智能温室水培番茄结果期营养液性质及养分动态研究

张 健，李孝良，2* ，孔卫晨，龚馨旭，程勋东，查海涅

(1.安徽科技学院资源与环境学院，安徽 凤阳 233100;2.农业部生物有机肥创制重点实验室，安徽 蚌埠 233400;3.安徽科技学院 生命科学学院，安徽 凤阳 233100）

随着居民生活水平的不断提高以及消费结构的不断优化，蔬菜消费需求逐步增加，对蔬菜的种类及质量等也提出了更高的要求。近年来，为了弥补蔬菜的季节性不足，满足人们对蔬菜的多元化需求，将物联网技术运用于蔬菜生产领域，提高设施蔬菜的栽培和管理效率，对蔬菜生产和发展方式的转型升级具有重要的意义，智能温室已成为现代农业的重要形态。物联网是近几年迅速发展并为人们所熟知的概念，是世界信息产业革命的新一次浪潮[1]。用户可以通过手机或者计算机随时接受各种实时采集的精确传感器数据，还可以通过远程遥控温室内视频传感器，观察温室全面情况，便于作物的精确施肥和管理，从而被人们普遍认可。智能温室水培是用营养液或者固体基质加营养液栽培作物的方法[2－4]。智能温室水培作为无土栽培的形式之一，因其具有较深的营养液层，各养分、总盐分、酸碱度以及温度等都不易发生剧烈的变化，从而为作物根系创造了一个较为稳定适宜的生长环境，有利于作物更好的吸收养分，不易发生病虫害，管理方面较为简单，可集约化大批量生产，同时产量和品质也相对较好，被人们所接受。近年我国水培面积发展迅速，已超过200hm2[5]。中国农业大学、南京农业大学、浙江省农科院等对营养液的配方、氮/钾比例、氮素形态、营养液性质调控和病虫害的防治等方面都进行了大量的研究，使的水培作物产量和品质都取得了一定的成果[6－7]。目前智能温室水培研究偏重于对营养液的合理施用，智能温室水培营养液动态变化和调控管理方面相关研究相对较少。本研究拟通过配施不同配方营养液，观测智能温室水培条件下番茄结果期营养液养分及性质的动态变化规律，以期为智能温室水培番茄营养液的合理配施及调控提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

实验于2014年7月～11月，在安徽科技学院资源与环境学院物联网智能温室中进行。

1.2 试验材料

试验番茄品种为使用华农红樱桃。常规方法浸种催芽后，播于6×12穴盘中，以珍珠岩为基质。子叶展平后，用营养液进行浇灌，待幼苗长至两叶一心时，选取生长一致的健壮幼苗移栽定植。

1.3 试验方案设计

采用单因素试验方案设计，试验在日本园试配方基础上，设置三个不同的氮水平(低氮、中氮、高氮)，6次重复。其他营养元素含量保持一致，同园试配方[8]。各试验处理氮含量见表1。

表1 供试处理营养液氮素含量Table 1 The N contents of nutrient solution of the tested treatments

1.4 试验方法设计

试验于2014年7月在安徽科技学院种植示范园智能温室进行。试验培养采用长度4m，截面积10×15cm的PVC管(贮液体积为60L)，营养液更换采用智能温室施肥机(江苏大学农业工程研究院研制)，通过施肥机调控营养液pH、EC值、养分浓度和比例。试验每水培管定植番茄10株，株距40cm。在番茄结果期(9月14日至28日)，调整营养液EC值为2.0ms/cm，pH6.5，从营养液加入开始计时，每天取样20mL，测定营养液中N、P、K含量及pH值、EC值。营养液每天用充气泵增氧2次，每次10min。试验于9月15日，增氧后连续24h取样测定其溶解氧含量(中间不增氧)。

1.5 分析测定方法

营养液pH值的测定:电位法[9](仪表型号:pH transmitter 8205，电极探头型号:LEI);营养液EC值的测定:电导法[9](型号:EC305);营养液 DO值的测定:碘量法[10](主要试剂:分析纯硫酸锰、分析纯碘化钾、可溶性淀粉、分析纯硫代硫酸钠);营养液中N、P、K的测定:戴安离子色谱IC1000分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理营养液pH值的变化

营养液的酸碱度是影响植物生长发育的重要因素之一，酸碱度的高低对植物吸收养分的有效性会产生一定差异，过高过低均会降低甚至阻碍植物的生长。不同氮水平智能温室营养液pH分析表明(图1)，在番茄结果期，初始pH6.5情况下，随时间推移，营养液pH呈上升趋势，在初始几天上升较为迅速，之后上升趋势逐渐变缓。不同氮水平水培营养液pH值上升幅度不同，以高氮配方增加最多，pH值一周上升1.16，其次为低氮配方，pH值一周上升1.05，中氮配方最低，pH值上升0.98。不同的植物对其生长的根际环境pH都有相应的要求和合适的范围，番茄生长适宜的pH值为5.5～7.0，但由于生长过程中对养分吸收的不平衡以及根系代谢等的影响，本试验中营养液pH表现出明显升高趋势，超出其适宜pH值。一般番茄营养液pH值超过8.0，就会破坏营养成分的平衡，引起铁、锰、硼、磷沉淀，造成番茄缺素症，因此维持较为稳定的营养液pH对提高番茄营养水平和生长是十分重要的。本研究中，中氮配方营养液pH变化相对较缓，在供试配方中较适宜于温室番茄营养液应用。

2.2 不同处理营养液DO值变化

溶解氧(DO)是指在一定温度、一定大气压下单位体积营养液中溶解的氧气(O2)含量。由于植物根系呼吸消耗，水培过程中营养液DO往往成为作物生长限制因子。不同氮水平智能温室营养液DO值分析表明(图2)，营养液DO值呈明显降低趋势，在充氧后12h，DO值降至4mg/L左右，至24h，DO值降至1～2mg/L左右。不同配方营养液DO值降幅不同，以中氮和高氮配方DO值降幅相对较大，24hDO值均降低了4.5mg/L;以低氮配方降幅相对最小，24hDO值降低了4.4mg/L。正常情况下，无土栽培营养液DO值应维持在4～5mg/L以上时，大多数植物能正常生长。本试验中，充氧后12hDO值降至4mg/L左右，说明在智能温室无土栽培管理中，营养液以每天增氧2次较为适宜。

2.3 不同处理营养液EC值的变化

营养液电导率(EC值)反映了溶液中可溶性离子含量，EC值越高，营养液中可溶性养分离子浓度也越高，常做为无土栽培管理控制营养液养分浓度的指标。智能温室不同配方营养液EC值均呈降低趋势(图3)，在一个营养液更换周期内(2周)，高氮配方营养液EC值由1597us/cm降低至1212us/cm，下降了385us/cm，较初始EC值降低24.1%;中氮配方由1676us/cm降低至1163us/cm，下降了513us/cm，较初始EC值含量降低30.6%;低氮配方由1625us/cm降低至1157us/cm，下降了468us/cm，较初始初始EC值降低29.8%。EC值降低越多，说明营养液中养分离子浓度降低越多，番茄对养分的吸收也越多，有利于番茄的生长。以中氮配方营养液EC值下降最多，说明智能温室番茄水培以中氮配方较为适宜。

2.4 不同处理营养液中氮素的变化

智能温室营养液硝态氮含量分析结果表明(图4)，在番茄结果期，随番茄对养分的吸收利用，营养液硝态氮含量呈降低趋势。在2周内，高氮配方硝态氮含量由336.3mg/L降低至148.9mg/L，下降了187.4mg/L，较初始硝态氮含量降低 55.8%;中氮配方由261.8mg/L 降低至100.1mg/L，下降了161.7mg/L，较初始硝态氮含量降低61.7%;低氮配方由197.2mg/L降低至50.9mg/L，下降了146.3mg/L，较初始硝态氮含量降低74.2%。

营养液硝态氮含量与EC值呈显著线性正相关关系，高氮配方硝态氮含量与EC值回归方程为:Y=0.443XEC－377.44(r=0.981，n=14);中氮配方硝态氮含量与 EC 值回归方程为:Y=0.334XEC－294.14(r=0.990，n=14);低氮配方硝态氮含量与 EC 值回归方程为:Y=0.288XEC－289.23(r=0.988，n=14)。当EC值降低到2/3EC时，硝态氮含量高氮配方下降了73.6%，中氮配方下降了69.8%，低氮配方下降了88.4%，说明中氮营养液配方与EC值保持了较高的一致性，在智能温室营养液调控中是较为适宜的。

智能温室营养液铵态氮含量分析结果表明(图5)，在番茄结果期，随番茄对养分的吸收利用，营养液铵态氮含量呈先降低后保持稳定趋势。在2周内，高氮配方铵态氮含量由22.3mg/L降低至4.1mg/L，下降了18.2mg/L，较初始铵态氮含量降低81.5%;中氮配方由19.4mg/L降低至2.8mg/L，下降了16.6mg/L，较初始铵态氮含量降低85.7%;低氮配方由16.4mg/L降低至3.7mg/L，下降了12.7mg/L，较初始铵态氮含量降低77.1%。营养液铵态氮含量与EC值不呈显著线性关系，表明在供试营养液配方中，硝态氮为主要氮素来源，铵态氮占比相对较低，在实际操作时以硝态氮反映营养液氮素水平为宜。

2.5 不同处理营养液中磷素的变化

智能温室营养液磷含量分析结果表明(图6)。在番茄结果期，随番茄对养分的吸收利用，营养液磷含量呈降低趋势。在2周内，高氮配方磷含量由34.7mg/L降低至5.3mg/L，下降了29.4mg/L，较初始磷含量降低84.8%;中氮配方磷含量由53.5mg/L降低至8.2mg/L，下降了45.3mg/L，较初始磷含量降低84.8%;低氮配方磷含量由48.1mg/L降低至3.7mg/L，下降了44.4mg/L，较初始磷含量降低92.2%;营养液磷含量与EC值呈显著线性正相关关系，高氮配方磷含量与EC值回归方程为:Y=0.079XEC－94.582(r=0.976，n=14);中氮配方磷含量与 EC 值回归方程为:Y=0.072XEC－75.481(r=0.945，n=14);低氮配方磷含量与EC值回归方程为:Y=0.059XEC－68.105(r=0.977，n=14)。当 EC值降低到2/3EC时，高氮配方和低氮配方磷消耗完毕，中氮配方下降了90.7%，说明当EC值降低至初始值2/3时，需补充或更换营养液，防止番茄出现缺磷症状。

2.6 不同处理营养液中钾素的变化

智能温室营养液钾含量分析结果表明(图7)。在番茄结果期，随番茄对养分的吸收利用，营养液钾含量呈降低趋势。在2周内，高氮配方钾含量由246.2mg/L降低至56.1mg/L，下降了190.1mg/L，较初始钾含量降低77.2%;中氮配方钾含量由314.0mg/L降低至123.8mg/L，下降了190.2mg/L，较初始钾含量降低60.6%;低氮配方钾含量由407.2mg/L降低至180.1mg/L，下降了227.1mg/L，较初始钾含量降低55.8%;营养液钾含量与EC值呈显著线性正相关关系，高氮配方钾含量与EC值回归方程为:Y=0.456XEC－498.64(r=0.969，n=14);中氮配方钾含量与 EC 值回归方程为:Y=0.365XEC－288.40(r=0.973，n=14);低氮配方钾含量与EC值回归方程为:Y=0.424XEC－300.48(r=0.981，n=14)。当EC值降低到2/3EC时，钾含量高氮配方下降了98.8%，中氮配方下降了61.9%，低氮配方下降了60.9%，说明当EC值降低至初始值2/3时，需适当补充或更换营养液，防止番茄出现缺钾症状。

3 结论与讨论

维持植物生长所需的环境条件是智能温室的优势所在，也是智能温室调控的关键。营养液的组成和性质对植物养分吸收和生长发育起关键作用，是智能温室无土栽培调控的核心[11]。番茄生长适宜的pH范围在5.5～6.5之间[12]，超过8会影响营养液养分的有效性及番茄对养分的吸收[13]。本研究中，由于营养液缓冲能力小和番茄生长过程中对养分吸收的不平衡，营养液pH呈升高趋势，相比较而言，以中氮配方处理营养液pH变幅较小，适宜于智能温室水培番茄结果期选用。

营养液的DO值影响到植物的根系呼吸和代谢活力，影响番茄对养分的吸收能力。本研究中，增氧后一天内，番茄营养液DO值呈降低趋势，这与番茄根系呼吸作用有关，但降幅较快，在12h降至4mg/L以下，会严重影响番茄生长及对养分的吸收，因此在智能温室管理中，以每天增氧两次的管理方式较为适宜。

EC值是营养液是养分浓度的直观反映，为简化智能温室营养液养分调控，常用EC值来调控营养液的养分水平。本研究中，不同配方营养液EC值与营养液中硝态氮、可溶性磷、可溶性钾均呈显著线性正相关关系，但从一致性来说，以中氮配方较为适宜。本研究中，智能温室水培番茄EC值降到初始值的2/3时，营养液中硝态氮、可溶性钾下降到初始值的1/3，可溶性磷基本耗竭，此时更换或补充营养液较为适宜。

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