不同农业废弃物复合基质对西瓜光合特性、产量和品质的影响

王保平，周 静，史向远，李欣欣，王秀红，杜慧平

(1.山西农业大学 山西有机旱作农业研究院，山西 太原 030031；2.山西省农业科学院 现代农业研究中心，山西 太原 030031)

西瓜(Citrulluslanatus)是夏季消暑的佳品，其含水量和营养价值均较高，素有夏季瓜果之王的美称，深受广大消费者喜爱[1]。近年来，为了提早(早春茬)或延后(夏秋茬)西瓜的上市时间，设施西瓜栽培受到了生产者的青睐，栽培面积呈直线上升趋势。但是设施西瓜栽培连作会引起土传病害和连作障碍的加剧，限制了设施西瓜栽培的发展。基质栽培一方面能缓解连作障碍等问题；另一方面还能提高作物产量、改善品质[2]。目前,国内外使用多且效果理想的基质为草炭，但草炭属不可再生资源,分布不均匀且过量开采破坏生态环境[3]。为此，国内外研究者将目光集中到草炭替代物的研究与开发上[4-8]。

目前，我国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，随着农业产业结构调整以及农业生产水平的提高，农作物秸秆、畜禽粪便、食用菌废料等的排放量日趋增多，其不合理利用会造成环境污染与资源浪费[9]。如能将其加工生产成有机栽培基质原料替代草炭，对于缓解资源短缺、减轻环境压力和保障设施农业的可持续发展都具有重要意义。

国外大量研究表明，部分农业废弃物的发酵熟化物可以替代草炭作为基质，并且在育苗和栽培中取得良好的效果[4-5,10-11]。目前，国内在农业废弃物基质化方面也有许多研究，主要集中在育苗基质[12-13],花卉和园林苗木栽培基质[14-15],设施番茄、黄瓜、辣椒、草莓的栽培基质[16-18]等方面，而对西瓜栽培基质方面的研究相对较少。同时，不同栽培植物生长特性以及对栽培基质性状的要求均存在差异，适宜的栽培基质配方应根据原料组成及其性质、植物的类型等进行研究。鉴于此，分别以玉米秸秆堆肥、杏鲍菇菇渣堆肥部分替代草炭，连续2 a栽培西瓜，研究不同农业废弃物混配基质对西瓜光合特性、产量和品质的影响，旨在筛选适宜基质配方，为西瓜基质栽培提供理论依据和技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验概况和试验材料

试验于2018年和2019年(即基质利用次数分别为1次和2次)连续2 a在山西省农业科学院现代农业研究中心东阳试验示范基地2号温室进行。

西瓜品种为早春红玉，购买于安徽省安生种子有限公司；幼苗均由山西省农业科学院现代农业研究中心设施基质课题组自行培育而成。

杏鲍菇菇渣来源于山西奥坤生物农业股份有限公司，其堆肥的理化性质：容重0.35 g/cm3，总孔隙度79.43%，持水孔隙度60.69%，通气孔隙度18.64%，气水比0.31，pH值7.97，电导率(EC值)3.25 mS/cm；玉米秸秆来自当地，其堆肥的理化性质：容重0.31 g/cm3，总孔隙度66.96%，持水孔隙度36.82%，通气孔隙度30.15%，气水比0.82，pH值7.74，EC值5.84 mS/cm；草炭购买于北京大汉有限公司；珍珠岩购买于太原华海保温材料有限公司；蛭石购买于上海森农环保科技有限公司；其他辅助材料购买于当地农资市场。

1.2 试验设计

采用完全随机设计分2 a进行。2018年进行不同农业废弃物复合基质(基质利用1次)试验：每个配方为1个处理，共设3个处理，T3处理为对照(CK)，每个处理4次重复；2019年在此基础上，基质经覆膜高温灭菌后继续利用(基质利用2次)。具体配方见表1。试验采用全封闭地上槽式栽培模式(槽长5 m，宽30 cm，高40 cm)，槽间距80 cm，底部先铺设一层石子将地面铺平，其上铺设聚乙烯塑料薄膜与下层土壤隔离以防止土壤盐分进入基质中，然后再装填石子约10 cm，放置渗水管并用沙子将其铺平，其上铺栽培基质直至装满整个栽培槽。单行栽培，其株距为40 cm，采用吊蔓栽培和双蔓整枝方式，侧蔓匐地，只留1个果实，水肥一体化进行灌溉与施肥。栽培管理采用常规的基质栽培管理方法，各处理管理措施基本保持一致。

表1 不同农业废弃物复配基质配方(体积比)

1.3 测定项目及方法

1.3.1 基质理化性质的测定 将配制的复合基质分别取样并带回实验室，自然风干、备用。参照郭世荣[19]的方法测定复合基质的容重、总孔隙度、通气孔隙度和持水孔隙度，采用1∶5(V/V)浸提法，滤纸过滤后用酸度计测定pH值，用电导率测定仪测定EC值[20]。

1.3.2 植株光合指标的测定 在果实膨大期，选择晴天8:30—11:30进行光合指标的测定。采用Li-6400便携式光合测定仪测定其净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。计算气孔限制值(Ls)：Ls=1-Ci/Ca，其中，Ca为测定时空气中的CO2浓度。测定时选取长势一致的植株，以坐果节位向上或向下一片功能叶为测试对象，每个重复测3株，取其平均值。

1.3.3 西瓜产量指标的测定 每年待果实成熟后，将各处理西瓜同时采摘，每一处理随机选取20颗西瓜，测其单瓜质量，取平均值，通过单瓜质量计算相应产量。

1.3.4 西瓜品质指标的测定 西瓜成熟后，每个处理随机选取8颗，用直尺测其横径、纵径，用游标卡尺测其果皮厚度，并计算相应的果形指数，即果形指数=纵径/横径。同时，用手持数显折光仪分别测定中心和边缘固形物含量。采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，采用NaOH滴定法测定可滴定酸含量，采用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C含量，采用水杨酸-硫酸比色法测定硝酸盐的含量[21]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010对原始数据进行处理，用SAS 9.1统计软件GLM模型对数据进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同农业废弃物复合基质的理化性质分析

不同农业废弃物对复合基质理化性质的影响不同(表2)。与CK相比，T1处理和T2处理均提高了复合基质的容重，但三者之间无显著差异。T2处理均不同程度地降低复合基质的总孔隙度，T1处理的总孔隙度极显著低于T2处理和CK(P<0.01)，而后二者之间无显著差异。T2处理的通气孔隙度极显著高于T1处理和CK(P<0.01)，而T1处理的通气孔隙度极显著低于CK(P<0.01)。T1、T2处理均降低了复合基质的持水孔隙度，且T1处理的持水孔隙度极显著低于T2处理(P<0.01)。

表2 不同处理复合基质的理化性质

与CK相比，用玉米秸秆堆肥或玉米秸秆堆肥和杏鲍菇菇渣堆肥替代部分草炭均不同程度提高了复合基质的pH值和EC值。T1处理和T2处理的pH值和EC值均极显著高于CK(P<0.01)。T1处理的pH值高于T2处理，但二者之间无显著差异；T1处理的EC值显著高于T2处理(P<0.05)。

2.2 不同农业废弃物复合基质对西瓜光合特性的影响

从表3可以看出，不同农业废弃物复合基质对西瓜植株的净光合速率和蒸腾速率有极显著的影响(P<0.01)。基质利用1次时，T2处理的净光合速率极显著高于T1处理(P<0.01)，并显著高于CK(P<0.05)。与CK相比，T1、T2处理均不同程度降低了西瓜的蒸腾速率；T2处理的蒸腾速率显著低于CK(P<0.05)，T1处理的蒸腾速率极显著低于CK(P<0.01)，且T1处理和T2处理间存在极显著差异(P<0.01)。不同农业废弃物复合基质对西瓜植株的气孔导度、胞间CO2浓度和气孔限制值无显著影响。

表3 不同处理对西瓜光合特性的影响

基质利用2次时，T2处理的净光合速率极显著高于T1处理(P<0.01)，显著高于CK(P<0.05)。T2处理的蒸腾速率极显著高于T1处理(P<0.01)，二者与CK均无无显著差异。不同农业废弃物复合基质对西瓜植株的气孔导度和气孔限制值无显著影响。T1处理的胞间CO2浓度显著低于CK(P<0.05)，T2处理的胞间CO2浓度低于CK。

不同农业废弃物复合基质的利用次数对西瓜植株的蒸腾速率和胞间CO2浓度有极显著的影响(P<0.01)，而对其他指标无显著影响。各处理西瓜植株的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度均表现为利用1次>利用2次，西瓜植株的气孔导度和气孔限制值在各处理之间无显著差异。此外，不同农业废弃物复合基质和利用次数对西瓜植株蒸腾速率的影响存在显著的交互作用(P<0.05)。

2.3 不同农业废弃物复合基质对西瓜产量的影响

由表4可知，不同农业废弃物复合基质对西瓜的单瓜质量和产量有显著影响(P<0.05)。基质利用1次时，与CK相比，用不同农业废弃物替代部分草炭能不同程度提高西瓜的单瓜质量和产量；T2处理显著高于CK(P<0.05)，分别提高10.16%和10.54%；T1处理与CK之间无显著差异，但其单瓜质量和产量分别比CK提高7.03%和7.57%。基质利用2次时，T2处理西瓜的单瓜质量和产量均显著高于CK(P<0.05)，分别提高6.30%和6.45%；T1处理西瓜的单瓜质量和产量分别比CK提高4.72%和5.03%。

表4 不同处理对西瓜产量的影响

不同农业废弃物复合基质的利用次数对西瓜的单瓜质量和产量无显著影响，各处理西瓜的单瓜质量和产量均表现为利用1次>利用2次。不同农业废弃物复合基质和利用次数的交互作用对西瓜单瓜质量和产量无显著影响。

2.4 不同农业废弃物复合基质对西瓜品质的影响

2.4.1 不同农业废弃物复合基质对西瓜果实形态的影响 从表5可以看出，不同农业废弃物复合基质对西瓜的横径和纵径有显著影响(P<0.05)，对中心固形物含量和边缘固形物含量有极显著的影响(P<0.01)。基质利用1次时，T2处理西瓜的纵径极显著高于CK(P<0.01),T1处理西瓜的纵径显著高于CK(P<0.05),T1处理和T2处理之间无显著差异。T2处理西瓜的果形指数显著高于CK。与CK相比，T1、T2处理均不同程度提高了西瓜的中心可溶性固形物和边缘可溶性固形物含量，增加西瓜的瓜皮厚度；T1、T2处理西瓜的中心可溶性固形物含量和边缘可溶性固形物含量均极显著提高(P<0.01)。

表5 不同处理对西瓜果实形态的影响

基质利用2次时，与CK相比，复合基质均不同程度提高了西瓜的横径和纵径，其中T1、T2处理的横径均显著提高(P<0.05)。T1、T2对西瓜的果形指数和瓜皮厚度无显著影响。T2处理西瓜的中心可溶性固形物含量极显著高于T1处理和CK(P<0.01)；与CK相比，T1、T2处理均降低了西瓜边缘可溶性固形物的含量，且T1处理极显著低于CK和T2处理(P<0.01)。

不同农业废弃物复合基质的利用次数对西瓜的横径、纵径、果形指数、中心可溶性固形物含量和边缘可溶性固形物含量有极显著的影响(P<0.01)，对瓜皮厚度有显著的影响(P<0.05)。T1和T2处理组，基质利用2次栽培西瓜的横径显著高于利用1次(P<0.05)，纵径和果形指数极显著低于利用1次(P<0.01)；CK组，基质利用2次栽培西瓜的果形指数极显著低于利用1次(P<0.01)。T1处理组和CK组西瓜的瓜皮厚度随复合基质利用次数的增加而增厚(P<0.05)。T1、T2处理组和CK组西瓜的中心可溶性固形物含量表现为利用1次<利用2次；T2处理组和CK组，基质利用2次栽培西瓜的中心可溶性固形物含量极显著高于利用1次(P<0.01)。T1和T2处理组中，西瓜的边缘可溶性固形物含量随着复合基质使用次数的延长而有降低的趋势；CK组中，基质利用2次栽培西瓜的边缘可溶性固形物含量极显著高于利用1次(P<0.01)。不同农业废弃物复合基质和利用次数之间的交互作用对西瓜的瓜皮厚度存在显著影响(P<0.05)，对中心可溶性固形物含量和边缘可溶性固形物含量存在极显著影响(P<0.01)。

2.4.2 不同农业废弃物复合基质对西瓜营养物质含量的影响 由表6可知，不同农业废弃物复合基质对西瓜的可溶性糖、可溶性蛋白和有机酸含量无显著影响，而对其硝酸盐和维生素C含量有极显著的影响(P<0.01)。基质利用1次时，T1、T2处理西瓜的可溶性糖、维生素C和硝酸盐含量极显著高于CK(P<0.01)，而可溶性蛋白和有机酸含量均低于CK；T1处理西瓜的可溶性糖、可溶性蛋白、有机酸含量均高于T2处理，而维生素C和硝酸盐的含量均低于T2处理。基质利用2次时，T1处理西瓜的可溶性糖和可溶性蛋白含量均高于CK；而T2处理却低于CK，分别降低1.29%和5.13%。与CK相比，复合基质不同程度地降低了西瓜的硝酸盐含量，提高了维生素C、有机酸的含量。其中，T2处理的维生素C含量显著高于CK(P<0.05)，T1、T2处理的硝酸盐含量极显著低于CK(P<0.01)。

表6 不同处理对西瓜营养成分含量的影响

不同农业废弃物复合基质的利用次数对西瓜营养成分含量有极显著的影响(P<0.01)。T1、T2处理组和CK组西瓜的可溶性糖、维生素C和有机酸含量均随着基质利用次数的增加呈降低趋势，而可溶性蛋白和硝酸盐含量有升高的趋势。在T1、T2处理组中，基质重复利用2次栽培西瓜的可溶性糖和维生素C含量极显著低于利用1次，而可溶性蛋白和硝酸盐含量极显著高于利用1次(P<0.01)。在CK组中，基质重复利用2次栽培西瓜的可溶性蛋白和硝酸盐含量极显著高于利用1次，而有机酸含量极显著低于利用1次(P<0.01)。

不同农业废弃物复合基质和利用次数之间的交互作用对西瓜的可溶性糖含量有显著影响(P<0.05)，对其硝酸盐含量有极显著的影响(P<0.01)。

3 结论与讨论

基质栽培是设施西瓜栽培的发展趋势之一，而基质材料的组成、结构和性质是其成败的关键。本研究中，玉米秸秆堆肥和杏鲍菇菇渣堆肥的pH值和EC值均较高，与草炭、珍珠岩和蛭石复配可以改善复合基质的理化性质，使之满足西瓜植株的生长需求，这与HANDRECK等[22]的研究结果一致。本研究中，随着农业废弃物替代草炭比例的增加，复合基质的容重、pH值和EC值呈逐渐上升趋势，而其持水孔隙度呈下降的趋势，与戴小红等[23]用蚯蚓粪(木薯渣和牛粪)作小型西瓜育苗基质的研究结果一致。同时，本研究结果表明，用农业废弃物部分替代草炭能极显著提高复合基质的通气孔隙度；随着替代比例的增加，其有降低的趋势，这可能与农业废弃物的种类和结构等有关。

光合作用是植物生长发育的物质基础和能量来源[24]。从连续2 a的研究结果可知，西瓜植株在不同基质中，其光合作用表现不同，与王岚等[25]、潘成华[26]的研究结果一致。连续2 a，单独用玉米秸秆堆肥部分替代草炭显著提高了西瓜植株的净光合速率，其气孔导度、胞间CO2浓度和气孔限制值无显著差异，说明玉米秸秆堆肥复合基质对西瓜植株的光合有促进作用，与季延海等[27]用菊芋发酵秸秆作番茄栽培基质的研究结果一致。这可能是由于玉米秸秆堆肥部分替代草炭改善了复合基质的理化性质，为西瓜植株根系生长提供良好的生长环境，促进了植株生长和营养物质的吸收，有利于植株进行光合作用。本研究中，用玉米秸秆堆肥和杏鲍菇菇渣堆肥部分替代草炭降低了西瓜植株的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度，增加了其气孔限制值，说明该处理光合作用的下降主要由气孔引起[28]。杜国栋等[29]研究表明，复合基质中添加炉渣和草炭，草莓光合速率和蒸腾速率降低，但提高了水分利用率，使植株光合产物积累增多，产量提高，与本研究用玉米秸秆堆肥和杏鲍菇菇渣堆肥替代部分草炭复合基质对西瓜产量影响的研究结果一致。

西瓜品质评价指标有果实形态指标和成分品质评价指标[30]。程宏杰等[31]研究表明，由植物秸秆、菌渣、蛭石等配制的复合基质能为西瓜植株根系生长提供稳定的环境，同时基质本身含有大量的营养物质，可为西瓜生长提供必要的营养元素，故而能促进西瓜生长，提高单瓜质量和产量，改善西瓜的品质，与本研究结果基本一致。本研究中，基质利用2次时，不同处理西瓜的果实形态指标和营养物质含量指标有不同的变化，说明不同农业废弃物复合基质对西瓜品质影响存在差异，且单独用玉米秸秆堆肥替代部分草炭处理的效果优于玉米秸秆堆肥和杏鲍菇菇渣堆肥替代部分草炭的处理，这可能与复合基质的理化性质有关。

本研究中，同一基质中西瓜植株的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、单瓜质量、产量及品质均表现为利用1次>利用2次。这可能是连作引起复合基质的理化性质发生变化，尤其是复合基质中盐分积累，EC值变大，西瓜植株的生长受到抑制造成的，具体原因有待进一步研究。

综上，在本研究条件下，玉米秸秆堆肥和杏鲍菇菇渣堆肥与草炭、珍珠岩和蛭石复配可以改善复合基质的理化性质，能有效地提高西瓜的产量和改善其果实品质。综合评价西瓜的各项指标，T2处理(V玉米秸秆堆肥∶V杏鲍菇菇渣堆肥∶V草炭∶V珍珠岩∶V蛭石=3∶0∶3∶3∶1)及基质利用1次的效果较好。