潮汐灌溉供液高度對番茄穴盤苗水分和氮素利用效率的影響

李 倩，田雅楠，尚慶茂，曹玲玲，董春娟

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院 蔬菜花卉研究所，農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，北京 100081；2.北京市農(nóng)業(yè)技術推廣站，北京 100029)

番茄(LycopersiconesculentumMill.)是我國最重要的蔬菜種類之一，年種植面積100余萬hm2，年產(chǎn)量超過5 600萬t。穴盤育苗因其節(jié)能、省工，適于機械化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點，是番茄生產(chǎn)最主要的育苗方式，占番茄總育苗量的30%以上[1]。穴盤育苗多采用人工混配的輕型基質(zhì)，但基質(zhì)持水、保肥能力有限，幼苗根系發(fā)育空間小，而苗期生長速率快，蒸騰作用強烈，水肥需求旺盛，穴盤育苗過程中如何及時、科學地補充水分和養(yǎng)分，對于培育壯苗至關重要[2-3]。

目前穴盤育苗普遍采用頂部噴灌系統(tǒng)，灌溉水或肥料溶液先經(jīng)幼苗莖葉再進入根部基質(zhì)，易導致灌溉不均勻，并造成水、肥的浪費。潮汐灌溉是一種新型的灌溉方式，不同于傳統(tǒng)的頂部灌溉，潮汐式灌溉中水或肥料溶液從穴盤底部的排水孔進入，進而被植物根系吸收利用[4-5]。潮汐式灌溉技術由于底部供液，基質(zhì)水肥供給均勻、快速、精準、高效，可以降低設施環(huán)境的空氣濕度從而減少作物病害的發(fā)生，且便于自動化控制以節(jié)省勞動力和生產(chǎn)成本，是穴盤育苗發(fā)展的必然趨勢[6-7]。

潮汐式灌溉技術在蔬菜穴盤育苗中的應用起步較晚，近年來研究人員在設備優(yōu)化、自動化控制以及基質(zhì)配比、穴盤選型等方面進行了一些探索[8-12]，然而關于潮汐式灌溉條件下蔬菜穴盤苗高效管理技術的研究相對缺乏[5]。本試驗以番茄品種中雜105為材料，分別在夏季和冬季進行潮汐式穴盤育苗，比較了不同供液高度下的基質(zhì)吸水速率、穴盤苗生長指標、根系活力以及水肥利用率，旨在為番茄潮汐式穴盤苗的壯苗培育提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料、資材與設施

供試番茄品種為中雜105(L.esculentumMill. cv. Zhongza 105)，由中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所培育。試驗用穴盤為105孔穴盤(540 mm×280 mm×42 mm，上口徑33 mm，下口徑15 mm，單穴孔容積約22 mL)，購自臺州隆基塑業(yè)有限公司。育苗基質(zhì)為草炭、蛭石、珍珠巖的混合基質(zhì)(3∶1∶1，V/V)，pH值6.25，EC值0.15 mS/cm。其中草炭為品氏托普草炭，粒徑0～10 mm，pH值6.22，EC值0.91 mS/cm，有機質(zhì)含量為96.9%，購自北京林大林業(yè)科技股份有限公司；蛭石和珍珠巖全部采用園藝級，粒徑為3～5 mm，購自河北靈壽縣匯鑫蛭石廠。育苗用水溶肥為“花無缺”(20-10-20+TE和20-20-20+TE)，購自上海永通化工有限公司。

試驗分別于2017年夏季(6-7月)和冬季(11-12月)在中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所玻璃連棟溫室中進行。夏季通過遮陽網(wǎng)以及風機、濕簾等設備進行降溫，冬季采用暖氣進行加溫。使用“溫室娃娃”(綠園，北京)實時監(jiān)測夏季和冬季育苗期間溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)：平均空氣溫度(晝/夜)為28 ℃/25 ℃、23 ℃/17 ℃，平均基質(zhì)溫度(晝/夜)為26 ℃/23 ℃、21 ℃/15 ℃，平均空氣相對濕度為67%，52%，平均日光照強度為293.17，241.58 μmol/(m2·s)，光照時間為16,11 h。

1.2 基質(zhì)吸水速率的測定

穴盤中裝填基質(zhì)，基質(zhì)初始含水量約為45%～50%，按照播種的流程進行壓穴、覆蓋蛭石。將穴盤放入簡易潮汐式苗盤(1 515 mm×560 mm×40 mm)中，每個苗盤放置4個穴盤。將水以8.0 L/min的流速勻速加入苗盤中，至供液高度分別為1,2,3 cm，記錄達到每個供液高度所需的供液時間；從開始供液時起，每隔1 min采用稱質(zhì)量法記錄穴盤基質(zhì)的吸水量，并取樣，用于基質(zhì)相對含水量測定；當穴盤基質(zhì)質(zhì)量維持穩(wěn)定后，打開排水口，排出回液，并記錄回液排盡所需的時間。根據(jù)不同吸水時間的基質(zhì)相對含水量，繪制基質(zhì)吸水曲線，計算吸水速率。

基質(zhì)相對含水量采用風干稱質(zhì)量法測定[13]。用環(huán)刀準確量取100 mL基質(zhì)，稱質(zhì)量(W1)，然后將基質(zhì)置于避風處自然風干至恒質(zhì)量(W2)，用吸管吸取潔凈水緩慢滴入風干基質(zhì)中，直至水均勻地充滿基質(zhì)，并在基質(zhì)表面形成水膜，靜置3 h，若水位下降，繼續(xù)滴水至充滿基質(zhì)，稱此時基質(zhì)質(zhì)量(W3)，計算基質(zhì)相對含水量(%)=((W1-W2)/(W3-W2))×100%。

1.3 番茄穴盤苗培養(yǎng)

番茄種子室溫下去離子水浸種6 h后，用5%次氯酸鈉溶液消毒10 min，去離子水沖洗5遍至無次氯酸鈉殘留。種子在28 ℃恒溫催芽18 h，挑選出芽整齊一致的種子播于裝有育苗基質(zhì)的105孔穴盤中，基質(zhì)初始相對含水量為45%。播種深度1.5 cm，每穴孔一粒種子。播種后覆蓋蛭石，每穴盤灌水1 L。

試驗在簡易潮汐式苗盤中進行，每個苗盤放置4個穴盤。育苗過程中采用潮汐式灌溉，每次施用水溶肥。每天上午9:00-11:00，測量基質(zhì)相對含水量，當含水量為45%～50%時進行灌溉。灌溉時，將肥料溶液以8.0 L/min勻速加入苗盤中至供液高度為1，2，3 cm，保留一定時間后，打開排水口，排出肥料溶液，收集于回液桶中，并記錄回液體積，回液經(jīng)EC值調(diào)整濃度后作為進液循環(huán)使用。保留時間的長短根據(jù)不同供液高度下的基質(zhì)吸水曲線確定。夏季和冬季番茄穴盤苗從出苗到四葉一心成苗期間的水肥管理如表1所示。每個供液高度處理共3次重復，每重復4個穴盤，隨機區(qū)組排列。同時設置無肥區(qū)幼苗對照，在穴盤苗生長發(fā)育過程中只澆清水，不施用肥料，用于后續(xù)氮素利用率的計算。

表1 夏季和冬季番茄苗期的水肥管理Tab.1 The management of fertilization at tomato seedling stage during summer and winter

注：dps.播種后天數(shù)。

Note: dps.Days post sowing.

1.4 番茄穴盤苗生長指標測定

夏季和冬季分別于播種后26,39 d(即幼苗四葉一心期)取樣，每處理每重復隨機選取20株幼苗，參照褚群等[14]的方法測定幼苗的各項生長指標。用直尺測定幼苗莖基部至生長點的距離為株高，用游標卡尺測定幼苗莖基部上方1 cm處的直徑為莖粗，采用掃描儀(ScanMaker i800)掃描和萬深LA-S葉面積分析系統(tǒng)測定葉面積，采用LA-S型植物根系分析儀系統(tǒng)測定根體積，稱量記錄幼苗地上部和地下部的鮮質(zhì)量，地上部經(jīng)105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，記錄地上部干質(zhì)量，幼苗地下部直接80 ℃烘干至恒質(zhì)量，記錄地下部干質(zhì)量。根據(jù)上述參數(shù)，計算穴盤苗的根冠比和壯苗指數(shù)[15]。采用TTC還原法測定根系活力[16]。

1.5 水分和氮素利用率

在番茄潮汐式穴盤育苗過程中，記錄每個苗盤初次灌溉的供液體積、每次灌溉的補充體積，以及最后一次灌溉的回液體積，計算單株穴盤苗有效供液體積 =(初次供液體積+補充體積-回液體積)/(穴盤數(shù)×穴盤孔數(shù))；記錄每次灌溉時的肥料施用量，以及最后一次灌溉后的剩余肥料量，計算單株穴盤苗肥料有效施用量 =(肥料總施用量-剩余肥料量)/(穴盤數(shù)×穴盤孔數(shù))。

番茄穴盤苗培養(yǎng)至四葉一心成苗(夏季，播種后26 d；冬季，播種后45 d)，洗凈后殺青、烘干，測定幼苗單株干質(zhì)量，并采用凱氏定氮法測定植株全氮(N)含量[17]，計算穴盤苗的水分利用率[15,18]和氮素利用率[17,19]：

水分利用率(g/L)= 幼苗單株干質(zhì)量 /單株有效供液體積；

氮素利用率=(施肥區(qū)番茄穴盤苗N含量-無肥區(qū)番茄穴盤苗N含量)/(肥料有效施用量×肥料中N質(zhì)量分數(shù))×100%。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗結果用平均值±標準誤(mean±s)表示，采用Microsoft Excel 軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，采用SAS 9.1.3軟件最小顯著差異法進行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 供液高度對番茄穴盤苗基質(zhì)吸水速率的影響

如圖1所示，在潮汐灌溉初期，番茄穴盤苗基質(zhì)的相對含水量隨吸水時間延長呈線性升高，之后隨著灌溉繼續(xù)，基質(zhì)持續(xù)吸水，但吸水速率逐漸降低，至基質(zhì)相對含水量達到平臺期。比較不同供液高度下基質(zhì)的吸水情況，1 cm供液高度下，基質(zhì)吸水速率最慢，相對含水量在開始灌溉6 min后逐漸達到平臺期，且平臺期時的基質(zhì)相對含水量最小，約85%；2 cm供液高度下，基質(zhì)相對含水量在灌溉5 min后達到平臺期(約95%)；3 cm供液高度下，在開始灌溉5 min后，基質(zhì)相對含水量即可達到平臺期，且平臺期相對含水量最大，約112%。

統(tǒng)計并計算不同供液高度下的供液時間、排液時間和保留時間，確定供液方案，如表2所示。當基質(zhì)相對含水量達到45%～50%時進行潮汐灌溉，在供液高度為1,2,3 cm時，供液時間分別為：1，2，3 min；排液時間分別為4，8，12 min；保留時間分別為5，1，1 min。排液結束后，1，2，3 cm對應灌溉終點的基質(zhì)相對含水量分別為80%～90%，80%～90%，115%～120%。

不同字母表示不同供液高度間在0.05 水平上差異顯著(P<0.05)。圖2-3、表3-4同。 Different letters indicate significant difference at P<0.05. The same as Fig.2-3,Tab.3-4.

表2 不同供液高度的供液時間、排液時間和保留時間Tab.2 The supplying time, emision time and retaining time during irrigation under different height

2.2 供液高度對番茄穴盤苗生長的影響

比較不同供液高度下番茄穴盤苗的生長指標，如表3所示。夏季育苗時，3 cm供液高度下，穴盤苗的葉面積、地上部干質(zhì)量，顯著高于1，2 cm供液高度，而穴盤苗的株高、莖粗以及根體積、地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量等地下部生長指標在3個供液高度間無顯著差異。冬季育苗時，穴盤苗的地上部生長指標，包括株高、葉面積、地上部鮮質(zhì)量、干質(zhì)量等指標在供液高度3 cm時最大，2 cm時次之，1 cm時最小，而地下部生長指標在3個供液高度間無顯著差異。以根冠比和壯苗指數(shù)反映穴盤苗的綜合質(zhì)量，在夏季和冬季育苗時，3個供液高度間穴盤苗的根冠比和壯苗指數(shù)均無顯著差異。

表3 供液高度對番茄穴盤苗生長的影響Tab.3 Effects of irrigation height on growth of tomato plug seedlings

2.3 供液高度對番茄穴盤苗根系活力的影響

比較不同供液高度下番茄穴盤苗的根系活力，如圖2所示。在夏季和冬季育苗，3 cm供液高度下，穴盤苗的根系活力顯著低于1,2 cm供液高度，而1,2 cm供液高度間根系活力無顯著差異。

圖2 供液高度對番茄穴盤苗根系活力的影響Fig.2 Effects of irrigation height on the root vigor of tomato plug seedlings

2.4 供液高度對番茄穴盤苗水肥利用率的影響

由表4可知，夏季和冬季育苗時，1 cm供液高度下的供液、回液體積以及肥料施用量均最小，整個育苗周期的供液總體積分別為8.00,10.75 L/盤，其中進入穴盤基質(zhì)中可供幼苗生長利用的有效體積分別為7.00，9.63 L/盤；苗期共施用肥料分別為5.76，5.89 g/盤，其中有效肥料量分別為4.81,4.74 g/盤。2 cm供液高度下，夏季和冬季苗期供液總體積較1 cm供液高度分別增加了25.00%,20.93%，肥料施用量為1 cm時的1.44,1.09倍。3 cm供液高度下，供液、回液體積以及肥料施用量最大，苗期供液總體積分別為14.40,16.40 L/盤，有效體積為9.80,11.70 L/盤，苗期肥料施用量為10.64,9.28 g/盤，有效肥料量為6.27,5.24 g/盤。

表4 不同供液高度下番茄穴盤苗供液體積和肥料施用量Tab.4 Volume and fertilizer amount under different irrigation heights for tomato plug seedlings

比較不同供液高度下穴盤苗的水分利用率，如圖3-A所示。夏季育苗時，1,2 cm供液高度下，穴盤苗的水分利用率分別為2.93,3.07 g/L，顯著高于3 cm；冬季育苗時，穴盤苗的水分利用率較夏季低，2 cm供液高度下水分利用率最大，為2.17 g/L，高于1 cm供液高度(1.94 g/L)和3 cm(2.06 g/L)。

比較不同供液高度下穴盤苗的氮素利用率(圖3-B)，夏季育苗時，穴盤苗的氮素利用率在3個供液高度間無顯著差異；而在冬季育苗時，2,3 cm供液高度下穴盤苗的氮素利用率分別為59.52%和61.79%，顯著高于1 cm供液高度。

圖3 供液高度對番茄穴盤苗水分利用率(A)和氮素利用率(B)的影響Fig.3 Effects of irrigation height on the use efficiency of water(A) and nitrogen(B) in tomato plug seedlings

3 結論與討論

穴盤育苗時，適度虧缺灌溉可以增強根系對養(yǎng)分的吸收能力，促進光合產(chǎn)物向根系分配，促進幼苗生長[15,20-21]。潮汐灌溉中，水或肥料溶液通過穴盤底部供應，依靠栽培基質(zhì)的毛細管虹吸作用，將水和養(yǎng)分供給植物，水肥的供應更加精確、可控[4]，便于實現(xiàn)適度虧缺灌溉。本試驗中，1,2 cm供液高度下，通過控制灌溉終點時的基質(zhì)相對含水量，可以實現(xiàn)適度虧缺灌溉，灌溉終點時基質(zhì)含水量約為飽和含水量的80%～90%，而3 cm供液高度下，由于基質(zhì)吸水速率快，且灌溉量增加，肥料溶液進入和排出的時間相應延長，至液體排盡時，基質(zhì)已達到飽和含水量，無法實現(xiàn)適度虧缺灌溉。

本試驗分別在夏季和冬季進行番茄穴盤育苗，至四葉一心期成苗，3 cm供液高度下，番茄穴盤苗的地上部生長指標(如葉面積、地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量等)高于供液高度1,2 cm，而地下部生長指標(如根體積、地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量等)和根冠比、壯苗指數(shù)等綜合性指標在3個供液高度間無顯著差異。進一步比較穴盤苗的根系活力，3 cm供液高度下，根系活力顯著低于1,2 cm。分析原因，3 cm供液高度下，灌溉終點基質(zhì)相對含水量較高，穴盤苗地上部易發(fā)生徒長，且基質(zhì)相對含水量較大，透氣性差，不利于根系生長；而1,2 cm供液高度下，由于適度虧缺灌溉，穴盤苗地上部生長受到限制，不易發(fā)生徒長，而良好的基質(zhì)透氣性環(huán)境可有效地保障根系的生長和活力?？梢?，1,2 cm供液高度可顯著控制穴盤苗地上部徒長，提高根系活力，有利于穴盤苗定植后的緩苗和生長。

不同供液高度下，育苗期總的灌溉施肥量不同，1,2 cm供液高度下，供液和回液體積小，肥料施用量少。進一步比較穴盤苗的水肥利用率，夏季和冬季育苗時，2 cm供液高度下，穴盤苗的水分利用率和氮素利用率顯著高于或不低于1,3 cm供液高度。此外，在潮汐式循環(huán)灌溉中，水或肥料溶液由水泵從供液池中抽出送至苗床，肥料溶液因毛細作用進入基質(zhì)后，剩余溶液經(jīng)排水口排至回液池，過濾去除回液中的殘留物、浮游物等提高其透明度后，采用紫外線或臭氧消毒等方法對營養(yǎng)液進行高效、廣譜滅菌，消毒處理后的肥料溶液再次進入供液池循環(huán)使用[18,22-23]。因此，潮汐灌溉時，降低供液高度可減少供液量和回液量，降低水泵所需的動力能耗以及對回液進行過濾消毒所需的材料和能耗成本，灌溉更加經(jīng)濟。

綜合上述穴盤苗質(zhì)量、根系活力和水肥利用率等因素，番茄夏季和冬季潮汐式穴盤育苗時以2 cm供液高度為宜，既可實現(xiàn)適度虧缺灌溉，穴盤苗地上部不易發(fā)生徒長、根系活力旺盛，且灌溉時動力成本以及回液過濾和消毒成本較低，水分和肥料利用率較高。