2019, Vol. 51
水稻在我国种植范围广泛[1]，稻谷总产量约占粮食总产量的40%[2-3]。我国水稻栽培的主要方式是育秧移栽，其主要优点有作业集中、节省用种、增加复种指数[4]等。随着水稻种植面积的增加，对育秧土的需求也随之增加，由于技术、资金等的影响，人们通过挖取肥力高、生产性能好的本田土壤作为生产育秧的基质，造成耕作层土壤的大量流失，不利于水稻生产的可持续发展[5]。基于此，研究成本低、高效环保的无土育秧基质成为农业生产可持续发展的必需。
我国是农业大国，农业有机废弃物资源丰富，其不合理处置如焚烧、闲置，不仅造成资源浪费，而且还带来了严重的环境污染[6]。农业废弃物经过堆肥腐熟后，养分含量高，保水保肥性能好，可作为育秧基质[7-8]。现今使用的水稻育秧基质主要包括以下两种：一种是以本田土、肥料及生长调节剂等混合而成的基质，另一种是以其他资源经过不同的处理如堆肥发酵加工而成的基质。传统基质的营养成分单一，配制过程繁琐；新型基质的可取之处有容重轻、原材料廉价易得、养分配比适宜、理化性质适宜等[9]。但目前对水稻育秧基质的开发利用还存有一些问题。如使用某些质地较轻的材料经过一系列处理加工后保水性得到了提高，但渗水性却仍较差；用草木灰育秧，育出的秧苗偏弱；用蛭石、珍珠岩等矿物质作为水稻育秧基质，普遍存在盘根性差，取秧苗时易断裂，上插秧机时易散架等问题。
我国酒糟产量大、生产时间集中，且富含多种营养元素[10]。在前人的研究中，农业废弃物酒糟被广泛地用于生产饲料、有机肥、培养食用菌等[11-12]，但其对酒糟的利用率低，且未经加工的酒糟酸度较高、适口性差，故不能直接用于饲料[13]。现已有相关研究将酒糟作为基质材料的一部分用于育秧试验中[14]，如浩折霞等人[15]将酒糟与牛粪配合进行不同配比的育秧基质研究，探究适宜西瓜、番茄等果蔬生长的育秧基质配比；康惊涛等人[16]将粉煤灰、酒糟、污泥等进行混合配比，制成不同配比的育秧基质进行育秧，结果表明其可以满足棉花、苜蓿等的生长。
本试验利用农业废弃物酒糟为主要原料，配合小麦秸秆、菇渣进行单独及混合堆肥试验，探究堆肥发酵过程中堆体各指标的变化规律并得到腐熟的堆肥。堆肥腐熟完成后，配合蛭石、珍珠岩等材料制成不同配比水稻育秧基质，进行育秧试验，从而筛选出适合水稻育秧的最适基质配比，旨在为我国农业废弃物的高效利用、环境友好型育秧基质的研制进行初步探索。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验的主要材料有鲜酒糟(取自河南新乡龙泉酒业)、小麦秸秆(取自河南省农科院实验田，已经过堆肥处理)、菇渣(取自河南荥阳蘑菇种植基地，已经过堆肥处理)、粉碎蛭石、珍珠岩、某品牌市售水稻育秧基质、水稻(由广西恒茂农业科技有限公司提供的两优1号)。主要原料的部分理化性质见表 1。
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表 1 试验材料及其主要理化性质 Table 1 Main physiochemical properties of tested materials |
1) 有机堆肥试验。试验设置酒糟、酒糟+秸秆、酒糟+菇渣3个处理，秸秆、菇渣为调理剂，分别添加于酒糟中混合堆肥，且根据堆料含水率及C/N的要求添加调理剂[17]。充分混匀后酒糟、酒糟+秸秆、酒糟+菇渣处理的含水率分别为66%、67.3%、66.2%，C/N分别为14.11、28.06、25.37。将各处理物料混匀后堆成圆垛式结构，采用人工堆积自然通风的方式堆肥。每3天人工翻堆1次，翻拌均匀后采用四分法取样，取出约500 g装入无菌袋带回实验室。堆置期间每天下午3:00测定堆体温度(翻堆前)，同时记录环境温度。待堆体腐熟后进行第二阶段的试验。
2) 水稻基质育秧试验。试验设计如表 2所示。试验过程中，稻种在室内晾晒2 ~ 3 d后以20%盐水选种，去除秕子及杂物，清水洗去种子表面的盐分。水浸催芽，定期换水。待种子吸水膨胀出芽2 mm时，摊晾，播种。其中各个配方均以1.5%的硫酸水溶液调节至pH 5.0左右[18]。每个处理重复3次，按常规生产方式装盘育秧。各处理随机摆放，保持生长环境一致，生长至第22天采样。
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表 2 不同基质配比处理 Table 2 Formulae of different substrates |
堆肥试验阶段：测定指标包括温度、pH、电导率(EC)、全氮、全磷、全钾、有机质、含水率、发芽指数(GI)；水稻基质育秧试验阶段：基质测定指标包括pH、EC、容重、全氮、全磷、全钾；植株测定指标包括株高、茎粗、地上部干重、根干重、氮、磷、钾、根系活力。
测定方法参照《土壤农化分析》[19]和《无土栽培基质理化性状测定方法及其应用研究》[20]。
1.4 数据处理采用SPSS 20.0、Excel 2010和OriginPro 8.5进行方差分析和制图。各处理间差异采用LSD法进行多重比较，各指标间相关性采用Pearson法进行相关性分析。
2 结果与分析 2.1 有机堆肥试验结果 2.1.1 不同堆肥处理的温度、pH、EC、含水率随发酵时间的变化由图 1可知，在整个堆肥过程中，各处理堆体的温度变化趋势基本一致，呈先升高后下降，最终趋于平稳的趋势。从堆肥第2天开始3个处理即开始升温，其中酒糟+菇渣处理升温最快在第3天即达到50 ℃，在第8天达到最高值(70 ℃)；酒糟处理在堆肥后第4天温度达到54 ℃，在第9天达到最高值(67 ℃)；酒糟+秸秆处理在第6天达到50 ℃，在第11天达到最高值(70 ℃)。
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图 1 不同堆肥处理在腐熟过程中温度、pH、EC、含水率随发酵时间的变化 Fig. 1 Changes of temperatures, pHs, ECs, and water contents of different composting treatments with fermentation time |
酒糟、酒糟+秸秆、酒糟+菇渣3个处理的pH整体上均呈增加的趋势，堆肥结束时的pH比初始时分别提高了79.2%、16.6%、12.5%。其中，酒糟处理在整个发酵过程中pH一直上升，且在堆肥结束时的增加幅度最大；而酒糟+秸秆、酒糟+菇渣两个处理在堆肥初始阶段即第0 ~ 6天时，pH略有下降。在堆肥后期，3个处理的pH均维持在6.6 ~ 6.7。堆肥结束时，3个处理的EC值在4.4 ~ 5.6 mS/cm，均有所升高。
在整个堆肥过程中，3个处理的水分含量均呈逐渐下降的趋势，其中水分的损失主要发生在第0 ~ 18天，而后期的水分损失较少。酒糟、酒糟+秸秆、酒糟+菇渣3个处理的最初含水率分别为66.0%、67.3%、66.2%，堆肥结束时，含水量维持在37.4% ~ 43.5%。在整个堆肥过程中，3个处理的水分散失量分别为37.4%(酒糟处理)、43.5%(酒糟+秸秆处理)和40.2%(酒糟+菇渣处理)。
2.1.2 不同堆肥处理的各养分含量及GI随发酵时间的变化由图 2可知，3个处理在堆肥过程中全氮含量的变化总体呈先升高后降低再升高最后趋于平稳的趋势；全磷含量的变化总体呈先升高后降低再升高最后趋于平稳的趋势；全钾含量在第0 ~ 18天缓慢增加，在第18 ~ 24天时剧增，之后趋于平缓。至堆肥结束，酒糟处理全氮含量为32.2 g/kg，与初期相比下降2.6%；酒糟+秸秆处理全氮含量为34.5 g/kg，提升35.0%；酒糟+菇渣处理全氮含量为35.5 g/kg，提升15.0%。酒糟、酒糟+秸秆、酒糟+菇渣处理的全磷含量分别比堆肥初期升高130.6%、112.0%、73.6%，全钾含量分别比堆肥初期升高475.8%、296.8%、486.3%。
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图 2 不同堆肥处理在腐熟过程中堆体的各养分含量及GI随发酵时间的变化 Fig. 2 Changes of nutrient contents and GIs of different composting treatments with fermentation time |
各处理堆肥的有机质含量基本呈直线下降趋势，至堆肥结束时，酒糟、酒糟+秸秆、酒糟+菇渣处理的有机质含量较初期分别下降41.7%、41.0%、24.2%，酒糟+菇渣处理的降幅最小。各处理的C/N值均随堆置时间的延续呈下降趋势。本试验堆肥结束时，酒糟、酒糟+秸秆、酒糟+菇渣处理的GI分别为86.3%、97.7%、93.2%。
2.2 水稻育秧基质试验结果 2.2.1 不同配比水稻基质理化性状由表 3可知，T1、T2、T3三个处理的EC值均在4 mS/cm以上、容重均在0.6 g/cm3以上，T4、T5、T6、T7、T8五个处理的EC值均在2.6 mS/cm以下、容重在0.338 ~ 0.459 g/cm3，显著低于T1、T2、T3处理。T6处理的容重为0.459 g/cm3，与其他处理的差异显著。T6处理全氮、磷、钾含量显著高于其他7个处理，分别比T8处理增加25.6%、11.9%、24.7%；T2、T4和T6都是添加秸秆的处理，与相应添加菇渣的处理T3、T5和T7相比，全钾含量显著上升。
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表 3 不同配比水稻基质理化性状 Table 3 Physicochemical properties of different rice seedling substrates |
由表 4可知，T6处理在水稻幼苗的株高、氮含量、磷含量、钾含量、根系活力等方面显著优于其他处理。以水稻幼苗株高来看，T6处理最高，比T8处理增加13.94%；T6处理氮、磷、钾含量分别高出T8处理12.68%、24.62%、5.77%；与基质中磷含量相比，水稻幼苗中磷含量较低，主要是因为磷在基质中易被固定，导致磷的利用效率不高。
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表 4 不同配比基质水稻幼苗农艺性状及养分含量 Table 4 Agronomic characters and nutrient contents of rice seedlings treated with different substrates |
T6处理在水稻茎粗、地上部干重、根干重方面虽然未显著优于T8处理，但仍然是最优处理，分别比T8处理高出2.17%、10.61%、7.16%。
2.2.3 基质特性与水稻生长指标的关系由表 5可知，基质EC与基质容重呈极显著正相关，与基质全磷、全钾含量呈极显著负相关，与基质全氮含量呈显著负相关；基质容重与基质全磷含量呈极显著负相关；基质全氮、磷、钾含量之间均呈显著或极显著正相关。由此说明，基质EC在一定程度上反映了基质的养分供应能力。
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表 5 水稻幼苗生长指标与基质理化性质的相关性 Table 5 Pearson coefficients between growth indexes of rice seedling and physiochemical properties of substrates |
植株的株高与基质全氮含量、全钾含量、植株地上部干重、根干重、根系活力均呈极显著正相关，与基质全磷含量、植株茎粗均呈显著正相关；植株茎粗、地上部干重、根干重、磷含量、根系活力均与基质EC、容重、全氮含量、全磷含量、全钾含量呈显著或极显著相关；植株的茎粗与植株磷含量呈显著正相关、与根系活力呈极显著正相关；植株地上部干重、根干重均与植株磷含量、根系活力呈极显著正相关。由此可说明植株生长的好坏与基质的理化性质和养分含量密切相关，同时植株的部分农艺性状之间也密切相关。
3 讨论堆肥在高温发酵时可杀死大多数病原菌和寄生虫，且农业废弃物经过堆肥腐熟后，性状适宜，养分释放充分，可作为有机肥料、土壤调节剂或优良的基质[21-22]，因此被认为是一种农业废弃物资源化、无害化、减量化的有效手段。
本试验以农业废弃物酒糟为主要原料，并配合小麦秸秆、菇渣进行堆肥发酵，监测其腐熟过程中堆体温度、养分含量、理化性质等指标的变化。堆肥过程中堆体温度的变化反映了堆体内微生物活动的变化，是堆肥进程的宏观反映[23]。根据我国堆肥卫生标准[24]，堆体温度高于50 ℃，并且保持5 ~ 7 d以上，可使堆肥达到无害化。本试验在堆肥结束时，3个处理的温度在50 ℃以上的持续时间均超过7 d，说明所有处理均已达到堆肥无害化标准。堆肥过程中堆体pH、EC、氮、磷、钾、有机质、C/N、含水率等各指标在30 d之后均趋于平稳，在堆肥结束时，氮、磷、钾含量均有所升高，3个处理的pH均维持在6.6 ~ 6.7，EC值在4.4 ~ 5.6 mS/cm，达到了有机肥腐熟时的要求(pH 5.5 ~ 8.0、EC 9 mS/cm) [25]。本试验各处理的C/N值均随堆置时间的延续呈下降趋势。卢秉林等[26]以T=(终点C/N)/(初始C/N)评价腐熟度，并认为T值应介于0.53 ~ 0.72或0.49 ~ 0.59。本试验在堆肥结束时，酒糟、酒糟+秸秆、酒糟+菇渣处理的T值分别为0.73、0.59、0.69，符合堆肥腐熟要求。本试验GI分别为86.3%、97.7%、93.2%，刘双[27]的研究表明，当GI达到80% ~ 85%时，即可以认为堆肥没有植物毒性或堆肥已腐熟。综合分析以上各指标，其均在堆肥第30 ~ 36天时趋于平稳，结合堆肥无害化处理相关标准，可证明本堆肥试验在第36天结束时已完成堆肥腐熟，可用于下一步试验。
植物生长需要良好的水、肥、气、热等条件，在温度和水分条件相同的情况下，影响植物生长的是基质的理化性质及养分含量等[28-29]。浩折霞等[15]研究表明，当物料EC值小于2.6 mS/cm时，对种子发芽没有抑制作用，可作为育秧基质。容重是基质的基本物理性质，直接影响基质蓄水和通气性，并间接影响土壤肥力和植物生长状况。根据仲海洲[30]的研究可知，一般情况下，基质的容重在0.1 ~ 0.8 g/cm3，植物生长效果最好。但由于水稻育秧时的播种密度较大，所以对基质容重的要求略高，其研究结果表明，水稻育秧基质的容重在0.23 ~ 0.41 g/cm3效果较好。在本试验中，T4、T5、T6、T7、T8五个处理的EC值均小于2.6 mS/cm，容重在0.338 ~ 0.459 g/cm3，更适宜作为水稻育秧基质。由于水稻的特殊生理生化特性，水稻秧苗喜好偏酸的环境[31]，研究认为基质pH以4.5 ~ 5.5最适宜水稻发芽、出苗及幼苗生长。故本试验在初始时即将各个基质的pH调至5.0左右，保证了水稻幼苗的出苗。基质中养分含量的大小，反映了基质的供肥能力和强度，是培育健壮秧苗的保障。本试验T6处理基质全氮、磷、钾含量显著高于其他处理，分别比T8处理高25.6%、11.9%、24.7%，与EC值规律相一致。在全氮、磷、钾含量方面，T6处理高于T4处理，T7处理高于T5处理，差异达到显著水平，说明不同原料混合堆肥发酵更有利于养分的释放。这与卢秉林等[32]的研究结果相一致，其研究表明，猪粪和小麦秸秆配比能明显加速物质分解，抑制氨气挥发，从而减少氮素损失。
秧苗素质的好坏直接关系到水稻产量的形成和品质的优劣[33]。株高反映的是植物的外部形态变化，它的提高能够很好地反映出植株具有较好的长势。茎粗的增加有利于茎维管束的发育，为保障水稻穗数和形成大穗提供了必要的秧苗基础。本试验研究中，T6处理在水稻幼苗的株高、茎粗方面为最优处理。张云江[34]的研究表明，良好的基质有利于秧苗株高、茎粗的增加。植株中的氮、磷、钾含量则反映出秧苗的营养状况。本试验研究中，T6处理在水稻幼苗的氮、磷、钾含量等方面显著优于其他处理，周劲松等[35]的研究表明，植株中氮、磷、钾含量的高低与秧苗素质密切相关，说明T6处理的秧苗素质更好。根系活力是指根系新陈代谢的活动能力，是反映根系吸收功能的重要指标。根系活力越大，根系代谢、吸收矿物营养和水分的能力越强，更有利于形成健壮的秧苗[36]。T6处理在根系活力方面为最优处理，且显著高于其他7个处理。
由柴小媛[37]的研究结果可知，添加蛭石和珍珠岩，可以提高基质的饱和含水量，从而促进水稻幼苗的良好生长。在本试验中T4、T5、T6、T7处理与T1、T2、T3处理相比，在基质理化性质和秧苗素质方面优势明显，从而说明添加了适宜比例的蛭石和珍珠岩更有利于水稻秧苗的生长。胡雨彤等[38]的研究也有类似结果，其研究表明，无机、有机基质按照一定比例混合而成的育秧基质，弥补单一基质的缺陷，其在容重、养分含量等方面更加适合水稻生长发育的需求。
秧苗素质的差异是不同育秧基质理化性状综合作用的结果。T6处理优于T4处理，T7处理优于T5处理，T6处理为最优处理。说明不同原料混合堆肥发酵的理化性质较单一原料发酵更适宜于用作水稻育秧基质，这与基质理化性质的结果相一致。曾清华等[39]的研究表明，小麦秸秆用作甜辣椒育秧基质可培育出健壮的秧苗，而菇渣[40]由于在种植菌菇时已消耗部分营养物质，故秸秆较菇渣更适宜于用作水稻育秧基质。
通过Pearson相关性分析可知，植株的秧苗素质与基质理化性质呈极显著相关。由此可说明植株生长的好坏与基质的理化性质和养分含量密切相关，同时植株的部分农艺性状之间也密切相关，这与赵婷婷等[41]的研究结果相一致，其研究结果表明，秧苗素质各指标之间相关性显著。
4 结论本试验以农业废弃物酒糟为主要原料，配合小麦秸秆、菇渣进行堆肥发酵，在堆肥至第30 ~ 36天时，各指标均趋于平稳，结合堆肥无害化相关标准，可证明本堆肥试验在第36天结束时已完成堆肥腐熟，可用于下一步试验。
将腐熟好的产物配合珍珠岩、蛭石，制成不同配比的水稻育秧基质，以T6处理即(酒糟+秸秆)堆肥60%+蛭石30%+珍珠岩10%，对水稻幼苗的株高、茎粗、地上部干重、根干重和氮、磷、钾含量及根系活力的综合效果最佳，且整体优于市售水稻育秧基质，可作为水稻育秧基质使用。
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