霧培對番茄根系生長及其營養(yǎng)吸收的影響

趙 旭，劉艷芝，王 靜，李天來，孫周平

(1.濟(jì)寧市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東 濟(jì)寧 272019； 2.濟(jì)寧市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)寧 272009； 3.泗水縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東 濟(jì)寧 273200； 4.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

霧培對番茄根系生長及其營養(yǎng)吸收的影響

趙 旭1，劉艷芝2，王 靜3，李天來4，孫周平4

(1.濟(jì)寧市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東 濟(jì)寧 272019； 2.濟(jì)寧市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)寧 272009； 3.泗水縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東 濟(jì)寧 273200； 4.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

以遼園多麗番茄為試材，采用氣霧法栽培，以珍珠巖培為對照，研究霧培對番茄生長的影響。結(jié)果表明，霧培可顯著改善番茄根際氣體環(huán)境，其根際O2濃度比對照提高了14.7%，而根際CO2濃度僅為對照的1/10。霧培顯著促進(jìn)了番茄根系的生長及營養(yǎng)吸收，在定植后60 d時，霧培植株的根長、根體積、根系活力和根系硝酸還原酶活性分別比對照提高了66.0%、63.0%、34.9%和30.5%。霧培番茄根系、果實(shí)中N、P、K、Ca和Mg含量顯著高于對照，其中根系中N、P、K、Ca和Mg含量分別是對照的1.8、1.5、1.4、1.4和1.2倍。上述結(jié)果表明，霧培主要通過顯著改善根際氣體環(huán)境，增加根際周圍O2含量，降低CO2含量，促進(jìn)番茄根系生長和營養(yǎng)吸收，增強(qiáng)植株?duì)I養(yǎng)向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)植株的生長和發(fā)育。

番茄； 霧培；根系生長；營養(yǎng)吸收

番茄是人們喜愛的重要蔬菜，是設(shè)施生產(chǎn)中的主要栽培種類。設(shè)施生產(chǎn)中常因條件所限，又因其效益高而連年種植，常發(fā)生嚴(yán)重的連作障礙，造成產(chǎn)量、品質(zhì)的大幅度下降。同時由于番茄植株對根系低氧環(huán)境耐性較差，在栽培過程中由于灌溉不當(dāng)?shù)仍颍斐赏寥乐蠧O2濃度過高而O2濃度過低，對番茄植株產(chǎn)生了一定的影響[1]。

氣霧法栽培(簡稱霧培)作為一種無土栽培方式，目前已廣泛應(yīng)用于馬鈴薯、甜瓜、黃瓜、桃、番茄和豌豆等作物，是脫離基質(zhì)與水，把植物的根系完全置于氣霧環(huán)境下進(jìn)行生長發(fā)育的一種新型栽培模式。已有研究證明，霧培馬鈴薯植株長勢旺盛，其株高、莖粗、葉面積和塊莖產(chǎn)量和數(shù)量等指標(biāo)均明顯高于液培和沙培[2]，但霧培如何優(yōu)化植物根域環(huán)境的機(jī)理等有關(guān)問題還不清楚[3]。因此，本試驗(yàn)就霧培的根際氣體環(huán)境以及對植株根系生理的影響加以研究，以期為設(shè)施番茄高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計

供試番茄(LycopersiconesculentumMill.)品種為遼園多麗。2014年2月2日穴盤基質(zhì)育苗，3月27日定植于日光溫室。本試驗(yàn)共設(shè)計了珍珠巖培(對照)、氣霧法栽培2種栽培方式。

氣霧法栽培裝置主要由栽培槽、霧化噴頭、水泵、定時器、電磁閥、輸液管道和貯液桶等組成。其中栽培槽長1 500 cm，寬80 cm，高60 cm，栽培槽的底部和兩邊設(shè)置3 cm厚的苯板，其內(nèi)部鋪設(shè)兩層PVC塑料膜(內(nèi)層膜采用0.1 mm厚的大棚膜以防漏水，外層膜采用0.3 mm厚的黑色塑料膜遮光)。栽培槽頂部的苯板蓋可以打開，其上鋪設(shè)黑色塑料膜。在栽培槽內(nèi)距頂部10 cm處安裝進(jìn)液管，在管的上部安裝2個霧化噴頭。

全生長期采用日本園式營養(yǎng)液配方，由水泵供給，通過定時器和電磁閥控制，每隔5 min噴液50 s，微噴頭的流量在1 L·min-1。貯液桶為地下式，以利營養(yǎng)液的回流和循環(huán)利用，每3 d更換一次營養(yǎng)液。定期調(diào)整營養(yǎng)液的pH和EC，使其分別保持在6.5和1.8左右。

番茄植株定植到苯板孔中，株距、行距均為40 cm，種植3槽作為3次重復(fù)；雙行定植，定植孔的空隙用巖棉填充。珍珠巖經(jīng)過反復(fù)水洗至其pH為6.5，隨后將其填入長10 m，寬60 cm，深20 cm的栽培槽中，槽內(nèi)鋪一層聚乙烯膜，珍珠巖與槽高持平，珍珠巖上鋪兩條滴灌帶；槽與槽的間距為70 cm，種植3槽作為3次重復(fù)；雙行定植，株距、行距同霧培，采用營養(yǎng)液滴灌，營養(yǎng)液配方同霧培。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 根際CO2和O2濃度測定

采用PCO2/10型手持式CO2分析儀和XP02318型數(shù)字式氧氣濃度計于白天上午分別測定根際周圍的CO2和O2濃度。霧培根際氣體的測定是把測定儀器與插入霧培槽的氣管直接相連，監(jiān)測根際CO2和O2濃度。珍珠巖培測定部位同霧培。

1.2.2 植株根長和根體積的測定

在定植后0、15、30、45和60 d，用卷尺測量各處理植株的根長(莖基部至根尖)。在定植后0、15、30、45和60 d取樣，分別將番茄苗從霧培槽中取出，用水洗凈根系。珍珠巖培中的植株連同珍珠巖和根系完整取出，用水沖洗干凈，用排水法測定根體積。

1.2.3 植株根系活力、硝酸還原酶活性、可溶性糖和可溶性蛋白含量的測定

在定植后0、15、30、45和60 d，分別將番茄苗從霧培槽和珍珠巖中取出，用水洗凈根系，根系活力采用TTC法測定，硝酸還原酶活性通過磺胺比色法測定，可溶性糖含量用蒽酮法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法測定[4]。

1.2.4 植株激素含量的測定

在定植后60 d，分別從各處理中取根系5 g，液氮速凍，于超低溫冰箱-80 ℃保存?zhèn)溆茫糜诟祪?nèi)源激素含量的測定。

內(nèi)源激素的提取、分離及純化：樣品放入預(yù)冷研缽中，分3次加30 mL 80%的冰凍甲醇研磨至勻漿，完全轉(zhuǎn)入小燒杯中，黑暗條件下(0～4 ℃)冷藏14 h以上浸提。之后用漏斗濾紙過濾，清洗殘渣，合并濾液，上清液轉(zhuǎn)入凍干瓶中，減壓蒸干至5 mL(真空凍干系統(tǒng)，型號MAXI dry Lyo)，然后用2 mL 80%甲醇沖洗，提取液中加入等量石油醚萃取脫色后再過C18小柱濾除色素，之后轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿中蒸干，用1 mL甲醇溶解后，用0.45 μm濾膜過濾，冷凍待測定。

內(nèi)源激素的HPLC測定：采用Waters高效液相色譜系統(tǒng)(包括高壓輸液泵、紫外檢測器、自動進(jìn)樣器和系統(tǒng)控制工作站)測定，利用外標(biāo)法定量。工作條件如下：色譜柱為C18反相柱(5.0 μm×250 mm，5 μm，Water公司生產(chǎn))，C18 Sep-pak小柱(Classical Water公司生產(chǎn))，波長為260 nm，流動相為V(甲醇)∶V(3%乙酸)=45∶55，流速1 mL·min-1，柱溫35 ℃，進(jìn)樣量20 μL。激素標(biāo)樣均為Sigma公司生產(chǎn)的HPLC級試劑。另外，除甲醇為色譜純，水為超純水外，其他試劑均為分析純。將配制的混合標(biāo)樣(含IAA、GA3、ZT、ABA)經(jīng)過上述純化分離過程測定回收率，以回收率對樣品測定結(jié)果進(jìn)行校正。通過標(biāo)樣計算樣品中激素濃度，并計算單位質(zhì)量鮮樣中的含量。

1.2.5 植株根、葉和果實(shí)中N、P、K、Ca和Mg含量的測定

取定植后60 d植株根系、葉片和果實(shí)在105 ℃殺青15 min后，于70 ℃烘干，采用原子吸收分光光度法測定K、Ca、Mg含量[5]。N、P含量用流動分析儀(荷蘭)測定。以上指標(biāo)的測定均采用單株取樣法，每槽取樣1株，共3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 珍珠巖培和霧培番茄根際CO2和O2濃度

從圖1可以看出，在番茄整個生育期，霧培番茄根際CO2濃度為400～600 μL·L-1，約為珍珠巖培的1/10。霧培根際O2濃度保持在20%以上，珍珠巖培根際O2濃度顯著低于霧培，僅為霧培的85.3%。這一結(jié)果說明，霧培顯著地改善了根際氣體環(huán)境，根際周圍O2濃度增加，CO2濃度降低，使根際周圍氣體濃度接近大氣環(huán)境，O2富足，霧培的這些特點(diǎn)可能會對植株的生長發(fā)育產(chǎn)生重要的影響。

2.2 珍珠巖培和霧培對植株根長和根體積的影響

如圖2所示，霧培植株的根長在整個生育過程中始終大于珍珠巖培。同樣，霧培植株的根體積也大于珍珠巖培，在定植后60 d時，霧培根體積比珍珠巖培提高了63.0%。由此說明，霧培可顯著地促進(jìn)植株根系的伸長生長以及根系體積的膨大。

圖1 珍珠巖培和霧培番茄根際CO2和O2濃度變化Fig.1 CO2 and O2 concentration of tomato rhizosphere under perlite culture and aeroponic

圖2 珍珠巖培和霧培對植株根長和根體積的影響Fig.2 Effects of perlite culture and aeroponic on root length and root volume

2.3 珍珠巖培和霧培對植株根系活力和根系硝酸還原酶活性的影響

由圖3可知，珍珠巖培和霧培植株根系活力均呈現(xiàn)先上升而后緩慢下降的趨勢，兩者在定植后45 d均達(dá)到最大值，此時，霧培植株根系活力是珍珠巖的1.22倍。之后，根系活力開始下降，且霧培植株的下降幅度明顯小于珍珠巖培。在整個植株生長發(fā)育階段，霧培植株根系硝酸還原酶活性始終大于珍珠巖培，在定植后60 d，霧培根系硝酸還原酶活性比珍珠巖培提高了30.5%。

2.4 珍珠巖培和霧培對植株根系可溶性糖和可溶性蛋白的影響

由圖4可知，霧培根系可溶性蛋白含量在整個生長發(fā)育過程中顯著大于珍珠巖培。根系可溶性糖含量與可溶性蛋白含量正好相反，珍珠巖培始終大于霧培。可能由于霧培根系強(qiáng)大的呼吸作用，消耗了較多的呼吸底物，因此其可溶性糖含量低于珍珠巖培。

圖3 珍珠巖培和霧培對植株根系活力和根系硝酸還原酶活性的影響Fig.3 Effects of perlite culture and aeroponic on root activity and nitrate reductase activity

圖4 珍珠巖培和霧培對番茄根系可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響Fig.4 Effects of perlite culture and aeroponic on soluble protein and soluble sugar

2.5 珍珠巖培和霧培對植株根系激素含量的影響

由表1可以看出，霧培對根系中內(nèi)源激素含量有明顯的影響。霧培根系IAA、GA3和ZT含量顯著提高，分別是珍珠巖培的1.2、2.5和1.2倍。而ABA的含量霧培顯著低于珍珠巖培，僅為其69.8%。這說明霧培可以顯著促進(jìn)根系生長型內(nèi)源激素水平的合成。

表1 珍珠巖培和霧培對植株根系激素含量的影響

Table 1 Effects of perlite culture and aeroponic on root hormone content in tomato

ng·g-1

同列不同行數(shù)據(jù)后沒有相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

The values with different lowercase letters in the same column meant significant difference at the level of 0.05. The same as below.

2.6 珍珠巖培和霧培對植株根系營養(yǎng)吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

如表2所示，霧培根系中N、P、K、Ca和Mg含量顯著高于珍珠巖培，分別是其1.8、1.5、1.4、1.4和1.2倍。同時，霧培植株的葉片除Ca外，其他元素含量均顯著高于珍珠巖培。果實(shí)中N、P、K、Ca和Mg含量與根系具有相似的規(guī)律，即霧培顯著高于珍珠巖培。珍珠巖培果實(shí)中N、P、K、Ca和Mg含量分別比霧培減少了43.8%、25.3%、31.4%、32.0%和31.0%。

表2 霧培和珍珠巖培番茄植株根、葉和果實(shí)中N、P、K、Ca和Mg含量

Table 2 N， P， K， Ca and Mg content in tomato plants under aeroponic and perlite culture mg·g-1

3 討論

已有研究表明，氣霧培可以讓植物處于一種最佳的根域狀態(tài)下進(jìn)行生長發(fā)育[6-7]，對于加快植物生長速度、縮短生育期、提高產(chǎn)量與生物量來說具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢[8-9]。本試驗(yàn)表明，霧培番茄的根長和根體積均顯著大于珍珠巖培，說明霧培可以為植株根系生長提供很好的伸展空間。植株根系是吸收水肥的主要器官，又是物質(zhì)同化或合成的器官，根系的生長發(fā)育水平直接影響整個植株的生命代謝活動[8，10]。從本試驗(yàn)霧培番茄根系生理指標(biāo)看，霧培顯著提高了根系活力、根系硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量以及根系IAA、GA3和ZT含量，說明霧培可顯著增強(qiáng)植株根系的生理代謝水平，從而促進(jìn)整個植株的生長發(fā)育。同時，霧培可以顯著促進(jìn)根系營養(yǎng)吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高果實(shí)的營養(yǎng)品質(zhì)。綜上可知，霧培主要通過改善根際通氣狀況，從而增強(qiáng)根系的代謝和營養(yǎng)吸收能力，同時，顯著增強(qiáng)根系營養(yǎng)向地上部(如葉和果實(shí))的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)植株的生長發(fā)育。

[1] 程立巧，傅慶林，金怡，等. 不同基質(zhì)對番茄根際微生物、酶活性及幼苗生長的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報， 2016， 28(6):973-978. CHENG L Q， FU Q L， JIN Y， et al. Influences of different substrates on tomato rhizospheric microbial communities， enzyme activities and seedling growth.[J].ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2016， 28(6):973-978. (in Chinese with English abstract)

[2] 孫周平，李天來，姚麗，等.霧培法根際CO2對馬鈴薯生長和光合作用的影響[J].園藝學(xué)報， 2004，31(1):59-63. SUN Z P， LI T L， YAO L， et al. Effects of CO2treatment of root zone on potato growth and photosynthesis by areoponics culture[J].ActaHorticulturaeSinica， 2004， 31(1): 59-63. (in Chinese with English abstract)

[3] 李勝利， 齊子杰， 王建輝，等. 根際通氣環(huán)境對盆栽黃瓜生長的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2008， 42 (3) : 281-283. LI S L， QI Z J， WANG J H， et al. Effects of rhizosphere ventilation environment on potted cucumber growth[J].JournalofHenanAgriculturalUniversity， 2008， 42(3): 281-283. (in Chinese with English abstract)

[4] 郝建軍， 劉延吉.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， 2001.

[5] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社， 2000.

[6] HE J， AUSTIN P T， LEE S K. Effects of elevated root zone CO2and air temperature on photosynthetic gas exchange， nitrate uptake， and total reduced nitrogen content in aeroponically grown lettuce plants[J].JournalofExperimentalBotany， 2010， 61(14):3959-3969.

[7] BORU G， VANTOAI T， ALVES J， et al. Responses of soybean to oxygen deficiency and elevated root-zone carbon dioxide concentration[J].AnnalsofBotany， 2003， 91(4): 447-453.

[8] CRAMER M D， RICHARDS M D. The effect of rhizosphere dissolved inorganic carbon on gas exchange characteristics and growth rates of tomato seedlings[J].JournalofExperimentalBotany， 1999， 50: 79-87.

[9] 馬方放.平邑甜茶根系質(zhì)膜ATPases活性的調(diào)控及其與根系營養(yǎng)吸收的關(guān)系研究[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006. MA F F. Studies on plasma membrane ATPases’ regulation inMalushupehensis(Pamp) Rechd. roots and the regulationship between ATPases and root nutrition uptakes [D]. Tai’an: Shandong Agricultural University， 2006. (in Chinese with English abstract)

[10] 趙旭，李天來，孫周平，等. 長期根際低氧對霧培番茄植株葉片光合作用及果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，21(10): 113-116. ZHAO X， LI T L， SUN Z P， et al. Effects of long-term root hypoxia on aeroponic tomato photosynthesis， fruit yield and quality[J].ActaAgriculturaeBoreali-occidentalisSinica， 2012， 21(10): 113-116. (in Chinese with English abstract)

(責(zé)任編輯 張 韻)

Effect of aeroponics on root growth and nutrient absorption in tomato

ZHAO Xu1， LIU Yanzhi2， WANG Jing3， LI Tianlai4， SUN Zhouping4

(1.JiningCenterforPopularizationofAgriculturalTechnique，Jining272019，China; 2.JiningAgriculturalScienceResearchInstitute，Jining272009，China; 3.SishuiAgriculturalTechnologyExtensionStation，Jining273200，China; 4.CollegeofHorticulture，ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang110866，China)

Tomato plants (LycopersiconesculentumL. cv. Liaoyuanduoli) were treated by aeroponical culture and perlite culture was used as the control. The results showed that the rhizosphere O2of aeroponic tomato was 14.7% higher while CO2concentration was only about 1/10 of the control plants. Aeroponics significantly promoted the root growth and nutrient absorption of tomato. The root length， root volume， root activity and nitrate reductase activity of tomato under aeroponical culture on 60 days after transplanting was increased by 66.0%， 63.0%， 34.9% and 30.5% than that of the control plants. The content of N， P， K， Ca and Mg in roots and fruits of aeroponic plants was significantly higher than that of the control plants， which were 1.8， 1.5， 1.4， 1.4， and 1.2 times of the control plants， respectively. The results indicated that the aeroponic culture significantly improved rhizosphere gas environment through increasing O2content and reducing CO2content. Aeroponic culture promoted the root growth and nutrient absorption at the same time， and then enhanced plant nutrition transferring to the ground part.

tomato; aeroponics; root growth; nutrition absorption

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.05.12

2016-12-22

濟(jì)寧市科技發(fā)展計劃項(xiàng)目

趙旭(1980—)，女，遼寧沈陽人，農(nóng)藝師，博士,從事設(shè)施蔬菜栽培生理研究。E-mail: LDZDGC@163.com

S641.2

A

1004-1524(2017)05-0767-06

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(5): 767-772

趙旭，劉艷芝，王靜，等.霧培對番茄根系生長及其營養(yǎng)吸收的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，29(5)： 767-772.