基于隶属函数法的辣椒育苗基质综合评价

Comprehensive evaluation of pepper seedling substrate based on membership function method

摘要

目的 筛选出以农业废弃物为主要原料的辣椒育苗基质配方，为辣椒育苗技术提供参考。 方法 将小麦秆、棉花秆、羊粪、草炭和蛭石按不同体积比设置5个处理，CK（草炭∶蛭石=7∶3），T₁（小麦秆∶棉花秆∶羊粪∶蛭石=2∶3∶2∶3）、T₂（小麦秆∶棉花秆∶羊粪∶蛭石=3∶2∶2∶3）、T₃（小麦秆∶棉花秆∶羊粪∶蛭石=4∶1∶2∶3）、T₄（小麦秆∶羊粪∶蛭石=5∶2∶3），研究不同基质配方容重、pH、EC、脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性及全氮、全磷、全钾含量对辣椒株高、茎粗、叶片数、干鲜质量、根系活力和叶片中叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白含量的影响。 结果 T₄处理容重为0.55 g/cm³，pH为7.07，EC为1 287.67 μS/cm，适宜辣椒生长，且T₄处理的脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性及全氮、全磷、全钾含量均显著高于对照和其他处理；此外，T₄处理下辣椒植株长势优于其他各处理，且叶片叶绿素、可溶性蛋白、可溶性糖含量及根系活力均显著高于其他处理，隶属函数平均值为0.529，显著高于其他处理。 结论 T₄（小麦秆∶羊粪∶蛭石=5∶2∶3）配方理化性状优异，辣椒的生长状况最好，更适宜作为辣椒的育苗基质。

Abstract

Objective The aim of this study was to screen out the substrate formula for pepper seedling with agricultural waste as the main raw material，so as to provide reference for pepper seedling technology. Method In this study，five treatments were set up according to the volume ratios of wheat-stalk，cotton-stalk，sheep manure，peat and vermiculite，which were CK （peat∶vermiculite=7∶3），T₁（wheat-stalk∶cotton-stalk∶sheepmanure∶vermiculite=2∶3∶2∶3），T₂（wheat-stalk∶cotton-stalk∶sheepmanure∶vermiculite=3∶2∶2∶3），T₃（wheat-stalk∶cotton-stalk∶vermiculite∶sheepmanure∶vermiculite=4∶1∶2∶3） and T₄（wheat-stalk∶sheepmanure∶vermiculite=5∶2∶3）.The effects of bulk density，pH，EC，urease，catalase，sucrase and phosphatase activities and total nitrogen，total phosphorus and total potassium contents of medium on plant height，stem diameter，leaf number，dry and fresh weight，root activity and chlorophyll，soluble sugar and soluble protein contents in leaves of pepper were studied. Result The bulk density，pH and EC of T₄ treatment were 0.55 g/cm³，7.07 and 1 287.67 μS/cm，which were suitable for the growth of pepper.The activities of urease，catalase，sucrose and phosphatase，and the contents of total nitrogen，total phosphorus and total potassium of T₄ treatment were significantly higher than those of control and other treatments.In addition，the plant growth of pepper under T₄ treatment was superior to other treatments，and the contents of leaf chlorophyll，soluble protein，soluble sugar and root activity were significantly higher than other treatments.The average membership function was 0.529，which was significantly higher than other treatments.The bulk density，pH and EC of T₄ treatment were 0.55 g/cm³，7.07 and 1 287.67 μS/cm，which were suitable for the growth of pepper.The activities of urease，catalase，sutase and phosphatase，and the contents of total nitrogen，total phosphorus and total potassium in T₄ treatment were significantly higher than those in control and other treatments.In addition，the plant growth of pepper under T₄ treatment was better than other treatments，and the contents of leaf chlorophyll，soluble protein，soluble sugar and root activity were significantly higher than other treatments，with the mean value of membership function 0.529，which was significantly higher than other treatments. Conclusion The formula T₄ （wheat-stalk∶sheep manure∶vermiculite=5∶2∶3） had excellent physical and chemical properties，and the growth condition of pepper was the best，which was more suitable for pepper seedling substrate.

Graphical abstract

关键词

辣椒 / 基质配方 / 理化性质 / 基质酶活力 / 隶属函数

Key words

pepper / matrix formula / physical and chemical properties / matrix enzyme activity / membership function

辣椒（Capsicum annuum L.）为茄科、辣椒属一年或多年生草本植物，维生素C的含量极高^［1］，约400年前传入我国，并广泛种植，产值和效益居蔬菜作物之首，是中国人餐桌上不可或缺的重要食材^［2］。随着市场需求的日益增长，辣椒种植呈现出规模化、区域化和品牌化的特点，因此生产中由于连作导致的病虫害发生严重，产量品质下降的现象较为突出。无土栽培技术可以有效缓解土壤连作障碍，减少土传病害的发生和农药施用量，同时不受土壤条件限制，在我国广袤的西部非耕地区域已经产业化推广^［3］。加之我国是农业大国，秸秆年总产量约9.40亿t，占全球秸秆总产量的18.50%，为世界第一秸秆产量大国^［4］，畜禽粪便年产生量约38亿t，资源化利用率为70%^［6］。秸秆和畜禽粪便的无害化处理及资源化利用途径近年来研究较多，但不同作物养分需求规律不同，栽培基质配比也应不同，农业废弃物来源广泛，其理化性质又存在明显差异，生产中往往基质配比混乱，无法满足不同作物生长，不仅会造成原料浪费，还制约基质栽培技术的进一步推广应用。鲜开梅^［7］研究中发现，农业废弃物腐熟后的理化性质均符合栽培基质的要求，而无土栽培需要大量的基质资源，使用以农业废弃物为原料的基质，解决了农业废弃物的处理难题，也为无土栽培提供了基质原料。近年来，有关农业废弃物的基质化利用在黄瓜、番茄、茄子、辣椒等 ^［10］蔬菜作物上的报道较多，涉及到的废弃物有玉米秸秆^［11］、菇渣、羊粪等^［12-13］。但小麦秆等在作为基质原料方面研究较少，小麦秆是一种常见的农业废弃物，作为栽培基质，可以改善基质理化性质，并提供有机养分，促进作物生长^［14］。本试验以小麦秆、羊粪、棉花秆、草炭、蛭石为原料，栽培后测定不同配方基质的理化性状和辣椒生长、生理指标，通过模糊数学隶属函数法进行综合评价，旨在筛选出最佳辣椒栽培基质配方，为辣椒基质无土栽培栽培技术的优化和推广应用提供相关理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试作物辣椒品种为京旋125杂交一代，供试基质原料为腐熟的小麦秆、棉花秆、羊粪以及草炭、蛭石。

1.2 试验设计

本试验于2019年3~11月在甘肃农业大学现代温室与蔬菜生理实验室进行。将小麦秆、棉花秆、羊粪、草炭、蛭石按照不同体积比混配，采用盆栽试验，共设5个处理，每处理4重复，每个重复9盆，具体基质配比及处理见表1，辣椒种子经过温汤浸种，催芽后进行穴盘育苗，待幼苗长出4~5片真叶时定植于大小一致直径30 cm、高20 cm的花盆中，管理方式一致。

1.3 指标测定及方法

定植后每隔7 d测定一次株高、茎粗、叶片数，在定植后21 d测量基质理化性质和辣椒生长及生理指标，包括基质容重、pH、EC、酶活性、全N、P、K含量、根系活力、干鲜质量、叶片中叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白。

1.3.1 容重及pH、EC的测定

基质容重采用环刀法测定^［15］。pH和EC值分别用pH计和电导率仪测定，具体方法为：将风干基质过1 mm筛，称取10 g基质样品，然后按质量比为1∶5加入去离子水后震荡30 min，静止，过滤，用PHSJ-3F pH计测定滤液 pH，用DDS-307A电导仪测定其EC值。

1.3.2 基质酶活性测定

脲酶活性采用靛酚蓝比色法^［16］进行测定；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法测定^［17］。

1.3.3 基质全N、全P、全K含量测定

全氮、全磷、全钾采用鲍士旦的方法测定^［18］。全氮利用K1100全自动凯氏定氮仪测定，全磷用钼锑抗比色法，全钾利用火焰光度计测定。

1.3.4 辣椒生长指标测定

株高的测量方法：用带刻度的尺子测量从辣椒基部到顶部生长点的距离；茎粗的测量方法：用游标卡尺在第一个节位上部1 cm处测定取值；叶片数的测量方法：数出从植株基部到生长点的所有叶片数；干鲜质量的测量方法：用电子天平测量辣椒地上部和地下部的鲜质量，将其放入烘箱内105 ℃杀青30 min之后于80 ℃下烘干，待恒质量后用电子天平测定干质量。

1.3.5 辣椒生理指标测定

根系活力测定采用TTC法^［19］，可溶性糖含量采用蒽酮比色法进行测定^［20］，用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量。

1.4 数据分析

利用Excel 2010软件处理数据并作图，用SPSS 18对数据进行单因素方差分析，并运用Duncan检验法对显著性差异（P < 0.05）进行多重比较。

隶属函数法^［20］计算公式：与作物生长呈正相关的指标采用以下公式计算隶属函数值：

隶属值＝（X-X_min）/（X_max-X_min）

式中：X为测定值，X_max为最大值，X_min为最小值。

与作物生长呈负相关的指标采用以下公式计算隶属函数值：反隶属函数与单株鲜质量呈负相关。

反隶属函数值＝１-（X－X _min）/（X_man-X_min）

将隶属函数值进行累加，求取平均值，平均值越大，则该处理基质理化性质最优，更适宜温室辣椒的栽培。

2 结果与分析

2.1 不同配方对基质容重、pH和EC的影响

如图1-A所示，各处理基质容重在0.47~0.55 g/cm³之间，其中CK处理基质的容重最大，T₁处理最低，且T₁、T₂较CK显著降低18.8%、8.7%，其他处理与CK无显著差异。图1-B各处理基质pH在6.70~7.91之间，均满足植物生长需求，其中T₁、T₂、T₃处理较CK分别高出14.07%、11.69%、18.00%，且差异显著，T₄处理与CK无显著差异。图1-C中各处理EC值都在标准范围0.5~3.0 mS/cm之内，T₄配方EC值最大，显著高于其他处理，比CK提高104.30%，比T₁、T₂、T₃处理分别提高9.90%、14.20%、9.28%。

2.2 不同配方对基质酶活性的影响

如图2-A~D所示，不同配方基质的酶活性中，脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性变化趋势基本相似，其中T₄的脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性最高，且显著高于CK，增幅分别295.63%、9.31%、99.63%、52.78%，T₁和T₃的4种酶活性也分别较CK显著增加182.42%、5.78%、25.53%、3.27%和178.37%、6.45%、66.39%、4.02%，T₂处理的脲酶活性、磷酸酶和过氧化氢酶活性也均显著高于CK，而蔗糖酶活性与CK间无显著差异。

2.3 不同配方对基质N、P、K含量的影响

如表3所示，不同处理间全氮含量存在显著差异。其中T₄处理的全氮含量最高，较CK显著提高7.71%，T₁和T₂处理的全氮含量显著低于CK，降幅分别为7.99%、7.46%，T₃处理与CK无显著差异。全磷和全钾含量趋势相似，表现为：T₄>T₂>T₁> T₃>CK，且均显著高于CK，各处理全磷分别较CK显著提高33.07%、29.37%、33.07%、47.62%；T₄处理钾含量最高，较CK显著提高263.36%。

2.4 不同配方基质对辣椒生长指标的影响

由图3-A可看出，定植后14 d，T₃处理株高显著低于CK，其他处理基质辣椒株高无显著优势，定植21 d后，T₄处理的株高显著大于CK，增幅为10.93%，T₁、T₂、T₃较CK差异不显著，在定植后28 d，T₄处理较CK增幅为8.82%，其他处理间差异不显著。由图3-B可见，定植后7 d，T₁处理茎粗显著大于CK，定植后14 d，T₁、T₄处理茎粗均显著大于CK。在定植21 d，T₄处理的茎最粗，且与其他处理差异显著，较CK显著增加16.24%，仅T₂处理与CK无显著差异；在定植后28 d时，T₄处理的茎粗较CK显著增加16.58%。从图3-C可知，在定植后14 d和21 d时，T₄叶片数均最多，较CK分别显著提高8.15%和16.18%，T₁、T₂、T₃处理叶片数与CK无显著差异，定植后28 d时，T₄处理叶片数仍最多，显著高于CK，增幅达25.00%。

2.5 不同配方基质对辣椒根系活力的影响

根系是植物吸收水分和养分的器官，根系活力直接影响到植株地上部分的生长。从图4中看出，在不同基质配方下，辣椒根系活力差异较大，T₄处理根系活力最强，比CK显著增加118.03%，T₃处理的根系活力较CK显著提高48.81%，T₁和T₂处理与CK间无显著差异。

2.6 不同配方基质对辣椒干鲜重的影响

由表4可知，辣椒地上部干质量、根干质量、整株鲜质量均为T₄处理最大，较CK分别增加68.66%、90.39%、38.54%。T₂地上部干质量、根干质量和整株鲜质量均最小，分别较CK减低48.14%、47.27%、48.53%，T₁根冠比最大，较CK增加125.06%。

2.7 不同配方基质对辣椒叶绿素的影响

由表5可知，T₄处理辣椒叶片叶绿素a、叶绿素总含量均显著高于CK，分别增加84.04%、72.10%；T₂处理叶绿素b含量显著低于CK，降幅为27.00%，其余各处理间差异不显著。但T₄处理中各叶绿素含量均达最大值。

2.8 不同配方基质对辣椒叶片可溶性糖和可溶性蛋白的影响

由图5-A可知，T₁、T₄处理叶片可溶性糖含量分别为22.88、23.09，显著高于其他处理，且较CK分别提高34.59%、35.82%；图5-B为不同处理辣椒可溶性蛋白含量，其中T₂、T₄处理含量显著高于其他处理，且较CK增幅分别为84.75%、109.29%，但T₂处理与CK间无显著差异。

2.9 隶属函数分析

表6中利用隶属函数法，对各配方基质理化性质进行多指标综合评价，值越大，基质理化性质越好。各处理的隶属函数平均值均高于CK，说明各配方基质理化性质的综合指标均优于CK；T₄隶属函数平均值显著高于其他处理，综合分析表明，T₄（小麦秆∶棉花秆∶羊粪∶蛭石=5∶0∶2∶3）处理机制理化性状最优异，更适宜作为辣椒的无土栽培基质。

3 讨论

基质的容重、pH和电导率（EC）等性状都是评价基质品质的重要指标^［11］，基质容重越大，对作物根系的固定能力就更好，但过大会造成基质透气性变弱，不利于根系生长；容重越小，基质越疏松，过小则无法起到固定根系的作用，本试验中，不同配方基质的容重在0.47~0.55 g/cm³之间（图1-A），均在适宜作物生长的范围内（0.237 1~0.858 4 g/cm³）^［13］，T₁处理的容重最小，主要是因为T₁处理中含有较多大颗粒的棉花秆，使得其容重降低。其他各处理的容重差异不显著。基质pH可直接影响基质中养分存在形态转化和养分的有效性。本试验中，不同配方基质的pH在6.70~7.91之间（图1-B），适合北方植物生长的pH范围是6.5~7.5^［13］。，除T₃处理pH略高，其他处理均在此范围内。电导率EC反应基质已电离的盐类溶液的浓度，EC值不当也会影响作物的生长，太高造成烧苗现象，太低则养分不足，合理的EC值通常在0.5~3.0 mS/cm范围内；本试验各处理的不同配方基质EC值均在0.63~1.29 mS/cm之间（图1-C），T₄处理EC值显著高于CK、T₁、T₂、T₃，这可能因为添加的小麦秆中钾离子等可溶盐含量较高进而提高了基质的EC值。

基质酶活性可表征基质微生物的活动状况，还能反映基质微生物对有机质的转化效率。在基质筛选时还用基质酶活性来评估肥力^［21］，有研究指出植物残体在腐解后释放酶进入土壤，作用于土壤动物和微生物间接影响土壤酶活性^［22-23］。大量研究表明^［24-28］腐熟秸秆复配其他基质，能提高作物产量，改善品质，可用作栽培或育苗。戴志刚^［29］提出小麦、水稻、油菜等秸秆中含碳量较高，能提高土壤有机质含量，且小麦秆碳释放率最高。曾清华^［30］和聂书明^［31］筛选出T₁ （小麦秸秆基质∶蛭石∶草炭=50∶25∶25）、（菇渣∶麦秆∶河沙=4∶4∶2） 等适宜番茄栽培的配方。本试验中，T₄处理的脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性都显著优于其他处理（图2），其中小麦秆含量较高，养分充足（表2），间接提高了基质酶活性，与前人研究结果一致。

基质全氮、磷、钾含量可以在一定程度上反映基质对蔬菜潜在的供肥能力指标。周朝勤等^［32］研究发现基质中腐熟的秸秆和畜禽粪便能提高基质有机氮含量。吴庆强等^［33］研究发现蔬菜作物对氮和钾养分吸收量影响大于磷。黄科等^［34］研究发现一定比例的氮磷钾配比可以显著提高辣椒的品质。土壤养分含量与土壤酶活性存在较大的相关性。本试验中T₄处理的全氮和全钾含量都显著高于其他处理（表3），且四种酶活性都显著高于其他处理，说明腐熟秸秆可以提高基质肥力，为根际微生物提供适宜环境，保持基质酶活性，这与前人结论相一致^［35］。

生长指标可以反应出辣椒在定植后生长发育状况。陈耀兵、刘升学等^［37］研究表明，复配有机基质可以促进辣椒和番茄植株的生长，株高茎粗可反应植株的生长状况，根系的生长情况和活力状况直接影响植物营养的吸收^［38］，本试验结果同样表明，基质的体积配比不同，对辣椒的生长发育影响不同，T₄处理株高、茎粗、叶片数随着时间的推移慢慢表现出优势（图3），长势更佳，且根系活力显著高于其他处理（图4），表明T₄处理辣椒对营养物质利用效率最高，更有利于辣椒的生长。叶绿素参与光合作用中光能的吸收、传递和转化，其含量的高低直接影响着植物的光合作用进程和干物质的积累^［39］，李蒙^［40］等研究表明添加一定量的有机肥后，不同处理的叶绿素总量有不同程度的升高，说明添加一定量的有机肥能增加辣椒叶片光合色素含量，增强植株叶片光合能力。在本试验中（表5），T₄处理的叶绿素含量高于其他处理，更有利于辣椒植株进行光合作用。可溶性蛋白质通过主动积累来降低渗透势，是植物细胞质中的重要渗透调节物质之一^［41］，王翠丽等^［42］和赵海涛等^［43］研究结果表明，种植土中加入适量的蚯蚓粪可提高作物VC、可溶性蛋白、可溶性糖含量，并且在一定程度上可以增加作物产量。有机肥可以抑制可溶性糖向淀粉转化并促进作物中淀粉向可溶性糖转化，有机肥配施化肥可以提高可溶性糖的含量^［44］。本试验中CK基质配比单一，其可溶性糖和可溶性蛋白的含量低（图5），T₃和T₄处理的可溶性糖和蛋白的含量显著高于CK。T₄处理的可溶性糖和蛋白的含量都高于其他处理，可能是T₄处理含有较多小麦秆，养分更被辣椒根系容易被吸收，让植株生长健壮，使得辣椒体内淀粉顺利转化为可溶性糖，从而为辣椒生长发育提供源源不断的能量。

4 结论

由上述分析可知，T₄（小麦秆∶羊粪∶蛭石=5∶2∶3）处理配方理化性质最优，土壤酶活性、氮磷钾含量也较高；栽植的辣椒各项形态指标、干鲜重、叶绿素含量、叶片中可溶性蛋白、可溶性糖都较高，栽培效果较好，且隶属函数排名最高。综合分析得T₄（小麦秆∶羊粪∶蛭石=5∶2∶3）处理配方更适宜在辣椒基质配生产中推广应用。

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基金资助

甘肃省教育厅“双一流”科研重点项目(GSSYLXM-02)

中央引导地方科技发展专项(ZCYD-2020-5-2)

甘肃省民生科技专项(20CX9NA099)

国家现代农业产业体系专项(CARS-23-C-07)

甘肃农业大学伏羲青年英才培育基金项目(GAUfx-04Y03)