保健型中藥渣基質對日光溫室袋培番茄產量及品質的影響

劉 杰 吳國瑞 張金偉 孫周平

(沈陽農業大學園藝學院/北方園藝設施設計與應用技術國家地方聯合工程研究中心/設施園藝省部共建教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110866)

中藥是我國傳統醫學寶庫中的瑰寶。近年來，中藥產業迅猛發展，尤其是2019年末新冠肺炎的中醫治療藥物在中國防疫中發揮了巨大作用，突顯了中藥產業的重要作用[1]，但是其附產品藥渣廢棄物年排放量達7 000萬t[2]。數量龐大的藥渣肆意堆棄、焚燒，給生態環境造成的不良影響已引起國內外學者的研究重視。前人研究表明，中藥渣不僅殘留有藥用活性成分[3]，還富含黃酮類、萜類及礦物質微量元素等可再利用成分[4]，其豐富的營養價值能為園藝作物提供生長必需的養分，可影響作物的生長狀態并提高作物產量與品質[5-7]。何桂芳等[8]指出將夏枯草藥渣與蚯蚓糞、蛭石按1∶1∶1比例或與蚯蚓糞、泥炭、蛭石按1∶0.5∶0.5∶1比例復合成育苗基質時，該基質栽培的白菜出苗率高，幼苗整齊度高，壯苗指數高；伍淳操等[9]也發現，中藥渣與珍珠巖、泥炭或蛭石按一定比例復合成栽培基質用于蔬菜、花卉等多種植物育苗時，能提高蔬菜、花卉的出苗率、壯苗率，且基質中重金屬含量均符合作物生長環境質量一級標準，栽培安全可靠，切實可行；邊三根等[10]研究表明，純中藥渣基質栽培的番茄表現光澤度好，畸形果較少，果酸味少，口味周正，且采果期長，可實現增產增收；此外，張躍群等[11]和朱普生等[12]用中藥渣栽培番茄試驗均發現中藥渣基質栽培可提高番茄果實維生素C(vitamin C，Vc)、番茄紅素和可滴定酸含量，進而改善番茄品質。由此可見，中藥渣十分具有作為有機基質的潛力。

番茄(LycopersiconesculentumMiller)是我國主要的設施蔬菜作物，富含類黃酮、Vc、番茄紅素等有益于人體健康的營養物質。近年來，由于設施蔬菜土壤連作障礙日趨嚴重，基于農林廢棄物的設施蔬菜基質栽培研究與應用在我國得到廣泛重視，并取得良好的效果。而將具有保健功能的中藥渣基質化后栽培設施番茄，能否提高番茄產量和品質，尚不明確。為此，本研究以保健功能型類中藥渣為主要原料，開展了中藥渣復合基質對日光溫室袋培番茄生長、果實產量和品質的影響研究，旨在篩選出優良配方，為實現該類中藥渣的基質化再利用，解決生態污染問題提供理論依據，同時為我國設施蔬菜基質袋化高品質栽培提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2019年8月在沈陽農業大學科研基地滑蓋式現代節能日光溫室進行。供試栽培基質的主要材料是由白芍、夏枯草、細辛、鉤藤、雞血藤、熟地黃、珍珠母等主要成分組成的中藥渣(天士力東北現代中藥資源有限公司提供，該中藥具有養心補腦作用，藥渣成分固定)和牛糞。供試番茄品種為尊悅(美國圣尼斯公司提供)。供試肥料為速溶型平衡復合肥，其N-P2O5-K2O養分比例為19-19-19。

1.2 試驗設計

1.2.1 基質配方的配制 復合基質主要由充分堆捂腐熟的中藥渣和牛糞按體積比組成，試驗設置4個配方處理：T1(中藥渣∶牛糞=1∶0)、T2(中藥渣∶牛糞=4∶1)、T3(中藥渣∶牛糞=3∶2)、T4(中藥渣∶牛糞=2∶3)，以Ecomix椰糠栽培袋為對照(CK，北京三力創科技有限公司提供)。各配方基質的理化性質及養分含量見表1和表2。采取袋式基質，每袋裝10 L基質，定植2株。

表1 不同配方基質的理化性質

表2 不同配方基質的養分含量

1.2.2 栽培管理 采用袋培方式，每個處理分小區擺放，每小區3行，每行8袋，依次按區擺放。選擇四葉一心長勢一致的壯苗定植，后期單干整枝，吊蔓栽培，留4穗果。水肥管理:各處理均利用水肥一體化自動灌溉裝置，按照統一標準補充水肥，在番茄定植后30～90 d，每周以2 g/株的肥量進行灌施；在番茄定植后90～120 d，每周以1 g/株的肥量進行灌施，此外，每日早中晚進行定期澆水。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 基質重金屬含量的測定 各處理分別將定植前與拉秧后的基質放在陰暗干燥的環境中進行陰干，粉碎后過100目篩。用萬分之一天平(北京賽多利斯科學儀器有限公司)精密稱取0.500 0 g細粉末，加入7 mL硝酸和1 mL過氧化氫進行微波消解，將消解液轉移至50 mL容量瓶中，用超純水定容，即為待測液[13]，然后采用Agilent 75002400407電感耦合等離子體質譜儀(美國安捷倫公司)測定，重復4次。

1.3.2 番茄生長指標的測定 分別在植株定植30、50、70 d時，測定其株高，采用卷尺測量從莖基部到生長點的高度；定植65 d時，取8株生長狀態大體一致的完整新鮮植株，將其中4株的果、莖、葉、根分離，采用中晶ScanMaker i800 Plus掃描儀(杭州萬深檢測科技有限公司)測定根系特征指標，并將植株各部位裝入牛皮紙袋放入烘箱中，105℃殺青20 min后，80℃烘干至恒量，稱量測定干物質重。另外4株只取植株完整根系，迅速找到根尖部位取下并參考鄭堅等[14]的甲醇浸泡法測定根系活力。

1.3.3 番茄果實產量與品質的測定 于定植90～120 d，每個配方隨機選取9株，測定單株總產量、總座果數、平均單果重。于定植100 d左右，待番茄二穂果成熟度一致時，收集10株植株二穂果的第1個果實，擦洗干凈，切成小塊，一部分榨成果實勻漿，用于可溶性糖、可溶性蛋白及有機酸含量的測定；另一部分細切成小片采用Power Dry ll3000真空濃縮凍干系統(丹麥Heto公司)冷凍干燥成粉末，用于番茄紅素、總黃酮和Vc含量的測定。

可溶性糖含量：參照崔曉輝等[15]的乙醇浸提法，使用Waters e2695液相色譜儀(美國Waters公司)測定果糖、葡萄糖、蔗糖含量，并以果糖、葡萄糖、蔗糖含量的總和作為可溶性糖含量。有機酸含量：稱取5.0 g果實勻漿于錐形瓶中，加蒸餾水80℃水浴20 min，冷卻過濾，定容至50 mL容量瓶，吸取10 mL加2滴酚酞，用NaOH滴定至微紅色，以蘋果酸計，并計算糖酸比。

可溶性蛋白含量：稱取0.5 g果實勻漿于離心管中，加入5 mL蒸餾水，3 000 r·min-1離心10 min，取1 mL上清液放入試管中，再加入5 mL考馬斯亮藍試劑，搖勻，放置2 min后于595 nm波長處測定吸光度值，并通過標準曲線獲得蛋白質含量。

番茄紅素含量采用石油醚浸提法測定[16]；總黃酮含量采用蘆丁比色法測定[17]；Vc含量采用草酸-EDTA浸提法測定[18]。均重復4次。

1.4 數據處理與統計分析

采用Excel 2010軟件進行數據整理并作圖，采用SPSS 22.0軟件進行方差分析，多重比較采用Duncan新復極差法，并且對番茄指標進行主成分分析及綜合評價，然后根據測定的所有指標以歐氏距離測距，用組間聯接法，進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同復合基質對番茄植株生長的影響

2.1.1 對植株株高的影響 圖1為不同基質配方的植株分別在定植30、50、70 d后的株高情況。定植30 d時，CK的株高顯著高于其他基質配方，而T4的株高顯著低于其他基質配方處理，剩余3個基質配方處理間株高無顯著差異；定植50 d時，各基質配方處理間株高差異均顯著，除CK外，其余基質配方處理株高與配方中的中藥渣比例成正相關；定植70 d時，各基質配方處理間株高仍存在顯著差異(除T3和T4差異不顯著)，CK的株高最高，T1、T2次之，T3、T4最低。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.1.2 對番茄根系的影響 表3為植株在不同基質配方下定植65 d時的根系特征。結果表明，各中藥渣基質配方處理的根總長度、根表面積均隨著中藥渣比例減少呈逐漸降低的趨勢，而根體積在T2達到最大。各中藥渣基質配方處理的根總長度、根表面積、根體積、根系活力總體均高于CK。此外，T1、T2的根總長度、根表面積、根體積等形態特征相較T3、T4長勢較發達，但T1、T2的根系活力低于T3、T4。

表3 不同基質配方下的植株根系特征

2.1.3 對番茄干物質分配的影響 表4為植株在不同基質配方下定植65 d時的干物質分配情況，可以看出各中藥渣基質配方處理的根干重和果干重均隨著中藥渣比例減少呈先增加后降低的趨勢，均以T2最高，而其莖干重、葉干重則與配方中的中藥渣比例成正相關。此外，CK的莖、葉干重均顯著高于中藥渣基質配方處理，而其果干重與T2相近，且無顯著差異。在植株總干重方面，T2略低于CK但略高于T1，而T3、T4的總干重顯著低于其他處理。各中藥渣基質配方處理的根冠比無顯著差異，但均高于CK，其中T3、T4顯著高于CK。

表4 不同基質配方下的植株干物質分配比較

2.2 不同復合基質對果實產量的影響

產量是評價番茄經濟效益的重要指標。由表5可知，CK與T2的總產量最高，分別達3 490、3 435 g/株，顯著高于其他處理，T1次之，而T3、T4則不足3 000 g/株；從總座果數來看，除T4座果能力略差外，其他處理總座果數均能達到16個；由平均單果重可知，CK的平均單果重最重，T1、T2次之，T3、T4最輕。綜上可知，純中藥渣配方相較市售成品椰糠配方，增產增果重優勢較弱，需與少量牛糞復配作為基質才具有保產的效果。

表5 不同基質配方的植株果實產量統計

2.3 不同復合基質對番茄果實品質的影響

2.3.1 對果實糖酸度的影響 由圖2可知，T1、T2、CK的果糖、葡萄糖及可溶性糖含量均顯著高于T3、T4；而所有處理的蔗糖含量普遍較低。此外，T2的糖酸比能達到4.0以上，顯著高于其他處理，綜合來看，T2的糖高酸低，屬于偏甜口味，而T1、CK的糖酸比偏低，屬于糖高酸高，口感略差于T2，另外，T3、T4屬于糖低酸低類型，口感更差。

圖2 不同基質配方的果實糖酸度比較

2.3.2 對果實中保健性成分的影響 由表6可知，T1、T2的番茄紅素、總黃酮、Vc、可溶性蛋白含量均高于CK，其中T2的番茄紅素和Vc含量含量最高，較CK分別高281%、98%；T1的總黃酮、可溶性蛋白含量最高，較CK分別高12%、66%。此外，中藥渣復合基質配方處理的Vc含量均顯著高于CK。綜合各指標來看，果實中各保健成分含量高低隨基質配方比例變化的趨勢大體上是相似的，且經相關性分析可知，番茄紅素含量與總黃酮含量呈顯著正相關(P<0.05)，與Vc、可溶性蛋白含量呈極顯著正相關(P<0.01)；可溶性蛋白含量與總黃酮、Vc含量呈極顯著正相關(P<0.01)。

表6 不同基質配方果實中保健性成分含量

2.4 對番茄各指標主成分分析及綜合評價

對番茄各指標進行主成分分析，得到15個主成分的特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率，結果如表7所示。前3個主成分特征值均大于1，累積方差貢獻率達83.902%，依據主成分分析理論，若前r個主成分的公因子特征值大于1，累積方差貢獻率超過80%，則這r個主成分能反映足夠的評價指標信息[19-20]。因此，本研究選擇前3個主成分來代表基質配方篩選的綜合因素。

表7 主成分分析解釋總變量

由表8可以構建出3個主成分分值(F)與番茄各指標(X)標準化數據的線性組合，即各主成分的表達式分別為：

表8 主成分分析得到的特征向量

F1=0.333X1+0.126X2+0.133X3+0.136X4-0.247X5+0.318X6-0.203X7+0.354X8+0.309X9+0.371X10-0.075X11+0.195X12+0.348X13+0.313X14+0.114X15

(1)

F2=-0.203X1+0.402X2+0.270X3+0.359X4+0.276X5-0.110X6+0.243X7-0.062X8-0.187X9-0.028X10+0.302X11+0.284X12+0.097X13+0.187X14+0.437X15

(2)

F3=-0.070X1-0.186X2-0.564X3-0.068X4-0.097X5+0.185X6-0.028X7+0.063X8+0.190X9-0.050X10+0.562X11+0.421X12-0.116X13-0.125X14+0.169X15

(3)

以各主成分的特征值占所提取主成分特征值之和的比例作為權重[21]，建立主成分綜合分值計算模型：

F=0.57F1+0.31F2+0.12F3

(4)

利用以上數學模型對5種基質配方的番茄指標進行綜合評價，計算各主成分得分及綜合主成分得分(表9)，以各配方的綜合得分值排序，反映不同基質配方的優劣。由表9可知，T2的綜合得分最高，達到2.17分，而T4的綜合得分最低，為-2.22分。按綜合得分對5種基質配方進行排序，其優劣順序為：T2>T1>CK>T3>T4。

表9 不同基質配方主成分得分及排名

2.5 不同復合基質的聚類分析

綜合各配方所測的全部指標，以歐氏距離衡量各配方間的差異大小，采用組間聯接法對5個配方進行系統聚類分析，如圖3所示，可以分為三大類：第1類定義為良好型，包括CK，表現為基質理化性質和番茄狀態一般正常；第2類定義為改良型，包括T1、T2，表現為基質理化性質和番茄狀態有所改良并提升；第3類定義為中等型，包括T3、T4，表現為基質理化性質或番茄狀態有待提升。

圖3 聚類分析譜系圖

2.6 保健型中藥渣基質的安全性評價

中藥渣中重金屬含量是否超標是其能否作為安全環保型有機基質的關鍵因素。表10為不同配方基質在定植前(0 d)和拉秧后(120 d)的重金屬含量變化，可以看出T1、T2、T3、T4、CK在定植前以及拉秧后重金屬(砷、鎘、汞、鉛)含量均符合作物生長環境質量一級標準以及綠色食品產地環境質量標準，故保健型中藥渣作為有機基質具有質量安全保證。

表10 不同配方基質中的重金屬含量變化

3 討論

優良的栽培基質應具備穩定良好的理化性質基礎條件。為使栽培基質達到穩定的狀態，一般會對原材料進行高溫發酵工作，通常認為發酵腐熟物的碳氮比達到20以下時，為發酵成熟的滿意水平[23-24]，此時，腐熟物的pH值在8～9之間，呈弱堿性[25]。本研究中，保健型中藥渣復合基質的碳氮比范圍為10.25～21.74，pH值范圍為8.19～8.21，基本符合發酵腐熟的標準，具備穩定的理化性質基礎。但相比椰糠基質，保健型中藥渣復合基質偏堿的基質環境可能會引起養分吸收障礙，后期灌溉水肥時，需加入酸物質來調節基質酸堿狀態；此外，中藥渣復合基質的電導率總體較適宜范圍(1～2.6 ms·cm-1)偏高[26]，但由于番茄屬于耐鹽型作物，并不會影響其前期生長。綜上，中藥渣復合基質比椰糠基質理化性質更穩定，養分含量較充足，大體上能滿足作為基質使用的基本條件，但未來在基質進一步開發過程中，需注意基質酸堿度和鹽分含量的調控。

適宜理化性質的基質往往具有良好的水氣調節狀態，利于作物根系生長，不適宜的基質會導致水氣調節失衡，引起植物在不良環境下產生適應性機制，表現出根系生長代謝的“補償效應”[27-28]，如T3、T4的根系長勢弱于T1、T2，但根系活力卻更強。此外，本研究表明，T1、T2的根干重及根部特征指標均高于CK，這可能與T1、T2的基質容重顯著高于CK，更利于作物附著生長，致使根系發達有關，然而CK的地上部總干重優于其他處理，可能是因為椰糠基質偏酸，而大量養分有效含量在酸性環境下更容易釋放，利于作物吸收[29]，使得地上部生長較優。另外，本研究還表明中藥渣復合基質配方處理的植株總干重越高，其果實產量越高，這與王停停等[30]和李靈芝等[31]提出的果實干重與植株總干重之間呈線性關系的規律相似。

在番茄果實糖分組成中，果糖的甜度最高，且極具營養價值，是改善果實品質關鍵指標之一。在番茄果實發育后期，前期積累和輸入的蔗糖受相關代謝酶的影響，逐步分解為果糖和葡萄糖[32-33]，成熟番茄果實中蔗糖含量普遍較低[34]。本研究結果表明，各處理果實的果糖、葡萄糖含量遠高于蔗糖，T1的可溶性糖、葡萄糖含量與CK無顯著差異，但其果糖含量顯著高于CK，而蔗糖含量與CK相比反之，說明純中藥渣基質相比椰糠基質在一定程度上有利于蔗糖向果糖的轉化，進而利于培育高果糖含量番茄。另外，T1、T2、T3、T4的Vc含量均顯著高于CK，可能是因為該類型藥渣中含有白芍，其殘留的芍藥苷等活性成分可調控Na、K-ATPase的活性[35]，影響植物體內的鉀素調控過程，而適宜的鉀素水平有利于番茄Vc含量的提高[36-37]，故中藥渣復合基質處理的果實Vc含量高于CK。此外，各保健成分含量間存在一定的正相關性，說明適宜配比的中藥渣復合基質會綜合影響果實品質的變化，可以提高果實中的番茄紅素、總黃酮、Vc、可溶性蛋白含量，這與張躍群等[11]用正柴胡飲沖劑和復方丹參片藥渣栽培番茄，提高了番茄果實Vc、番茄紅素、可滴定酸含量，以及朱普生等[12]用甘草藥渣栽培番茄進而改善了番茄類黃酮、番茄紅素、蛋白質、總糖、可溶性固形物含量的試驗結果具有一致性，而其影響機理仍有待進一步研究。綜上所述，本研究結果體現了保健型中藥渣作為新型基質的優越性及可選擇性。

基質篩選大多根據研究者觀測經驗確定適宜配方，增加了人為主觀隨意性帶來的偏差。本研究采用了主成分分析法以及聚類分析，能更客觀地描述處理的相對地位。結果表明，以番茄各指標作為主成分分析數據時，各基質配方的優劣順序為T2>T1>CK>T3>T4，且這5個配方以基質和番茄指標數據作為歸類依據時，可以歸為3類:第1類CK良好型，第2類T1、T2改良型，第3類T3、T4中等型。兩種教學統計分析方法均對配方優劣給出一致評價，二者的相互驗證表明本試驗結果的客觀公正性及可信性。

4 結論

綜上可知，T2的每株果實產量與CK相比無顯著性差異，且其果實番茄紅素、總黃酮、Vc、可溶性蛋白含量均高于CK。此外，T2配方基質種植前后的重金屬含量均符合質量安全標準。

綜合本研究結果，建議選用T2配方(中藥渣∶牛糞=4∶1)，既能極大改善番茄果實品質，增強保健功效，又能保證產量，且具有質量安全保證，還能最大程度上利用中藥渣廢棄物，降低基質成本，極大地增加了經濟效益。