基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)及WUE的影響

溫江麗張濤郭文忠

(1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院水利與建筑工程系，北京 102442；2.北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處，北京 100176；3.北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

番茄是全球消費(fèi)最多的蔬菜之一，我國(guó)是世界上番茄種植面積最大的國(guó)家。目前，番茄種植多以育苗移栽為主，而秧苗質(zhì)量對(duì)番茄的生長(zhǎng)、品質(zhì)和效益影響很大[1]。穴盤(pán)育苗由于采用人工輕質(zhì)基質(zhì)和灌溉施肥技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)集約化、批量化、商品化秧苗生產(chǎn)，具有省工、省時(shí)和便于機(jī)械化等優(yōu)點(diǎn)，在蔬菜育苗中已得到廣泛應(yīng)用[2]。已有許多關(guān)于基質(zhì)特性[3,4]、穴盤(pán)規(guī)格[5,6]、營(yíng)養(yǎng)液配比[7,8]等對(duì)育苗效果的影響研究。水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子，對(duì)于蔬菜育苗尤為重要。穴盤(pán)育苗中，由于單個(gè)穴孔體積小，幼苗根系生長(zhǎng)空間受限，無(wú)土栽培基質(zhì)疏松，持水性較差；與此同時(shí)，番茄幼苗含水量高達(dá)85%以上，生長(zhǎng)迅速，對(duì)水分的豐缺非常敏感，基質(zhì)含水量狀況對(duì)蔬菜優(yōu)質(zhì)壯苗培育至關(guān)重要[9]。因此，合理的灌溉制度對(duì)番茄穴盤(pán)育苗顯得尤為重要。

目前，已有不少關(guān)于蔬菜育苗灌溉制度的研究[10-14]。以往研究集中日光溫室中進(jìn)行，日光溫室具有成本低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是環(huán)境綜合調(diào)控能力較差，育苗質(zhì)量與環(huán)境條件密切相關(guān)。植物工廠由于環(huán)境精準(zhǔn)可控、集約化程度高，可以實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)[15]，近年來(lái)得到廣泛重視。目前，在植物工廠進(jìn)行蔬菜育苗已有報(bào)道[16-18]。梁貝貝等[19]在植物工廠條件下，研究了不同基質(zhì)含水量對(duì)黃瓜幼苗的需水規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，85%～90%的基質(zhì)含水量在培育優(yōu)質(zhì)壯苗的同時(shí)，節(jié)水效果明顯。楊亞娜等[20]研究了不同光照強(qiáng)度和灌溉量交互作用對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)以3540lx的光照強(qiáng)度和150mL/株的灌溉量處理植株生長(zhǎng)狀況最好。目前，灌溉量和灌溉頻率都會(huì)直接影響幼苗質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)中，大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行育苗的水分管理，常造成水分過(guò)多徒長(zhǎng)或水分過(guò)少抑制生長(zhǎng)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響幼苗質(zhì)量。關(guān)于植物工廠條件下番茄穴盤(pán)育苗的不同基質(zhì)含水量和灌溉頻率的研究鮮有報(bào)道。

目前，在植物工廠條件下如何在實(shí)現(xiàn)育苗優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的同時(shí)，提高水分利用率。本試驗(yàn)針對(duì)植物工廠條件下番茄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和水分利用效率進(jìn)行研究，進(jìn)而確定適合蔬菜幼苗的最佳基質(zhì)含水量上限和灌溉頻率，為植物工廠蔬菜育苗水分管理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2022年3—5月在北京農(nóng)林科學(xué)院的植物工廠進(jìn)行。設(shè)置每天光照時(shí)間為12h(8∶00—20∶00)，育苗光源為L(zhǎng)ED燈，光照強(qiáng)度288μmol·m-2·s-1；白天溫度為22～24℃，夜間溫度為16～18℃；相對(duì)濕度60%，CO2濃度800ppm。番茄品種為“硬粉8號(hào)”，購(gòu)買自北京農(nóng)林科學(xué)院的蔬菜中心。供試基質(zhì)為育苗基質(zhì)(草炭∶蛭石體積比為2∶1)。基質(zhì)容重為0.37g·cm-3，基質(zhì)持水孔隙度為58.4%，pH為6.56，EC為0.49mS·cm-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)因素,基質(zhì)含水量和灌溉頻率，其中基質(zhì)含水量上限設(shè)置為最大持水量的55%～60%(I1)、75%～80%(I2)和95%～100%(I3)，灌溉頻率設(shè)置為1d 1次(D1)和2d 1次(D2)2個(gè)水平，將采用完全隨機(jī)組合的方式將不同基質(zhì)含水量和灌溉間隔時(shí)間組合，共6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。處理設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)于2022年3月24日播種，采用72孔穴盤(pán)育苗，播種前將基質(zhì)充分濕潤(rùn)混合攪拌，然后裝滿穴盤(pán)，再用清水澆透。30min后進(jìn)行播種，種子播種前常規(guī)溫湯浸種后，裝入直徑10cm的培養(yǎng)皿，將培養(yǎng)皿置于植物工廠催芽，催芽期間保持種子濕潤(rùn)。種子露白后選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的種子播種，每個(gè)穴孔1粒種子，播種深度為1～1.5cm，播種后覆蓋蛭石。番茄子葉未展開(kāi)前適量澆清水，保持基質(zhì)濕潤(rùn)，子葉展平后開(kāi)始試驗(yàn)處理。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)

1.3.1.1 番茄幼苗形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定

育苗22d后，每個(gè)處理隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株番茄幼苗進(jìn)行掛牌標(biāo)記，每隔5d測(cè)量番茄幼苗的株高和莖粗，其中株高用直尺測(cè)量，莖粗用游標(biāo)卡尺測(cè)量。在幼苗成苗期(播后36d)，每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的5株幼苗進(jìn)行整株取樣，并分成地上和地下2部分，利用萬(wàn)分之一天平對(duì)幼苗地上和地下的鮮質(zhì)量分別稱重，然后采用烘箱80℃條件下烘干到恒重，用天平稱地上和地下干質(zhì)量。

1.3.1.2 葉綠素含量測(cè)定

葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量采用丙酮直接浸提法測(cè)定[21]。

1.3.1.3 根系活力測(cè)定

在番茄幼苗成苗期(播后36d)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的5株幼苗，把根系清洗干凈，并采用吸水紙把根系表面的水分吸干，釆用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測(cè)定根系活力[22]。

壯苗指數(shù)=(莖粗/株高+地下干質(zhì)量/地上干質(zhì)量)×全株干質(zhì)量[23]

1.3.2 幼苗耗水量和水分利用效率

試驗(yàn)期間，每個(gè)處理選取3個(gè)幼苗長(zhǎng)勢(shì)均勻的穴盤(pán)，每天利用天平對(duì)每個(gè)穴盤(pán)進(jìn)行稱重，計(jì)算幼苗耗水量。

水分利用效率(WUE)=幼苗全株干質(zhì)量/幼苗耗水量

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和圖表繪制采用Excel 2016完成，基于最小顯著性差異法的方差分析采用SPSS 16.0軟件完成，處理之間的差異顯著性采用Duncan法(P<0.05作為顯著性水平)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 株高和莖粗

圖1顯示了不同基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗株高和莖粗的動(dòng)態(tài)變化。由圖1可知，不同處理幼苗株高和莖粗均隨植株生長(zhǎng)而增加。在灌溉頻率為1d 1次(D1)的條件下，番茄幼苗株高呈現(xiàn)基質(zhì)含水量上限95%～100%(I3)處理>55%～60%(I1)處理>75%～80%(I2)處理的趨勢(shì)；在灌溉頻率為2d 1次(D2)的條件下，番茄幼苗株高呈現(xiàn)I2>I3>I1的趨勢(shì)，不同基質(zhì)含水量處理的幼苗株高差異性隨植株的生長(zhǎng)越來(lái)越顯著。與灌溉頻率為D1處理幼苗株高(9.83cm)相比，灌溉頻率為D2處理的幼苗株高(17.07cm)提高了73.6%。I2D2處理幼苗株高在整個(gè)生育期均顯著高于其他處理，其次是I3D2處理，如播后36d，I2D2處理番茄幼苗株高為24.43cm，分別較I1D1、I2D1、I3D1、I1D2和I3D3處理幼苗株高提高了150.1%、262.9%、87.9%、128.3%和52.1%。

圖1 基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗株高和莖粗的影響

不同處理番茄幼苗莖粗均隨植株生長(zhǎng)而逐漸增加。當(dāng)灌溉頻率為D1時(shí)，I3處理番茄幼苗莖粗顯著高于I1和I2處理，但是I1和I2處理差異不顯著，如播后22d，I3D1處理番茄幼苗莖粗為2.16mm，分別較I1D1(1.71mm)和I2D1處理(1.85mm)顯著提高27.76%和17.15%。當(dāng)灌溉頻率為D2時(shí)，播后31d內(nèi)，I2處理顯著高于I1和I3處理。在整個(gè)生育期內(nèi)，I2D2處理番茄幼苗莖粗均最大，其次是I3D2處理，如播后36d，I3D2處理番茄幼苗的莖粗為4.34mm，分別較I1D1、I2D1、I3D1、I1D2和I3D3處理幼苗株高提高了69.5%、70.0%、19.7%、44.8%和16.3%。

可見(jiàn)，當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I2、灌溉頻率為D2時(shí)，能夠促進(jìn)番茄幼苗的株高和莖粗增長(zhǎng)。

2.1.2 幼苗干鮮質(zhì)量

表2顯示了不同基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗干鮮質(zhì)量的影響，可見(jiàn)，基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗地上、地下和全株干鮮質(zhì)量影響均顯著。與基質(zhì)含水量相比，灌溉頻率對(duì)幼苗干鮮質(zhì)量的影響更為顯著。當(dāng)灌溉頻率為D1時(shí)，番茄幼苗的地上、地下和全株干鮮質(zhì)量均呈現(xiàn)I3>I1>I2，如I3D1處理番茄幼苗全株鮮質(zhì)量為2.989g，分別較I1D1和I2D1處理提高143.11%和205.59%；當(dāng)灌溉頻率為D2時(shí)，I2處理番茄幼苗地上、地下和全株干鮮質(zhì)量均顯著高于其他處理，如播后36d，I1D2、I2D2和I3D2處理番茄幼苗全株干質(zhì)量分別為0.183g、0.684g和0.313g。當(dāng)基質(zhì)含水量上限相同時(shí)，灌溉頻率為D2處理的番茄幼苗的地上、地下和全株干鮮質(zhì)量均高于D1處理，且差異顯著，如灌溉頻率為I1D2處理的幼苗全株鮮質(zhì)量為2.111g，較I1D1處理顯著提高71.72%。在所有處理中，I2D2處理番茄幼苗地上、地下和全株干、鮮質(zhì)量均顯著高于其他處理。可見(jiàn)，當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I2、灌溉頻率為D2時(shí)，能夠促進(jìn)番茄幼苗的地上和地下生物量的增加。

表2 基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗干鮮質(zhì)量的影響

2.1.3 葉綠素含量

由表3可知，基質(zhì)含水量上限和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗葉綠素含量影響均顯著。與基質(zhì)含水量相比，灌溉頻率對(duì)幼苗葉綠素含量的影響更加顯著。當(dāng)灌溉頻率為D1時(shí)，葉綠素a和葉綠素總含量均隨著基質(zhì)含水量上限的提高而增加，而葉綠素b隨基質(zhì)含水量上限的提高呈降低趨勢(shì)；當(dāng)灌溉頻率為D2時(shí)，I2處理番茄幼苗葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量均顯著高于其他處理，如播后36d，I1D2、I2D2和I3D2處理番茄幼苗葉綠素總含量分別為3.150mg·g-1、3.594mg·g-1和3.051mg·g-1。

表3 基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗葉綠素含量的影響

當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I1或I2時(shí)，灌溉頻率為D2處理的葉綠素a均顯著高于D1處理；當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I3時(shí)，灌溉處理為D2處理葉綠素a高于D1處理，但是兩者差異不顯著。當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I1或I3時(shí)，灌溉頻率為D2處理的葉綠素b均顯著低于D1處理；當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I2時(shí)，灌溉頻率為D2處理的葉綠素b均顯著高于D1處理。當(dāng)基質(zhì)含水量上限相同時(shí)，D2處理番茄幼苗葉綠素總含量均高于D1處理，如灌溉頻率為I1D2處理的幼苗葉綠素總含量為3.15mg·g-1，較I1D1處理顯著提高30.1%。

可見(jiàn)，當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I2、灌溉頻率為D2時(shí)，能夠促進(jìn)番茄幼苗的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素總含量的增加。

2.2 基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗根系活力和壯苗指數(shù)的影響

根系活力和壯苗指數(shù)是衡量秧苗質(zhì)量的重要指標(biāo)[24]。圖2顯示了不同基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗根系活力和壯苗指數(shù)的影響?？梢?jiàn)，與基質(zhì)含水量相比，灌溉頻率對(duì)幼苗根系活力和壯苗指數(shù)的影響更加顯著。當(dāng)灌溉頻率為D1時(shí)，番茄幼苗根系活力和壯苗指數(shù)均隨基質(zhì)含水量的提高呈增加趨勢(shì)，I3處理的根系活力和壯苗指數(shù)均顯著高于I1和I2處理，但是I1和I2處理差異不顯著；當(dāng)灌溉頻率為D2時(shí)，I2處理根系活力和壯苗指數(shù)均顯著高于I1和I3處理，如I2處理根系活力為1.867mg·g-1·h-1，較I1處理和I3處理分別顯著提高24.94%和35.24%。當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I1或I2時(shí)，灌溉頻率為D2處理根系活力顯著高于D1處理；當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I3時(shí)，灌溉頻率為D1(1.051mg·g-1·h-1)和D2處理(1.381mg·g-1·h-1)的根系活力差異不顯著。當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I1或I3時(shí)，灌溉頻率為D2處理壯苗指數(shù)均高于D1處理，但是差異不顯著；當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I2時(shí)，灌溉頻率為D2處理壯苗指數(shù)(0.194)顯著高于D1處理(0.068)。

圖2 基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗根系活力和壯苗指數(shù)的影響

2.3 基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗耗水量和水分利用效率的影響

表4顯示了不同基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗單株耗水量和水分利用效率(WUE)的影響。當(dāng)灌溉頻率相同時(shí)，番茄幼苗單株耗水量隨基質(zhì)含水量上限的提高而顯著增加，如當(dāng)灌溉頻率為D1時(shí)，I1D1、I2D1和I3D1處理番茄幼苗單株耗水量分別為45.278mL、47.282mL和54.495mL。當(dāng)基質(zhì)含水量上限相同時(shí)，灌溉頻率為D2處理的番茄幼苗單株耗水量顯著高于D1處理，如I1D2處理番茄幼苗單株耗水量為53.394mL，較I1D1處理顯著提高17.92%。

表4 基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗的耗水量和WUE的影響

當(dāng)灌溉頻率為D1時(shí)，番茄幼苗I3處理WUE顯著高于I1和I2處理，但是I1和I2處理差異不顯著；當(dāng)灌溉頻率為D2時(shí)，番茄幼苗I2處理WUE顯著高于I1和I2處理。當(dāng)基質(zhì)含水量上限相同時(shí)，灌溉頻率為D2處理的番茄幼苗WUE顯著高于D1處理，如I1D2處理番茄幼苗WUE為3.426g·L-1，較I1D1處理顯著提高46.47%。在所有處理中，I2D2處理的WUE最高，且顯著高于其他處理?？梢?jiàn)，當(dāng)基質(zhì)含水量上限為I2、灌溉頻率為D2時(shí)，能夠顯著提高番茄幼苗的水分利用效率。

3 討論

秧苗質(zhì)量好壞與蔬菜綜合效益緊密相關(guān)，而基質(zhì)水分是育苗中最為活躍的因子，基質(zhì)含水量直接影響蔬菜秧苗質(zhì)量?；|(zhì)水分多少不僅影響基質(zhì)孔隙度，還會(huì)影響?zhàn)B分的有效性，因?yàn)樗趾宛B(yǎng)分之間具有強(qiáng)烈的相互作用[25]?；|(zhì)含水量通過(guò)對(duì)番茄穴盤(pán)育苗的水分和養(yǎng)分吸收利用而顯著影響幼苗生長(zhǎng)，影響蔬菜幼苗的因素很多，但是通過(guò)控制灌水上限的效果較為顯著[26]。

本研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)幼苗生長(zhǎng)交互影響，與基質(zhì)含水量相比，灌溉頻率對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育及水分利用效率影響更加顯著。灌溉頻率過(guò)高或基質(zhì)含水量灌溉上限過(guò)大，都會(huì)影響番茄幼苗生長(zhǎng)和質(zhì)量。由本試驗(yàn)結(jié)果可得，在植物工廠條件下，當(dāng)采用基質(zhì)含水量上限為75%～80%，灌溉頻率為2d 1次的灌溉制度時(shí)，番茄幼苗的株高、莖粗、地上和地下生物量累積最大，且該條件下幼苗根系活力、壯苗指數(shù)和水分利用效率最高。郭敬華等[11]研究了5種不同基質(zhì)和4種基質(zhì)相對(duì)含水量對(duì)夏季番茄幼苗形態(tài)、質(zhì)量和生理指標(biāo)的影響。5種基質(zhì)的適宜相對(duì)含水量均為80%～100%能夠培育番茄壯苗。田巧玲等[12]研究了不同灌水下限對(duì)秋冬茬番茄穴盤(pán)育苗生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，75%灌溉下限可以作為番茄夏季育苗的灌水指標(biāo)。該研究與郭敬華等研究結(jié)果有區(qū)別，分析原因主要是幼苗生長(zhǎng)環(huán)境不同，在環(huán)境智能調(diào)控的植物工廠中，可以減少幼苗耗水。目前有關(guān)基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和水分利用效率影響的研究較少，一般是針對(duì)溫室條件下基質(zhì)含水量的單一研究，本研究結(jié)果對(duì)植物工廠條件下蔬菜幼苗管理提供一定技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

本研究在植物工廠條件下，開(kāi)展基質(zhì)含水量和灌溉頻率對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和水分利用效率(WUE)的影響，得出以下結(jié)論。

灌溉頻率對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和水分利用影響顯著，高頻灌溉不利于番茄幼苗的株高、莖粗的生長(zhǎng)，以及地上和地下生物量的積累，容易降低幼苗的根系活力、壯苗指數(shù)、葉綠素含量和水分利用效率。

合理的基質(zhì)含水量上限有利于番茄幼苗形態(tài)指標(biāo)的建成、地上和地下生物量的積累。采用合理的基質(zhì)含水量上限可以提高幼苗根系活力、壯苗指數(shù)、葉綠素含量和水分利用效率。

綜合分析可得，建議采用基質(zhì)含水量上限為75%～80%，灌溉頻率為2d 1次的灌溉制度，能夠在培育優(yōu)質(zhì)壯苗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水。