水质处理对雾培抗堵性能及番茄生长的影响

侯诗宇，肖娟，杨杰，彭志慧，李艳丽

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引 言

气雾栽培作为无土栽培技术的一种，该技术不使用土壤及其他基质，通过将营养液雾化直接喷射在农作物根系上，使得作物可以摄取足够的养分、水分以及氧气，为农作物创造最佳的根域环境。气雾栽培以其可以扩展不可再生的耕地资源[1]、具有优良的节水节肥率[2]与提高农作物产量[3]等优点被广泛应用于反季节蔬菜的生产。番茄是种植分布最广、年产量最高、食用人数最多的蔬菜之一，以其独特的风味、丰富的营养化合物与微量元素含量受到人们的喜爱[4]。目前已有研究证明，气雾栽培可以促进番茄根系生长和营养吸收[5]，还可增加果实产量[6]。

雾化灌水器易堵塞是制约气雾栽培技术推广应用的主要因素。由于气雾栽培常选用压力补偿式喷头，内部流道复杂，发生轻微堵塞不易清理，使堵塞情况日益严重，极大地增加了气雾栽培的成本，不利于农作物的正常生长。针对灌水器堵塞问题及解决方案，前人已有大量研究，大致分为控制堵塞物质来源、提升自身抗堵能力以及有效清除堵塞物质三方面[7]。由于气雾栽培系统一经投入使用较难拆开清理，且拆开停止灌溉导致农作物缺少水分养分供给，一般通过控制堵塞物质来源即提升灌溉水质来预防堵塞。Aali等[8]发现对微咸水磁化可以软化水质改变水的物理化学性质以有效预防化学堵塞，且张佳等[9]发现磁化水灌溉可以有效提升番茄生长性能、酶活性和根系活力；张钟莉莉等[10]发现微咸水灌溉系统产生的沉淀常以化学沉淀为主，加入适量的无机酸性试剂调节pH至6.0～6.5左右可以有效防止沉淀生成；胡世平等[11]研究发现使用柠檬酸调节pH至7.0以下对Ba2+、Ca2+等阳离子有较好地阻垢效果，且靳琇等[12]已有研究证明适量的柠檬酸可以促进番茄幼苗生长与积累生物量。

目前通过改善灌溉水质以预防堵塞生成已有大量研究，根据目前结论，发现常用的水质处理方法为磁化处理、调酸处理等，同时目前的水质处理研究大多为滴灌条件下如何预防堵塞生成，而如何在对农作物不造成消极影响的情况下改善雾培条件下的堵塞问题少有研究。因此，本文以雾培番茄为研究对象，采用磁化、无机酸调酸、柠檬酸调酸这三种水质处理方式，分析不同的水质处理方式对雾培番茄生长指标、果实指标以及果实营养物质含量的影响，同时跟踪记录3种水质处理下雾培灌水器的堵塞情况，进行综合评价，初步探索利于雾培番茄生长并且有效防止雾培灌水器堵塞的水质处理方式，为进一步促进气雾栽培技术在我国的发展与推广提供理论及技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2022年7-10月份北京市昌平区流村镇沙帮基地内日光温室中进行，属于温带季风气候，试验期间正值夏季至早秋，日照充足，平均气温14 ℃，降水量122.4 mm。

1.2 供试材料

供试作物为大粉番茄，气雾栽培灌水器为（WP41+PJ201）十字雾化喷头，工作压力0.25 MPa，流量为50 L/h。栽培番茄所用肥料为无土栽培番茄专用肥料，具体成分见表1。

表1 无土栽培番茄肥料配方Tab.1 Soilless cultivation tomato fertilizer formula

试验灌溉水源为昌平区自来水有限责任公司提供，pH值为7.5～7.7，一般化学指标检测结果见表2。

表2 供试水源化学成分检测结果Tab.2 Test results of chemical composition of water sources

水质处理装置为管外强磁水处理器（磁化强度0.4 T）；水质处理试剂分别为稀盐酸溶液除垢剂和食品级一水柠檬酸除垢剂。

1.3 试验装置

试验装置分为栽培系统与供液系统，主要由储液桶、水泵、过滤器、定时控制器、压力表、流量表、减压阀等组成。

栽培系统：于温室内起北高南低，长4.5 m、宽80 cm、深25 cm且坡度大于5%的栽培槽，栽培槽南端安装PVC管用以营养液回流，并安装滤网，栽培槽底部铺两层防水塑料膜，做好底部与回流处的防渗漏，做到既不漏水又能顺利回流，不会在栽培垄内大量积水。栽培槽顶部用厚2.5 cm的苯板覆盖，苯板上铺设黑色塑料膜，苯板上以40 cm的间距打直径为5 cm的小孔用以定植番茄幼苗。栽培槽内距顶部10 cm铺设4.5 m长进液管，在进液管上以40 cm间距均匀安装雾化喷头，每条管安装10个喷头，与苯版上定植孔交错排列，使得每株番茄都可以被充分灌溉。

供液系统：于每条栽培垄末端以半地下式安放储液桶，与栽培系统的回流管道相连，水泵通过定时控制器控制启闭，进水口处安装120目过滤器，出水口处依次安装减压阀、压力表、流量表，后与栽培系统的进液管相连。

1.4 试验设计

于2022年7月中旬，选择长势一致且根茎较为粗壮的番茄幼苗洗净根部后定植。将番茄生长期分为缓苗期（7 d左右，不计入试验时间），苗期（0～20 d），开花结果期（20～45 d），盛果期（45 d之后），不同生长期根据番茄植株生长需要调配不同EC值营养液。缓苗期用清水喷灌，于缓苗期末期通过减压阀调节各压力表读数为0.25 MPa，并将流量表读数清零。苗期以EC值为0.8～1.0 mS/cm营养液喷灌，20日左右进入开花结果期EC值调高至1.4～1.6 mS/cm，45日左右进入盛果期EC值调高为2.2～2.4 mS/cm，喷灌溉频率为每5 min喷灌1 min，灌溉时间为每日5:00至21:00，共16 h，并进行水质处理。试验设置4个处理，见表3，分别为T1（磁化水质，供液管外安装强磁水处理器）、T2（无机酸处理，营养液浓度达到预设EC值后加入稀盐酸除垢剂调节pH至5.8～6.0）、T3（有机酸处理，营养液浓度达到预设EC值后加入食品级一水柠檬酸除垢剂调节pH至5.8～6.0）以及CK（仅以营养液灌溉，不做水质处理），每个处理3次重复，进行完全随机试验。

表3 试验设计Tab.3 Experimental design

1.5 测定项目与方法

1.5.1 番茄植株生长指标

缓苗期结束后各处理随机挑选3株番茄挂牌标记，并统一测定一次生长指标，之后每10 d测定一次。

（1）株高与茎粗。株高使用卷尺自番茄植株基部至植株生长最高点测量；茎粗使用电子游标卡尺于高于植株基部2 cm处测量。

（2）叶面积修正系数与最大叶面积。随机选取10个叶片，测量其叶长叶宽，之后通过纸重法测量其叶面积，将纸重法测得叶面积与对应叶长叶宽之积做比平均后得出番茄植株的叶面积修正系数为0.79。每次挑选每株最大展开叶，使用卷尺测其叶长L、叶宽W，由式（1）与叶面积修正系数计算得出最大叶面积。

1.5.2 番茄果实体积与质量

待番茄第二穗果完全成熟时，摘取第二穗果全部果实，各处理摘得果实随机任取3颗，使用电子游标卡尺测量其横径、纵径、高，3组数据相乘所得数据代表番茄果实体积；使用电子称测量其果实鲜质量；鲜质量测量完毕后，用烘箱105 ℃杀青40 min，之后调节烘箱温度为60 ℃，每隔8 h取出番茄测定一次质量，直至连续3次番茄质量相同为止，将末次所测质量作为番茄果实干质量。

1.5.3 番茄果实营养成分测定

待番茄第二穗果全部采摘完毕，各处理随机任取3颗果实，测定其可溶性总糖含量（蒽酮比色法）、维生素C含量（碘量法）以及全氮含量（凯式滴定法）。

1.5.4 雾化喷头堵塞情况

于进入苗期开始灌溉营养液并进行水质处理的第一日18:00记录水表读数，通过计算得出当日各处理平均流量q0j，作为各组雾化喷头初始平均流量。此后每日18:00记录读数，并计算出当日各处理平均流量qij。由于储液桶半埋深于地下，水温偏差不大，且通过减压阀以及压力表控制各处理工作压力相同，故温度与压力对流量的影响忽略不计。通过式（2）计算各处理雾化喷头相对堵塞流量Rbf作为评价灌水器堵塞情况的指标。

式中：各符号脚标，i表示试验进行的时间，j用以区分不同试验组。

按照国际抗堵塞标准，一般灌水器相对堵塞流量大于25%时，认为发生了堵塞情况，因此，将灌水器的堵塞情况分为4种进行评价，分别为未堵塞（Rbf≤25%）；一般堵塞（25%＜Rbf≤50%）；严重堵塞（50%＜Rbf≤75%）；完全堵塞（75%＜Rbf≤100%）[13]。

1.6 数据处理

本试验数据通过SPSS软件和origin2022b进行数据分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同水质处理对番茄植株生长指标的影响

图1为各处理番茄植株生长指标随时间的变化曲线，其中番茄植株株高增长总体呈现由快变慢的变化趋势，其中T1，T2，CK 3组植株株高生长速度减小幅度并不明显，T3处理在定植后7～27 d长势最快，增长量为47.52 cm，与其他3组差异显著，27 d后生长速度有所衰减，低于其他3组生长速度，且与其他组植株株高差异越来越小，57 d后T1、T2、CK植株株高先后超过T3处理，至77 d，T2、T3两组株高均显著低于T1，且T3处理最低与CK有显著差异，只有115.93 cm，T1处理株高最高，高达143.90 cm。

图1 不同水质处理番茄植株生长指标随时间变化趋势Fig.1 Variation trend of plant height and stem thickness of tomato under different wate treatments

由图1所示，番茄植株茎粗生长趋势较为一致，均由快变慢。7～17 d，T1组茎粗增长量最高，为2.6 mm，与T2、CK差异显著，与T3无显著差异，说明T1处理在苗期对番茄植株茎粗生长有促进作用。27 d后，4组植株茎粗均无显著性差异，试验末期T1处理茎粗生长量最高，T2次之，CK组在末期仅高于T3。这说明整体来看，在苗期对番茄植株茎粗表现促进作用的T1处理对番茄植株整个生长发育期茎粗无显著促进作用，T3对番茄植株茎粗的生长有抑制作用，但不明显。

根据图1中番茄植株叶面积随时间变化的四条曲线斜率可知，4组处理的番茄植株叶面积变化趋势较为一致，27 d之前，苗期4组番茄植株叶面积增长较快，其中T3处理叶面积增长量最多，说明T3处理对苗期番茄植株叶面积生长有促进作用；27～47 d，4组处理番茄植株叶面积增长速度有所衰减；47 d后，进入果实膨大期，所测4组处理番茄植株最大叶面积基本长至番茄单叶面积最大值，叶面积大小随时间变化不明显。

不同处理对不同时期番茄植株各项生长指标的影响见表4。整体来看，各水质处理对番茄植株生长指标的影响主要体现在影响植株株高，对茎粗有影响但不显著，对番茄植株叶面积无显著影响。在苗期T1、T2、T3均对苗期番茄植株株高生长有一定的促进作用，其中T3最为显著，T2处理与T1处理相比对苗期番茄植株茎粗生长存在抑制作用，但两组处理与CK均无显著性差异，对番茄植株茎粗影响不大；进入结果期，T3处理番茄植株株高生长速度明显下降，且株高与T1、T2两组已无显著性差异，番茄植株茎粗与叶面积均无显著性差异；盛果期T2、T3处理对番茄植株株高存在抑制作用，其中T3处理组番茄植株株高最低，与T1、CK均存在显著性差异，T2处理与CK相比，对番茄的抑制作用不显著，4组处理之间茎粗与叶面积仍无显著性差异。

表4 不同水质处理对不同时期番茄植株生长指标的影响Tab.4 Effects of different water treatments on growth indexes of tomato plants in different periods

综合分析，调节水质对番茄植株的生长的影响主要体现在影响番茄植株株高的生长，苗期T3处理对番茄植株生长有显著的促进作用，这是由于适量的柠檬酸根离子对苗期番茄植株生根有一定的促进作用，通过促进番茄幼苗前期生根影响番茄植株在苗期生长较快，植株株高增长量较多，这一结果与靳琇等[12]研究发现柠檬酸促进番茄幼苗生长与积累生物量的结论相一致；苗期之后，随着营养液浓度的逐渐增大，T2、T3处理调节pH所需酸的用量增多，由于T3使用柠檬酸，电离程度较弱，因此柠檬酸用量更多，使得T3营养液浓度远高于T1、CK，过高的营养液浓度对番茄植株生长表现出抑制作用，使得番茄植株生长速度不断降低，直至试验最后番茄植株生长指标最低。T1、T2、CK3组植株苗期生长情况无显著差异，且长势基本一致，直至末期T1与T2有显著差异，均与CK无显著差异，说明T1、T2两组处理对番茄植株生长无抑制作用，T1处理比T2处理更有利于番茄植株的生长。综上所述，苗期适宜的柠檬酸调节营养液pH处理会促进番茄植株的生长，但后期随着营养液浓度的逐渐升高，调酸加入的过多的柠檬酸使得营养液浓度过高，对番茄植株生长的体现出抑制作用，磁化水处理与无机调酸处理对番茄植株生长均无显著影响。

2.2 不同水质处理对番茄果实产量及品质的影响

如表5所示，T1处理番茄体积最大，显著高于其他3组，为310.79 cm2，CK组果实体积次之，为257.39 cm2，但与T2、T3无显著差异；T1处理番茄果实鲜质量最大，为183.87 g，CK处理番茄果实鲜质量次之，为158.43 g，两组呈显著性差异，T1处理果实鲜质量较CK提高16%，T2、T3两组处理鲜质量无显著差异，分别为143.67 g及131.37 g，T2与T1差异显著，T3与T1、CK两两之间差异显著；4组处理果实干质量，其中T1干质量最大，为22.87 g，CK组次之，T1、CK两组显著高于T2、T3，T3为4组果实干质量最小，仅有15.33 g；4组处理果实含水率间无显著性差异，其中T2、T3两组含水率较高，分别为89.14%和88.39%，T1处理较小，为87.63%，CK组最小，为86.13%。

表5 不同水质处理对番茄果实体积及质量的影响Tab.5 Effects of different water treatments on the volume and quality of tomato

不同水质处理对番茄果实品质的影响如表6所示，4组不同的水质处理方式在总糖、维生素C以及全氮含量3方面均无显著差异。总糖含量CK组最高，为7.32 g/100g，T2组最低，为6.17 g/(100 g)；维生素C含量T3最高，为20.41 mg/(100 g)，CK组最低，为17.72 mg/(100 g)；全氮含量T1组最高，为0.135%，CK组最低为0.125%。这说明不同水质处理对番茄果实的品质均无显著影响。

表6 不同水质处理对番茄果实品质的影响Tab.6 Effects of different water treatments on fruit quality of tomato

综上所述，不同水质处理对番茄果实体积、鲜质量及干质量影响显著，对含水率无显著影响，说明磁化处理对于番茄果实体积以及果实质量均有积极影响，T2、T3处理的果实质量均显著低于CK组，说明调酸处理对果实质量存在消极影响，综合考虑番茄单果质量以及品质等指标，T1处理最优。

2.3 雾化喷头抗堵塞试验分析

不同水质处理方式下雾化喷头相对堵塞出流量与雾化时间的关系如图2所示，由图2中可以看出随着雾化时间的延长，不同水质处理下的雾化喷头相对堵塞流量均逐渐增大，其中，T2堵塞程度最轻，Rbf为17.68%，T1次之，Rbf为18.09%，T3堵塞情况略有加重，Rbf为21.9%，接近于一般堵塞，CK的堵塞情况最为严重，于第62日达到一般堵塞（EC＞25%），且到试验结束Rbf为33.0%。根据灌水器堵塞评价方法认为，在试验期内，T1、T2、T3均未发生堵塞，CK发生一般堵塞。

图2 雾化喷头相对堵塞流量与雾化时间的关系Fig.2 The relationship between relative blocking flow of atomizing nozzle and atomizing time

由于番茄不同生理发育期配给的营养液浓度不同，因此对雾化喷头Rbf与雾化时间进行分段拟合，发现不同水质处理方式下雾化喷头Rbf与雾化时间在番茄不同的生理发育期均呈现良好的线性关系，即：

式中：t为雾化时间；a、b均为常数。

拟合结果见表7。a为拟合直线的斜率，代表雾化喷头堵塞情况加剧的快慢。4组试验处理番茄苗期堵塞较快，番茄开花坐果期有所减慢，番茄果实膨大期又加快且比番茄苗期堵塞更快，4组雾化喷头堵塞程度对雾化时间的增加均呈现出“敏感—微敏感—极度敏感”的动态规律。结合图，4组雾化喷头在苗期与开花结果期营养液EC值增大时，a反而变小，这与刘国宏等[14]，Pei等[15]研究微润灌与滴灌发现对应灌水器的堵塞情况随灌溉时间的增加呈现出分段线性变化的规律一致，且在开花坐果期结束时堵塞情况无太大差别，说明前两段时期营养液的浓度不高，雾化时间仍是影响雾化喷头堵塞的主要因素。4组处理中，T2，T3在前两段时期堵塞情况较其他两组严重，雾化时间每延长1 d，苗期堵塞程度分别增加0.26%和0.248%，均高于CK，这是由于营养液浓度较小，pH对堵塞的影响不明显，为调节pH加入的柠檬酸与稀盐酸反而增大了营养液中的离子浓度，使得雾化喷头的堵塞情况增加；开花结果期堵塞程度分别增加0.144%和0.185%，T2低于CK，T3高于CK，这是由于营养液浓度增大，调节pH对堵塞的影响有所体现，但由于柠檬酸电离常数低，酸性较盐酸弱，因此调节到相同pH柠檬酸的用量多，使得营养液中离子浓度更大，反而体现不出柠檬酸对堵塞的作用；进入盛果期，营养液浓度增量大，各组雾化喷头堵塞程度对雾化时间的敏感性均有不同程度的增强，其中CK最为严重，雾化时间每延长1 d，堵塞程度加剧1%，T2、T3在浓度较高时抗堵塞作用均有所体现，雾化时间每延长1 d，堵塞程度分别加剧0.38%、0.49%。通过整个灌溉期来看：T1在3段灌溉期a值均低于CK，说明通过磁化断裂水中氢键减少络合物生成这一方式在各个浓度下均表现出良好的抗堵塞作用；T2在苗期加剧了堵塞作用，在后两段表现出抗堵塞作用，且到试验期最后喷头堵塞程度最轻；T3在前2段由于柠檬酸电离程度低，加剧了雾化喷头的堵塞，在浓度较高时体现出了调节pH的抗堵塞作用，雾化喷头堵塞情况在3种水质处理中最为严重。

表 7 不同阶段雾化喷头相对堵塞流量与雾化时间线性拟合Tab.7 Linear fitting of relative blockage flow rate and atomization time of atomizing nozzle in different stages

3 讨 论

本试验通过对雾培番茄进行防堵塞水质预处理，探究3种水质处理对雾化灌水器堵塞预防效果以及对雾培番茄的生长指标、产量以及果实品质的影响，进而说明何种水质处理方式有实际农业应用价值。

研究结果表明，苗期适宜的柠檬酸调酸水质处理方式对番茄植株的生长有显著的积极影响，这与靳琇等[12]的结论基本一致；随着番茄生长进入开花结果期和盛果期，T2处理番茄植株生长优势越来越小，至试验期最后显著低于CK组，这是由于营养液浓度不断增大，两种调酸处理所用酸也随之增多，柠檬酸由于电离程度较弱，用量更多，导致营养液浓度过高，对番茄植株根系造成高浓度盐分胁迫，导致番茄植株对营养液吸收较为困难，这与柳美玉等[16]研究发现番茄养分吸收效率随营养液浓度的增大而先增大后减小的结果相一致；而无机调酸处理与磁化处理对番茄植株生长均无显著影响，磁化处理略优于无机调酸处理和CK，这与张佳等[9]研究发现磁化水灌溉增强番茄植株吸收养分和水分的能力的结论相似。

本研究发现，磁化水处理对雾培番茄的单果体积、质量有显著的积极影响，这与郑剑超等[17]的研究结果相一致；T2、T3对番茄果实的单果体积、鲜质量及干质量表现出不同程度的消极影响，说明调酸处理对番茄果实的生长有抑制作用，这可能是由于调酸处理在盛果期营养液浓度过高，使得番茄根系收到高浓度胁迫，养分和水分吸收能力降低，从而影响了果实的生长，T3处理的果实体积及质量略低于T2处理，这可能是由于T3组柠檬酸用量多，使营养液浓度高于T2，对番茄果实生长影响更大。3种水质处理方式对番茄果实的总糖含量、维生素C含量以及全氮含量均无显著影响，综合番茄的单果质量以及营养物质含量分析，磁化水处理更有利于番茄果实的生长。

通过对4组试验组每日流量的跟踪记录，发现4组试验组堵塞情况随时间的变化趋势相似，均为“快—慢—快”，这与刘国宏等[14]的研究结论基本一致；在番茄幼苗期，营养液浓度低，此时灌水器堵塞情况受营养液浓度影响较为敏感，两组调酸处理单位时间堵塞增量均高于CK；进入番茄开花结果期，营养液浓度升高，营养液pH对堵塞的影响有所体现，T2组单位时间堵塞增量低于CK，由于柠檬酸电离程度较弱，提高了营养液的浓度，使得T3组堵塞情况比CK严重；进入盛果期，营养液浓度再次升高，T1、T2、T3堵塞情况均比CK有所改善，其中T1、T2两组堵塞情况相似，T3较为严重，这说明在营养液浓度较高时，3组处理较CK均能改善雾化灌水器堵塞情况，T1、T2两组效果较好。

相比于磁化水处理，柠檬酸调酸处理对番茄果实的生长抑制作用与柠檬酸跟离子本身的化学性质和柠檬酸调酸对改善雾化灌水器的堵塞情况效果不良均可能有关，这一机理仍需进一步研究。

4 结 论

综合整个试验周期的番茄生长情况、结果情况以及灌水器的堵塞情况，采用T1处理即磁化水有利于雾培番茄的生长发育以及雾化灌水器的日常使用；在番茄幼苗期于低浓度营养液中添加适量柠檬酸能促进番茄幼苗前期的生长发育，而营养液浓度较高时柠檬酸的用量对番茄果实生长的抑制效果显著，因此在整个生育期均使用磁化水，苗期加入适量柠檬酸，开花结果期及以后停止加入柠檬酸这一方式对雾培番茄生长以及灌水器防止堵塞最为有利。