培養液供鉀濃度對番茄生長、產量和品質的影響

陳琪 董靜 楊加儀 龐忠俊 何世朋 陳飛 梁斌

摘要：為探究鉀離子濃度對番茄鈣、鎂吸收及果實品質的提升作用。采用砂培的栽培模式，研究不同鉀離子濃度（5 mmol/L，K1；10 mmol/L，K2；15 mmol/L，K3）對番茄生物量、產量、養分吸收和果實品質的影響。結果表明，高濃度鉀處理（15 mmol/L）顯著降低冬春季番茄生物量與產量，降幅分別為21%～26%和17%。增加鉀濃度供應水平，冬春季番茄莖、葉中鉀含量降低，果實中鉀含量升高，K3較K1處理莖、葉中鉀含量顯著降低11%～13%，K3較K1處理果實中鉀含量顯著增加36%，秋冬季番茄莖、葉和果中鉀含量無顯著變化。高鉀濃度供應顯著降低秋冬季莖稈中鈣、鎂含量，降幅為9%～12%；也降低冬春季番茄莖稈中鈣、鎂含量，降幅為4%～15%，果實中鈣含量也顯著降低24%，但果實中鎂含量顯著增加6%，葉片鈣、鎂含量顯著增加9%～24%。增加鉀離子濃度會降低鉀肥回收利用率，與K1處理相比，K3處理鉀肥回收利用效率顯著降低31%～78%。增加鉀離子濃度顯著增加果實中可溶性糖含量、有機酸含量、維生素C含量和果實硬度，番茄品質的綜合得分排名依次為K3>K2>K1。

關鍵詞：番茄；鉀水平；砂培；鉀、鈣、鎂；產量；品質

中圖分類號：S641.206? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）23-0165-06

無土栽培是指以草炭、河砂和椰糠等基質固定植物的栽培方法，有效解決了土壤栽培出現的土傳病害及連作障礙等問題［1］，具有通氣性好、鹽分積累少等優點。世界上使用無土栽培種植蔬菜的國家和地區已達100多個，種植蔬菜的面積達到19.7萬hm2，據統計，我國無土栽培種植蔬菜的面積從2015年約為2萬hm2，增加至2020年5萬hm2左右［2］。因此，隨著無土栽培種植面積和應用范圍的增多，無土栽培技術也逐漸成熟和發展起來，經營和技術管理水平也逐漸達到一個新的高度，逐步實現集約化和規模化，達到優質高產和高效的目的。

2022年，我國番茄種植面積高達505.20萬hm2，產值達1.87億t，總產值已超過600億美元，我國逐漸成為全球最大的番茄生產與消費國家［3］。番茄因其富含維生素C及鈣、鎂、鋅、硼等礦質元素，且風味獨特，成為世界上最受歡迎的蔬菜之一。番茄屬于喜鉀作物，鉀能促進植物養分吸收，調節酶活性，進一步提高產量和品質。王軍君等研究發現，霧培番茄營養液中鉀濃度為8 mmol/L時，番茄產量、風味品質和抗氧化營養品質最高，通過水培試驗，得出鉀濃度為10 mmol/L時番茄產量和品質最佳［4-6］。侯廣欣通過椰糠栽培番茄表明，營養液中鉀濃度為16 mmol/L時可提高番茄產量和品質［7］。Lin等在無土栽培條件下對甜瓜進行鉀處理，發現當鉀濃度為6 mmol/L時的果實可溶性糖、維生素C含量顯著增加［8］。

作物對鉀、鈣、鎂等養分元素的吸收受到多因素的影響［9］，元素之間的相互作用也會對植物的養分吸收產生影響，大量的鉀投入可能造成植株體內鈣鎂失衡［10］，相關研究表明，K+和Ca2+既存在協同作用又存在拮抗作用，適量施鉀可促進植株對鈣的吸收，過量施鉀時，K+和Ca2+開始競爭質膜上的結合位點，過量的K+對鈣的吸收產生負面影響［11］。

因此，為探究砂培條件下提高鉀離子濃度對番茄植株鈣、鎂吸收及番茄產量和品質的影響。本試驗以番茄為材料，栽培方式為砂培，依托施肥機實時監測水分變化，及時地進行不同鉀濃度的水肥灌溉。在成熟期進行取樣，測定莖、葉、果養分含量，測定3穗果實可溶性糖、維生素C和有機酸含量等品質指標，并統計單株產量，比較不同鉀水平番茄產量和品質以及植株養分吸收情況，探索出番茄在砂培條件下達到穩產提質目的的鉀濃度，為我國番茄的優質高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2021年8月至2022年6月在山東省壽光市洛城街道青島農業大學水肥資源高效利用基地溫室內進行（118°51′40″E，36°51′40″N）。供試的番茄品種為戴安娜，番茄種植2季，分別于2021年8月23日和2022年1月8日定植。

1.2 試驗設計

試驗設3個處理，分別保持營養液鉀濃度為5、10、15 mmol/L，記作K1、K2、K3，鉀離子源于甲酸鉀。隨機區組排列，3次重復。澆水施肥使用原位檢測水肥一體化施肥機，澆水施肥方式為滴灌，時間為06：00—19：00，每次供液最長時間不超過 20 min，定植后緩苗3～5 d，緩苗結束開始處理，除了灌溉液鉀濃度不同外，其他肥料濃度、各處理栽培方式和田間管理相同，營養液配方參照霍格蘭營養液并進行改良。

1.3 樣品采集與測定

在番茄成熟期（2021年12月1日和2022年5月10日），每個處理選取具有代表性的植株6株，并對每株莖、葉和果進行分裝，且在果實成熟期選取果實10～20個。樣品采集后烘干、稱質量和粉碎。測定指標包括鉀、鈣和鎂。植物樣品經H2SO4-H2O2消煮后，消煮液內全鉀含量分別采用火焰光度法測定。鈣、鎂采用干灰化-ICP儀測定。采摘番茄三穗果實進行品質的測定，果實硬度采用 GY-4-J 水果硬度計測定。可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定［12］，有機酸含量采用NaOH滴定法測定；糖酸比=可溶性糖含量/有機酸含量。維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定［13］，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定［12］。鉀肥回收利用率=番茄鉀攜出量/鉀養分投入量。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行試驗數據處理和分析；使用SPSS 22.0軟件進行方差分析和主成分分析，采用Origin軟件進行統計分析。采用多指標綜合評價方法評價番茄品質指標，選取可溶性糖含量（X1）、有機酸含量（X2）、糖酸比（X3）、可溶性蛋白含量（X4）、維生素C含量（X5）、硬度（X6）6個品質指標作為評價因子，利用SPSS 22.0軟件進行數據標準化和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 番茄生物量與產量

由圖1可知，秋冬季和冬春季番茄產量范圍為80～100 t/hm2。秋冬季各處理地上部干質量、鮮質量和產量無顯著差異。2022年冬春季，高濃度鉀水平（15 mmol/L）顯著降低生物量和產量，與K1（5 mmol/L）處理相比，番茄地上部鮮質量、地上部干質量和產量分別顯著降低26%、21%和17%（P<0.05），5、10 mmol/L鉀濃度處理生物量和產量無顯著差異。

2.2 番茄養分含量、攜出量以及鉀肥利用率

鉀水平和生長季對番茄莖和果中鉀含量均有極顯著影響（表1）。由表2可知，鉀濃度對秋冬季番茄莖、葉、果中鉀含量無影響。K2處理葉片中鉀攜出量較K1和K3處理顯著降低18%和21%。2022年冬春季高濃度（15 mmol/L）處理顯著降低莖中鉀含量，提高果實中鉀含量。與K1處理相比，K3處理莖中鉀含量顯著降低11%，果實鉀含量顯著增加36%，K3處理植株鉀攜出量較K1處理顯著降低10%（P<0.05）；與K1相比，K2處理果實中鉀含量顯著提高33%（P<0.05），但植株鉀的攜出量無顯著變化。

番茄莖和葉中鈣含量的變化主要由鉀水平來決定（表1）。由表3可知，2021年秋冬季高濃度（15 mmol/L）顯著降低莖中鈣含量和攜出量，與K1處理相比，K3處理莖中鈣含量和攜出量分別顯著降低9%和23%，番茄植株鈣攜出量也顯著降低，降幅為18%（P<0.05）。2022年冬春季，與K1處理相比，K3處理葉中鈣含量和攜出量分別顯著提高9%和57%，但果實中鈣含量和攜出量分別顯著降低24%和56%，莖中鈣的攜出量也顯著降低，降幅為16%（P<0.05），番茄植株鈣的攜出量無顯著差異。

生長季對番茄莖、葉中鎂含量的變化有顯著或極顯著影響，不同鉀水平處理對果實中鎂含量的影響有顯著影響（表1）。由表4可知，與2021秋冬季K1處理相比，K3處理顯著降低莖中鎂含量，降幅為12%，莖中鎂攜出量顯著降低26%，K3處理植株鎂的攜出量也顯著降低22%（P<0.05）。2022年冬春季K3處理與K1處理相比，莖中鎂含量顯著降低15%，鎂的攜出量也顯著降低27%，同時也顯著降低果實鎂攜出量，降幅為46%，與K1相比，K3處理果實鎂含量顯著提高6%，葉中鎂含量和攜出量分別顯著提高24%和68%（P<0.05），但植株整體鎂的攜出量無顯著差異。

由圖2可知，鉀濃度對秋冬季鉀肥利用率有顯著影響，高濃度（15 mmol/L）處理番茄植株鉀肥利用率最低，與K1處理相比，K3處理顯著降低，降幅為78%（P<0.05）；K2處理與K1處理相比也顯著降低，降幅為39%（P<0.05）。鉀水平對冬春季鉀肥利用率也有影響，K3處理鉀肥利用率最低，與K1相比，顯著降低31%（P<0.05），K1和K2處理無顯著差異。

2.3 番茄品質

高濃度（15 mmol/L）提高番茄可溶性糖、有機酸、維生素C含量和硬度。由表5可知，2021年秋冬季和2022年冬春季，與K1處理相比，K3處理番茄果實的可溶性糖含量分別顯著增加68%和27%，有機酸含量分別顯著增加17%和32%，維生素C含量分別顯著增加21%和59%，硬度分別顯著增加22%和33%。2021秋冬季可溶性蛋白含量各處理間無顯著差異，2022年冬春季番茄K2處理可溶性蛋白含量最高。

2.4 番茄果實品質綜合分析

對2021年秋冬季和2022年冬春季3個處理番茄果實6個品質指標進行主成分分析，由表6可知，分別得到2個主成分，累計貢獻率達86.15%和89.97%，表明秋冬季和冬春季番茄果實6個品質指標第1和第2主成分分別反映原始變量86.15%和89.97%的信息。因此，這2個主成分可代替6個品質指標對3個處理的番茄果實進行綜合評價。

為進一步確定秋冬季和冬春季3個不同處理與不同品質指標之間的定量關系，分析主成分載荷矩陣，分別得到2個主成分的表達式，秋冬季為：

F1=0.56X1+0.51X2-0.41X3+0.40X4-0.07X5-0.30X6；

F2=0.08X1+0.27X2+0.45X3+0.45X4+0.54X5+0.48X6；冬春季為：

F1=0.49X1+0.46X2+0.46X3+0.43X4+0.36X5+0.16X6；

F2=0.07X1+0.12X2-0.17X3+0.02X4-0.46X5+0.86X6。

表達式中，F1、F2分別對應第1、第2主成分的得分，X1、X2、X3、X4、X5、X6分別為數據消除變量之間量綱關系后的可溶性糖含量、有機酸含量、糖酸比、可溶性蛋白含量、維生素C含量、硬度。

綜合評價函數是以各個主成分對應的方差貢獻率作為權重，即秋冬季和冬春季番茄品質的綜合得分分別為F=0.51F1+0.39F2、F=0.68F1+0.19F2。

由表7可知，通過主成分分析對2021年秋冬季和2022年冬春季番茄果實品質指標進行綜合排名，均依次為K3>K2>K1。

3 討論

3.1 鉀水平對作物生物量、產量和品質的影響

2021年秋冬季鉀水平試驗表明，不同鉀水平處理對植株地上部干質量、鮮質量及產量均無顯著差異。2022年冬春季鉀水平試驗表明，10、5 mmol/L鉀濃度處理番茄地上部生物量無顯著差異，高濃度（15 mmol/L）處理顯著降低番茄地上部鮮質量、干質量及產量。張恩平等研究表明，在無土栽培模式下，10.7 mmol/L鉀濃度番茄莖粗最大，干物質量也最大［14］；寧秀娟研究表明，高濃度（12 mmol/L）反而不利于植株生長［15］。

研究表明，適當增加鉀供應水平可改善品質［16-21］，2021年秋冬季和2022年冬春季試驗表明，番茄果實中，可溶性糖含量、維生素C和有機酸隨著鉀離子濃度提高而增加，這與張麗等的研究［22］一致。但過量的鉀供應將會抑制根系生長，降低植株養分吸收，光合作用減弱，生育期滯后，降低產量［23-24］，這與2022年冬、春季鉀水平試驗結果一致，高濃度的鉀導致番茄產量、地上部生物量降低，調高鉀濃度會提高作物品質，低濃度的鉀不利于番茄品質的提高，但盲目追求品質會造成產量的顯著降低。因此，適度增加鉀濃度既可提高果實可溶性糖含量和糖酸比，也可減輕高鉀對植物生長的抑制作用，并維持產量，減少肥料浪費。

3.2 鉀水平對植株鉀、鈣、鎂吸收以及鉀肥利用率的影響

2021年秋冬季試驗結果表明，鉀濃度的提高對番茄植株鉀攜出量無顯著差異，但隨著鉀濃度的提高莖中鈣的含量和攜出量顯著降低，葉中鈣的攜出量也顯著降低，莖中鎂含量及攜出量也會隨著鉀濃度的升高而降低，進而降低番茄植株鈣、鎂的攜出量，這與丁玉川等在水稻上的研究結果［25］一致。2022年冬春季試驗結果表明，高濃度的鉀會降低莖中鉀的含量及攜出量，也降低葉中鉀含量，番茄植株中鉀攜出量也顯著降低。鉀濃度的升高使植株葉中鈣含量及攜出量顯著升高，但果實中鈣的含量及攜出量顯著降低，各處理間番茄植株鈣攜出量無顯著差異。高鉀濃度降低莖中鎂的含量和攜出量，降低果實鎂攜出量，但升高果實鎂含量以及葉中鎂含量和攜出量。植物體內鉀、鈣、鎂的吸收存在協同和拮抗的雙重作用，適量的鉀濃度促進植株對鈣、鎂的吸收，過量將會抑制植物對鈣的吸收［26-28］。因此，營養液中大量K+的存在會阻止植株對鈣、鎂的吸收量，抑制作物生長，降低產量［28］。鉀濃度的增加顯著降低秋冬季和冬春季番茄植株鉀肥利用效率，肥料利用率主要受施肥量的影響［29-31］。2022年冬春季，高鉀濃度肥料施用量大，養分攜出量降低，肥料利用率也降低。2021年冬春季，不同鉀水平番茄植株鉀攜出量沒有顯著差異，但肥料施用量大，鉀肥利用效率也顯著降低。

4 結論

綜上所述，得出如下結論：（1）高濃度（15 mmol/L）顯著降低冬春季番茄地上部鮮質量、干質量及番茄產量，降幅分別為26%、21%和17%，提高番茄品質指標綜合得分，排名依次為 K3>K2>K1。

（2）高鉀濃度（15 mmol/L）顯著增加冬春季葉中鈣含量和鎂含量，分別較5 mmol/L處理增加9%和24%。15 mmol/L處理冬春季果實中鈣含量比 5 mmol/L 處理顯著降低24%，果實中鎂含量顯著增加6%。15 mmol/L處理顯著降低冬春季莖中鈣、鎂含量，分別較10 mmol/L顯著降低19%和16%。鉀水平對秋冬季番茄葉、果中鈣含量和鎂含量沒有顯著影響。莖稈和果實中鉀濃度受生長季和鉀水平的雙重影響，高鉀濃度（15 mmol/L）使冬春季莖中鉀濃度顯著降低11%，但果實中鉀含量顯著增加36%。鉀水平對秋冬季番茄植株鉀攜出量無顯著差異，但冬春季莖稈中鉀攜出量顯著降低44%，進而番茄植株鉀攜出量顯著降低10%。

（3）高濃度（15 mmol/L）使番茄植株鉀肥回收利用率顯著降低31%～78%。

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