朱春權 徐青山 魏倩倩,2 汪瑋 汪根火 林軍 孫愛軍 洪小智 曹小闖朱練峰 孔亞麗 金千瑜 張均華*
(1 中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室,杭州 310006;2 安徽大學,合肥 230000;3 蕪湖青弋江種業(yè)有限公司,安徽 蕪湖 241300;4蚌埠市億豐生物肥有限公司,安徽 蚌埠 233300;第一作者:zhuchunquan@caas.cn;*通訊作者:zhangjunhua@caas.cn)
水稻是世界上的主要糧食作物,也是我國三大糧食作物之一,我國水稻產(chǎn)量為1.8~2.0億t,是總產(chǎn)量最高的國家[1]。水稻種植有直播和育秧移栽兩種方式,目前,育秧移栽是我國主要的水稻種植方式。但我國水稻種植全程機械化程度遠低于發(fā)達國家,而手工插秧效率低、勞動強度大、成本高,制約了我國水稻生產(chǎn)的發(fā)展。提高水稻機械化種植水平,不僅可以減少勞動力和節(jié)約成本,還能提高水稻產(chǎn)量和生產(chǎn)效率,節(jié)約生產(chǎn)資源[2]。機插秧是水稻生產(chǎn)全程機械化的重要一環(huán),而育秧是機插秧技術的關鍵環(huán)節(jié),良好的育秧基質(zhì)是其中的技術核心[3]。目前,我國主要使用營養(yǎng)土進行培育機插秧苗[4],但隨著水稻種植面積擴大和水稻種植年限增加,營養(yǎng)土使用量不斷上升,取土變得日益困難,同時取土后還造成土壤表面破壞,引起環(huán)境問題[5]。開發(fā)以農(nóng)作物秸稈廢棄物為原料的無土或者少土營養(yǎng)基質(zhì),不僅可以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈資源浪費問題,還能減少挖掘營養(yǎng)土層,保護環(huán)境資源。同時,基質(zhì)育秧性質(zhì)穩(wěn)定,操作方便快捷,重復性好,不僅可以培育高質(zhì)量秧苗,還能減輕農(nóng)民負擔,提高生態(tài)效益[6-9]。
利用農(nóng)作物廢棄秸稈資源制作的育秧基質(zhì)屬于生物質(zhì)資源的育秧基質(zhì)[8-10],具有養(yǎng)分含量高、保水保肥能力強的優(yōu)點,但使用前均需要腐熟來穩(wěn)定其化學性質(zhì)[11]。前人已經(jīng)用牛糞加稻草、草木灰等原料制作水稻育秧基質(zhì),取得良好效果[12-13]。育秧基質(zhì)制作過程中,不僅需要為秧苗提供附著和通氣保水環(huán)境,還需要合適的酸堿度,從而確保稻種順利發(fā)芽和秧苗健康生長[14]。因此,本試驗選擇4 種不同的調(diào)酸劑,按不同的比例加入本課題組研制的發(fā)酵基質(zhì),通過測定基質(zhì)的酸堿度和水稻秧苗生長狀況,以選擇合適的基質(zhì)調(diào)酸劑。
本試驗所用秧盤為9寸秧盤,育秧基質(zhì)為本課題組研制的發(fā)酵基質(zhì),供試品種為秈型常規(guī)水稻中早39。發(fā)酵基質(zhì)以水稻秸稈為原料,利用微生物發(fā)酵以后,添加不同的生物物質(zhì)材料、保水劑和促根劑等制成。在制成的發(fā)酵基質(zhì)中分別添加不同種類和不同濃度的調(diào)酸劑后,每個秧盤播種110 g谷芽。2021年3月30日播種后在中國水稻研究所溫室大棚中正常培養(yǎng),12 d后取樣進行指標測定。試驗設4個生物學重復,每個處理重復3次(表1)。
表1 試驗設計方案
1.2.1 基質(zhì)理化性質(zhì)
育秧基質(zhì)pH值和電導率采用梅特勒pH 計/電導率儀(S470-USP/EP)測定;基質(zhì)的容重、總孔隙度、通氣孔隙、持水孔隙,速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀、有機質(zhì)含量均參照相關文獻方法測定[15-16]。
1.2.2 秧苗素質(zhì)和養(yǎng)分
培養(yǎng)后,選取代表性秧苗4 盤,每盤取代表性秧苗20 株,測定秧苗葉齡、株高、根長、根數(shù)、莖基寬(距秧苗生根處1 cm),每盤另取100 株秧苗測定百株地上部干物質(zhì)量、百株根干物質(zhì)量[4]。
同時取水稻地上部,烘干至恒質(zhì)量后研磨,利用濃硫酸和過氧化氫消煮后測定總氮、總磷和總鉀含量[16]。葉綠素含量用SPAD 儀測定。
試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0.0 軟件進行統(tǒng)計分析(單因素方差分析),均數(shù)采用圖基(Tukey)檢驗統(tǒng)計學差異。圖、表中不同小寫字母表示處理間均值在P<0.05水平上有統(tǒng)計學差異。
基質(zhì)的速效養(yǎng)分含量決定了其對秧苗養(yǎng)分的供應能力,影響秧苗生長速率。經(jīng)測定,試驗所用發(fā)酵基質(zhì)的堿解氮、速效磷、速效鉀、總氮、總磷、總鉀和有機質(zhì)含量分別為515.57±32.05 mg/kg、419.63±3.24 mg/kg、5174.07±45.93 mg/kg、10.35±0.57 g/kg、9.56±0.34 g/kg、13.26±0.41 g/kg和38.25%±0.74%,養(yǎng)分含量高,能滿足水稻秧苗機插前的養(yǎng)分需求。
基質(zhì)的理化性質(zhì)同樣決定水稻秧苗的長勢。本次試驗中發(fā)酵基質(zhì)的容重為0.64±0.03 g/cm3,既利于搬運又適合水稻秧苗生長;總孔隙度59.36%±0.24%,通氣孔隙度24.67%±0.85%,持水孔隙度34.69%±0.84%。
從表2可見,檸檬酸、稀硫酸、硫磺和磷酸二氫銨均能顯著降低基質(zhì)pH值,且pH值均隨著調(diào)酸劑添加量的增加而降低,使育秧基質(zhì)處于酸性條件。其中,N3處理可將育秧基質(zhì)的pH值調(diào)節(jié)至6.14±0.02,S3 處理可將pH值調(diào)節(jié)至5.56±0.03,H3 處理可將pH值調(diào)節(jié)至5.38±0.04,L3處理可將pH值調(diào)節(jié)至6.07±0.03。
從表2可見,水稻育秧基質(zhì)的EC值隨著調(diào)酸劑濃度的增加顯著增加。其中,添加檸檬酸和硫磺后,育秧基質(zhì)的EC值增幅最大,并且在添加量達到1.2%濃度后,其EC值均大于3.00 mS/cm(表4),對水稻育秧存在一定風險。
表2 不同調(diào)酸劑處理育秧基質(zhì)的pH值和EC值
表4 不同調(diào)酸劑處理水稻秧苗地上部養(yǎng)分含量
從表3可見,不同調(diào)酸劑處理對水稻葉齡和莖基寬均沒有顯著影響。磷酸二氫銨促進水稻地上部生長,其株高和百株地上部干物質(zhì)量均顯著大于其他3 種調(diào)酸劑處理,但不同濃度磷酸二氫銨處理對水稻秧苗地上部的長勢沒有顯著差異。用檸檬酸調(diào)酸后,水稻株高隨著檸檬酸添加量的增加而增加,然而其百株地上部干物質(zhì)量卻是4 種調(diào)酸劑處理中最低的,可能原因是檸檬酸雖然對株高有促進作用,但是卻沒有促進葉片生長。稀硫酸和硫磺調(diào)酸處理的百株地上部干物質(zhì)量沒有顯著差異,然而,隨著稀硫酸添加量的增加,其株高顯著下降,施用硫磺則呈現(xiàn)相反趨勢。
水稻育秧過程中,秧苗的根系生長至關重要,不僅影響插秧效率,還影響插秧后的返青。從表3可見,檸檬酸顯著抑制水稻根系生長,并且隨著添加量的增加作用更大,在最低添加量0.8%處理下,其根長僅為1.82±0.07 cm,顯著低于稀硫酸25%、硫磺0.8%和磷酸二氫銨0.8%的處理。同時,用檸檬酸調(diào)酸后,秧苗的根條數(shù)和百株根系干物質(zhì)量均顯著小于其他調(diào)酸劑處理。用磷酸二氫銨調(diào)酸后,在1.0%濃度下,其根系長度最長,達到6.59±0.07 cm,然而,當磷酸二氫銨的濃度增加至1.2%,其根長顯著下降,說明過量磷酸二氫銨對水稻根系伸長存在抑制作用。磷酸二氫銨雖然促進水稻秧苗主根的伸長,但是對根條數(shù)卻沒有顯著促進作用,在0.8%濃度下僅5.20±0.12條,顯著低于稀硫酸0.8%和硫磺0.8%的處理,并且磷酸二氫銨處理組的根條數(shù)隨其添加量的增加而顯著降低。相反,硫磺處理后,雖然其根系長度顯著低于稀硫酸和磷酸二氫銨處理,但是因為其擁有更多的根條數(shù),導致其百株根系干物質(zhì)量與稀硫酸和磷酸二氫銨處理相比并沒有顯著下降。稀硫酸和硫磺處理后,水稻根長和根條數(shù)均顯著下降。上述結果說明調(diào)酸劑對水稻根伸長具有劑量效應,超過一定量就會對根長產(chǎn)生負面作用。
表3 不同調(diào)酸劑處理水稻秧苗的生理指標
不同調(diào)酸劑對水稻養(yǎng)分的吸收也存在調(diào)節(jié)作用。從表4可見,用磷酸二氫銨調(diào)酸后,秧苗地上部氮含量顯著高于其他3種調(diào)酸劑處理,并且隨著添加量的增加而增加,最高達到34.36±0.24 g/kg,其主要原因可能在于磷酸二氫銨本身含有氮源;用硫磺調(diào)酸后,水稻地上部的氮含量隨著添加量的增加顯著增加,并且顯著高于稀硫酸和檸檬酸處理;用不同濃度的稀硫酸調(diào)酸后,秧苗地上部的氮含量沒有顯著變化;用檸檬酸調(diào)酸后,秧苗地上部的氮含量顯著低于其他調(diào)酸劑處理。
從表4可見,用磷酸二氫銨調(diào)酸后,秧苗地上部的磷含量顯著高于其他3 種調(diào)酸劑處理,并隨添加量的增加而增加,其主要原因可能在于磷酸二氫銨本身含有磷源;用稀硫酸、硫磺和檸檬酸調(diào)酸后,秧苗地上部的磷含量同樣隨著添加量的增加而增加,其主要原因可能在于隨著pH的下降,育秧基質(zhì)中一些結合態(tài)的磷被釋放出來,從而被水稻吸收利用;用檸檬酸調(diào)酸劑處理后,秧苗地上部的磷含量顯著低于其他3 種調(diào)酸劑處理。
從表4可見,除了N1處理,其余處理水稻地上部的鉀含量沒有顯著差異,均在53.00 g/kg左右,說明調(diào)酸劑處理基質(zhì)后,不會顯著影響水稻對鉀的吸收。
從圖1可見,不同調(diào)酸劑對水稻SPAD值也存在調(diào)節(jié)作用。其中,用稀硫酸調(diào)酸后,水稻葉片的SPAD值最大,并且隨著添加量的增加而增加,S3 處理SPAD值達44左右;磷酸二氫銨和硫磺處理組的水稻葉片SPAD值沒有顯著差異,并且隨添加量的改變其差異較小,均在35 左右;檸檬酸處理組的SPAD值最低,顯著低于其他3 種調(diào)酸劑處理,N1處理的SPAD值僅為28左右。
圖1 不同調(diào)酸劑處理后水稻秧苗的SPAD值
育秧基質(zhì)的理化性質(zhì)需滿足一定條件才能保證水稻秧苗的正常發(fā)芽和生長。育秧基質(zhì)育秧不僅需保證秧苗的正常扎根生長,也需考慮育秧基質(zhì)的搬運問題,因此,水稻育秧基質(zhì)的合理容重為0.1~0.8 g/cm3[14],我們此次使用的發(fā)酵基質(zhì),其容重為0.64±0.03 g/cm3,在適宜范圍區(qū)間內(nèi)。孔隙度對基質(zhì)的通氣和持水性能起決定性作用,通氣孔隙度25%~40%對秧苗根系生長較好[14,17],我們使用的發(fā)酵基質(zhì),其通氣孔隙度為24.67%±0.85%,適宜水稻根系生長(表3)。
基質(zhì)的養(yǎng)分供應能力直接影響水稻秧苗的生長,而其中速效氮、速效磷、速效鉀含量是其供應養(yǎng)分能力的重要指標[18]。一般認為,育秧基質(zhì)適宜的速效氮含量為250~300 mg/kg、有效磷濃度大于10 mg/kg、有效鉀濃度大于47 mg/kg,水稻秧苗的生長才不會受到影響[17,19]。本試驗所用的發(fā)酵基質(zhì),其速效氮、有效磷、有效鉀的含量均顯著高于最低要求濃度,從而保證水稻秧苗生長過程中養(yǎng)分的供應。育秧基質(zhì)中的有機質(zhì)在養(yǎng)分循環(huán)和保水保肥能力中發(fā)揮重大作用[20],本試驗所用發(fā)酵基質(zhì)的有機質(zhì)含量為38.25%±0.74%,含量較高,能滿足水稻秧苗的正常生長。
一般認為,水稻育秧基質(zhì)的pH在5.0~6.5 之間可確保水稻秧苗正常生長,在此pH范圍內(nèi)生長的秧苗養(yǎng)分吸收能力和光合作用強、生理代謝旺盛[21-22]。同時,育秧基質(zhì)在不同的pH條件下,其含有的養(yǎng)分形態(tài)以及有效含量均會發(fā)生變化。比如,pH介于5~6 時銅、鋅、鐵和錳的有效性最高,pH 在6 左右時大量元素的有效性最大,而當pH 大于7 時,有許多元素會因為形成氫氧化物沉淀而變成無效狀態(tài),不利于作物吸收[17]。因此,利用調(diào)酸劑將水稻育秧基質(zhì)調(diào)至適宜范圍,不僅有利于水稻正常生長,還有利于釋放基質(zhì)中的養(yǎng)分,利于水稻秧苗對養(yǎng)分的吸收。
本試驗選擇的4 種調(diào)酸劑,在較低濃度(0.8%)下即可將基質(zhì)調(diào)成酸性(表2),說明均有較強的調(diào)酸能力。用檸檬酸調(diào)酸后,雖然水稻秧苗地上部生長較好,但其根系生長卻受到顯著抑制,根長只有其他調(diào)酸劑處理的1/3 左右(表3),造成秧苗盤根困難,插秧后返青困難。同時,用檸檬酸調(diào)酸后,其植株養(yǎng)分含量(氮、磷)和葉綠素含量均顯著小于其他調(diào)酸劑處理(表4和圖1)。說明檸檬酸抑制水稻根系生長后,同時會影響水稻對養(yǎng)分的吸收,從而影響葉綠素含量,降低光合能力。因此,本試驗中,檸檬酸不適合作為基質(zhì)調(diào)酸劑。
合適濃度的磷酸二氫銨(0.8%~1.0%)調(diào)節(jié)育秧基質(zhì)pH 后,其地上部和根部的生長均顯著好于其他3 種調(diào)酸劑(表3),且水稻秧苗的氮和磷含量均顯著高于其他處理(表4),其原因可能在于磷酸二氫銨不僅作為調(diào)酸劑存在,而且本身含有氮、磷,因此促進植物生長。除此之外,添加磷酸二氫銨后,基質(zhì)的EC值并沒有顯著增加,即使在1.2%的濃度下,其EC值仍然沒有超過2.00 mS/cm(表2),顯著低于其他調(diào)酸劑處理。EC值反映了基質(zhì)中可溶性鹽分的總量,可體現(xiàn)其養(yǎng)分供應潛力,同時反映土壤鹽漬化程度。EC值過高的話,則會顯著影響發(fā)芽和根系生長,抑制植物生長,基質(zhì)EC值的適宜范圍為0.75~3.00 mS/cm[23-24]。因此,EC值維持在較低水平也是添加磷酸二氫銨調(diào)酸后水稻根長較長的原因。然而,磷酸二氫銨作為調(diào)酸劑,存在根系數(shù)目生長少,以及過量調(diào)酸(1.2%)容易引起根系生長抑制的弊端(表3)。
用低濃度稀硫酸(25%)和硫磺(0.8%)調(diào)酸,不僅對基質(zhì)有良好的調(diào)酸效果,而且還不影響根系生長,但隨著添加濃度的增加,秧苗根系生長受到顯著抑制(表2和表3),但對氮、磷的吸收上升(表4)。其主要原因可能在于,在較低的pH 下,育秧基質(zhì)中的養(yǎng)分,特別是磷,能以有效態(tài)形式溶解出來,從而促進水稻的吸收。同時,用稀硫酸調(diào)節(jié)的育秧基質(zhì),秧苗葉綠素含量顯著高于其他處理組,其可能原因在于稀硫酸中含有能被植物直接吸收的有效態(tài)硫,從而通過增加硫肥促進水稻葉綠素合成。因此,稀硫酸和硫磺也可以作為備選調(diào)酸劑,但需要注意量的把握。
綜上所述,本試驗選擇的4 種調(diào)酸劑均能顯著降低水稻育秧基質(zhì)的pH值,具有良好的調(diào)酸效果。然而,檸檬酸對水稻根生長有抑制作用,不應被選擇作為水稻育秧基質(zhì)的調(diào)酸劑。稀硫酸、硫磺和磷酸二氫銨作為調(diào)酸劑,均存在不同的優(yōu)缺點,在后期試驗中,可將其進行復配,尋找最優(yōu)的調(diào)酸劑組合。