設施番茄營養液調控技術研究現狀與展望

孫 茜，王 湛，徐 凡，郭文忠，姚宇升，李靈芝，王保明

（1.寧夏農林科學院固原分院 寧夏固原 756000；2.神農富通（山西）農業規劃設計研究有限公司 太原 030006；3.北京農業智能裝備技術研究中心 北京 100097；4.山西農業大學 山西太谷 030801）

21 世紀以來，我國設施園藝呈現快速發展的趨勢，2022 年“中央一號”文件也提出要加快發展設施農業，為今后我國設施農業發展提供了有力支持，在國家鄉村振興政策助推下，設施園藝已成為山東壽光、河北衡水等地區農業和農村發展的重要支柱產業[1]，但經長年的設施栽培，土壤暴露出板結、酸化、鹽漬化等威脅設施園藝可持續發展的問題。無土栽培技術人為創造作物生長根系環境，可不受土壤條件限制，有效避免土壤連作障礙對作物生長的影響，解決傳統土壤栽培下水氣肥三者的供應矛盾，抑制土傳病害發生[2]。截止到2020 年，我國無土栽培面積在5 萬hm2左右[3]。目前無土栽培主要包括水培和基質栽培2 種，其中基質栽培又分為有機基質栽培、無機基質栽培和混合基質栽培三大類。與水培相比，基質栽培有固定植株、保持水分、透氣和緩沖等作用[4]，且投資少，設備簡單易操作[5]；與土壤栽培相比，基質栽培可按作物生長需求動態供給水分和養分，有利于作物提高光合效率[6]、產量[7]、品質[8]和水肥利用效率[9]。

番茄為一年生或多年生草本植物，果實含豐富的維生素類和鉀，無膽固醇，是深受人們喜愛的蔬菜。近些年，我國番茄生產規模基本保持穩定，據農業農村部統計，2018 年我國番茄栽培面積110.9 萬hm2，產量6 483.2 萬t，其中設施番茄栽培面積達64.2 萬hm2，占番茄總栽培面積的57.9%[10]。在番茄生產中，常規土壤栽培養分釋放緩慢，不易滿足番茄生長發育對高水肥的需求，基質栽培作為番茄設施栽培的一種重要栽培手段，可以人為創造番茄生長適宜的根系條件，并可通過營養液持續不斷供給番茄生長發育所需的水分和養分，提高番茄產量[11]。因此，基質栽培在設施番茄生產中應用越來越廣。

設施番茄基質栽培中，水肥管理是生產的關鍵，同時也是生產中的技術難點。目前，我國設施番茄基質栽培水肥調控以經驗為主，生產者也普遍認為高肥可獲高產，未考慮不同生長階段番茄對養分的動態需求，導致養分供給與作物養分需求不匹配，造成水肥浪費或養分供應不足，影響番茄產量和品質。前人研究發現，平均每季日光溫室栽培蔬菜對氮（N）、磷（P）、鉀（K）養分的吸收量分別僅占總投入量的24.5%、5.9%和34.0%[12]，合理地控制肥料用量，甚至減少肥料用量不僅不會降低番茄產量，而且可以改善番茄光合特性，提高番茄品質和肥料養分利用率[13-15]。番茄基質栽培的養分主要來源于營養液，其濃度、供給頻率和供液量以及元素配比是影響番茄養分吸收量、生長、產量及品質的主要因子[16-18]。因此，筆者就番茄營養液濃度、營養液灌溉量、灌溉頻率、灌溉方式及設施環境因子對番茄生長發育的影響進行綜述，指出當前基質栽培番茄營養液調控技術存在的問題，并對今后的研究方向進行展望，為番茄基質栽培研究提供參考。

1 營養液調控技術

番茄生長所需的大量與微量元素中，除碳（C）、氫（H）、氧（O）3 種元素可從大氣中獲取外，其他必須依靠根系吸收才能供植株正常生長發育，而營養液是根系吸收養分的主要來源，也是無土栽培技術的核心，對作物的生長發育、產量和品質均有一定影響[19]。通常種植者會通過改變營養液灌溉濃度、營養液配方、營養液灌溉頻率等方式促進番茄吸收養分，提高番茄產量、品質、養分利用效率等。

1.1 營養液濃度

營養液濃度是指一定量營養液中所含有的營養元素的量，通常用電導率（EC 值）表示，EC 值越大，濃度越高。營養液EC 的變化對番茄品質、產量和養分利用率影響較為明顯，當營養液灌溉濃度升高，可以促進番茄對氮、磷、鉀、鈣、鎂等礦物質的吸收，提高品質，但降低單果質量[20]和養分利用效率[21]。目前普遍認為隨著番茄生育期的延長營養液灌溉濃度應逐步提高。張芳等[22]研究了基于葉片數增長的營養液濃度動態調控法，表明番茄每增加一片葉，營養液灌溉EC 值提高0.1 mS·cm-1時，有利于促進番茄生長和養分吸收，并提高了番茄產量和品質。魯少尉等[23]研究表明，基質栽培番茄苗期、花期、坐果期、成熟期適宜的營養液EC 值分別為1.2、2.5、3.8、5.2 mS·cm-1時果實品質最好，干物質量損失最少。劉佳等[24]用椰糠復合基質栽培番茄的試驗結果表明，適當提高營養液濃度可以改善番茄品質，但過高濃度會導致產量和品質下降，番茄開花后，灌溉EC 值為2.5、3.0、3.5 mS·cm-1時均適合番茄生長，EC 值為4.0 mS·cm-1時適合短季節栽培，EC 值為2.0 mS·cm-1時適合長季節栽培。何詩行等[25]的研究也表明，在巖棉短程栽培模式中，灌溉較高EC 值營養液番茄生長發育及品質較好，EC 為4 mS·cm-1是最佳的灌溉EC 值。雷喜紅等[26]的的研究表明，在番茄第3 穗果坐果后，灌溉EC 值為3.0 mS·cm-1時番茄產量最高，灌溉EC 為4.0 mS·cm-1時品質最好，灌溉EC 為5.0 mS·cm-1時雖然可提高番茄品質，但嚴重影響了番茄植株生長和產量提高。綜合結果表明，番茄在幼苗期適宜的灌溉EC 值為0.8～1.0 mS·cm-1；定植到第一穗花開花或結果所需的EC 值為1.0～1.5 mS·cm-1；結果初期適宜的灌溉EC 值為1.5～2.0 mS·cm-1；結果后期適宜的EC 值為2.0～4.0 mS·cm-1。短程栽培結果期營養液EC 宜偏高，長季節栽培宜偏低；冬季宜偏高，夏季宜偏低。在生產上要依據實際情況，合理調控番茄營養液濃度。

1.2 營養液元素配比

目前番茄基質栽培營養液配方有日本山崎配方、霍格蘭德配方、日本園試配方等，不同配方主要區別為大量元素配比不同。為使營養液能滿足番茄生長發育需求，研究者針對營養液中大量元素適宜配比開展了許多研究[27-30]。氮（N）和鉀（K）作為番茄生長中需求量最大的2 種元素，共同參與碳氮代謝[31]，也是研究最多的2 種元素。王軍偉等[30]的試驗結果表明，N 是影響番茄產量、葉片葉綠素含量、葉片光合速率的主要因子，K 是影響可溶性糖、維生素C、番茄紅素含量等品質指標的主要因子。在基質栽培條件下，營養液中N、K 質量濃度分別為378 mg·L-1和391 mg·L-1時，番茄產量最高、品質最優。李娟等[27]研究了番茄坐果后營養液中不同氮鉀比對番茄生長的影響。結果表明，提高營養液中K 的濃度，可改善番茄品質，當K、N 質量比為2.9∶1.0 時，有利于生產高品質番茄，但隨著K、N 質量比的提高，番茄產量逐漸降低。許桂梅等[32]研究發現，番茄果實甜度與營養液中K 含量呈正相關，適當增加營養液中K 含量，可以提高番茄品質，但過量施用則會造成減產。也有研究結果表明，番茄對氮素的利用率較低，氮肥施用過多會降低番茄產量，增加硝酸鹽累積量[33]。而番茄對K 的需求較高，常規營養液配方中的鉀濃度往往不能滿足番茄生長發育所需[34]，當鉀素供應充足時番茄的葉綠素含量和光合速率均可達到最大值，并促進了植株對N、P 的吸收[35]。番茄在生長發育過程中，對水肥的需求是動態變化的，隨著生育期的延長，番茄對水肥的需求逐漸增大，在果實膨大期和采收初期達到最大值，隨后對水分的需求逐漸減少，而對肥料需求也迅速降低，且對不同元素的需求量的變化也不盡相同，水肥需求特征的變化直接影響著營養液中各元素含量的多少，不適宜的元素含量可能導致基質根區EC 值增大或離子比例失衡，致使番茄植株缺素[36]。因此，在基質栽培番茄長季節生產中，不僅要調整N、K 元素的比例以符合番茄生產需求，還要隨著生育期延長對其他元素需求的變化，動態調整營養液中其他元素的含量，避免根區鹽分積累嚴重和植株養分缺失。同時，微量元素在番茄生長中也起著至關重要的作用[37-38]，在今后的研究中也要加強對營養液中微量元素的關注。

1.3 營養液溫度

在基質栽培中，營養液直接灌溉于番茄生長的根部，所以一定程度上，營養液溫度影響著番茄根區溫度。前人研究認為，根區溫度對番茄生長發育的影響比氣溫更顯著[39]，不適宜的根區溫度會影響根系呼吸作用和根系生理代謝[40]。然而在設施基質栽培的番茄生產中，營養液儲液罐一般放置于設施內，導致營養液溫度易受外界溫度的影響，尤其在冬季夜間、凌晨低溫或夏季正午高溫時段，設施最低溫不到10 ℃[41]，最高溫在35 ℃以上[42]。營養液低溫會降低溶質溶解度，導致部分溶質析出，降低營養液濃度，而營養液溫度過高會促進番茄根系的呼吸作用，減少其氧含量，加速根系衰老[43-44]。研究者針對營養液溫度調控方式做了一些研究。李峰等[45]采用冷水機降溫技術對營養液進行降溫處理，可將營養液溫度控制在20 ℃左右，與室溫相比可降低2～3 ℃。張明云[46]采用電加熱方式在冬季對營養液進行加溫。結果表明，加溫后番茄的單株產量、果實品質和水分利用率均有顯著提升。目前對于大范圍營養液溫度或者根區溫度的控制還比較困難，相應的設備也較少，或者調控成本較高，目前在實際生產中對營養液溫度調控的案例也較少，今后應加強對低效高能的營養液溫度調控方式的研究，減少不適宜的根區溫度對番茄生長產生不利影響，提高植株養分利用效率和生產者經濟效益。

1.4 營養液灌溉模式

目前設施番茄基質栽培常采用自動化灌溉方式進行營養液灌溉，主要灌溉模式有定時定量灌溉、基質含水量控制灌溉、輻射累積量控制灌溉等，后2 種模式與第一種相比，可更能滿足番茄生長對水肥的動態需求[22，47]。采用基質含水量控制番茄營養液灌溉的模式一定程度上可以有效探測番茄對于水分的需求，但目前在實際使用中發現存在傳感器測量誤差大以及數據反饋時間延遲等問題，影響了番茄對水分和養分的準確吸收利用[48]。依靠輻射累積量控制番茄營養液灌溉的模式是目前生產上使用效果較好的一種方式，在研究中也發現番茄適宜的灌溉量與番茄蒸騰作用密切相關，而光輻射是影響番茄蒸騰作用的主要環境因素，與養分之間存在“光肥平衡”關系[49]，所以光輻射不僅影響番茄耗水量，而且影響番茄吸收養分。因此，以輻射累積量為參考因子指導番茄水肥灌溉更加符合番茄對水分和養分需求規律。魏曉然[47]的研究也表明，與基質含水量控制灌溉相比，以輻射累積量控制營養液灌溉，更有利于番茄花期營養生長和果期生殖生長，降低番茄水肥用量，提高水分利用效率。

在相同的營養液供液模式下，不同的營養液供液量和供液頻率對番茄果實品質有不同程度的影響[50-52]。史晉鵬等[53]研究了番茄珍珠巖栽培條件下，在供液時間相同時，每天供液2 次比供液1、3、4、5次，番茄的產量高、品質好。張筱茜等[54]的研究表明，番茄營養液2 d 供應1 次可以提高番茄果實可溶性糖、有機酸、維生素C 等的含量。不同研究結果相差較大可能是由于栽培基質、栽培季節、品種以及供液量等因素不同。當供液頻率相同時，加大番茄營養液供液量，產量增加，但由于過量的水分供應降低了番茄品質。近些年，研究者針對供液量和供液頻率之間的耦合作用展開研究。研究結果表明，適當減少營養液供液量，同時增加供液頻率可在保證產量的情況下提高番茄品質[55-56]。哈婷等[57]的研究也表明，在采用有機基質栽培番茄中，營養液高頻灌溉及中等灌溉量時，有利于生產高糖番茄。在人工智能時代下，智能灌溉可依據對番茄的市場需求，通過判斷番茄植株生長狀態、當前生長環境以及種植管理措施等因素，智能決定營養液灌溉頻率、灌溉量、灌溉時間、灌溉濃度等。但目前植株生長模型的缺失以及市面上傳感器靈敏度、精確度參差不齊等問題，限制了番茄水肥智能化控制水平的提高，今后還需進行深入的研究。

2 營養液調控現狀

營養液灌溉是將作物吸收利用的營養元素溶于水中，并以液體的形式灌溉于植物根部，實質上為水肥一體化技術。雖然目前水肥一體化技術的應用也較為普遍，相較于傳統土壤栽培的施肥方法，養分利用率較高，但在實際生產和應用中還存在番茄根區鹽分積累嚴重、營養液沉淀、養分利用效率低、生長期短等問題，嚴重制約了設施長季節基質栽培番茄的生長發育。

2.1 營養液調控方式較為粗放

番茄在基質栽培中可吸收利用的營養液是有限的，需要頻繁的供給營養液，以保證番茄的正常生長，不同生育階段，番茄對礦質元素吸收量不同。但目前對番茄礦物質吸收特點機制還尚不清楚，盡管有研究結果表明隨著生育期延長，N、P、K含量先升高后降低，干物質積累速度表現為慢-快-慢的趨勢[58]，在番茄生長后期，對養分的需求可能會降低[59]，但是相關方面的研究還較少。生產上，人們依舊是隨著生育期延續，依據種植經驗調高營養液濃度或加大灌溉量等方式，未考慮番茄生長中實際需求量，營養液配方也未依據番茄實際生長中對單一或多種礦物質元素需求情況進行動態調整。在植株養分監測技術方面，植株養分無損傷測量技術還未真正得到應用。目前采用的養分測量技術需要破壞植株，耗時耗力，這也成為番茄基質栽培營養液精準調控的障礙之一。

2.2 栽培基質根區鹽分積累較為嚴重

前人研究認為，當根區營養液濃度超過6 mS·cm-1（根區脅迫臨界值）時，則會造成根區鹽分脅迫[60]。這種現象是由多種因素造成的，一方面番茄植株耗水量大，尤其是在夏天，葉片蒸騰作用較強，水分吸收較多，導致礦質養分逐漸累積到基質中，長時間造成根區鹽分脅迫，影響番茄水分和養分吸收，表現較多的為Ga2+缺失而引起的臍腐病[61]。另一方面，由于不同生育時期番茄對不同營養元素的需求不盡相同[62]，長期對某種元素吸收減少必然會導致元素逐漸累積于根區。除以上原因之外，還有可能由于營養液沉淀，在灌溉到根區時，不能被植株吸收，而累積到根部，這種情況同時還會堵塞滴灌管，影響灌溉。研究者針對根區鹽分脅迫的現象，通過調整灌溉量和灌溉頻率[63]、營養液配方[48]以及根區淋洗[64]等多種方式，以減緩番茄基質栽培中鹽分脅迫的問題，但并未達到理想的效果。

2.3 營養液灌溉設備應用程度較低

營養液精細化管理一般需配套完善的滴灌系統，包括施肥機、灌溉管道等，一次性投入較多，生產中水溶肥與普通肥相比價格較高，增加了生產成本。營養液精細化管理對技術員水平要求較高，不僅需要掌握基質栽培番茄的種植技術，而且還要對農業氣象、植株缺素癥狀、營養元素配比、水肥一體化設備等方面的綜合知識有深入了解。但目前的管理員普遍年齡偏大，受教育程度不高，在基質番茄栽培灌溉過程中，依靠人工經驗判斷營養液灌溉水平，即使在前期營養液灌溉的水肥一體化設備配備完善，也未能充分發揮其作用，限制了無土栽培技術的進一步推廣應用。

3 總結與展望

營養液調控技術是無土栽培技術的關鍵，不斷優化營養液調控技術，提高無土栽培番茄營養液灌溉水平，減少水肥浪費，發展綠色農業與智慧農業，是今后無土栽培的重要發展方向。

3.1 集成營養液調控技術

從營養液配方、營養液灌溉模式、營養液灌溉裝置等多方面綜合發力，研究開發適用于我國特色的營養液調控技術。在營養液配方方面，積極推廣有機營養液，加強有機廢棄物發酵技術及發酵配方研究，提高有機營養液養分含量。前人研究表明，使用有機營養液替代傳統無機營養液，不僅可以提高作物品質，而且可以減輕化肥施用造成的農業面源污染[65]。積極推行營養液循環利用，加強營養液循環利用中營養液消毒、回液養分調整等的技術難題攻關，提高養分利用效率，減少不必要的水分與養分浪費，推進農業綠色循環發展。同時，加強營養液根區鹽分脅迫、根區溫度調控以及營養液滴灌管堵塞等方面問題的研究解決，全方位提升營養液調控技術水平。

3.2 營養液灌溉精細化

不同作物在不同生長階段對養分、水分的需求不盡相同[11]，傳統依據人工經驗進行作物營養調控的方式已經不能滿足現在綠色農業的發展需求，作物養分吸收了多少，還需要多少，還需要什么元素，這些是作物種植者在給作物補充營養時應該考慮的問題。因此，不論是土壤栽培還是無土栽培，依據作物自身需求的精準施肥，均被認為是一種對植物生長發育有效，且綠色、科學的施肥方法。其依托于多種現代先進技術的支撐，其中包含人工智能、農業物聯網、高光譜無損探測技術、水肥一體化技術等[3]。在國家近幾年對農業發展的大力支持下，這些技術的研究和應用都有了一定的進展，為植株精準施肥提供了技術支撐，同時也促進了無土栽培植株營養液精細調控技術發展。今后，還應重點加強設施環境監測傳感器、植株養分無損檢測等技術方面的研究，提高番茄營養液精細化灌溉水平。

3.3 設施水肥與環境綜合調控

水肥調控是設施番茄基質栽培的核心，但設施環境的調控也同樣重要，尤其是夏季高溫和冬季低溫嚴重影響番茄正常生長發育[66]，目前生產上常采用濕簾風機降溫，電或水根部加溫，但并未有效減緩低溫或高溫對作物的危害。尤其是北方夏季晴天，白天設施溫度基本達到30 ℃以上，甚至超過40 ℃，常規濕簾風機降溫作用微弱，而采用遮陽網又影響植株光合作用[67]。因此，調控設施中的一項環境因子，會改變其他環境因子對作物生長影響，且環境因子間也存在正相關、負相關關系，這些環境因子與水肥條件共同對植株的生長發育起作用。在調控中需要綜合考慮，合理調控設施栽培條件下植株適宜的營養液灌溉濃度和環境指標，以滿足作物正常生長需求，提高產量與種植收益。

3.4 設施智能化發展

在物聯網、大數據、云計算等信息技術對農業的推動下，數字農業的發展迎來了更大發展機遇，并為轉變農業生產方式、提高農業生產效率提供有力支撐[68]。研究者也針對溫室智能控制決策[69]、智能溫室環境調控方法[70]、溫室智能機器人[71]等方面開展了許多研究，但由于目前作物生長模型、作物營養元素動態監測方法等的缺失，致使當前的智能控制只是基于溫度、濕度、養分、光照、水分、CO2濃度環境傳感器，對環境設定值和水肥設定值等的控制，無法感知植物是否需求這樣的控制，不能達到按照植物真實動態需求信息進行反饋控制。因此，不僅設施作物水肥與環境耦合調控是今后研究的重點方向，而且不同作物生長模型的構建也是今后研究的重點內容，與植物對話式的智能控制方式是智能溫室今后高效利用的目標。