智能溫室水培番茄結(jié)果期營(yíng)養(yǎng)液性質(zhì)及養(yǎng)分動(dòng)態(tài)研究

張 健，李孝良，2* ，孔衛(wèi)晨，龔馨旭，程勛東，查海涅

(1.安徽科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100;2.農(nóng)業(yè)部生物有機(jī)肥創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233400;3.安徽科技學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100）

隨著居民生活水平的不斷提高以及消費(fèi)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，蔬菜消費(fèi)需求逐步增加，對(duì)蔬菜的種類及質(zhì)量等也提出了更高的要求。近年來(lái)，為了彌補(bǔ)蔬菜的季節(jié)性不足，滿足人們對(duì)蔬菜的多元化需求，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于蔬菜生產(chǎn)領(lǐng)域，提高設(shè)施蔬菜的栽培和管理效率，對(duì)蔬菜生產(chǎn)和發(fā)展方式的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要的意義，智能溫室已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要形態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)是近幾年迅速發(fā)展并為人們所熟知的概念，是世界信息產(chǎn)業(yè)革命的新一次浪潮[1]。用戶可以通過(guò)手機(jī)或者計(jì)算機(jī)隨時(shí)接受各種實(shí)時(shí)采集的精確傳感器數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控溫室內(nèi)視頻傳感器，觀察溫室全面情況，便于作物的精確施肥和管理，從而被人們普遍認(rèn)可。智能溫室水培是用營(yíng)養(yǎng)液或者固體基質(zhì)加營(yíng)養(yǎng)液栽培作物的方法[2－4]。智能溫室水培作為無(wú)土栽培的形式之一，因其具有較深的營(yíng)養(yǎng)液層，各養(yǎng)分、總鹽分、酸堿度以及溫度等都不易發(fā)生劇烈的變化，從而為作物根系創(chuàng)造了一個(gè)較為穩(wěn)定適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于作物更好的吸收養(yǎng)分，不易發(fā)生病蟲害，管理方面較為簡(jiǎn)單，可集約化大批量生產(chǎn)，同時(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)也相對(duì)較好，被人們所接受。近年我國(guó)水培面積發(fā)展迅速，已超過(guò)200hm2[5]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江省農(nóng)科院等對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的配方、氮/鉀比例、氮素形態(tài)、營(yíng)養(yǎng)液性質(zhì)調(diào)控和病蟲害的防治等方面都進(jìn)行了大量的研究，使的水培作物產(chǎn)量和品質(zhì)都取得了一定的成果[6－7]。目前智能溫室水培研究偏重于對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的合理施用，智能溫室水培營(yíng)養(yǎng)液動(dòng)態(tài)變化和調(diào)控管理方面相關(guān)研究相對(duì)較少。本研究擬通過(guò)配施不同配方營(yíng)養(yǎng)液，觀測(cè)智能溫室水培條件下番茄結(jié)果期營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分及性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以期為智能溫室水培番茄營(yíng)養(yǎng)液的合理配施及調(diào)控提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)于2014年7月～11月，在安徽科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)智能溫室中進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)番茄品種為使用華農(nóng)紅櫻桃。常規(guī)方法浸種催芽后，播于6×12穴盤中，以珍珠巖為基質(zhì)。子葉展平后，用營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行澆灌，待幼苗長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)，選取生長(zhǎng)一致的健壯幼苗移栽定植。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，試驗(yàn)在日本園試配方基礎(chǔ)上，設(shè)置三個(gè)不同的氮水平(低氮、中氮、高氮)，6次重復(fù)。其他營(yíng)養(yǎng)元素含量保持一致，同園試配方[8]。各試驗(yàn)處理氮含量見表1。

表1 供試處理營(yíng)養(yǎng)液氮素含量Table 1 The N contents of nutrient solution of the tested treatments

1.4 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年7月在安徽科技學(xué)院種植示范園智能溫室進(jìn)行。試驗(yàn)培養(yǎng)采用長(zhǎng)度4m，截面積10×15cm的PVC管(貯液體積為60L)，營(yíng)養(yǎng)液更換采用智能溫室施肥機(jī)(江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院研制)，通過(guò)施肥機(jī)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)液pH、EC值、養(yǎng)分濃度和比例。試驗(yàn)每水培管定植番茄10株，株距40cm。在番茄結(jié)果期(9月14日至28日)，調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液EC值為2.0ms/cm，pH6.5，從營(yíng)養(yǎng)液加入開始計(jì)時(shí)，每天取樣20mL，測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液中N、P、K含量及pH值、EC值。營(yíng)養(yǎng)液每天用充氣泵增氧2次，每次10min。試驗(yàn)于9月15日，增氧后連續(xù)24h取樣測(cè)定其溶解氧含量(中間不增氧)。

1.5 分析測(cè)定方法

營(yíng)養(yǎng)液pH值的測(cè)定:電位法[9](儀表型號(hào):pH transmitter 8205，電極探頭型號(hào):LEI);營(yíng)養(yǎng)液EC值的測(cè)定:電導(dǎo)法[9](型號(hào):EC305);營(yíng)養(yǎng)液 DO值的測(cè)定:碘量法[10](主要試劑:分析純硫酸錳、分析純碘化鉀、可溶性淀粉、分析純硫代硫酸鈉);營(yíng)養(yǎng)液中N、P、K的測(cè)定:戴安離子色譜IC1000分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理營(yíng)養(yǎng)液pH值的變化

營(yíng)養(yǎng)液的酸堿度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一，酸堿度的高低對(duì)植物吸收養(yǎng)分的有效性會(huì)產(chǎn)生一定差異，過(guò)高過(guò)低均會(huì)降低甚至阻礙植物的生長(zhǎng)。不同氮水平智能溫室營(yíng)養(yǎng)液pH分析表明(圖1)，在番茄結(jié)果期，初始pH6.5情況下，隨時(shí)間推移，營(yíng)養(yǎng)液pH呈上升趨勢(shì)，在初始幾天上升較為迅速，之后上升趨勢(shì)逐漸變緩。不同氮水平水培營(yíng)養(yǎng)液pH值上升幅度不同，以高氮配方增加最多，pH值一周上升1.16，其次為低氮配方，pH值一周上升1.05，中氮配方最低，pH值上升0.98。不同的植物對(duì)其生長(zhǎng)的根際環(huán)境pH都有相應(yīng)的要求和合適的范圍，番茄生長(zhǎng)適宜的pH值為5.5～7.0，但由于生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分吸收的不平衡以及根系代謝等的影響，本試驗(yàn)中營(yíng)養(yǎng)液pH表現(xiàn)出明顯升高趨勢(shì)，超出其適宜pH值。一般番茄營(yíng)養(yǎng)液pH值超過(guò)8.0，就會(huì)破壞營(yíng)養(yǎng)成分的平衡，引起鐵、錳、硼、磷沉淀，造成番茄缺素癥，因此維持較為穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)液pH對(duì)提高番茄營(yíng)養(yǎng)水平和生長(zhǎng)是十分重要的。本研究中，中氮配方營(yíng)養(yǎng)液pH變化相對(duì)較緩，在供試配方中較適宜于溫室番茄營(yíng)養(yǎng)液應(yīng)用。

2.2 不同處理營(yíng)養(yǎng)液DO值變化

溶解氧(DO)是指在一定溫度、一定大氣壓下單位體積營(yíng)養(yǎng)液中溶解的氧氣(O2)含量。由于植物根系呼吸消耗，水培過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)液DO往往成為作物生長(zhǎng)限制因子。不同氮水平智能溫室營(yíng)養(yǎng)液DO值分析表明(圖2)，營(yíng)養(yǎng)液DO值呈明顯降低趨勢(shì)，在充氧后12h，DO值降至4mg/L左右，至24h，DO值降至1～2mg/L左右。不同配方營(yíng)養(yǎng)液DO值降幅不同，以中氮和高氮配方DO值降幅相對(duì)較大，24hDO值均降低了4.5mg/L;以低氮配方降幅相對(duì)最小，24hDO值降低了4.4mg/L。正常情況下，無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液DO值應(yīng)維持在4～5mg/L以上時(shí)，大多數(shù)植物能正常生長(zhǎng)。本試驗(yàn)中，充氧后12hDO值降至4mg/L左右，說(shuō)明在智能溫室無(wú)土栽培管理中，營(yíng)養(yǎng)液以每天增氧2次較為適宜。

2.3 不同處理營(yíng)養(yǎng)液EC值的變化

營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率(EC值)反映了溶液中可溶性離子含量，EC值越高，營(yíng)養(yǎng)液中可溶性養(yǎng)分離子濃度也越高，常做為無(wú)土栽培管理控制營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分濃度的指標(biāo)。智能溫室不同配方營(yíng)養(yǎng)液EC值均呈降低趨勢(shì)(圖3)，在一個(gè)營(yíng)養(yǎng)液更換周期內(nèi)(2周)，高氮配方營(yíng)養(yǎng)液EC值由1597us/cm降低至1212us/cm，下降了385us/cm，較初始EC值降低24.1%;中氮配方由1676us/cm降低至1163us/cm，下降了513us/cm，較初始EC值含量降低30.6%;低氮配方由1625us/cm降低至1157us/cm，下降了468us/cm，較初始初始EC值降低29.8%。EC值降低越多，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液中養(yǎng)分離子濃度降低越多，番茄對(duì)養(yǎng)分的吸收也越多，有利于番茄的生長(zhǎng)。以中氮配方營(yíng)養(yǎng)液EC值下降最多，說(shuō)明智能溫室番茄水培以中氮配方較為適宜。

2.4 不同處理營(yíng)養(yǎng)液中氮素的變化

智能溫室營(yíng)養(yǎng)液硝態(tài)氮含量分析結(jié)果表明(圖4)，在番茄結(jié)果期，隨番茄對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，營(yíng)養(yǎng)液硝態(tài)氮含量呈降低趨勢(shì)。在2周內(nèi)，高氮配方硝態(tài)氮含量由336.3mg/L降低至148.9mg/L，下降了187.4mg/L，較初始硝態(tài)氮含量降低 55.8%;中氮配方由261.8mg/L 降低至100.1mg/L，下降了161.7mg/L，較初始硝態(tài)氮含量降低61.7%;低氮配方由197.2mg/L降低至50.9mg/L，下降了146.3mg/L，較初始硝態(tài)氮含量降低74.2%。

營(yíng)養(yǎng)液硝態(tài)氮含量與EC值呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，高氮配方硝態(tài)氮含量與EC值回歸方程為:Y=0.443XEC－377.44(r=0.981，n=14);中氮配方硝態(tài)氮含量與 EC 值回歸方程為:Y=0.334XEC－294.14(r=0.990，n=14);低氮配方硝態(tài)氮含量與 EC 值回歸方程為:Y=0.288XEC－289.23(r=0.988，n=14)。當(dāng)EC值降低到2/3EC時(shí)，硝態(tài)氮含量高氮配方下降了73.6%，中氮配方下降了69.8%，低氮配方下降了88.4%，說(shuō)明中氮營(yíng)養(yǎng)液配方與EC值保持了較高的一致性，在智能溫室營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控中是較為適宜的。

智能溫室營(yíng)養(yǎng)液銨態(tài)氮含量分析結(jié)果表明(圖5)，在番茄結(jié)果期，隨番茄對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，營(yíng)養(yǎng)液銨態(tài)氮含量呈先降低后保持穩(wěn)定趨勢(shì)。在2周內(nèi)，高氮配方銨態(tài)氮含量由22.3mg/L降低至4.1mg/L，下降了18.2mg/L，較初始銨態(tài)氮含量降低81.5%;中氮配方由19.4mg/L降低至2.8mg/L，下降了16.6mg/L，較初始銨態(tài)氮含量降低85.7%;低氮配方由16.4mg/L降低至3.7mg/L，下降了12.7mg/L，較初始銨態(tài)氮含量降低77.1%。營(yíng)養(yǎng)液銨態(tài)氮含量與EC值不呈顯著線性關(guān)系，表明在供試營(yíng)養(yǎng)液配方中，硝態(tài)氮為主要氮素來(lái)源，銨態(tài)氮占比相對(duì)較低，在實(shí)際操作時(shí)以硝態(tài)氮反映營(yíng)養(yǎng)液氮素水平為宜。

2.5 不同處理營(yíng)養(yǎng)液中磷素的變化

智能溫室營(yíng)養(yǎng)液磷含量分析結(jié)果表明(圖6)。在番茄結(jié)果期，隨番茄對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，營(yíng)養(yǎng)液磷含量呈降低趨勢(shì)。在2周內(nèi)，高氮配方磷含量由34.7mg/L降低至5.3mg/L，下降了29.4mg/L，較初始磷含量降低84.8%;中氮配方磷含量由53.5mg/L降低至8.2mg/L，下降了45.3mg/L，較初始磷含量降低84.8%;低氮配方磷含量由48.1mg/L降低至3.7mg/L，下降了44.4mg/L，較初始磷含量降低92.2%;營(yíng)養(yǎng)液磷含量與EC值呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，高氮配方磷含量與EC值回歸方程為:Y=0.079XEC－94.582(r=0.976，n=14);中氮配方磷含量與 EC 值回歸方程為:Y=0.072XEC－75.481(r=0.945，n=14);低氮配方磷含量與EC值回歸方程為:Y=0.059XEC－68.105(r=0.977，n=14)。當(dāng) EC值降低到2/3EC時(shí)，高氮配方和低氮配方磷消耗完畢，中氮配方下降了90.7%，說(shuō)明當(dāng)EC值降低至初始值2/3時(shí)，需補(bǔ)充或更換營(yíng)養(yǎng)液，防止番茄出現(xiàn)缺磷癥狀。

2.6 不同處理營(yíng)養(yǎng)液中鉀素的變化

智能溫室營(yíng)養(yǎng)液鉀含量分析結(jié)果表明(圖7)。在番茄結(jié)果期，隨番茄對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，營(yíng)養(yǎng)液鉀含量呈降低趨勢(shì)。在2周內(nèi)，高氮配方鉀含量由246.2mg/L降低至56.1mg/L，下降了190.1mg/L，較初始鉀含量降低77.2%;中氮配方鉀含量由314.0mg/L降低至123.8mg/L，下降了190.2mg/L，較初始鉀含量降低60.6%;低氮配方鉀含量由407.2mg/L降低至180.1mg/L，下降了227.1mg/L，較初始鉀含量降低55.8%;營(yíng)養(yǎng)液鉀含量與EC值呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，高氮配方鉀含量與EC值回歸方程為:Y=0.456XEC－498.64(r=0.969，n=14);中氮配方鉀含量與 EC 值回歸方程為:Y=0.365XEC－288.40(r=0.973，n=14);低氮配方鉀含量與EC值回歸方程為:Y=0.424XEC－300.48(r=0.981，n=14)。當(dāng)EC值降低到2/3EC時(shí)，鉀含量高氮配方下降了98.8%，中氮配方下降了61.9%，低氮配方下降了60.9%，說(shuō)明當(dāng)EC值降低至初始值2/3時(shí)，需適當(dāng)補(bǔ)充或更換營(yíng)養(yǎng)液，防止番茄出現(xiàn)缺鉀癥狀。

3 結(jié)論與討論

維持植物生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件是智能溫室的優(yōu)勢(shì)所在，也是智能溫室調(diào)控的關(guān)鍵。營(yíng)養(yǎng)液的組成和性質(zhì)對(duì)植物養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)發(fā)育起關(guān)鍵作用，是智能溫室無(wú)土栽培調(diào)控的核心[11]。番茄生長(zhǎng)適宜的pH范圍在5.5～6.5之間[12]，超過(guò)8會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分的有效性及番茄對(duì)養(yǎng)分的吸收[13]。本研究中，由于營(yíng)養(yǎng)液緩沖能力小和番茄生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分吸收的不平衡，營(yíng)養(yǎng)液pH呈升高趨勢(shì)，相比較而言，以中氮配方處理營(yíng)養(yǎng)液pH變幅較小，適宜于智能溫室水培番茄結(jié)果期選用。

營(yíng)養(yǎng)液的DO值影響到植物的根系呼吸和代謝活力，影響番茄對(duì)養(yǎng)分的吸收能力。本研究中，增氧后一天內(nèi)，番茄營(yíng)養(yǎng)液DO值呈降低趨勢(shì)，這與番茄根系呼吸作用有關(guān)，但降幅較快，在12h降至4mg/L以下，會(huì)嚴(yán)重影響番茄生長(zhǎng)及對(duì)養(yǎng)分的吸收，因此在智能溫室管理中，以每天增氧兩次的管理方式較為適宜。

EC值是營(yíng)養(yǎng)液是養(yǎng)分濃度的直觀反映，為簡(jiǎn)化智能溫室營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分調(diào)控，常用EC值來(lái)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)液的養(yǎng)分水平。本研究中，不同配方營(yíng)養(yǎng)液EC值與營(yíng)養(yǎng)液中硝態(tài)氮、可溶性磷、可溶性鉀均呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，但從一致性來(lái)說(shuō)，以中氮配方較為適宜。本研究中，智能溫室水培番茄EC值降到初始值的2/3時(shí)，營(yíng)養(yǎng)液中硝態(tài)氮、可溶性鉀下降到初始值的1/3，可溶性磷基本耗竭，此時(shí)更換或補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液較為適宜。

[1]榮維國(guó)，劉道敏，郝睿，等.不同播期、密度和施氮量對(duì)油菜產(chǎn)量的影響[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，27(1):25－28.

[2]連兆煌.無(wú)土栽培的原理與技術(shù)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1994.

[3]郭世榮.無(wú)土栽培學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[4]劉士哲.現(xiàn)代實(shí)用無(wú)土栽培技術(shù)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2001.

[5]徐永艷.我國(guó)無(wú)土栽培發(fā)展的動(dòng)態(tài)研究[J].云南林業(yè)科技，2002(3):90－94.

[6]馬太和.無(wú)土栽培(第2 版)[M].北京:北京出版社，1985.

[7]馬光恕，劉濤，廉華，等.氮素形態(tài)和配比對(duì)麥瓶草(面條菜)產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)成分的影響[J].中國(guó)蔬菜，2011(10):76－79.

[8]洪堅(jiān)平，謝英荷，孟會(huì)生，等.水培油菜營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，24(1):330－334.

[9]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析(第三版)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2013.

[10]奚旦立，孫裕生，劉秀英.環(huán)境監(jiān)測(cè)[M].北京:高等教育出版社，1987.

[11]KILINC S S，ERTAN E，SEFEROGLU S.Effects of different nutrient solution formulations on morphological and biochemical characteristics of nursery fig trees grown in substrate culture[J].Scientia Horticulturae，2007，113(1):20 － 27.

[12]SAPARAMADU J S，WIJESEKERA R D，GUNAWARDHANA H D，et al.A low cost nutrient formulation with a buffer for simplified hydroponics systems[J].Journal of Horticulture and Forestry，2010，2(5):99 －103.

[13]SAWAS D，KARAGIANNI V，KOTSIRAS A，et al.Iteractions between ammonium and pH of the nutrient solution supplied to gerbera(Gerbera jamesonii)grown in pumice[J].Plant and Soil，2003，254(2):393 －402.