基于土壤電導率控制的養分供給對設施番茄生長、產量和品質的影響

潘昭隆，劉會芳，趙帥翔，馬海龍，張翠英，段志平，張衛峰*

（1.中國農業大學資源與環境學院/中國農業大學農業綠色發展研究院/中國農業大學農業綠色發展學院，北京 100193；2.灤南縣農業農村局，河北 唐山 063500）

設施栽培是我國蔬菜生產的重要方式之一，與露地栽培相比，具有單產高、品質好等優點［1］。但設施栽培在持續生產一定年限后，普遍出現了土壤鹽漬化現象［2-5］。已有研究發現，在設施蔬菜生產中，過量的肥料投入是造成土壤鹽漬化的主要原因［6］，并且隨著土壤鹽漬化的加重，其會嚴重抑制作物根系的生長，從而降低作物的產量和品質，嚴重制約設施蔬菜的可持續生產［7］。肥料的合理供應不僅是降低土壤鹽漬化風險的有效手段，也是確保蔬菜優質生產的關鍵因素。解決這一問題的關鍵技術是使用滴灌設備，并按照作物的養分吸收規律進行“少量、多次”的養分供給。此模式在試驗條件下可以大幅度降低水和肥料的投入，但在實際生產中缺乏養分投入控制指標，農戶仍按照傳統漫灌施肥方式，需要人為定時、定期地對滴灌設備進行調控，資源、環境、經濟效益均難以體現，導致大面積應用極其緩慢。因此，建立科學高效的決策指標體系，配合智能化監測和水肥一體化設備，是控制設施蔬菜養分投入并實現綠色升級的迫切需求。

土壤電導率（EC）是土壤的電化學特征，可表征土壤的鹽分狀況、養分含量、水分含量等理化信息，近年來受到眾多學者的關注［8-10］。已有研究發現，土壤EC與土壤含鹽量呈正相關，可作為土壤養分的綜合性參考指標［11］，但是國內外學者對此方面的研究多數在無土栽培上，主要通過篩選出對作物影響最佳的營養液EC，進而通過電導率傳感器與肥液箱的智能聯動實現作物養分的科學投入［12-15］。而在實際設施蔬菜生產中，通過監控土壤EC進行養分科學投入的研究尚少。在實際生產中，設施土壤也是重要的養分供應源，尤其是在農戶大量投入有機養分的情況下，僅控制肥液的養分顯然會導致過量投入，這也是目前發展緩慢的主要原因。另一方面，隨著信息技術的發展，成本低廉而測試準確度高的土壤電導率監測儀器也快速發展，如小米植物檢測儀，成本僅59元，而測試準確度能夠達到0.1 mS/cm，為實現大田生產中的高精度監測提供了可能。但同樣在實際生產中，由于缺乏各種作物體系的控制指標，也遲遲未能推廣應用。

因此，本試驗以設施番茄為研究對象，在水肥一體化技術的基礎上，選擇可視化電導率傳感器控制施肥量，探究適合于設施番茄生長、高產和高品質的土壤EC閾值，為未來智能化設施生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點及設施管理

試驗于2017年10月至2018年5月在河北省唐山市灤南縣扒齒港鎮米官營村明雪生態蔬菜示范園溫室大棚中進行。供試土壤為河北省灤南縣典型的沙壤土（依據國際制土壤質地分類標準）［16］，土壤有機質18.73 g/kg，全 氮0.94 g/kg，有 效 磷104.43 mg/kg，速效鉀231.13 mg/kg，pH 7.7，EC 0.15 mS/cm。番 茄品種選用耐低溫、抗病性強的多瑞吉星。2017年10月14日開始育苗，采用穴盤育苗法，基質為蚯蚓消解處理后的牛糞蘑菇渣。將番茄種子置于基質1～1.5 cm深處，上邊覆上松軟的基質，用水澆透苗盤，置于大棚中。白天溫度保持在25～30℃，夜間溫度保持在16～18℃，出苗后進行澆水。2017年12月16日定植，起壟栽植，株距30 cm，行距60 cm。番茄單桿整枝，留四穗果，白天溫度控制在20～25℃，夜間溫度控制在10～15℃。分別在定植時、緩苗后、蹲苗后以及追肥時進行澆水，共澆水11次，于5月20日拉秧。

1.2 水肥試驗設計

共設7個處理：CK0、CK1、EC0.5、EC1.5、EC2.5、EC3.5、EC4.5，小區面積為15 m2（10 m×1.5 m），各處理隨機排列，并設置3次重復。CK0為不施肥的處理；CK1為農戶傳統處理：基肥施用48 t/hm2有機肥（N=0.45%，P2O5=0.46%，K2O=0.96%）和750 kg/hm2復合肥（N-P2O5-K2O養分配比為15-8-21）；追肥施用復合肥（N-P2O5-K2O養分配比為16-5-24），分4次施用，分別在每穗果的果實膨大期施入，用量按照農民習慣。參照Ayers［17］的研究結果，番茄生長的最佳EC為2.5 mS/cm，本研究將EC梯度進一步細化，各處理的土壤EC上限依次定為0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 mS/cm。根據番茄養分吸收規律及各時期養分配比［18］，各處理基肥均施用34.5 t/hm2有機肥（N=0.45%，P2O5=0.46%，K2O=0.96%）、750 kg/hm2復合肥（N-P2O5-K2O養分配比為15-8-21），追肥均采用優化配比的復合肥（N-P2O5-K2O養分配比為16-5-24），分4次在每穗果的果實膨大期施入。追肥用量由各處理的EC決定，在追肥過程中，監測各處理土壤EC的動態變化，達到設定數值時，即停止施肥，并同時進行等量補水。各處理灌溉量均為7725 m3/hm2，在緩苗期、蹲苗結束后、四穗果的各穗坐果期進行灌溉，各時期灌溉量分別為252、1200、1500、1500、1500、1500 m3/hm2。土壤EC采用靈敏度較高的2265FS電導計進行實時監測，監測土層深度為0～15 cm，施肥灌溉均采用滴灌方式，施肥時提前2 d將復合肥料（N-P2O5-K2O養分配比為16-5-24）溶于肥料池內，以保證濃度均衡，具體內容詳見表1。

表1 各處理肥料施用總量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長指標

株高、莖粗、完全展開葉可直接表征番茄植株外觀生長狀態，并且SPAD值在一定程度上也可以表征作物的生長狀況，因此選擇以上4個指標來評價EC對番茄生長的影響。各處理選取10株番茄進行長期定位監測，定植之后每隔10 d測量其株高、莖粗、葉片數和SPAD值，并計算平均值。株高測定選用卷尺測量植株從根基到生長點的總高度；莖粗選用游標卡尺測量從根基上數第2～3片葉間的直徑，用十字交叉法分別在同一處測量后，取2個值的平均值為該植株的莖粗；通過記錄完全展開葉的數量來測定葉片數；SPAD值選用葉綠素儀（SPAD-502Plus）測定植株倒數第4～7片功能葉，測定重復3次，取均值作為該葉的SPAD值。

1.3.2 產量指標

產量：各處理隨機選取5株番茄進行掛牌，在果實采收期進行測產，記錄每次采收的單果重、單株產量、總產量。從開始采收日起每日累計，各處理分別記錄求和即為果實總產量。

干物質累積量：拉秧時各處理隨機選取5株植株，將番茄植株的根、莖、葉、果實分開，分別測定各部分鮮重，之后置于烘箱中，在105℃條件下殺青30 min后，于75℃條件下烘至恒重并進行稱量，用以測定干物質量。

1.3.3 品質指標

品質指標包括外形品質和營養品質。外形品質在一定程度上決定了番茄的經濟價值，主要包括果型指數、病果率、商品果率3個指標，各處理隨機選取5株植株，采用游標卡尺測定番茄果實的縱徑和橫徑，并計算果型指數（縱徑/橫徑），同時計算每株番茄的病果率和商品果率；營養品質決定了番茄的口感和營養價值，主要包括5個指標，分別是可溶性固形物、可溶性糖、有機酸、糖酸比、維生素C，各處理隨機選取5株植株，測定其番茄果實的可溶性固形物、可溶性糖、有機酸、維生素C含量，分別采用WZ-112手持式折射儀、蒽酮比色法、氫氧化鈉滴定法、2，6-二氯靛酚滴定法測定［19］。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2013進行初步分析和圖表制作，采用SPSS 19.0進行方差分析，采用新復極差多重比較法（Duncan）進行差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 番茄生長指標

2.1.1 株高

從圖1可以看出，隨著生長天數的增加，番茄各處理的株高逐漸增高。在定植后30 d時，各處理的株高達到31.80～40.66 cm，處理間差異不顯著；在定植后30～80 d，番茄株高增長速度最快，各處理間差異逐漸顯現，其中EC4.5處理最高，顯著高于CK0 31.1%；在定植后100 d左右，番茄營養生長基本結束，各處理的株高表現為：EC3.5＞EC2.5＞EC4.5＞CK1＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC3.5處理最大，為123 cm，相比CK1提高3.1%。通過分析各個時期株高與土壤EC的關系，發現均符合二次曲線關系，其中定植后100 d時株高與EC的二次曲線為y=-1.1286x2+9.1029x+104.35；R2=0.8768，經擬合得出株高最優所對應的土壤EC為4.03 mS/cm。

圖1 番茄株高變化

2.1.2 莖粗

從圖2可以看出，隨著生長天數的增加，番茄各處理的莖粗不斷增加。在定植后30 d時處理間差異已經開始顯現，其中EC4.5處理莖粗值最大，顯著高于CK0 20.8%；在定植后30～80 d內莖粗增長最快，各處理間差異進一步擴大，莖粗表現為：EC2.5＞EC3.5＞CK1＞EC4.5＞EC0.5＞EC1.5＞CK0，EC0.5、EC1.5、EC2.5、EC3.5、EC4.5處理均顯著高于CK0處理，但各處理間無顯著差異；在定植后100 d左右，番茄營養生長基本結束，各處理的莖粗表現為：EC3.5＞EC2.5＞EC4.5＞EC1.5＞CK1＞EC0.5＞CK0，EC3.5處理莖粗最大，為14.59 mm，相比CK1高出40.3%。番茄各時期株高與EC均呈現二次曲線規律，其中定植后100 d時的擬合曲線為y=-0.2969x2+1.7391x+11.944；R2=0.9155，經方程擬合得出莖粗最優所對應的土壤EC為2.93 mS/cm。

圖2 番茄莖粗變化

2.1.3 葉片SPAD值

從圖3可以看出，隨著生長天數的增加，番茄各處理葉片的SPAD值也在不斷增大。在定植80 d時，各處理間葉片SPAD值差異顯現，由大到小的 順 序 為：EC1.5＞EC0.5＞EC3.5＞EC2.5＞EC4.5＞CK1＞CK0，EC0.5、EC1.5、EC2.5、EC3.5、EC4.5處理均顯著高于CK0處理，但各處理間無顯著差異；在定植后100 d左右，各處理葉片SPAD值不再變化，各處理葉片SPAD值大小順序為：EC3.5＞EC2.5＞EC1.5＞CK1＞EC4.5＞EC0.5＞CK0，最 高 為EC3.5處理，比CK1高出2.6%。各個時期葉片SPAD值與土壤EC呈現二次曲線規律，其中定植后100 d時的擬合曲線為y=-0.5429x2+2.7583x+41.935；R2=0.9633，經方程擬合得出番茄葉片SPAD值最優所對應的土壤EC為2.54 mS/cm。

圖3 番茄葉片SPAD值變化

2.1.4 完全展開葉

從圖4可以看出，隨著生長天數的增加，番茄各處理的完全展開葉逐漸增加，在定植后10～60 d，各處理完全展開葉的數量增長較慢，各處理無顯著差異；在定植后60～80 d，番茄完全展開葉片數增速最快，各處理間差異開始顯現，由 大 到 小 的 順 序 為：CK1＞EC4.5＞EC3.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0＞EC2.5，其中CK1完全展開葉片數最高，相比CK0高出15.4%；在定植后80 d時，各處理完全展開葉片數達到最大，隨后開始減少，在定植后100 d左右，各處理完全展開葉片數趨于穩定，各處理間差異不顯著，其中EC3.5處理的葉片數最多，相比CK1高出6.2%。各個時期完全展開葉片數與土壤EC未能建立擬合曲線。

圖4 番茄完全展開葉變化

2.2 番茄干物質累積量與產量

2.2.1 干物質累積量

從表2可以看出，不同處理間的干物質累積量不同，并且不同部位的干物質累積量也具有一定差異。番茄根、莖、葉、果不同部位的干物質累積量差異顯著，果實的干物質累積量最高，各部分的大小順序為：果實＞葉片＞莖部＞根部。處理間各部位的干物質量積累差異顯著，根部干物質累積量表現為：EC2.5＞EC3.5＞EC4.5＞EC1.5＞CK1＞EC0.5＞CK0，EC為2.5 mS/cm時最高；莖干物質累積量表 現 為：EC2.5＞EC3.5＞CK1＞EC4.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC為2.5 mS/cm時最高；葉片干物質累積量表現為：EC2.5＞EC3.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0＞EC4.5＞CK1，EC為2.5 mS/cm時最高；果實干物質累積量表現為：EC3.5＞EC4.5＞EC2.5＞CK1＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC為3.5 mS/cm時最高；總重表現為：EC2.5＞EC3.5＞EC4.5＞CK1＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC為2.5 mS/cm時最高。整體來看，EC2.5處理表現較好，干物質積累量高。番茄各部分的干物質累積量與土壤EC均呈現二次曲線規律（表2）。經擬合得出番茄根、莖、葉、果、總重最優所對應的土壤EC分別為2.92、3.04、2.34、3.81、2.97 mS/cm。

表2 干物質累積量 （g/株）

2.2.2 產量

從表3可以看出，不同處理間番茄產量具有顯著差異。從單果重來看，各處理表現為：EC3.5＞CK1＞EC2.5＞EC4.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0。前人研究指出，大果型番茄品種單果質量在180～250 g比較合適［20］，本試驗中CK0、EC0.5、EC1.5 3個處理的單果重均在180 g以下，其他處理的單果重均在適宜范圍內，其中EC3.5處理的平均單果重最大，達到204.5 g，比CK0高出51%，與CK1處理相差不大，僅高出0.79%。從單株產量來看，各處理表現為：EC 3.5＞EC4.5＞CK1＞EC2.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，單株產量最高為EC3.5處理，比CK0處理高89.07%，比CK1處理高10.29%。總產量表現為：EC3.5＞EC4.5＞CK1＞EC2.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，最高的處理為EC3.5處理，比CK0高出88.62%，相比CK1高出10.33%。番茄產量指標與土壤EC均呈現二次曲線規律，經擬合得出番茄單果重、單株產量、總產量最高所對應的土壤EC分別為3.19、4.49、4.51 mS/cm。

表3 番茄產量

2.3 番茄品質

2.3.1 外觀品質

番茄外觀品質具體包括3個指標，分別是果形指數、病果率和商品果率。果形是果菜類蔬菜非常重要的性狀之一，番茄的外形在一定程度上決定了番茄的經濟價值，設施番茄的果形大致可分為9種：圓形、扁圓形、扁平形、高圓形、長圓形、卵圓形、桃形、梨形、長梨形［21］，不同番茄品種的果形通常不一樣。果形指數是衡量果實形狀的一種量化指標，具體為果實的長度（L）和直徑（D）之間的比值，用L/D表示，L/D越大代表果形越長，L/D越小代表果形越扁。L/D為0.8～0.9時說明果形是圓形或近圓形，0.6～0.8時為扁圓形，0.9～1.0時為橢圓形或圓錐形，1.0以上時為長圓形。

從表4可以看出，L/D最大為EC0.5處理，最小為CK1處理，受市場收購標準影響，農戶傾向于種植扁圓形果實，即L/D為0.6～0.8。EC3.5、EC4.5、CK1處理的果形指數為0.72，說明其果形屬于扁圓形，CK0、EC0.5、EC1.5、EC2.5處理果形指數均在0.8～0.9，其果形為圓形或近圓形，說明隨著土壤EC的增大，果形指數呈現逐漸變小的趨勢。各處理番茄病果率的表現為：EC1.5＞EC3.5＞EC4.5＞CK1＞CK0＞EC0.5＞EC2.5，其 中EC0.5、EC2.5和CK0處理的病果率均在8%以下，均低于其他處理。各處理番茄的商品果率表現為：EC2.5＞CK1＞EC3.5＞EC4.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，其中EC2.5處理的商品果率最高，為90.09%，相比CK0處理高出4.96%。番茄商品果率和果型指數與土壤EC均呈現二次曲線規律，經擬合得出番茄商品果率最高所對應的土壤EC為2.77 mS/cm；番茄果型指數為0.6～0.8時，所對應的土壤EC范圍為2.05～5.18 mS/cm。

表4 番茄果實形態

2.3.2 營養品質

營養品質具體包括5個指標，分別是可溶性固形物、可溶性糖、有機酸、糖酸比、維生素C。從表5可以看出，不同處理的營養品質指標均具有一定差異。各處理間可溶性固形物含量表現為：EC4.5＞EC1.5＞CK0＞EC2.5＞CK1＞EC0.5＞EC3.5，土壤EC為4.5 mS/cm時可溶性固形物含量最高，為5.8%。研究表明，番茄良好的風味還要有合適的糖酸比，并且根據多數人的口味，糖酸比要建立在較高的含糖量上［22］。大多數人喜歡糖度稍高的果實風味；但糖含量高，酸度過低，味道會比較單調，缺乏甜酸適度的口味，若糖酸含量均過低，即使有合適的糖酸比，也會讓人感到淡而無味。霍建勇等［23］研究指出，合適的糖酸比為6.9～10.8。表5數據顯示，本研究各處理可溶性糖含量表現為：EC2.5＞CK1＞EC3.5＞EC4.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC2.5處理的可溶性糖含量最高，但EC2.5處理與EC3.5、EC4.5、CK1處理（農民傳統）差異不顯著，與EC0.5和EC1.5處理差異顯著；各處理有機酸含量表現為EC3.5最低，但與其他處理間差異均不顯著；EC2.5與EC3.5處理的糖酸比均處于合適的范圍內，但二者與CK1差異不顯著；EC2.5處理維生素C含量最高，達到12.34 mg/100 g，并且均顯著高于其他處理。番茄的營養品質指標與土壤EC呈現二次曲線規律，經擬合得出番茄可溶性糖、有機酸、維生素C最優所對應的土壤EC分別為2.94、3.15、3.03 mS/cm；番茄糖酸比為0.6～0.8時，經擬合得出其對應的土壤EC范圍為1.46～4.59 mS/cm。

表5 番茄營養品質

3 討論與結論

土壤EC在一定程度上可以表征土壤的養分狀況，因此調控土壤EC會對番茄的生長有直接影響。外觀生長量是表征植株生長的重要指標，植株在合適的養分條件下會呈現優異的外觀表現，張建新［24］研究表明，養分不足會使作物生長緩慢，而土壤溶液濃度過高會形成鹽分脅迫，影響作物對養分和水分的吸收，只有在適宜的土壤溶液濃度下，植株才能正常生長。在本研究中，番茄植株的株高、莖粗和SPAD值與土壤EC基本符合二次曲線關系，指標表現均為中度（EC 2.5、3.5 mS/cm）EC調控處理優于低度（EC 0.5、1.5 mS/cm）和高度（EC 4.5 mS/cm）EC調控處理，這與倪紀恒等［25］在營養液中的研究結果相似，辛鑫等［26］研究結果也表明，當營養液EC在2 mS/cm左右時，更適宜番茄的生長。

邢英英等［27］研究表明干物質積累與養分投入呈正比，但本研究發現在EC2.5和EC3.5處理下，番茄各器官干物質累積量均顯著高于其他處理，這說明將土壤EC保持在適度（2.5～3.5 mS/cm）時所對應的養分投入較為適合番茄生長，過高的養分投入會抑制番茄的干物質積累。在產量表現上更是如此，土壤EC保持在適度（3.5 mS/cm）時所對應的養分投入的單果重、單株產量和總產量均顯著高于其他處理，而高土壤EC（4.5 mS/cm）所對應的高養分投入的總產量出現了顯著下降，這說明依據土壤EC將養分投入控制到適度范圍內是獲得高產量的有效途徑，這與樊懷福等［28］的研究結果基本一致。

番茄的外形受到品種、光照、養分、外力條件等因素的影響，在一定程度上決定了番茄的經濟價值。本研究發現，隨著土壤EC的升高，番茄的果型指數呈下降趨勢，果型由近圓形向扁圓形過渡，這是由于養分充足會使番茄均勻膨大，因此具有較好的果型指數。但是，隨著養分投入增大，土壤EC的升高，番茄吸收過量的養分會變得更易染病，這是EC3.5、EC4.5處理病果率較高的主要原因。營養品質決定了番茄的口感和營養價值，是番茄品質評價的重點。研究表明，在一定范圍內隨著營養液EC的升高，番茄的可溶性固形物、可溶性糖、有機酸、維生素C含量等指標均顯著提升［29］，這是由于高EC條件下所對應的養分投入也隨之增加，研究表明在一定范圍內增施鉀肥可顯著增加番茄糖和可溶性固形物的含量［30］，不僅如此，樊懷福等［28］研究認為高EC條件會適當抑制番茄根系吸收，從而提高果實總可溶性糖和維生素C含量，這與本研究結果并不完全一致，本研究發現番茄的營養品質指標與土壤EC呈現二元曲線規律，隨著土壤EC的升高，番茄可溶性糖、維生素C含量等指標先升高而后降低，此結論是由本研究的試驗條件決定的，設施土壤栽培相比于水培具有更高的養分投入，因此本試驗設定的EC梯度要高于水培，導致本研究結論與其他研究具有一定差異；Li等［31］研究表示，營養液EC過高，會嚴重抑制根系對養分的吸收，是降低番茄品質的因素之一，這與本研究中EC2.5處理的風味指標顯著高于EC3.5和EC4.5處理的結果一致；郭世榮［32］研究認為，適宜番茄生殖生長的EC范圍是2.5～3.5 mS/cm，這與本研究結論基本一致。

通過模型擬合綜合考慮不同土壤EC對番茄生長性狀、干物質累積、產量以及外形品質和營養品質的影響，本研究認為土壤EC過低（EC0.5和EC1.5處理）會導致番茄植株生長受到抑制，從而導致產量以及品質明顯降低；土壤EC接近3 mS/cm時有利于番茄生長、產量形成并獲得高的品質。綜上所述，本研究認為，在依托水肥一體化設備的前提下，將土壤EC控制在3 mS/cm的同時進行滴灌施肥最適合番茄的生產。