成型有機基質種植板在設施葉用萵苣栽培中的應用效果

毛 欣 元文飛 張 毅 李亞靈 溫祥珍 侯雷平 白龍強*李衍素

（1 山西農業大學園藝學院，山西省設施蔬菜提質增效協同創新中心，山西太谷 030801；2 中國農業科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

設施園藝是我國農業的重要支柱產業之一，其中設施蔬菜占比達78%（李天來 等，2019）。但是，我國設施蔬菜的綜合機械化水平尚不足25%，不僅與主要糧食作物的機械化率（70%～90%）相去甚遠（陳永生 等，2014；肖體瓊 等，2017），而且離農業農村部提出的到2025 年設施種植機械化水平總體達到50%以上的目標也還有很大差距。隨著農村勞動力結構和農民勞動觀念的改變，勞動力供給愈發緊張，發展設施蔬菜機械化/自動化生產已成為迫切任務。國內設施蔬菜生產仍然以傳統的土壤栽培為主，包括撒施有機肥、耕整地、起壟/做畦、覆蓋地膜、定植、灌溉、施肥、植株調整、采收等諸多環節。農藝環節多是限制設施蔬菜機械化發展的重要原因之一。因此，探索適應機械化作業的簡化設施蔬菜種植模式具有良好的生產應用前景。

將農業有機廢棄物栽培基質經過調配后壓制成具有一定形狀的成型有機基質塊，具有運輸和使用方便等優點。采用成型有機基質塊育苗，可以省去栽培容器，具有移栽方便、成活率高、無緩苗期和減少病蟲害等優點（辛明金 等，2017；楊龍元 等，2018）。在成型有機基質塊中預先混合蔬菜種子，制成集營養、控病、基質、免播種等功能為一體的種植板進行蔬菜栽培，免去了取土、播種、移栽、施肥等工序，操作簡便，省工省力（聶磊 等，2020）。巖棉塊（條）作為成型無機基質在設施蔬菜栽培中被廣泛應用，但尚無成型有機基質塊應用于設施蔬菜栽培的報道。筆者在現有栽培技術的基礎上提出了設施蔬菜成型有機基質種植板栽培技術，即將有機基質進行調配后壓制成較大尺寸的設有定植孔的有機基質種植板（organic substrate planting-board），進行蔬菜生產時將穴盤苗放入定植孔后用機械手臂把種植板擺放到田間即可完成栽植作業。與傳統的種植方式相比，免去了起壟、移栽、施有機肥等環節；種植板規格標準，便于與蔬菜穴盤苗移栽設備配套使用，有利于實現設施蔬菜生產的機械化和自動化。本試驗采用腐熟羊糞和秸稈制成的種植板進行葉用萵苣栽培試驗，研究成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣生長、產量和品質的影響，以期為應用成型有機基質種植板進行蔬菜栽培，實現設施蔬菜生產機械化和自動化提供參考。

1 材料與方法

1.1 設施蔬菜成型有機基質種植板栽培原理

成型有機基質種植板栽培方案是將設施蔬菜生產過程分為兩步：第一步，在生產車間將有機基質進行調配、壓制成較大尺寸的種植板，其上預留定植孔（圖1-A）；第二步，在園藝設施中將穴盤苗移入種植板的定植孔內（圖1-B），之后由機械手臂擺放至設施菜田內即可完成定植作業（圖1-C～F），種植板解體后作為有機肥進一步利用。該技術簡化合并了施基肥、起壟/做畦和定植作業，易于實現設施蔬菜栽培標準化，便于機械化和自動化作業。

圖1 成型有機基質種植板及設施蔬菜栽培流程

1.2 試驗設計

試驗于2020 年8—11月在山西農業大學園藝實驗站日光溫室內進行。供試葉用萵苣品種為意大利生菜。設置兩個處理：常規土壤栽培（CK）和成型有機基質種植板栽培（OSP），小區面積2.6 m，3 次重復。有機基質種植板由風干粉碎后的腐熟羊糞和豌豆秸稈以2∶1 體積比混合，隨后加入1%（∶）的膠粘劑（α-淀粉）混勻，調節濕度至35%～40%；之后放入模具中制成壓縮比（壓縮前體積∶壓縮后體積）為2∶1 的種植板，長×寬×高=40 cm × 30 cm × 5 cm。CK 處理將等量的有機物料均勻施入土壤后深翻20 cm，之后做高畦。兩個處理的基質/土壤基礎理化性狀見表1。葉用萵苣于8月10日播種育苗，9月1日移栽至種植板/高畦中，大小行種植，大行距55 cm，小行距15 cm，株距20 cm，11月2日采收。

表1 兩個處理的基質/土壤基礎理化性狀

1.3 項目測定

9月28日，葉用萵苣旺盛生長期，各處理選擇典型植株3 株，測定根系活力、葉片葉綠素含量、凈光合速率（P）、氣孔導度（G）、胞間CO濃度（C）和蒸騰速率（T），并計算水分利用率（WUE=P/T）。根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法測定，葉綠素含量采用乙醇法測定（高俊鳳，2006）；采用Li-6400 光合測定儀（美國，LI-COR 公司）于上午10：00 測定從心部向外數第7 片葉的光合參數。

11月2日，葉用萵苣采收期，各處理選擇典型植株3 株，測定株高、莖粗、葉片數，地上部和地下部的鮮質量、干質量、氮磷鉀含量，可食用部分的可溶性糖、可溶性蛋白、VC、硝態氮含量。采用直尺測量株高，采用游標卡尺測量莖粗（莖基部上方1 cm 處）；采用電子天平分別稱量地上部和地下部鮮質量，然后105 ℃殺青15 min，80 ℃烘干至恒重，再分別稱量地上部和地下部干質量。氮磷鉀含量測定：采用HSO-HO法分別對地上部及地下部干樣進行消解，氮含量采用凱式定氮法測定，磷含量采用鉬藍比色法測定，鉀含量采用火焰分光光度法測定（鮑士旦，2000），并計算氮磷鉀積累量（各部位元素積累量=該部位干質量×該部位元素含量）。可溶性糖含量采用蒽酮-硫酸法測定（高俊鳳，2006），可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定（甘純璣和崔喜艷，2014），VC 含量采用鉬藍比色法測定（高俊鳳，2006），硝態氮含量采用水楊酸比色法測定（李合生，2000）。

分別于葉用萵苣定植前、旺盛生長期、采收 前，利用WJSD-750-Ⅰ土壤緊實度儀（溫州韋度電子有限公司）測定有機基質種植板及土壤緊實度。

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS 25.0 軟件進行統計分析，運用Duncan 法進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣生長勢、根系活力、葉片葉綠素含量及光合特性的影響

如圖2 所示，成型有機基質種植板栽培（OSP）葉用萵苣的生長勢較土壤栽培（CK）明顯增強。在旺盛生長期，OSP 處理葉用萵苣的根系活力為0.89 mg·g·h，比CK 增加了34.85%，差異顯著；OSP 處理對葉片葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和水分利用率均有顯著促進作用，分別比CK 增加了10.42%、14.98%、9.62%、9.24%和36.36%，而胞間CO濃度顯著降低（表2）。說明成型有機基質種植板栽培可以增強葉用萵苣的根系活力和地上部光合作用，促進生長。

圖2 成型有機基質種植板栽培葉用萵苣的生長情況

表2 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣根系活力、葉片葉綠素含量及光合特性的影響

2.2 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣生長指標和生物量的影響

成型有機基質種植板栽培（OSP）葉用萵苣的株高、莖粗、地上部和地下部鮮質量及干質量均顯著高于土壤栽培（CK），葉片數與CK 差異不顯著（表3）。與CK 相比，OSP 處理的株高、莖粗、地上部鮮質量、地上部干質量、地下部鮮質量和地下部干質量分別增加了11.93%、36.84%、101.00%、64.05%、84.43%和95.03%；生物量的增長幅度明顯高于生長指標，說明成型有機基質種植板栽培明顯促進葉用萵苣生物量的積累。

表3 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣生長指標和生物量的影響

2.3 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣氮磷鉀元素吸收的影響

從表4、5 可以看出，成型有機基質種植板栽培（OSP）葉用萵苣地上部和地下部的氮含量及地下部鉀含量較土壤栽培（CK）顯著提高，而地上部磷含量顯著下降，地上部鉀含量和地下部磷含量差異不顯著；但由于OSP 處理顯著提高了地上部和地下部干質量，因此OSP 處理葉用萵苣地上部和地下部的氮、磷、鉀積累量均顯著高于CK，增幅分別為98.16%和154.57%、69.96%和99.68%、78.48%和146.96%。

表4 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣不同部位氮磷鉀含量的影響 （DW）

表5 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣不同部位氮磷鉀積累量的影響 （DW）

2.4 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣品質的影響

從表6 可以看出，成型有機基質種植板栽培（OSP）葉用萵苣可食用部分的品質更優，VC、可溶性蛋白、可溶性糖含量較土壤栽培（CK）顯著增加，而硝態氮含量顯著下降。

表6 成型有機基質種植板栽培對葉用萵苣品質的影響 （FW）

2.5 栽培期間成型有機基質種植板基質緊實度的變化

如圖3 所示，葉用萵苣幼苗定植前，土壤栽培（CK）的表層土壤緊實度為0.32 MPa，成型有機基質種植板栽培（OSP）基質的緊實度為0.70 MPa，較CK 高118.75%，差異顯著；在栽培過程中，CK 表層土壤緊實度顯著升高并穩定在0.38 MPa 左右，而OSP 基質的緊實度則顯著降低并與CK 水平相當。

圖3 成型有機基質種植板與土壤表層的緊實度變化

3 討論與結論

當前，我國設施蔬菜機械化程度整體較低，雖然部分作業環節的機器設備如耕地起壟機械、肥水一體化設備、環境調控設備等日益成熟，但施肥、移栽等環節的機械化水平仍較低（高慶生 等，2016；高光明 等，2020；李治國 等，2021）。其中，固態有機肥的撒施機械化程度相當低，仍然主要依靠人工操作。在追求有機肥替代化肥的大背景下，設施有機肥使用量大且施用勞動強度高，束縛了大量勞動力，增加了蔬菜生產成本。雖然已有少量型號的有機肥撒施機在生產中應用，但在空間有限的保護地設施內存在行走困難、操作不方便等問題（許斌星 等，2017）。秧苗移栽也是設施蔬菜生產的關鍵環節之一，同時也是消耗人工較多的環節。國內蔬菜移栽機多為半自動機械，需要人工輔助作業，而自動移栽機還未有成熟的機型應用，并且蔬菜秧苗機械化移栽對前期土地耕整要求嚴格（吳傳云 等，2021）。此外，目前的移栽機還存在不適于園藝設施內使用的問題（高光明 等，2020）。而采用成型有機基質塊育苗，在定植后基質塊可直接作為有機肥在作物生長過程中提供養分（楊龍元 等，2016），既解決了固態有機肥的撒施問題，也解決了秧苗移栽的機械化問題。本試驗設計的成型有機基質種植板栽培技術整合簡化了撒施有機肥與起壟/做畦環節，同時預設定植孔的成型有機基質種植板具備標準的規格尺寸和較高的機械強度，從而易于進行標準化生產，可以在人工移栽時減輕勞動強度，或與穴盤苗高速自動移栽機器人（楊啟志 等，2018；周昕和蔡靜，2020）配套使用，實現自動化移栽作業。在基質成本方面，每667 m按6 000～8 000 株定植葉用萵苣時，常規土壤栽培需施用1 250～1 500 kg 有機肥（潘復生 等，2016），而成型有機基質種植板栽培每667 m需要使用18～24 m（4 100～5 500 kg）未壓縮基質，約為常規土壤栽培有機肥用量的3～4 倍，生產成本顯著增加。但在栽培定植密度較小的果菜類蔬菜時，成型有機基質種植板栽培每667 m僅需使用10～15 m未壓縮基質，遠低于槽式有機基質栽培35 m·（667 m）（白龍強 等，2013）和起壟內嵌基質栽培20～25 m·（667 m）（李宗耕 等，2019）的基質用量，與生產上推廣應用的袋式基質栽培13～16 m·（667 m）（李芳 等，2014）的基質用量接近，因而具有成本優勢和推廣前景。

成型基質塊的一個顯著特點是具有較高的緊實度（楊龍元 等，2018），并隨著壓縮比（即未經壓制的基質體積與壓制成型的基質塊體積之比）的增加而增大（趙瑞 等，2010）。土壤栽培下土壤緊實度對根系和作物生長的影響已被廣泛報道，適當的土壤緊實度可以增加土壤蓄水，使根系與土壤接觸緊密，促進養分進入根生長區，增加根系總吸收量，促進作物的生長（王群 等，2010；張向前 等，2019）。土壤緊實度過大會嚴重阻礙作物根系的生長，降低根的伸長速度，使根變短、變粗、質量減少，限制根系下扎，表層根系比例增加，進而影響根系分布和吸收功能，致使元素總吸收量減少；土壤緊實度過大還會使作物地上部生長發育遲緩，葉片生長速度降低，成熟葉片的葉面積縮小，展開的葉片數減少，黃葉數量增加，干、鮮質量降低，衰老提早，果實產量和品質下降（劉晚茍和山侖，2003；張國紅 等，2004；王德玉 等，2013；劉戰東 等，2019）。本試驗中，雖然成型有機基質種植板基質初期緊實度大，但容重較低，并且在栽培過程中由于吸水膨脹（楊龍元 等，2018），緊實度降低至與土壤栽培相當的水平，因而對葉用萵苣根系造成緊實度脅迫的可能性較低。與此同時，成型有機基質種植板栽培具備有機基質栽培的特點——根區有機物料含量高，水分、空氣、養分供應充足，根區理化性狀優良（李寶石 等，2020），進而促進了葉用萵苣的生長，提高了產量和品質。

綜上，成型有機基質種植板栽培是一種適應機械化和自動化作業需求并能滿足優質高產目標的設施蔬菜栽培模式。后續將進一步探求成型有機基質種植板在設施果菜類蔬菜生產中的應用效果，以及基質用量更少、機械強度更高、養分緩釋的復合型有機基質種植板的制作配方和工藝。并且希望通過該栽培模式的研究，實現成型有機基質種植板栽培在設施蔬菜生產中的實用化，為我國設施蔬菜機械化發展提供可靠依據。