低濃度營養液淋洗緩解基質栽培番茄根際養分富集的效果*

王朝軍，徐 凡，郭文忠，陳 菲，李靈芝

低濃度營養液淋洗緩解基質栽培番茄根際養分富集的效果*

王朝軍1,2，徐 凡2，郭文忠2，陳 菲2，李靈芝1**

（1.山西農業大學園藝學院，太谷 030801；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097）

番茄；離子濃度；巖棉；養分富集；淋洗

番茄（L.）是中國設施主栽蔬菜之一，其營養豐富，富含多種維生素、番茄紅素等有益物質，深受廣大消費者青睞。2016年中國番茄種植面積約110萬hm2，產量達5000萬t，但單產遠低于發達國家水平[1]。隨著番茄的連年生產，土壤連作障礙、土傳病蟲害和大水大肥成為限制番茄產量、品質、生產效率提升的關鍵瓶頸。近年來，基質栽培在國內設施蔬菜栽培中迅速發展[2]，克服了土壤栽培難以解決的問題，而其養分供給依賴外源營養液的投入，因此營養液是基質栽培的核心，是植物獲取養分的主要途徑，直接影響產量和品質[3]。隨著植株生長及環境的變化，番茄對水分和養分的吸收也會實時變化，根區離子濃度通常呈現逐漸升高的狀態。有研究表明，當營養液中的離子濃度超出作物的吸收量時，根際就可能出現養分富集現象[4?6]。前人研究認為，當根區溶液EC值達到6mS·cm?1時，即為根際脅迫臨界值[7]。Gruda的研究[8]發現，根際可溶性鹽含量升高會造成離子脅迫和滲透脅迫，使植株正常生理代謝和生長發育受損。在滲透脅迫或離子脅迫下，導致作物水分利用率、光合速率、葉片數、根系活性、蒸騰速率降低和質膜透性升高[9?10]。王中原等[11]證實部分營養元素富集影響根系吸收，導致果實整齊度差。王軍偉等[12]研究表明，基質栽培番茄最適宜的營養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與鉀產生拮抗作用，超過900mg·L?1時，嚴重抑制煙草生長；黃紅榮等[14]研究表明營養液中鎂濃度大于144mg·L?1時，鎂與鉀也會產生拮抗作用，對黃瓜養分吸收不利。因此，采取一種有效方法來調控基質養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分離子，從而改變基質中的離子組成，促進植物的生長[24]，是控制生長介質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，當電導率較高時或在一定時間內使用清水淋洗，可能會使基質在一段時間內處于低濃度且養分不均衡狀態，致使植株出現“饑餓”[25]；灌溉液淋洗則需要消耗大量的營養液，且濃度降低較慢。而關于使用低濃度營養液淋洗對基質根區環境的研究鮮有報道。因此，本研究探索用低濃度營養液淋洗的方式緩解盆栽番茄基質養分富集，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，優化養分管理策略，為基質栽培中根際養分智能調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2019年8月?2020年1月在國家農業智能裝備工程技術研究中心人工氣候室內進行，氣候室環境參數設定為，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，空氣相對濕度為65%/85%（晝/夜）。

1.2 試驗設計

表1 日本園試營養液及試驗用淋洗液配方(mg·L?1)

1.3 灌溉與淋洗方法

各處理營養液供給裝置由灌溉營養液儲液罐、水泵（海利HX-2500）、過濾器、灌溉管路、壓力補償滴頭（4L）和滴箭組成，灌溉次數及灌溉量根據植株生長實時調整，具體見表2，每天測定灌溉量及回流量，保證每個處理正常灌溉的回液量為供液量的20%～30%。每天及時收集回流液，回流液在配制新的營養液時按照目標EC值重復利用。營養液采用循環利用的方式，待供液池中營養液基本耗盡時配制新的營養液。

淋洗時間為當天最后一次灌溉結束后立即沖洗。淋洗裝置由淋洗液儲液池、水泵（海利HX-4500）、疊片過濾器、滴灌管路、壓力補償滴頭（4L）、插箭和定時器（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束時立即進行淋洗；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。

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

1.4 指標測定

1.4.1 根區溶液與回流液EC值和養分離子含量測定

1.4.2 番茄生長指標測定

番茄定植5d后，每個處理選擇3株長勢一致的番茄掛牌標記，進行定株觀測。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點的距離，使用卷尺測定；莖粗測定在距巖棉塊表面約3cm處，測定子葉下方的主莖粗度，使用游標卡尺測量；在番茄完全轉色后定期采收，使用電子天平稱重并記錄產量。

表2 營養液灌溉和淋洗數據

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2020軟件進行數據整理與繪圖，使用SPSS24.0，Duncan方差分析法（P<0.05）進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 淋洗后番茄根際EC值及養分離子含量變化分析

2.1.1 EC值變化

各試驗處理根區溶液與回流液EC值變化如圖2所示。由圖可以看出，在番茄生長前期，各處理根區溶液以及回流液的EC值差異均不顯著，但隨著生長時間的延長，其EC值均呈上升趨勢，各處理間上升速度明顯不同，至處理結束時，各處理間EC值差異顯著。隨著生育期的推進，C1處理（每天淋洗）根區溶液EC值與C2（每周淋洗）和CK（不淋洗）處理相比上升相對緩慢，中后期EC值維持在4～5mS·cm?1，比灌溉液（GG）平均增加了31.26%，但比對照降低了22.36%；C2處理根區溶液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%，處理結束時與CK的差異明顯縮小，僅平均降低了9.64%；而CK處理的根區溶液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值達到脅迫臨界值6mS·cm?1，在生長中后期，最大值達到7.5mS·cm?1，是灌溉液（GG）EC值的2.34倍。回流液EC的動態變化與根區溶液的動態變化趨勢一致，但幅度較根區溶液更大。隨著生育期的延長，回流液EC與灌溉液（GG）相比差異均達到顯著水平，可見隨著番茄的生長，根區溶液和回流液均表現出養分富集，而通過使用低濃度營養液淋洗可以有效緩解根區養分富集，避免離子脅迫的發生。

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為灌溉營養液。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，在整個生長期，CK處理K+濃度的增長呈“慢-快-慢”的變化趨勢，而其它處理K+濃度呈先升高后下降的趨勢。在定植初期（定植后26d內）K+增長較慢，而26d后離子濃度增長速度明顯不同，且處理間差異顯著。生長后期，C1處理根區K+濃度比定植初期上升了9.25mg·L?1，與對照CK相比平均降低了25.54%；C2處理根區K+濃度與定植時相比上升了167.00mg·L?1，與對照CK相比僅降低了3.79%；而CK處理根區K+濃度上升了173.59mg·L?1。而各處理回流液中的K+濃度的變化趨勢與根區溶液基本一致，只是回流液中離子濃度更高，C1、C2、CK處理回流液中K+濃度較根區平均高8.66、27.71和34.48mg·L?1。說明使用低濃度營養液淋洗可以緩解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，根區溶液鈣離子呈不斷增加的趨勢。在定植初期（定植后26d內）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，至處理結束差異達到顯著水平。從數值看，生長后期C1處理根區溶液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+濃度變化趨勢與根區溶液相似，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+離子濃度較根區平均高59.06、84.57和73.88mg·L?1。可知，各處理根區溶液與回流液在生長中后期均出現不同程度的Ca2+富集，但相比CK（不淋洗），淋洗處理C1、C2的Ca2+濃度明顯降低。說明低濃度營養液淋洗可以緩解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。表現為在定植初期（定植后26d內）增加緩慢，之后上升速度較快，但不同處理上升速度不同，至處理結束差異達顯著水平。從數值上看，生長后期C1處理根區Mg2+濃度相比定植初上升了55.43mg·L?1，與對照CK相比平均降低了39.58%；C2處理根區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，與對照CK相比僅降低了14.82%；CK處理根區中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。回流液Mg2+濃度的變化趨勢與根區溶液類似，但Mg2+富集濃度較根區更大，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+濃度較根區平均高8.96、9.44和13.43mg·L?1。可見，淋洗可以顯著降低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?并沒有發生富集。可能是由于植株中后期對磷的需求變化或營養液循環利用等因素，導致其用量增加而補充量減少造成的，因此，在生長中后期需要適當增加磷元素的投入。

2.2 淋洗后番茄生長與產量變化分析

2.2.1 番茄生長指標

番茄的株高和莖粗是產量形成的基礎。由圖8可以看出，在整個生育期內各處理株高與莖粗均呈不斷升高的趨勢。表現為在定植后18d內各處理番茄株高差異不顯著，但隨著生育期的延長，在定植后第28天和第38天淋洗與未淋洗處理出現顯著差異，第28天CK株高顯著高于兩個淋洗處理C1、C2，而第38天，C1生長加快，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處理生長迅速，其株高絕對值高于C2和對照CK；可能在生長后期CK處理由于受到離子富集的影響抑制了番茄的生長，而C1和C2處理通過淋洗緩解了養分富集的影響，對植物生長更有利，從而縮小了CK處理在生長中期與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。而對于莖粗（圖9），在整個生育期內，各處理水平之間差異并不顯著。但是隨著生長時間的延長，生長前期C1處理莖粗相對較大，定植28d后C2與CK處理莖粗明顯增長較快，在生長后期，C2處理的莖粗絕對值最高。

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

2.1.2 番茄產量指標

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，各處理在第3穗果時期，平均單果重和單穗果重均達到最大值。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；而隨著果穗數增長，C1處理的第4穗果單果重、產量較CK分別提高了17.02%、13.42%，差異達顯著水平，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%，雖與對照無顯著差異，但單穗產量顯著高于對照處理CK，提高了33.86%。由于試驗僅采收5穗果，因此各處理之間單株產量差異較小。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處理的單株總產量相比C2、CK處理分別提高了7.86%、6.26%。

表3 營養液淋洗對番茄單果重和產量的影響

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

3 結論與討論

3.1 討論

無土栽培系統在水肥高效利用和農業無排放生產方面表現出巨大的優勢，但隨著栽培時間的延長，基質根際微環境養分不斷富集[27?29]。本研究結果表明，各處理根區養分均出現了富集，與灌溉液相比，根區電導率提高了31.26%～69.06%。而在低濃度營養液淋洗中，淋洗處理的根區溶液EC值與不淋洗處理相比上升相對緩慢，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，其比對照組EC值下降了22.36%，表明使用低濃度營養液可以有效減緩根區溶液EC值的升高。同時，本研究中，生長后期對照組株高相比C1和C2處理生長緩慢，此結果與孟憲敏等[30]研究表明高濃度營養液不適宜植株生長相一致。說明適宜濃度營養液更有利于番茄的生長[31]，而使用低濃度營養液淋洗緩解養分富集是一種比較實用的方法。本試驗中各處理對莖粗的生長無顯著影響，此結果與不同營養液濃度處理番茄的莖粗無顯著差異的結果相類似[32]。此外，李亞靈等[33]研究指出增加EC值可以引起單果質量的降低，且每增加一個EC值單果質量減少3.8%，且產量的降低主要是單果重的降低和非商品果的增加。本研究結果顯示，每穗果產量和單果重均呈先升高再降低的變化趨勢，這與李亞靈等的研究結果相類似；淋洗處理與對照的產量從第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EC值大部分在4～5mS·cm?1，而對照根區EC值處于5～7mS·cm?1，這與生長后期根區環境EC值不同導致水分和養分吸收不同有關，也說明高EC值帶來離子脅迫，會降低番茄單果重和產量[34?35]。但由于本研究僅采收5穗果，因此，淋洗處理總產量優勢未達到顯著水平，后續研究中延長采收時間，調控效果可能會更加顯著。

3.2 結論

基質栽培使用低濃度營養液進行淋洗可以有效緩解基質中養分離子富集，促進生長和提高產量。

（1）基質栽培中根區養分出現富集，與灌溉液相比，根區電導率提高了69.06%。

（3）使用低濃度營養液對盆栽番茄進行淋洗有利于植株生長。其中C1處理可以促進株高的生長，也有利于番茄中后期單果重和單穗果重的增加。其與對照相比，可提高番茄單株產量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

寧夏回族自治區重點研發計劃項目（2018BBF02024）；北京市科技計劃課題（D7110007617003）

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

王朝軍，E-mail：18447055829@163.com