黄瓜穴盘幼苗生长的影响［J］.甘肃农业大学学报，2011，46（5）：59-64.

［15］黄锦法，倪雄伟，石艳平，等.基于NY525—2012的嘉兴商品有机肥标准制定［J］.浙江农业科学，2013，54（1）：89-91.

［16］何志刚，刘慧屿，刘艳，等.基于高通量测序技术筛选低温秸秆降解菌群的研究［J］.山西农业大学学报（自然科学版），2021，41（6）：75-84.

［17］何志刚，孙军德.复合微生物菌剂在牛粪堆肥中的试验研究［J］.安徽农业科学，2007，35（16）：4922，4933.

［18］郑爱军.水稻有机基质育秧技术［J］.天津农林科技，2013（4）：18.

［19］梁启全，王智华.寒地水稻工厂化育苗基质研究初报［J］.黑龙江农业科学，2013（7）：23-26.

［20］郝冰，郭哈伦，任兰天，等.应用小麦秸秆基质育苗对水稻幼苗形态指标和生理指标的影响［J］.现代农业科技，2020（3）：6-10.

［21］张琼芬，杜如万，施继辉，等.烤烟漂浮育苗基质替代研究［J］.中国烟草科学，2012，33（1）：56-59.