废弃菌糠在石漠化地区植被恢复中的应用

2017-01-11覃勇荣姚宗理张龙真李季穗

天津农业科学 2016年12期

覃勇荣++姚宗理++张龙真++李季穗++杨旭光++郭俊

摘要：为促进石漠化地区绿色发展，利用废弃菌糠为栽培基质，研究了菌糠发酵过程温度的变化，及其在不同压力处理条件下的保水特性，并以任豆种子为试验材料，测定其在纯菌糠基质和菌糠-黏土-尾矿混合基质中的发芽率和发芽势，以及幼苗移栽野外后的成活率和植株高度，探讨石漠化地区植被恢复的技术和方法。结果表明：（1）废弃菌糠经发酵处理4周后即可以作为栽培基质使用；（2）粘土和菌糠以1∶4的质量比混合时，栽培基质的粘结效果较好；（3）冲压成型压力对栽培基质料块的保水性和任豆种子发芽率均有一定的影响，冲压力为50 kN时，任豆种子在纯菌糠基质的发芽率和发芽势较高，冲压力为20 kN时，7∶2∶1质量比的菌糠-粘土-尾矿混合基质中，任豆种子的发芽率和发芽势较高；（4）纯菌糠基质或黏土-菌糠-尾矿混合基质，均可作为任豆幼苗栽培的基质使用，但后者的效果比前者更好；（5）对废弃菌糠进行必要的发酵处理，适当添加黏土、尾矿或其它基质，并对移栽后的幼苗进行有效的护理，不仅可以提高移栽成活率，还可以保证苗木质量。

关键词：岩溶地区；石漠化；废弃菌糠；任豆；植被恢复

中图分类号：X171.4 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.12.020

Application of Abandoned Edible Fungus Chaff in Vegetation Restoration in Karst Rocky Desertification Area

QIN Yongrong， YAO Zongli， ZHANG Longzhen， LI Jisui， YANG Xuguang， GUO Jun

（School of Chemistry and Biol-engineering， Hechi University， Yizhou， Guangxi 546300， China）

Abstract： In order to promote the green development of karst rocky desertification areas， the abandoned edible fungus chaff was used as plant cultivation substrates in vegetation restoration of the regions. The change of temperature was measured in the process of edible fungus chaff fermentation. The water retention characteristics of the materials were also studied under different pressure. In this study， Zenia insignis seeds were used as experimental material， its germination potential and germination rate were tested respectively in single matrix of edible fungus chaff or mixed matrix made of abandoned edible fungus chaff， clay and mine tailing. The survival rate and height of seedlings were measured after it was transplanted in the field. The project was to probe the techniques and methods of vegetation restoration in karst rocky desertification areas. The results showed that the abandoned edible fungus chaff could be used as cultivation matrix after fermentation four weeks. When clay and edible fungus chaff were mixed with the mass ratio of 1∶4， the bonding effect of growing media was better. Stamping pressure had some effects on water retention of the cultivation material block and the germination rate of Zenia insignis seeds. When the pressure was 50 kN， the germination potential and germination rate of the seeds in single edible fungus chaff matrix was higher. While the pressure was 20 kN， the germination potential and germination rate of the seeds was higher in mixed matrix made of abandoned edible fungus chaff， clay and mine tailing with the mass ratio of 7∶2∶1. Both fungus chaff and mixed matrix could be used as cultivation substrate in Zenia insignis seedlings planting， but the latter was better than that of former. In order to increase the survival rate and guarantee the quality of seedlings after transplanting， it was necessary to ferment the abandoned fungus chaff， and adding some clay， mine tailing and other material to make mixed cultivation matrix， take effective management and protection for the seedlings after transplanting.

Key words： karst areas；karst rocky desertification；abandoned edible fungus chaff； Zenia insignis；vegetation recovery

石漠化（Karst rocky desertification）是指在亚热带脆弱的喀斯特地质背景下，受人类不合理社会经济活动的干扰破坏，造成土壤严重侵蚀，基岩大面积裸露，土地生产力严重下降，地表出现类似荒漠化景观的土地退化过程[1]。广西被誉为“有色金属之乡”，已发现和探明的有色金属矿产资源有41种，占64种有色金属的64% [2]，但是，由于人口过度增长以及不合理的资源开发，导致我国西南地区的植被破坏和尾矿无序堆积问题比较严重，并引发了一系列的环境污染事件和社会问题[3-4]。石漠化是区域性的环境问题，被称为我国最严重的生态地质灾害，已成为制约区域经济可持续发展的重要障碍[5]，因此，石漠化治理迫在眉睫。

任豆树（Zenia insignis）又名“砍头树”，为苏木科（Caesalpiniaceae）任豆属（Zenia）落叶大乔木，主要分布于两广和云贵等省（区），是我国西南地区常见树种，被列为国家Ⅱ级重点保护植物[6]。任豆树是喀斯特岩溶地区的适生树种，也是石漠化治理的优良先锋树种[7-8]。国内学者对食用菌菌糠的成分及再利用问题进行了一些研究，但通常是将其作为食用菌栽培辅料或饲料再利用居多[9-12]，关于废弃菌糠在石漠化地区植被恢复中的应用研究却鲜有报道。

菌糠具有良好的透气性和保水性，能有效改善土壤理化性状和植物根际环境，因而在土壤改良和作物栽培中具有较大的潜在价值[13]。植物移栽后，菌糠不仅可以为幼苗储存适当的水分，还能为其生长提供一定的养分。废弃菌糠在石漠化地区植被恢复中的应用，有利于解决缺水少土对植物生长的影响问题[14]。在不添加任何外源化学药品的前提下，将菌糠、粘土和尾矿按照适当比例混合之后，作为当地造林先锋树种（任豆树）栽培的基质，并开展植被恢复相关技术研究，通过对菌糠进行无害化处理而实现资源再利用，是一种环境友好的技术方法[15]。该研究旨在改善脆弱的喀斯特生态环境，实现生态与经济共赢。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

本研究的种子发芽试验地点和野外栽培样地均位于广西宜州市境内。种子发芽试验在河池学院植物学实验室进行，野外栽培试验在宜州市城北王八山样地进行。宜州位于广西壮族自治区中部偏北，地处北回归线以北，地理坐标为N24°30.633′， E108°39.100′，属于九万大山余脉，为土山丘陵和石山峰林的交错混杂地带，属亚热带季风气候区，气候温和，热量丰富，年平均气温19.6～20.3 ℃ ，年平均降雨量1 300～1 525 mm[16]。王八山样地的地理坐标为N24°30.870′， E108°39.903′，海拔高度为161 m，坡度45～50°，植被覆盖率约为50%，优势种为类芦（Neyraudia reynaudiana），伴生种为五节芒（Miscanthus floridulus）和地果（Ficus tikoua），灌木的种类和数量甚少，偶见黄荆（Vitex negundo）等阳生植物。因为王八山原为宜州城北的采石场和石灰生产基地，采石时必须将地表的土层和植被剥离，所以采石场废弃之后，植被恢复过程缓慢，植物种类单一，属于在次生裸地上进行的植物群落演替的早期阶段，只有适应能力较强的先锋物种可以定居和繁殖，并逐渐形成地表植被覆盖。

1.2 试验材料

本试验使用的材料主要有：废弃菌糠（采自河池学院食用菌栽培基地和宜州瑞康盛丰食用菌厂）；陈年尾矿（采自河池市南丹县大厂镇长坡矿露天尾矿坝）；任豆种子（从昆明美地品牌店网购）；钢管（外径180 mm，内径168 mm、长度500 mm，从红旗碳钢管店网购）；粘土（采自宜州市城北王八山）；牛皮纸（从河池学院图书馆收集的出版物外包装材料）；纱布（从当地百货商店购买）。

1.3 主要仪器

试验过程中使用的主要仪器见表1。

1.4 试验步骤和方法

（1）加工器具。将钢管纵向对半锯开，做成可自由开关和上锁的模具，用于将废弃菌糠等植物栽培基质冲压成型。

（2）菌糠处理。本着废物利用、环境友好、因地制宜、成本低廉的原则[17]，将收集的废弃菌糠搬运到实验室附近的空地进行脱袋处理并适当浇水，当含水量达到50%～60%后，将其堆成高度≥1 m、宽度约1.5 m的梯形长堆，每周喷水一次，使菌棒吸水后外表皮软化，用铁锹将堆的外表拍实，使菌棒间紧实后再覆盖薄膜进行发酵。每隔7 d翻堆1次，共翻堆3次。气温较高时，35 d左右即可使堆料（废弃菌糠）发酵成熟 [18]。将发酵成熟的菌糠平铺于太阳底下暴晒，每天翻动3次，直至称量时达到恒质量即可除去自由水并杀灭杂菌。

（3）尾矿处理。本试验使用的尾矿采自河池市南丹县大厂镇长坡矿的露天尾矿坝，原因是该尾矿坝已有多年的堆放历史，且南丹尾矿资源全国罕见，其形成机理独特[19]，但是20世纪八九十年代提炼有色金属之后的尾矿往往得不到妥善处理，目前尚未被综合利用[20]。将从尾矿坝采集回来的尾矿自然晾干之后，按一定配比与经过堆沤发酵处理的菌糠混合作为任豆栽培的基质。

（4）菌糠理化特性分析。主要是观察菌糠的外观，测定其含水率、pH值、吸水性和保水性，并根据测定数据提出相应的技术方案[21]。据文献报道，废弃菌糠可提供植物生长需要的营养成分，具有良好的吸水和保水特性，可改良土壤，提高肥力[22]，菌糠能使土壤中的全氮增加 18.18%、有效磷增加 42.47%、有机质增加16.51%[23]，菌糠的物理学特性直接影响菌糠的通气、透气、持水、导热、抗蚀等各种功能，是反映菌糠质量的一个重要方面[24]。

（5）基质配比试验。先用粘土和菌糠按1∶2、1∶3、1∶4和1∶5的质量比加水混合，以便筛选出适宜粘性的土/糠配比。在试验中发现，当粘土和菌糠以1∶4的比例加水混合时，粘结效果最好，适合冲压成型。因此，以该比例的粘土为基础，将尾矿和菌糠按0∶1、1∶7、2∶6、3∶5、4∶4、5∶3、6∶2、7∶1和1∶0的体积比，将两种基质混合栽培任豆，然后根据任豆种子的发芽和生长情况确定最佳配比。结果发现，当尾矿和菌糠以1∶7的体积比混合时，任豆种子的发芽和幼苗生长情况最佳。

（6）栽培基质冲压成型。根据幼苗成活率最高的基质配比，将菌糠、粘土和尾矿等栽培基质按照一定比例充分混合，称质量，用喷壶均匀喷水至含水量达10%左右，选择不同压力梯度，用微机控制电子万能试验机将栽培基质冲压成圆筒状的料块（每个压力梯度冲压3个重复）。第1次试验的栽培基质均为菌糠，冲压压力分别为0，10，20，30，40，50，60 kN；第2次试验的栽培基质则为菌糠、黏土和尾矿混合物，冲压压力改为0，5，10，15，20，25，30 kN。由于在栽培基质中添加了黏土和尾矿之后，其物理性状发生了改变，因此，冲压时压力做了相应的调整。

（7）栽培基质的吸水和保水特性分析。分别从不同压力处理的栽培基质中，随机选取3块料块进行吸水和保水性试验，具体做法是：让圆筒状的栽培基质料块吸足水分之后，分别称量其平均质量，根据吸水前后的质量差，就可以计算其最大吸水量。栽培基质料块饱和吸水后，将其在自然状态下放置，每周按固定时间测定其质量变化，直到质量不再有明显变化为止，根据实测数据绘制不同栽培基质含水量的变化曲线，可以直观地反映不同压力冲压处理的栽培基质的保水性能。

（8）种子发芽试验。随机选取50 g任豆种子进行催芽试验，用70 ℃热水浸泡30 min[25]，清洗干净种子表面的残留物后，捞起晾干水分即可进行人为控制条件下的种子发芽试验。具体做法为：将湿纱布叠成3层铺于培养皿底部，随机选取90粒晾干水分的种子均匀铺在纱布上，再覆盖3层湿纱布，置于28 ℃的生化培养箱进行通风培养。3 d统计1次种子发芽的数目，计算发芽势；7 d再统计1次发芽的数目，计算发芽率[26]。发芽势和发芽率的计算如下。

发芽势=（播种后3 d的种子发芽数/种子总数）×100% （1）

发芽率=（播种后7 d的种子发芽数/种子总数）×100% （2）

（9）点种处理。用前述（8）的方法处理种子，点种前在栽培基质料块正面均匀打16个直径约6 mm的小孔，每个孔洞内放入1粒种子，覆土厚度约2 cm后适当淋水。一般播后3 d萌动，发芽后2～5 d为发芽高峰期，14～15 d发芽终止[27]。

（10）间苗补苗。种子萌发10 d左右，要根据种子发芽和幼苗生长情况及时间苗补苗，确保每个孔洞均有一株健壮幼苗，视苗木生长情况，做好相关的病虫害防治工作。

（11）幼苗日常管理。待发芽结束后进行日常护理，即每隔1～2 d对幼苗均匀喷洒适量自来水，及时清理栽培基质上的杂草和杂菌（通常有酢浆草和鬼伞菌等）。每2周按固定时间测量1次植株的高度，观察和记录幼苗生长情况。

（12）野外移栽。待植株的平均高度达到15 cm时，就可以将其移植到事先选定的石漠化比较严重的坡地进行人工造林。移栽时，应选择山坡中下部等比较适合人工造林的地段，如弃耕地和缝隙泥土较多的荒坡地[28]，每月中旬（15号）分别用游标卡尺和钢卷尺测量每个植株的地茎和高度，并统计成活幼苗的数量和生长情况，检查虫害程度，做好防虫防旱措施。

1.5 数据处理分析

每种不同的试验处理均做3个重复试验，结果取平均值。数据的统计分析和作图分别用Microsoft Office和Origin 7.5等软件进行。根据各个植株的地茎和高度的变化，比较任豆幼苗在不同试验处理情况下的生长情况。

2 结果与分析

2.1 菌糠发酵过程中的温度变化

由图1可知，菌糠发酵1周后（7月18日）温度达到最高值，随后逐渐回落，第4周的时候（8月7日），温度基本稳定在33.5 ℃左右，表明菌糠已经发酵成熟，此时可以将其搬到烈日下平铺暴晒，每天至少翻动3次，使其吸附的自然水分彻底蒸发，同时，太阳辐射中的紫外线也可以达到消除杂菌的目的，避免不利因素对任豆种子发芽势和发芽率的影响。

2.2 菌糠的保水能力

用不同压力将菌糠冲压成型后，其保水能力的测定结果见图2。

由图2可知，冲压栽培基质料块时，通常是施加的压力越大，饱和吸水后其质量减少的速率就越慢，说明栽培基质料块的保水能力与冲压力有一定的关系，但是冲压力的增大不仅会增加成本，而且包装料块的牛皮纸也容易被撑破。

2.3 任豆种子的发芽情况

2.3.1 自然条件下任豆种子的发芽率进行任豆种子发芽试验前，随机测量部分任豆种子的3个形态指标（表2），以便在栽培基质料块上打孔点种时，合理控制好孔洞的大小。

第1次发芽试验的种子数目分别为20粒、15粒和16粒，最高发芽率为66.67%，最低为50%，平均为56.67%；第2次发芽试验的种子数目分别为18粒、17粒和11粒，最高发芽率为60.00%，最低为36.67%，平均发率为51.11%。从两次发芽试验的结果来看，任豆种子的发芽率都比较低。

2.3.2 混合基质对任豆种子发芽的影响由试验可知，当黏土和菌糠以1∶4的质量比进行混合时，其粘结效果较好，材料不易散开，容易冲压成形。在此配比的基础上，将尾矿和菌糠按不同比例混合作为栽培基质时，任豆种子的发芽势和发芽率试验结果见图3。

由图3可知，当尾矿和菌糠的质量比为0∶1～4∶4时，发芽势≥40%，发芽率≥50%，随后均逐渐下降，可以将菌糠、粘土和尾矿按照7∶2∶1的质量比混合，该基质配比的任豆种子发芽效果较好。

2.3.3 不同压力处理栽培基质对任豆种子发芽的影响对栽培基质施加不同压力处理后，任豆种子的发芽势和发芽率均有一定的差异，试验结果见图4和图5。

由图4和图5可知：若是使用纯菌糠基质，当压力为50 kN时，任豆种子的发芽率和发芽势均达到最大值；若是使用菌糠与黏土及尾矿组成的混合基质，则在压力为20 kN时，任豆种子的发芽率即达到最大值。因此，可以根据基质的类型，选择相应的压力冲压栽培基质料块。

2.3.4 野外移栽试验移栽野外的任豆幼苗成活率及株高见图6和图7。随着时间的推移，移栽后任豆幼苗的成活率均有不同程度的下降，平均株高则略有增加，但变化不明显。

3 讨论

废弃菌糠含有可供植物生长的多种营养元素、酶类及生物活性物质，其中，粗蛋白质9.80%～18.20%、粗纤维5.00%～30.73%、粗脂肪1.1%～3.5%、钙2.34%～9.55%、总磷0.36%～1.10%，氮1.274%、钾1.45%，是理想的植物栽培基质[9]。根据废弃菌糠理化特性，探讨废弃菌糠育苗的关键技术，寻找植物移栽的可行方案，是提高移栽幼苗成活率的重要前提。

利用废弃菌糠作为植物栽培基质，一定要将其进行发酵处理，所有栽培基质和栽培辅料均需在烈日下彻底暴晒，避免杂菌等不良因素对种子萌发和幼苗生长的影响。栽培基质冲压成型时，应将石块、塑料菌袋、尼龙绳子等杂物捡除，避免损坏冲压设备，或对幼苗移栽环境造成不良影响。

选择大小合适的苗木进行移栽，也是提高成活率的关键。移栽前，至少要进行为期7 d的炼苗处理，幼苗移栽应选择在春夏低温多雨季节，移栽幼苗时，可采用挖穴定植的方式进行，洞穴的大小适当，保留幼苗基部约10 cm高的栽培基质料块，剩余部分料块与泥土充分混合之后留在树坑中。覆土定根之后，在幼苗根部周围预留一个宽20 cm、深2～3 cm的储水坑，用来收集雨水。同时，做好防护措施，以防动物对幼苗的伤害。每月定期观察记录苗木的生长情况，清除周围的杂草，并将其平铺于根部周围，防止水分过度蒸发对幼苗生长的不良影响。

影响幼苗成活率有诸多因素，本研究中任豆幼苗移栽后成活率逐月下降，一个方面可能是因为移栽前炼苗时间不够，幼苗的适应能力较差所造成的；二可能是移栽的季节不合适，12月份至次年2月份恰逢冬季，大气降雨较少，土壤含水量较低，干旱影响了幼苗的成活率；三是病虫害的侵扰，也对幼苗的成活率造成一定的影响，因为从本试验的任豆种子发芽率试验中可知，试验研究使用的种子质量并不是太好，最高发芽率也只有66%左右。

4 结论

研究表明：（1）废弃菌糠经过发酵处理，可以单独或与黏土及尾矿适当比例混合后，作为任豆栽培的基质使用；（2）粘土和菌糠以1∶4的质量比混合时，混合栽培基质的粘结效果较好；（3）冲压力对栽培基质料块的保水性和任豆种子发芽率均有一定的影响，冲压力为50 kN时，任豆种子在纯菌糠基质的发芽率和发芽势最佳，冲压力为20 kN时，7∶2∶1质量比的菌糠、粘土和尾矿混合基质中任豆种子的发芽率和发芽势较高；（4）虽然纯菌糠基质或黏土-菌糠-尾矿混合基质均可作为任豆栽培的基质使用，但从栽培材料的前期处理及野外移栽的效果看，后者的效果比前者更好。

总而言之，废弃菌糠可以作为任豆种子发芽和幼苗栽培的基质，应用于石漠化地区的植被恢复重建。但是，为了取得更好的效果，应对废弃菌糠进行必要的发酵处理，适当添加黏土、尾矿或其它基质，并对移栽后的幼苗进行有效的护理，以提高任豆幼苗的成活率和生长质量。

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