0 引言
【研究意义】中国水稻种植面积占全世界的19%,水稻作为中国种植面积最大、单产最高、总产最多的粮食作物,作为65%人口的主食,在中国粮食安全保障体系和农业生产中占有重要地位[1]。水稻旱育壮秧—机械插秧是保障水稻高产稳产的主宰栽培技术。水稻机插秧技术不仅节约成本、降低劳动强度、提高生产效率,而且可加快水稻生产规模化、产业化经营的进程[2-3],旱育秧相对水育秧在稻苗生长及发育上表现出的明显优势可更好的满足机插秧的需求[4-5]。但同时肥沃的床土是旱育秧过程中必不可少的材料。过去,解决育苗床土主要依靠挖取山上腐殖土、河床淤泥等方法,而近年来,随着旱育秧面积的急剧增加,以及腐殖土资源的消耗殆尽,中国有相当一部分的地区,为保障育苗的质量开始挖取旱田耕层表土来解决育苗床土[6-7],造成耕层土壤的流失。以中国重要的优质水稻商品粮基地东北为例,2013年东北三省水稻播种面积达542万hm2,据测算,挖取1 hm2旱田土可解决500 hm2水稻田的育苗,即每年要破坏耕地超过1万hm2。这不仅严重威胁着“黑土地”的质量,也影响水稻生产的可持续发展。同时,随着农业生产水平的不断提高,中国每年产生大量的农业废弃物,据统计,中国年产农作物秸秆7亿t,其中2亿t因为没有恰当的利用途径而废弃[8-9],作为食用菌产量最大的国家,每年菌糠的产生量不少于700万t[10-11],这本可以作为农作物栽培基质宝贵的原料资源,却因为缺乏有效的处理途径,成为严重的环境污染源。近年来,随着环保意识的增强和无土栽培行业的发展,菌糠作为重要的育秧基质原料,逐步的被人们重视起来。因此,对菌糠等农业废弃物再利用作为水稻育秧基质意义重大。【前人研究进展】近年来,国内外各种新型无土育秧基质及配套技术不断出现。国外方面,日本从20世纪90年代开始研发以稻壳为主的热压成型育秧毯工艺及配套机插秧技术,2003年稻壳育秧毯产量已超过15万张[12],目前已实现机械化精密播种与自动化调节相结合的工厂化育秧[13],韩国目前主要采用多搁层无土工厂化育秧方式,且整个育秧过程机械化,从播种到插秧仅需20 d,极大的提高了育秧效率;国内方面,周青等[14]研究了不同基质组合对水稻机插秧秧苗素质的影响,指出有机基质培育出的秧苗在多个性状方面都表现出较好的素质;孙华亮等[15]利用农作物秸秆等原料,经微生物发酵,添加各种肥料后生产出的配方基质,不仅可提高秸秆的综合利用率,而且有利于实现水稻的高产稳产;刘双等[16]采用稻壳、菌糠、混合（菌糠和稻壳同体积）、土壤（对照）等4种育秧基质,测定水稻秧苗在不同生长期、不同基质的秧苗素质,通过育秧基质与对照相比较,秧苗的株高、茎粗等性状等均无显著差异,其中混合基质中秧苗的综合素质最佳,说明稻壳和菌糠等可作为育秧基质代替普通土壤,并且能够有效地节约生态资源。【本研究切入点】农业废弃物菌糠等直接用作育秧基质,会对稻苗生长造成不利影响,像未腐熟的基质不仅含有对植物有害的物质,同时在应用的过程中,由于自身不断腐熟会与幼苗根系竞争氧气,阻碍其生长[17]。前人的研究中多存在基质性质不稳定、评价指标不系统等问题,且鲜有关于苗期立枯病发生情况的描述。【拟解决的关键问题】本研究采用堆制发酵等5种前处理,针对水稻育秧期间存在立枯病高发的情况,通过评价基质的容重、孔隙度、养分和秧苗生长情况等指标,以期获得在生产实践中最为可行的前处理方式。1 材料与方法
1.1 试验材料
材料：育秧基质主要包括菌糠、稻壳,以土壤为对照。木耳菌糠：取自黑龙江省东宁县三岔口镇,夏季、秋季2次收木耳后10月份废弃;稻壳：取自黑龙江省鸡东县鸡林乡进兴村,品种长粒香;猪粪：取自北京海淀区圆明园西路2号中国农业大学西区科学园动物营养实验室;塑料育秧盘：为专用的薄塑料盘,规格为60 cm×30 cm×4 cm;土壤采自北京市海淀区上庄乡（北纬39°53′—40°09′,东经116°03′—116°23′）的中国农业大学实验站大棚内表层土,土壤类型为褐土,质地为砂质壤土。1.2 试验方案
对无土育秧基质进行前处理,共设5种处理方法：（1）生菌糠与稻壳等体积1﹕1混合（T1）;（2）菌糠与稻壳1﹕1混合后堆积发酵30 d（T2）;（3）菌糠与稻壳1﹕1混合,再添加10％猪粪堆积发酵30 d（T3）;（4）菌糠和稻壳1﹕1混合后,120℃蒸汽灭菌20 min（T4）;（5）菌糠和稻壳1﹕1混合后140℃干热灭菌20 min（T5）,以中国农业大学上庄实验站大棚内表土为对照（T6）,各处理设3个重复。育秧基质材料处理完后,分别选取均匀混合的各处理材料分析其理化性质和养分含量,同时测定对照土壤的相关性质。
将5个处理的材料取同体积,均匀铺于长宽高60 cm×30 cm×4 cm的专用薄塑料盘中,基质厚度约3 cm,轻度镇压后浇透pH5.5的硫酸水,每盘播种100 g（干重计）发芽水稻种子,覆表土0.5 cm厚,温室育苗30 d,温度模拟东北春季条件,白天25℃,夜间10—15℃。期间以2.5叶期为标准,观察并记录水稻立枯病发生情况,并于30 d后测定水稻秧苗的生长状况。
1.3 测定方法
1.3.1 基质理化性质的测定 pH采用便携式Twin pH计（日本HORIBA 公司,B-212）测定;基质容重、孔隙度等的测定及计算方法参照《土壤肥料学通论》（沈其荣,2002）。1.3.2 基质养分含量的测定 基质材料样品经浓H2SO4-H2O2消煮处理后,全氮含量的测定采用凯氏定氮法,全磷含量采用连续流动分析仪测定,全钾含量的测定采用火焰光度法,有机质的测定采用重铬酸钾容量法-稀释热法;对样品采用0.5mol·L-1 NaHCO3溶液浸提处理,浸提出的有效磷液采用钼锑抗试剂比色法,用流动分析仪测定,速效钾的测定为采用1 mol·L-1 NH4OAc溶液浸提后用火焰光度法测定,碱解氮的测定采用碱解扩散法[18]。各指标设定3个重复。
1.3.3 立枯病发生情况的记录 在叶龄为2.5叶时,观察各基质立枯病发生情况,并实地测算各育秧盘中水稻立枯病发生面积,病斑数量,拍照留存记录。
1.3.4 秧苗生长量的测定 苗龄30 d后,在不同前处理的基质上,采用五点取样法,分别选取20株秧苗测定其农艺性状,包括叶龄,单株根数、株高、茎粗、SPAD值、地上部百株干鲜重、地下部百株干鲜重[19]。
用直尺测定秧苗株高;游标卡尺测定茎粗;地上部和地下部干重测定时,放入105℃烘箱杀青30 min后,调至80℃烘干至恒重,称重;SPAD值使用日本柯尼卡美能达SPAD-502叶绿素仪测定。
1.4 数据处理及方法
采集各阶段的原始数据,采用Excel 2010对原始数据进行处理,计算各重复得到均值和标准差,采用SPSS软件进行显著性分析,对处理后的数据绘制成表格和柱状图,分析各处理的差异。容重及孔隙度的测定方法：取已知体积（V）的铝盒,称重W,待装满待测基质（烘干）后称重为W1（为保证测定的容重能反应实际育秧盘中容重情况,装满后自然状态下轻度镇压且尽量保障力度相同）,然后加水至饱和状态,放置24 h后称重W2,将铝盒顶端用已知重量的2层润湿后的纱布W3包裹,铝盒倒置于吸水纸上,让水分流出,直至无渗出为止,称重W4,按如下公式计算容重和孔隙度：
容重（g·cm-3）=(W1-W)/V
总孔隙度（%）=(W2-W1)/V×100
通气孔隙（%）=(W2+W3-W4)/V×100
持水孔隙（%）=(W4-W3-W1)/V×100
因育秧盘中材料以同体积作基质并与土壤比较,所以计算单位容积的养分含量在本研究中是更为合理的方法,即养分含量的表示方式为单位容积营养元素含量,单位为g·cm-3。
2 结果
2.1 5种前处理对育苗基质容重及孔隙度的影响
2.1.1 对基质容重的影响 如表1所示,经过前处理后,水稻育秧基质的容重范围为0.20—0.27 g·cm-3,最大值为加猪粪发酵处理T3,最小为干热灭菌处理T5,5组处理之间差异不大,土样对照T6为1.33 g·cm-3。5组处理相比于土壤,容重均较小。2.1.2 对基质孔隙度的影响 表1所示,总孔隙度和持水孔隙度上,相对于T1生材料的总孔隙度来说,经发酵后的T2、T3总孔隙度明显提高,分别为70.60%和72.08%,而T2、T3总孔隙度提高的主要原因是持水孔隙度的提高,分别从T1的58.06%提升至64.23%和65.65%;而蒸汽处理T4、干热处理T5的总孔隙度相对T1而言有所下降,分别降低了9%和2%,持水孔隙度相对T1而言,T4降低了9%,T5未变化,说明蒸汽处理孔隙度的降低是因为持水孔隙度的降低,而干热处理为通气孔隙度的降低;整体来看,5组处理中,总孔隙度和持水孔隙为经过发酵的T3最高,蒸汽灭菌处理T4最低,土壤对照为40.14%和35.79%,在持水孔隙上5组处理比较土壤对照来说,都明显较高。
2.2 5种前处理对育苗基质养分含量的影响
如图1所示,5组处理中,单位容积全氮含量以加猪粪发酵处理T3最高（3.0×10-3 g·cm-3）,其他氮含量都在1.6×10-3—1.8×10-3 g·cm-3范围内,所选的土壤对照T6中含量低于各基质,为1.5×10-3 g·cm-3;5组处理中单位容积全磷含量均在4.0×10-4—6.0×10-4 g·cm-3范围,对照组土壤T6含量为2.2×10-3g·cm-3,高于各育秧基质;5组处理中,全钾含量以无猪粪发酵的T2处理最高（1.4×10-3 g·cm-3）,其他钾含量在7.0×10-4—9.0×10-4 g·cm-3范围,对照组土壤T6含量为7.5×10-3 g·cm-3;总有机质容积比含量在6.6×10-2—8.0×10-2 g·cm-3范围内,明显高于对照组土壤T6（1.6×10-2 g·cm-3）;碱解氮含量以T3最高（2.1×10-4 g·cm-3）,其他处理在0.9×10-4—1.2×10-4 g·cm-3;速效磷含量在3.3×10-5—5.0×10-5 g·cm-3;速效钾含量在0.6×10-4—1.2×10-4 g·cm-3。Table 1
表1
表15种前处理水稻育秧基质和土壤对照的基本理化性质
Table 1Physico-chemical properties in treatments
| 处理 Treatment | 编号 No. | 容重 Bulk Density (g·cm-3) | 总孔隙度 Total porosity (%) | 通气孔隙 Air filled porosity (%) | 持水孔隙 Water holding porosity (%) | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 生菌糠+稻壳A mix of raw fungal chaff material | T1 | 0.21b | 66.64b | 8.58a | 58.06b | 7.80a |
| 生菌糠+稻壳发酵Fermented compost | T2 | 0.24b | 70.60a | 6.37b | 64.23a | 7.50a |
| 猪粪+菌糠+稻壳发酵 Adding 10% volume pig manure to ferment compost | T3 | 0.27b | 72.08a | 6.42b | 65.65a | 7.50a |
| 蒸汽处理Steam sterilization | T4 | 0.22b | 60.36c | 6.72b | 53.64c | 7.50a |
| 干热处理Hot-air sterilization | T5 | 0.20b | 65.58b | 7.07b | 58.52b | 7.10a |
| 土壤对照Soil control | T6 | 1.33a | 40.14d | 4.36c | 35.79d | 7.90a |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图15种前处理基质和土壤对照的养分含量
A：全氮;B：全磷;C：全钾;D：有机质;E：碱解氮;F：速效磷;G：速效钾
-->Fig. 1Nutritive contents in treatments
A: TN; B: TP; C: TK; D: OM; E: K-N; F: Available P; G: Available K
-->
另外,通过计算不同处理育秧基质的C/N显示,T1、T2、T4、T5处理的C/N均为24左右,而加猪粪发酵的T3处理C/N为15。
2.3 5种前处理育苗基质对稻苗立枯病发生率的影响
通过对稻苗立枯病发病率的统计（表2）,生材料T1发病最为严重,在苗2.5叶期出现7个直径约10 cm黄枯病斑,发病率高达30.53%,干热灭菌T5出现3个直径约5 cm黄枯病斑,发病率为3.27%,T2和T4各出现1个直径约5 cm黄枯病斑,发病率为1.09%,而加入猪粪的发酵处理T3未出现立枯病现象,对照组土壤T6出现4个直径约5 cm的黄枯病斑,发病率为4.36%,均高于T2、T3、T4、T5处理组,而此4组经过不同前处理后,从立枯病的发生情况来看,都较T1有了明显的改善。2.4 5种前处理育苗基质对稻苗生长量的影响
选取苗龄为30 d的不同处理基质的水稻秧苗测定生长发育状况（图2-A）,在水稻秧苗株高方面,5个处理株高表现出T3>T2>T5>T1>T4的规律,株高范围在12—14 cm,其中最高猪粪发酵处理T3（13.81 cm）,最低蒸汽处理T4（12.61 cm）,对照组土壤T6（12.24 cm）。5个处理水稻秧苗茎粗表现出T3>T2>T1>T5>T4的规律（图2-B）,茎粗范围在0.21—0.23 cm,其中最大为猪粪发酵处理T3（0.232 cm）,最小为蒸汽处理T4（0.216 cm）,对照组土壤（0.208 cm）,小于各基质处理组。以幼苗三叶期前叶片的SPAD值作为叶绿素含量指标（图2-C）,该值表现出的规律为T3>T2>T5>T1>T4,范围在25—35,最大值为加猪粪发酵处理T3（33.2）,最小值为蒸汽处理T4（25.4）,对照组土壤（23.0）小于育秧基质组。叶龄方面表现出T3>T2>T1>T5>T4的规律（表3）,均处在3叶期左右。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图25种前处理基质和土壤对照的稻苗生长状况
A：株高;B：茎粗;C：SPAD值
-->Fig. 2Growth of rice seedlings in treatments
A: Plant heights B: Stem diameters C: Total SPAD values
-->
Table 2
表2
表25种前处理基质和土壤对照水稻立枯病发生情况
Table 2The incidence rates of rice seedling blight in treatments
| 处理 Treatment | 编号 No. | 发病时期 Blight period | 病斑数量 Spots numbers | 发病面积 Blight areas(cm²) | 发病率 Incidences(%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 生菌糠+稻壳A mix of raw fungal chaff material | T1 | 2.5 | 7 | 549.50 | 30.53 |
| 生菌糠+稻壳发酵Fermented compost | T2 | 2.5 | 1 | 19.63 | 1.09 |
| 猪粪+菌糠+稻壳发酵Adding 10% volume pig manure to ferment compost | T3 | 2.5 | 0 | 0.00 | 0.00 |
| 蒸汽处理Steam sterilization | T4 | 2.5 | 1 | 19.63 | 1.09 |
| 干热处理Hot-air sterilization | T5 | 2.5 | 3 | 58.88 | 3.27 |
| 土壤对照Soil control | T6 | 2.5 | 4 | 78.52 | 4.36 |
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由以上数据可以看出,经过发酵处理的育秧基质T2、T3,尤其是添加10%猪粪发酵的T3,在株高、茎粗、SPAD值、叶龄等方面的表现均于优于其他组别,而各方面表现最差的是蒸汽处理T4。5个处理间单株根数差别不明显,范围在9—11。百株鲜重范围在14.50—16.00 g,最大为T2和T3处理,土壤对照T6也在此范围内,百株干重范围在3.15—3.75 g,土壤对照组T6（3.02 g）小于此范围;地上部百株干重、根部百株干重,均以T3最大,可见加入猪粪发酵在秧苗干物质积累方面优势突出。根冠比最大值为T2和T3（0.30）,最小值为T5（0.22）,5组处理全株干鲜比范围均在0.20—0.23（表3）。
Table 3
表3
表35种前处理基质和土壤对照的稻苗生长状况
Table 3Growth of rice seedlings in treatments
| 处理 Treatment | 编号 No. | 叶龄/叶 Leaf Age | 单株 根数 Roots | 全株百株鲜重Fresh weights of hundred seedlings(whole plant) (g) | 全株百株干重Dry weights of hundred seedlings(whole plant) (g) | 地上部百株鲜重Fresh weights of hundred seedlings(above ground) (g) | 地上部百株干重Dry weights of hundred seedlings(above ground) (g) | 根部百株鲜重Fresh weights of hundred seedlings(roots) (g) | 根部百株干重Dry weights of hundred seedlings(roots) (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 生菌糠+稻壳 A mix of raw fungal chaff material | T1 | 2.99±0.18ab | 9±1a | 14.57d | 3.23b | 11.00c | 2.58b | 3.57c | 0.65c |
| 生菌糠+稻壳发酵 Fermented compost | T2 | 3.04±0.21a | 10±1a | 15.63ab | 3.59a | 11.40b | 2.76a | 4.23a | 0.83a |
| 猪粪+菌糠+稻壳发酵 Adding 10% volume pig manure to ferment compost | T3 | 3.07±0.25a | 11±1a | 15.90a | 3.71a | 11.65a | 2.85a | 4.25a | 0.86a |
| 蒸汽处理 Steam sterilization | T4 | 2.78±0.27c | 10±1a | 15.11c | 3.15c | 11.10c | 2.46c | 4.01b | 0.69bc |
| 干热处理 Hot-air sterilization | T5 | 2.84±0.23c | 10±1a | 15.46b | 3.27b | 11.94a | 2.67b | 3.52c | 0.60c |
| 土壤对照 Soil control | T6 | 3.00±0.24ab | 11±1a | 15.20c | 3.02d | 11.20b | 2.27d | 4.00b | 0.75b |
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3 讨论
容重是反映育苗基质紧实程度的重要指标,基质的容重在0.1—0.8 g·cm-3范围内栽培作物具有较好的效果[20],既能固定幼苗的根系,又可满足机械化插秧需求,本研究中5组处理均满足此范围,相对于土壤对照,其容重较小的特点可降低大规模工业化生产、运输育秧基质的成本,从经济效益上来说更值得市场化推广;孔隙度作为基质重要的性质,可决定基质的通气、吸水、保水等性能,总孔隙度主要由较大的通气孔隙和较小的持水孔隙构成,一般要求基质的总孔隙度在70%—80%[21],在此最佳的状况下,可同时提供20%的空气和30%的可利用水,经发酵后的T2、T3总孔隙度明显提高,且均满足上述所说标准,发酵处理后总孔隙度提高主要是由于持水孔隙度的提高,反映了在发酵过程中随着有机基质的分解和大颗粒物的破碎增大了基质的比表面积,将大颗粒的通气孔隙转化为小颗粒的持水孔隙,同时也降低了基质表面蜡质含量[22],从一定程度上说明发酵后的基质,尤其是添加猪粪发酵处理T3,在吸水、保水潜力上具有优势,这有利于在实际的生产中,通过育秧基质锁住足够水稻秧苗生长需要的水分供给;水稻生长发育所必须的三大营养元素氮磷钾,在生长发育过程中起着重要的作用。氮素过多或不足都会影响苗期生长发育[23],适量磷素的供应,对促进水稻早期根系的形成,提高水稻适应外界环境条件能力具有重要意义[24],钾素影响植物的光合作用和呼吸作用,对水稻植株的抗逆性有显著影响,同时有机质含量是评价土壤肥力高低的一个重要指标[25],堆制发酵后的有机质大多经过生物降解,对提高基质的阳离子交换量CEC,改善酸碱缓冲能力,提高吸附活性具有重要意义。本研究数据表明,在全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾等方面5组处理差异不明显,但均有别于土壤对照,说明前处理并不能显著影响材料的养分含量,其主要由构成基质的材料本身性质决定,而从5组处理秧苗的生长情况上来分析,说明以菌糠和稻壳为材料做育秧基质可基本满足水稻育秧期间秧苗所需氮磷钾等方面的全部营养,此外,综合分析养分含量和秧苗生长状况的数据可以看出,堆制发酵处理T2和T3基质养分含量都高于其他处理,同时生长情况上也表现更优,推测是因为堆制发酵处理在孔隙度和养分含量上的提高,使得实际生产中水稻秧苗素质有了更好的表现,这有待于进一步的试验论证。另外,有****认为对于菌糠材料来说（C/N约30）,当堆制发酵C/N降低到20以下可认为具有较高的腐熟度[26],从这个角度上来说添加猪粪发酵的T3处理具有更为理想的碳氮比,对水稻育秧来说是更为理想的基质材料。
水稻立枯病是旱育秧过程中常发生的毁灭性病害,主要发生在2—3叶期,严重影响秧苗质量和育苗过程,对水稻产量构成了巨大的威胁,也对旱育壮秧--机械插秧技术的推广起到了阻碍作用[27-28],本研究表明堆制发酵的高温腐熟阶段可杀灭大量立枯病致病菌,如：镰刀菌、立枯丝核菌和伯克霍尔德氏菌等[29-31],可作为预防立枯病发生的有效手段在实际生产中推广。
从对秧苗生长量的影响情况上来看,5种处理株高范围在12—14 cm,均符合机插秧标准12—17 cm[32];通过计算根冠比表明经过发酵处理的育秧基质,在根系发达程度上表现较好,这对于苗期水稻生长和植株抵抗立枯病是尤为重要的,计算全株干鲜比表明在含水量方面各组处理差别不大[33-34]。
4 结论
4.1
5种处理的基质容重虽小于土壤,但均已满足理想作物栽培基质的指标范围;孔隙度方面,发酵处理有明显提升,尤其是添加10%猪粪发酵的T3处理在基质吸水保水性能上具有优势。4.2
只有添加猪粪发酵处理的C/N表明具有理想的腐熟度;各处理及土壤对照的营养元素和有机质含量说明前处理并不能显著影响其变化,其主要由材料本身性质决定。4.3
立枯病发生情况上,经前处理后都有减轻立枯病的作用,其中堆腐发酵,尤其是添加猪粪的发酵处理,可完全预防立枯病的发生。4.4
秧苗生长情况上,三叶期后,在株高、茎粗、SPAD值、叶龄、根冠比和干鲜重方面,发酵处理都表现出一定的优势,加入猪粪发酵处理表现最好。综上可知,5种前处理中,堆制发酵,尤其是在添加10%猪粪后堆腐发酵是以木耳菌糠为原料生产水稻育秧基质时最具优势的前处理技术。
The authors have declared that no competing interests exist.
