基于隸屬函數法的油麥菜栽培基質綜合評價

王 飛，王 波，郁繼華，頡建明，馮 致，廖偉彪，呂 劍

(甘肅農業大學 園藝學院，蘭州 730070)

油麥菜(LactucasativaL.)屬菊科萵苣屬1a生或2a生草本植物，以嫩梢、嫩葉為產品的尖葉型葉用萵苣變種，油麥菜營養豐富、抗病性和適應性強、生長周期短，是無土栽培研究的模式植物之一[1-3]。無土栽培是現代化農業的主要模式，與傳統栽培相比，無土栽培不僅產量高、效益大、產品品質好，而且能夠預防蟲害，降低病害發生率，同時減少農藥、肥料、除草劑等的施用[4-5]。基質栽培作為無土栽培的重要形式，近年來，在中國西北地區的非耕地區域迅速發展，而傳統基質當中草炭為主要原料，但草炭屬于不可再生資源，過度開發會嚴重破壞生態環境，加之其價格和運輸成本高昂，導致基質價格長期居高不下[6]。

當前，中國作物秸稈、畜禽糞便等農業廢棄物的處理技術落后、利用途徑較為單一，秸稈還田量約為秸稈總量的30%～50%[7-8]。焚燒仍是中國農民處理秸稈的普遍方式，造成嚴重的環境污染和養分資源的低利用率，西北地區焚燒和廢棄的秸稈分別占秸稈資源的11.1%和5.3%[9]。近年來，農業廢棄物的多元化利用越來越受到重視，其中基質化利用已成為研究熱點[10]，該方式不僅有效解決了作物秸稈、禽畜糞便造成的環境污染問題，同時也為農業廢棄物的綜合利用開辟了新的途徑。大量研究證明，雞糞、牛糞、玉米秸稈、棉籽殼、糠醛渣、花生殼、椰糠等農業廢棄物經發酵后可以替代傳統的栽培基質，在辣椒、番茄、黃瓜等果菜類蔬菜栽培中取得了較好的效果[11-13]。但利用菇渣、棉花秸稈等廢棄物進行葉菜類蔬菜栽培的研究較少。因此，本研究以不同比例的腐熟菇渣、棉花秸稈、牛糞為原料，添加蛭石及珍珠巖，分析不同復配基質對油麥菜生長的影響，探討菇渣、棉花秸稈、牛糞等農業廢棄物作為栽培基質的可行性以及適宜的基質配比，旨在篩選出有效替代草炭并適合油麥菜生長的有機栽培基質。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年在甘肅農業大學塑料拱棚進行。試驗材料為特高產尖葉油麥菜(‘球研一號’，河北粒爾田種業有限公司)，該品種對播種和采收時間要求不嚴格、抗寒、抗病等特點，基質成分有草炭、蛭石、珍珠巖、牛糞(甘肅農業大學牛場提供)、平菇菇渣和棉花秸稈(酒泉肅州區非耕地產業園區提供)，均經高溫腐熟消毒處理。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理(表1)。栽培基質以草 炭∶蛭石∶珍珠巖=3∶1∶1(體積比)為對照，各處理蛭石和珍珠巖體積比相同，基質配比及處理編號見表1。播種前先測定單一基質和復配基質的養分含量及理化性狀。然后選取飽滿、健康、大小一致的油麥菜種子，浸種后進行播種。育苗容器采用50孔穴盤，每穴播1粒，每個處理設置3個重復(3盤)。在玻璃溫室中進行維護和管理，兩葉一心時，基質裝盆，為防止養分的流失，要用塑料袋套在盆子底部，選取長勢一致的幼苗，進行移栽定植，每盆定量澆水。在后期的管理中注意苗的補水、防曬及防病蟲害。油麥菜收獲時，取樣測定以下各項指標。

表1 不同處理的基質配比Table 1 Substrate ratio of different treatments

1.3 測定指標與方法

1.3.1 基質理化性質及酶活 每個處理的基質理化性狀在基質復配后測定。基質的體積質量和孔隙度的測定采用郭世榮[14]的方法；取體積為660 mL(V)的塑料燒杯，稱量(W1)，加滿風干的待測基質稱量(W2)，將裝有基質的塑料燒杯用兩層以上紗布封口，在水中浸泡24 h過夜，取出稱量(W3)，并將封口用的濕紗布稱量(W4)，然后用濕紗布包住塑料燒杯后倒置，直至燒杯中沒有水分滲出稱量(W5)。計算體積質量和孔隙度：體積質量=(W2-W1) /V；總孔隙度=(W3-W2) / V×100%；通氣孔隙=(W3+W4-W5)/V×100%；持水孔隙=總孔隙度-通氣孔隙。

將去離子水(體積)與風干基質(質量)以 5∶1比例相混合，2 h后取濾液，分別用DMP-2 型pH計和DDS-11型EC計測定pH和電導率[15]。

脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法[16]。基質中全氮用全自動凱氏定氮儀(山東青島康信環保設備有限公司，K1100)測定，堿解擴散法測定堿解氮，速效磷采用鉬藍比色法測定，全磷含量用鉬銻抗比色法測定，鉀(全鉀、速效鉀)含量的測定采用火焰光度計法[17]。

1.3.2 生長生理指標 用葉面積儀測定葉面積，采用破壞性試驗測定單株鮮質量，每次取樣后，隨機選取3株用清水沖洗干凈，用電子天平分別稱量其根、莖、葉鮮質量。稱取0.5 g洗凈吸干水分的根系，用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定根系活力[18]。

1.3.3 光合參數 用φ=95%乙醇提取法測定葉綠素a和葉綠素b質量分數[19]。用CIRAS-2型便攜式光合儀測定光合速率(Pn)。

1.4 數據統計分析

用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0進行試驗數據的統計、方差分析及相關性分析。

隸屬函數法[20]計算公式：

隸屬值=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，X為測定值，Xmax為最大值，Xmin為最小值。

反隸屬函數與單株鮮質量呈負相關。反隸屬函數值=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

將隸屬函數值進行累加，求取平均值，平均值越大，則該處理單株鮮質量越大，產量越高。

2 結果與分析

2.1 基質理化性質及基質酶活性

由表2可見，單一基質成分的養分含量和理化性質差異顯著。菇渣堿解氮、速效鉀、有機質、pH均為最大，表明菇渣養分含量較高，但pH較高，不適合植株生長，需與pH較低的基質復合使用；牛糞全氮、全磷、速效磷質量分數較高，但電導率顯著高于其他基質，易對植物產生鹽害。草炭全鉀、速效磷質量分數最低；珍珠巖全氮、全磷質量分數和電導率顯著低于其他基質；蛭石堿解氮、速效鉀、有機質質量分數顯著低于其他基質，因此草炭、珍珠巖、蛭石養分含量較低，不能為植株后期生長提供足夠營養。

除總孔隙度外，試驗前油麥菜各處理基質的理化性質存在一定差異(表3)。基質體積質量在0.19～0.27 g/cm3，CK最小，為0.19 g/cm3，說明CK基質的松緊程度較低，不適宜植株生長；總孔隙度在72.23%～76.35%，各處理無顯著差異；通氣孔隙由大到小依次為：T1>CK>T3>T4>T2>T5；持水孔隙為67.28%～74.00%，T2最大；T2、T5水氣比最低，為0.03，與T3、T4無顯著差異，說明T2、T5處理基質的水分和空氣容納量較少；各基質pH偏堿性，T5最大，為 9.24；電導率以T2最大，為3.49 mS/cm，T3次之，處理T2、T3易對植物造成鹽害。

由表4可以看出，各處理復配基質的養分含量差異顯著。CK全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀質量分數均為最低值，說明CK肥效不足，不利于植株營養吸收；T1有機質質量分數最低，為409.62 g/kg，與T3、T4、T5差異顯著；T3速效磷質量分數最高，為526.31 mg/kg，與其他各處理差異顯著；T4全氮、全鉀質量分數最高，分別為0.57 mg/kg、1.87 g/kg；T5全磷、堿解氮、速效鉀、有機質質量分數均為各處理最高值，能為植物提供充足養分，適合油麥菜生長(表4)。

脲酶活性代表基質的氮素情況，脲酶催化基質中尿素酰胺態氮水解為銨態氮[21]。由圖1可知，T5脲酶活性最高，為0.417 mg/(g·h)，與T3無顯著差異；CK脲酶活性最低，為0.22 mg/(g·h)，與T1和T2無顯著差異。各處理脲酶活性分別比CK高13.64%、18.18%、 86.36%、 50.00%、90.91%。表明T5基質的供氮能力要高于其他處理。

表2 單一基質成分的養分含量和理化性質Table 2 Nutrient contents and physicochemical properties of single substrate component

注：同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。下同。

Note:Different lowercase letters in the same column mean significantly different(P<0.05). The same below.

表3 各處理復配基質的理化性質Table 3 Physicochemical properties of the treated substrates

表4 各處理復配基質的養分含量Table 4 Nutrient content of mixed substrates in each treatment

圖1 不同配方對基質脲酶活性的影響Fig.1 Effects of different recipe on urease activity of substrate

由圖2可知，蔗糖酶活性由高到低順序依次為：CK>T1>T3>T2>T4>T5。CK處理的蔗糖酶含量高于T1～T5處理，可能與基質中養分含量有關。CK和T1～T3蔗糖酶活性分別是T5的2.74、2.43、2.06、2.38倍；T4蔗糖酶活性比T5高6.43%。CK與T1、T3蔗糖酶活性無顯著差異,與T2、T4、T5差異顯著。

圖2 不同配方對基質蔗糖酶活性的影響Fig.2 Effects of different recipe on sucrose activity of substrate

2.2 基質對油麥菜光合參數的影響

葉綠素是光合作用重要的色素，其含量高低能反應綠色植物葉片光合作用能力及植株健康狀態。由表5可知，T2葉綠素a質量分數、葉綠素b質量分數、葉綠素a+b質量分數、葉片光合速率最高，分別為1.74 mg/g、0.66 mg/g、2.39 mg/g、18.73 μmol/(m2·s)，比CK高85.11%、83.33%、83.85%、18.69%；T2的光合參數與CK、T3、T5差異顯著。說明T2較其他處理組光合作用強，有利于碳水化合物的積累。

2.3 基質對油麥菜生長及生理的影響

由方差分析可知，各處理單株鮮質量差異顯著(圖3)。T5單株鮮質量最高，為65.08 g，CK單株鮮質量最低，為25.10 g。單株鮮質量由高到低順序依次為：T5>T4>T1>T3>T2>CK；處理T1～T3單株鮮質量分別比CK高87.53%、48.80%、69.20%；處理T4和T5分別是CK的2.15倍、2.59倍；表明處理T5植株較其他處理營養豐富，長勢好，其基質適合油麥菜生長。

根系具有吸收和重要的合成與代謝功能，旺盛的根系活力對植物的生長、產量等至關重要。如圖4所示，T1根系活力最高，為0.54 mg/(g·h)，T5次之；CK根系活力最低，為0.08 mg/(g·h)。CK與T2根系活力無顯著差異，T4和T3、T5無顯著差異；處理T2根系活力比CK高87.50%；處理T1、T3、T4、T5根系活力分別是CK的6.75倍、3.02倍、3.34倍、4.48倍。表明T1和T5植株根系發育良好，營養吸收能力強。

T5葉面積與CK、T2、T3、T4葉面積差異顯著(圖5-A)。T5葉面積最大，為80.63 cm2；CK葉面積最小，為52.05 cm2，且葉片發黃(圖5-B)。葉面積由高到低順序依次為T5>T1>T4> T3>T2>CK，且葉面積分別比CK高54.91%、34.76%、18.41%、10.09%、 5.34%。表明T5葉片光合面積大，從而增強植株光合作用，促進植株營養積累。

表5 不同配方基質對油麥菜葉片光合參數的影響Table 5 Effects of different compound substrates on photosynthetic parameter in lettuce leaves

圖3 不同配方基質對油麥菜單株鮮質量的影響Fig.3 Effects of different compound substrates on fresh mass per plant in lettuce

圖4 不同配方基質對油麥菜根系活力的影響Fig.4 Effects of different compound substrates on root activity in lettuce

圖5 不同配方基質對油麥菜葉面積的影響Fig.5 Effects of different compound substrates on leaf area in lettuce leaves

2.4 各指標的相關性分析

為探索各指標間相互關系，進行相關性分析(表6)。脲酶與有機質、pH呈顯著正相關性，與總空隙度呈極顯著負相關性；蔗糖酶與pH、單株鮮質量呈顯著負相關；速效磷與速效鉀、電導率呈極顯著正相關性，與體積質量呈顯著正相關性；速效鉀與pH、體積質量、電導率顯著正相關；pH與單株鮮質量呈顯著正相關性；體積質量與電導率呈顯著正相關性。可見，pH、電導率、體積質量與各指標間關系較緊密，對其影響較大。

2.5 隸屬函數分析

利用隸屬函數法，對各處理油麥菜的生長情況進行多指標綜合評價，值越大，處理的植株生長越好(表7)。各處理的隸屬函數平均值均高于CK，說明各處理基質的油菜產量和品質的綜合指標均優于CK；T5隸屬函數平均值顯著高于其他處理，表明T5是用生物質代替草炭且適于油麥菜生長的最佳基質配方。

3 討 論

良好的基質不僅能夠為蔬菜作物創造適宜根際環境，保證養分、水分的持續供應，而且要易于操作和標準化管理[22-23]。然而將單一的有機基質作為蔬菜的栽培基質，往往存在孔隙度、持水性、電導率等問題，只有相互混合或添加一定量的無機基質，才能充分發揮不同基質原料的特性，有利于蔬菜生長。楊紅麗等[24]利用花生殼的通氣孔隙度較大，持水性較差，將花生殼、牛糞、蛭石按照一定的比例復配，基質的通氣孔隙度降低，持水孔性增強，適合番茄的育苗。于慶文等[25]利用菇渣電導率較大，復配一定比例的雙孢菇渣、羊糞、爐渣、細河沙，復合基質電導率降低，提高了辣椒產量。良好的通氣狀況能夠為微生物提供豐富的空氣來源, 加快基質中有機質的分解, 促進植物營養吸收，因此, 基質孔隙的大小是其肥力高低的一個重要指標。體積質量過大則基質緊實、通氣透水性差, 體積質量過小則基質疏松、根系不易固定。研究表明，植物理想栽培基質的體積質量為0.1～0.8 g/cm3，總孔隙度 60%～90%，透氣性良好，性質穩定[26-27]。本研究中，CK和不同處理的體積質量均在0.19～0.27 g/cm3，總孔隙度均在72.23%～76.35%(表 3)。電導率是基質理化性狀的一項重要指標，能夠反映基質可溶性鹽分含量的多少，各處理基質的電導率均在作物生長安全范圍內(1～4 mS/cm)[28]。基質的有效養分不僅在植物生長過程中可作為養分被植物吸收，還可以調節基質物理化學性質。蔬菜基質中堿解氮質量分數為50～500 mg/kg、速效鉀質量分數為50～600 mg/kg、速效磷質量分數10～100 mg/kg較適宜[29]。本試驗各復合基質中(除CK)速效養分含量均達到標準含量甚至超過上限(表4)。因此，各處理栽培基質理化性狀優良，適合油麥菜生長。

近年來，有關替代草炭的復合基質配方研究較多，然而將菇渣、棉花秸稈、牛糞等農業廢棄物復配作為栽培基質的研究較少。支中朝等[30]發現以菇渣∶蛭石∶珍珠巖 = 2∶1∶1培育的番茄幼苗效果最好，葉面積、單株干質量均顯著高于其他處理。本試驗中，處理T5全磷、堿解氮、速效鉀、有機質均為各處理最高值(表4)，表明其理化性質優良，能為油麥菜提供充足養分。脲酶活性在基質氮元素的循環與轉化過程中至關重要。本試驗測得T5脲酶活性最高(圖1)，表明其基質的供氮能力要高于其他處理。基質蔗糖酶可水解蔗糖為葡萄糖，促進植株自身生長。CK處理的蔗糖酶含量高于T1～T5處理(圖2)，可能與基質中氮、磷、微生物含量有關[31]，王巍巍等[32]發現不同種稻年限土壤蔗糖酶與速效鉀負相關的結果與本文一致。根系是重要的固定植株、吸收養分和水分的器官，根的生長情況和活力狀況直接影響植物營養的吸收、產量、品質[33]。本試驗中T1和T5的根系活力(圖4)相對較大，表明其油麥菜吸收營養能力強，生長良好。葉面積大有利于增強植株的光合作用、蒸騰作用、呼吸作用。本試驗測得處理T5油麥菜單株鮮質量和葉面積均最大(圖3和圖5)，其處理植株光合作用強，長勢好。然而處理T5的葉綠素質量分數和凈光合速率并不是最高，可能與T5植株葉片面積大，植株間距離較近，葉片間互相遮擋有關。

目前，利用雞糞、牛糞、玉米秸稈、棉籽殼、糠醛渣、花生殼、椰糠等農業廢棄物經發酵后替代傳統的栽培基質的技術已經成熟，但利用菇渣、棉花秸稈等廢棄物進行葉菜類蔬菜栽培的研究較少，本研究以不同比例的腐熟菇渣、棉花秸稈、牛糞為原料成功篩選出有效替代草炭并適合油麥菜生長的有機栽培基質，為有效解決作物秸稈、禽畜糞便造成的環境污染問題，提高農業廢棄物的綜合利用提供了技術參考。

4 結 論

通過對不同復合基質理化性質及其對油麥菜生長的影響的分析，研究油麥菜在不同復合基質中的適應性，得到處理T5(腐熟菇渣∶珍珠巖∶蛭石為6∶2∶2)(體積比)基質理化性質適宜，其全磷、堿解氮、速效鉀、有機質、脲酶活性、葉面積、單株鮮質量均最大，且隸屬函數綜合排名最高，說明T5的透氣性和保水保肥效果好，養分充足，適合作油麥菜栽培基質。