高溫處理與添加物料對(duì)蚓糞基質(zhì)培育辣椒壯苗的影響

趙海濤， 車 玲， 姜 薇， 朱燕紅， 邱良祝， 單玉華*， 封 克

(1 江蘇省揚(yáng)州農(nóng)業(yè)環(huán)境安全技術(shù)服務(wù)中心，江蘇揚(yáng)州 225127；2 揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

processing technique

泥炭作為栽培基質(zhì)和育苗基質(zhì)的原料在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但是大量開采泥炭資源，改變了其賦存條件，破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)，增加碳排放，對(duì)全球氣候變化影響巨大。探求經(jīng)濟(jì)環(huán)保的泥炭替代物已成為重要課題[1-3]。蚓糞是利用蚯蚓處理畜禽糞便等有機(jī)固體廢棄物的產(chǎn)物[4-5]，來源廣泛，具備替代泥炭的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前提條件。同時(shí)，蚓糞獨(dú)特的性質(zhì)決定了其是一種良好的育苗基質(zhì)材料，蚓糞是一種黑色、 均一、 有自然泥土味的細(xì)碎類物質(zhì)，具有良好的孔性、 通氣性、 排水性，較高的持水量和較大的表面積，含有大量有益微生物，吸收保持營養(yǎng)物質(zhì)能力強(qiáng)[6-7]。蚓糞具有很好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[8]，趨于中性[9]。營養(yǎng)元素在蚓糞中以硝酸鹽，交換磷、 鉀、 鈣、 鎂等植物可以直接吸收的形式存在[6, 10]，施用蚓糞可顯著增加土壤中全氮和氮磷鉀有效養(yǎng)分含量，并可提高土壤蛋白酶、 中性磷酶、 脲酶和蔗糖酶等的活性，增強(qiáng)了土壤供肥性能，以蚓糞為主要成分的營養(yǎng)基質(zhì)，能夠有效改良土壤結(jié)構(gòu)，抑制土傳病蟲害，促進(jìn)壯苗形成[11-13]。蚓糞具有豐富的激素類生物活性物質(zhì)，IAA和GA3含量很高[14]，蚓糞浸提液加入到基質(zhì)中，在一定濃度范圍內(nèi)顯著增加了西紅柿和黃瓜的株高、 葉面積和根干重等指標(biāo)，其促生效果與加入量呈正比[15]。蚓糞中富含放線菌和細(xì)菌，放線菌的增加，不僅能轉(zhuǎn)化土壤有機(jī)質(zhì)，而且能產(chǎn)生抗生素，對(duì)有害菌能起到拮抗作用[16]，在提供植物養(yǎng)分的同時(shí)能夠消除病原體對(duì)植物的侵害[17]。研究認(rèn)為適量添加蚯蚓糞可以抑制土壤害蟲和土傳病害[12]，但是在基質(zhì)生產(chǎn)過程中考慮到有機(jī)代用物料可能攜帶土傳病害對(duì)幼苗造成危害，習(xí)慣通過高溫處理的方法殺滅基質(zhì)中的活性微生物。蚓糞經(jīng)過高溫處理后的有益微生物也被滅活，蚓糞對(duì)壯苗形成的有益作用是否受到影響，蚓糞中的生物活性物質(zhì)在高溫過程中是否發(fā)生變化，這些問題亟需探討。本研究通過高溫處理蚓糞后添加不同物料復(fù)配成蚓糞基質(zhì)，研究處理前后生物活性物質(zhì)的變化特征，以及高溫處理后的蚓糞基質(zhì)對(duì)辣椒壯苗形成的影響，為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)以及蚓糞基質(zhì)工廠化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

表1 育苗基質(zhì)材料基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of substrate

注(Note): VM—蚓糞與蛭石按4 ∶1(V ∶V)混合成的基本材料 Mixed materials of vermicompost and vermiculite in 4 ∶1(V ∶V).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)蔣王蔬菜試驗(yàn)基地進(jìn)行。2010年12月將供試?yán)苯贩N子進(jìn)行室內(nèi)催芽，待幼苗長出2片真葉后即可進(jìn)行幼苗定植。2011年2月20日將不同處理的基質(zhì)材料裝入規(guī)格為50穴的方格穴盤中，每個(gè)方格高8 cm，底面寬5 cm、 長5 cm，每個(gè)穴盤8次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。定植前先將穴盤基質(zhì)用清水澆透后過夜，每穴定植1株幼苗，其它管理措施同大田試驗(yàn)。于成苗期(2011年4月6日)采樣考苗。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

蚓糞和市售基質(zhì)性質(zhì)測定采用以下方法： 全氮采用半微量凱氏法，銨氮采用堿解擴(kuò)散法，硝態(tài)氮采用飽和CaSO4浸提—紫外分光光度法，全磷采用HClO4—H2SO4消煮—釩鉬黃比色法，速效磷采用0.50 mol/L NaHCO3提取、 鉬藍(lán)比色法，速效鉀采用1.00 mol/L NH4OAc提取、 火焰光度法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，pH值和電導(dǎo)率采用水土(質(zhì)量比=2.50 ∶1)充分?jǐn)嚢杌旌虾髉H計(jì)、 電導(dǎo)儀直接測定[18]。基質(zhì)材料容重、 總孔隙度、 持水孔隙度、 通氣孔隙度和氣/水測定依照Bragg和Chambers等提出的方法[19-21]。

幼苗的測定項(xiàng)目包括展寬、 株高、 莖粗、 葉片數(shù)、 葉綠素、 鮮(干)重，總根長、 根表面積、 根直徑、 根體積、 根尖數(shù)。幼苗的展寬采用直尺測量，以葉片橫向最大垂直寬度為準(zhǔn)；葉片數(shù)采用計(jì)量法測定，以完全展開為1片葉；株高用直尺測量，以基質(zhì)表面到生長點(diǎn)的高度為準(zhǔn)；莖粗用游標(biāo)卡尺測量，以第一節(jié)位下偏上部為準(zhǔn)；鮮(干)重： 樣品清水洗凈用吸水紙吸干后直接稱鮮量，在通風(fēng)干燥箱105℃下殺青30 min，在80℃下烘至恒重后稱干量；葉綠素采用SPAD儀測定。壯苗指數(shù)=(莖粗/株高+根干重/地上部干重)×全株干重[22]。幼苗總根長、 根表面積、 平均直徑、 根體積和根尖數(shù)的測定采用WinRHIZ2003b根系分析系統(tǒng)對(duì)根系進(jìn)行掃描分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel整理，SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析，各處理間的差異顯著性使用Duncan法(新復(fù)極差法)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫處理對(duì)蚓糞中植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

從蚓糞高溫處理前后HPLC譜圖可以看出(圖1、 圖2)，高溫處理蚓糞的GA3含量是新鮮蚓糞的15倍左右，而IAA的含量變化幅度不大。依照GA3和IAA標(biāo)準(zhǔn)樣品HPLC譜圖(未列出)，高溫處理后的蚓糞和新鮮蚓糞中GA3的含量分別為834.63 μg/g和56.11 μg/g，IAA的含量分別為0.75 μg/g和0.70 μg/g。

圖1 新鮮蚓糞(F1)的HPLC譜圖Fig.1 Chromatogram of the fresh vermicompost (F1)

圖2 高溫處理蚓糞(F5)的HPLC圖Fig.2 Chromatogram of the vermicompost with high temperature sterilization (F5)

2.2 高溫處理對(duì)蚓糞中有機(jī)物質(zhì)的影響

圖3 新鮮蚓糞(F1)甲醇提取液HPLC圖Fig.3 Chromatogram of the fresh vermicompost (F1) in methanol extracts

圖4 高溫處理蚓糞(F5)甲醇提取液HPLC圖Fig.4 Chromatogram of the vermicompost with high temperature sterilization (F5) in methanol extracts

2.3 蚓糞基質(zhì)高溫處理對(duì)辣椒幼苗莖葉生長的影響

圖5表明，F(xiàn)6幼苗的莖粗、 株高和展寬最大，CK幼苗的莖粗、 株高和展寬最小，差異顯著。F8幼苗的葉片數(shù)最大，而CK最小，但F6和F8間差異不顯著，F(xiàn)6和F8顯著大于CK。CK幼苗的葉綠素含量最大，而F6葉綠素含量最低，差異顯著。

圖6 不同處理蚓糞基質(zhì)對(duì)辣椒幼苗根系生長的影響Fig.6 The effects of the vermicompost-formulated substrate on the growth of capsicum seedlings root system[注(Note)： 不同字母表示0.05水平上差異顯著 Bars with different letters show significant differences at P<0.05. ]

2.4 蚓糞基質(zhì)滅菌處理對(duì)辣椒幼苗根系生長的影響

從圖6可以看出，F(xiàn)8根長最長，CK最短，F(xiàn)6與F8差異不顯著，但顯著高于CK。F6的根表面積最大，CK最小，差異顯著。CK與F2和F6的根直徑較大，CK與F3、 F4、 F5、 F7差異顯著。CK和F4的根尖數(shù)最小，F(xiàn)2最大，差異顯著，F(xiàn)6與F2間差異不顯著。

2.5 蚓糞基質(zhì)高溫處理對(duì)辣椒幼苗物質(zhì)累積的影響

圖7表明，F(xiàn)6的根鮮(干)重、 莖葉鮮(干)重和總鮮(干)重最大，CK最小，差異顯著。

圖7 蚓糞基質(zhì)高溫滅菌處理對(duì)辣椒幼苗物質(zhì)累積的影響Fig.7 The effects of sterilization of the vermicompost-formulated substrate on biomass accumulation of capsicum seedlings[注(Note)： 不同字母表示0.05水平上差異顯著 Bars with different letters show significant differences at P<0.05. ]

2.6 蚓糞基質(zhì)高溫滅菌處理對(duì)辣椒幼苗壯苗指數(shù)的影響

蚓糞高溫處理后復(fù)配的育苗基質(zhì)有利于辣椒幼苗壯苗指數(shù)的增大。F6的壯苗指數(shù)最大，CK最小，F(xiàn)6、 F2、 F5與CK間差異顯著(圖8)。

圖8 蚓糞基質(zhì)高溫滅菌處理對(duì)辣椒幼苗壯苗指數(shù)的影響Fig.8 The effects of sterilization of the vermicompost-formulated substrate on index of strong capsicum seedlings

3 討論

活性有機(jī)物是一類成分復(fù)雜的混合物，包括低分子量的有機(jī)酸和氨基酸等物質(zhì)，含有—COOH、 —OH、 —NH2等多種官能團(tuán)，它們可以與金屬進(jìn)行配位、 絡(luò)合反應(yīng)，活性有機(jī)物的低分子量組分以及親水性組分在土壤中的移動(dòng)性較大[34-36]。蚓糞活性有機(jī)物的這些特性使其更易被植物吸收，促進(jìn)壯苗形成。Edwards等研究發(fā)現(xiàn)蚓糞提取物中的水溶性酚類物質(zhì)可以有效保護(hù)植物免受病蟲危害，并有效降低病蟲害的存活率和發(fā)生率[37]。蚯蚓過腹處理使牛糞的活性有機(jī)物中木質(zhì)素、 纖維素、 半纖維素、 糖類及其他碳水化合物發(fā)生逐步分解，生成腐殖物質(zhì)，同時(shí)水溶性有機(jī)硅化合物分解為無機(jī)硅氧化物[28]。本研究表明，新鮮蚓糞高溫處理后，93.47%的化合物Ⅰ衍生出了具有相同母核的極性更大的化合物Ⅱ-Ⅴ，其紫外吸收峰有向長波移動(dòng)的趨勢(shì)。化合物Ⅰ在高溫環(huán)境下可能發(fā)生了去飽和、 被雜原子取代以及重排等化學(xué)現(xiàn)象，最終衍生出了極性更大的化合物Ⅱ-Ⅴ(圖3、 圖4)。而這些極性更大的衍生物水溶性相對(duì)更強(qiáng)，可能更利于植物的吸收和利用。化合物Ⅰ-Ⅴ的性質(zhì)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步研究鑒定。

高溫處理蚓糞基質(zhì)比新鮮蚓糞基質(zhì)更能促進(jìn)辣椒壯苗形成，其原因可能是高溫處理使蚓糞中有益微生物和有害微生物同時(shí)失活，消除了蚓糞微生物對(duì)幼苗生長的影響。高溫過程導(dǎo)致了蚓糞中部分植物難以吸收的極性小的大分子有機(jī)物降解成植物容易吸收的極性大有機(jī)物，這些有機(jī)物被植物根系吸收后，促進(jìn)了幼苗的系統(tǒng)發(fā)育；同時(shí)高溫處理增加了GA3和其他植物生長激素物質(zhì)的含量，促進(jìn)了幼苗的系統(tǒng)發(fā)育，從而使高溫處理蚓糞基質(zhì)的辣椒幼苗評(píng)價(jià)指標(biāo)整體上優(yōu)于新鮮蚓糞基質(zhì)。

4 結(jié)論

1)高溫處理后的蚓糞中添加蛭石(蚓糞 ∶蛭石=4 ∶1，V ∶V)和尿素(0.50 kg/m3)有利于促進(jìn)辣椒幼苗莖葉和根系的系統(tǒng)發(fā)育，增加鮮干物質(zhì)累積，增大壯苗指數(shù)。

2)高溫處理增加了蚓糞中GA3含量，使活性有機(jī)物裂解成具有相同母核類的極性更大的易被植物吸收利用的水溶性衍生物。

3)蚓糞高溫處理后與蛭石按4 ∶1體積比均勻混合后用于辣椒育苗，最能有利于提升辣椒幼苗的各項(xiàng)指標(biāo)，形成壯苗。

參考文獻(xiàn):

[1] Shober A L, Wiese C, Denny G Cetal. Plant performance and nutrient losses during containerized landscape shrub production using composted dairy manure solids as a peat substitute in iubstrate[J]. Hort Technology, 2011, 21(2): 240-245.

[2] Eklind Y, Raemert B, Wivstad M. Evaluation of growing media containing farmyard manure compost, household waste compost or chicken manure for the propagation of lettuce (LactucaSativaL.) transplants[J]. Biol. Agric. Hortic., 2001, 19(2): 157-181.

[3] Hashemimajd K, Kalbasi M, Golchin Aetal. Comparison of vermicompost and composts as potting media for growth of tomatoes[J]. J. Plant Nutr., 2004, 27(6): 1107-1123.

[4] Suthar S. Vermicomposting of vegetable-market solid waste usingEiseniafetida: impact of bulking material on earthworm growth and decomposition rate[J]. Ecol. Eng., 2009, 35(5): 914-920.

[5] Garg P, Gupta A, Satya S. Vermicomposting of different types of waste usingEiseniafoetida: a comparative study[J]. Bioresour. Technol., 2006, 97(3): 391-395.

[6] Edwards C A, Burrows I. The potential of earthworm compost as plant growth media [A]. Neuhauser E F. Earthworms in waste and environmental management, SPB Academic[C]. Edwards, C.A, 1988. 21-32.

[7] Bachman G R , Metzger J D. Growth of bedding plants in commercial potting substrate amended with vermicompost[J]. Bioresour. Technol., 2008, 99(8): 3155-3161.

[8] Jongmans A, Pulleman M, Balabane Metal. Soil structure and characteristics of organic matter in two orchards differing in earthworm activity[J]. Appl. Soil Ecol., 2003, 24(3): 219-232.

[9] Ndegwa P M, Thompson S A, Das K C. Effects of stocking density and feeding rate on vermicomposting of biosolids[J]. Bioresour. Technol., 2000, 71(1): 5-12.

[10] Orozco F, Cegarra J, Trujillo Letal. Vermicomposting of coffee pulp using the earthworm eisenia fetida: effects on c and N contents and the availability of nutrients[J]. Biol. Fertil. Soils, 1996, 22(1): 162-166.

[11] Arancon N Q, Edwards C A, Bierman P. Influences of vermicomposts on field strawberries: Part 2.Effects on soil microbiological and chemical properties[J]. Bioresour. Technol., 2006, 97(6): 831-840.

[12] Edwards C A, Norman Q A. Vermicomposts suppress plant pest and disease attacks[J]. Proquest Agric. J., 2004, 45(3): 51-54.

[13] Arancon N, Edwards C, Bierman Petal. Influences of vermicomposts on field strawberries: 1. Effects on growth and yields[J]. Bioresour. Technol., 2004, 93(2): 145-153.

[14] 胡佩, 劉德輝, 胡鋒, 等. 蚓糞中的植物激素及其對(duì)綠豆插條不定根發(fā)生的促進(jìn)作用[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 22(8): 1211-1214.

Hu P, Liu D H, Hu Fetal. Plant hormones in earthworm casts and their promotion on adventitious root formation of mung bean cutting[J]. Acta Ecol. Sin., 2002, 22 (8): 1211-1214.

[15] Atiyeh R M, Lee S, Edwards C Aetal. The influence of humic acids derived from earthworm-processed organic wastes on plant growth[J]. Bioresour. Technol., 2002, 84(1): 7-14.

[16] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D C. An extraction method for measuring soil microbial biomass[J]. Soil Biol., 1996, 18(2): 268-273.

[17] Sahni S, Sarma B K, Singh D Petal. Vermicompost enhances performance of plant growth-promoting rhizobacteria inCicerarietinumrhizosphere againstSclerotiumrolfsii[J]. Crop Prot., 2008, 27(3-5): 369-376.

[18] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

Lu R K. Soil agricultural chemical analysis method[M]. Beijing: China Agriculture Science and Technology Press, 2000.

[19] Bragg N, Chambers B. Interpretation and advisory applications of compost air-filled porosity (AFP) measurements [A]. Willumsen J. Symposium on horticultural substrates and their analysis[C]. GI. Avenaes, Funen, Denmark, 1988. 35-44.

[20] Gabriels R, Keirsbulck W, Engels H. A rapid method for the determination of physical properties of growing media [A]. Tatlini M. International symposium on horticultural substrates other than soil in situ[C]. Florence, Italy, 1992. 243-248.

[21] Inbar Y, Hadar Y, Chen Y. Recycling of cattle manure: the composting process and characterization of maturity[J]. J. Environ. Qual., 1993, 22 (4): 857-863.

[22] 楊梅. 幾種瓜類蔬菜育苗基質(zhì)及其施肥配方的研究[D]. 陜西楊凌： 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2007.

Yang M. Study of substrates and fertilizer formulas for some gourds seedling[D].Yangling, Shaanxi: Northwest Agriculture and Forestry University of Science and Technology, 2007.

[23] 胡佩, 楊紅, 劉德輝, 等. 高效液相色譜法測定蚓糞中的植物激素[J]. 分析試驗(yàn)室, 2001, 20(6): 8-10.

Hu P, Yang H, Liu D Hetal. Determination of plant growth bormones in earthworm casts by high performance liquid chromatography[J]. Chin. J. Anal. Lab., 2001,20(6): 8-10.

[24] 胡艷霞, 孫振鈞, 孫永明, 等. 蚯蚓糞對(duì)黃瓜炭疽病的系統(tǒng)誘導(dǎo)抗性作用[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 15(8): 1358-1362.

Hu Y X, Sun Z J, Sun Y Metal. Earthworm feces-induced systemic resistance of cucumber against anthracnose[J]. Chin. J. Appl. Ecol., 2004, 15(8): 1358-1362.

[25] 胡艷霞, 孫振鈞, 周法永, 等. 蚯蚓糞對(duì)黃瓜苗期土傳病害的抑制作用[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, (7): 1106-1115.

Hu Y X, Sun Z J, Zhou F Yetal. Study on suppression effect of vermicompost to soil-borne disease of cucumber seedlings[J]. Acta Ecol. Sin., 2002, (7): 1106-1115.

[26] Yasir M, Aslam Z, Kim S Wetal. Bacterial community composition and chitinase gene diversity of vermicompost with antifungal activity[J]. Bioresour. Technol., 2009, 100(19): 4396-4403.

[27] 王勝, 鄭仕軍, 沈麗, 等. 蚯蚓糞對(duì)油菜根腫病的控制效果評(píng)價(jià)[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 23(6): 1910-1913.

Wang S, Zheng S J, Shen Letal. Evaluation of control effect on rape clubroot of wormcast[J]. Southwest China J. Agric. Sci., 2010, 23(6): 1910-1913.

[28] 趙海濤, 狄霖, 劉平,等. 蚯蚓生物床工程處理對(duì)牛糞性質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011, 27(9): 255-259.

Zhao H T, Di L, Liu Petal. Effect of earthworm bio-bed treatment on properties of cow manure[J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2011, 27(9): 255-259.

[29] Brown G G. How do earthworms affect microfloral and faunal community diversity[J]. Plant Soil, 1995, 170(1): 209-231.

[30] Krishnamoorthy R V, Vajranabhaiah S N. Biological activity of earthworm casts: an assessment of plant growth promoter levels in the casts[J]. Proc. Indian Acad. Sci., 1986, 95(3): 341-351.

[31] Tomati U, Grappelli A, Galli E. The hormone-like effect of earthworm casts on plant growth[J]. Biol. Fertil. Soils, 1988, 5(4): 288-294.

[32] Tomati U, Grappelli A, Galli E. Fertility factors in earthworm[A]. Tomai U.Prospects in earthworm farming[M]. Rome: Publication Ministro della Ricerca Scientifica Technologia, 1983.

[33] Arancon N, Edwards C, Lee Setal. Management of plant parasitic nematode populations by use of vermicomposts [A]. The BCPC Conference: Pests and diseases[J]. Brighton, UK, 2002. 705-710.

[34] Johnson W P, Amy G L. Facilitated transport and enhanced desorption of polycyclic aromatic hydrocarbons by natural organic matter in aquifer sediments[J]. Environ. Sci. & Techn., 1995, 29(3): 807-817.

[35] Gu B, Schmitt J, Chen Zetal. Adsorption and desorption of different organic matter fractions on iron oxide[J]. Geochim. Cosmoch. Acta, 1995, 59(2): 219-229.

[36] Kaiser K, Zech W. Competitive sorption of dissolved organic matter fractions to soils and related mineral phases[J]. Soil Sci. Soc. Amer. J., 1997, 61(1): 64-69.

[37] Edwards C A, Arancon N Q, Vasko-Bennett Metal. Suppression of green peach aphid (MyzusPersicae) (Sulz.), citrus mealybug (PlanococcusCitri) (Risso), and two spotted spider mite (TetranychusUrticae) (Koch.) attacks on tomatoes and cucumbers by aqueous extracts from vermicomposts[J]. Crop Prot., 2010, 29(1): 80-93.

[38] Ievinsh G. Vermicompost treatment differentially affects seed germination, seedling growth and physiological status of vegetable crop species[J]. Plant Growth Regul., 2011, 65 (1): 169-181.

[39] Atiyeh R M, Edwards C A, Subler Setal. Pig manure vermicompost as a component of a horticultural bedding plant medium: effects on physicochemical properties and plant growth[J]. Bioresour. Technol., 2001, 78 (1): 11-20.