熊 靜 陳 清 王敬國 劉 偉

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心， 北京 100097)

供液方式對番茄基質(zhì)栽培鹽分累積與養(yǎng)分利用率的影響

熊 靜1,2陳 清1王敬國1劉 偉2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心， 北京 100097)

基質(zhì)栽培； 開放式； 封閉式； 電導(dǎo)率； 離子組成； 養(yǎng)分利用效率

引言

與土壤栽培相比，基質(zhì)栽培可供作物根系生長的有效體積為10～15 L/m2，有限的栽培環(huán)境使得系統(tǒng)中可利用的水分和養(yǎng)分含量較低，僅為作物所需水肥總量的2%～5%[1]。為保證作物的正常生長，充足的水肥供應(yīng)極為重要?；|(zhì)栽培中水肥(營養(yǎng)液)的供應(yīng)方式為開放式和封閉式。開放式是指回流液直接排出不再循環(huán)利用。實際生產(chǎn)中該方式使得20%～80%的水肥被排出進(jìn)入外界環(huán)境[2]，造成資源的極大浪費和環(huán)境污染[3-5]。封閉式是指回流液被循環(huán)使用。該供液方式具有環(huán)境污染小、水肥利用效率高等優(yōu)勢[6]。在實際生產(chǎn)中，因作物水肥吸收量會隨氣象因素、作物生長速率和生育期的改變而改變，使得2種供液方式中均存在根區(qū)環(huán)境電導(dǎo)率高、養(yǎng)分離子比例失衡等問題[7-10]，封閉式因回流液的循環(huán)使用使得該問題更為嚴(yán)重[11]。

圖2 不同供液方式示意圖Fig.2 Designs of different culture systems

為減緩根區(qū)鹽分累積和養(yǎng)分離子比例失衡，需定期對營養(yǎng)液管理措施和配方進(jìn)行調(diào)整。營養(yǎng)液管理措施與配方的調(diào)整由根區(qū)養(yǎng)分組成情況、作物生長階段、氣象條件等諸多因素共同決定。目前，我國基質(zhì)栽培因相關(guān)基礎(chǔ)研究不足，導(dǎo)致營養(yǎng)液管理粗放，使得基質(zhì)栽培出現(xiàn)栽培周期短、產(chǎn)量和品質(zhì)低等問題。為實現(xiàn)營養(yǎng)液管理與栽培系統(tǒng)實際情況的有機結(jié)合，提升我國基質(zhì)栽培水平，了解不同供液方式下作物養(yǎng)分吸收規(guī)律和根區(qū)鹽分累積特征是實現(xiàn)營養(yǎng)液科學(xué)管理的重要前提。本文對不同供液方式下根區(qū)電導(dǎo)率、鹽分離子組成與比例變化特征、作物養(yǎng)分吸收規(guī)律等進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期為實現(xiàn)基質(zhì)栽培營養(yǎng)液科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 溫室概況

試驗于2014年9月—2015年5月在北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗期間溫室內(nèi)溫度和光照強度如圖1所示，CO2平均摩爾比為432 μmol/mol，平均空氣相對濕度為62.8%。

圖1 試驗期間溫室內(nèi)光照和溫度情況Fig.1 Light intensity and temperature in greenhouse

1.2 供試材料

栽培基質(zhì)為椰糠，購于荷蘭捷菲公司。供試作物為番茄，品種為佳麗14，果實類型為硬皮中果型，購于荷蘭瑞克斯旺公司。于2014年9月1日進(jìn)行穴盤播種，22 d苗齡時選取長勢一致的秧苗移栽至椰糠育苗塊上，2014年10月11日定植。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)2種營養(yǎng)液供液方式：開放式(Open system，OS)和封閉式(Closed system，CS)，不同供液方式結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。整個生育期內(nèi)開放式與封閉式處理植株澆液總量一致，通過澆液時間和流量計控制澆液量。每次澆液20 min，坐果前每天澆液2次，坐果后每天澆液4次。營養(yǎng)液灌溉方式為滴灌。每個處理設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)10個種植袋，種植袋尺寸為100 cm×20 cm×10 cm，每個種植袋中種植3株番茄，種植密度為2.4株/m2。

為研究基質(zhì)鹽分累積情況，種植過程中沒有對基質(zhì)進(jìn)行沖洗。

圖3 生育期不同處理新鮮營養(yǎng)液電導(dǎo)率(EC)和pH值Fig.3 Electrical conductivity and pH value of fresh nutrient solution in different systems

1.4 植株生長管理

番茄采取單桿整枝，定期進(jìn)行整枝、打叉、去老葉和落秧。

1.5 測定指標(biāo)與方法

1.5.1 營養(yǎng)液和根區(qū)溶液采集與分析

1.5.2 植株養(yǎng)分含量測定

在番茄定植初期(定植后17 d)、花期(定植后37 d)、坐果初期(定植后63 d)、采收初期(定植后107 d)、采收后期(定植后178 d)和試驗結(jié)束時分別采集一株完整植株，將其按莖干、葉片和果實進(jìn)行分類，隨后放入干燥箱于105℃殺青30 min，75℃干燥至質(zhì)量恒定，并記錄其質(zhì)量。干樣粉碎后進(jìn)行養(yǎng)分含量的測定。植株N由濃H2SO4-H2O2消解后，采用連續(xù)流動分析儀(AutoAnalyzer 3型，德國SEAL公司)測定；P、K、Ca和Mg由濃H2SO4-濃HNO3-HClO4消解后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP(ICPE-9000型，日本島津公司)測定；S經(jīng)濃HNO3微波消解后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP測定[18]。

1.5.3 番茄產(chǎn)量及臍腐病測定

果實完全轉(zhuǎn)紅后3～5 d進(jìn)行采收，每個小區(qū)中24株植株成熟果實均計入產(chǎn)量數(shù)據(jù)。同時，記錄每穗果中好果數(shù)和臍腐病病果數(shù)。

1.6 統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行錄入、整理和制圖，采用t檢驗進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 電導(dǎo)率

整個生育期內(nèi)，開放式營養(yǎng)液電導(dǎo)率一直維持在2.4 mS/cm左右，封閉式營養(yǎng)液電導(dǎo)率隨生育期延長不斷上升，二者之間差異達(dá)到顯著水平(圖4)。開放式和封閉式根區(qū)溶液電導(dǎo)率均隨生育期的延長而上升，最高值分別達(dá)到11.9 mS/cm和17.2 mS/cm。定植初期，開放式根區(qū)溶液電導(dǎo)率大于封閉式；從定植后121 d起，封閉式高于開放式，并達(dá)到差異顯著水平。由此得知，隨生育期的延長基質(zhì)栽培根區(qū)鹽分累積量不斷增加，封閉式中回流液的循環(huán)使用會加重根區(qū)鹽分累積。

圖4 不同供液方式下營養(yǎng)液和根區(qū)溶液電導(dǎo)率的變化特征Fig.4 Change of electrical conductivity in nutrient solution and root solution in different systems

2.2 鹽分離子濃度與比例

2.2.1 離子濃度

圖5 不同供液方式下營養(yǎng)液和根區(qū)溶液鹽分離子濃度變化特征Fig.5 Changes of salt ion concentration in nutrient solution and root solution in different systems

2.2.2 離子比例

別增加4.8%、1.1%和1.0%。綜合開放式和封閉式營養(yǎng)液與根區(qū)溶液離子比例變化情況可看出，回流液的循環(huán)使用會導(dǎo)致封閉式營養(yǎng)液離子比例的失衡，番茄養(yǎng)分吸收則會導(dǎo)致根區(qū)溶液離子比例失衡。

2.3 番茄養(yǎng)分吸收

隨生育期的推進(jìn)，不同供液方式下番茄葉片各養(yǎng)分含量(質(zhì)量比)變化特征均為：N含量不斷降低；K和Ca含量在進(jìn)入果實膨大期后迅速上升，采收后期保持穩(wěn)定；S含量不斷增加；P和Mg含量變化較小(圖6)。進(jìn)入坐果期后，不同處理間葉片N、K和Ca含量表現(xiàn)為封閉式比開放式分別降低0.4、2.0、3.8 mg/g，P、Mg和S含量基本相當(dāng)。隨生育期的延長，開放式和封閉式果實N、P含量逐漸降低，K含量逐漸上升，Ca、Mg和S含量先增加后降低(圖6)。進(jìn)入坐果期后，封閉式果實N、Ca和Mg含量比開放式分別降低2.3、0.2、0.05 mg/g，P、K和S含量基本相當(dāng)。從不同供液方式下葉片和果實養(yǎng)分含量的差異可看出，封閉式番茄葉片和果實養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)運的抑制現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

表1 營養(yǎng)液與根區(qū)溶液中各離子在總離子濃度中的比例變化特征Tab.1 Ratio of each ion concentration to total ion concentration in nutrient solution and root solution %

注：數(shù)值為整個試驗期內(nèi)13次取樣樣品的均值。同列數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

圖6 不同供液方式下番茄葉片與果實養(yǎng)分吸收特征Fig.6 Nutrient uptake characteristics of tomato in different systems

2.4 產(chǎn)量與臍腐病患病率

隨果穗數(shù)的增長，開放式和封閉式番茄單穗果產(chǎn)量變化趨勢為先增加后降低(表2)。2種供液方式均于第2穗果獲得最高產(chǎn)量，隨后逐漸降低，到第7穗果時，產(chǎn)量僅為第2穗果的50%左右。同時，開放式和封閉式分別于第2、3穗果開始出現(xiàn)臍腐病癥狀；臍腐病患病率均隨生育期的延長不斷增加，到采收后期，開放式和封閉式臍腐病患病率分別達(dá)到29.7%和36.6%。由此可見，較高的電導(dǎo)率和離子比例失衡會導(dǎo)致果實產(chǎn)量和品質(zhì)下降。

表2 不同供液方式下番茄產(chǎn)量與臍腐病患病率變化特征Tab.2 Change of yield and blossom-end rot in different systems

2.5 番茄養(yǎng)分利用率

整個生育期內(nèi)，開放式因回流液未循環(huán)使用，每公頃N、P、K、Ca、Mg和S投入量分別比封閉式高出276.9、66.4、449.6、192.1、46.7、77.9 kg，不同供液方式養(yǎng)分投入量達(dá)到差異顯著水平(表3)。2種供液方式下番茄各器官養(yǎng)分含量、養(yǎng)分帶走量和產(chǎn)量基本相當(dāng)(圖6、表2、表3)，但封閉式中各養(yǎng)分利用率均顯著高于開放式，N、P、K、Ca、Mg和S利用率分別提高11.6%、19.6%、18.9%、11.8%、37.3%和15.9%。可見，封閉式栽培更易實現(xiàn)基質(zhì)栽培的節(jié)水、節(jié)肥與環(huán)境友好型發(fā)展。

3 討論

3.1 供液方式對鹽分累積的影響

表3 不同供液方式下番茄養(yǎng)分利用率Tab.3 Nutrient use efficiency of tomato in different systems

3.2 鹽分累積與番茄水肥需求特征的相關(guān)關(guān)系

3.3 鹽分累積對Ca吸收的影響

3.4 開放式和封閉式栽培的綜合效益評價

從鹽分累積強度和番茄品質(zhì)角度出發(fā)，基質(zhì)栽培更適宜發(fā)展開放式的供液方式，但該方式易造成水肥資源的浪費和農(nóng)業(yè)環(huán)境的污染[3-5]。在相似的種植環(huán)境中，與封閉式相比，開放式每年每公頃約造成2 123～10 000 m3的灌溉水和1.5 t的N損失，并將其排入環(huán)境中造成水體的污染[30-31]。而封閉式不僅可節(jié)約水肥資源，還可能實現(xiàn)產(chǎn)量的小幅度上升[32-33]。本研究中，開放式和封閉式番茄產(chǎn)量分別為82 194 kg/hm2和84 894 kg/hm2。與開放式相比，封閉式產(chǎn)量提高了2 670 kg/hm2，但每公頃N、P、K、Ca、Mg和S養(yǎng)分投入量則分別降低了276.9、66.4、449.6、192.1、46.7、77.9 kg，灌溉水投入量降低了993.6 m3。雖然封閉式供液方式下番茄臍腐病患病率高于開放式，但綜合產(chǎn)量、水肥投入量等多方面因素考慮，封閉式更能實現(xiàn)番茄基質(zhì)栽培的節(jié)水、節(jié)肥和環(huán)境友好型發(fā)展。

3.5 番茄基質(zhì)栽培營養(yǎng)液管理建議

綜上分析，開放式在番茄進(jìn)入坐果期后應(yīng)提高營養(yǎng)液澆液頻率來為番茄提供充足的水分，減緩根區(qū)鹽分的累積；封閉式則需在進(jìn)入采收期后采取該措施。同時，還應(yīng)采取定期沖洗根區(qū)的方式來進(jìn)一步控制鹽分累積。綜合根區(qū)電導(dǎo)率變化特征、番茄基質(zhì)栽培根區(qū)環(huán)境最適電導(dǎo)率(4 mS/cm)[21]和鹽分脅迫臨界電導(dǎo)率[12]3個因素考慮，從定植后60 d起開放式和封閉式均需使用低濃度(1/2標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液濃度)營養(yǎng)液對根區(qū)進(jìn)行沖洗。開放式的沖洗頻率為每14 d沖洗一次；封閉式則為坐果期—果實膨大期每14 d沖洗一次，進(jìn)入采收期后每7 d沖洗一次。用該配方種植番茄時，為控制根區(qū)離子比例失衡和果實缺Ca現(xiàn)象，在番茄進(jìn)入坐果期后應(yīng)提高K和P的投入，控制N、Mg和S的投入。

4 結(jié)論

(2)鹽分累積會導(dǎo)致番茄產(chǎn)量降低與果實臍腐病患病率增加。隨電導(dǎo)率的增加，開放式單穗果產(chǎn)量由7 750 kg/hm2降至4 870 kg/hm2，封閉式由8 277 kg/hm2降至5 250 kg/hm2；到采收后期開放式和封閉式果實臍腐病患病率分別高達(dá)29.7%和36.6%。

(3)與開放式相比，封閉式栽培更能實現(xiàn)番茄基質(zhì)栽培的節(jié)水、節(jié)肥和環(huán)境友好型發(fā)展。

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Effect of Culture Systems on Salt Accumulation in Substrate and Nutrient Use Efficiency of Tomato

XIONG Jing1,2CHEN Qing1WANG Jingguo1LIU Wei2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China2.BeijingVegetableResearchCenter,BeijingAcademyofAgricultureandForestrySciences,Beijing100097,China)

substrate culture; open system; closed system; electrical conductivity; ion composition; nutrient use efficiency

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.030

2016-09-26

2016-11-24

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013AA103004)和北京市果類蔬菜產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊項目(BAIC01-2016)

熊靜(1987—)，女，博士生，主要從事設(shè)施栽培養(yǎng)分管理研究，E-mail： xjhappy.happy@163.com

劉偉(1971—)，女，研究員，博士，主要從事設(shè)施園藝與無土栽培研究，E-mail： liuwei@nercv.org

S317

A

1000-1298(2017)02-0224-08