不同秸稈育苗基質(zhì)對水稻幼苗生長和根際微環(huán)境的影響

趙穎 何志剛 曲航 劉慧嶼 肖勁松

摘要：以玉米秸稈和水稻秸稈為原料制備水稻育苗基質(zhì)，通過對玉米秸稈和水稻秸稈進(jìn)行堆肥試驗(yàn)，將堆肥產(chǎn)物以不同比例配制成基質(zhì)，研究基質(zhì)對水稻苗期植株生理指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)的影響，選擇適合水稻幼苗生長的最佳基質(zhì)配方。結(jié)果表明，腐熟玉米秸稈50%+腐殖酸25%+泥炭土25%基質(zhì)（T1）所培育的水稻幼苗的地上部干質(zhì)量、株高、葉綠素SPAD值與CK比較，差異達(dá)到顯著水平，水稻幼苗根干質(zhì)量、根長、根數(shù)，與CK比較，差異達(dá)到顯著性水平。T1基質(zhì)物理性狀良好，容重為0.78g/cm3，田間持水量55.85%。生物性狀顯示，腐熟玉米秸稈50%+腐殖酸25%+泥炭土25%基質(zhì)（T1）與腐熟玉米秸稈30%+腐殖酸35%+泥炭土35%基質(zhì)（T2）處理聚為一類，這一類群主要的菌群是假單胞菌屬、土地桿菌屬等；腐熟水稻秸稈50%+腐殖酸25%+泥炭土25%基質(zhì)（T3）和腐熟水稻秸稈30%+腐殖酸35%+泥炭土35%基質(zhì)（T4）處理聚為一類，主要菌群是假黃色單胞菌屬和寡養(yǎng)食單胞菌屬等，2個(gè)類群菌群豐度均高于CK。綜合比較，T1體積配比的復(fù)合育苗基質(zhì)更適合水稻幼苗生長發(fā)育，可以在實(shí)踐中應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：秸稈；基質(zhì)化；水稻幼苗；最佳配比；根際微生物；生理指標(biāo)；形態(tài)指標(biāo)

中圖分類號：S511.06文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）10-0100-05

秸稈是極為豐富且能直接利用的可再生有機(jī)資源［1］。但秸稈大量丟棄或焚燒，不僅造成資源浪費(fèi)，還加劇了大氣污染［2］。水稻是遼寧省種植面積僅次于玉米的第二大作物［3］。我國大部分地區(qū)機(jī)插秧水稻采用水稻土育苗和營養(yǎng)土基質(zhì)育苗2種方式，長期存在取土量大、取土困難、容易發(fā)生土傳病害、除草劑殘留影響出苗等問題［4］。并嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)赝寥蕾Y源，影響周邊植被的結(jié)構(gòu)、打破生態(tài)平衡［5］。因此，利用農(nóng)作物秸稈等有機(jī)廢棄物研制無土水稻育苗基質(zhì)，是遼寧省乃至全國發(fā)展優(yōu)質(zhì)綠色稻米產(chǎn)業(yè)的首要任務(wù)之一［6-7］，不僅提高了廢棄資源利用率，還能改善水稻基質(zhì)育苗品質(zhì)，對水稻種植的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

秸稈栽培基質(zhì)已在歐洲和北美等地得到廣泛應(yīng)用［8］。我國對育苗基質(zhì)的研究與應(yīng)用較晚，起步于20世紀(jì)70年代溫床育苗技術(shù)的引入［9］。20世紀(jì)90年代后，國內(nèi)諸多學(xué)者開始自主研發(fā)應(yīng)用基于農(nóng)作物秸稈的育苗基質(zhì)。例如，周青等以秸稈等為主要原料制備的輕型有機(jī)基質(zhì)可使水稻秧苗植株高大、葉片顏色深綠、葉綠素含量高、可溶性糖含量高等［10］。趙伯康等利用秸稈、牛糞等廢棄物經(jīng)高溫發(fā)酵、腐熟處理后制成的基質(zhì)育苗，能促進(jìn)秧苗生長，但制作程序繁瑣、育苗成本高［11］。任蘭天等將小麥秸稈制備成育苗基質(zhì)材料，在煙草育苗上取得了明顯成果［12］；徐明輝等對菌糠進(jìn)行研究，制備的育苗基質(zhì)在辣椒上育苗效果較好［13］。鞏芳娥等研究了玉米秸稈與牛糞發(fā)酵制備的育苗基質(zhì)在辣椒上育苗的效果良好［14］。但是現(xiàn)階段育苗基質(zhì)還存在應(yīng)用效果不穩(wěn)定、基質(zhì)配制沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問題。鑒于此，筆者通過研究玉米秸稈和水稻秸稈不同配比育苗基質(zhì)的微環(huán)境變化以及基質(zhì)對水稻幼苗生長性狀的影響，以期為水稻育苗基質(zhì)研究提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

2019年11月至2020年4月，玉米和水稻秸稈堆肥試驗(yàn)及配比育苗試驗(yàn)在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院室內(nèi)試驗(yàn)基地進(jìn)行，復(fù)合微生物菌劑（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制），有效菌種為枯草芽孢桿菌、酵母等，有效菌數(shù)達(dá)到5×107CFU/g，菌劑添加量：復(fù)合微生物菌劑4kg/t。玉米秸稈和水稻秸稈均為2019年遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院周邊種植基地利用秸稈收集打包機(jī)收集打包的產(chǎn)物，其中，玉米秸稈與水稻秸稈的理化性質(zhì)見表1。碳氮調(diào)節(jié)劑：尿素（含N46%）。

1.2秸稈堆肥試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)：遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院西地試驗(yàn)基地（123°55′43.16″E，41°82′17.74″N）。

本研究設(shè)置2個(gè)處理：

（1）處理A：1t玉米秸稈，添加復(fù)合微生物菌劑4kg/t、碳氮調(diào)節(jié)劑8kg。

（2）處理B：1t水稻秸稈，添加復(fù)合微生物菌劑4kg/t、碳氮調(diào)節(jié)劑8kg。

流程：將粉碎的玉米秸稈、水稻秸稈（長度≤10cm）均勻鋪于地表，分別撒復(fù)合微生物菌劑和碳氮調(diào)節(jié)劑，踩實(shí)，直到堆肥高度達(dá)到1.4m。試驗(yàn)重復(fù)3次，共堆積45d。試驗(yàn)開始時(shí)間：2019年3月13日至2019年4月29日。

1.3秸稈堆肥產(chǎn)物基質(zhì)試驗(yàn)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，詳細(xì)配比見表2。

試驗(yàn)地點(diǎn)：遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院西地試驗(yàn)基地（123°55′43.16″E，41°82′17.74″N）。

試驗(yàn)前期秸稈發(fā)酵產(chǎn)物粉碎后過40目篩，水稻種子（遼粳401），2019年5月5日整地作床，5月7日浸種，5月9日穴盤播種。育苗盤使用72穴，每穴2粒水稻種子，定植1株，每盤重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。整個(gè)試驗(yàn)階段，溫度（25℃左右）、濕度（80%左右）及其他管理同當(dāng)?shù)厮居纾?2］。腐殖酸和泥炭土采購自遼寧先豐農(nóng)業(yè)科技有限公司。

1.4測定方法

1.4.1堆肥測定項(xiàng)目與方法

測定堆肥過程的溫度變化。堆肥結(jié)束后應(yīng)用國標(biāo)NY525—2012《有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》［15］采樣并分析堆肥后秸稈中氮（N）、五氧化二磷（P2O5）、氧化鉀（K2O）及有機(jī)質(zhì)含量和酸堿度（pH值）。

1.4.2基質(zhì)物理性質(zhì)的測定測定容重、田間持水量等［12］。

1.4.3水稻幼苗生理指標(biāo)的測定在播種后20d選擇有代表性的幼苗30株，測定水稻地上部生理指標(biāo)及地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量等，葉綠素儀測定水稻葉綠素SPAD值。

1.4.4微生物群落樣品采集與測定采用多點(diǎn)取樣法采集水稻育苗基質(zhì)根部樣品，采集的樣品用冰盒保存送至北京百邁客生物科技有限公司應(yīng)用Illumina平臺的HiSeq進(jìn)行測序［1］。

1.5數(shù)據(jù)分析和處理

微生物種群測序結(jié)果通過北京百邁客生物科技有限公司百邁云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。常規(guī)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行分析作圖，SPSS22.0軟件統(tǒng)計(jì)分析［16］。

2結(jié)果與分析

2.1秸稈堆肥理化性質(zhì)變化

2.1.1溫度變化

由圖1可見，在外界溫度為2℃條件下進(jìn)行的秸稈堆肥，處理A表現(xiàn)為升溫快，持續(xù)時(shí)間長，在處理后2d達(dá)到54.0℃，處理后8d達(dá)到最高峰75.9℃，持續(xù)高溫50℃以上達(dá)到36d；處理B在處理后4d達(dá)到48.5℃，發(fā)酵過程中翻堆對處理B影響較大，溫度下降后上升，呈現(xiàn)波峰-波谷趨勢，處理后9d達(dá)到最高峰71.5℃，持續(xù)高溫50℃以上達(dá)到22d。

2.1.2秸稈養(yǎng)分變化

在堆肥過程中，隨堆肥體積和質(zhì)量的不斷減少，發(fā)生養(yǎng)分的“濃縮效應(yīng)”［17］。在第45天時(shí)，處理A物料中的氮、磷、鉀含量分別達(dá)到1.51%、0.34%和0.99%。處理B物料第45天的氮、磷、鉀含量分別達(dá)到0.98%、0.24%和0.72%，可能是由于2種不同秸稈原料發(fā)酵所致（表3）。

2.2不同處理基質(zhì)理化性質(zhì)變化

育苗基質(zhì)較理想的容重范圍為0.1～0.8g/cm3，總孔隙度為50%～96%［12］。從表4中可以觀察到，容重為CK>T2>T4>T1>T3，田間持水量為T3>T1>T4>T2>CK，處理間差異顯著，酸堿度T1>T2>CK>T4>T3。與CK比較，在添加作物秸稈后各處理容重隨添加比例升高呈下降趨勢，田間持水量呈上升趨勢。

2.3不同處理基質(zhì)水稻育苗生育性質(zhì)變化

2.3.1不同處理基質(zhì)水稻育苗對地上部生長特征影響

株高是反映水稻整齊度的特征，過高和過低都會對水稻插秧有影響［12］。從表5中可以觀察到株高為CK>T1>T4>T2>T3，各處理與CK之間差異顯著。葉綠素含量反映其光合作用的強(qiáng)弱，直接影響水稻后期的產(chǎn)量［5］。葉綠素SPAD值表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2>CK，各處理與CK之間差異顯著。莖基寬為T1=T4>T3>T2>CK，T1、T3、T4處理與CK之間差異顯著。葉齡為T4>T1>T2>T3>CK，T1、T4處理與CK之間差異顯著。地上部干質(zhì)量為T4>T1>CK>T2>T3，T4、T1與CK之間差異顯著。

2.3.2不同處理基質(zhì)水稻育苗對地下部生長特征影響

水稻的根系不僅是養(yǎng)分水分的吸收器官，對秧苗盤根性也有較大影響，并影響大田機(jī)插質(zhì)量［14］。從表5中可以觀察到根長為T1>T4>T2>T3>CK，處理與CK之間差異顯著。從表5中可以觀察到根數(shù)T1>T3>T4>T2>CK，除T2處理外，其他與CK之間差異顯著。根干質(zhì)量為T1>T3>T4>T2>CK，與根數(shù)變化趨勢相同。

2.4不同處理根際細(xì)菌群落生物多樣性的變化

2.4.1根際細(xì)菌物種種群豐度的變化

從表6可以觀察到腐熟秸稈處理均可以增加育苗基質(zhì)根際細(xì)菌生物多樣性，OTU數(shù)量均有所增加，其中T1、T4處理比CK分別提高了78.66、110.33個(gè)；種群豐度結(jié)果表明，T1和T4處理的ACE指數(shù)均有所增高，分別提高了64.74和98.18，與CK相比差異顯著；Shannon指數(shù)也有所增加，T1和T4處理分別提高了0.75和0.69，與CK相比差異顯著。以上結(jié)果說明，在水稻育苗中，腐熟秸稈作為基本原料配合其他基質(zhì)可以增加細(xì)菌的多樣性和豐富度。

2.4.2根際細(xì)菌種群種屬成分分析

觀察不同處理Venn圖（圖2）可見，5個(gè)處理優(yōu)勢屬數(shù)量共有2467個(gè)，其中共同存在優(yōu)勢種屬有298個(gè)；T4優(yōu)勢屬種類達(dá)到511個(gè)，在各處理中最多；T2優(yōu)勢屬種類達(dá)到476個(gè)，在各處理中最少。

進(jìn)一步觀察圖3柱狀圖5個(gè)處理中，CK處理菌群豐度較差，T1處理菌群分布較為均勻，其次是T2處理，這一類群主要的菌群是假單胞菌屬、土地桿菌屬、短波單胞菌屬、根瘤菌屬；T3和T4處理主要菌群是假黃色單胞菌屬、寡養(yǎng)食單胞菌屬、根瘤菌屬、短波單胞菌屬。

2.4.3根際細(xì)菌種群種屬趨勢分布特征

如圖4所示，不同處理細(xì)菌群落變化差異明顯。各處理分為三大類群，CK為一類；處理T1和T2聚為一類，位于第2象限，分布在PC2軸正向；處理T3和T4聚為一類，位于第3象限，分布在PC2軸反向。CK位于第1象限分布在PC1軸正向。

進(jìn)一步對不同處理UPGMA聚類熱圖進(jìn)行分析，如圖5所示，不同處理微生物群落結(jié)構(gòu)差異變化顯著，與主成分分析圖結(jié)論一致。

2.5基質(zhì)理化性質(zhì)與細(xì)菌群落綱水平的關(guān)系

由圖6結(jié)果表明，容重和田間持水量對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有顯著影響，并可以解釋細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)總變異度的32.47%。容重主要影響T1、T3、T4處理。田間持水量影響的主要是CK和T2處理；進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)影響的菌群不同，其中假黃單胞菌、黃桿菌、短波單孢桿菌與容重所處同一象限，表現(xiàn)顯著正相關(guān)；藤黃色桿菌、雙孢菌與田間持水量所處同一象限，表現(xiàn)顯著正相關(guān)。

3討論

目前，水稻育苗一直都是水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要的環(huán)節(jié)之一。將秸稈進(jìn)行堆腐處理后作為育苗基質(zhì)進(jìn)行水稻育苗，不僅可以有效降低對環(huán)境的污染、減少對耕地資源的破壞，也可為水稻生產(chǎn)提供優(yōu)良的育苗基質(zhì)［12］。

由本試驗(yàn)結(jié)果可知，50%腐熟的玉米秸稈替代草炭后，基質(zhì)的物理指標(biāo)等均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鄭愛軍等研究表明，作物秸稈制備的水稻育苗基質(zhì)，使水稻苗根系發(fā)達(dá)、植株挺拔［18-20］。本研究結(jié)果顯示，T1基質(zhì)所培育的水稻幼苗的地上部干質(zhì)量、株高、葉綠素SPAD值與CK比較，差異達(dá)到顯著水平，與以上研究結(jié)果相似，張瓊芬等研究結(jié)果表明，利用60%的玉米秸稈替代草炭可節(jié)約284.5元/hm2［21］，本研究結(jié)果與之相似，遼寧省玉米秸稈資源豐富，價(jià)格低廉，取代草炭符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

4結(jié)論

本研究結(jié)果表明，T1腐熟玉米秸稈50%+腐殖酸25%+泥炭土25%基質(zhì)所培育的水稻幼苗的地上部干質(zhì)量、株高、葉綠素SPAD值與CK比較，差異達(dá)到顯著水平，水稻幼苗根干質(zhì)量、根長、根數(shù)，與CK比較，差異顯著，其中株高為15.12cm、地上部干質(zhì)量為0.22g/株、根干質(zhì)量0.11g/株。T1基質(zhì)物理性狀良好，容重為0.78g/cm3，田間持水量55.85%。生物性狀顯示，T1與T2處理聚為一類，這一類群主要的菌群是假單胞菌屬、土地桿菌屬等；T3和T4處理聚為一類，主要菌群是假黃色單胞菌屬和寡養(yǎng)食單胞菌屬等，2個(gè)類群菌群數(shù)量均高于CK。該體積配比的復(fù)合育苗基質(zhì)更適合水稻幼苗生長發(fā)育，可以在實(shí)踐中應(yīng)用推廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉慧嶼，何志剛，劉艷，等.低溫堆腐與秸稈深翻還田對玉米產(chǎn)量及土壤微生物群落的影響［J］.土壤通報(bào)，2021，52（4）：873-884.

［2］陳亞楠，張長華，梁永江，等.玉米秸稈堆肥的田間積制和原位還田肥效［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25（12）：3507-3513.

［3］高繼平，隋陽輝，霍軼瓊，等.生物炭用作水稻育苗基質(zhì)的研究進(jìn)展［J］.作物雜志，2014（2）：16-21.

［4］李金文，熊又升，魯寒英，等.秸稈與啤酒淤泥堆肥基質(zhì)調(diào)控及水稻育苗應(yīng)用效果評價(jià)［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，57（7）：54-57，95.

［5］郝冰，郭哈倫，任蘭天，等.小麥秸稈基水稻育苗基質(zhì)最佳配比研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（8）：33-37.

［6］BuRY，RenT，LeiMJ，etal.Tillageandstraw-returningpracticeseffectonsoildissolvedorganicmatter，aggregatefractionandbacteriacommunityunderrice-rice-rapeseedrotationsystem［J］.Agriculture，Ecosystems&Environment，2020，287：106681.

［7］張洪程，龔金龍.中國水稻種植機(jī)械化高產(chǎn)農(nóng)藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展探討［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47（7）：1273-1289.

［8］DiverS.Organicgreenhousevegetableproduction［J］.JournalofAmericanAssociationforPediatricOphthalmology&Strabismus，2000，14（1）：e32.

［9］張均華，黃晶，徐青山，等.水稻無土育秧基質(zhì)研究進(jìn)展［J］.中國稻米，2020，26（5）：40-44.

［10］周青，陳新紅，丁靜，等.不同基質(zhì)育秧對水稻秧苗素質(zhì)的影響［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)科學(xué)版），2007，25（1）：76-79，85.

［11］趙伯康，孫華香，王強(qiáng)盛.機(jī)插水稻基質(zhì)育秧技術(shù)初探［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（2）：48-49.

［12］任蘭天，劉慶，梅艷艷，等.小麥秸稈漂浮育苗基質(zhì)對煙苗生長的影響［J］.中國煙草科學(xué)，2017，38（3）：26-29，36.

［13］徐明輝，梁明勤.菇渣在辣椒育苗上的應(yīng)用效果試驗(yàn)［J］.北方園藝，2010（10）：62-64.

［14］鞏芳娥，張國斌，李雯琳，等.不同配比基質(zhì)對黃瓜穴盤幼苗生長的影響［J］.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，46（5）：59-64.

［15］黃錦法，倪雄偉，石艷平，等.基于NY525—2012的嘉興商品有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)制定［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，54（1）：89-91.

［16］何志剛，劉慧嶼，劉艷，等.基于高通量測序技術(shù)篩選低溫秸稈降解菌群的研究［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，41（6）：75-84.

［17］何志剛，孫軍德.復(fù)合微生物菌劑在牛糞堆肥中的試驗(yàn)研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（16）：4922，4933.

［18］鄭愛軍.水稻有機(jī)基質(zhì)育秧技術(shù)［J］.天津農(nóng)林科技，2013（4）：18.

［19］梁啟全，王智華.寒地水稻工廠化育苗基質(zhì)研究初報(bào)［J］.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（7）：23-26.

［20］郝冰，郭哈倫，任蘭天，等.應(yīng)用小麥秸稈基質(zhì)育苗對水稻幼苗形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)的影響［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2020（3）：6-10.

［21］張瓊芬，杜如萬，施繼輝，等.烤煙漂浮育苗基質(zhì)替代研究［J］.中國煙草科學(xué)，2012，33（1）：56-59.