豬糞沼液對設施基質栽培番茄的營養效應

滕云飛,尚斌,陶秀萍

豬糞沼液對設施基質栽培番茄的營養效應

1中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業農村部設施農業節能與廢棄物重點實驗室，北京 100081；2中國農業科學院都市農業研究所，成都 610000

【目的】探明豬糞沼液對設施無土栽培番茄的營養效應，為沼液的基質栽培應用提供科學依據。【方法】以番茄為研究對象，采用不同肥源（沼液和化肥）及不同類型基質（草炭和爐渣）的復因子試驗設計，形成沼液+草炭（DP）、化肥+草炭（MP）、沼液+爐渣（DC）和化肥+爐渣（MC）4個處理，對番茄的生長、光合、養分吸收以及基質的理化特性等指標進行測定。【結果】DP處理的生物量比MP處理提高12.6%，同時DC處理比MC處理提高70.9%，但DP和MP處理的生物量顯著高于DC和MC處理（＜0.05）。DP處理葉片的氣孔導度(Cond)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)顯著高于其他處理（＜0.05），且光合速率Pn最高，為（18.17±0.47）μmol·m-2·s-1，沼液處理顯著提高了番茄的生物量和葉片的光合效率。DP處理的全株氮含量和全株磷含量比MP處理分別提高46.9%和19.7%，DC處理的全株氮含量和全株磷含量分別是MC處理的1.38和2.45倍。與化學肥料處理相比，豬糞沼液顯著提高了基質的pH，增加了基質的有機質和有效磷含量（＜0.05）。DP處理果實的總產量最高，為（6.0±0.4）kg·m-2，但與MP處理無顯著性差異。豬糞沼液顯著提高了番茄果實的可溶性糖和Vc含量（＜0.05），提高了果實的品質。主成分分析結果表明，DP處理的各項指標綜合表現最好，MP和DC處理次之，MC處理最差。【結論】豬糞沼液施入草炭基質中可以提高葉片光合效率，促進植株對氮、磷的吸收，改善基質的生態環境，且在保證產量的前提下，果實品質更好。因此，在設施番茄生產中推薦組合使用。

豬糞沼液；無土栽培基質；番茄；光合作用；養分吸收；基質理化特性

0 引言

【研究意義】我國畜禽糞污的產生量大，據行業統計，全國每年產生約38億噸畜禽糞污[1]，隨著畜禽糞污資源化利用科技支撐保障水平的提升和畜禽糞污資源化利用整縣推進項目實施，畜禽糞污資源化利用水平不斷提高，2020年畜禽糞污綜合利用率為76%[2]，但仍有大量畜禽廢棄物沒有得到有效處理和利用，成為農村環境治理的一大難題。國務院辦公廳印發的《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》（國辦發〔2017〕48號）明確：以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以農用有機肥和農村能源為主要利用方向。沼氣工程是畜禽糞污資源化利用的常用技術之一，但是以畜禽糞污為主要原料的沼氣工程產生大量沼液，而未經處置的沼液直接排放不符合畜禽養殖業排放標準，易造成農田污染[3-4]。沼液富含多種水溶性養分，更易于被植物吸收利用[5-6]。將沼液作為有機肥料進行農田利用是沼液資源化利用的首選方法。由于大田作物的需肥量和施肥時間限制，沼氣工程所需配套的沼液消納農田面積較大，而大部分規模化畜禽場周邊農田面積不足/缺乏，設施栽培的高效生產為沼液利用提供了新途徑。番茄是重要的園藝作物之一，在現代設施園藝的發展中具有較高的經濟效益和農業附加值。【前人研究進展】沼液是一種適宜番茄種植的肥料來源，因為沼液中含有高水平的氮和鉀[7]。且前人對沼液應用于大田番茄土壤栽培進行了大量研究[8-11]。此外，一些研究人員在有機基質栽培下，利用沼液或不同糞肥浸提液混合的有機營養液對番茄、草莓等作物的光合、生長發育、產量及水分利用效率等方面進行了研究[12-13]。【本研究切入點】以往的研究主要集中在沼液或沼液部分替代化肥在有機基質栽培條件下對作物產量和品質的影響，而針對沼液完全替代化肥施入兩種不同類型基質（有機和無機）的營養效應尚未見相關報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以番茄為試材，綜合肥料和基質特性兩方面，探討豬糞沼液替代化肥用于番茄基質栽培對番茄植株光合、養分吸收特性的影響；分析兩種類型基質理化性質的變化情況，為沼液的基質栽培應用提供科學依據，拓展沼液種養結合新途徑。

1 材料與方法

試驗于2021年2—6月在北京市順義區日光溫室內進行。

1.1 試驗材料

番茄品種選用大果型番茄‘瑞粉882’，購于荷蘭瑞克斯旺公司。沼液取自河北省唐山市某規模化養殖場覆膜厭氧塘（容積2.52×104m3）發酵沼液，厭氧發酵水力停留時間為30 d，沼液存放于4℃冰箱，用于養分含量測定及試驗。兩種基質均為復配基質，草炭基質由草炭、珍珠巖、蛭石按照3﹕1﹕1體積比配制而成，爐渣基質由爐渣和蛭石按照1﹕2體積比配制而成，基質所用原料購自園藝市場。沼液和兩種復配基質的特性如表1所示。

表1 沼液和兩種基質的特性

1)沼液理化性質為全氮、全磷、全鉀和有機質含量（mg·L-1）

1)The physicochemical properties of liquid digestate were total nitrogen, phosphorus, potassium and organic matter content (mg·L-1)

1.2 試驗設計

試驗選取不同肥料（沼液和化肥）和不同類型基質（草炭和爐渣），采用完全隨機區組設計方法，共形成4個處理：沼液+草炭基質（DP）、化肥+草炭基質（MP）、沼液+爐渣基質（DC）和化肥+爐渣基質（MC）。豬糞沼液施用量根據番茄植株生長所需N含量[14]計算得出，施入總N量為347.4 kg·hm-2。化學肥料N施入量與沼液一致，磷和鉀施入量根據番茄植株生長所需量確定，尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀為化學肥源。各處理施肥量如表2所示。

表2 各處理肥料的施入量

1)定植后30 d開始追肥，每10 d追肥1次 Topdressing starts 30 days after planting, and once every 10 days

日光溫室的面積為600 m2（60 m×10 m），通過對溫室內溫度、相對濕度和光合有效輻射的監測（1.5 m高度）數據顯示，試驗期間溫室白天平均溫度和相對濕度分別為（23.9±2.6）℃和（44.8±9.4）%，夜間平均溫度和相對濕度分別為（12.7±2.3）℃和（88.0±4.5）%，正午的平均光合有效輻射為（563.5± 213.7）μmol·m-2·s-1。冬季日光溫室夜間（晚5：00—早8：00）覆蓋保溫被。番茄種子播種在50孔的穴盤內，待番茄幼苗長至5葉一心時（2021年2月9日）定植。每處理種植15株番茄，共60株，植株定植在12 L塑料盆中，每盆定植1株，塑料盆南北放置，株行距0.27 m×1.2 m，密度為3株/m2。番茄植株每兩天澆水一次，定植后30—60 d澆水量為1 L·株-1，60— 120 d澆水量為2 L/株。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質量和植株養分含量 番茄植株的干物質量于定植后30、60和120 d采集，每處理隨機選取4株，分別對根、莖、葉、果的鮮重進行測定，植株干重使用烘箱（DHG-9620-A，中國上海藍德帕）80 ℃烘干至恒重，番茄植株的總干物質量為根、莖、葉和果的總和。植株根、莖、葉、果的干樣，磨碎過60目篩，用于植株N、P、K養分含量的測定[15]；葉片總氮含量使用元素分析儀（2400 Series II，Perkin Elmer，USA）進行測定。

1.3.2 葉片光合參數測定 定植60 d后，對葉片光合參數進行測定。葉片的光合參數使用LI-6400XT光合測定系統（LI-COR生物科學，美國林肯）測定，每處理隨機選取5株，在當天9：00—17：00對最上部完全展開的葉片進行測定，光合測定系統參數設定如下：光量子通量密度（PPFD）設置為600 μmol·m-2·s-1，CO2分壓為400 μmol·m-2·s-1，葉片溫度為25 ℃，葉片-空氣蒸汽壓差（VPDleaf-air）維持在0.7—1.0 kPa，空氣通過系統的流速為500 μmol·s-1。光合參數測定后，在各處理同一位點采集葉片樣本，用鋁箔包裹后迅速浸入液氮中，-80 ℃冰箱保存，用于葉綠素含量[16]的測定。

1.3.3 基質理化特性測定 基質樣品于生物量樣品采集完成后進行，采用五點法收集（不包含根區基質），實驗室風干、磨碎，過60目篩后用于基質理化性質的測定[15]。

1.3.4 產量和品質測定 番茄果實產量以成熟果實的鮮重累計獲得，果實在定植后90—120 d采收，共采收4次。番茄品質在果實成熟期采集樣品，每處理隨機選取成熟度相似的果實4個，果實縱切后迅速浸入液氮中，-80 ℃冰箱保存，用于可溶性糖、Vc、可溶性蛋白含量的測定[16]。

1.4 數據統計分析

采用excel 2019進行數據處理，SPSS 25統計軟件進行雙因素方差分析（Two-way ANOVA），方法為LSD新復極差法。Origin 2022軟件作圖，試驗結果用平均值±標準差表示；以＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 豬糞沼液對基質栽培番茄植物干物質量的影響

豬糞沼液對基質栽培番茄植株干物質量的影響如圖1所示，定植后30 d，處理間干物質量無顯著性差異。定植后60 d，MC處理的干物質量顯著低于其他處理（＜0.05），其他處理之間無差異。收獲期即定植后120 d，DP處理的干物質量比MP處理提高12.6%，同時DC處理比MC處理提高70.9%，但DP和MP處理的干物質量顯著高于DC和MC處理。

2.2 豬糞沼液對基質栽培番茄葉片光合參數的影響

豬糞沼液對番茄葉片光合參數的影響如圖2所示，DP處理葉片的凈光合速率（Pn）最高（圖2-a），且顯著高于DC和MC處理（＜0.05），但與MP處理無顯著性差異，主要是由于DP處理葉片的氣孔導度（Cond）和胞間CO2濃度（Ci）顯著高于其他處理（圖2-b、c，＜0.05）。DP處理葉片的蒸騰速率（Tr）比MP、DC和MC處理的蒸騰速率分別提高了43.7%、81.9%和69.1%（圖2-d）。

不同字母表示不同處理間差異顯著（P＜0.05）。下同 Different letters indicate significant differences (P＜0.05). The same as below

DP和MP處理的光合速率顯著高于DC和MC處理（＜0.05），但其葉片的葉綠素含量顯著低于DC和MC處理（＜0.05）（表3）。此外，MP和MC處理葉片的總氮含量顯著高于DP和DC處理（＜0.05）。雙因素ANOVA分析表明基質類型對葉片凈光合速率和葉綠素含量有顯著影響，而肥料、基質以及肥料×基質互作對其他光合參數和葉片總氮含量具有顯著影響。

圖2 豬糞沼液對番茄葉片光合參數的影響

表3 沼液基質栽培對番茄葉片總N和葉綠素含量的影響

ns：無顯著性差異；*：顯著性差異（Fisher’s test，＜0.05）；同列不同字母表示差異顯著（＜0.05）。下同

ns: Not significant difference; *: Significant differences to Fisher’s test (＜0.05); Different letters in each column indicated significant difference among the treatments (＜0.05). The same as below

2.3 豬糞沼液對基質栽培番茄養分吸收的影響

豬糞沼液施入不同類型基質中，番茄的養分吸收狀況如表4所示，豬糞沼液處理有利于N素在莖、葉、果中積累，而化肥處理有利于N素在根系中積累。與N素不同，豬糞沼液處理有利于P元素在根、莖中積累。就K元素而言，DC處理的K含量在莖中顯著高于其他處理，DC和MP處理的K含量在果中顯著高于DP和MC處理（＜0.05）。此外，DP處理的全株氮含量和全株磷含量比MP處理分別提高46.9%和19.7%，DC處理的全株氮含量和全株磷含量分別是MC處理的1.38和2.45倍。而MC處理全株的N、P、K含量顯著低于其他處理（＜0.05）。

表4 收獲期各處理植株氮磷鉀含量

2.4 豬糞沼液對基質理化性質的影響

豬糞沼液施入對基質理化性質的影響如表5，隨著植株的生長，基質的pH逐漸降低，DP和DC處理基質的pH顯著高于MP和MC處理（＜0.05）。與基質的pH相反，MP和MC處理基質的電導率隨生育期的延長逐漸升高，且在定植后120 d時電導率顯著高于DP和DC處理（＜0.05）。此外，豬糞沼液處理的有機質含量和有效磷含量顯著高于化肥處理（＜0.05），基質的總氮含量在定植后60—120 d，以MP處理的總氮含量最高，其次是DP和DC處理，MC處理總氮含量最低。

表5 不同時期各處理基質養分特性變化情況

2.5 豬糞沼液對番茄基質栽培產量和品質的影響

豬糞沼液施入不同類型基質對番茄產量和品質的影響如表6所示，DP處理番茄果實的產量最高為（6.0±0.3）kg·m-2，顯著高于DC和MC處理（＜0.05），但與MP處理無顯著性差異。DP處理果實的單果重顯著高于其他處理（＜0.05）。此外，DC處理果實的可溶性糖、Vc和可溶性蛋白含量顯著高于其他處理（＜0.05），而DP處理果實的可溶性糖和Vc含量顯著高于MP和MC處理（＜0.05）。

為了更全面地了解豬糞沼液對基質栽培番茄光合、營養、產量和品質等生理指標的影響，主成分分析（PCA）的結果如圖3所示。前2個主成分分別解釋了53.4%和21.5%的數據變異性。從各處理樣本點的分布和原始變量之間的距離可以看出，DP處理的個體表現出更高的光合效率、養分吸收效率和適宜的基質環境，番茄的產量和品質更高。MP和DC處理的個體表現次之，樣本點分布也十分接近，基質的電導率和速效鉀含量更高。而MC處理個體表現出更高的葉綠素和葉片氮含量，但番茄葉片的光合能力、果實的產量與品質較低。

3 討論

3.1 番茄葉片光合效率與植株養分吸收

光合作用為植物的生長提供碳同化物。本研究中，沼液施入草炭基質處理葉片的光合速率最高，主要是由于該處理葉片的氣孔導度（Cond）和胞間CO2濃度（Ci）顯著高于其他處理，而氣孔的開放程度影響植物的光合速率[17]。同樣，該處理葉片的蒸騰速率（Tr）顯著高于其他處理，這與張鈞恒等[12]、王紅寧等[13]的試驗結果一致，沼液可以提高葉片的光合速率和氣孔的開放程度。植物的N營養狀況直接影響光合速率和植株生長[18]，P元素直接影響ATP、NADPH等能量代謝物質的合成。P供應充足可以增加ATP的供應，影響磷酸甘油酯的合成和二磷酸核酮糖（RuBP）的再生，從而提高葉片光合速率[19]。在本研究中，沼液處理的全株氮含量和磷含量顯著高于化肥處理，這與Xu等[20]的研究結果一致。此外，草炭基質有很高的鉀含量，而沼液中的生物活性成分可能促進草炭基質中生物可利用鉀的釋放，K元素可以調節氣孔開放并增強細胞的滲透調節能力[21]。因此，沼液施入草炭基質中提高了葉片光合效率，促進了植株對氮、磷養分的吸收。

表6 豬糞沼液對基質栽培番茄產量和品質的影響

3.2 基質的理化特性評價

沼液替代化肥施用可以影響基質的理化特性，在本研究中，豬糞沼液處理基質的pH顯著高于化肥處理，氮在礦化過程中（NH4+→NO3-）會引起H+的釋放，使基質的pH降低，而沼液的pH呈弱堿性，可以中和礦化過程中產生的H+，從而使沼液處理基質的pH高于化學肥料處理，說明沼液可以緩解化肥過量導致的基質/土壤酸化[22]。與pH相反，豬糞沼液處理基質的電導率顯著低于化肥處理，可能是因為化學肥料中氨氮（尿素）轉化為硝酸鹽，使該處理硝酸鹽濃度和基質的電導率升高。硝酸鹽過量會導致植物組織中硝酸鹽的淋溶和過度積累[23]，這一特征與葉片總N含量一致。施用沼液可以增加基質/土壤的有機質含量[24]，這一結論在本研究中得到證實。同時也部分證明了豬糞沼液處理植株在生物量方面的優勢。此外，有報道稱施用沼液后土壤的總氮含量可以在較長時間內保持較高濃度[25]，滿足植株對N素營養的需要，這與本研究中豬糞沼液處理基質的總氮和有效磷含量在定植后60—120 d維持較高濃度的試驗結果一致，而高濃度的磷溶液可以促進其他營養元素（N、K、Ca和Mg）的吸收[26]。因此，沼液施用可以改善基質的生態環境，促進植物對養分的吸收。

3.3 產量和品質評價

本研究中，豬糞沼液施入兩種類型基質中，番茄的產量都有所提高。沼液增產可能存在兩方面的原因：一是沼液作為有機肥料能改善根系生態環境，促進根系發育和提高葉片光合能力，增加同化物質的積累量；二是沼液中的有機質分解產生有機酸能促進基質中礦質養分的溶解，提高植株對養分的吸收[12,20]，這一結論在本試驗中得以證實。而兩種基質產量的差異，主要是因為草炭基質富含有機質、具有較高的保水性和透氣性；而爐渣基質養分缺乏、保水能力差[27]，且基質的pH較高，易導致氮素流失[8]。化肥+爐渣處理番茄的產量最低，可能是處理中較多的尿素導致番茄幼苗根部受損，抑制了植株的生長[28]。

沼液可以提高基質栽培番茄果實的品質[29]。本研究中，沼液+草炭處理番茄的可溶性糖和Vc含量顯著高于化肥處理，果實的單果重顯著高于其他處理，筆者前期研究表明，豬糞沼液施入草炭基質中調節了植株碳代謝酶活性，促進了果實可溶性糖和干物質的積累[30]。而沼液+爐渣處理番茄的可溶性糖、Vc和可溶性蛋白含量顯著高于化肥處理（＜0.05），可能是沼液的鹽分含量較高，導致番茄植株受到一定程度的鹽分脅迫，從而提高了果實的品質[31]。

4 結論

豬糞沼液施入兩種不同類型基質（草炭和爐渣）中，均可以提高番茄葉片的光合效率，促進植物對氮、磷營養的吸收，改善基質的理化特性，提高果實的產量和品質，尤其是豬糞沼液施入草炭基質中，表明豬糞沼液是一種適合番茄無土栽培的肥料。與化肥+草炭處理相比，沼液+草炭處理表現出相似的產量和更高的品質，表明豬糞沼液可以替代化肥滿足番茄生產中養分的需求，在設施番茄生產中推薦組合使用。然而，沼液+爐渣處理與化肥+爐渣處理相比，表現出更高的番茄產量和品質，表明豬糞沼液可以成為化學肥料的有效替代品，從而提高無機基質的肥力。

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Nutritional Effects of Liquid Digestate on Tomatoes Grown in Facility Substrates

TENG YunFei1, SHANG Bin1, TAO XiuPing

1Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management in Agricultural Structures, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Institute of Urban Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610000

【Objective】The nutritional effects of liquid digestate on tomatoes in facility soilless cultivation were investigated, so as to provide scientific basis for the substrate cultivation application of biogas slurry. 【Method】Here, tomato was used as subject, and the dual inputs of fertilizers (liquid digestate (D) and mineral fertilizer (M)) and soilless substrates (peat substrate (P) and cinder substrate (C)) consisted of four treatments. The parameters of tomato growth, photosynthesis and nutrients uptake were recorded during the experimental period, as well as the properties of substrates. 【Result】The tomato dry biomass under DP treatment was higher than that under MP treatment by 12.6%, and DC treatment was higher than MC treatment by 70.9%. However, the dry biomass under DP and MP treatments were significantly higher than that under DC and MC treatments (＜0.05). The Cond, Ci and Tr of tomato leaf under DP treatment was significantly higher than that under other treatments (＜0.05), and the greatest leaf photosynthetic rate was also observed under DP treatment of (18.17±0.47) μmol·m-2·s-1. Liquid digestate significantly increased the dry biomass and photosynthesis of tomato plants. The total N and total P content of plant under DP treatment were higher than that under MP treatment by 46.9% and 19.7%, respectively, and DC treatment were 1.38 and 2.45 times higher than MC treatment, respectively. Moreover, liquid digestate treatments significantly increased the pH value, organic matter and available phosphate content of substrates compared with chemical fertilizer treatments (＜0.05). The highest fruit yield was obtained under DP treatment of (6.0±0.4) kg·m-2, and the yields between DP and MP treatments had no significant difference. The liquid digestate treatments could significantly increase the soluble sugar content and vitamin C content in tomato fruits (＜0.05), and improve fruit quality.Meanwhile, the results of principal component analysis showed that DP treatment had the best overall performance, followed by MP and DC treatments, while MC treatment was the worst.【Conclusion】The application of liquid digestate into peat substrate increased the photosynthetic efficiency of leaves and the absorption of nitrogen and phosphorus of tomato plants, as well as the properties of substrate and the yield and quality of fruits. Therefore, the combination was recommended for use in facility tomato cultivation.

liquid digestate; soilless substrates; tomato; photosynthesis; nutrient uptake; substrate properties

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.013

2023-03-23；

2023-07-21

中國農業科學院科技創新工程（CAAS-ASTIP-IUA）、中國農業科學院杰出人才支持計劃（NKYCLJ-C-2021-029）

滕云飛，E-mail：82101191058@caas.cn。通信作者陶秀萍，E-mail：taoxiuping@caas.cn

（責任編輯 趙伶俐）