保健型中药渣基质对日光温室袋培番茄产量及品质的影响

2021-08-11吴国瑞张金伟孙周平

核农学报 2021年7期

刘杰吴国瑞张金伟孙周平

(沈阳农业大学园艺学院/北方园艺设施设计与应用技术国家地方联合工程研究中心/设施园艺省部共建教育部重点实验室，辽宁沈阳 110866)

中药是我国传统医学宝库中的瑰宝。近年来，中药产业迅猛发展，尤其是2019年末新冠肺炎的中医治疗药物在中国防疫中发挥了巨大作用，突显了中药产业的重要作用[1]，但是其附产品药渣废弃物年排放量达7 000万t[2]。数量庞大的药渣肆意堆弃、焚烧，给生态环境造成的不良影响已引起国内外学者的研究重视。前人研究表明，中药渣不仅残留有药用活性成分[3]，还富含黄酮类、萜类及矿物质微量元素等可再利用成分[4]，其丰富的营养价值能为园艺作物提供生长必需的养分，可影响作物的生长状态并提高作物产量与品质[5-7]。何桂芳等[8]指出将夏枯草药渣与蚯蚓粪、蛭石按1∶1∶1比例或与蚯蚓粪、泥炭、蛭石按1∶0.5∶0.5∶1比例复合成育苗基质时，该基质栽培的白菜出苗率高，幼苗整齐度高，壮苗指数高；伍淳操等[9]也发现，中药渣与珍珠岩、泥炭或蛭石按一定比例复合成栽培基质用于蔬菜、花卉等多种植物育苗时，能提高蔬菜、花卉的出苗率、壮苗率，且基质中重金属含量均符合作物生长环境质量一级标准，栽培安全可靠，切实可行；边三根等[10]研究表明，纯中药渣基质栽培的番茄表现光泽度好，畸形果较少，果酸味少，口味周正，且采果期长，可实现增产增收；此外，张跃群等[11]和朱普生等[12]用中药渣栽培番茄试验均发现中药渣基质栽培可提高番茄果实维生素C(vitamin C，Vc)、番茄红素和可滴定酸含量，进而改善番茄品质。由此可见，中药渣十分具有作为有机基质的潜力。

番茄(LycopersiconesculentumMiller)是我国主要的设施蔬菜作物，富含类黄酮、Vc、番茄红素等有益于人体健康的营养物质。近年来，由于设施蔬菜土壤连作障碍日趋严重，基于农林废弃物的设施蔬菜基质栽培研究与应用在我国得到广泛重视，并取得良好的效果。而将具有保健功能的中药渣基质化后栽培设施番茄，能否提高番茄产量和品质，尚不明确。为此，本研究以保健功能型类中药渣为主要原料，开展了中药渣复合基质对日光温室袋培番茄生长、果实产量和品质的影响研究，旨在筛选出优良配方，为实现该类中药渣的基质化再利用，解决生态污染问题提供理论依据，同时为我国设施蔬菜基质袋化高品质栽培提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于2019年8月在沈阳农业大学科研基地滑盖式现代节能日光温室进行。供试栽培基质的主要材料是由白芍、夏枯草、细辛、钩藤、鸡血藤、熟地黄、珍珠母等主要成分组成的中药渣(天士力东北现代中药资源有限公司提供，该中药具有养心补脑作用，药渣成分固定)和牛粪。供试番茄品种为尊悦(美国圣尼斯公司提供)。供试肥料为速溶型平衡复合肥，其N-P2O5-K2O养分比例为19-19-19。

1.2 试验设计

1.2.1 基质配方的配制复合基质主要由充分堆捂腐熟的中药渣和牛粪按体积比组成，试验设置4个配方处理：T1(中药渣∶牛粪=1∶0)、T2(中药渣∶牛粪=4∶1)、T3(中药渣∶牛粪=3∶2)、T4(中药渣∶牛粪=2∶3)，以Ecomix椰糠栽培袋为对照(CK，北京三力创科技有限公司提供)。各配方基质的理化性质及养分含量见表1和表2。采取袋式基质，每袋装10 L基质，定植2株。

表1 不同配方基质的理化性质

表2 不同配方基质的养分含量

1.2.2 栽培管理采用袋培方式，每个处理分小区摆放，每小区3行，每行8袋，依次按区摆放。选择四叶一心长势一致的壮苗定植，后期单干整枝，吊蔓栽培，留4穗果。水肥管理:各处理均利用水肥一体化自动灌溉装置，按照统一标准补充水肥，在番茄定植后30～90 d，每周以2 g/株的肥量进行灌施；在番茄定植后90～120 d，每周以1 g/株的肥量进行灌施，此外，每日早中晚进行定期浇水。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 基质重金属含量的测定各处理分别将定植前与拉秧后的基质放在阴暗干燥的环境中进行阴干，粉碎后过100目筛。用万分之一天平(北京赛多利斯科学仪器有限公司)精密称取0.500 0 g细粉末，加入7 mL硝酸和1 mL过氧化氢进行微波消解，将消解液转移至50 mL容量瓶中，用超纯水定容，即为待测液[13]，然后采用Agilent 75002400407电感耦合等离子体质谱仪(美国安捷伦公司)测定，重复4次。

1.3.2 番茄生长指标的测定分别在植株定植30、50、70 d时，测定其株高，采用卷尺测量从茎基部到生长点的高度；定植65 d时，取8株生长状态大体一致的完整新鲜植株，将其中4株的果、茎、叶、根分离，采用中晶ScanMaker i800 Plus扫描仪(杭州万深检测科技有限公司)测定根系特征指标，并将植株各部位装入牛皮纸袋放入烘箱中，105℃杀青20 min后，80℃烘干至恒量，称量测定干物质重。另外4株只取植株完整根系，迅速找到根尖部位取下并参考郑坚等[14]的甲醇浸泡法测定根系活力。

1.3.3 番茄果实产量与品质的测定于定植90～120 d，每个配方随机选取9株，测定单株总产量、总座果数、平均单果重。于定植100 d左右，待番茄二穂果成熟度一致时，收集10株植株二穂果的第1个果实，擦洗干净，切成小块，一部分榨成果实匀浆，用于可溶性糖、可溶性蛋白及有机酸含量的测定；另一部分细切成小片采用Power Dry ll3000真空浓缩冻干系统(丹麦Heto公司)冷冻干燥成粉末，用于番茄红素、总黄酮和Vc含量的测定。

可溶性糖含量：参照崔晓辉等[15]的乙醇浸提法，使用Waters e2695液相色谱仪(美国Waters公司)测定果糖、葡萄糖、蔗糖含量，并以果糖、葡萄糖、蔗糖含量的总和作为可溶性糖含量。有机酸含量：称取5.0 g果实匀浆于锥形瓶中，加蒸馏水80℃水浴20 min，冷却过滤，定容至50 mL容量瓶，吸取10 mL加2滴酚酞，用NaOH滴定至微红色，以苹果酸计，并计算糖酸比。

可溶性蛋白含量：称取0.5 g果实匀浆于离心管中，加入5 mL蒸馏水，3 000 r·min-1离心10 min，取1 mL上清液放入试管中，再加入5 mL考马斯亮蓝试剂，摇匀，放置2 min后于595 nm波长处测定吸光度值，并通过标准曲线获得蛋白质含量。

番茄红素含量采用石油醚浸提法测定[16]；总黄酮含量采用芦丁比色法测定[17]；Vc含量采用草酸-EDTA浸提法测定[18]。均重复4次。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2010软件进行数据整理并作图，采用SPSS 22.0软件进行方差分析，多重比较采用Duncan新复极差法，并且对番茄指标进行主成分分析及综合评价，然后根据测定的所有指标以欧氏距离测距，用组间联接法，进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同复合基质对番茄植株生长的影响

2.1.1 对植株株高的影响图1为不同基质配方的植株分别在定植30、50、70 d后的株高情况。定植30 d时，CK的株高显著高于其他基质配方，而T4的株高显著低于其他基质配方处理，剩余3个基质配方处理间株高无显著差异；定植50 d时，各基质配方处理间株高差异均显著，除CK外，其余基质配方处理株高与配方中的中药渣比例成正相关；定植70 d时，各基质配方处理间株高仍存在显著差异(除T3和T4差异不显著)，CK的株高最高，T1、T2次之，T3、T4最低。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.1.2 对番茄根系的影响表3为植株在不同基质配方下定植65 d时的根系特征。结果表明，各中药渣基质配方处理的根总长度、根表面积均随着中药渣比例减少呈逐渐降低的趋势，而根体积在T2达到最大。各中药渣基质配方处理的根总长度、根表面积、根体积、根系活力总体均高于CK。此外，T1、T2的根总长度、根表面积、根体积等形态特征相较T3、T4长势较发达，但T1、T2的根系活力低于T3、T4。

表3 不同基质配方下的植株根系特征

2.1.3 对番茄干物质分配的影响表4为植株在不同基质配方下定植65 d时的干物质分配情况，可以看出各中药渣基质配方处理的根干重和果干重均随着中药渣比例减少呈先增加后降低的趋势，均以T2最高，而其茎干重、叶干重则与配方中的中药渣比例成正相关。此外，CK的茎、叶干重均显著高于中药渣基质配方处理，而其果干重与T2相近，且无显著差异。在植株总干重方面，T2略低于CK但略高于T1，而T3、T4的总干重显著低于其他处理。各中药渣基质配方处理的根冠比无显著差异，但均高于CK，其中T3、T4显著高于CK。

表4 不同基质配方下的植株干物质分配比较

2.2 不同复合基质对果实产量的影响

产量是评价番茄经济效益的重要指标。由表5可知，CK与T2的总产量最高，分别达3 490、3 435 g/株，显著高于其他处理，T1次之，而T3、T4则不足3 000 g/株；从总座果数来看，除T4座果能力略差外，其他处理总座果数均能达到16个；由平均单果重可知，CK的平均单果重最重，T1、T2次之，T3、T4最轻。综上可知，纯中药渣配方相较市售成品椰糠配方，增产增果重优势较弱，需与少量牛粪复配作为基质才具有保产的效果。

表5 不同基质配方的植株果实产量统计

2.3 不同复合基质对番茄果实品质的影响

2.3.1 对果实糖酸度的影响由图2可知，T1、T2、CK的果糖、葡萄糖及可溶性糖含量均显著高于T3、T4；而所有处理的蔗糖含量普遍较低。此外，T2的糖酸比能达到4.0以上，显著高于其他处理，综合来看，T2的糖高酸低，属于偏甜口味，而T1、CK的糖酸比偏低，属于糖高酸高，口感略差于T2，另外，T3、T4属于糖低酸低类型，口感更差。

图2 不同基质配方的果实糖酸度比较

2.3.2 对果实中保健性成分的影响由表6可知，T1、T2的番茄红素、总黄酮、Vc、可溶性蛋白含量均高于CK，其中T2的番茄红素和Vc含量含量最高，较CK分别高281%、98%；T1的总黄酮、可溶性蛋白含量最高，较CK分别高12%、66%。此外，中药渣复合基质配方处理的Vc含量均显著高于CK。综合各指标来看，果实中各保健成分含量高低随基质配方比例变化的趋势大体上是相似的，且经相关性分析可知，番茄红素含量与总黄酮含量呈显著正相关(P<0.05)，与Vc、可溶性蛋白含量呈极显著正相关(P<0.01)；可溶性蛋白含量与总黄酮、Vc含量呈极显著正相关(P<0.01)。

表6 不同基质配方果实中保健性成分含量

2.4 对番茄各指标主成分分析及综合评价

对番茄各指标进行主成分分析，得到15个主成分的特征值、方差贡献率和累计方差贡献率，结果如表7所示。前3个主成分特征值均大于1，累积方差贡献率达83.902%，依据主成分分析理论，若前r个主成分的公因子特征值大于1，累积方差贡献率超过80%，则这r个主成分能反映足够的评价指标信息[19-20]。因此，本研究选择前3个主成分来代表基质配方筛选的综合因素。

表7 主成分分析解释总变量

由表8可以构建出3个主成分分值(F)与番茄各指标(X)标准化数据的线性组合，即各主成分的表达式分别为：

表8 主成分分析得到的特征向量

F1=0.333X1+0.126X2+0.133X3+0.136X4-0.247X5+0.318X6-0.203X7+0.354X8+0.309X9+0.371X10-0.075X11+0.195X12+0.348X13+0.313X14+0.114X15

(1)

F2=-0.203X1+0.402X2+0.270X3+0.359X4+0.276X5-0.110X6+0.243X7-0.062X8-0.187X9-0.028X10+0.302X11+0.284X12+0.097X13+0.187X14+0.437X15

(2)

F3=-0.070X1-0.186X2-0.564X3-0.068X4-0.097X5+0.185X6-0.028X7+0.063X8+0.190X9-0.050X10+0.562X11+0.421X12-0.116X13-0.125X14+0.169X15

(3)

以各主成分的特征值占所提取主成分特征值之和的比例作为权重[21]，建立主成分综合分值计算模型：

F=0.57F1+0.31F2+0.12F3

(4)

利用以上数学模型对5种基质配方的番茄指标进行综合评价，计算各主成分得分及综合主成分得分(表9)，以各配方的综合得分值排序，反映不同基质配方的优劣。由表9可知，T2的综合得分最高，达到2.17分，而T4的综合得分最低，为-2.22分。按综合得分对5种基质配方进行排序，其优劣顺序为：T2>T1>CK>T3>T4。

表9 不同基质配方主成分得分及排名

2.5 不同复合基质的聚类分析

综合各配方所测的全部指标，以欧氏距离衡量各配方间的差异大小，采用组间联接法对5个配方进行系统聚类分析，如图3所示，可以分为三大类：第1类定义为良好型，包括CK，表现为基质理化性质和番茄状态一般正常；第2类定义为改良型，包括T1、T2，表现为基质理化性质和番茄状态有所改良并提升；第3类定义为中等型，包括T3、T4，表现为基质理化性质或番茄状态有待提升。

图3 聚类分析谱系图

2.6 保健型中药渣基质的安全性评价

中药渣中重金属含量是否超标是其能否作为安全环保型有机基质的关键因素。表10为不同配方基质在定植前(0 d)和拉秧后(120 d)的重金属含量变化，可以看出T1、T2、T3、T4、CK在定植前以及拉秧后重金属(砷、镉、汞、铅)含量均符合作物生长环境质量一级标准以及绿色食品产地环境质量标准，故保健型中药渣作为有机基质具有质量安全保证。

表10 不同配方基质中的重金属含量变化

3 讨论

优良的栽培基质应具备稳定良好的理化性质基础条件。为使栽培基质达到稳定的状态，一般会对原材料进行高温发酵工作，通常认为发酵腐熟物的碳氮比达到20以下时，为发酵成熟的满意水平[23-24]，此时，腐熟物的pH值在8～9之间，呈弱碱性[25]。本研究中，保健型中药渣复合基质的碳氮比范围为10.25～21.74，pH值范围为8.19～8.21，基本符合发酵腐熟的标准，具备稳定的理化性质基础。但相比椰糠基质，保健型中药渣复合基质偏碱的基质环境可能会引起养分吸收障碍，后期灌溉水肥时，需加入酸物质来调节基质酸碱状态；此外，中药渣复合基质的电导率总体较适宜范围(1～2.6 ms·cm-1)偏高[26]，但由于番茄属于耐盐型作物，并不会影响其前期生长。综上，中药渣复合基质比椰糠基质理化性质更稳定，养分含量较充足，大体上能满足作为基质使用的基本条件，但未来在基质进一步开发过程中，需注意基质酸碱度和盐分含量的调控。

适宜理化性质的基质往往具有良好的水气调节状态，利于作物根系生长，不适宜的基质会导致水气调节失衡，引起植物在不良环境下产生适应性机制，表现出根系生长代谢的“补偿效应”[27-28]，如T3、T4的根系长势弱于T1、T2，但根系活力却更强。此外，本研究表明，T1、T2的根干重及根部特征指标均高于CK，这可能与T1、T2的基质容重显著高于CK，更利于作物附着生长，致使根系发达有关，然而CK的地上部总干重优于其他处理，可能是因为椰糠基质偏酸，而大量养分有效含量在酸性环境下更容易释放，利于作物吸收[29]，使得地上部生长较优。另外，本研究还表明中药渣复合基质配方处理的植株总干重越高，其果实产量越高，这与王停停等[30]和李灵芝等[31]提出的果实干重与植株总干重之间呈线性关系的规律相似。

在番茄果实糖分组成中，果糖的甜度最高，且极具营养价值，是改善果实品质关键指标之一。在番茄果实发育后期，前期积累和输入的蔗糖受相关代谢酶的影响，逐步分解为果糖和葡萄糖[32-33]，成熟番茄果实中蔗糖含量普遍较低[34]。本研究结果表明，各处理果实的果糖、葡萄糖含量远高于蔗糖，T1的可溶性糖、葡萄糖含量与CK无显著差异，但其果糖含量显著高于CK，而蔗糖含量与CK相比反之，说明纯中药渣基质相比椰糠基质在一定程度上有利于蔗糖向果糖的转化，进而利于培育高果糖含量番茄。另外，T1、T2、T3、T4的Vc含量均显著高于CK，可能是因为该类型药渣中含有白芍，其残留的芍药苷等活性成分可调控Na、K-ATPase的活性[35]，影响植物体内的钾素调控过程，而适宜的钾素水平有利于番茄Vc含量的提高[36-37]，故中药渣复合基质处理的果实Vc含量高于CK。此外，各保健成分含量间存在一定的正相关性，说明适宜配比的中药渣复合基质会综合影响果实品质的变化，可以提高果实中的番茄红素、总黄酮、Vc、可溶性蛋白含量，这与张跃群等[11]用正柴胡饮冲剂和复方丹参片药渣栽培番茄，提高了番茄果实Vc、番茄红素、可滴定酸含量，以及朱普生等[12]用甘草药渣栽培番茄进而改善了番茄类黄酮、番茄红素、蛋白质、总糖、可溶性固形物含量的试验结果具有一致性，而其影响机理仍有待进一步研究。综上所述，本研究结果体现了保健型中药渣作为新型基质的优越性及可选择性。

基质筛选大多根据研究者观测经验确定适宜配方，增加了人为主观随意性带来的偏差。本研究采用了主成分分析法以及聚类分析，能更客观地描述处理的相对地位。结果表明，以番茄各指标作为主成分分析数据时，各基质配方的优劣顺序为T2>T1>CK>T3>T4，且这5个配方以基质和番茄指标数据作为归类依据时，可以归为3类:第1类CK良好型，第2类T1、T2改良型，第3类T3、T4中等型。两种教学统计分析方法均对配方优劣给出一致评价，二者的相互验证表明本试验结果的客观公正性及可信性。