不同配比粉煤灰育苗基质对番茄幼苗生长生理的影响

Effects of Different Proportions of Fly Ash in Seedling Substrates on the Growth and Physiology of Tomato Seedlings

摘要

为探讨粉煤灰不同配比的育苗基质作为育苗的可行性和适宜配比，选取番茄为试验材料，设置7个处理，以商品基质为对照（CK），将10%和30%粉煤灰混合料分别与蛭石按不同体积比（1∶1、1∶2、1∶4）混合，分别记为M11、M12、M14、H11、H12、H14，研究复合基质的容重、孔隙度、气水比、pH、电导率、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等理化性质以及番茄幼苗的株高、茎粗、生物量、根冠比、壮苗指数、SOD活性、POD活性、CAT活性、MDA和叶绿素含量等指标。结果表明，粉煤灰育苗基质能显著提高番茄幼苗的株高、茎粗、生物量、根冠比、叶绿素含量，对番茄幼苗生长具有一定的促进作用。其中，与对照相比，H12（30%粉煤灰基质∶蛭石=1∶2）处理番茄的株高、茎粗、叶绿素含量分别显著增加22.3%、23.6%和8.7%；POD活性和SOD活性均明显高于其他处理。通过主成分分析和综合评价发现，H12处理的得分最高，即育苗基质为30%粉煤灰堆肥基质∶蛭石=1∶2配比时，番茄幼苗的整体长势较好。

Abstract

In order to explore the feasibility and optimal proportions of seedling substrates with different ratios of fly ash, in this study, tomatoes were selected as the test material. Seven treatments were set up, with a commercial substrate as the control group(CK), and 10% and 30% of fly ash mixtures were mixed with vermiculite at ratios of 1∶1, 1∶2, and 1∶4, respectively, designated as M11, M12, M14, H11, H12, and H14. The physicochemical properties of the composite substrates, including bulk density, porosity, air-water ratio, pH, conductivity, organic matter, available nitrogen, available phosphorus, and available potassium, were examined. Additionally, the growth and physiological indices of tomato seedlings, such as plant height, stem thickness, biomass, root-crown ratio, seedling index, SOD activity, POD activity, CAT activity, MDA content, and chlorophyll content, were investigated. The results showed that fly ash seedling substrate could significantly increase the plant height, stem thickness, biomass, root-crown ratio, and chlorophyll content of tomato seedlings, promoting their growth. Specifically, compared with the control group, the H12 treatment(30% of fly ash∶vermiculite=1∶2) showed significant increases in plant height, stem thickness, and chlorophyll content by 22.3%, 23.6%, and 8.7%, respectively, and both POD and SOD activities were significantly higher than those of other treatments. The H12 treatment was found to have the highest score through principal component analysis and comprehensive evaluation. The appropriate fly ash ratio could improve the growth physiology of tomato seedlings and the overall growth of tomato seedlings was better when the substrate consisted of 30% of fly ash compost and vermiculite at a ratio of 1∶2.

Graphical abstract

关键词

育苗基质 / 粉煤灰 / 番茄幼苗 / 理化性质

Key words

seedling substrate / fly ash / tomato seedlings / physicochemical properties

无土栽培技术以基质栽培为主要形式，越来越多地被用于种植花卉和蔬菜，同时也受到了更多关注和研究^[1-2]。育苗基质不仅在某种程度上用来取代土壤，也可以逐步把对土地结构的破坏程度减少，还具有高效、价格低、方便开展机械化管理、远距离移栽与运输等突出优势^[3]。传统园艺基质通常由草炭、珍珠岩和蛭石等原料组成，全球每年产出大约9 000 m³的草炭。然而，过度开采草炭会严重破坏环境，一些欧洲国家制定了限制草炭开采的政策^[4]。近年来，我国草炭资源的匮乏，造成了草炭种苗的底物供给严重不足，草炭的过度开发还会对湿地生态系统造成损害，加剧气候变化。陕西省作为煤炭大省，2022年粉煤灰产生量约1 500万~1 800万t，占全国总量的5%，主要集中在榆林、延安等煤炭富集区。作为火力发电的副产物，粉煤灰具有小球状、网格状结构，具有疏松、多孔、透气、保水等特点，并含有大量的营养元素^[5]，将其应用于基体制备，绿色、环保、廉价，既能实现对工业废料的高效资源化，还能实现环保效益。

基质能够代替土壤，对作物生长具有协调作用，是调节水、气、肥三大功能的物质基础。以往的研究表明^[6-8]，粉煤灰与泥炭、菇渣和醋糟等有机物按照一定比例复配可形成优质的育苗和栽培基质，可以降低基质生产成本且拓展粉煤灰资源化利用途径。杨洋等^[9]研究表明，当粉煤灰、泥炭、木屑、稻壳以2∶6∶1∶1的体积比复配后，提高了高羊茅的株高、盖度、分蘖数、地上生物量和地下生物量。杨博雯等^[10]研究表明，醋糟与粉煤灰混配可以调整基质的孔隙度，改善持水力，同时可以提高龙葵幼苗的出苗数、分蘖数、株高和生物量。

我国的粉煤灰利用率仅为25%，且大部分都集中在建筑和建材领域，而对其用于农业的研究还相对较少^[11]。

本研究根据榆林市现状，将工业废弃物粉煤灰、农业废弃物羊粪和秸秆进行混配，研究不同配比粉煤灰育苗基质条件下基质理化特性以及对番茄幼苗生长生理指标的影响，并通过主成分分析法筛选出适合番茄生长的适宜配比，旨在为固废资源循环利用和无土栽培基质开发提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验所用粉煤灰由国能锦界能源有限责任公司提供；羊粪从榆林市养羊场购买；玉米秸秆采自陕西榆林玉米田，粉碎至2~3 cm后备用；蛭石购自泰安三石科技有限公司，粒径为3~6 mm。供试番茄品种为金牌全能，购自榆林市种子公司；草炭购自河南省环硕园林绿化工程有限公司。

1.2 试验设计

试验于2022年6—12月在陕西省榆林市陕西省矿区生态修复重点实验室的温室内进行。将羊粪、玉米秸秆按体积比1∶1复配，通过控制粉煤灰比例（10%、30%）进行复配，所有处理含水量保持在60%左右，放入专用堆肥桶中进行好氧堆肥，经35 d堆置后，达到无害化处理（连续7 d保持50 ℃以上）。经过好氧堆肥的混合基质与蛭石按照不同体积比进行混合配制（表1），共设置7个处理，每个处理3次重复。育苗选用美式黑塑72孔穴盘，挑选颗粒饱满完整的番茄种子，用55~60 °C温汤浸种30 min后进行催芽。挑选露白达到75%以上的种子进行播种，每个处理1盘，每穴播1粒，播种结束后将穴盘置于温室内，育苗周期为25 d，育苗过程中根据苗情定期补充水分。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 粉煤灰混合基质重金属潜在生态风险评价

根据王晓睿等^[12]使用的评价方法及分级标准对该粉煤灰混合基质重金属进行评价，潜在生态风险评价参照HAKANSON^[13]。

E_r^i=T_r^i\frac{C_i}{C_n^i}（1）

RI={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{E}_r^i（2）

其中，RI为粉煤灰堆场基质中多种重金属潜在生态风险指数；E_r^i为重金属i的潜在生态风险系数；T_r^i为重金属元素i的毒性系数；C_i为单一元素实测值；C_n^i为单一元素参比值。

5种重金属元素毒性系数Pb=5、Cd=30、Cr=2、As=10、Hg=40^[14]。将重金属的潜在生态风险系数分为5个等级，潜在生态风险指数划分为4个等级（表2）。

1.3.2 基质理化性质测定

育苗前测定基质理化性质。采用李耀龙等^[15]的方法测定粉煤灰育苗基质容重、孔隙度、气水比等物理特性。用pH酸度计（PHSJ-3F）测量pH值，用雷磁电导率仪（DDS-307A）测量EC值。采用重铬酸钾外加热法测定有机质含量，采用碱解扩散法测定碱解氮含量，速效磷含量采用钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用火焰光度法测定^[16]。

1.3.3 番茄幼苗生长指标的测定

待幼苗长至2片真叶时，每个重复随机挑选10株正常生长的番茄幼苗，每隔5 d记录一次数据。测量番茄幼苗的株高和茎粗，并用天平测定其地上部分和地下部分鲜质量，番茄幼苗烘干后测定其干质量，计算根冠比及壮苗指数。

1.3.4 番茄幼苗生理指标的测定

叶绿素含量使用叶绿素仪测定，采用硫代巴比妥酸法（TBA）测定丙二醛（MDA）含量^[17]，利用氮蓝四唑光还原法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚比色法测定，采用紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性^[18]。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2022软件和Origin 2022进行数据处理和作图，采用SPSS 26软件对试验数据进行差异性分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰混合基质的生态风险评价

将煤基固废应用于育苗基质是否会重金属超标，从而影响健康是人们关注的焦点。本试验中利用不同配比粉煤灰混合基质育苗，在对育苗基质进行评价的同时，也对添加粉煤灰的混合基质是否会带来生态风险进行评价。由表3可知，经过好氧堆肥后的粉煤灰基质中的5种重金属潜在生态风险系数均小于40，潜在生态风险指数小于150，根据相对应的生态风险等级标准，在每种处理中加入不同比例的粉煤灰混合基质的潜在生态风险水平是低风险，因此，可以认为本试验中所使用粉煤灰对育苗基质造成重金属污染的生态风险较低。

2.2 不同配比粉煤灰育苗基质的物理性质分析

从表4可以看出，H11处理的容重最大，为0.36 g/cm³，所有处理的容重较CK显著提高（P<0.05），分别提高了2.33倍、2.33倍、1.44倍、3.00倍、2.44倍和1.44倍。各处理的总孔隙度在53.27%~62.07%，M12处理的总孔隙度与CK相比，增加了10.78%。各处理的通气孔隙度为10.00%~15.60%，M11、M12和M14处理的通气孔隙度整体略高于H11、H12和H14处理。持水孔隙度最大的是M12处理（46.63%），CK与其他处理间差异不显著。各组处理的气水比在0.22~0.42，H组的气水比较小，M组的气水比最大，相同粉煤灰含量的组中随着蛭石的增加气水比呈现递增趋势。

2.3 不同配比粉煤灰育苗基质的化学性质分析

从表5可以看出，除M11处理的pH值大于8，其余各组配比的基质均在7~8，均大于CK。EC值方面，呈现一种递减的趋势。各处理的EC值在1.73~7.07 mS/cm。相对于CK，M11处理的EC值提高了3.09倍；不同配比粉煤灰育苗基质处理中，CK的有机质含量最高，与M11处理间差异不显著，但显著高于其他处理（P<0.05）。不同配比粉煤灰育苗基质的有机质含量随着粉煤灰及蛭石的增加而降低。M11处理的碱解氮含量最高，较CK增加70.38%。M11处理的速效磷含量最高，比CK高14.35%，其余各处理呈递减趋势。M11处理的速效钾含量最高，H11处理和M12处理次之，M14、H12和H14处理与CK间无显著差异。

2.4 不同配比粉煤灰育苗基质下番茄幼苗的株高、茎粗分析

从图1可以看出，在育苗的5、10 d内，M14处理的株高最高；在育苗后的15 d，H12处理的株高最高，比CK高14.55%；育苗后的20 d，H处理的株高高于M处理，推测粉煤灰的添加促进了番茄幼苗株高的生长。综上，H12处理的番茄幼苗生长状况最好，其次依次是H11、M14处理。

从图2可以看出，育苗5 d后，M12处理的茎粗最大，为1.19 mm，H12处理的茎粗最小，二者相差0.21 mm；育苗后10 d，各处理的茎粗均大于CK，H11处理的茎粗最大，其次依次是M14、H12；育苗后15 d，H11处理的茎粗高于其他处理，其次依次是H12、M14处理，M11处理的茎粗最小；在20 d时，M14处理比M11、M12、H11、H12、H14处理和CK分别高29.71%、20.13%、9.05%、3.47%、11.18%和27.86%。

2.5 不同配比粉煤灰育苗基质对番茄幼苗生物量、根冠比及壮苗指数的影响

由图3可知，地上部分鲜质量M14处理最大，M11处理最小；地下部分鲜质量中H12处理最大，为15.52 mg，显著高于M11、M12、H11、H14处理和CK（P<0.05），与M14处理间无显著差异。

地上部分干质量以M14处理最大，其次为H12处理，M11处理的地上部分干物质量最小；在地下部分干质量方面，H12处理的干质量最大，其次为M14和H11处理，M11处理的干质量最小。H12处理的根冠比显著高于其他处理，较CK提高1倍，M11、M12、M14和H11处理与CK差异显著（P<0.05）。H12处理的壮苗指数显著高于其他处理，较CK增加了1.13倍。M11处理低于CK，其他处理均高于CK，M12处理与CK的壮苗指数间无显著差异（图3）。

2.6 不同配比粉煤灰育苗基质对番茄幼苗生理指标的影响

2.6.1 不同配比粉煤灰育苗基质对番茄幼苗抗氧化酶活性和MDA含量的影响

不同配比粉煤灰育苗基质对番茄幼苗抗氧化酶活性和MDA含量的影响如图4所示。

由图4可知，M11、M12、M14处理的SOD活性明显低于CK与其他处理，H14处理的SOD活性与CK无明显差异。H11处理的POD活性最高，M11处理的POD活性最低，H11处理比CK高4.49%。不同配比粉煤灰育苗基质对番茄幼苗CAT活性整体表现为H14>H12>M11>M12>CK>M14>H11，M11、M12、H12和H14处理均显著高于CK（P<0.05）。M11处理的MDA含量显著高于M14、H11、H12、H14处理和CK（P<0.05）；与M12处理间无显著差异。

2.6.2 不同配比粉煤灰育苗基质对番茄幼苗叶绿素含量的影响

从图5可以看出，番茄幼苗叶绿素含量的大小排序为H11>H12>M12>CK>H14>M14>M11。H11处理的叶绿素含量最高，与CK相比，增加10.49%，其次是H12处理。从整体来看，M12、H11和H12处理均显著高于其他处理（P<0.05），含30%粉煤灰处理的叶绿素含量整体水平高于含10%粉煤灰处理。

2.7 不同配比粉煤灰育苗基质下番茄幼苗生长指标综合评价

通过上述指标分析可以看出，不同配比粉煤灰育苗基质对番茄幼苗均有一定的影响。因此，利用指标之间的相关性进行主成分分析及建立综合效应评价，通过计算每个因素处理综合得分，可以获得综合性能更好的配比基质。

从图6可以看出，13个指标之间具有一定的相关性，因此，可以进行主成分分析。对指标进行主成分分析后，转换为2个新的综合指标，分别为Y1、Y2。各项指标的数据标准化处理后，将主成分Y1、Y2代入综合评价方程Y，得出各处理的综合得分。

Y1=-0.293X1-0.129X2-0.241X3-0.319X4-0.274X5-0.305X6+0.323X7+0.299X8+0.322X9+0.345X10+0.248X11+0.286X12+0.100X13（3）

Y2=0.120X1+0.434X2+0.361X3+0.134X4+0.324X5+0.193X6+0.016X7+0.264X8+0.193X9+0.047X10+0.340X11+0.266X12+0.459X13（4）

综合评价方程Y=0.693Y1+0.307Y2（5）

将不同基质配比下番茄幼苗生长指数数据进行综合评价，结果如表6所示，H12处理得分最高，为2.54，有较大优势。不同处理的得分大小依次为H12>M14>H14>H11>CK>M12>M11。

3 结论与讨论

3.1 粉煤灰育苗基质物理性质对番茄幼苗的影响

粉煤灰不仅可以提高作物产量和品质、防治病虫害、控制杂草生长，而且还能提高水资源利用率，改良荒漠土壤，在农业生产上得到利用^[19]。基质的构成取决于水分、养分的吸附性能和空气含量，从而调控植物对水分和养分的吸收、转运及利用效率。因此，基质的物理、化学特性和幼苗的生长发育状况有关，其容重和孔隙度是控制植株生长发育的主要原因^[20]。容重大小变化受控于基质粒径分布与总孔隙度协同作用，容重偏高时，基质呈现致密化堆积状态，虽能提升持水容量，但导致孔隙气体交换受阻；容重偏低时，基质则形成松散型架构，虽增强通气度，却造成水分保持能力弱化，同时引发根系固着稳定性下降^[21]。李谦盛^[22]研究结果显示，理想的基质容重是0.1~0.8 g/cm³，通气孔隙度在15%~30%。张强等^[11]研究认为，根际环境中总孔隙度应在54%~95%、持水孔隙度在40%~75%、气水比为0.25~0.50时，才能有利于植物根系的生长和发育，进而促进幼苗生长。在本研究中，容重除CK外，其他处理均在标准范围内，孔隙度、气水比均能满足理想基质的要求。M11和M12处理的总孔隙度和持水孔隙度高于其他处理。说明适当增加粉煤灰在基质中的比例，有助于基质孔隙度状况的改善^[23]。

3.2 粉煤灰育苗基质化学性质对番茄幼苗的影响

张秀丽^[24]研究表明，pH值在6.0~7.5的基质较为理想。一般来说，EC值在0.75~3.49 mS/cm^[25]。在本研究中，除M11处理的pH值大于8外，其余各处理的pH值介于7~8。因pH和EC与基质可溶性盐密切相关，故推测当地的水质为碱性。本研究表明，添加30%粉煤灰的pH较10%粉煤灰的pH低，说明粉煤灰经过堆肥，其中微生物繁殖产生有机酸会引起pH值下降，这与前人研究相似^[26]。H11、H12和H14处理的EC值符合标准范围，而M11、M12、M14处理的EC值偏高。H处理组的EC值比M处理组的EC值低，推测粉煤灰的添加降低了基质的EC值。育苗基质中含有氮、磷和钾等营养元素，这些营养元素对植物的生长和发育至关重要。M11处理的有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量最高，与其他处理间差异显著。说明蛭石与粉煤灰比例的增加降低了基质中的养分含量。

3.3 粉煤灰育苗基质对番茄幼苗生长和生理的影响

株高和茎粗是植物的重要生长指标，可以直观地体现植物的生长发育情况^[27]。番茄幼苗的生物量是干物质累积的一个指标，也可以体现植物当前的生长情况^[28]。董娇等^[29]研究了4种基质对油松容器苗叶长、叶面积、苗高、地径、冠幅和生物量等的影响，结果表明，育苗基质对油松苗的生长均有促进作用。PANDA等^[30]研究表明，在土壤中添加50%的粉煤灰可明显增加植物的生物量。杨军等^[31]研究显示，壮苗指数、G值等与番茄前期产量之间存在显著的正相关关系，因此，这些因素可以作为主要指标用于评估番茄幼苗品质，并更好地预测番茄产量。根冠比是反映植物对土壤水分吸收利用和植物遭受干旱胁迫时生物量分配的重要指标^[32]。光能的吸收、传递和转化是叶绿素在植物光合过程中的重要体现^[33]。丙二醛（MDA）是一种膜脂质过氧化物质，在植物损伤和老化期间，活性氧物质的积累引起膜脂质过氧化，因此，植物的氧化胁迫与MDA含量成正比，这也是测定膜质过氧化的重要指标^[34]。本试验中，H12处理的株高、壮苗指数和叶绿素含量最高；H11处理的MDA含量最小，说明H11处理的基质很大程度上提高了番茄幼苗抗逆性，促进了番茄幼苗的生长发育，使得番茄幼苗中的MDA含量明显减少；H11、H14处理的SOD活性与CK间无明显差异，且显著高于其他处理，推测添加了更高比例的粉煤灰的基质增加了番茄幼苗的抗性；H11处理的POD活性最高，而CAT活性则在所有处理中最低，可能是由于CAT与POD的相互协同作用，CK也呈现了相同的规律。综上，粉煤灰可以用作基质用于育苗，提高番茄幼苗的代谢水平，促进番茄幼苗的生长发育。

粉煤灰用于无土栽培育苗是可行的，作为育苗基质重金属潜在生态风险低，不同配比粉煤灰与蛭石混配后的育苗基质均符合育苗基质的物理性质，处于理想基质的范围。综合评价表明，H12处理为最佳；M14处理次之，综合得分高于对照，更加适合用于番茄育苗，提高了育苗效果。从资源化利用角度出发，H12处理利用了更多的粉煤灰及农业固废，既为固体废弃物找到了处理方式，又有利于生态保护，还提高了生物量。因此，生产上可以选用H12处理（30%粉煤灰堆肥基质∶蛭石=1∶2）作为番茄育苗的基质。

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基金资助

国家自然科学基金(32360316)

陕西省科技厅创新能力支撑计划(2022PT-13)

陕西省科技厅区域创新能力引导计划(2021QFY04-03)