适于北京地区设施番茄生长的生态化栽培基质筛选研究
2024-03-03聂青赵懿李婷刘士华王立征曲明山
聂青 赵懿 李婷 刘士华 王立征 曲明山
摘 要：為筛选出适宜北京地区设施番茄生产的生态化栽培基质，以蚯蚓粪、菇渣和粉煤灰等废弃物资源为原料，部分替代草炭，同时添加有机肥进行不同比例的混配，开发了生态化园艺栽培基质，在北京市密云区进行设施番茄生产，筛选出了适于番茄生产的生态栽培基质。结果显示：与传统栽培基质相比，利用基质4（草炭 ∶ 蚯蚓粪 ∶ 有机肥 ∶ 土=3 ∶ 4 ∶ 1 ∶ 2）生产的番茄生长情况、产量、品质和水分生产效率均表现为最好，定植后50 d，基质4栽培的番茄株高最高（173.8 cm），较对照（CK）提高5.33%，差异显著；最终产量较CK生产的番茄提高29.31%；Vc含量和可溶性固形物含量显著提高，Vc含量达到207.8 mg·kg-1，较CK处理高7.8%，差异达显著水平；可溶性固形物含量为4.1%，较CK提高21.78%，差异极显著；水分生产效率为31.32 kg·m-3，较CK处理高30.71%，达到显著差异。综上，草炭、蚯蚓粪、有机肥和土4种物质混配比例为3 ∶ 4 ∶ 1 ∶ 2的生态化基质适宜北京地区设施番茄生长。
关键词：北京；设施番茄；生态化；基质；筛选
中图分类号：S641.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.01.004
Ecologicalization of Facility Tomato Growth in Beijing Study on Cultivation Substrate Screening
NIE Qing1， ZHAO Yi2， LI Ting1， LIU Shihua3， WANG Lizheng3， QU Mingshan1
（1. Beijing Agricultural Technology Extension Station， Beijing 100029， China; 2. Yanqing District Agricultural Technology Extension Station， Beijing 102100， China; 3. Miyun District Soil and Fertilizer Station， Beijing 101500， China）
Abstract： The purpose of this study is to screen out the ecological cultivation substrate suitable for tomato production in Beijing area. The ecological horticultural cultivation substrate was developed by using waste resources such as earthworm manure， mushroom residueand fly ash as raw materials， and the ecological cultivation substrate suitable for tomato production was screened out. Compared with the traditional cultivation substrate， the growth， yield， quality and water production efficiency of tomato produced by substrate 4 （peat ∶ vermicompost ∶ organic fertilizer ∶ soil=3 ∶ 4 ∶ 1 ∶ 2）were the best. After 50 days of planting， the plant height of tomato cultivated by substrate 4 was the highest， which was 173.8 cm， 5.33% higher than that of the control substrate（CK）， and the difference was significant. The final yield was 29.31% higher than that of CK. Vc content and soluble solids content increased significantly， Vc content reached 207.8 mg·kg-1，7.8% higher than CK treatment， the difference was significant. The soluble solids content was 4.1%， which was 21.78% higher than CK treatment， and the difference was extremely significant. The water production efficiency was 31.32 kg·m-3，which was 30.71% higher than that of CK treatment. In conclusion，the ecological substrate with a mixture ratio of peat， vermicompost， organic fertilizer and soil of 3 ∶ 4 ∶ 1 ∶ 2 is suitable for the growth of greenhouse tomato in Beijing.
Key words： Beijing; facility tomato; ecological; matrix; screening
栽培基质起源于无土栽培的概念，通常被称为营养基质，其好坏直接影响植物的生长和发育。有关栽培基质的研究在国内外已有150余年历史，早在19世纪60年代Boussingault和Salm-Horstmar就通过试验证明植物可以通过稳定支撑的基质吸收营养并正常生长[1]。目前，土壤栽培存在不同程度的连作障碍问题，基质栽培不仅能为植物提供稳定协调的水、肥、气结构的生长介质，也是克服连作障碍的有效途径之一[2-3]。随着数字化技术的发展以及在设施农业中的应用，欧洲、美国、日本等发达国家的现代化温室控制技术已经成为无土栽培技术的显著标志[4]。我国作为设施园艺大国，国土辽阔、资源丰富，但基质栽培面积所占比例不足1%，与荷兰等发达国家存在很大差距[5-6]。
栽培基质的不同分类方法如下：按照基质的来源分类，可分为天然基质和人工合成基质；按照基质的组成来分类，可分为无机基质和有机基质；按照基质的性质可分为惰性基质和活性基质。单一基质在某些理化性状上存在一定的缺陷难以满足作物生长要求[7]，如珍珠岩和细砂的持水能力低，棉籽壳、草炭资源有限，岩棉易污染环境等。在工厂化栽培研究中，综合考虑各种基质的理化性质，进行多种基质的混配使用以及新型有机基质的开发利用等，成为学者们研究的重点。
草炭是短期内不可再生资源，随着近些年的开采，资源量已大幅减少，且严重破坏了湿地的生态环境，因此寻找新型环保的栽培基质替代草炭已成为研究热点[8]，目前各国学者通过利用腐烂的树皮树叶、蘑菇渣等农业和园林废弃物进行栽培试验，均取得了较理想的效果，也开展了有机基质栽培的有机肥施用、化肥施用和有机无机配施等技术研究[9-10]。农林废弃物具有数量巨大、再生周期短、可生物降解、环境友好等优点，对其进行人工合成以实现对草炭等不利于可持续发展基质的替代，将是今后一个时期内基质开发的主流和方向[11]。但大多数混配方式仍处在试验阶段。Jing等[12]认为，椰糠能够显著提高番茄果实第一穗果的有机酸含量，是可以广泛用于番茄生产的基质。王鹏等[13]研究结果表明，草炭和菌渣合理搭配，可明显促进番茄的生长发育，果品品质得到显著改善。董丽华等[14]研究结果表明，蚯蚓肥对于番茄的生长发育及品质产量的提升有显著影响，可作为环保的栽培基质进行使用。
本试验选取蚯蚓粪、菇渣和粉煤灰等农业废弃物为主要原料，部分替代草炭，同时添加有机肥，进行混配，拟筛选出适于番茄生产的生态化栽培基质。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验在密云北庄试验基地（117°05′58″E，40°26′16″N）进行，采用400波纹管废弃物栽培基质，栽培管长6 m×宽40 cm×高20 cm，中心距1.5 m。2021年12月29日定植，供试番茄品种为京彩6号。试验基质分别由北京市延庆区大地聚龙有限公司和河北龙庆生物科技有限公司提供。
生产营养液采用N-P2O5-K2O配比为26-12-12和18-8-26的水溶肥，由尿素（N 46%）、磷酸一铵（N 12%、P2O561%）和硫酸钾（K2O 52%）配置而成。根据植株长势、天气、检测结果，对营养液进行动态管理，同时，根据植株长势、天气情况、温度变化及时调整灌溉策略。具体施肥策略和灌溉策略见表1和表2。
1.2 试验处理
试验选取蚯蚓粪、菇渣和粉煤灰等农业废弃物为主要原料，并添加有机肥和土进行混配，对照（CK）为常规基质配比，其他处理分别按照草炭减量40%和60%，由蚯蚓粪、菇渣、粉煤灰等农业废弃物替代，并搭配有机肥或土壤，共设置6个处理，3次重复。6种基质的理化性状和养分含量如表3和表4，进行随机区组排列。
CK组成为草炭∶珍珠岩∶蛭石=2∶1∶1；
基质1组成为草炭∶蚯蚓粪∶蛭石=3∶4∶3；
基质2组成为草炭∶蚯蚓粪∶菇渣∶蛭石=3∶4∶1∶2；
基质3组成为草炭∶蚯蚓粪∶菇渣∶土=3∶4∶1∶2；
基质4组成为草炭∶蚯蚓粪∶有机肥∶土=3∶4∶1∶2；
基质5组成为草炭∶粉煤灰∶菇渣∶有机肥∶土=3∶4∶4∶2∶1。
1.3 测定指标与计算方法
基质混配后分别测定6种基质的容重、比重、pH值和EC值，以及养分含量，计算基质总孔隙度。容重测定采用环刀法测定，比重采用比重瓶法测定，pH值采用pH计电位法测定，EC值采用电导法测定。基质全氮、全磷和全钾分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和原子吸收分光光度法测定，有机质采用重铬酸钾-浓硫酸氧化，硫酸亚铁溶液滴定法测定。定植后10、25、50 d，分别测定番茄株高和茎粗，番茄成熟后测定硝酸盐、Vc和可溶性固形物含量，硝酸盐含量采用分光光度计法测定，Vc含量的测定采用2，6二氯靛酚滴定法，可溶性固形物含量测定采用阿贝折射仪法。不同基质的栽培方式分别计产，并用产量除以灌水量计算水分生产效率。根据不同基质的市场价格和肥料、番茄的市场价格计算经济效益。
2 结果与分析
2.1 各处理间的基质物理性质比较
栽培基质的理化性状与作物生长有直接相关，理化性状是评价基质优劣的重要指标之一。由表3的测定结果可知，基质1、基质2、基质3、基质4、基质5容重均高于CK，基质4容重最高（0.5 g·cm-3），基质的容重为0.1～0.8 g·cm-3时栽培效果较好，5种基质的容重均在此范围内。基质1、基质2、基质3、基质4、基质5添加各种有机无机材料后，比重均高于CK，基质1比重最高（2.13 g·cm-3），显著高于常规草炭基质CK，表明各基质对作物的支撑作用均加强。栽培基质的总孔隙度反映了基质容纳空气和水分的空间总和，基质1、基质2、基质3、基质4的总孔隙度均高于或等于CK，基质3的总孔隙度最高（82%），基质5的总孔隙度最低，但各处理的总孔隙度均在作物适宜生长的范围内（54%～96%）[15]。基质的通气孔隙度反映了基质通气能力，基质1、基质2、基质4、基质5的通气孔隙度略低于CK，基质3的通气孔隙度略高于CK，但差異不显著。
基质pH值是基质化学性状的一个重要评价指标，反映栽培基质的缓冲能力。此次处理中，5种处理栽培基质的pH值均显著高于CK，为中性偏碱，基质3最高，基质1最低，但5种处理间差异不显著。EC值是反映基质水溶液中离子总浓度的指标，基质1、基质2、基质3、基质4、基质5的EC值均高于CK，其中，基质2最高（3.29 ms·cm-1），基质4最低（2.06 ms·cm-1）。
由表4可知，基质1、基质2、基质5的全氮均高于CK，基质3和基质4的全氮含量略低于CK，但差异不显著；5种基质的全磷含量均高于CK，基质1、基质2、基质5与CK相比达到显著水平；5种基质的全钾含量低于CK，但未达到显著水平；基质2和基质5的有机质含量高于CK，其他基质的有机质含量低于CK，只有基质3与其他处理相比达到显著水平。
2.2 不同栽培基质对番茄生长的影响
2.2.1 对番茄株高的影响 由表5可以看出，不同基质对番茄株高的影响不同。定植后10 d，番茄在缓苗期，各处理平均株高分别为21.3、22.1、21.5、21.2、21.9、21.7 cm，各处理差异不显著。缓苗结束后，各生态型基质栽培的番茄生长速度明显加快。定植后25 d，基质4和基质5栽培的番茄株高最高，较CK高3.71%和3.27%，差异不显著。定植后50 d，基质4栽培的番茄株高最高（173.8 cm），较CK高5.33%，与CK、基质2、基质5相比差异显著。
2.2.2 对番茄茎粗的影响 由表6可以看出，不同基质栽培的番茄茎粗存在差异。定植后10 d（番茄缓苗期间），各处理番茄茎粗无显著差异。定植后25 d，各生态型基质栽培的番茄茎粗均高于CK。其中，基质5栽培的番茄茎粗最高（13.03 mm），较CK高7.95%；定植后50 d，基质1、基质2、基质3、基质4、基质5栽培的番茄茎粗均高于CK，且差异显著，以基质3栽培的番茄茎粗最高（21.51 cm），且基质3、基质5与基质2差异显著。
2.3 不同栽培基质对番茄产量的影响
不同基质生产的番茄产量如图1所示，基质4和基质5生产的番茄产量最高，分别为84 088.5、84 127.5 kg·hm-2，较CK高29.31%和29.38%，较基质1、基质2和基质3的产量也显著提高。
2.4 不同栽培基质对番茄品质的影响
硝酸盐是影响农产品安全的重要指标，世界卫生组织（WHO）和联合国粮农组织（FAO）制订了食品中硝酸盐的限量标准，该标准规定蔬菜中硝酸盐含量小于432.0 mg·kg-1为一级标准，一级标准的蔬菜允许生食[16]。本试验中，各处理的硝酸盐含量均小于一级标准指标，基质1、基质2、基质3、基质4、基质5栽培的番茄硝酸盐含量均低于CK，基质2栽培的番茄硝酸盐含量最低，较CK处理低25.27%；Vc是表征番茄品质的重要指标，基质4栽培的番茄Vc含量最高（207.8 mg·kg-1），较CK高7.8%，差异达显著水平；可溶性固形物是表征番茄风味的重要指标，基质4栽培的番茄的可溶性固形物含量最高，较CK处理高21.78%（表7）。
2.5 不同栽培基质对水分生产效率的影响
水分生产效率反映了用水量的投入产出效率，是衡量农业生产水平和农业用水科学性和合理性的综合指标。如表8所示，不同基质生产番茄的水分生产效率不同。基质4的水分生产效率最高（31.32 kg·m-3），较CK处理高30.71%，达到显著差异水平。
2.6 不同栽培基质对经济效益的影响
按照每公顷地所需基质量为450 t，整个生育期每株番茄所需化肥为0.04 kg计算，具体投入产出如表9所示，基质1的成本最高（23.4元·m-2），基质4与基质5的产值最高（100.9元·m-2），基质4和基质5的经济效益分别为802 401.0、 843 421.5元·hm-2。
3 讨论与结论
草炭是当前使用最广泛、效果最稳定的基质原料，但从长远来看，可供开采的草炭储备远不能满足实际使用需求。本试验中，通过减少草炭的比例，利用农业废弃物部分替代草炭，进行不同比例搭配，从各处理基质的理化性质分析来看，所有处理的基质理化性状均能满足作物生长的要求。基质4的理化性状能够满足番茄栽培条件，养分含量可以为作物提供部分养分，并可减少草炭用量40%。
番茄的高产始终是种植户追求的目标，本试验中，除基质3处理以外，其他处理的基质生产的番茄产量均明显高于CK，尤其以基质4和基质5处理的番茄产量较高，基质4处理比CK产量提高了29.31%。原因可能与基质中添加了有机肥相关。Fan等[19]研究显示，施用有机肥较施用纯化肥可提高番茄产量3.48%；而聂大航等[20]研究结果表明，增施有机肥可以增加番茄果实对营养元素的吸收，施用有机肥部分替代氮肥可以促进番茄对N、P、K养分的吸收、积累，提高番茄的产量，改善番茄果实的品质。
Vc和可溶性固形物是影响番茄品质的重要因素[21]。本研究结果显示，基质4处理的番茄Vc含量和可溶性固形物含量最高，而且硝酸盐含量较CK有所降低，番茄品质得到了提升。原因可能是蚯蚓粪、有机肥和土壤混配的基质发挥了共同促进的作用，与蚯蚓粪可以增加番茄根际土壤细菌、真菌和放线菌的数量，并提高土壤微生物生物量碳氮及过氧化氢酶与脲酶活性有关[17-18]。
水分生产效率是衡量农业生产水平和农业科技水平的指标之一。本试验中，利用基质4生产的番茄水分生产效率最高，较CK提高了30.71%。这可能与基质4中添加土壤的比例最高有關。
此次研究综合考虑番茄生长指标、产量、品质各项指标、比较经济效益的情况下，初步筛选出基质4（草炭 ∶ 蚯蚓粪 ∶ 有机肥 ∶ 土=3 ∶ 4 ∶ 1 ∶ 2）为较适宜番茄生长的生态型基质。
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收稿日期：2023-05-05
基金项目：北京市设施蔬菜创新团队项目（BAIC01-2024）
作者简介：聂青（1975―），女，内蒙古丰镇人，正高级农艺师，硕士，主要从事肥料技术研究。
通讯作者简介：曲明山（1981―），男，山东省烟台人，正高级农艺师，主要从事肥料技术研究。
