黃沙基質(zhì)塊的性能及定植后對辣椒生長的影響

曾 悅，曲 萍，劉 娜

（1江蘇省農(nóng)業(yè)科學院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心/農(nóng)業(yè)部種養(yǎng)結(jié)合重點實驗室，南京210014；2南京師范大學環(huán)境學院，南京210042；3新疆農(nóng)業(yè)科學院新疆農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊830091）

0 引言

新疆氣候干旱，黃沙是一種成本低廉隨地可取的材料，黃沙基質(zhì)能夠有效防止土傳病害、鹽類積累等現(xiàn)象的發(fā)生，并且它具有良好的透氣性，有利于根系生長伸展。但是由于黃沙土顆?？紫遁^大，儲水蓄肥的能力較差，并且黃沙土本身養(yǎng)分含量少，密度大，因此普通黃沙制作的基質(zhì)無法適用于辣椒幼苗的生長。但黃沙作為添加組分可以提升基質(zhì)的孔隙度，有學者在育苗基質(zhì)配方中加入黃沙，研究黃沙基質(zhì)對作物生長的影響，發(fā)現(xiàn)黃沙土的水分分布平衡較好，有利于作物生長[1]。周宇等[2]研究了不同黃沙和爐渣配比作為無土栽培基質(zhì)，對番茄生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，育苗基質(zhì)中加入黃沙能顯著提升基質(zhì)孔隙度，且培育的番茄糖分含量更高。

辣椒根系不發(fā)達，機械化移栽過程中容易散落傷根，目前關(guān)于成型基質(zhì)的研究已有許多。曹紅亮等[3]以稻草和玉米芯為調(diào)理料，牛糞為主體原料，研究了土壤添加量、原料含水率、成型壓力以及成型溫度等操作因素對基質(zhì)塊成型品質(zhì)的影響。劉洋等[4]以泥炭為原料，研究了物料裝填量、成型壓力、粒度配比和水分含量對壓制成型泥炭營養(yǎng)塊的密度和抗壓強度的影響。馮世杰等[5]以油菜為對象，研究苗盤錐角角度、基質(zhì)壓實度及含水率對基質(zhì)損失的影響。Jiang等[6]研究基質(zhì)塊密度、容重、含水率對基質(zhì)塊抗壓強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)塊密度對抗壓強度有顯著影響，抗壓強度首先隨基質(zhì)塊密度增加而增加，到達一定界限后，會隨著基質(zhì)塊密度的增加而減小，移栽前基質(zhì)塊保持適中的密度可以更好地保持根系完整?？娦』ǖ萚7]研究不同基質(zhì)含水率、成分體積比對基質(zhì)塊抗壓強度、拉拔力的影響，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)成分體積比、含水率對抗壓力及拉拔力的影響均高度顯著，隨著含水率增大拉拔力呈現(xiàn)先增大后減小、抗壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。壓制成型基質(zhì)是進行機械化栽培作物的方式之一，但壓制成的基質(zhì)塊密度過大，不利于幼苗營養(yǎng)吸收以及根系的生長，且含水率對基質(zhì)的力學性能影響較大，如何在保證基質(zhì)含水率同時保持基質(zhì)優(yōu)良的力學性能是基質(zhì)塊能否普及運用的關(guān)鍵問題。即使采用壓制成型基質(zhì)塊進行育苗有一些不足，但使用基質(zhì)塊育苗能節(jié)約人工成本、提高幼苗成活率，因此基質(zhì)塊育苗依然是農(nóng)業(yè)種植的研究熱點。傳統(tǒng)的基質(zhì)塊育苗研究中，往往添加大量的草炭，但草炭不可再生，而本研究采用黃沙為主要原料制備新型黃沙基塊狀基質(zhì)，輔助材料改善黃沙的孔隙度、營養(yǎng)物質(zhì)、緩沖能力等，利用脲醛樹脂固定使其成為成型基質(zhì)。筆者分析黃沙基質(zhì)塊的物理化學性質(zhì)、養(yǎng)分釋放規(guī)律、力學特性、基質(zhì)塊中的酶活性，研究基質(zhì)塊對辣椒幼苗以及定植后辣椒生長的影響，以期為黃沙土的育苗應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試作物為‘紅辣椒601’，黃沙土（新疆和田地區(qū)）、蛋白水解物改性脲甲醛樹脂（自制）、聚乙烯醇（分析純，上海影佳實業(yè)發(fā)展有限公司）、氯化銨（分析純，含量99.5%，國藥集團化學試劑有限公司）、草炭（上海美植家園藝有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 黃沙基質(zhì)塊的制備 在黃沙土中加入10%的草炭，混合均勻后，加入適量的蛋白水解物改性脲甲醛樹脂(UF)、保水劑聚乙烯醇(PVA)和適量的水。攪拌均勻后，將其置入成型器中，在60℃的烘箱中干燥后取出，基質(zhì)塊上表面留有小孔以便于放入種子。

1.2.2 基質(zhì)塊基本性能及酶活性測定 測定黃沙基質(zhì)塊的總氮、pH、EC值，總氮的測定采用凱式定氮法；pH、EC值的測定采用德國Lovibond SensoDirect 150測定儀測定。測定基質(zhì)及基質(zhì)塊的脲酶、蔗糖酶、纖維素酶活性，脲酶活性測定采用靛酚藍比色法、蔗糖酶活性測定采用3.5-二硝基水楊酸比色法、纖維素酶活性測定采用DNS法。

1.2.3 基質(zhì)塊的力學性能分析 分別進行直接掉落與分段掉落的試驗，分段掉落的掉落次數(shù)為2，每次掉落高度相同。記錄不同高度下掉落時基質(zhì)的損失率，以及在同一高度下，掉落一次與掉落兩次基質(zhì)損失率的差別。掉落高度分別為15、30、45、60 cm，每組試驗重復5次。在計算損失率時，減去穴盤苗枝葉質(zhì)量。

1.2.4 育苗 辣椒在2019年6月育苗，試驗在新疆和田地區(qū)和田市團結(jié)新村的溫室中進行。

1.2.5 大田定植 供試基質(zhì)配方為草炭:腐熟牛羊糞:黃沙土=1:1:1。辣椒定植后每隔15天測量一次莖粗、株高。從每個處理隨機選取20株辣椒，用米尺測量辣椒莖基部到生長點的高度為株高，用游標卡尺測定子葉下2 cm處的直徑為莖粗。

1.2.6 營養(yǎng)元素測定 辣椒中營養(yǎng)元素的測定包括辣椒素、維生素C、可溶性總糖、粗纖維、氨基酸，在辣椒采收盛期，從每個處理組中隨機選取10個鮮果用于測試。辣椒素測定采用高效液相色譜法(HPLC)、維生素C測定采用熒光法、可溶性總糖測定采用銅還原碘量法、粗纖維測定參照GB/T 5009.10—2003的方法、氨基酸測定參照GB/T 5009.124—2016的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃沙基質(zhì)塊配方

黃沙基質(zhì)塊成型如圖1所示。生物降解膠黏劑與黃沙共同制成黃沙基質(zhì)糊，在成型器中加入黃沙基質(zhì)糊，如圖1狀態(tài)4所示，烘烤完成后，擰開成型器鎖緊螺絲，展開不銹鋼圈，取出基質(zhì)塊，如圖1狀態(tài)5所示。

圖1 基質(zhì)塊成型示意圖

基質(zhì)塊配方如表1。同時添加粘合劑蛋白水解物改性脲甲醛樹脂、保水劑聚乙烯醇、固化劑氯化銨、草炭4種成分的基質(zhì)塊成型效果較好，含水率正常，基質(zhì)塊孔隙度合適。

表1 黃沙基質(zhì)塊配方

2.2 基質(zhì)塊養(yǎng)分釋放

氮可作為幼苗生長養(yǎng)分，基質(zhì)中的氮元素含量會影響植株株高、葉片葉面積、植株根冠比等性狀[8-9]。從表2可看出，基質(zhì)塊I的總氮含量高于其他基質(zhì)塊，這與基質(zhì)塊I中UF的添加量有關(guān)，UF成分為尿素和甲醛，因此其添加量越高，基質(zhì)中氮含量越高。

蔬菜幼苗對pH的變化敏感，pH會影響蔬菜幼苗從基質(zhì)中吸收水分和養(yǎng)分[10]。從表2中可看出，黃沙基質(zhì)塊pH 8，對于植物生長來說pH略高，育苗時可適當調(diào)節(jié)基質(zhì)塊pH。EC值反映基質(zhì)中可溶性鹽濃度,基質(zhì)塊中鹽分對幼苗生長具有直接影響，鹽分過高可能導致會滲透失衡，或特定離子的含量過高，導致植物毒害影響作物產(chǎn)量[11]。適合作物育苗的EC值應低于2.6 mS/cm[12]，從表2中可看出，基質(zhì)塊Ⅰ的EC值略高于基質(zhì)塊Ⅱ及基質(zhì)塊Ⅲ，基質(zhì)塊中EC值范圍為1.43～2.56，適合作物生長。

表2 不同配方基質(zhì)塊的總氮含量及土壤特性

如圖2所示，在前3周內(nèi)，制備的黃沙基質(zhì)塊能夠緩慢釋放養(yǎng)分，但釋放速率均較慢，從第4周后，黃沙基質(zhì)塊氮素釋放速率明顯加快。到第7周，I的氮素釋放率達到74.4%，基質(zhì)塊氮素釋放率表現(xiàn)為I＞II＞III，制備的黃沙基質(zhì)塊能夠緩慢釋放養(yǎng)分，能滿足植物生長前中后時期的養(yǎng)分供應。綜合養(yǎng)分含量、養(yǎng)分釋放率等因素考慮，基質(zhì)塊II最適于育苗。

圖2 黃沙基質(zhì)塊氮素釋放特性

2.3 基質(zhì)與基質(zhì)塊中酶活性

酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎，對生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)、代謝活動起著重要作用，是基質(zhì)質(zhì)量的重要指標[13]。脲酶與尿素水解相關(guān)，可催化有機態(tài)氮轉(zhuǎn)化為無機態(tài)氮，蔗糖酶與土壤碳素循環(huán)相關(guān)，纖維素酶在分解纖維素時起生物催化作用，酶活性的高低對于提高肥料利用率具有重要意義[14-16]。如表3所示，烘干土中黃沙基質(zhì)塊酶活性均顯著高于基質(zhì)。基質(zhì)塊脲酶、蔗糖酶、纖維素酶活性分別比基質(zhì)高60.5%、69.1%、62.4%，說明制備的黃沙基質(zhì)塊有助于改善基質(zhì)質(zhì)量、促進養(yǎng)分循環(huán)以及植物營養(yǎng)吸收。

表3 烘干土中基質(zhì)與基質(zhì)塊酶活性 μg/(d·g)

2.4 黃沙基質(zhì)塊的力學性能

基質(zhì)塊移栽過程中主要有2次受力，其中掉落方式是減少基質(zhì)損失的關(guān)鍵，合適的掉落方式可以有效降低基質(zhì)損失率[17-19]。移栽機的掉落方式有2種，一種為直接掉落，即取苗機直接將穴盤苗投入栽植嘴中；一種為分段掉落，即在穴盤苗掉落過程中多設置一個接苗盤。由圖3所示，隨著掉落高度的增加，基質(zhì)損失率逐漸增加。在掉落高度低于30 cm的情況下，分段掉落與直接掉落的基質(zhì)損失率差異不大，但隨著掉落高度的增加，分段掉落的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，在掉落高度為60 cm時，分段掉落的基質(zhì)損失率為4.20%，比直接掉落低1.98%，在移栽掉落高度大于30 cm時選用分段掉落的方式，基質(zhì)塊的完整性更高。分段掉落方式中第一次掉落與第二次掉落高度的配比對基質(zhì)的損失率也會有影響，如圖4所示，在掉落高度固定為60 cm時，增加一次掉落的高度，基質(zhì)總損失率會同時增加，因此在選擇分段掉落的模式下，使第一次掉落高度低于第二次掉落高度，能有效減少基質(zhì)損失。

圖3 掉落高度損失率曲線圖

圖4 一次掉落高度損失率曲線圖

2.5 基質(zhì)塊培育對辣椒生長狀況及果實品質(zhì)影響

由圖5～6可看出，黃沙基質(zhì)塊培育辣椒植株高與基質(zhì)培育無顯著差異，但跟基質(zhì)種植辣椒相比，黃沙基質(zhì)塊種植的辣椒株高在60 cm以上的植株更多，平均株高為65.59 cm，比基質(zhì)種植高3.31%，且有5%的植株株高超過80 cm。從圖6可以看出，黃沙基質(zhì)塊種植的辣椒莖粗在9 mm以下的植株占比35%，低于基質(zhì)種植10%，且有5%的植株莖粗超過12 mm，黃沙基質(zhì)塊培育辣椒生長情況略好。

圖5 植株株高

圖6 培育植株莖粗

維生素C、可溶性糖含量是辣椒品質(zhì)的重要指標，其含量的高低對辣椒口感有著直接影響[20-22]，除此之外，辣椒果實中辣椒素、氨基酸、粗纖維含量也是評價辣椒品質(zhì)的重要指標，其含量的高低會影響辣椒營養(yǎng)價值[23-24]。表4為辣椒中營養(yǎng)元素的測定，由表中結(jié)果可知，黃沙基質(zhì)塊種植的辣椒其中所含辣椒素含量比基質(zhì)種植高28.57%、維生素含量高29.2%、可溶性糖含量高3.31%、粗纖維含量高10%、氨基酸含量高20.41%。黃沙基質(zhì)塊培育的辣椒中各種營養(yǎng)元素含量更高，辣椒甜度更高口感更好，使用制備的黃沙基質(zhì)塊培育辣椒能顯著改善作物品質(zhì)。

表4 辣椒果實中的營養(yǎng)元素

3 討論

基質(zhì)塊作物培育中基質(zhì)塊的基本性能是非常重要的參考指標，基質(zhì)塊的pH、養(yǎng)分釋放率以及酶活，均會對作物生長產(chǎn)生影響。本研究選用黃沙作為基質(zhì)塊主要材料，材料方便易得且制備的基質(zhì)塊在充分保留了黃沙基質(zhì)的優(yōu)良特性的同時，使其具有緩慢釋放養(yǎng)分的能力。且基質(zhì)塊成型較好，適合于基質(zhì)化移栽，具有潛在的應用前景?；|(zhì)塊中加入了改性脲醛樹脂等輔助材料，最終制備的基質(zhì)塊pH略高，基質(zhì)pH不僅影響離子在基質(zhì)中的溶解狀態(tài)，并且會影響植物的營養(yǎng)吸收。有研究稱，適合作物生長的pH不宜超過7，理想范圍為弱酸性到中性[25]，因此在基質(zhì)塊用于育苗時，應適當調(diào)節(jié)pH?；|(zhì)塊的養(yǎng)分釋放是植物生長的營養(yǎng)來源，基質(zhì)塊中一次性加入養(yǎng)分，養(yǎng)分含量過高或過低都有可能影響植物生長[26-29]。本研究制備的黃沙基質(zhì)塊的氮素釋放率在7周內(nèi)緩慢增加，適合作物栽培的基質(zhì)塊其氮素釋放率在第7周達到了58.9%，這與曲萍等[30]制備的改性脲醛樹脂粘合基質(zhì)塊的氮素釋放速率變化趨勢相同，基質(zhì)塊能控制養(yǎng)分釋放，而幼苗養(yǎng)分需求規(guī)律與基質(zhì)塊養(yǎng)分釋放率變化基本一致，基質(zhì)塊能持續(xù)緩慢地向植物提供養(yǎng)分。此外，提升基質(zhì)塊的力學性能，是保證機械化移栽過程中植物根系的完整性需要考慮的關(guān)鍵問題。韓長杰等[31]通過掉落試驗發(fā)現(xiàn)，穴盤苗掉落高度越高觸底沖擊力越大，基質(zhì)損失更加明顯，且第二次掉落的基質(zhì)損失率略高于第一次掉落的基質(zhì)損失率，這與本研究結(jié)果一致，且采用二次掉落高度低于一次掉落高度的方式進行移栽，可以顯著減少基質(zhì)損失。

作物種植后其生長狀況除受氣候降水的影響外，與培育方式也有很大關(guān)聯(lián)，基質(zhì)塊培育幼苗可在缽苗過程中為植株提供養(yǎng)分，在大田定植后作物生長狀況與基質(zhì)栽培作物相比可能會有差異。令狐昌英等[32]比較了營養(yǎng)杯育苗與基質(zhì)塊育苗2種方式下，培育辣椒生長狀況的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基質(zhì)塊培育辣椒平均株高、平均莖粗比營養(yǎng)杯育苗高0.6%、1.7%。余文中等[33]在對辣椒栽培的研究中發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)塊培育辣椒定植后植株株高、莖粗、分支數(shù)都顯著優(yōu)于露天基質(zhì)育苗，且果實鮮重略重。在本研究中，基質(zhì)塊育苗培育辣椒品質(zhì)同樣優(yōu)于普通基質(zhì)育苗，與直接使用基質(zhì)培育幼苗相比，基質(zhì)塊培育幼苗使得辣椒植株生長狀況得到顯著改善，且果實品質(zhì)同時得到提高。基質(zhì)塊栽培幼苗技術(shù)目前已有許多實踐運用，作物生長狀況普遍優(yōu)于基質(zhì)栽培，但也有學者研究表示基質(zhì)塊栽培作物培育辣椒生長狀況及產(chǎn)量與基質(zhì)栽培無明顯區(qū)別[34]，這可能與基質(zhì)配方有關(guān)，同時植物能夠吸收的營養(yǎng)上限也有可能成為原因之一。

4 結(jié)論

筆者研制了適用于機械化移栽的黃沙基質(zhì)塊，且基質(zhì)塊配方Ⅱ（黃沙:草炭:改性脲醛樹脂=10:1:2）更適合于作物栽培，該基質(zhì)塊含氮量高，能緩慢釋放養(yǎng)分，為幼苗生長提供營養(yǎng)。通過掉落試驗研究黃沙基質(zhì)塊受力特性，結(jié)果表明，分段掉落黃沙基質(zhì)塊，第一次掉落高度低于第二次掉落高度的基質(zhì)損失率分別比相同高度掉落、一次掉落高度高于二次掉落減少0.42%、1.1%。基質(zhì)塊脲酶、蔗糖酶、纖維素酶活性均高于基質(zhì)60.5%、69.1%、62.4%。將培育的辣椒幼苗定植后發(fā)現(xiàn)，黃沙基質(zhì)塊種植辣椒長勢與基質(zhì)種植相比，植株莖粗更粗、植株高在60 cm以上植株更多，平均株高更高、辣椒品質(zhì)更佳。該黃沙基質(zhì)塊以黃沙為主材，成本適中且栽培作物生長狀況及品質(zhì)都顯著優(yōu)于普通基質(zhì)，在以黃土為主、人均耕地少的地區(qū)具有良好的應用前景。