基于土壤电导率控制的养分供给对设施番茄生长、产量和品质的影响

潘昭隆，刘会芳，赵帅翔，马海龙，张翠英，段志平，张卫峰*

（1.中国农业大学资源与环境学院/中国农业大学农业绿色发展研究院/中国农业大学农业绿色发展学院，北京 100193；2.滦南县农业农村局，河北 唐山 063500）

设施栽培是我国蔬菜生产的重要方式之一，与露地栽培相比，具有单产高、品质好等优点［1］。但设施栽培在持续生产一定年限后，普遍出现了土壤盐渍化现象［2-5］。已有研究发现，在设施蔬菜生产中，过量的肥料投入是造成土壤盐渍化的主要原因［6］，并且随着土壤盐渍化的加重，其会严重抑制作物根系的生长，从而降低作物的产量和品质，严重制约设施蔬菜的可持续生产［7］。肥料的合理供应不仅是降低土壤盐渍化风险的有效手段，也是确保蔬菜优质生产的关键因素。解决这一问题的关键技术是使用滴灌设备，并按照作物的养分吸收规律进行“少量、多次”的养分供给。此模式在试验条件下可以大幅度降低水和肥料的投入，但在实际生产中缺乏养分投入控制指标，农户仍按照传统漫灌施肥方式，需要人为定时、定期地对滴灌设备进行调控，资源、环境、经济效益均难以体现，导致大面积应用极其缓慢。因此，建立科学高效的决策指标体系，配合智能化监测和水肥一体化设备，是控制设施蔬菜养分投入并实现绿色升级的迫切需求。

土壤电导率（EC）是土壤的电化学特征，可表征土壤的盐分状况、养分含量、水分含量等理化信息，近年来受到众多学者的关注［8-10］。已有研究发现，土壤EC与土壤含盐量呈正相关，可作为土壤养分的综合性参考指标［11］，但是国内外学者对此方面的研究多数在无土栽培上，主要通过筛选出对作物影响最佳的营养液EC，进而通过电导率传感器与肥液箱的智能联动实现作物养分的科学投入［12-15］。而在实际设施蔬菜生产中，通过监控土壤EC进行养分科学投入的研究尚少。在实际生产中，设施土壤也是重要的养分供应源，尤其是在农户大量投入有机养分的情况下，仅控制肥液的养分显然会导致过量投入，这也是目前发展缓慢的主要原因。另一方面，随着信息技术的发展，成本低廉而测试准确度高的土壤电导率监测仪器也快速发展，如小米植物检测仪，成本仅59元，而测试准确度能够达到0.1 mS/cm，为实现大田生产中的高精度监测提供了可能。但同样在实际生产中，由于缺乏各种作物体系的控制指标，也迟迟未能推广应用。

因此，本试验以设施番茄为研究对象，在水肥一体化技术的基础上，选择可视化电导率传感器控制施肥量，探究适合于设施番茄生长、高产和高品质的土壤EC阈值，为未来智能化设施生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点及设施管理

试验于2017年10月至2018年5月在河北省唐山市滦南县扒齿港镇米官营村明雪生态蔬菜示范园温室大棚中进行。供试土壤为河北省滦南县典型的沙壤土（依据国际制土壤质地分类标准）［16］，土壤有机质18.73 g/kg，全 氮0.94 g/kg，有 效 磷104.43 mg/kg，速效钾231.13 mg/kg，pH 7.7，EC 0.15 mS/cm。番 茄品种选用耐低温、抗病性强的多瑞吉星。2017年10月14日开始育苗，采用穴盘育苗法，基质为蚯蚓消解处理后的牛粪蘑菇渣。将番茄种子置于基质1～1.5 cm深处，上边覆上松软的基质，用水浇透苗盘，置于大棚中。白天温度保持在25～30℃，夜间温度保持在16～18℃，出苗后进行浇水。2017年12月16日定植，起垄栽植，株距30 cm，行距60 cm。番茄单杆整枝，留四穗果，白天温度控制在20～25℃，夜间温度控制在10～15℃。分别在定植时、缓苗后、蹲苗后以及追肥时进行浇水，共浇水11次，于5月20日拉秧。

1.2 水肥试验设计

共设7个处理：CK0、CK1、EC0.5、EC1.5、EC2.5、EC3.5、EC4.5，小区面积为15 m2（10 m×1.5 m），各处理随机排列，并设置3次重复。CK0为不施肥的处理；CK1为农户传统处理：基肥施用48 t/hm2有机肥（N=0.45%，P2O5=0.46%，K2O=0.96%）和750 kg/hm2复合肥（N-P2O5-K2O养分配比为15-8-21）；追肥施用复合肥（N-P2O5-K2O养分配比为16-5-24），分4次施用，分别在每穗果的果实膨大期施入，用量按照农民习惯。参照Ayers［17］的研究结果，番茄生长的最佳EC为2.5 mS/cm，本研究将EC梯度进一步细化，各处理的土壤EC上限依次定为0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 mS/cm。根据番茄养分吸收规律及各时期养分配比［18］，各处理基肥均施用34.5 t/hm2有机肥（N=0.45%，P2O5=0.46%，K2O=0.96%）、750 kg/hm2复合肥（N-P2O5-K2O养分配比为15-8-21），追肥均采用优化配比的复合肥（N-P2O5-K2O养分配比为16-5-24），分4次在每穗果的果实膨大期施入。追肥用量由各处理的EC决定，在追肥过程中，监测各处理土壤EC的动态变化，达到设定数值时，即停止施肥，并同时进行等量补水。各处理灌溉量均为7725 m3/hm2，在缓苗期、蹲苗结束后、四穗果的各穗坐果期进行灌溉，各时期灌溉量分别为252、1200、1500、1500、1500、1500 m3/hm2。土壤EC采用灵敏度较高的2265FS电导计进行实时监测，监测土层深度为0～15 cm，施肥灌溉均采用滴灌方式，施肥时提前2 d将复合肥料（N-P2O5-K2O养分配比为16-5-24）溶于肥料池内，以保证浓度均衡，具体内容详见表1。

表1 各处理肥料施用总量

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长指标

株高、茎粗、完全展开叶可直接表征番茄植株外观生长状态，并且SPAD值在一定程度上也可以表征作物的生长状况，因此选择以上4个指标来评价EC对番茄生长的影响。各处理选取10株番茄进行长期定位监测，定植之后每隔10 d测量其株高、茎粗、叶片数和SPAD值，并计算平均值。株高测定选用卷尺测量植株从根基到生长点的总高度；茎粗选用游标卡尺测量从根基上数第2～3片叶间的直径，用十字交叉法分别在同一处测量后，取2个值的平均值为该植株的茎粗；通过记录完全展开叶的数量来测定叶片数；SPAD值选用叶绿素仪（SPAD-502Plus）测定植株倒数第4～7片功能叶，测定重复3次，取均值作为该叶的SPAD值。

1.3.2 产量指标

产量：各处理随机选取5株番茄进行挂牌，在果实采收期进行测产，记录每次采收的单果重、单株产量、总产量。从开始采收日起每日累计，各处理分别记录求和即为果实总产量。

干物质累积量：拉秧时各处理随机选取5株植株，将番茄植株的根、茎、叶、果实分开，分别测定各部分鲜重，之后置于烘箱中，在105℃条件下杀青30 min后，于75℃条件下烘至恒重并进行称量，用以测定干物质量。

1.3.3 品质指标

品质指标包括外形品质和营养品质。外形品质在一定程度上决定了番茄的经济价值，主要包括果型指数、病果率、商品果率3个指标，各处理随机选取5株植株，采用游标卡尺测定番茄果实的纵径和横径，并计算果型指数（纵径/横径），同时计算每株番茄的病果率和商品果率；营养品质决定了番茄的口感和营养价值，主要包括5个指标，分别是可溶性固形物、可溶性糖、有机酸、糖酸比、维生素C，各处理随机选取5株植株，测定其番茄果实的可溶性固形物、可溶性糖、有机酸、维生素C含量，分别采用WZ-112手持式折射仪、蒽酮比色法、氢氧化钠滴定法、2，6-二氯靛酚滴定法测定［19］。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2013进行初步分析和图表制作，采用SPSS 19.0进行方差分析，采用新复极差多重比较法（Duncan）进行差异显著性检验（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 番茄生长指标

2.1.1 株高

从图1可以看出，随着生长天数的增加，番茄各处理的株高逐渐增高。在定植后30 d时，各处理的株高达到31.80～40.66 cm，处理间差异不显著；在定植后30～80 d，番茄株高增长速度最快，各处理间差异逐渐显现，其中EC4.5处理最高，显著高于CK0 31.1%；在定植后100 d左右，番茄营养生长基本结束，各处理的株高表现为：EC3.5＞EC2.5＞EC4.5＞CK1＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC3.5处理最大，为123 cm，相比CK1提高3.1%。通过分析各个时期株高与土壤EC的关系，发现均符合二次曲线关系，其中定植后100 d时株高与EC的二次曲线为y=-1.1286x2+9.1029x+104.35；R²=0.8768，经拟合得出株高最优所对应的土壤EC为4.03 mS/cm。

图1 番茄株高变化

2.1.2 茎粗

从图2可以看出，随着生长天数的增加，番茄各处理的茎粗不断增加。在定植后30 d时处理间差异已经开始显现，其中EC4.5处理茎粗值最大，显著高于CK0 20.8%；在定植后30～80 d内茎粗增长最快，各处理间差异进一步扩大，茎粗表现为：EC2.5＞EC3.5＞CK1＞EC4.5＞EC0.5＞EC1.5＞CK0，EC0.5、EC1.5、EC2.5、EC3.5、EC4.5处理均显著高于CK0处理，但各处理间无显著差异；在定植后100 d左右，番茄营养生长基本结束，各处理的茎粗表现为：EC3.5＞EC2.5＞EC4.5＞EC1.5＞CK1＞EC0.5＞CK0，EC3.5处理茎粗最大，为14.59 mm，相比CK1高出40.3%。番茄各时期株高与EC均呈现二次曲线规律，其中定植后100 d时的拟合曲线为y=-0.2969x2+1.7391x+11.944；R2=0.9155，经方程拟合得出茎粗最优所对应的土壤EC为2.93 mS/cm。

图2 番茄茎粗变化

2.1.3 叶片SPAD值

从图3可以看出，随着生长天数的增加，番茄各处理叶片的SPAD值也在不断增大。在定植80 d时，各处理间叶片SPAD值差异显现，由大到小的 顺 序 为：EC1.5＞EC0.5＞EC3.5＞EC2.5＞EC4.5＞CK1＞CK0，EC0.5、EC1.5、EC2.5、EC3.5、EC4.5处理均显著高于CK0处理，但各处理间无显著差异；在定植后100 d左右，各处理叶片SPAD值不再变化，各处理叶片SPAD值大小顺序为：EC3.5＞EC2.5＞EC1.5＞CK1＞EC4.5＞EC0.5＞CK0，最 高 为EC3.5处理，比CK1高出2.6%。各个时期叶片SPAD值与土壤EC呈现二次曲线规律，其中定植后100 d时的拟合曲线为y=-0.5429x2+2.7583x+41.935；R2=0.9633，经方程拟合得出番茄叶片SPAD值最优所对应的土壤EC为2.54 mS/cm。

图3 番茄叶片SPAD值变化

2.1.4 完全展开叶

从图4可以看出，随着生长天数的增加，番茄各处理的完全展开叶逐渐增加，在定植后10～60 d，各处理完全展开叶的数量增长较慢，各处理无显著差异；在定植后60～80 d，番茄完全展开叶片数增速最快，各处理间差异开始显现，由 大 到 小 的 顺 序 为：CK1＞EC4.5＞EC3.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0＞EC2.5，其中CK1完全展开叶片数最高，相比CK0高出15.4%；在定植后80 d时，各处理完全展开叶片数达到最大，随后开始减少，在定植后100 d左右，各处理完全展开叶片数趋于稳定，各处理间差异不显著，其中EC3.5处理的叶片数最多，相比CK1高出6.2%。各个时期完全展开叶片数与土壤EC未能建立拟合曲线。

图4 番茄完全展开叶变化

2.2 番茄干物质累积量与产量

2.2.1 干物质累积量

从表2可以看出，不同处理间的干物质累积量不同，并且不同部位的干物质累积量也具有一定差异。番茄根、茎、叶、果不同部位的干物质累积量差异显著，果实的干物质累积量最高，各部分的大小顺序为：果实＞叶片＞茎部＞根部。处理间各部位的干物质量积累差异显著，根部干物质累积量表现为：EC2.5＞EC3.5＞EC4.5＞EC1.5＞CK1＞EC0.5＞CK0，EC为2.5 mS/cm时最高；茎干物质累积量表 现 为：EC2.5＞EC3.5＞CK1＞EC4.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC为2.5 mS/cm时最高；叶片干物质累积量表现为：EC2.5＞EC3.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0＞EC4.5＞CK1，EC为2.5 mS/cm时最高；果实干物质累积量表现为：EC3.5＞EC4.5＞EC2.5＞CK1＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC为3.5 mS/cm时最高；总重表现为：EC2.5＞EC3.5＞EC4.5＞CK1＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC为2.5 mS/cm时最高。整体来看，EC2.5处理表现较好，干物质积累量高。番茄各部分的干物质累积量与土壤EC均呈现二次曲线规律（表2）。经拟合得出番茄根、茎、叶、果、总重最优所对应的土壤EC分别为2.92、3.04、2.34、3.81、2.97 mS/cm。

表2 干物质累积量 （g/株）

2.2.2 产量

从表3可以看出，不同处理间番茄产量具有显著差异。从单果重来看，各处理表现为：EC3.5＞CK1＞EC2.5＞EC4.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0。前人研究指出，大果型番茄品种单果质量在180～250 g比较合适［20］，本试验中CK0、EC0.5、EC1.5 3个处理的单果重均在180 g以下，其他处理的单果重均在适宜范围内，其中EC3.5处理的平均单果重最大，达到204.5 g，比CK0高出51%，与CK1处理相差不大，仅高出0.79%。从单株产量来看，各处理表现为：EC 3.5＞EC4.5＞CK1＞EC2.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，单株产量最高为EC3.5处理，比CK0处理高89.07%，比CK1处理高10.29%。总产量表现为：EC3.5＞EC4.5＞CK1＞EC2.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，最高的处理为EC3.5处理，比CK0高出88.62%，相比CK1高出10.33%。番茄产量指标与土壤EC均呈现二次曲线规律，经拟合得出番茄单果重、单株产量、总产量最高所对应的土壤EC分别为3.19、4.49、4.51 mS/cm。

表3 番茄产量

2.3 番茄品质

2.3.1 外观品质

番茄外观品质具体包括3个指标，分别是果形指数、病果率和商品果率。果形是果菜类蔬菜非常重要的性状之一，番茄的外形在一定程度上决定了番茄的经济价值，设施番茄的果形大致可分为9种：圆形、扁圆形、扁平形、高圆形、长圆形、卵圆形、桃形、梨形、长梨形［21］，不同番茄品种的果形通常不一样。果形指数是衡量果实形状的一种量化指标，具体为果实的长度（L）和直径（D）之间的比值，用L/D表示，L/D越大代表果形越长，L/D越小代表果形越扁。L/D为0.8～0.9时说明果形是圆形或近圆形，0.6～0.8时为扁圆形，0.9～1.0时为椭圆形或圆锥形，1.0以上时为长圆形。

从表4可以看出，L/D最大为EC0.5处理，最小为CK1处理，受市场收购标准影响，农户倾向于种植扁圆形果实，即L/D为0.6～0.8。EC3.5、EC4.5、CK1处理的果形指数为0.72，说明其果形属于扁圆形，CK0、EC0.5、EC1.5、EC2.5处理果形指数均在0.8～0.9，其果形为圆形或近圆形，说明随着土壤EC的增大，果形指数呈现逐渐变小的趋势。各处理番茄病果率的表现为：EC1.5＞EC3.5＞EC4.5＞CK1＞CK0＞EC0.5＞EC2.5，其 中EC0.5、EC2.5和CK0处理的病果率均在8%以下，均低于其他处理。各处理番茄的商品果率表现为：EC2.5＞CK1＞EC3.5＞EC4.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，其中EC2.5处理的商品果率最高，为90.09%，相比CK0处理高出4.96%。番茄商品果率和果型指数与土壤EC均呈现二次曲线规律，经拟合得出番茄商品果率最高所对应的土壤EC为2.77 mS/cm；番茄果型指数为0.6～0.8时，所对应的土壤EC范围为2.05～5.18 mS/cm。

表4 番茄果实形态

2.3.2 营养品质

营养品质具体包括5个指标，分别是可溶性固形物、可溶性糖、有机酸、糖酸比、维生素C。从表5可以看出，不同处理的营养品质指标均具有一定差异。各处理间可溶性固形物含量表现为：EC4.5＞EC1.5＞CK0＞EC2.5＞CK1＞EC0.5＞EC3.5，土壤EC为4.5 mS/cm时可溶性固形物含量最高，为5.8%。研究表明，番茄良好的风味还要有合适的糖酸比，并且根据多数人的口味，糖酸比要建立在较高的含糖量上［22］。大多数人喜欢糖度稍高的果实风味；但糖含量高，酸度过低，味道会比较单调，缺乏甜酸适度的口味，若糖酸含量均过低，即使有合适的糖酸比，也会让人感到淡而无味。霍建勇等［23］研究指出，合适的糖酸比为6.9～10.8。表5数据显示，本研究各处理可溶性糖含量表现为：EC2.5＞CK1＞EC3.5＞EC4.5＞EC1.5＞EC0.5＞CK0，EC2.5处理的可溶性糖含量最高，但EC2.5处理与EC3.5、EC4.5、CK1处理（农民传统）差异不显著，与EC0.5和EC1.5处理差异显著；各处理有机酸含量表现为EC3.5最低，但与其他处理间差异均不显著；EC2.5与EC3.5处理的糖酸比均处于合适的范围内，但二者与CK1差异不显著；EC2.5处理维生素C含量最高，达到12.34 mg/100 g，并且均显著高于其他处理。番茄的营养品质指标与土壤EC呈现二次曲线规律，经拟合得出番茄可溶性糖、有机酸、维生素C最优所对应的土壤EC分别为2.94、3.15、3.03 mS/cm；番茄糖酸比为0.6～0.8时，经拟合得出其对应的土壤EC范围为1.46～4.59 mS/cm。

表5 番茄营养品质

3 讨论与结论

土壤EC在一定程度上可以表征土壤的养分状况，因此调控土壤EC会对番茄的生长有直接影响。外观生长量是表征植株生长的重要指标，植株在合适的养分条件下会呈现优异的外观表现，张建新［24］研究表明，养分不足会使作物生长缓慢，而土壤溶液浓度过高会形成盐分胁迫，影响作物对养分和水分的吸收，只有在适宜的土壤溶液浓度下，植株才能正常生长。在本研究中，番茄植株的株高、茎粗和SPAD值与土壤EC基本符合二次曲线关系，指标表现均为中度（EC 2.5、3.5 mS/cm）EC调控处理优于低度（EC 0.5、1.5 mS/cm）和高度（EC 4.5 mS/cm）EC调控处理，这与倪纪恒等［25］在营养液中的研究结果相似，辛鑫等［26］研究结果也表明，当营养液EC在2 mS/cm左右时，更适宜番茄的生长。

邢英英等［27］研究表明干物质积累与养分投入呈正比，但本研究发现在EC2.5和EC3.5处理下，番茄各器官干物质累积量均显著高于其他处理，这说明将土壤EC保持在适度（2.5～3.5 mS/cm）时所对应的养分投入较为适合番茄生长，过高的养分投入会抑制番茄的干物质积累。在产量表现上更是如此，土壤EC保持在适度（3.5 mS/cm）时所对应的养分投入的单果重、单株产量和总产量均显著高于其他处理，而高土壤EC（4.5 mS/cm）所对应的高养分投入的总产量出现了显著下降，这说明依据土壤EC将养分投入控制到适度范围内是获得高产量的有效途径，这与樊怀福等［28］的研究结果基本一致。

番茄的外形受到品种、光照、养分、外力条件等因素的影响，在一定程度上决定了番茄的经济价值。本研究发现，随着土壤EC的升高，番茄的果型指数呈下降趋势，果型由近圆形向扁圆形过渡，这是由于养分充足会使番茄均匀膨大，因此具有较好的果型指数。但是，随着养分投入增大，土壤EC的升高，番茄吸收过量的养分会变得更易染病，这是EC3.5、EC4.5处理病果率较高的主要原因。营养品质决定了番茄的口感和营养价值，是番茄品质评价的重点。研究表明，在一定范围内随着营养液EC的升高，番茄的可溶性固形物、可溶性糖、有机酸、维生素C含量等指标均显著提升［29］，这是由于高EC条件下所对应的养分投入也随之增加，研究表明在一定范围内增施钾肥可显著增加番茄糖和可溶性固形物的含量［30］，不仅如此，樊怀福等［28］研究认为高EC条件会适当抑制番茄根系吸收，从而提高果实总可溶性糖和维生素C含量，这与本研究结果并不完全一致，本研究发现番茄的营养品质指标与土壤EC呈现二元曲线规律，随着土壤EC的升高，番茄可溶性糖、维生素C含量等指标先升高而后降低，此结论是由本研究的试验条件决定的，设施土壤栽培相比于水培具有更高的养分投入，因此本试验设定的EC梯度要高于水培，导致本研究结论与其他研究具有一定差异；Li等［31］研究表示，营养液EC过高，会严重抑制根系对养分的吸收，是降低番茄品质的因素之一，这与本研究中EC2.5处理的风味指标显著高于EC3.5和EC4.5处理的结果一致；郭世荣［32］研究认为，适宜番茄生殖生长的EC范围是2.5～3.5 mS/cm，这与本研究结论基本一致。

通过模型拟合综合考虑不同土壤EC对番茄生长性状、干物质累积、产量以及外形品质和营养品质的影响，本研究认为土壤EC过低（EC0.5和EC1.5处理）会导致番茄植株生长受到抑制，从而导致产量以及品质明显降低；土壤EC接近3 mS/cm时有利于番茄生长、产量形成并获得高的品质。综上所述，本研究认为，在依托水肥一体化设备的前提下，将土壤EC控制在3 mS/cm的同时进行滴灌施肥最适合番茄的生产。