蘑菇渣基質生產狗牙根無土草皮配方施肥優(yōu)化研究

付玲，王彩云，尹少華*

(1.華中農業(yè)大學園藝林學學院園藝植物生物學教育部重點實驗室，湖北武漢430070;2.唐山師范學院生命科學系，河北唐山063000)

目前，國內外對蘑菇渣資源化利用的研究主要集中在菌糠飼料、生物有機肥、生物農藥、纖維素粗酶、生物環(huán)境修復材料及其他環(huán)境治理方面，我國每年蘑菇渣廢棄物產量約2 000萬t左右，大量蘑菇渣未得到合理有效利用［1］。研究表明，蘑菇渣作為生物有機肥土地利用可顯著提高作物產量和品質，作為基質的混配材料可提高容器苗成活率并促進生長［2，3］。Milstein［4，5］和時連輝等［6］的研究表明，蘑菇渣經過適當調節(jié)及變換管理措施，在無土栽培中可以部分替代泥炭。而用蘑菇渣作為無土草皮基質的研究相應較少［6-11］。朱淑霞等［11］的研究則證實，蘑菇渣單獨作為基質生產無土草皮很難成卷，坪用效果亦不好。合理施肥是建立高質量草坪和保持其良好景觀的有效措施［12］，也是提高草皮品質、縮短建植期的快速有效的方法。目前，國外草皮施肥的研究主要集中在不同氮源及不同施肥方法對草皮質量的影響［13-16］，Panayiotis等［14］通過比較速效肥、緩釋肥和葉面噴肥3種方式對脲醛樹脂和砂壤土改良后的草皮建坪的影響，他們認為葉面噴肥可以縮短草皮成卷時間，速效肥和緩釋肥提高草皮觀賞效果，但并未促進草皮提早成卷;Glinski等［16］將草塊植于砂壤土后的施肥實驗結果表明硝態(tài)氮能加速匍匐剪股穎的生長。國內關于草皮施肥的報道相對較少，吳麗芳［17］的研究指出，不同施肥水平對草皮成坪時間的影響:磷肥＞鉀肥＞氮肥;對地上生物量的影響:氮肥＞磷肥＞鉀肥;而對密度、蓋度、分蘗數影響不大。這些研究定性地分析了不同肥料種類、來源和施用方式對草皮質量的影響，但對肥料與草皮質量之間定量關系的研究少有報道，且通過施肥改善無土栽培基質種植的草皮性狀的研究鮮有報道。鑒于此，本實驗運用三元二次旋轉組合設計，探究氮磷鉀不同施量配比對蘑菇渣生產的狗牙根(Cynodon dactylon)無土草皮綜合品質的影響，進行定量、定性及優(yōu)化分析，篩選氮磷鉀施肥的優(yōu)化方案，為用蘑菇渣生產狗牙根無土草皮的施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于武漢市洪山區(qū)華中農業(yè)大學花卉基地試驗地。東經113°41'～115°05'，北緯29°58'～31°22'，屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛、日照充足，四季分明。總體氣候環(huán)境良好，年均降水量1 269 mm，且多集中在6－8月。年均氣溫15.8～17.5℃，年無霜期一般為211～272 d，年日照總時數1 810～2 100 h。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試草種 狗牙根天堂草328品種(C.dactylon‘Tifdwarf’)，草莖由武漢九峰山草坪生產基地提供。

1.2.2 供試肥料 氮肥采用脲(N≥99%)，磷肥采用過磷酸鈣(P2O5≥15%)，鉀肥采用硫酸鉀(K2O≥50%)。

試驗于2011年7月30日在華中農業(yè)大學花卉基地進行，混合基質配方(體積比)為蘑菇渣∶煤渣∶污泥∶沙子 =58.44% ∶6.06% ∶26.97% ∶8.53%，pH 7.21，容重 0.71 g/cm3，空氣孔隙度 19.29%，毛管孔隙度53.96%，總孔隙度 73.24%，堿解氮 0.74 g/kg，速效磷 1.11 g/kg，速效鉀 2.07 g/kg，有機質 205.87 g/kg，基質厚度0.8 cm，草莖播量188 g/m2，小區(qū)面積1.0 m×0.8 m，將草莖均勻鋪撒于薄膜上，基質混合充分后覆于草莖上，并輕輕鎮(zhèn)壓，使草莖與混合基質緊密接觸。基質中的營養(yǎng)成分含量基本足夠狗牙根草皮初期生長，但基質厚度較薄，會影響后期的生長。草皮蓋度達到50%時開始施肥，按實驗方案將肥料分3次噴施。待草皮成坪成卷后于2011年9月14日開始用對角線法取樣測定相關性狀。

1.3 試驗設計和方法

將氮磷鉀施量作為試驗三因子，采用三元二次旋轉組合設計［18］，z1、z2、z3表示有效氮(N)、有效磷(P2O5)、有效鉀(K2O)的實際用量，其最小值設為0，最大值均為30 g/m2，根據轉換公式zi=ΔiXi+zi0得到Xi(編碼值)，共23個處理，另有一個空白對照處理，具體方案見表1。

表1 三元二次旋轉組合試驗方案Table 1 Experiment scheme Ternary quadratic rotational combinational design

1.4 觀測指標與方法

1.4.1 基質理化性質測定方法 堿解N采用NaOH－擴散法;有效P采用NaHCO3浸提－鉬銻抗比色法;速效K采用NH4Ac浸提－火焰光度法;有機質采用K2CrO7－外熱源法;pH采用水土比5∶1法［19］。容重、孔隙度等物理性質采用Hummel［20］的方法。

1.4.2 草皮性狀評定方法 成坪時間采用蓋度計算法。Photoshop網格計數法記錄草皮不同時期覆蓋度，并用logistic方程計算出小區(qū)草皮覆蓋率達到85%所用的時間即為成坪時間［21］。成卷時間:草皮卷能夠卷起，沒有明顯裂紋的時間記為草皮已成卷。根系活力采用改良的TTC根系活力測定法［22］。草皮重和地上地下生物量采用直接稱重法。葉綠素含量采用乙醇∶丙酮=1∶1混合液浸提法［23］。密度采用實測法［24］。

10月20日，習近平總書記給“萬企幫萬村”行動中受表彰的民營企業(yè)家回信，對民營企業(yè)踴躍投身脫貧攻堅予以肯定，勉勵廣大民營企業(yè)家堅定發(fā)展信心，踏踏實實辦好企業(yè)。

綜合品質采用隸屬函數法［25］。為了綜合評定無土草皮不同基質配比的優(yōu)劣，將這8個指標根據模糊數學理論進行隸屬函數分析，首先建立“綜合評定”這一模糊集合A的隸屬函數UA(x)［簡記為U(x)］。U(x)=(X－Xmin)/(Xmax－Xmin)，坪用性狀與隸屬值呈正相關;U'(x)=1－U(x)，坪用性狀與隸屬值呈負相關。式中，X為某一坪用性狀的測定值;Xmin為某一坪用性狀設定的最小值;Xmax為某一坪用性狀設定的最大值。

各性狀的最大值與最小值見表3。

其次，對各個坪用性狀的測定值計算其隸屬值Ui(x)，表示這一指標屬于A的程度。然后，對各單因素隸屬度進行加權平均，計算綜合隸屬值，即綜合品質，即U(x)=∑WiUi(x)，其中Wi為第i項指標的權重。

權重的確定:打分評判法。各指標互相權衡重要性后，得到其權重分別成坪時間、成卷時間、密度、根系活力、葉綠素含量、草皮重、地上生物量、地下生物量8個指標的權重Wi矩陣為:

1.5 數據分析方法

采用SAS軟件進行方差分析，根據最小二乘法原理建立回歸方程，用Sigmaplot 10.0進行Logistic回歸和作圖。

2 結果與分析

2.1 氮磷鉀不同施量處理對狗牙根無土草皮性狀的影響

與不施肥處理相比，施肥處理的各指標都有明顯改善(表2)。除草皮重外，其他指標各處理間差異均顯著(P＜0.05)。其中不施肥處理63 d才成坪，施肥處理平均35.5 d成坪，相差27.5 d。成卷時間最多相差15 d，施肥后成卷時間明顯縮短。磷鉀肥施量較大，施用較少氮肥時，根系活力較大;氮磷鉀施量都處于較低水平時，根系活力最小。磷肥施用30 g/m2，氮鉀肥15 g/m2時，地上生物量最大，為3.07 g/dm2，與不施肥處理相比，施肥處理的地上生物量明顯增加。磷鉀肥施量較大，氮肥施量較小，或三者施量均較小，或氮鉀肥施量為中等水平，不施磷肥時，地下生物量較大;氮磷肥施量較大，或氮磷肥施量中等，不施鉀肥時，地下生物量較小，與不施肥處理相近。氮肥施量較大，磷鉀肥施量較小時，葉綠素含量較大;但在磷肥施量較小，氮鉀肥施量較大或較小時，葉綠素含量都較小，高施量的氮肥可以提高葉綠素含量，但磷肥施量較小也會影響葉綠素含量。當氮鉀肥施量中等，磷肥10 g/m2，草皮密度最大，明顯大于其他處理，達到145.33枝/dm2;磷鉀肥施量較小時，草皮密度較小，為102枝/dm2。三者均衡施用，磷肥施量較大時，草皮密度越大。草皮密度大，生長茂密，觀賞價值高。由于草皮性狀指標較多，任何單一指標均不能說明草皮質量的優(yōu)劣，因此采用綜合指標對草皮質量進行評定。

2.2 氮磷鉀不同施量配比對狗牙根無土草皮綜合品質的影響

無土草皮綜合品質在氮肥施量較小，磷鉀肥施量較大時，草皮品質是本次試驗中最好的處理，而氮鉀肥施量較大，磷肥施量較小時，草皮品質最差，說明對于蘑菇渣等為混合基質的狗牙根無土草皮來說磷肥施量的大小對草皮品質影響很大(表3)。

表3 各坪用性狀的隸屬值及綜合品質Table 3 Membership value of every sod character and integrated turf quality

2.2.1 草皮綜合品質與氮磷鉀不同施量的回歸模型 以綜合品質為因變量y，以氮磷鉀不同施量為自變量xi，根據最小二乘法得到 y與 xi之間的二次回歸模型為:y=0.729 －0.017x1+0.067x2+0.002x3－0.03x1x2－0.061

2.2.2 回歸模型因子效應及互作效應定性分析 采用降維分析，以各互作變量為x軸和y軸，綜合品質為z軸，分別令2個互作因子在取值內變動，將另外一個因子取值固定，繪成二因子互作效應曲面圖，定性地對因子互作效應進行分析。

1)氮肥用量x1和磷肥用量x2互作效應定性分析。回歸模型中y與x1、x2相互關系的空間曲面圖如圖1，圖中曲面方程為:

當氮肥施量x1處于低水平時，y隨磷肥施量x2的增加而增加，幾近呈斜率不變的直線，而氮肥施量x1處于高水平時，y隨磷肥施量x2的增加而逐漸減小;當磷肥施量x2處于高水平時，y隨氮肥施量x1的增加先增加后緩慢變小，而當磷肥施量x2處于低水平時，y隨氮肥施量x1的增加而增加。即氮肥施量取中低水平，磷肥施量取高水平時，綜合品質y最大。

2)氮肥用量x1和鉀肥用量x3互作效應定性分析。回歸模型中y與x1、x3相互關系的空間曲面圖如圖2，圖中曲面方程為:

當氮肥施量x1取低水平時，綜合品質y隨鉀肥施量x3的增加而逐漸減小，而氮肥施量x1取高水平時，綜合品質y隨鉀肥施量x3的增加逐漸增加(圖2);當鉀肥施量x3取低水平時，綜合品質y隨氮肥施量x1的增加而緩慢增加;而鉀肥施量x3取高水平時，綜合品質y隨氮肥施量x1的增加而緩慢減小。因此要獲得較高的綜合品質，氮肥施量x1應取低水平，鉀肥施量x3應取中高水平，或氮肥施量x1取中高水平，鉀肥施量x3取中低水平。

3)磷肥用量x2和鉀肥用量x3互作效應定性分析。回歸模型中y與x2、x3相互關系的空間曲面圖如圖2，圖中曲面方程為:

當磷肥施量x2取低水平時，綜合品質y隨鉀肥施量x3的增加而逐漸增加，而磷肥施量x2取高水平時，綜合品質y隨鉀肥施量x3的增加逐漸減小(圖3);當鉀肥施量x3取低水平時，綜合品質y隨氮肥施量x1的增加而逐漸增加，幾近呈斜率不變的直線;而x3取高水平時，綜合品質y隨磷肥施量x2的增加而緩慢減小，但變化幅度很小。要取得較高的綜合品質y，磷肥施量x2應取高水平，鉀肥施量x3應取低水平，反之，磷肥施量x2、鉀肥施量x3均取低水平。

根據因子互作效應的定性分析可知，要綜合品質y最大，氮肥施量x1應取中低水平，磷肥施量x2應取高水平，鉀肥施量x3應取中等水平。

2.2.3 回歸模型因子效應定量分析——配方方案的模擬優(yōu)化 根據回歸模型，在各變量的取值范圍內［－1.682，1.682］，按步長為“0.336 4”進行優(yōu)化模型計算機模擬試驗，共得到1 331個組合及相應的綜合品質理論值，其中最大值為0.899 7，對應的肥料配方為N:18 g/m2，P2O5:30 g/m2，K2O:0 g/m2。氮磷鉀均不施時，綜合品質最小，為0.152 1。將模擬值按區(qū)間長度為0.1分成5個區(qū)間進行頻數分析，計算得到不同區(qū)段對應的各肥料施量區(qū)間(表4)，綜合品質大于等于0.8時，方案數為193，不僅綜合品質大，且較穩(wěn)定，適合實際生產，因此，肥料優(yōu)化配方方案為N:10.646 8 ～10.804 0 g/m2，P2O5:27.157 8 ～27.215 2 g/m2，K2O:13.813 9 ～14.010 0 g/m2。

3 討論

施肥是影響草坪質量的主要因素之一，影響草坪的顏色、質地、密度、蓋度等［26］。雖然基質本身營養(yǎng)含量較高，但因其基質厚度較薄，營養(yǎng)流失嚴重，草皮后期生長不良，施肥可以提高其草皮質量。本實驗中不同施量配比的草皮各性狀測定結果表明，相比不施肥處理，施肥后草皮各性狀都得到了明顯改善。除成坪時間、成卷時間和草皮重外，其他性狀均差異顯著(P＜0.05)。通過建立各性狀與氮磷鉀三因子間的回歸模型及因子間的互作效應分析可知，當氮鉀肥取中等水平，磷肥取高水平時，草皮各性狀值都較高。

試驗結果中磷肥的作用是至關重要的，尤其是對于草皮成坪時間、成卷時間、密度和根系活力的促進作用較為明顯。草皮成坪主要由草皮覆蓋度決定(85%)，成坪時間短，說明草皮生長迅速，分蘗多，這和鄒娟等［27］、魯劍巍等［28］關于施磷對高羊茅(Festuca arundinacea)生長和養(yǎng)分吸收的研究結果相同。草皮密度主要受草皮地上分蘗的影響，地上生長旺盛，分蘗多，密度大，成坪時間也短，即草皮密度與草皮成坪時間反相關，密度越大，成坪時間越短。成卷時間長短的主要影響因素是地下根系的生長。一方面試驗中的草皮是種植在塑料薄膜上，根系無法下扎，使根系水平伸展，相互盤結，進而促進草皮成卷，另一方面氮磷鉀的混合施用促進了草皮草根系的伸長，而磷肥是影響地下根系生長的主要因素，這與白小明等［29］關于氮磷鉀對高羊茅擴展性和根系特性的報道一致。草皮根系的生長情況和活力水平直接影響地上部的營養(yǎng)狀況及草皮成卷時間的長短，試驗結果也說明成卷時間與根系活力的變化相近。

圖1 氮肥用量(x1)與磷肥用量(x2)與綜合品質(y)的關系Fig.1 Relationship among nitrogen and phosphorus application amount and integrated turf quality

圖2 氮肥用量(x1)與鉀肥用量(x3)與綜合品質(y)的關系Fig.2 Relationship among nitrogen and potassium application amount and integrated turf quality

圖3 磷肥用量(x2)與鉀肥用量(x3)與綜合品質(y)的關系Fig.3 Relationship among phosphorus and potassium application amount and integrated turf quality

目前，鉀肥對草皮草生長的影響尚有不同看法，有人認為鉀素可以促進植物根系的生長和下扎，進而形成強健根系［30］，本實驗中根系活力的測定結果及互作分析均表明鉀肥可以促進根系的生長，提高根系活力，與其結論一致;也有人認為，鉀素對于草坪草生長影響不大［31，32］。鉀肥有利于草皮草對氮磷肥的吸收，對于草皮生長不可或缺。地上生物量的變化與成坪時間長短具有一定相關性，地上生物量大，說明草皮生長旺盛，分蘗多，縮短成坪時間。在只施氮磷肥時，草皮地上生物量最小，此時草皮地上生長受到限制，本實驗氮磷鉀混合施用結果表明，鉀肥可以促進氮磷肥的吸收，這與李鴻祥等［31］的結論一致。

表4 氮磷鉀不同施量配比的優(yōu)化方案Table 4 Optimal mixture of different application amount of 3-kind of fertilizer

高等植物葉片的顏色主要由質體色素(葉綠素、類胡蘿卜素)和細胞液色素(花黃素、花青素)決定，其中葉綠素含量的不同直接表現為葉色的不同［33］。植物的生長發(fā)育、基本代謝都依賴于氮素，其對草皮生長的促進作用顯而易見，尤其可以提高草皮葉綠素含量。本試驗中當氮肥施量大，磷鉀肥中等施量時，葉綠素含量最大，這是因為氮素可以促進植物的光合作用，進而改善草皮草的色澤;但當氮鉀施量較大，磷肥施量較小時，葉綠素含量最小，可以推斷適當的磷肥促進氮肥的吸收，從而提高了葉片的葉綠素含量，改善草皮的綠度。氮磷鉀三者混施時，氮肥的作用并非一直都是促進作用，試驗中當氮肥施量很大，磷鉀肥施量較低時，并未促進地下生物量的增加，相反地下生物量較小，這在一定程度上表明氮肥施用量的增加反而抑制了地下根系和根莖的生長，Lawson［34］曾得到相近的結論:隨著氮肥施用量的增加，草坪地上部分生長速率上升，草坪密度和草屑產量也隨之增加，根系和根莖的生長明顯受到抑制。氮肥施量越大，草皮綜合品質并未相應增加，而是在因子間的互作效應下，先增加后減小，這說明氮肥施量大于一定值時，將超過狗牙根所能吸收的最大吸氮量，而造成氮肥的淋溶和肥料的浪費。劉高軍等［35］在進行施氮對黑麥草(Lolium multiflorum)生長特性的研究中也認為施氮量超過一定值，隨施氮量的增加，凈增效益下降。曹衛(wèi)星和夏勁偉［36］的研究表明，氮肥顯著增加一年生黑麥草的產量，但隨施氮量的增加，氮肥的增產作用下降。

通過對二次多項式模型的因子間互作效應定性和定量分析，以及模擬尋優(yōu)分析，得到的結果顯示，磷肥施量是影響綜合品質的主要因子，氮肥施量和鉀肥施量影響相對較小，且氮肥的中低施量、磷肥的高施量和鉀肥的中高施量時，可以取得最大綜合品質。優(yōu)化方案的氮鉀施量區(qū)間表明肥料施用在實驗設計的施量范圍內，氮鉀肥施量中等，磷肥施量越高，綜合品質越大，而磷肥施量繼續(xù)增加對綜合品質的影響則有待于進一步研究。

4 結論

除草皮重差異不顯著外，不同的氮磷鉀施量配比對無土草皮性狀產生了顯著的影響。氮磷鉀三因子對草皮綜合品質都有影響，其中磷肥影響最大，且因子之間互作顯著。建立了草皮綜合品質與三因子間的回歸模型，通過模擬尋優(yōu)得到氮磷鉀施量配比優(yōu)化方案為 N:10.646 8 ～10.804 0 g/m2，P2O5:27.157 8 ～27.215 2 g/m2，K2O:13.813 9 ～14.010 0 g/m2。

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