低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗緩解基質(zhì)栽培番茄根際養(yǎng)分富集的效果*

王朝軍，徐 凡，郭文忠，陳 菲，李靈芝

低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗緩解基質(zhì)栽培番茄根際養(yǎng)分富集的效果*

王朝軍1,2，徐 凡2，郭文忠2，陳 菲2，李靈芝1**

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，太谷 030801；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097）

番茄；離子濃度；巖棉；養(yǎng)分富集；淋洗

番茄（L.）是中國(guó)設(shè)施主栽蔬菜之一，其營(yíng)養(yǎng)豐富，富含多種維生素、番茄紅素等有益物質(zhì)，深受廣大消費(fèi)者青睞。2016年中國(guó)番茄種植面積約110萬hm2，產(chǎn)量達(dá)5000萬t，但單產(chǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平[1]。隨著番茄的連年生產(chǎn)，土壤連作障礙、土傳病蟲害和大水大肥成為限制番茄產(chǎn)量、品質(zhì)、生產(chǎn)效率提升的關(guān)鍵瓶頸。近年來，基質(zhì)栽培在國(guó)內(nèi)設(shè)施蔬菜栽培中迅速發(fā)展[2]，克服了土壤栽培難以解決的問題，而其養(yǎng)分供給依賴外源營(yíng)養(yǎng)液的投入，因此營(yíng)養(yǎng)液是基質(zhì)栽培的核心，是植物獲取養(yǎng)分的主要途徑，直接影響產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。隨著植株生長(zhǎng)及環(huán)境的變化，番茄對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收也會(huì)實(shí)時(shí)變化，根區(qū)離子濃度通常呈現(xiàn)逐漸升高的狀態(tài)。有研究表明，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中的離子濃度超出作物的吸收量時(shí)，根際就可能出現(xiàn)養(yǎng)分富集現(xiàn)象[4?6]。前人研究認(rèn)為，當(dāng)根區(qū)溶液EC值達(dá)到6mS·cm?1時(shí)，即為根際脅迫臨界值[7]。Gruda的研究[8]發(fā)現(xiàn)，根際可溶性鹽含量升高會(huì)造成離子脅迫和滲透脅迫，使植株正常生理代謝和生長(zhǎng)發(fā)育受損。在滲透脅迫或離子脅迫下，導(dǎo)致作物水分利用率、光合速率、葉片數(shù)、根系活性、蒸騰速率降低和質(zhì)膜透性升高[9?10]。王中原等[11]證實(shí)部分營(yíng)養(yǎng)元素富集影響根系吸收，導(dǎo)致果實(shí)整齊度差。王軍偉等[12]研究表明，基質(zhì)栽培番茄最適宜的營(yíng)養(yǎng)液氮和鉀濃度分別為378mg·L?1和391mg·L?1；介曉磊等[13]研究表明鈣濃度超過300mg·L?1與鉀產(chǎn)生拮抗作用，超過900mg·L?1時(shí)，嚴(yán)重抑制煙草生長(zhǎng)；黃紅榮等[14]研究表明營(yíng)養(yǎng)液中鎂濃度大于144mg·L?1時(shí)，鎂與鉀也會(huì)產(chǎn)生拮抗作用，對(duì)黃瓜養(yǎng)分吸收不利。因此，采取一種有效方法來調(diào)控基質(zhì)養(yǎng)分富集具有重要意義。

而淋洗是通過淋洗液流過根際并帶出根際富集的養(yǎng)分離子，從而改變基質(zhì)中的離子組成，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[24]，是控制生長(zhǎng)介質(zhì)中離子濃度的一種有效方式。淋洗液可以選擇清水或灌溉液，當(dāng)電導(dǎo)率較高時(shí)或在一定時(shí)間內(nèi)使用清水淋洗，可能會(huì)使基質(zhì)在一段時(shí)間內(nèi)處于低濃度且養(yǎng)分不均衡狀態(tài)，致使植株出現(xiàn)“饑餓”[25]；灌溉液淋洗則需要消耗大量的營(yíng)養(yǎng)液，且濃度降低較慢。而關(guān)于使用低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗對(duì)基質(zhì)根區(qū)環(huán)境的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究探索用低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗的方式緩解盆栽番茄基質(zhì)養(yǎng)分富集，分析其有效性，以期提供一種低成本、高效率的智能化決策方法，優(yōu)化養(yǎng)分管理策略，為基質(zhì)栽培中根際養(yǎng)分智能調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2019年8月?2020年1月在國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心人工氣候室內(nèi)進(jìn)行，氣候室環(huán)境參數(shù)設(shè)定為，日間（9：00?17：00）溫度為25℃，夜間（19：00?次日7：00）溫度為15℃，早晚溫度變化過渡期各2h。光照時(shí)段為8：00?18：00，番茄植株冠層平均光合有效輻射PAR為300～400μmol·m?2·s?1，冠層平均CO2濃度為400～500mmol·mol?1，空氣相對(duì)濕度為65%/85%（晝/夜）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 日本園試營(yíng)養(yǎng)液及試驗(yàn)用淋洗液配方(mg·L?1)

1.3 灌溉與淋洗方法

各處理營(yíng)養(yǎng)液供給裝置由灌溉營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)液罐、水泵（海利HX-2500）、過濾器、灌溉管路、壓力補(bǔ)償?shù)晤^（4L）和滴箭組成，灌溉次數(shù)及灌溉量根據(jù)植株生長(zhǎng)實(shí)時(shí)調(diào)整，具體見表2，每天測(cè)定灌溉量及回流量，保證每個(gè)處理正常灌溉的回液量為供液量的20%～30%。每天及時(shí)收集回流液，回流液在配制新的營(yíng)養(yǎng)液時(shí)按照目標(biāo)EC值重復(fù)利用。營(yíng)養(yǎng)液采用循環(huán)利用的方式，待供液池中營(yíng)養(yǎng)液基本耗盡時(shí)配制新的營(yíng)養(yǎng)液。

淋洗時(shí)間為當(dāng)天最后一次灌溉結(jié)束后立即沖洗。淋洗裝置由淋洗液儲(chǔ)液池、水泵（海利HX-4500）、疊片過濾器、滴灌管路、壓力補(bǔ)償?shù)晤^（4L）、插箭和定時(shí)器（金科德TW-K11）組成。淋洗滴灌管和滴頭與正常灌溉的布置一致，對(duì)角插入巖棉塊中。每天淋洗一次（C1）的處理從定植后第5天開始，在每天最后一次灌溉結(jié)束時(shí)立即進(jìn)行淋洗；每周淋洗一次（C2）的處理從定植后第5天起每隔7天淋洗一次；淋洗量見表2，不淋洗（CK）處理僅保持正常灌溉。

植株調(diào)整采用單干整枝的方式，人工授粉，常規(guī)管理，每7日進(jìn)行整枝打杈，疏花疏果，去除老葉以及繞蔓落秧。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 根區(qū)溶液與回流液EC值和養(yǎng)分離子含量測(cè)定

1.4.2 番茄生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

番茄定植5d后，每個(gè)處理選擇3株長(zhǎng)勢(shì)一致的番茄掛牌標(biāo)記，進(jìn)行定株觀測(cè)。從定植后第8天起，每10d記錄一次株高、莖粗，共記錄8次。株高為巖棉塊表面至生長(zhǎng)點(diǎn)的距離，使用卷尺測(cè)定；莖粗測(cè)定在距巖棉塊表面約3cm處，測(cè)定子葉下方的主莖粗度，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量；在番茄完全轉(zhuǎn)色后定期采收，使用電子天平稱重并記錄產(chǎn)量。

表2 營(yíng)養(yǎng)液灌溉和淋洗數(shù)據(jù)

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2020軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與繪圖，使用SPSS24.0，Duncan方差分析法（P<0.05）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淋洗后番茄根際EC值及養(yǎng)分離子含量變化分析

2.1.1 EC值變化

各試驗(yàn)處理根區(qū)溶液與回流液EC值變化如圖2所示。由圖可以看出，在番茄生長(zhǎng)前期，各處理根區(qū)溶液以及回流液的EC值差異均不顯著，但隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，其EC值均呈上升趨勢(shì)，各處理間上升速度明顯不同，至處理結(jié)束時(shí)，各處理間EC值差異顯著。隨著生育期的推進(jìn)，C1處理（每天淋洗）根區(qū)溶液EC值與C2（每周淋洗）和CK（不淋洗）處理相比上升相對(duì)緩慢，中后期EC值維持在4～5mS·cm?1，比灌溉液（GG）平均增加了31.26%，但比對(duì)照降低了22.36%；C2處理根區(qū)溶液EC上升速度比C1處理明顯加大，比灌溉液（GG）平均增加了52.77%，處理結(jié)束時(shí)與CK的差異明顯縮小，僅平均降低了9.64%；而CK處理的根區(qū)溶液EC值上升最快，比灌溉液（GG）平均增加了69.06%，在定植后75d其EC值達(dá)到脅迫臨界值6mS·cm?1，在生長(zhǎng)中后期，最大值達(dá)到7.5mS·cm?1，是灌溉液（GG）EC值的2.34倍。回流液EC的動(dòng)態(tài)變化與根區(qū)溶液的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致，但幅度較根區(qū)溶液更大。隨著生育期的延長(zhǎng)，回流液EC與灌溉液（GG）相比差異均達(dá)到顯著水平，可見隨著番茄的生長(zhǎng)，根區(qū)溶液和回流液均表現(xiàn)出養(yǎng)分富集，而通過使用低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗可以有效緩解根區(qū)養(yǎng)分富集，避免離子脅迫的發(fā)生。

注：短線表示均方差；C1為每天淋洗一次，C2為每周淋洗一次，CK為不淋洗，GG為灌溉營(yíng)養(yǎng)液。下同。

Note: The short bars mean square deviation. C1 means leaching one a day, C2 means leaching once a week, CK means not leaching, GG means nutrient solution irrigation. The same as below.

2.1.2 養(yǎng)分離子含量變化

注：小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note：Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below.

由圖4可以看出，在整個(gè)生長(zhǎng)期，CK處理K+濃度的增長(zhǎng)呈“慢-快-慢”的變化趨勢(shì)，而其它處理K+濃度呈先升高后下降的趨勢(shì)。在定植初期（定植后26d內(nèi)）K+增長(zhǎng)較慢，而26d后離子濃度增長(zhǎng)速度明顯不同，且處理間差異顯著。生長(zhǎng)后期，C1處理根區(qū)K+濃度比定植初期上升了9.25mg·L?1，與對(duì)照CK相比平均降低了25.54%；C2處理根區(qū)K+濃度與定植時(shí)相比上升了167.00mg·L?1，與對(duì)照CK相比僅降低了3.79%；而CK處理根區(qū)K+濃度上升了173.59mg·L?1。而各處理回流液中的K+濃度的變化趨勢(shì)與根區(qū)溶液基本一致，只是回流液中離子濃度更高，C1、C2、CK處理回流液中K+濃度較根區(qū)平均高8.66、27.71和34.48mg·L?1。說明使用低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗可以緩解K+富集。

圖5顯示了不同處理下Ca2+離子濃度的變化情況，由圖可見，根區(qū)溶液鈣離子呈不斷增加的趨勢(shì)。在定植初期（定植后26d內(nèi)）各處理間差異不顯著，但從定植后第33天開始差異逐步顯現(xiàn)，至處理結(jié)束差異達(dá)到顯著水平。從數(shù)值看，生長(zhǎng)后期C1處理根區(qū)溶液Ca2+離子濃度與定植初期相比上升了196.37mg·L?1，與CK相比平均降低了27.25%；C2處理根區(qū)Ca2+濃度相比定植初期上升了229.80mg·L?1，上升速度比C1處理更大，與CK相比僅降低了14.86%；CK處理根區(qū)中Ca2+濃度相比定植初上升了269.92mg·L?1。各處理回流液Ca2+濃度變化趨勢(shì)與根區(qū)溶液相似，CK處理離子濃度最高，C1處理較低，且C1、C2、CK處理回流液中Ca2+離子濃度較根區(qū)平均高59.06、84.57和73.88mg·L?1。可知，各處理根區(qū)溶液與回流液在生長(zhǎng)中后期均出現(xiàn)不同程度的Ca2+富集，但相比CK（不淋洗），淋洗處理C1、C2的Ca2+濃度明顯降低。說明低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗可以緩解Ca2+富集。

由圖6可以看出，不同處理Mg2+離子濃度均呈不斷上升的趨勢(shì)。表現(xiàn)為在定植初期（定植后26d內(nèi)）增加緩慢，之后上升速度較快，但不同處理上升速度不同，至處理結(jié)束差異達(dá)顯著水平。從數(shù)值上看，生長(zhǎng)后期C1處理根區(qū)Mg2+濃度相比定植初上升了55.43mg·L?1，與對(duì)照CK相比平均降低了39.58%；C2處理根區(qū)Mg2+濃度相比定植初上升了78.16mg·L?1，相比C1處理上升幅度更大，與對(duì)照CK相比僅降低了14.82%；CK處理根區(qū)中Mg2+濃度相比定植初上升了91.75mg·L?1，相比C1和C2處理上升幅度明顯加大?；亓饕篗g2+濃度的變化趨勢(shì)與根區(qū)溶液類似，但Mg2+富集濃度較根區(qū)更大，其中CK處理Mg2+濃度最高，C1處理最低，C1、C2和CK處理回流液中Mg2+濃度較根區(qū)平均高8.96、9.44和13.43mg·L?1?？梢姡芟纯梢燥@著降低Mg2+的富集，且以C1（每天淋洗）處理效果更佳。由圖7可以看出，各處理H2PO4?含量均低于灌溉液，H2PO4?并沒有發(fā)生富集?？赡苁怯捎谥仓曛泻笃趯?duì)磷的需求變化或營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)利用等因素，導(dǎo)致其用量增加而補(bǔ)充量減少造成的，因此，在生長(zhǎng)中后期需要適當(dāng)增加磷元素的投入。

2.2 淋洗后番茄生長(zhǎng)與產(chǎn)量變化分析

2.2.1 番茄生長(zhǎng)指標(biāo)

番茄的株高和莖粗是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。由圖8可以看出，在整個(gè)生育期內(nèi)各處理株高與莖粗均呈不斷升高的趨勢(shì)。表現(xiàn)為在定植后18d內(nèi)各處理番茄株高差異不顯著，但隨著生育期的延長(zhǎng)，在定植后第28天和第38天淋洗與未淋洗處理出現(xiàn)顯著差異，第28天CK株高顯著高于兩個(gè)淋洗處理C1、C2，而第38天，C1生長(zhǎng)加快，CK株高僅顯著高于C2處理，之后各處理間株高差異逐漸縮小，各處理間無顯著差異，但C1處理生長(zhǎng)迅速，其株高絕對(duì)值高于C2和對(duì)照CK；可能在生長(zhǎng)后期CK處理由于受到離子富集的影響抑制了番茄的生長(zhǎng)，而C1和C2處理通過淋洗緩解了養(yǎng)分富集的影響，對(duì)植物生長(zhǎng)更有利，從而縮小了CK處理在生長(zhǎng)中期與C1和C2處理的差異，且C1處理的作用效果更為明顯，株高反超CK。而對(duì)于莖粗（圖9），在整個(gè)生育期內(nèi)，各處理水平之間差異并不顯著。但是隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，生長(zhǎng)前期C1處理莖粗相對(duì)較大，定植28d后C2與CK處理莖粗明顯增長(zhǎng)較快，在生長(zhǎng)后期，C2處理的莖粗絕對(duì)值最高。

由此可見，每天一次淋洗有利于番茄株高的增長(zhǎng)，而每周一次淋洗則更利于莖粗的增加。

2.1.2 番茄產(chǎn)量指標(biāo)

由表3可以看出，從第1-5穗果，單果重和單穗果重均整體呈先升高后下降的趨勢(shì)，各處理在第3穗果時(shí)期，平均單果重和單穗果重均達(dá)到最大值。從每穗果來看，1-3穗的單果重和單穗果重，處理間差異均不顯著；而隨著果穗數(shù)增長(zhǎng)，C1處理的第4穗果單果重、產(chǎn)量較CK分別提高了17.02%、13.42%，差異達(dá)顯著水平，而與C2處理無顯著差異；淋洗處理第5穗果的單果重較CK提高了14.51%，雖與對(duì)照無顯著差異，但單穗產(chǎn)量顯著高于對(duì)照處理CK，提高了33.86%。由于試驗(yàn)僅采收5穗果，因此各處理之間單株產(chǎn)量差異較小。其中C1處理平均單果重最大，分別比C2和CK處理提高了11.29%和5.40%；C1處理的單株總產(chǎn)量相比C2、CK處理分別提高了7.86%、6.26%。

表3 營(yíng)養(yǎng)液淋洗對(duì)番茄單果重和產(chǎn)量的影響

注：表中數(shù)字為平均值±均方誤，－表示無數(shù)據(jù)，同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

無土栽培系統(tǒng)在水肥高效利用和農(nóng)業(yè)無排放生產(chǎn)方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，但隨著栽培時(shí)間的延長(zhǎng)，基質(zhì)根際微環(huán)境養(yǎng)分不斷富集[27?29]。本研究結(jié)果表明，各處理根區(qū)養(yǎng)分均出現(xiàn)了富集，與灌溉液相比，根區(qū)電導(dǎo)率提高了31.26%～69.06%。而在低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗中，淋洗處理的根區(qū)溶液EC值與不淋洗處理相比上升相對(duì)緩慢，特別是C1處理中后期EC值維持在4～5mS·cm?1，與灌溉液EC差值最小，其比對(duì)照組EC值下降了22.36%，表明使用低濃度營(yíng)養(yǎng)液可以有效減緩根區(qū)溶液EC值的升高。同時(shí)，本研究中，生長(zhǎng)后期對(duì)照組株高相比C1和C2處理生長(zhǎng)緩慢，此結(jié)果與孟憲敏等[30]研究表明高濃度營(yíng)養(yǎng)液不適宜植株生長(zhǎng)相一致。說明適宜濃度營(yíng)養(yǎng)液更有利于番茄的生長(zhǎng)[31]，而使用低濃度營(yíng)養(yǎng)液淋洗緩解養(yǎng)分富集是一種比較實(shí)用的方法。本試驗(yàn)中各處理對(duì)莖粗的生長(zhǎng)無顯著影響，此結(jié)果與不同營(yíng)養(yǎng)液濃度處理番茄的莖粗無顯著差異的結(jié)果相類似[32]。此外，李亞靈等[33]研究指出增加EC值可以引起單果質(zhì)量的降低，且每增加一個(gè)EC值單果質(zhì)量減少3.8%，且產(chǎn)量的降低主要是單果重的降低和非商品果的增加。本研究結(jié)果顯示，每穗果產(chǎn)量和單果重均呈先升高再降低的變化趨勢(shì)，這與李亞靈等的研究結(jié)果相類似；淋洗處理與對(duì)照的產(chǎn)量從第4穗果開始差異顯著，第四穗果膨大期至采收期間，每天一次淋洗的處理根區(qū)EC值大部分在4～5mS·cm?1，而對(duì)照根區(qū)EC值處于5～7mS·cm?1，這與生長(zhǎng)后期根區(qū)環(huán)境EC值不同導(dǎo)致水分和養(yǎng)分吸收不同有關(guān)，也說明高EC值帶來離子脅迫，會(huì)降低番茄單果重和產(chǎn)量[34?35]。但由于本研究?jī)H采收5穗果，因此，淋洗處理總產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)未達(dá)到顯著水平，后續(xù)研究中延長(zhǎng)采收時(shí)間，調(diào)控效果可能會(huì)更加顯著。

3.2 結(jié)論

基質(zhì)栽培使用低濃度營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行淋洗可以有效緩解基質(zhì)中養(yǎng)分離子富集，促進(jìn)生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量。

（1）基質(zhì)栽培中根區(qū)養(yǎng)分出現(xiàn)富集，與灌溉液相比，根區(qū)電導(dǎo)率提高了69.06%。

（3）使用低濃度營(yíng)養(yǎng)液對(duì)盆栽番茄進(jìn)行淋洗有利于植株生長(zhǎng)。其中C1處理可以促進(jìn)株高的生長(zhǎng)，也有利于番茄中后期單果重和單穗果重的增加。其與對(duì)照相比，可提高番茄單株產(chǎn)量6.26%，其中第4、5穗果單果重分別增加17.02%、14.51%，單穗果產(chǎn)量分別增加13.42%、33.86%。

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Effect of Leaching with Low-concentration Nutrient Solution on Alleviating the Nutrient Enrichment in the Rhizosphere of Tomato Grown in Substrate

WANG Chao-jun1,2, XU Fan2, GUO Wen-zhong2, CHEN Fei2, LI Ling-zhi1

(1. The College of Horticulture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2.Beijing Research Centre of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097)

Tomato; Ion concentration; Rock wool; Nutrient enrichment; Leaching

10.3969/j.issn.1000-6362.2021.03.004

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2020-09-28

寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018BBF02024）；北京市科技計(jì)劃課題（D7110007617003）

李靈芝，教授，主要從事設(shè)施園藝及蔬菜生理生態(tài)研究，E-mail：13593061819@163.com

王朝軍，E-mail：18447055829@163.com