营养液更新频率和方式对基质槽培黄瓜生长和根区盐分累积的影响

桑嘉骏 刘明池 武占会 梁 浩 何洪巨 王素娜 季延海*

(1.北京农林科学院蔬菜研究所，北京 100097；2.农业农村部华北都市农业重点实验室，北京 100097；3.河北工程大学 园林与生态工程学院，河北 邯郸 056038)

基质栽培作为无土栽培中应用最为广泛的1种类型，既能节水省肥和增产提质，又可提高农业废弃物资的高效利用[1]，同时成本低且易推广。随着我国设施农业的发展，基质栽培的应用逐年增加。目前多数基质栽培采用开放式的营养液管理模式，Grewal等[2]研究表明开放式供液模式有20%～80%的多余营养液会被排出，造成了水肥资源的浪费[3-5]。封闭式栽培技术在温室产业发达的国家应用已经较为普及，营养液可以回收循环利用，几乎不会产生浪费[6]，提高了水肥利用效率。我国在有机生态型栽培[7]、椰糠栽培[8]、基质袋栽培[9]、复合基质栽培[10]和珍珠岩栽培[11]等不同基质栽培类型中也开展了封闭式栽培模式的研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试黄瓜品种为‘京研118’，采购于京研益农(北京)种业科技有限公司。

1.2 试验方法

试验于2021年1—5月在北京市农林科学院蔬菜研究所(116°29′ E，39°94′ N)连栋玻璃温室中进行。栽培方式采用北京市农林科学院蔬菜研究所研发的营养液可循环利用的封闭式无机基质槽培系统(专利号：ZL201510214349.X)，详见图1。栽培槽长×宽×高为48 cm×20 cm×13 cm，基质为无机基质珍珠岩。营养液由水泵通过供液管路由滴针滴入植株根部基质中，多余的营养液通过栽培槽底部的回液口进入回液管路，流回营养液池，开放式系统回液则直接排入下水管道，不回流至营养液池。每个处理营养液池容积为200 L(可供生长盛期循环利用10 d)。采用蔬菜中心根据日本山崎黄瓜配方[16]改良的黄瓜营养液地下水专用配方，配方内大量元素N、P、K、Ca、Mg和S浓度分别为：11.60、1.30、6.51、2.24、1.00和1.39 mmol/L；微肥为通用配方；地下水电导率(EC)为0.6 mS/cm，pH 7.4，内含Ca2+质量浓度70 mg/L，Mg2+13 mg/L。每个处理设22个栽培槽，每个栽培槽定植2株，槽内株距20 cm，槽间距40 cm，各处理间行距150 cm。黄瓜3叶1心时定植，清水缓苗1周后添加营养液。每天07:30—17:30供液6次，间隔120 min，每次灌溉8 min，每株每天灌溉2 L。营养液池的EC为(2.6±0.2) mS/cm，pH 6.0±0.2。试验于定植14 d后开始，试验期间进行打杈、绑蔓、摘除侧枝和卷须及底部老叶片等周期性操作。

图1 封闭式无机基质槽培系统简图Fig.1 Schematic diagram of the closed inorganic matrix circulating tank culture system

试验设5个处理：营养液用尽后(约2 d)更换营养液且开放式供液(CK)，3 d更换1次营养液且封闭式供液(T1)，5 d更换1次营养液且封闭式供液(T2)，7 d更换1次营养液且封闭式供液(T3)，营养液用尽后(约10 d)更换营养液且封闭式供液(T4)。各处理营养液配制后，在达到更新天数前除调整EC和pH外，不补充新的营养液。每2 d测定营养液池中营养液的EC和pH，并适时调整，采用添加母液的方式调节EC和pH。本研究在试验过程中除个别时段外，每个更新期内营养液均不需要调整。

1.3 测定指标

1.3.1生长指标测定

试验开始后每7 d用直尺测量株高，用游标卡尺测量茎粗，每个处理测量6株。

1.3.2品质指标测定

于结瓜盛期(定植56 d)测定黄瓜品质，每个处理3次重复，每个重复检测5个样品。采用蒽酮比色法[17]测定可溶性糖含量，采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[18]测定维生素C含量，采用考马斯亮蓝G-250染色法[19]测定可溶性蛋白含量，采用ACT-1EC手持折射仪(ATAGO，日本)测定可溶性固形物含量，采用直尺测量果实纵径和果柄长，采用游标卡尺测量果实横径。

1.3.3产量及水肥利用效率测定

每次采收统计单株产量；记录全程肥料和水的添加量及每次更换营养液前营养液的剩余量，计算单株水分利用效率和单株肥料偏生产力。

单株作物耗水量=(水的添加量-营养液剩余量)/每个处理株数

(1)

单株水分利用效率=单株产量/单株作物耗水量[20]

(2)

单株肥料偏生产力=单株产量/单株作物总施肥量[21]

(3)

1.3.4根区溶液采集与分析

试验开始后采用土壤溶液提取器每6 d进行1次根区溶液的采集，每次采集150 mL，放入4 ℃冰箱内保存，用于测定根区溶液EC及养分离子含量。养分离子含量采用电感耦合等离子体发射光谱法[22](ICP-OES)测定。对各离子含量进行整理分析后，计算各离子浓度比例。各离子浓度比例=各离子比例=各离子含量/总离子含量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理，采用SPSS 20.0软件中Duncan比较法进行差异显著性分析及LSD(P<0.05)检验。

2 结果与分析

2.1 不同营养液管理模式对黄瓜生长的影响

不同供液方式对黄瓜的生长有一定的影响。由图2可知，定植70 d时，T4处理株高高于CK，比CK处理提高了5.92%；CK处理茎粗高于T4处理，比T4提高了4.72%。不同营养液更新频率对黄瓜的生长也有一定的影响。T2处理株高高于T1、T3和T4，而各处理茎粗无显著差异。定植70 d时，T2处理株高分别比T1、T3和T4处理提高5.24%、6.57%和4.35%。

2.2 不同营养液管理模式对根区溶液的影响

2.2.1总溶解离子浓度

在整个生育期内，不同供液方式下黄瓜根区溶液EC随生育期的延长均有不同程度的增加(图3)。开放式供液(CK)和封闭式供液T4处理根区溶液EC最高值分别为4.56和6.21 mS/cm。定植35 d时(初瓜期)，根区溶液EC表现为CK>T3>T1=T4>T2，此时开放式根区溶液EC值显著高于封闭式；定植56 d时(结瓜盛期)，根区溶液EC为T3>T4>T1>CK>T2，此时封闭式逐渐高于开放式，并且差异显著；定植84 d时(拉秧前)，根区溶液EC为T3>T1>CK>T2>T4，与定植前相比，各处理的EC分别提高34.14%、40.18%、29.31%、43.20%和25.98%。由此可知，随生育期的延长基质栽培黄瓜根区盐分累积量不断增加，封闭式供液中回流液的循环使用会加重根区盐分的累积。

2.2.2主要元素离子浓度

由图4(a)～(e)可知，开放式供液根区溶液中总氮、总磷、Ca2+和Mg2+质量浓度均随时间的延长呈增加趋势；而K+呈先上升后下降的趋势，随后逐渐保持在一个相对稳定的水平，在定植28 d时达到最高值。封闭式供液中T4处理总氮和K+质量浓度随时间的延长不断降低，总磷、Ca2+和Mg2+质量浓度呈先上升后下降趋势。定植35 d时，总氮质量浓度CK>T3>T4>T1=T2，K+质量浓度CK>T3>T4>T1>T2，总磷、Ca2+和Mg2+质量浓度CK>T3>T1>T4>T2，此时各养分含量对根区盐分累积强度的贡献率由大到小为：K+、Ca2+、总氮、总磷和Mg2+。定植56 d时，总氮质量浓度CK>T1>T3>T4>T2，总磷质量浓度T3>T1>CK>T2>T4，K+质量浓度CK>T1>T3>T2>T4，Ca2+质量浓度T3>T1>CK>T2>T4，Mg2+质量浓度T3>T4>T1>T2>CK，此时各养分含量对根区盐分累积强度的贡献率由大到小为：K+、Ca2+、总磷、总氮和Mg2+。定植84 d时，总氮和总磷质量浓度CK>T1>T3>T2>T4，K+和Ca2+质量浓度T1>CK>T3>T2>T4，Mg2+质量浓度T3>T1>T4>CK>T2，此时各养分含量对根区盐分累积强度的贡献率由大到小依次为：Ca2+、K+、总磷、总氮和Mg2+。

(a)不同营养液管理模式对株高的影响，(b)不同营养液管理模式对茎粗的影响。CK：营养液用尽后更换营养液且开放式供液；T1：3 d更换1次营养液且封闭式供液；T2：5 d更换1次营养液且封闭式供液；T3：7 d更换1次营养液且封闭式供液；T4：营养液用尽后更换营养液且封闭式供液。下同。(a) Effects of different nutrient solution management modes on the plant height，(b) Effects of different nutrient solution management modes on the stem thickness.CK:nutrient solution was replaced and open supply after nutrient solution was exhausted;T1:nutrient solution was replaced once in 3 d and closed supply;T2:nutrient solution was replaced once in 5 d and closed supply;T3:nutrient solution was replaced once in 7 d and closed supply;T4:nutrient solution was replaced after nutrient solution was exhausted and closed supply.The same below.图2 不同营养液管理模式对黄瓜生长的影响Fig.2 Effects of different nutrient solution management modes on growth of cucumber

图3 不同营养液管理模式下黄瓜根区溶液EC的变化Fig.3 Change of EC values with different nutrient solution management modes on cucumber in the root zone

(a)～(e)分别表示不同营养液管理模式对总氮、总磷、K+、Ca2+和Mg2+质量浓度的影响。(a)-(e) indicate effects of different nutrient solution management modes on the mass concentrations of total nitrogen,total phosphorus,K+,Ca2+ and Mg2+.图4 不同营养液管理模式下黄瓜根区溶液盐分离子变化特征Fig.4 Change of salt ion concentration with different nutrient solution management modes on cucumber in the root zone

在封闭式供液条件下，不同营养液更新频率对根区溶液中总氮、总磷、K+、Ca2+和Mg2+质量浓度影响显著。与处理前相比，定植84 d时的总氮质量浓度T1和T3处理分别上升42和3 mg/L，而T2和T4处理分别降低65和186 mg/L；总磷质量浓度T1和T3处理分别上升74和63 mg/L，而T2和T4处理分别降低29和80 mg/L；K+质量浓度除T1处理高出处理前25 mg/L外，T2、T3和T4处理均低于处理前，分别下降120、31和235 mg/L；T1、T2、T3和T4处理Ca2+质量浓度均高于处理前，分别上升182、12、172和11 mg/L；Mg2+质量浓度T2处理较处理前降低13 mg/L，T1、T3和T4处理分别比处理前上升70、75和64 mg/L。

2.2.3主要元素离子比例

整个试验期内，总磷、Ca2+和Mg2+比例显著上升。由表1可知，与定植时配制的营养液相比，在定植35 d开放式根区溶液中总氮和K+在总离子浓度中的比例分别降低9.4%和15.2%，总磷、Ca2+和Mg2+比例分别增加8.9%、8.0%和7.7%；封闭式中T4处理根区溶液中总氮和K+在总离子浓度中的比例分别降低9.7%和14.6%，总磷、Ca2+和Mg2+比例分别增加7.7%、7.9%和8.7%。与定植时配制的营养液相比，定植56 d时开放式根区溶液中总氮和K+在总离子浓度中的比例分别降低8.9% 和17.4%，总磷、Ca2+和Mg2+比例分别增加11.7%、8.5%和6.1%；封闭式T4处理根区溶液中总氮、K+在总离子浓度中的比例分别降低12.5%和21.9%，总磷、Ca2+和Mg2+比例分别增加11.4%、10.3% 和12.7%。与定植时配制的营养液相比，在定植84 d，开放式根区溶液中总氮和K+在总离子浓度中的比例分别降低9.8%和21.8%，总磷、Ca2+和Mg2+比例分别增加13.4%、11.8%和6.4%；封闭式T4处理根区溶液中总氮和K+在总离子浓度中的比例分别降低22.1%和27.5%，总磷、Ca2+和Mg2+比例分别增加9.5%、20.8%和19.3%。综合开放式和封闭式根区溶液离子变化比例可以看出，随着生育期的延长封闭式供液方式的离子比例失衡现象逐渐加剧，且随着营养液更新频率的降低，离子比例失衡越来越严重。

2.3 不同营养液管理模式对黄瓜品质的影响

由表2可知，不同供液方式对黄瓜的营养品质有显著影响。与CK处理相比，T4处理的可溶性糖百分含量提高了25.14%，可溶性蛋白质质量分数降低了15.28%，维生素C质量分数无显著差异。不同营养液更新频率对黄瓜的营养品质有显著影响，维生素C质量分数以T1处理最高，分别比T2、T3和T4处理提高13.82%、13.52%和21.92%；可溶性糖百分含量以T4处理较高，分别比T1和T3处理提高16.24%和21.49%，T2和T4处理差异不显著；T3处理可溶性蛋白质质量分数较高，分别比T2和T4提高77.36%和54.10%，T1和T3处理之间差异不显著。

2.4 不同营养液管理模式对黄瓜综合效益的影响

由表3可知，不同供液方式对黄瓜的产量有显著影响。CK处理单株产量比T4处理提高25.80%。随着营养液更新频率的降低，黄瓜的单株产量呈降低趋势，T1处理分别比T2、T3和T4处理提高2.46%、5.31%和9.00%。

肥料偏生产力在一定程度上可反应肥料的利用效率[21]。不同供液方式对水分利用效率和肥料偏生产力的影响较为显著，T4处理水分利用效率和肥料偏生产力比CK提高173.43%和263.76%。随着营养液更新频率的降低，水分利用效率和肥料偏生产力呈上升趋势，T4处理比T1、T2和T3处理分别提高23.02%、16.95%、5.56%和136.73%、72.28%、60.12%。

表1 根区溶液中各离子在总离子浓度中的比例变化特征Table 1 Ratio of each ion concentration to total ion concentration in root solution %

表2 不同营养液管理模式对黄瓜营养品质的影响Table 2 Effects of different nutrient solution management modes on the nutritional quality of cucumber

表3 不同营养液管理模式对黄瓜产量、水分利用效率和肥料偏生产力的影响Table 3 Effects of different nutrient solution management modes on cucumber yield,water use efficiency and partial factor productivity of fertilizer

3 讨论与结论

3.1 不同营养液管理模式对封闭式槽培黄瓜根区养分变化的影响

根区溶液电导率会随着作物水分需求量的变化而变化[13,23]，离子比例则会因营养液养分供应和作物养分吸收的不完全一致而失衡[24-25]。本研究中，开放式(CK)和封闭式(T4)处理的供液方式下根区溶液EC均随生育期的延长不断上升，这与熊静等[12]研究一致。本研究中，与处理前相比，在初瓜期、结瓜盛期和拉秧前2种供液方式根区溶液EC均有不同程度的增加，表明随着生育期的延长，不同供液方式均会导致根区盐分累积加重，且T1和T3处理的盐分累积现象更加严重，过量的盐分累积会导致植物生长发育受到影响。而在封闭式供液方式下，T2处理的EC在初瓜期和结瓜盛期均低于CK，在拉秧前与CK差异较小，表明在封闭式无机基质循环槽培系统下，5 d更新1次营养液能够降低根区的盐分累积，有利于植物的生长。

K能够促进叶片中碳水化合物的合成和运转，增大叶面积，促进光合产物的运输，从而促进植株的生长，且K与N具有交互作用，K可促进植株对N的吸收，进而对植株的生长起到较大的影响[26]。在黄瓜所需的营养元素中，Ca的含量仅次于K。唐小付[26]研究表明，适宜的Ca、K和Mg浓度对网纹甜瓜的产量及含糖量具有较大的影响，但过高的配比会对其产生抑制作用。关志华等[27]研究表明，营养液中适当的Ca水平对黄瓜的产量和品质有较好的促进作用。本研究中，CK处理的产量显著高于T4处理，而T4处理的可溶性糖含量却显著高于CK处理。可能是试验初期，CK处理的K+和Ca2+含量均高于T4处理，导致前期黄瓜的营养生长较好，为后期的生殖生长奠定了基础，随着养分累积的加重，K+和Ca2+浓度过高，从而对黄瓜的生长、产量和含糖量产生了抑制作用。对于根区溶液盐分累积、盐分比例失衡与黄瓜生长、产量和品质间相互影响关系及内在联系，未来将进一步进行深入的研究和解析。

3.2 不同营养液管理模式对封闭式槽培黄瓜综合效益评价

开放式供液方式能够降低养分累积并保证黄瓜的产量和品质，但该方式会造成水资源浪费和农业环境的污染[3-4,28]。与封闭式相比，开放式系统每年排放的营养液造成了大量水资源的浪费，并且约有1.5 t的N随水排入环境中，造成了水体污染等问题[29-30]。丛鑫等[31]对小麦的研究发现，过量的水肥投入并不会使得产量和经济效益持续增长，还会造成水肥资源浪费及地下水污染等问题。本试验分析了不同营养液管理模式对黄瓜产量、水分利用效率和肥料偏生产力的影响，确定不同营养液管理模式下黄瓜产量、水肥利用效率和经济效益最大化的供液方式和营养液更新频率(封闭式供液方式下5 d更新1次营养液)，为封闭式栽培模式下黄瓜营养液管理模式的建立提供了数据支撑。

开放式和封闭式2种供液方式下，无机基质栽培根区均存在盐分累积和离子比例失衡现象，封闭式更加严重。与开放式相比，封闭式栽培更能实现黄瓜基质栽培的节水节肥和环境友好型发展，而频繁更换营养液虽然能提高黄瓜的生长、产量和品质等指标，但也会造成资源浪费、增加成本、污染环境和盐分累积等问题。综上，通过产量、水分利用效率和肥料偏生产力等综合比较，5 d更换1次营养液为封闭式槽培黄瓜适宜的营养液管理模式，具有最佳的生产效益。