水質處理對霧培抗堵性能及番茄生長的影響

侯詩宇，肖娟，楊杰，彭志慧，李艷麗

（太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024）

0 引 言

氣霧栽培作為無土栽培技術的一種，該技術不使用土壤及其他基質，通過將營養液霧化直接噴射在農作物根系上，使得作物可以攝取足夠的養分、水分以及氧氣，為農作物創造最佳的根域環境。氣霧栽培以其可以擴展不可再生的耕地資源[1]、具有優良的節水節肥率[2]與提高農作物產量[3]等優點被廣泛應用于反季節蔬菜的生產。番茄是種植分布最廣、年產量最高、食用人數最多的蔬菜之一，以其獨特的風味、豐富的營養化合物與微量元素含量受到人們的喜愛[4]。目前已有研究證明，氣霧栽培可以促進番茄根系生長和營養吸收[5]，還可增加果實產量[6]。

霧化灌水器易堵塞是制約氣霧栽培技術推廣應用的主要因素。由于氣霧栽培常選用壓力補償式噴頭，內部流道復雜，發生輕微堵塞不易清理，使堵塞情況日益嚴重，極大地增加了氣霧栽培的成本，不利于農作物的正常生長。針對灌水器堵塞問題及解決方案，前人已有大量研究，大致分為控制堵塞物質來源、提升自身抗堵能力以及有效清除堵塞物質三方面[7]。由于氣霧栽培系統一經投入使用較難拆開清理，且拆開停止灌溉導致農作物缺少水分養分供給，一般通過控制堵塞物質來源即提升灌溉水質來預防堵塞。Aali等[8]發現對微咸水磁化可以軟化水質改變水的物理化學性質以有效預防化學堵塞，且張佳等[9]發現磁化水灌溉可以有效提升番茄生長性能、酶活性和根系活力；張鐘莉莉等[10]發現微咸水灌溉系統產生的沉淀常以化學沉淀為主，加入適量的無機酸性試劑調節pH至6.0～6.5左右可以有效防止沉淀生成；胡世平等[11]研究發現使用檸檬酸調節pH至7.0以下對Ba2+、Ca2+等陽離子有較好地阻垢效果，且靳琇等[12]已有研究證明適量的檸檬酸可以促進番茄幼苗生長與積累生物量。

目前通過改善灌溉水質以預防堵塞生成已有大量研究，根據目前結論，發現常用的水質處理方法為磁化處理、調酸處理等，同時目前的水質處理研究大多為滴灌條件下如何預防堵塞生成，而如何在對農作物不造成消極影響的情況下改善霧培條件下的堵塞問題少有研究。因此，本文以霧培番茄為研究對象，采用磁化、無機酸調酸、檸檬酸調酸這三種水質處理方式，分析不同的水質處理方式對霧培番茄生長指標、果實指標以及果實營養物質含量的影響，同時跟蹤記錄3種水質處理下霧培灌水器的堵塞情況，進行綜合評價，初步探索利于霧培番茄生長并且有效防止霧培灌水器堵塞的水質處理方式，為進一步促進氣霧栽培技術在我國的發展與推廣提供理論及技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2022年7-10月份北京市昌平區流村鎮沙幫基地內日光溫室中進行，屬于溫帶季風氣候，試驗期間正值夏季至早秋，日照充足，平均氣溫14 ℃，降水量122.4 mm。

1.2 供試材料

供試作物為大粉番茄，氣霧栽培灌水器為（WP41+PJ201）十字霧化噴頭，工作壓力0.25 MPa，流量為50 L/h。栽培番茄所用肥料為無土栽培番茄專用肥料，具體成分見表1。

表1 無土栽培番茄肥料配方Tab.1 Soilless cultivation tomato fertilizer formula

試驗灌溉水源為昌平區自來水有限責任公司提供，pH值為7.5～7.7，一般化學指標檢測結果見表2。

表2 供試水源化學成分檢測結果Tab.2 Test results of chemical composition of water sources

水質處理裝置為管外強磁水處理器（磁化強度0.4 T）；水質處理試劑分別為稀鹽酸溶液除垢劑和食品級一水檸檬酸除垢劑。

1.3 試驗裝置

試驗裝置分為栽培系統與供液系統，主要由儲液桶、水泵、過濾器、定時控制器、壓力表、流量表、減壓閥等組成。

栽培系統：于溫室內起北高南低，長4.5 m、寬80 cm、深25 cm且坡度大于5%的栽培槽，栽培槽南端安裝PVC管用以營養液回流，并安裝濾網，栽培槽底部鋪兩層防水塑料膜，做好底部與回流處的防滲漏，做到既不漏水又能順利回流，不會在栽培壟內大量積水。栽培槽頂部用厚2.5 cm的苯板覆蓋，苯板上鋪設黑色塑料膜，苯板上以40 cm的間距打直徑為5 cm的小孔用以定植番茄幼苗。栽培槽內距頂部10 cm鋪設4.5 m長進液管，在進液管上以40 cm間距均勻安裝霧化噴頭，每條管安裝10個噴頭，與苯版上定植孔交錯排列，使得每株番茄都可以被充分灌溉。

供液系統：于每條栽培壟末端以半地下式安放儲液桶，與栽培系統的回流管道相連，水泵通過定時控制器控制啟閉，進水口處安裝120目過濾器，出水口處依次安裝減壓閥、壓力表、流量表，后與栽培系統的進液管相連。

1.4 試驗設計

于2022年7月中旬，選擇長勢一致且根莖較為粗壯的番茄幼苗洗凈根部后定植。將番茄生長期分為緩苗期（7 d左右，不計入試驗時間），苗期（0～20 d），開花結果期（20～45 d），盛果期（45 d之后），不同生長期根據番茄植株生長需要調配不同EC值營養液。緩苗期用清水噴灌，于緩苗期末期通過減壓閥調節各壓力表讀數為0.25 MPa，并將流量表讀數清零。苗期以EC值為0.8～1.0 mS/cm營養液噴灌，20日左右進入開花結果期EC值調高至1.4～1.6 mS/cm，45日左右進入盛果期EC值調高為2.2～2.4 mS/cm，噴灌溉頻率為每5 min噴灌1 min，灌溉時間為每日5:00至21:00，共16 h，并進行水質處理。試驗設置4個處理，見表3，分別為T1（磁化水質，供液管外安裝強磁水處理器）、T2（無機酸處理，營養液濃度達到預設EC值后加入稀鹽酸除垢劑調節pH至5.8～6.0）、T3（有機酸處理，營養液濃度達到預設EC值后加入食品級一水檸檬酸除垢劑調節pH至5.8～6.0）以及CK（僅以營養液灌溉，不做水質處理），每個處理3次重復，進行完全隨機試驗。

表3 試驗設計Tab.3 Experimental design

1.5 測定項目與方法

1.5.1 番茄植株生長指標

緩苗期結束后各處理隨機挑選3株番茄掛牌標記，并統一測定一次生長指標，之后每10 d測定一次。

（1）株高與莖粗。株高使用卷尺自番茄植株基部至植株生長最高點測量；莖粗使用電子游標卡尺于高于植株基部2 cm處測量。

（2）葉面積修正系數與最大葉面積。隨機選取10個葉片，測量其葉長葉寬，之后通過紙重法測量其葉面積，將紙重法測得葉面積與對應葉長葉寬之積做比平均后得出番茄植株的葉面積修正系數為0.79。每次挑選每株最大展開葉，使用卷尺測其葉長L、葉寬W，由式（1）與葉面積修正系數計算得出最大葉面積。

1.5.2 番茄果實體積與質量

待番茄第二穗果完全成熟時，摘取第二穗果全部果實，各處理摘得果實隨機任取3顆，使用電子游標卡尺測量其橫徑、縱徑、高，3組數據相乘所得數據代表番茄果實體積；使用電子稱測量其果實鮮質量；鮮質量測量完畢后，用烘箱105 ℃殺青40 min，之后調節烘箱溫度為60 ℃，每隔8 h取出番茄測定一次質量，直至連續3次番茄質量相同為止，將末次所測質量作為番茄果實干質量。

1.5.3 番茄果實營養成分測定

待番茄第二穗果全部采摘完畢，各處理隨機任取3顆果實，測定其可溶性總糖含量（蒽酮比色法）、維生素C含量（碘量法）以及全氮含量（凱式滴定法）。

1.5.4 霧化噴頭堵塞情況

于進入苗期開始灌溉營養液并進行水質處理的第一日18:00記錄水表讀數，通過計算得出當日各處理平均流量q0j，作為各組霧化噴頭初始平均流量。此后每日18:00記錄讀數，并計算出當日各處理平均流量qij。由于儲液桶半埋深于地下，水溫偏差不大，且通過減壓閥以及壓力表控制各處理工作壓力相同，故溫度與壓力對流量的影響忽略不計。通過式（2）計算各處理霧化噴頭相對堵塞流量Rbf作為評價灌水器堵塞情況的指標。

式中：各符號腳標，i表示試驗進行的時間，j用以區分不同試驗組。

按照國際抗堵塞標準，一般灌水器相對堵塞流量大于25%時，認為發生了堵塞情況，因此，將灌水器的堵塞情況分為4種進行評價，分別為未堵塞（Rbf≤25%）；一般堵塞（25%＜Rbf≤50%）；嚴重堵塞（50%＜Rbf≤75%）；完全堵塞（75%＜Rbf≤100%）[13]。

1.6 數據處理

本試驗數據通過SPSS軟件和origin2022b進行數據分析和圖表制作。

2 結果與分析

2.1 不同水質處理對番茄植株生長指標的影響

圖1為各處理番茄植株生長指標隨時間的變化曲線，其中番茄植株株高增長總體呈現由快變慢的變化趨勢，其中T1，T2，CK 3組植株株高生長速度減小幅度并不明顯，T3處理在定植后7～27 d長勢最快，增長量為47.52 cm，與其他3組差異顯著，27 d后生長速度有所衰減，低于其他3組生長速度，且與其他組植株株高差異越來越小，57 d后T1、T2、CK植株株高先后超過T3處理，至77 d，T2、T3兩組株高均顯著低于T1，且T3處理最低與CK有顯著差異，只有115.93 cm，T1處理株高最高，高達143.90 cm。

圖1 不同水質處理番茄植株生長指標隨時間變化趨勢Fig.1 Variation trend of plant height and stem thickness of tomato under different wate treatments

由圖1所示，番茄植株莖粗生長趨勢較為一致，均由快變慢。7～17 d，T1組莖粗增長量最高，為2.6 mm，與T2、CK差異顯著，與T3無顯著差異，說明T1處理在苗期對番茄植株莖粗生長有促進作用。27 d后，4組植株莖粗均無顯著性差異，試驗末期T1處理莖粗生長量最高，T2次之，CK組在末期僅高于T3。這說明整體來看，在苗期對番茄植株莖粗表現促進作用的T1處理對番茄植株整個生長發育期莖粗無顯著促進作用，T3對番茄植株莖粗的生長有抑制作用，但不明顯。

根據圖1中番茄植株葉面積隨時間變化的四條曲線斜率可知，4組處理的番茄植株葉面積變化趨勢較為一致，27 d之前，苗期4組番茄植株葉面積增長較快，其中T3處理葉面積增長量最多，說明T3處理對苗期番茄植株葉面積生長有促進作用；27～47 d，4組處理番茄植株葉面積增長速度有所衰減；47 d后，進入果實膨大期，所測4組處理番茄植株最大葉面積基本長至番茄單葉面積最大值，葉面積大小隨時間變化不明顯。

不同處理對不同時期番茄植株各項生長指標的影響見表4。整體來看，各水質處理對番茄植株生長指標的影響主要體現在影響植株株高，對莖粗有影響但不顯著，對番茄植株葉面積無顯著影響。在苗期T1、T2、T3均對苗期番茄植株株高生長有一定的促進作用，其中T3最為顯著，T2處理與T1處理相比對苗期番茄植株莖粗生長存在抑制作用，但兩組處理與CK均無顯著性差異，對番茄植株莖粗影響不大；進入結果期，T3處理番茄植株株高生長速度明顯下降，且株高與T1、T2兩組已無顯著性差異，番茄植株莖粗與葉面積均無顯著性差異；盛果期T2、T3處理對番茄植株株高存在抑制作用，其中T3處理組番茄植株株高最低，與T1、CK均存在顯著性差異，T2處理與CK相比，對番茄的抑制作用不顯著，4組處理之間莖粗與葉面積仍無顯著性差異。

表4 不同水質處理對不同時期番茄植株生長指標的影響Tab.4 Effects of different water treatments on growth indexes of tomato plants in different periods

綜合分析，調節水質對番茄植株的生長的影響主要體現在影響番茄植株株高的生長，苗期T3處理對番茄植株生長有顯著的促進作用，這是由于適量的檸檬酸根離子對苗期番茄植株生根有一定的促進作用，通過促進番茄幼苗前期生根影響番茄植株在苗期生長較快，植株株高增長量較多，這一結果與靳琇等[12]研究發現檸檬酸促進番茄幼苗生長與積累生物量的結論相一致；苗期之后，隨著營養液濃度的逐漸增大，T2、T3處理調節pH所需酸的用量增多，由于T3使用檸檬酸，電離程度較弱，因此檸檬酸用量更多，使得T3營養液濃度遠高于T1、CK，過高的營養液濃度對番茄植株生長表現出抑制作用，使得番茄植株生長速度不斷降低，直至試驗最后番茄植株生長指標最低。T1、T2、CK3組植株苗期生長情況無顯著差異，且長勢基本一致，直至末期T1與T2有顯著差異，均與CK無顯著差異，說明T1、T2兩組處理對番茄植株生長無抑制作用，T1處理比T2處理更有利于番茄植株的生長。綜上所述，苗期適宜的檸檬酸調節營養液pH處理會促進番茄植株的生長，但后期隨著營養液濃度的逐漸升高，調酸加入的過多的檸檬酸使得營養液濃度過高，對番茄植株生長的體現出抑制作用，磁化水處理與無機調酸處理對番茄植株生長均無顯著影響。

2.2 不同水質處理對番茄果實產量及品質的影響

如表5所示，T1處理番茄體積最大，顯著高于其他3組，為310.79 cm2，CK組果實體積次之，為257.39 cm2，但與T2、T3無顯著差異；T1處理番茄果實鮮質量最大，為183.87 g，CK處理番茄果實鮮質量次之，為158.43 g，兩組呈顯著性差異，T1處理果實鮮質量較CK提高16%，T2、T3兩組處理鮮質量無顯著差異，分別為143.67 g及131.37 g，T2與T1差異顯著，T3與T1、CK兩兩之間差異顯著；4組處理果實干質量，其中T1干質量最大，為22.87 g，CK組次之，T1、CK兩組顯著高于T2、T3，T3為4組果實干質量最小，僅有15.33 g；4組處理果實含水率間無顯著性差異，其中T2、T3兩組含水率較高，分別為89.14%和88.39%，T1處理較小，為87.63%，CK組最小，為86.13%。

表5 不同水質處理對番茄果實體積及質量的影響Tab.5 Effects of different water treatments on the volume and quality of tomato

不同水質處理對番茄果實品質的影響如表6所示，4組不同的水質處理方式在總糖、維生素C以及全氮含量3方面均無顯著差異。總糖含量CK組最高，為7.32 g/100g，T2組最低，為6.17 g/(100 g)；維生素C含量T3最高，為20.41 mg/(100 g)，CK組最低，為17.72 mg/(100 g)；全氮含量T1組最高，為0.135%，CK組最低為0.125%。這說明不同水質處理對番茄果實的品質均無顯著影響。

表6 不同水質處理對番茄果實品質的影響Tab.6 Effects of different water treatments on fruit quality of tomato

綜上所述，不同水質處理對番茄果實體積、鮮質量及干質量影響顯著，對含水率無顯著影響，說明磁化處理對于番茄果實體積以及果實質量均有積極影響，T2、T3處理的果實質量均顯著低于CK組，說明調酸處理對果實質量存在消極影響，綜合考慮番茄單果質量以及品質等指標，T1處理最優。

2.3 霧化噴頭抗堵塞試驗分析

不同水質處理方式下霧化噴頭相對堵塞出流量與霧化時間的關系如圖2所示，由圖2中可以看出隨著霧化時間的延長，不同水質處理下的霧化噴頭相對堵塞流量均逐漸增大，其中，T2堵塞程度最輕，Rbf為17.68%，T1次之，Rbf為18.09%，T3堵塞情況略有加重，Rbf為21.9%，接近于一般堵塞，CK的堵塞情況最為嚴重，于第62日達到一般堵塞（EC＞25%），且到試驗結束Rbf為33.0%。根據灌水器堵塞評價方法認為，在試驗期內，T1、T2、T3均未發生堵塞，CK發生一般堵塞。

圖2 霧化噴頭相對堵塞流量與霧化時間的關系Fig.2 The relationship between relative blocking flow of atomizing nozzle and atomizing time

由于番茄不同生理發育期配給的營養液濃度不同，因此對霧化噴頭Rbf與霧化時間進行分段擬合，發現不同水質處理方式下霧化噴頭Rbf與霧化時間在番茄不同的生理發育期均呈現良好的線性關系，即：

式中：t為霧化時間；a、b均為常數。

擬合結果見表7。a為擬合直線的斜率，代表霧化噴頭堵塞情況加劇的快慢。4組試驗處理番茄苗期堵塞較快，番茄開花坐果期有所減慢，番茄果實膨大期又加快且比番茄苗期堵塞更快，4組霧化噴頭堵塞程度對霧化時間的增加均呈現出“敏感—微敏感—極度敏感”的動態規律。結合圖，4組霧化噴頭在苗期與開花結果期營養液EC值增大時，a反而變小，這與劉國宏等[14]，Pei等[15]研究微潤灌與滴灌發現對應灌水器的堵塞情況隨灌溉時間的增加呈現出分段線性變化的規律一致，且在開花坐果期結束時堵塞情況無太大差別，說明前兩段時期營養液的濃度不高，霧化時間仍是影響霧化噴頭堵塞的主要因素。4組處理中，T2，T3在前兩段時期堵塞情況較其他兩組嚴重，霧化時間每延長1 d，苗期堵塞程度分別增加0.26%和0.248%，均高于CK，這是由于營養液濃度較小，pH對堵塞的影響不明顯，為調節pH加入的檸檬酸與稀鹽酸反而增大了營養液中的離子濃度，使得霧化噴頭的堵塞情況增加；開花結果期堵塞程度分別增加0.144%和0.185%，T2低于CK，T3高于CK，這是由于營養液濃度增大，調節pH對堵塞的影響有所體現，但由于檸檬酸電離常數低，酸性較鹽酸弱，因此調節到相同pH檸檬酸的用量多，使得營養液中離子濃度更大，反而體現不出檸檬酸對堵塞的作用；進入盛果期，營養液濃度增量大，各組霧化噴頭堵塞程度對霧化時間的敏感性均有不同程度的增強，其中CK最為嚴重，霧化時間每延長1 d，堵塞程度加劇1%，T2、T3在濃度較高時抗堵塞作用均有所體現，霧化時間每延長1 d，堵塞程度分別加劇0.38%、0.49%。通過整個灌溉期來看：T1在3段灌溉期a值均低于CK，說明通過磁化斷裂水中氫鍵減少絡合物生成這一方式在各個濃度下均表現出良好的抗堵塞作用；T2在苗期加劇了堵塞作用，在后兩段表現出抗堵塞作用，且到試驗期最后噴頭堵塞程度最輕；T3在前2段由于檸檬酸電離程度低，加劇了霧化噴頭的堵塞，在濃度較高時體現出了調節pH的抗堵塞作用，霧化噴頭堵塞情況在3種水質處理中最為嚴重。

表 7 不同階段霧化噴頭相對堵塞流量與霧化時間線性擬合Tab.7 Linear fitting of relative blockage flow rate and atomization time of atomizing nozzle in different stages

3 討 論

本試驗通過對霧培番茄進行防堵塞水質預處理，探究3種水質處理對霧化灌水器堵塞預防效果以及對霧培番茄的生長指標、產量以及果實品質的影響，進而說明何種水質處理方式有實際農業應用價值。

研究結果表明，苗期適宜的檸檬酸調酸水質處理方式對番茄植株的生長有顯著的積極影響，這與靳琇等[12]的結論基本一致；隨著番茄生長進入開花結果期和盛果期，T2處理番茄植株生長優勢越來越小，至試驗期最后顯著低于CK組，這是由于營養液濃度不斷增大，兩種調酸處理所用酸也隨之增多，檸檬酸由于電離程度較弱，用量更多，導致營養液濃度過高，對番茄植株根系造成高濃度鹽分脅迫，導致番茄植株對營養液吸收較為困難，這與柳美玉等[16]研究發現番茄養分吸收效率隨營養液濃度的增大而先增大后減小的結果相一致；而無機調酸處理與磁化處理對番茄植株生長均無顯著影響，磁化處理略優于無機調酸處理和CK，這與張佳等[9]研究發現磁化水灌溉增強番茄植株吸收養分和水分的能力的結論相似。

本研究發現，磁化水處理對霧培番茄的單果體積、質量有顯著的積極影響，這與鄭劍超等[17]的研究結果相一致；T2、T3對番茄果實的單果體積、鮮質量及干質量表現出不同程度的消極影響，說明調酸處理對番茄果實的生長有抑制作用，這可能是由于調酸處理在盛果期營養液濃度過高，使得番茄根系收到高濃度脅迫，養分和水分吸收能力降低，從而影響了果實的生長，T3處理的果實體積及質量略低于T2處理，這可能是由于T3組檸檬酸用量多，使營養液濃度高于T2，對番茄果實生長影響更大。3種水質處理方式對番茄果實的總糖含量、維生素C含量以及全氮含量均無顯著影響，綜合番茄的單果質量以及營養物質含量分析，磁化水處理更有利于番茄果實的生長。

通過對4組試驗組每日流量的跟蹤記錄，發現4組試驗組堵塞情況隨時間的變化趨勢相似，均為“快—慢—快”，這與劉國宏等[14]的研究結論基本一致；在番茄幼苗期，營養液濃度低，此時灌水器堵塞情況受營養液濃度影響較為敏感，兩組調酸處理單位時間堵塞增量均高于CK；進入番茄開花結果期，營養液濃度升高，營養液pH對堵塞的影響有所體現，T2組單位時間堵塞增量低于CK，由于檸檬酸電離程度較弱，提高了營養液的濃度，使得T3組堵塞情況比CK嚴重；進入盛果期，營養液濃度再次升高，T1、T2、T3堵塞情況均比CK有所改善，其中T1、T2兩組堵塞情況相似，T3較為嚴重，這說明在營養液濃度較高時，3組處理較CK均能改善霧化灌水器堵塞情況，T1、T2兩組效果較好。

相比于磁化水處理，檸檬酸調酸處理對番茄果實的生長抑制作用與檸檬酸跟離子本身的化學性質和檸檬酸調酸對改善霧化灌水器的堵塞情況效果不良均可能有關，這一機理仍需進一步研究。

4 結 論

綜合整個試驗周期的番茄生長情況、結果情況以及灌水器的堵塞情況，采用T1處理即磁化水有利于霧培番茄的生長發育以及霧化灌水器的日常使用；在番茄幼苗期于低濃度營養液中添加適量檸檬酸能促進番茄幼苗前期的生長發育，而營養液濃度較高時檸檬酸的用量對番茄果實生長的抑制效果顯著，因此在整個生育期均使用磁化水，苗期加入適量檸檬酸，開花結果期及以后停止加入檸檬酸這一方式對霧培番茄生長以及灌水器防止堵塞最為有利。