現代溫室廢舊巖棉對番茄生長和品質的影響

丁小濤,何立中,金海軍,張紅梅,崔佳維,周 強,余紀柱

(上海市農業科學院,上海市設施園藝技術重點實驗室,上海都市綠色工程有限公司,上海 201403)

智能溫室是對荷蘭文洛式溫室及其他配備智能控制系統溫室的一種泛稱,因其具有低碳節能、節省人工、精準控制和效益高的特點,正逐漸推廣到番茄栽培中[1]。荷蘭是世界設施園藝強國,現有溫室約有1萬hm2,其中番茄栽培采用最多的就是巖棉+營養液的栽培方式[2]。近年來,我國大型現代溫室發展迅速,很多企業都投入到新一輪引進現代溫室的浪潮中,參考荷蘭模式進行蔬菜生產[3],巖棉栽培占荷蘭無土栽培面積2∕3以上,農用巖棉是由約60%玄武巖、20%焦炭、20%石灰石加上少量煉鐵后的礦渣經高溫熔融、成纖最后壓縮成特定密度后再裁剪而成,在成纖過程中加入了一種具有表面親水作用的黏結劑,能保持巖棉浸水后長時間不變形,而且具有良好的親水性[4]。荷蘭有非常成熟的巖棉循環利用技術,蔬菜巖棉栽培之后,企業可以將這些廢舊巖棉回收制磚,而我國目前在廢舊巖棉的后續處理上技術還不完善,嚴重制約了以巖棉作為栽培基質在現代溫室蔬菜栽培上的發展[5]。本試驗以進口新、舊巖棉,國產新、舊巖棉,椰糠為栽培基質,在現代溫室中通過不同基質番茄越冬栽培的比較,以期探究廢舊巖棉在番茄種植上的可行性,為巖棉循環利用、提高巖棉使用效率提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在上海市崇明區港沿鎮國家設施農業工程技術研究中心崇明基地“Venlo”型現代溫室中進行,所用番茄品種‘佳西娜’,由瑞克斯旺(中國)種子有限公司提供。分別以進口巖棉(Grodan生產的Master農用巖棉條,巖棉條長×寬×高=100 cm×20 cm×7.5 cm)、國產巖棉(浙江軒鳴新材料有限公司生產,農用巖棉條長×寬×高=100 cm×20 cm×7.5 cm)和椰糠(Dutch Plantin Coir India Pvt.,Ltd.生產,椰糠條中椰糠浸泡體積脹大后約長×寬×高=100 cm×17 cm×7.5 cm)作為栽培基質進行栽培試驗。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗處理及栽培管理

2020年8月25日,番茄種子直接播種在巖棉塞中(巖棉塞20 mm×27 mm,在播種前浸泡于EC 2.0 dS∕m,pH 5.5的營養液中1 h),之后放置于28℃的培養箱中,出苗后放置到育苗溫室,溫室溫度白天不高于35℃,晚上25℃左右,出苗3 d后,移苗到巖棉塊(10 cm×10 cm×6.5 cm)中生長,此時灌溉營養液EC為2.0 dS∕m,pH 5.5,確保巖棉塊中有充足的營養液。2020年9月18日定植于栽培溫室中,定植前1 d將溫室所有的栽培基質通過電腦控制灌溉營養液約7.5 L∕m2,灌溉營養液EC 2.0 dS∕m,pH 5.5。新的巖棉條浸泡1 d后,通過基質袋尾部開口,將多余的水放掉,舊巖棉和椰糠為之前種植茬口使用過的,在使用前基質內仍有一定的含水量,通過此次一起灌溉,多余的營養液直接排出,但基質含水量基本可達到飽和。番茄定植密度為2.5株∕m2,采用吊掛栽培,通過天窗、濕簾風機、空氣處理機組等對溫室進行控溫,定植后一段時間,主要注重溫室降溫,使白天溫度盡量不超過30℃,晚上不高于25℃,冬季主要進行保溫,白天通風溫度22—24℃,晚上加熱溫度14℃。整個栽培期番茄依賴自然光進行生長,不進行人工補光。定植后至果實采收期,灌溉營養液EC由2.0 dS∕m逐漸增加至3.0 dS∕m,pH 5.5,每天營養液排液控制在15%—30%,果實采收期營養液排液適當降低,灌溉營養液基礎配方見表1,根據每次排液的檢測情況,適當對灌溉營養液配方進行微調。電腦控制灌溉系統,每次使用相同量的A和B母液進行稀釋,最終使栽培溫室灌溉的營養液達到設置的EC;使用鹽酸(HCl)和氫氧化鈉(NaOH)將營養液的pH調節至5.5左右。其他栽培管理措施,如取老葉、取側枝、落蔓、疏果、采收等按照正常管理進行[6]。

表1 番茄不同罐中營養液母液元素成分Table 1 Elements component in the mother nutrient solution in different tanks of tomato

1.2.2 不同處理番茄生長量和產量的測定

分別在結果中期和后期,使用卷尺分別對不同處理的株高、節間長度(植株中上部)、最大葉長寬進行測量,同時用游標卡尺測量植株的中上部莖粗。番茄完全轉色后及時進行采收,并用電子秤記錄每次采收的產量,計算番茄單位面積產量和畝產量。

1.2.3 不同處理番茄氣體交換參數的測定

利用PP-Systems公司生產的CIRAS-3型便攜式光合儀分別于結果早期、中期、后期,選擇植株中部展開最大功能葉,于晴朗天氣測量不同處理番茄葉片的氣體交換參數,氣體交換參數包括凈光合速率(P n)、氣孔導度(G s)、胞間二氧化碳濃度(C i)、蒸騰速率(T r)。測量的光照強度設置為1 000μmol∕(m2·s),溫度、濕度、CO2濃度依賴于溫室的自然條件,光合儀于溫室中開機預熱,穩定30 min后進行測量,每次待測量值穩定后再進行記錄,所有處理重復測定5次,結果以平均值±標準差表示。

1.2.4 不同處理番茄品質參數的測定

于番茄結果期,對不同基質處理番茄相同部位的成熟果實進行取樣,用全營養破壁料理機(中山市歐麥斯電器有限公司生產)進行混合打樣,然后將樣品放置于-80℃冷凍保存待測。不同處理番茄中VC、可溶性糖、可溶性蛋白、類黃酮、硝酸鹽、亞硝酸鹽含量的測定參考曹建康等[7]方法,使用蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒進行測量,可溶性固形物含量使用糖度計測定。

1.2.5 不同處理營養液排液EC、pH和礦物質元素含量的測定

如表2所示，綜合工況后的計算結果包括冷態(SUS)和熱態(OPE)。其中還有對模型的一次應力與二次應力的校核，只有當一次應力與二次應力同時校核成功才能說明模型所呈現的LNG氣化站是可以安全生產的。從圖3可以看到，對模型的二次應力校核結果顯示為紅色，說明二次應力校核未通過，其結果如表3所列。

對不同基質處理的營養液排液進行收集取樣,取樣時間分別為2020年10月18日、2020年10月29日、2020年11月19日、2020年12月9日、2020年12月18日、2020年12月31日、2021年1月14日、2021年1月29日、2021年3月14日、2021年4月22日、2021年5月7日。每次每個處理混合取排液約300 mL,待溫室灌溉出現排液2—3次后再進行取樣,委托歐陸分析技術服務(蘇州)有限公司進行營養液排液EC、pH和礦質元素測定,其中2021年3月14日的檢測同時增加了排液目標值(Target)的檢測。電導率(EC)使用電導分析法測定,酸堿度(pH)使用電位分析法測定,硝酸鹽含量使用流動注射法(FIA)測定;使用電感耦合等離子體-發射光譜(ICP-OES)分別在特定波長下測定營養液排液中磷(P-213.6 nm)、鉀(K-766.5 nm)、鈣(Ca-317.9 nm)、鎂(Mg-285.2 nm)、硫(S-181.9 nm)、鐵(Fe-238.2 nm)、錳(Mn-257.6 nm)、鋅(Zn-206.2 nm)、硼(B-249.7 nm)、銅(Cu-327.4 nm)和鉬(Mo-202.0 nm)含量,其中等離子體氣流量為17 L∕min,輔助氣流量0.5 L∕min,霧化器流量0.7 L∕min,樣品提升速率15 mL∕min,提升時間70 s,重復3次,水平觀察高度15 mm。

1.2.6 統計分析

使用SAS 9.3對各處理進行統計分析,結果以平均值±標準差表示,不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著。使用Origin 7.5進行數據作圖。

2 結果與分析

2.1 不同基質處理番茄株高、莖粗、節間長度、最大葉片長寬的比較

從表2可以看出,不同基質處理后,2021年1月29日測量的番茄株高、莖粗、節間長度、最大葉片長寬均無顯著差異;2021年5月9日,所有處理番茄株高較前一次測量均明顯增加,但不同處理間差異不顯著;莖粗和節間長度較前一次測量差異不明顯,各個處理間差異不顯著;最大葉片長、寬較前一次測量均明顯降低,但各個處理間差異仍不顯著。

表2 不同基質處理對番茄株高、莖粗、節間長度、最大葉片長寬的影響Table 2 Effects of different substrate treatments on plant height,stem diameter,inter-node length,and maximum leaf length and width of tomato

2.2 不同基質處理番茄葉片光合作用的比較

從圖1可以看出,不同時期不同基質處理生長的番茄凈光合速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率差異均不顯著,其中不同處理氣孔導度和蒸騰速率在早期相對較低。

圖1 不同基質處理對番茄葉片氣體交換參數的影響Fig.1 Effects of different substrate treatments on leaves gas exchange parameters of tomato

2.3 不同基質處理番茄品質參數的比較

從表3可以看出,進口舊巖棉處理的番茄VC含量相對最高,顯著高于椰糠處理和國產新巖棉處理番茄的VC含量,但進口新巖棉和進口舊巖棉處理之間、國產新巖棉和國產舊巖棉之間差異不顯著;國產新巖棉處理可溶性糖含量最高,但各處理間差異不顯著;不同處理間可溶性固形物、可溶性蛋白、類黃酮、硝態氮、亞硝酸鹽含量差異均不顯著。

表3 不同基質處理對番茄果實品質參數的影響Table 3 Effects of different substrate treatments on fruit quality parameters of tomato

2.4 不同基質處理番茄產量的比較

不同基質處理后,各處理番茄的單位面積產量差異不顯著,均超過了15 kg∕m2,每667 m2產量均超過了10 t(圖2)。

圖2 不同基質處理對番茄產量的影響Fig.2 Effects of different substrate treatments on yields of tomato

2.5 不同基質處理番茄營養液排液EC、pH的比較

從圖3可以看出,不同基質處理后,番茄營養生長及結果早期,營養液排液的EC較低,第一次測量各處理都在3.1—3.3 dS∕m,結果中期(2021年1—4月)檢測的值均較高,其中以進口新巖棉處理在2021年1月29日的測量值為最高6.6 dS∕m,2021年3月14日檢測的排液目標值EC為4.0 dS∕m;結果后期(5月)各處理排液EC又有所降低(4.0—4.4 dS∕m)。果實采收前,各個處理的營養液排液EC均較低,差異不明顯,但均呈現逐漸增加的趨勢;至番茄開始采收(2020年12月1日),進口新巖棉和國產新巖棉的營養液排液EC明顯高于舊巖棉處理,其中以進口舊巖棉營養液排液EC為最低(2020年12月9日測量值為3.8 dS∕m),最后兩次檢測發現各個處理的差異又逐漸減小;椰糠處理營養液排液EC和進口新巖棉、國產新巖棉處理差異不明顯。各個處理營養液排液pH差異不明顯,果實采收前各處理營養液排液的pH較高,果實采收后各處理pH變化較為平緩,接近檢測排液pH的目標值(5.5)。

圖3 不同基質處理后營養液排液中EC、pH的變化Fig.3 Changes of EC and pH in drain nutrient solution of different substrate treatments

2.6 不同基質處理番茄營養液排液礦質元素的比較

從圖4可以看出,不同基質不同時間處理后,各處理的變化趨勢較為一致,結果后期各處理間營養液排液的大量元素含量差異不明顯,結果期之前各處理營養液排液的、P、Ca、K濃度差異不明顯,均處于較低水平,前兩次不同處理測量值為16.3—20.7 mmol∕L、P為0.04—0.44 mmol∕L、Ca為8.4—11.6 mmol∕L、K為5.3—6.7 mmol∕L。2021年3月14日檢測的排液、P、Ca、K的目標值分別為22.0 mmol∕L、1.0 mmol∕L、10.0 mmol∕L、8.0 mmol∕L,結果期進口舊巖棉處理的營養液排液中濃度一直處于最低水平,結果早期國產舊巖棉處理的營養液排液中濃度也較低,但結果中后期明顯升高。至結果期,營養液排液中P、Ca、K濃度明顯增加,結果早中期,進口舊巖棉和國產舊巖棉處理營養液排液中P、Ca、K濃度相對較低,結果后期國產舊巖棉處理營養液排液中P、Ca、K濃度有明顯提升;進口新巖棉、國產新巖棉、椰糠基質中營養液排液的P、Ca、K濃度相對較高。結果期均以進口新巖棉處理的營養液排液中出現最高的(55.5 mmol∕L)、P(3.5 mmol∕L)、Ca(20.0 mmol∕L)、K(15.1 mmol∕L)。2021年3月14日檢測的排液Mg、S的目標值分別為4.5 mmol∕L、6.8 mmol∕L,不同時期,排液中的Mg濃度以進口舊巖棉的最低(最低為3.3 mmol∕L),國產舊巖棉處理營養液排液中Mg濃度在結果早期也比較低,中后期有所增加。不同時期各處理S濃度也是以進口舊巖棉處理營養液排液中的相對較低(最低為3.5 mmol∕L)。

圖4 不同基質處理后營養液排液中大量元素的變化Fig.4 Changes of macro-elements in drain nutrient solution of different substrate treatments

由圖5可見,不同時期椰糠處理的營養液排液中Fe、Mn濃度最低,如2021年1月29日,進口新巖棉處理Fe、Mn濃度分別為椰糠處理的3.7倍和20.3倍;番茄結果早期,營養液排液中Fe濃度以進口舊巖棉和國產舊巖棉處理較高,至結果中后期各巖棉處理營養液排液Fe濃度差異減小。結果期之前,各處理Mn濃度差異不明顯,果實采收期以進口新巖棉和國產新巖棉處理營養液排液Mn濃度較高,其次為進口舊巖棉和國產舊巖棉處理。不同時期,營養液排液中Zn濃度以進口新巖棉處理為最高(2021年4月22日達到最大值10.2μmol∕L),其次為國產新巖棉處理,椰糠、進口舊巖棉和國產舊巖棉處理營養液排液中Zn濃度較低,三者差異不明顯。番茄果實采收前和結果早期,各處理Cu濃度差異不明顯,果實采收中后期進口新巖棉和國產新巖棉處理的營養液排液中Cu濃度明顯增加,而其他處理間差異不明顯。番茄果實采收前椰糠處理的營養液排液中B濃度最低(2020年10月29日測得最小值36μmol∕L),其次為進口舊巖棉和國產舊巖棉處理,進口新巖棉和國產新巖棉處理的濃度相對較高,至番茄結果期,進口舊巖棉處理營養液排液中B濃度明顯為最低,而椰糠處理中營養液排液的B濃度增加。不同處理Mo濃度在番茄采收前營養液排液中含量較高(2020年10月18日測得國產新、舊巖棉最大值均為0.9μmol∕L),之后至結果期明顯降低,其中椰糠處理營養液排液的Mo濃度最低(0.1μmol∕L),而進口新巖棉和國產新巖棉處理的濃度相對較高。2021年3月14日檢測的排液Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo的目標值分別為35.0μmol∕L、5.0μmol∕L、7.0μmol∕L、0.7μmol∕L、50μmol∕L、0.5μmol∕L。

圖5 不同基質處理后營養液排液微量元素的變化Fig.5 Changes of micro-elements in drain nutrient solution of different substrate treatments

3 結論與討論

本試驗不同處理不同時期測量的株高、莖粗、節間長度、最大葉片長寬差異均不顯著,說明不同基質處理對番茄植株生長的影響有限,以國產新巖棉、國產舊巖棉、進口舊巖棉為基質的番茄生長參數均達到了進口新巖棉的水平。

光合作用是植物碳同化并形成產量的基礎,可以直接反應植物生長的好壞[8]。本試驗發現不同基質處理后同一時期,各處理間凈光合速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率差異均不顯著,這也印證了不同處理間生長參數無差異的結果。

高品質和高產量一直是番茄栽培著重努力的方向[9]。本試驗不同基質處理的番茄果實可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白、類黃酮、硝態氮、亞硝酸鹽含量差異均不顯著。果實VC以國產新巖棉、椰糠處理最低,但進口新巖棉和進口舊巖棉處理、國產新巖棉和國產舊巖棉處理間差異均不顯著,說明和新巖棉比較,舊巖棉基質并沒有顯著降低番茄果實的品質。同樣,不同基質處理后番茄的單位面積產量差異不顯著,并且畝產量均超過10 t,而這樣的產量是在冬季不補光、春季不加密、采收期不足6個月的情況下達到的,張洋等[10]對日光溫室越冬番茄研究發現,不補光番茄畝產量只能到達約5.5 t。這也說明不管是進口舊巖棉還是國產新、舊巖棉栽培番茄,產量上都可以達到進口新巖棉的水平。

番茄果實達到采收期,不同時期進行營養液排液檢測,檢測機構會對應給出排液EC的目標值,2021年3月14日檢測機構給出的營養液排液目標值EC為4.0 dS∕m,排液在此EC下會給出對應的營養液元素含量目標值,同時根據不同基質和不同作物生長時期,重新建議給出調整的營養液配方。本試驗營養液排液除了在果實采收前營養液排液EC略低于4.0 dS∕m外,番茄結果期各處理營養液排液EC均高于4.0 dS∕m,這和本研究的灌溉管理策略有關,苗期至結果期,逐漸增加灌溉EC,從2.0 dS∕m增加至2.5 dS∕m,并維持20%—30%的排液;番茄結果期逐漸增加灌溉EC至3.0 dS∕m,并且排液適當減少至15%—20%,使栽培基質中有適當的鹽濃度,從而提高番茄品質[11]。不同基質處理以進口舊巖棉的營養液排液的EC為最低,這可能和舊巖棉基質物理性質的改變有關;不同基質處理營養液排液pH差異不明顯,均在果實采收前略高,結果期營養液排液pH和目標值5.5非常接近。

營養液中礦質元素的分析是無土栽培中非常重要的工作[12]。本試驗中各處理營養液排液中大量元素濃度的變化比較一致,其中N、P、K濃度在結果期均明顯增加。營養液排液中的大量元素以進口舊巖棉和國產舊巖棉中濃度相對較低,這有可能和舊巖棉結構有所破壞,固水能力相對較弱有關;但總體來說,各處理間營養液排液大量元素的變化趨勢一致,不同處理的差異在結果早期和后期較小。結果期N、P、Ca、K、Mg濃度大多比檢測排液目標值高,這應該和栽培中的灌溉策略有關,試驗中結果期為提高番茄品質,有意增加了灌溉營養液的EC,同時適當減少了排液量,增加了基質中營養液的EC。椰糠處理營養液排液中Fe、Mn、Mo濃度最低,這可能和椰糠為有機質,根系環境更利于Fe、Mn、Mo元素的吸收有關;結果早期進口舊巖棉和國產舊巖棉營養液排液的Fe含量較高,這也可能和舊基質持水量較小,空氣含量高,導致Fe元素氧化而形成更多較難吸收的三價Fe有關。結果期進口新巖棉和國產新巖棉營養液排液中Mn、Zn、Cu濃度明顯高于其他處理,相對于2021年3月14日目標值Mn 5.0μmol∕L、Zn 7.0μmol∕L來說,新巖棉處理總體來說更加接近,這也和新巖棉物理性質較好有關。各處理營養液排液B濃度在番茄結果期均在2021年3月14日目標值50μmol∕L之上,但進口舊巖棉和國產舊巖棉處理相對更接近于目標值。結果期各處理Mo濃度均略低于2021年3月14日的目標值0.5μmol∕L,以新巖棉處理更接近于目標值。結果期檢測機構給出的目標值是根系環境排液中比較理想的礦質元素含量,但是栽培者可以根據自己的經驗,適當調整排液的EC和礦質元素濃度,從而獲得較佳的果實產量和品質?，F代溫室番茄栽培,建議定期對營養液排液進行檢測分析,檢測機構也可以根據檢測結果,給出新的營養液配方(做Target檢測),這樣可以及時了解排液中礦質元素的變化,適當調整灌溉策略,給植物根系創造更佳的礦質元素吸收環境。

通過本試驗可以得出,和進口新巖棉比較,使用進口舊巖棉、國產新巖棉、國產舊巖棉均可種植番茄,番茄的產量和品質沒有受到影響。因栽培管理對灌溉營養液的調控,本試驗營養液排液的EC較高,所以大部分排液的大量元素濃度在結果期均較高。栽培中應該注重排液營養液的定期檢測分析,使用舊巖棉基質,番茄結果期應該適當增加S、Mn、Zn、Mo元素的供給;如果使用椰糠作為番茄栽培基質,應注重S、Fe、Mn、Zn、Mo元素的供給;栽培溫室中一個灌溉區(同一灌溉閥控制同時灌溉的區域)最好選用一種栽培基質,這樣更利于營養液配方和灌溉策略的調整優化。