低浓度营养液淋洗缓解基质栽培番茄根际养分富集的效果*

王朝军，徐 凡，郭文忠，陈 菲，李灵芝

低浓度营养液淋洗缓解基质栽培番茄根际养分富集的效果*

王朝军1,2，徐 凡2，郭文忠2，陈 菲2，李灵芝1**

（1.山西农业大学园艺学院，太谷 030801；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097）

番茄；离子浓度；岩棉；养分富集；淋洗

番茄（L.）是中国设施主栽蔬菜之一，其营养丰富，富含多种维生素、番茄红素等有益物质，深受广大消费者青睐。2016年中国番茄种植面积约110万hm2，产量达5000万t，但单产远低于发达国家水平[1]。随着番茄的连年生产，土壤连作障碍、土传病虫害和大水大肥成为限制番茄产量、品质、生产效率提升的关键瓶颈。近年来，基质栽培在国内设施蔬菜栽培中迅速发展[2]，克服了土壤栽培难以解决的问题，而其养分供给依赖外源营养液的投入，因此营养液是基质栽培的核心，是植物获取养分的主要途径，直接影响产量和品质[3]。随着植株生长及环境的变化，番茄对水分和养分的吸收也会实时变化，根区离子浓度通常呈现逐渐升高的状态。有研究表明，当营养液中的离子浓度超出作物的吸收量时，根际就可能出现养分富集现象[4−6]。前人研究认为，当根区溶液EC值达到6mS·cm−1时，即为根际胁迫临界值[7]。Gruda的研究[8]发现，根际可溶性盐含量升高会造成离子胁迫和渗透胁迫，使植株正常生理代谢和生长发育受损。在渗透胁迫或离子胁迫下，导致作物水分利用率、光合速率、叶片数、根系活性、蒸腾速率降低和质膜透性升高[9−10]。王中原等[11]证实部分营养元素富集影响根系吸收，导致果实整齐度差。王军伟等[12]研究表明，基质栽培番茄最适宜的营养液氮和钾浓度分别为378mg·L−1和391mg·L−1；介晓磊等[13]研究表明钙浓度超过300mg·L−1与钾产生拮抗作用，超过900mg·L−1时，严重抑制烟草生长；黄红荣等[14]研究表明营养液中镁浓度大于144mg·L−1时，镁与钾也会产生拮抗作用，对黄瓜养分吸收不利。因此，采取一种有效方法来调控基质养分富集具有重要意义。

而淋洗是通过淋洗液流过根际并带出根际富集的养分离子，从而改变基质中的离子组成，促进植物的生长[24]，是控制生长介质中离子浓度的一种有效方式。淋洗液可以选择清水或灌溉液，当电导率较高时或在一定时间内使用清水淋洗，可能会使基质在一段时间内处于低浓度且养分不均衡状态，致使植株出现“饥饿”[25]；灌溉液淋洗则需要消耗大量的营养液，且浓度降低较慢。而关于使用低浓度营养液淋洗对基质根区环境的研究鲜有报道。因此，本研究探索用低浓度营养液淋洗的方式缓解盆栽番茄基质养分富集，分析其有效性，以期提供一种低成本、高效率的智能化决策方法，优化养分管理策略，为基质栽培中根际养分智能调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2019年8月−2020年1月在国家农业智能装备工程技术研究中心人工气候室内进行，气候室环境参数设定为，日间（9：00−17：00）温度为25℃，夜间（19：00−次日7：00）温度为15℃，早晚温度变化过渡期各2h。光照时段为8：00−18：00，番茄植株冠层平均光合有效辐射PAR为300～400μmol·m−2·s−1，冠层平均CO2浓度为400～500mmol·mol−1，空气相对湿度为65%/85%（昼/夜）。

1.2 试验设计

表1 日本园试营养液及试验用淋洗液配方(mg·L−1)

1.3 灌溉与淋洗方法

各处理营养液供给装置由灌溉营养液储液罐、水泵（海利HX-2500）、过滤器、灌溉管路、压力补偿滴头（4L）和滴箭组成，灌溉次数及灌溉量根据植株生长实时调整，具体见表2，每天测定灌溉量及回流量，保证每个处理正常灌溉的回液量为供液量的20%～30%。每天及时收集回流液，回流液在配制新的营养液时按照目标EC值重复利用。营养液采用循环利用的方式，待供液池中营养液基本耗尽时配制新的营养液。

淋洗时间为当天最后一次灌溉结束后立即冲洗。淋洗装置由淋洗液储液池、水泵（海利HX-4500）、叠片过滤器、滴灌管路、压力补偿滴头（4L）、插箭和定时器（金科德TW-K11）组成。淋洗滴灌管和滴头与正常灌溉的布置一致，对角插入岩棉块中。每天淋洗一次（C1）的处理从定植后第5天开始，在每天最后一次灌溉结束时立即进行淋洗；每周淋洗一次（C2）的处理从定植后第5天起每隔7天淋洗一次；淋洗量见表2，不淋洗（CK）处理仅保持正常灌溉。

植株调整采用单干整枝的方式，人工授粉，常规管理，每7日进行整枝打杈，疏花疏果，去除老叶以及绕蔓落秧。

1.4 指标测定

1.4.1 根区溶液与回流液EC值和养分离子含量测定

1.4.2 番茄生长指标测定

番茄定植5d后，每个处理选择3株长势一致的番茄挂牌标记，进行定株观测。从定植后第8天起，每10d记录一次株高、茎粗，共记录8次。株高为岩棉块表面至生长点的距离，使用卷尺测定；茎粗测定在距岩棉块表面约3cm处，测定子叶下方的主茎粗度，使用游标卡尺测量；在番茄完全转色后定期采收，使用电子天平称重并记录产量。

表2 营养液灌溉和淋洗数据

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2020软件进行数据整理与绘图，使用SPSS24.0，Duncan方差分析法（P<0.05）进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 淋洗后番茄根际EC值及养分离子含量变化分析

2.1.1 EC值变化

各试验处理根区溶液与回流液EC值变化如图2所示。由图可以看出，在番茄生长前期，各处理根区溶液以及回流液的EC值差异均不显著，但随着生长时间的延长，其EC值均呈上升趋势，各处理间上升速度明显不同，至处理结束时，各处理间EC值差异显著。随着生育期的推进，C1处理（每天淋洗）根区溶液EC值与C2（每周淋洗）和CK（不淋洗）处理相比上升相对缓慢，中后期EC值维持在4～5mS·cm−1，比灌溉液（GG）平均增加了31.26%，但比对照降低了22.36%；C2处理根区溶液EC上升速度比C1处理明显加大，比灌溉液（GG）平均增加了52.77%，处理结束时与CK的差异明显缩小，仅平均降低了9.64%；而CK处理的根区溶液EC值上升最快，比灌溉液（GG）平均增加了69.06%，在定植后75d其EC值达到胁迫临界值6mS·cm−1，在生长中后期，最大值达到7.5mS·cm−1，是灌溉液（GG）EC值的2.34倍。回流液EC的动态变化与根区溶液的动态变化趋势一致，但幅度较根区溶液更大。随着生育期的延长，回流液EC与灌溉液（GG）相比差异均达到显著水平，可见随着番茄的生长，根区溶液和回流液均表现出养分富集，而通过使用低浓度营养液淋洗可以有效缓解根区养分富集，避免离子胁迫的发生。

注：短线表示均方差；C1为每天淋洗一次，C2为每周淋洗一次，CK为不淋洗，GG为灌溉营养液。下同。

Note: The short bars mean square deviation. C1 means leaching one a day, C2 means leaching once a week, CK means not leaching, GG means nutrient solution irrigation. The same as below.

2.1.2 养分离子含量变化

注：小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性。下同。

Note：Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below.

由图4可以看出，在整个生长期，CK处理K+浓度的增长呈“慢-快-慢”的变化趋势，而其它处理K+浓度呈先升高后下降的趋势。在定植初期（定植后26d内）K+增长较慢，而26d后离子浓度增长速度明显不同，且处理间差异显著。生长后期，C1处理根区K+浓度比定植初期上升了9.25mg·L−1，与对照CK相比平均降低了25.54%；C2处理根区K+浓度与定植时相比上升了167.00mg·L−1，与对照CK相比仅降低了3.79%；而CK处理根区K+浓度上升了173.59mg·L−1。而各处理回流液中的K+浓度的变化趋势与根区溶液基本一致，只是回流液中离子浓度更高，C1、C2、CK处理回流液中K+浓度较根区平均高8.66、27.71和34.48mg·L−1。说明使用低浓度营养液淋洗可以缓解K+富集。

图5显示了不同处理下Ca2+离子浓度的变化情况，由图可见，根区溶液钙离子呈不断增加的趋势。在定植初期（定植后26d内）各处理间差异不显著，但从定植后第33天开始差异逐步显现，至处理结束差异达到显著水平。从数值看，生长后期C1处理根区溶液Ca2+离子浓度与定植初期相比上升了196.37mg·L−1，与CK相比平均降低了27.25%；C2处理根区Ca2+浓度相比定植初期上升了229.80mg·L−1，上升速度比C1处理更大，与CK相比仅降低了14.86%；CK处理根区中Ca2+浓度相比定植初上升了269.92mg·L−1。各处理回流液Ca2+浓度变化趋势与根区溶液相似，CK处理离子浓度最高，C1处理较低，且C1、C2、CK处理回流液中Ca2+离子浓度较根区平均高59.06、84.57和73.88mg·L−1。可知，各处理根区溶液与回流液在生长中后期均出现不同程度的Ca2+富集，但相比CK（不淋洗），淋洗处理C1、C2的Ca2+浓度明显降低。说明低浓度营养液淋洗可以缓解Ca2+富集。

由图6可以看出，不同处理Mg2+离子浓度均呈不断上升的趋势。表现为在定植初期（定植后26d内）增加缓慢，之后上升速度较快，但不同处理上升速度不同，至处理结束差异达显著水平。从数值上看，生长后期C1处理根区Mg2+浓度相比定植初上升了55.43mg·L−1，与对照CK相比平均降低了39.58%；C2处理根区Mg2+浓度相比定植初上升了78.16mg·L−1，相比C1处理上升幅度更大，与对照CK相比仅降低了14.82%；CK处理根区中Mg2+浓度相比定植初上升了91.75mg·L−1，相比C1和C2处理上升幅度明显加大。回流液Mg2+浓度的变化趋势与根区溶液类似，但Mg2+富集浓度较根区更大，其中CK处理Mg2+浓度最高，C1处理最低，C1、C2和CK处理回流液中Mg2+浓度较根区平均高8.96、9.44和13.43mg·L−1。可见，淋洗可以显著降低Mg2+的富集，且以C1（每天淋洗）处理效果更佳。由图7可以看出，各处理H2PO4−含量均低于灌溉液，H2PO4−并没有发生富集。可能是由于植株中后期对磷的需求变化或营养液循环利用等因素，导致其用量增加而补充量减少造成的，因此，在生长中后期需要适当增加磷元素的投入。

2.2 淋洗后番茄生长与产量变化分析

2.2.1 番茄生长指标

番茄的株高和茎粗是产量形成的基础。由图8可以看出，在整个生育期内各处理株高与茎粗均呈不断升高的趋势。表现为在定植后18d内各处理番茄株高差异不显著，但随着生育期的延长，在定植后第28天和第38天淋洗与未淋洗处理出现显著差异，第28天CK株高显著高于两个淋洗处理C1、C2，而第38天，C1生长加快，CK株高仅显著高于C2处理，之后各处理间株高差异逐渐缩小，各处理间无显著差异，但C1处理生长迅速，其株高绝对值高于C2和对照CK；可能在生长后期CK处理由于受到离子富集的影响抑制了番茄的生长，而C1和C2处理通过淋洗缓解了养分富集的影响，对植物生长更有利，从而缩小了CK处理在生长中期与C1和C2处理的差异，且C1处理的作用效果更为明显，株高反超CK。而对于茎粗（图9），在整个生育期内，各处理水平之间差异并不显著。但是随着生长时间的延长，生长前期C1处理茎粗相对较大，定植28d后C2与CK处理茎粗明显增长较快，在生长后期，C2处理的茎粗绝对值最高。

由此可见，每天一次淋洗有利于番茄株高的增长，而每周一次淋洗则更利于茎粗的增加。

2.1.2 番茄产量指标

由表3可以看出，从第1-5穗果，单果重和单穗果重均整体呈先升高后下降的趋势，各处理在第3穗果时期，平均单果重和单穗果重均达到最大值。从每穗果来看，1-3穗的单果重和单穗果重，处理间差异均不显著；而随着果穗数增长，C1处理的第4穗果单果重、产量较CK分别提高了17.02%、13.42%，差异达显著水平，而与C2处理无显著差异；淋洗处理第5穗果的单果重较CK提高了14.51%，虽与对照无显著差异，但单穗产量显著高于对照处理CK，提高了33.86%。由于试验仅采收5穗果，因此各处理之间单株产量差异较小。其中C1处理平均单果重最大，分别比C2和CK处理提高了11.29%和5.40%；C1处理的单株总产量相比C2、CK处理分别提高了7.86%、6.26%。

表3 营养液淋洗对番茄单果重和产量的影响

注：表中数字为平均值±均方误，－表示无数据，同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

3 结论与讨论

3.1 讨论

无土栽培系统在水肥高效利用和农业无排放生产方面表现出巨大的优势，但随着栽培时间的延长，基质根际微环境养分不断富集[27−29]。本研究结果表明，各处理根区养分均出现了富集，与灌溉液相比，根区电导率提高了31.26%～69.06%。而在低浓度营养液淋洗中，淋洗处理的根区溶液EC值与不淋洗处理相比上升相对缓慢，特别是C1处理中后期EC值维持在4～5mS·cm−1，与灌溉液EC差值最小，其比对照组EC值下降了22.36%，表明使用低浓度营养液可以有效减缓根区溶液EC值的升高。同时，本研究中，生长后期对照组株高相比C1和C2处理生长缓慢，此结果与孟宪敏等[30]研究表明高浓度营养液不适宜植株生长相一致。说明适宜浓度营养液更有利于番茄的生长[31]，而使用低浓度营养液淋洗缓解养分富集是一种比较实用的方法。本试验中各处理对茎粗的生长无显著影响，此结果与不同营养液浓度处理番茄的茎粗无显著差异的结果相类似[32]。此外，李亚灵等[33]研究指出增加EC值可以引起单果质量的降低，且每增加一个EC值单果质量减少3.8%，且产量的降低主要是单果重的降低和非商品果的增加。本研究结果显示，每穗果产量和单果重均呈先升高再降低的变化趋势，这与李亚灵等的研究结果相类似；淋洗处理与对照的产量从第4穗果开始差异显著，第四穗果膨大期至采收期间，每天一次淋洗的处理根区EC值大部分在4～5mS·cm−1，而对照根区EC值处于5～7mS·cm−1，这与生长后期根区环境EC值不同导致水分和养分吸收不同有关，也说明高EC值带来离子胁迫，会降低番茄单果重和产量[34−35]。但由于本研究仅采收5穗果，因此，淋洗处理总产量优势未达到显著水平，后续研究中延长采收时间，调控效果可能会更加显著。

3.2 结论

基质栽培使用低浓度营养液进行淋洗可以有效缓解基质中养分离子富集，促进生长和提高产量。

（1）基质栽培中根区养分出现富集，与灌溉液相比，根区电导率提高了69.06%。

（3）使用低浓度营养液对盆栽番茄进行淋洗有利于植株生长。其中C1处理可以促进株高的生长，也有利于番茄中后期单果重和单穗果重的增加。其与对照相比，可提高番茄单株产量6.26%，其中第4、5穗果单果重分别增加17.02%、14.51%，单穗果产量分别增加13.42%、33.86%。

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Effect of Leaching with Low-concentration Nutrient Solution on Alleviating the Nutrient Enrichment in the Rhizosphere of Tomato Grown in Substrate

WANG Chao-jun1,2, XU Fan2, GUO Wen-zhong2, CHEN Fei2, LI Ling-zhi1

(1. The College of Horticulture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2.Beijing Research Centre of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097)

Tomato; Ion concentration; Rock wool; Nutrient enrichment; Leaching

10.3969/j.issn.1000-6362.2021.03.004

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2020-09-28

宁夏回族自治区重点研发计划项目（2018BBF02024）；北京市科技计划课题（D7110007617003）

李灵芝，教授，主要从事设施园艺及蔬菜生理生态研究，E-mail：13593061819@163.com

王朝军，E-mail：18447055829@163.com