黄沙基质水肥一体化对番茄产量与品质的影响

刘聪聪，黄春燕，王登伟

(石河子大学农学院/新疆建设设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】黄沙透气、透水性好，采用黄沙基质袋种植技术，灌溉方式易采用少量、多次的滴灌方式。设定黄沙基质含水量是关键，水分过高，番茄植株徒长，营养生长旺盛，最终影响到番茄的生殖生长，产量与品质均会降低；相反，缺水会造成果实表皮加厚，口感品质降低。根据番茄生长的需水规律，须合理的制定出黄沙基质的含水量。EC值可表示种植基质中的可溶性离子的总浓度和反映植株需肥情况。试验中水肥一体化技术的核心在于根据植株对营养元素的需要，将肥料溶液精确、定量的滴灌在根系附近，借助传感器测定与传输出EC值参数，以表征黄沙基质内离子的浓度，即基质内肥料营养的状况，根据设定参数选择性供给，影响植株的生长与发育。EC值过高可溶性盐类会使植物受到损伤或造成植株根系的死亡，过低会导致植株生长营养不良使产量品质下降，设置合理的EC值区间显得尤为重要。正常的EC值范围在1.0～2.5 mS/cm。番茄单果重是构成番茄产量的一项重要指标，试验以番茄的第3穗果为样本，测试番茄的单果重。可溶性固形物含量、番茄红素和VC是表征番茄营养品质重要的指标。风味价值与外观品相均是影响效益的关键。为了使评价更加合理、准确、可靠的评价3个番茄品系营养风味价值与品相价值，采用模糊数学隶属函数法对可溶性固形物、番茄红素含量、VC含量、总糖含量、总酸含量和糖酸比6项营养品质指标与果形指数、单果重2项外观品质指标进行综合评价。黄沙是一种优质种植基质，具有良好应用推广前景。水肥一体化技术可根据各生育时期内植株生长发育需要精准供水供肥，为番茄提供良好生长发育环境并节约农业成本与人力投入。袋式黄沙基质水肥一体化模式是一种创新番茄种植的模式，使经济效益与环保节能达到统一，推动设施农业可持续性发展，为进一步规模化发展沙漠绿洲农业提供实践。【前人研究进展】我国沙漠总面积约71.29×104hm2，但沙漠开发利用有较多空白[1-6]。甘肃河西走廊率先开展了水肥一体化“沙产业”实践，20年间河西五市成为主要的产粮基地和经济作物产区[7-8]，新疆沙漠面积43.04×104hm2，是典型的“沙漠大区”。近年来已采用黄沙基质种植木瓜[9]、辣椒[10]等作物验证了其效果显著。黄沙基质基本不含营养物质，番茄移栽后的整个生育期内需要持续性的肥料灌入，以保证作物正常合理生长[11]。【本研究切入点】无土栽培获得高产优质番茄一直是设施农业的热点与难点[12]。研究采用黄沙基质袋隔离土壤种植，配合水肥一体化技术无土栽培管理温室番茄植株。【拟解决的关键问题】研究整个生育期内植株长势，分析番茄果实收获情况，分析该系统模式对番茄果实产量与品质的作用效果，为发展设施沙漠农业提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年在石河子大学农科综合教实验学中心设施温室大棚基地(E86.03°、N44.18°)进行。日光温室为混钢结构，覆聚乙烯塑料薄膜，温室面积720 m2(90 m×8 m)。

温室配备新一代智能环境控制系统，可采集与监管室内温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度等参数，实时调整室内小气候环境。

试验选用世佳番茄杂交F1代1867、1812、1814三个品系(以下简称：番茄品系1867、1814和1812)，均为中早熟无限生长型大果番茄，且具有抗病性强、优质、高产的特性。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验选定3个番茄品系，随机区组排列，重复3次，共设置9个小区(单行15株为院个小区)，保护行种植。番茄幼苗于3月13日定植于黄沙基质袋内，5月20日打顶(第5果穗花期)。生育期内采用水肥一体化系统供水供肥，田间栽培管理同常规温室番茄管理一致。

1.2.2 黄沙基质与种植袋

1.2.2.1 黄沙基质物理特性

试验所用黄沙基质均取于古尔班通古特沙漠。黄沙具有松散化、粘着性差、颗粒圆化等特点[13]。黄沙孔隙率较大，比重为1.45～1.65；颗粒直径介于0.46～0.49[14]；饱和含水量为18%～20%；pH值为6.8～7.0；电导率EC值为0.05～0.78 mS/m。

1.2.2.2 黄沙基质袋

种植袋为无纺布材料，厚0.15 cm，设计为圆桶型，带有孔盖，附两耳，容积0.012 m3(0.17 m×(0.15 m)2×π)。黄沙基质填充种植袋内，各基质袋单株种植。

1.2.2.3 基质栽培模式

番茄植株采用宽窄行种植，窄行基质袋间距约0.15 m，宽行基质袋间距0.7 m，株行距0.4 m×0.7 m定植。图1

1.2.3 水肥设备系统

1.2.3.1 营养液配制

营养液由化肥和有机肥组合配制。化肥分为A肥与B肥，A肥为N、P、K大量元素构成，B肥为Ca、Mg、Cu、Zn、B、Mn等中微量元素构成；有机肥为海藻肥、纯矿源腐殖酸组成。番茄植株各生育时期对养分需求的数量与比例不同，营养液内各离子含量与比例根据植株需要由水肥一体化系统施入。

1.2.3.2 物联网云平台水肥一体化系统设施

基于物联网云平台的水肥一体化系统由控制中心系统、根系环境信息采集系统、灌溉施肥系统和物联网云平台4部分组成。根系环境信息采集系统实时采集根系附近温度、湿度、EC值(电导率)等环境参数，控制中心系统对其整合，并管控灌溉施肥系统对植株及时供水供肥，管理人员通过物联网云平台终端查看实时动态参数，历史记录、报警提醒等，对整个水肥系统进行监督与管理，最终实现物联网云平台水肥一体化系统对植株精确水肥管理。

1.2.3.3 管网设计与组装

管网由干道、支管、毛细管、滴箭4部分组成。1支管置于2窄行番茄植株之间，毛细管接头安装滴箭，插入黄沙基质袋中。

1.2.4 育苗

为防种子带菌，3个世佳番茄品系的种子采用温汤浸种、二氧化氯锭100 mg/L消毒处理。2月初，采用72穴穴盘进行点播，28～30℃催芽，待真叶展开后，生长温度保持在18～26℃，并对幼苗钠灯补光1～2 h/d，3月13日，幼苗达到4～5片真叶，移栽到黄沙基质袋中。

1.2.5 温湿管控

番茄在温度为20～25℃环境内同化作用最高。石河子市夏季温度较高，6月30日大棚的室外最高温度达37℃。棚内湿度过大易导致病虫害，通过棚窗、排风扇、遮阳网(最大光强达7 238×104lx，因此,当光强超过5 800×104lx，中午12：00～15：00打开遮阳网，缓解高温与强光，避免高温胁迫与蒸腾作用过强造成植株失水萎蔫)等操作进行控温排湿使棚内温度保持30℃以下。 图2

图2 番茄生育期内环境温度变化Fig.2 Environment temperature change during

1.2.6 测定项目

针对病虫害，研究坚持农业防治、生物防治为首选，化学农药防治为辅。主要通过控温排湿、高温闷棚、大量粘虫板、定期二氧化氯锭消毒等方式，降低病虫害的发生几率[15]。

1.2.6.1 产量

按番茄种植行实收测产，参照(GB 8852—1988)标准，测定单果重、果实产量。

1.2.6.2 品质

共测定7个番茄品质指标，其中可溶性固形物含量(%)、番茄红素(mg/100g) 、VC (mg/100g)、总糖含量(g/100g)、总酸含量(g/kg)、糖酸比6个内含物品质指标由新疆农业科学院农业农村品质监督检验测试中心采用国标法测定；果形指数分别测量番茄果实纵、横径的长度，计算两者比值而得。

1.2.6.3 品种综合评价

采用模糊数学隶属函数法对3个番茄品系进行综合评价[16-21]。函数计算公式如下：

Uij=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

函数公式中，Uij表示番茄果实品质变化隶属函数值；i表示品种，j表示指标数。Xmax表示各指标的最大测定值；Xmin表示各指标的最小测定值。隶属函数值越大，表示品质效果越好。

1.3 数据处理

采用Excel2010 、SPSS24.0和RStudio软件处理数据和作图，并进行T检验显著性方差分析。

2 结果与分析

2.1 水肥管理

2.1.1 番茄各生育时期黄沙基质含水量

研究表明，移栽后的番茄苗较弱小，缓苗期含水量为14.5%～17.5%，有助于缓苗；苗期含水量为14.5%～17.5%，促进根系生长与提高抗旱能力；花、果期适度降低含水量，为14.0%～16.0%，尤其苗期到第1穗果期间降低灌水量，促使植株生根与避免第1穗果过大影响其他穗果的生长发育；果实成熟期进一步降低黄沙基质的含水量，区间为14.0%～15.5%，可使果实甜度适当的增加。番茄植株各生育时期内耗水量在番茄生育期内先增后减，开花坐果期耗水量最高，结果期逐渐降低基质含水量，有利于降低裂果率。图3，表1

图3 番茄各生育时期黄沙基质含水量变化Fig.3 Changes of yellow sand substrate water content

表1 番茄各生育时期灌溉量Table 1 Amount of tomato in each growing period

2.1.2 番茄各生育时期施肥

研究表明，番茄植株N∶P∶K比例，移栽后至开花期为1∶1∶1，坐果期至红果期为1∶0.5∶2，同时添加中微量元素，在抗病，尤其防果实脐腐病方面有显著效果，至番茄花、果期更应提高番茄中微量元素的施肥比例，开始坐果后加大钙离子与镁离子施用量，增厚表皮防止降低裂果率。随营养生长与生殖生长施肥量逐渐增加，开花坐果期耗肥量最多，收获期内逐渐减少肥料施用。表2，表3

表2 番茄各生育时期施肥配比Table 2 The amount of fertilizer applied in each growing period of tomato

表3 番茄各生育时期施肥量Table 3 Fertilizer consumption of tomato at different growth stages

2.1.3 番茄关键生育时期黄沙基质EC值特征

研究表明，移栽后植株苗较弱，容易失水，缓苗期EC值区间为0.9～1.5 mS/cm，有利于缓苗与提高根系抗胁迫能力；苗期开始营养生长，相比缓苗期提高EC值设定区间，但要避免营养生长过旺，苗期EC值区间为1.4～1.8 mS/cm；花、果期进一步提高EC值，此时期营养需求最大，可逐步再次提高营养供应，但要避免第1果穗番茄过大引起其他穗番茄减产，花、果期EC值区间为1.4～2.0 mS/cm；收获期内番茄逐渐长成与采摘，营养需求逐步降低，转色期后，为防止裂果适度控水，EC值仍相对较高，收获期EC值区间为1.3～2.3 mS/cm，可保证收获期内各穗番茄全部正常成熟与上市。图4

2.2 黄沙基质栽培番茄产量特征

研究表明，3个番茄品系单果重均达到了大果的标准。其中，单果重最重的番茄品系1812比单果重最轻的番茄品系1814高出13.72%；分析番茄实收产量，3个番茄品系的产量在134.0～146.3 t/hm2，均达到高产水平；其中，番茄品系1812和1867产量水平相当，与番茄品系1814相比产量差异性显著(P<0.05)，番茄品系1812比番茄品系1814产量高7.81%。表4

图4 番茄各生育时期EC值变化Fig.4 EC Changes in different growth periods

表4 番茄品系产量方差分析Table 4 Yield components and analysis of tomato varieties

2.3 黄沙基质栽培番茄内在品质指标

2.3.1 黄沙基质栽培番茄营养品质

研究表明，可溶性固形物含量3个番茄品系均较高；番茄红素是自然界中最强抗氧化剂之一，药用与营养价值都较高。3个番茄品系的番茄红素含量没有达到显著性差异(P<0.05)，其中1867的番茄红素含量比1814的高50.7%，番茄1867和1812的番茄红素含量分别处于极高和中上等水平，番茄1867可作为优选高番茄红素品系加以种植；番茄是获取VC的重要来源，方差分析表明，番茄1814与1812和1867的VC含量存在显著性差异(P<0.05)(图5C)，其中VC含量最高的是1814比最低1867高4.00%，3个番茄品系VC含量均达到了较高水平。图5

图5 番茄3个品系营养品质比较Fig.5 Analysis and comparison of nutrition quality of three tomato varieties

2.3.2 黄沙基质栽培番茄口感品质与外观品质

研究表明，番茄1814与1867相比总糖含量差异性显著(P<0.05)，前者总糖含比后者高11.94%；3番茄品系的总酸含量存在显著差异(P<0.05)(图6B)，番茄总酸含量最高的是1814比最低的1867高出23.63%，番茄3个品系的总酸含量均为中等水平；良好的风味是建立在适宜的糖酸比基础上的[21]。经方差分析番茄世佳1814品系与其它2个品系的糖酸比存在显著差异 (P<0.05) (图6C)，其中糖酸比最高的番茄世佳1812品系比糖酸比最低的1814品系的高17.01%，偏甜口味人群倾向糖酸比6.9～10.8，3个番茄世佳品系糖酸比介于7.71～9.21，3个番茄世佳品系偏甜，适合作水果番茄；果形指数是指果实纵径与横径的比值，是商品果实的重要外观指标之一。3个世佳品系平均果形指数范围为0.79～0.82，果实形状为扁圆形(H/D=0.71～0.86为扁圆)，均较为适中。图6

图6 番茄3个品系口感品质与外观品质比较Fig.6 Analysis and comparison of taste and appearance quality of three tomato varieties

2.4 黄沙基质番茄应用模糊数学综合性评分

研究表明，隶属函数值越大营养风味价值越高，综合价值世佳1812﹥世佳1867﹥世佳1814，但3个品系综合评价指数相接近，均适合选为水果番茄种植与推广。表5

表5 利用隶属函数法对3个品种材料综合评价Table 5 The analysis and evaluation of nutritional quality for different varieties of tomato

3 讨 论

试验采用黄沙基质种植番茄，有效避免了土传性病虫害与次生盐渍化积累的困扰，同时，减少了水分流失，与郝梦超等[9]、王雅芳等[10]研究结果一致；黄楠等[22]研究表明，袋式种植模式具有促进植株生长、提高产量品质等作用。试验表明，袋式栽培的植株一旦被病虫侵害、物理损伤，可选用正常植株替补，以保持设定种植密度与避免被感染植株二次扩散传染；桂敏等[23]、查向阳等[24]研究比较常用基质特性，而黄沙基质具有根系环境易控、不易发霉腐烂、成本极低、适合大面积种植等优势，且在沙漠资源丰富的地区，综合比较优势明显，有利于推进沙漠绿洲农业的建设。

李建明等[25]研究表明番茄产量随水肥量增加先升高再降低，黄业茹等[11]研究表明，黄沙内矿物质与水分极低，选用水肥一体化技术精准科学调控水肥成为关键。试验番茄生育期内控制黄沙基质含水量区间为14.0%～17.5%区间，随生育时期进程先高后低，到番茄果实采收期，为防裂果等因素灌溉阈值下调，控制基质含水量在15.5%以下，与王虎兵[26]研究一致；各生育时期内EC值区间设置是关键，过高则易烧苗，过低则养分供应不足，因此，番茄生育期内EC值随着植株与果实的需要逐渐提高，收获期末期EC值随养分需要减少而降低，与苗相伟等[27]研究一致。为使番茄生物产量更高，仍需进一步精确设定各生育时期内EC阈值。

采用黄沙基质栽培水肥一体化系统模式最终目的仍是获得高产优质的番茄，该试验的3个番茄品系的产量、营养品质、口感品质在新疆地区均已达到较高水平[28-30]，黄沙基质栽培水肥一体化系统模式对番茄水肥管理合理适宜。番茄普遍抗重茬效果较差[31]，该系统模式对番茄连茬种植效果有待验证，且试验采用番茄为试验材料，该系统模式对其它农作物的种植效果仍需要进一步验证。

4 结 论

基于黄沙基质种植的番茄世佳1812、1814、1867三个品系实收产量分别为145.4、134.0、146.3 t/hm2，均已达到高产水平；检测番茄内在品质指标均为中上等水平；其糖酸比介于7.71～9.21，均为高水平属于偏甜品系，适合选作水果番茄推广。经过模糊数学隶属函数法进行统一处理综合分析比较，番茄世佳1812品系风味营养综合品质评价最高。