以奶白菜為例評估有機基質再生利用的可行性及障礙因子消解策略

周金燕 嚴少華 羅佳 劉新紅 張苗 郭德杰 馬艷

摘要：有機基質的高成本生產限制了其規模化栽培的發展，探索有機基質重復利用的可行性及可能的障礙因子消解辦法有利于節約生產成本。通過在有機基質上連續種植5茬奶白菜，檢測奶白菜產量及品質、基質養分含量和理化性質等指標，評估有機基質重茬種植的效果及影響因子。結果表明，新基質連續種植2茬對奶白菜的產量無顯著影響，在第3茬出現明顯的生長抑制現象，產量降低25%，這種抑制可以在第3茬基質中補充與新基質等量速效養分來消除。將第3茬無添加養分的基質作為重茬基質，添加與新基質等量的養分后繼續種植2茬，直到第5茬奶白菜的產量與新基質中生長的并無顯著差異。連續5茬種植中，奶白菜的品質指標硝酸鹽、可溶性糖含量均在合格范圍內。基質物理指標（容重、總孔隙度、田間持水量）均符合基質栽培生產要求，化學指標pH值為6.91～7.87，可溶性鹽濃度（EC值）為1.89～4.16mS/cm時，奶白菜均能正常生長。說明連續種植5茬奶白菜，養分是限制有機基質再生利用的影響因子，補齊養分可以有效降低規模化有機基質栽培下奶白菜生產成本。

關鍵詞：奶白菜，有機基質，再生利用，可行性，消解策略

中圖分類號：S634.304文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2020）22-0301-06

作者簡介：周金燕（1987—），女，河南沈丘人，博士，助理研究員，主要從事植物營養與廢棄物資源化利用研究。E-mail：23240962@163.com。

通信作者：馬艷，博士，研究員，主要從事植物營養與廢棄物資源化利用研究。E-mail：myjaas@sina.com。

無土栽培是世界設施農業中廣泛采用的先進技術，與傳統的土壤栽培相比，具有充分利用農業生產物質、提高農業生產潛力、肥料利用率高、節水節肥省工、避免土壤鹽漬化以及生產可控性等諸多優點，在無公害綠色蔬菜生產中得到迅速發展[1-3]。有機基質栽培是無土栽培中應用最為廣泛的一種栽培方式，其基質主要由農業廢棄物如農作物秸稈、菇渣、草炭、鋸末、畜禽糞便等經發酵或高溫處理后，按一定比例混合輔助以珍珠巖、蛭石等惰性礦物單獨或混合制備而成[4-5]。因此，有機基質栽培不僅具備無土栽培的優點，還具有將農業廢棄物“變廢為寶”的優勢，是一種有利于經濟發展和環境保護的栽培方式[6-7]。然而，有機基質的高成本是限制有機基質栽培規模化發展的重要因素[8-9]。探索有機基質重復利用的可行性及可能的障礙因子消解辦法成為了生產實際的一種客觀需要。

已有研究表明，田間土壤種植模式下，在同一塊土地上連續種植同一種或同一科作物，會出現連作障礙（植株生長矮小、病蟲害加劇、產量和品質下降）[10-11]。研究者們將原因主要歸結為以下4個方面：（1）養分流失[12];（2）土壤物理、化學性狀惡化[13];（3）微生物種群特征改變，病蟲害加劇[14];（4）根系殘留及有害分泌物積累（如酚酸類物質）[15-16]。目前，國內外學者對于土壤連作障礙的研究較多，然而關于有機基質栽培中基質連作障礙的研究相對較少。鑒于與土壤質地、緩沖性等各方面的巨大差異，筆者推測有機基質的重復利用（客觀上導致的重茬）可能與田間土壤種植模式下的表現存在一定差異。

奶白菜屬于普通小白菜中株型中矮肥、葉柄寬厚的一個種類，因具有明目、健脾、和胃、潤腸等功效，成為一種被人們廣泛食用的葉菜類蔬菜，具有良好的市場前景。本試驗以奶白菜為試驗材料，通過在有機基質上連續種植5茬，檢測奶白菜產量及品質、基質中養分含量和理化性質等指標，評估有機基質重復利用的可行性，并探索可能的障礙因子消解策略，以期為有機基質栽培下奶白菜的規模化經濟生產提供理論和實踐依據。

1材料與方法

1.1供試材料

供試有機基質（江蘇省農業科學院六合動物科學基地堆肥廠提供）由發酵床熟化墊料、蛭石、泥炭和灰渣，按2∶3∶3∶2的體積比混合制成，它的基本理化性質指標如下：容重0.38g/cm3、總孔隙度79.1%、pH值6.91、可溶性鹽濃度（EC值）4.16mS/cm、全氮含量9.23g/kg、全磷含量6.96g/kg、全鉀含量為18.81g/kg、速效氮含量2.12g/kg、有效磷含量0.49g/kg、速效鉀含量5.91g/kg。供試奶白菜品種為火箭小黃白（昆明九華農業發展有限公司生產）。

1.2試驗設計

試驗于2018年9月至2019年5月在江蘇省農業科學院試驗基地溫室大棚內進行。基質槽長80cm，寬15cm，高10cm，種植時以7L體積計算。待培育的奶白菜秧苗長至三葉一心時，選擇長勢基本一致的幼苗定植于裝好基質的基質槽中，每槽8株，每茬至少種植9槽。

以未種植過的基質為新基質種植第1茬奶白菜。每茬收獲后在其生長基質（去掉其中根系后混勻）上繼續種植，直至5茬。每茬試驗均以新基質為對照。考慮到重茬種植可能產生養分耗竭的情況，在第3茬重茬基質中分別進行補齊養分（添加與新基質等量的速效養分）、與不添加養分的處理，發現養分不足限制了奶白菜生長。于是，第4茬以第3茬無添加養分的重茬基質為栽培基質繼續補齊養分，考察其他的基質重復利用限制因子。所用化肥N、P、K分別以化學試劑硝酸鈣、磷酸二氫鉀和硫酸鉀的形式添加。

奶白菜定植30d后，測定每槽中奶白菜的產量，每個處理取6棵苗測定植株葉片數、葉面積及葉綠素相對含量（SPDA值），并將植株分為根系和地上部2個部分，用去離子水清洗干凈，于105℃烘箱中殺青30min，然后在70℃下烘干至恒質量，用于可溶性糖含量的測定。另取4棵苗，洗凈后，用液氮冷凍，置于-20℃下保存，用于硝酸鹽含量的測定。奶白菜收獲后將基質混勻取樣，每3個基質槽作為1個重復，共3個重復，用于基質基礎理化性質的測定。

1.3測定項目與方法

1.3.1基質理化性質測定

基質容重、總孔隙度以及田間持水量的測定參考連兆煌的《無土栽培原理與技術》中的方法[17]。基質養分含量依照常規方法測定，用濃H2SO4-H2O2消煮后分別測定全氮、全磷、全鉀含量，水浸提后分別測定速效氮、速效磷、速效鉀含量[18]。有機質含量采用濕燒法測定。pH值和可溶性鹽濃度（EC值）的測定方法：將風干基質與去離子水以質量比1∶5混合，在180r/min下振蕩30min，靜置30min后，分別用pH計和電導儀測定基質pH值和可溶性鹽濃度。

1.3.2植株葉綠素含量以及品質測定

葉綠素含量采用SPAD-502型葉綠素儀進行測定，以SPAD值表示，采集時每個處理選定6棵植株，每株取最大展開葉片的不同部位測6次取平均值。植株品質指標硝酸鹽含量采用水楊酸-硫酸法測定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定。

1.4數據分析

為了去除環境因子對奶白菜產量及品質的影響，以新基質種植第1茬奶白菜為基準，各重茬基質奶白菜產量、生長發育指標以及硝酸鹽含量和可溶性糖含量采取相對值，具體計算方法如下：

第n茬重茬基質奶白菜各指標相對數值=第n茬重茬基質上種植奶白菜的各指標實際數值×（第1茬新基質上種植奶白菜的各指標數值/第n茬新基質上種植奶白菜的各指標實際數值）。

試驗數據用Excel2010和SPSS16.0整理和統計分析，采用Duncans法進行多重比較（P<0.05）。

2結果與分析

2.1有機基質連茬種植對奶白菜生長及產量的影響

由圖1可知，將新基質上種植后的基質、奶白菜分別命名為（第）1茬基質、（第）1茬奶白菜。將第1茬基質種植后的基質、奶白菜產量分別命名為（第）2茬基質、（第）2茬產量。依次類推，直到5茬。與新基質相比，基質種植第2茬的奶白菜生長效果并無顯著性差異。表明有機基質連續種植2茬對奶白菜生長并無影響（圖1-A、圖1-E）。而在種植2茬奶白菜后的基質直接種植第3茬時，奶白菜生長與新基質相比顯著矮小，產量降低了25%;但在第3茬基質中添加與新基質等量養分后，奶白菜生長恢復到與對照新基質中相當的水平（圖1-B;圖1-E）。在第4茬基質中添加與新基質等量的速效養分后，奶白菜的生長與新基質中并沒有顯著性差異（圖1-C;圖1-E）。此外，利用第4茬的基質繼續種植奶白菜，即使不補充養分，生長的奶白菜與新基質對照相比也無顯著性差異（圖1-D;圖1-E）。新基質連續種植的2茬奶白菜的產量并無顯著差異，種植第3茬時產量顯著降低，添加與新基質等量養分后恢復正常生長。向第4茬基質中添加與新基質等量養分可以維持4、5茬的奶白菜產量與第1茬相比無顯著差異（圖1-E）。上述結果說明，奶白菜連續種植3茬時出現生長障礙，生長障礙的主要限制因子是養分不足;新基質或者補齊養分的舊基質可以連續種植2茬奶白菜，不影響產量。

2.2有機基質連茬種植對奶白菜生長發育的影響

圖2表明，新基質連續種植2茬時，奶白菜葉片數、葉面積、SPAD值與第1茬（對照）相比并無顯著變化;種植第3茬時，奶白菜葉片數無顯著變化，葉面積、SPAD值分別下降了40%、19%，添加養分之后，與第1茬相比均無顯著性差異。說明連續種植3茬，養分是限制基質重復利用的主要因子。將第3茬無添加養分的基質作為重茬基質，添加與新基質等量養分后，繼續種植的第4茬和第5茬奶白菜葉片數、葉面積和SPAD值與第1茬相比均無顯著性差異。說明補充一次養分可供2茬奶白菜正常生長。

2.3有機基質連茬種植對奶白菜硝酸鹽和可溶性糖含量的影響

硝酸鹽和可溶性糖含量是表征葉菜品質的重要指標。由圖3-A可知，新基質連續種植3茬（無添加養分），隨著種植茬數的增加，植株體內硝酸鹽含量逐漸降低。將第3茬無添加養分的基質作為重茬基質，添加與新基質等量的養分后繼續種植2茬，硝酸鹽含量依舊呈降低趨勢。與第1茬相比，第2茬和第3茬硝酸鹽含量分別下降25%和90%。補齊養分后繼續種植（第3茬+化肥、第4茬+化肥），硝酸鹽含量較不補充養分的第3茬劇烈增加，增加幅度分別為9.8倍和9.6倍，但與第1茬相比均無顯著性差異。第5茬（不補養分）較第4茬硝酸鹽含量降低約36%，但與第2茬相比無顯著性差異。

從圖3-B可以看出，新基質連續種植3茬（無添加養分），隨著種植茬數的增加，植株體內可溶性糖含量先降低后增加，將第3茬無添加養分的基質作為重茬基質，添加與新基質等量的養分后繼續種植2茬，可溶性糖含量呈降低趨勢。與第1茬相比，第2茬降低了53%，第3茬升高了約44%。補齊養分后繼續種植（第3茬+化肥、第4茬+化肥），可溶性糖含量與第1茬相比均無顯著差異。第5茬（不補養分）較第4茬可溶性糖含量降低約39%，但與第2茬相比無顯著差異。

2.4有機基質連茬種植奶白菜對基質理化性狀的影響

2.4.1有機基質連茬種植奶白菜對基質養分含量的影響

如表1所示，新基質種植奶白菜后，隨著種植茬數的增加，有機質含量顯著下降，且下降幅度呈降低趨勢。前3茬中，隨著種植茬數的增加，基質的所有養分含量均逐漸降低。在第3茬補加化肥后，雖然基質的速效養分含量與不加化肥處理相比均明顯升高，但仍明顯低于種植1茬后基質的速效養分含量，可能是由于第3茬奶白菜的實際產量高于第1茬（文中未顯示），并且由于種植環境因素，本試驗每茬新基質栽培下的奶白菜產量均與第1茬新基質栽培下的奶白菜產量不同，因此本試驗每茬重茬基質栽培下的植株數據均為相對值，第n茬重茬基質奶白菜各指標相對數值=第n茬重茬基質上種植奶白菜的各指標實際數值×（第1茬新基質上種植奶白菜的各指標數值/第n茬新基質上種植奶白菜的各指標實際數值）。添加的速效養分在微生物等的作用下導致利用效果有所差異。第4茬補加化肥后，與第3茬無補加養分處理相比，全磷含量、速效磷、鉀含量及NH4+-N、NO3--N含量均顯著升高，且隨著茬數的增加逐漸減少。說明養分不足是限制基質再生利用的主要障礙因子。

2.4.2有機基質連茬種植奶白菜對基質容重、孔隙度及田間持水量的影響由表2可知，連續種植2茬奶白菜對有機基質的物理性質影響較大，容重由0.38g/cm3增大到0.47g/cm3，增加了24%;孔隙度由79.1%降低到72.5%;田間持水量由67.5%降低到61.9%。然而補齊養分后繼續種植奶白菜至5茬，基質容重、孔隙度、田間持水量與3茬、4茬相比無顯著變化，由于連續種植5茬時，奶白菜產量與新基質上種植的奶白菜產量并無顯著差異，說明本試驗中基質的物理性質（容重、總孔隙度、田間持水量）變化并非影響基質再生利用的主要限制因子，同時也說明奶白菜可適應這種幅度的物理性質變化。

2.4.3有機基質連茬種植奶白菜對基質pH值和電導率的影響

如圖4所示，前3茬中（無添加養分處理），隨著種植茬數的增加，基質pH值持續增加，EC值持續降低，直至第3茬達到平臺期;與新基質相比，第3茬基質pH值由6.91增加到7.91，增加了約1個單位，EC值由4.16mS/cm降低到1.64mS/cm，降低了約61%。補齊養分后繼續種植（第3茬+化肥、第4茬+化肥），與沒有補充養分的第3茬相比，基質pH值顯著下降，EC值顯著升高。這些結果表明，養分是造成基質pH值和EC值改變的主要原因。另外，與第4茬相比，第5茬（不補養分）的pH值增加了約0.8個單位，達到8.22，而EC值降低到2.07，降低了約34%。由于連續種植5茬，補充養分后奶白菜產量并未降低，說明基質pH值為6.91～8.22，EC值為1.89～4.16mS/cm時均適合奶白菜生長栽培。

3討論與結論

目前，關于有機基質進行葉菜栽培時基質重復利用方面的報道相對較少。本研究以發酵床墊料為基礎原料配制有機基質，以葉菜類蔬菜——奶白菜為例評估有機基質重復利用的可行性，分析可能產生的限制因子的消解策略。

3.1僅補齊養分即可保障奶白菜在重復利用基質上正常生長5茬

本試驗結果表明，以發酵床墊料為主要原料配制的有機基質，連續種植2茬不會影響奶白菜的產量及生長發育指標，說明基質中含有的養分足以供2茬奶白菜正常生長。種植第3茬時，奶白菜出現生長矮小狀況，補加化肥后恢復正常生長，說明限制有機基質重復利用第3茬的主要因子是養分。第4茬補加養分后連續種植2茬奶白菜的產量及生長發育指標，與新基質相比均無顯著差異，說明以發酵床墊料為基礎原料配制的有機基質連續種植5茬，在補足養分的條件下，即可以滿足奶白菜的正常生長。隨著人們生活水平的提高，蔬菜的品質越來越受到重視。研究表明，氮肥用量與蔬菜體內的硝酸鹽含量呈正相關關系[19]，在本試驗中，奶白菜體內的硝酸鹽含量與基質中NO-3-N含量呈明顯的正相關關系（表1、圖3）。前3茬中，隨著基質NO-3-N含量的降低，奶白菜體內硝酸鹽含量逐漸降低，補加化肥后，基質NO-3-N含量升高，硝酸鹽含量升高。此外，根據GB18406.1—2001《農產品安全質量無公害蔬菜安全要求》的規定，葉菜類硝酸鹽含量不得高于3000mg/kg，而本試驗中硝酸鹽含量為88～960mg/kg，均在合適的范圍內。說明一次性補充養分不會影響奶白菜硝酸鹽品質。可溶性糖含量是農產品品質性狀的重要指標之一，它是果蔬味覺感受的有效調節劑，直接影響蔬菜的甜度口感[20]。本試驗表明，前3茬中，隨著種植茬數的增加，可溶性糖含量先降低后增加，第3茬增加可能是由于收獲時間在3月份，氣溫較低，低水平氮促進了奶白菜提前長薹，而長薹促進了可溶性糖含量的增加[21-22]。第3茬和第4茬添加養分后，可溶性糖含量和第1茬相比無顯著差異，說明補齊養分不會影響可溶性糖含量，與第4茬相比，第5茬可溶性糖含量呈降低趨勢，在舊基質中補齊養分即可將這一指標恢復到與新基質中相當的水平。由此，僅補齊養分即可保障奶白菜在重復利用基質上至少正常生長（產量和品質）5茬。

本試驗中發現的基質可重復利用（補齊養分即可維持連續5茬奶白菜的正常生長）可以有效降低有機基質葉菜類蔬菜規模化種植的成本，便于這種種植模式的推廣。與田間土壤種植模式下造成的連作障礙相比[10-11，23]，本試驗中僅補齊養分即可維持有機基質上奶白菜種植連續5茬生長良好，這一方面可能是因為有機基質種植的茬數相對較少，連作的障礙因子如化感物質累積還沒有達到致毒閾值，另一方面可能與有機基質和土壤的差異以及葉菜類別有關。有研究表明，番茄在有機基質上種植2茬后即出現連作障礙[9]，但有待于進一步研究。另外，本試驗結果還說明，補充一次養分可以支撐2茬奶白菜的正常生長，這與筆者所在課題組利用辣椒進行的有機基質重復利用研究結果相類似[24]，體現了這種有機基質配比的便利性。

3.2奶白菜在保障產量和品質的前提下可以忍耐有機基質理化性質在一定范圍內的變化

在無土栽培條件下，基質理化性質的優劣是決定基質栽培成功與否的關鍵[25]。基質理化性質只有達到一定的要求，才能為植物生長提供適宜的水肥氣熱根際環境。研究表明，基質的容重為0.1～0.8g/cm3，總孔隙度為54%～96%，pH值在7.0左右，EC值在2.0～4.0mS/cm范圍內時較宜適合作物生長[26]。本研究結果表明，連續種植5茬奶白菜的基質，容重為0.38～0.48g/cm3，總孔隙度為71.8%～79.1%，均在適宜范圍內，當pH值為6.91～7.87，EC值為1.89～4.16mS/cm時奶白菜均能正常生長，說明在一定范圍內，基質pH值偏高，電導率過高對奶白菜的生長沒有影響。

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