不同基質(zhì)分層處理對日光溫室袋培番茄生長和產(chǎn)量的影響

張金偉，劉 杰，劉津冀，徐繼彤，富宏丹，孟思達(dá)，孫周平

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院/北方園藝設(shè)施設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心/設(shè)施園藝省部共建教育部重點(diǎn)實驗室，沈陽110161）

基質(zhì)栽培是無土栽培的主要形式。 以荷蘭為代表的發(fā)達(dá)國家在大型連體智能溫室，采用巖棉、耶糠等基質(zhì)材料通過基質(zhì)袋式栽培取得了番茄年平均70kg·m-2的世界高產(chǎn)紀(jì)錄[1-2]。 其中，巖棉和椰糠等單一基質(zhì)容重、大小孔隙比適宜且穩(wěn)定，能夠較好地協(xié)調(diào)根際水氣矛盾，已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用效果最好地?zé)o土栽培基質(zhì)[3-4]。 針對我國設(shè)施園藝較低的發(fā)展水平，以低成本和資源節(jié)約為目標(biāo)，20 世紀(jì)90 年代中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所成功研發(fā)出有機(jī)生態(tài)型無土栽培模式，推動了我國以秸稈[3-5]、菇渣[6]、中藥渣[7]、畜禽糞肥[8]、稻殼[9]、玉米芯[10]、沼渣[11]、爐灰渣[12]等農(nóng)林廢棄物為主要原料的有機(jī)基質(zhì)無土栽培的研究和應(yīng)用，成為適宜我國國情的無土栽培主要形式。 在我國，有機(jī)栽培基質(zhì)多為3～5 種基質(zhì)組成的復(fù)合基質(zhì)，原料種類多樣，穩(wěn)定性較差，在植株生長過程中常常出現(xiàn)中下部基質(zhì)通氣不良的問題[13-14]。 趙青松等[15]利用醋糟基質(zhì)栽培黃瓜時發(fā)現(xiàn)，隨著栽培時間的延長基質(zhì)容重不斷增加，基質(zhì)通氣性降低，黃瓜產(chǎn)量下降。 因此，解決基質(zhì)內(nèi)部的通氣問題是促進(jìn)植株旺盛生長和獲得更高產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[16]。 目前，解決基質(zhì)栽培生產(chǎn)過程中通氣不善的方法主要分為兩種：第一種是通過調(diào)節(jié)基質(zhì)粒徑、孔隙度等物理指標(biāo)達(dá)到提高根際通氣性的目的[17-18]。 第二種是通過對栽培基質(zhì)進(jìn)行曝氣或增設(shè)氧氣發(fā)生器來達(dá)到提高根際通氣性的目的[19-20]。 以上兩種方法均可以有效的緩解根系通氣不暢的問題，但通過增設(shè)氧氣發(fā)生器和曝氣的方法改善根際環(huán)境成本較高；通過單一調(diào)節(jié)基質(zhì)粒徑來提高空氣含量時基質(zhì)保水保肥能力會有所降低。 因此，既想要改善基質(zhì)內(nèi)部的通氣狀態(tài)又有較好地保水保肥能力仍是基質(zhì)配方研究需要努力的方向。 本試驗以基質(zhì)配方的孔隙度為出發(fā)點(diǎn)，選取兩種不同孔隙度的番茄基質(zhì)配方為試驗材料，研究不同孔隙度的基質(zhì)配方分層處理對于基質(zhì)袋培番茄生長和果實產(chǎn)量的影響，以期通過基質(zhì)分層的手段來改善復(fù)合有機(jī)基質(zhì)內(nèi)部通氣不善的問題，為設(shè)施番茄高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗于2018 年2～7 月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科研基地日光溫室進(jìn)行。 供試番茄(Solanum lycopersicum)品種為美圣。 供試基質(zhì)配方為牛糞基質(zhì)配方（牛糞∶草炭=4∶1）和中藥渣基質(zhì)配方（中藥渣∶草炭=4∶1），供試基質(zhì)原料與基質(zhì)配方基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。 試驗所用大量元素水溶肥黃博1 號氮磷鉀養(yǎng)分比例為22:12:16，大量元素水溶肥黃博2 號氮磷鉀養(yǎng)分比例為19∶6∶25。

表1 基質(zhì)原料和基質(zhì)配方初始理化性質(zhì)Table 1 Initial physical and chemical properties of matrix materials and matrix formulations

1.2 方法

試驗共設(shè)4 個配方處理：處理1（C 處理）為單一使用牛糞基質(zhì)配方；處理2（D 處理）為單一使用中藥渣基質(zhì)配方；處理3（CD 處理）為基質(zhì)袋上層牛糞基質(zhì)配方，下層中藥渣基質(zhì)配方；處理4（DC 處理）為基質(zhì)袋上層中藥渣基質(zhì)配方，下層牛糞基質(zhì)配方。 其中，基質(zhì)分層處理（處理CD 和處理DC）上下層基質(zhì)體積各占50%。 試驗采用基質(zhì)袋培方式，基質(zhì)袋材料為黑白膜，尺寸為50cm×20cm×10cm，基質(zhì)容量約為5 L，每個基質(zhì)袋定植1 株番茄苗。 每個處理共60 株番茄，分3 行排列。 2018 年2 月6 日，選擇3 葉1 心長勢一致的壯苗進(jìn)行定植，單桿整枝，吊蔓栽培。5 月20 日掐尖，留3 穗果，6 月15 日拉秧。試驗采用滴箭式全自動灌溉施肥系統(tǒng)，定植15d 后，各處理番茄苗追施平衡肥，每株每7d 施3g；當(dāng)番茄果實開始膨大時追施高鉀肥，每株每5d 施3g，拉秧前20d停止施肥。

1.3 取樣與分析方法

1.3.1 基質(zhì)理化性質(zhì)測定 定植80d 時測定基質(zhì)物理性質(zhì)，包括容重和孔隙度（土壤三相測定儀）；在進(jìn)行基質(zhì)理化性質(zhì)測定時，由雙層基質(zhì)配方組成的CD 和DC 處理需要分別測定上下層基質(zhì)配方的理化性質(zhì)。 CDS 代表CD 處理位于基質(zhì)袋上層的牛糞基質(zhì)配方；CDX 代表CD 處理位于基質(zhì)袋下層的中藥渣基質(zhì)配方；DCS 代表DC 處理為于基質(zhì)袋上層的中藥渣基質(zhì)配方；DCX 代表DC 處理位于基質(zhì)袋下層的牛糞基質(zhì)配方。

1.3.2 植株生長與生理指標(biāo)測定 定植后30，50，70d 時分別測定植株形態(tài)指標(biāo)，包括株高（莖基部到生長點(diǎn)之間的距離）、莖粗（生長點(diǎn)以下第4～5 片完全葉間莖桿的直徑）和葉面積。 定植80d 時測定植株干重、植株根系活力（TTC 法）、根系總長度、根系體積和根尖數(shù)（中晶雙光源掃描儀）。在果實成熟后進(jìn)行產(chǎn)量的測定，分別計算小區(qū)總產(chǎn)量和平均單果重。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗所得數(shù)據(jù)結(jié)果采用Excel 2016 進(jìn)行分析和作圖，采用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析，采用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)分層處理對袋培基質(zhì)物理性質(zhì)的影響

容重能反映基質(zhì)的緊實程度[21]。 由表2 可知，定植80d 時，由牛糞基質(zhì)配方構(gòu)成的處理或基質(zhì)層（處理C、CDS 和DCX） 容重均顯著高于由中藥渣基質(zhì)配方構(gòu)成的處理或基質(zhì)層（D、CDX 和DCS），其中，處理C 容重顯著性高于CDS，與DCX 無顯著性差異，處理D、CDX 和DCS 間無顯著差異。 總孔隙度能反應(yīng)基質(zhì)的孔隙含量，可以反映基質(zhì)的通氣狀況[22]。 處理C、CDS 和DCX 總孔隙度顯著低于處理D、CDX 和DCS，其中處理D 總孔隙度顯著性高于CDX，與DCS 無顯著性差異，處理C、CDS和DCX 間無顯著性差異。由此可見，由牛糞配方構(gòu)成的處理或基質(zhì)層通氣性均較差于由中藥渣構(gòu)成的處理或基質(zhì)層。 在CD 處理中，基質(zhì)袋下層的基質(zhì)配方（CDX）比基質(zhì)袋上層的基質(zhì)配方（CDS）有更好的通氣效果。

2.2 基質(zhì)分層處理對袋培番茄植株地上生長的影響

2.2.1 基質(zhì)分層處理對番茄株高的影響 由圖1 可知，定植30d 時，處理D 和處理CD 株高顯著高于處理C；定植50d 時，處理CD 和處理DC 株高顯著性高于處理C，其中，在定植30～50d，處理D、處理CD 和處理DC株高均沒有顯著性差異；定植70d 時，各處理株高均無顯著性差異。

2.2.2 基質(zhì)分層處理對番茄莖粗的影響 由圖2 可知，定植30d 時，處理C 和處理CD 莖粗顯著性高于處理DC，其他處理間無顯著性差異；定植50d 時，處理C 莖粗值最高，為0.914cm，處理DC 莖粗值最低，為0.821cm，但4 個處理莖粗不呈現(xiàn)顯著性差異；定植70d 時，處理D 和處理CD 莖粗顯著性高于處理DC，其他處理不存在顯著性差異。

2.2.3 基質(zhì)分層處理對番茄植株葉面積的影響 由圖3 可知，定植30d 時，處理D 的葉面積值最大，為32.32cm2，顯著高于其他處理，其他各處理不存在顯著性差異。 定植50d 時，4 個處理葉面積均不存在顯著性差異，其中，處理C 的葉面積最大，為49.24cm2，處理DC 葉面積值最小，為39.99cm2；定植70d 時，處理DC 的葉面積顯著性高于處理C 和處理CD，其他處理間不存在顯著性差異。

2.3 基質(zhì)分層處理對袋培番茄植株地下生長的影響

2.3.1 基質(zhì)分層處理對番茄根體積的影響 由圖4 可知，處理C 根系發(fā)育最小，根毛稀疏；處理D 根系發(fā)育最大，根毛生長最為旺盛；分層處理CD 根系大小適中，根毛旺盛且根毛長度適宜；分層處理DC 根系發(fā)育較小，根毛生長較粗但根毛總量較少。 根系是作物吸收水分、養(yǎng)分和其他溶質(zhì)溶液的重要器官，其分布特征和發(fā)育情況與作物地上部生長性狀和產(chǎn)量密切相關(guān)[23-24]。 根體積的大小與根系吸收面積直接相關(guān)，直接影響根系的吸收能力[25]。 由圖5 可知，處理D 的根系體積最大，為539.32cm3，顯著高于其他處理，處理CD 根系體積顯著性大于處理C 和處理CD，其中，處理C 和處理CD 無顯著性差異。

2.3.2 基質(zhì)分層處理對于番茄根尖數(shù)的影響 由圖6 可知，處理D 的根尖數(shù)最多，為2011 個，處理DC 的根尖數(shù)最少，為932 個。處理D 與處理CD 不存在顯著性差異，但根尖數(shù)均顯著性高于處理C 和處理DC。植株根尖的生長狀態(tài)與植株根系的整個發(fā)育程度存在正相關(guān)[26]，由此可知，處理D 在4 個處理中根系的發(fā)育最大且CD處理的根系發(fā)育情況優(yōu)于處理C 和處理DC。

表2 基質(zhì)分層處理對袋培基質(zhì)物理性質(zhì)的影響Table 2 Effects of matrix stratification treatments on physical properties of bag culture matrix

圖1 基質(zhì)分層處理對番茄植株株高的影響Figure 1 Effects of matrix stratification treatments on plant height of tomato

圖2 基質(zhì)分層處理對番茄植株莖粗的影響Figure 2 Effects of matrix stratification treatments on stem thickness of tomato plant

圖3 基質(zhì)分層處理對番茄植株葉面積的影響Figure 3 Effects of matrix stratification treatments on leaf area of tomato plants

圖4 定植80d 時不同基質(zhì)分層處理袋培番茄根系掃描成像圖Figure 4 Tomato root scanning imaging images of different matrix stratification treatments after planted 80d of tomato

2.3.3 基質(zhì)分層處理對于番茄植株根系活力的影響 根系活力的強(qiáng)弱是根系吸收、合成能力的表現(xiàn)，可以反應(yīng)植株根系的生活狀態(tài)[27]?；|(zhì)的通氣狀況和植株的生長狀態(tài)是影響根系活力的關(guān)鍵因素。由圖7 可知，CD 處理的根系活力值最高，為264.78μg·g-1·h-1，與處理D 不存在顯著性差異，顯著性高于處理C 和處理DC。 其中，處理CD 比處理C、處理D 和處理DC 根系活力分別提高35.6%、8.5%和95.8%。

圖5 基質(zhì)分層處理對番茄植株根系體積的影響Figure 5 Effects of matrix stratification treatments on root volume of tomato plants

圖6 基質(zhì)分層處理對番茄植株根尖數(shù)的影響Figure 6 Effects of matrix stratification treatments on root tips of tomato plants

2.4 基質(zhì)分層處理對袋培番茄植株生物量的影響

由表3 可知，在定植80d 時，CD 處理地上部干物質(zhì)的量最高為59.53g， 與處理D 和處理DC 無顯著性差異，顯著性高于處理C；處理D 根干重最大，與處理CD無顯著性差異，顯著性高于處理C 和處理DC，處理CD根干重顯著性高于處理C，與處理DC 無顯著性差異；總生物量反映了各處理植株地上部和地下部植株整體干物質(zhì)積累情況[28]。 處理D、處理CD 和處理DC 總生物量無顯著性差異，處理CD 顯著性高于處理C；處理CD 根冠比值最高，為0.15，與處理DC 無顯著性差異，顯著性高于處理C 和處理D。

2.5 基質(zhì)分層處理對袋培番茄果實產(chǎn)量的影響

由表4 可知，處理CD 的平均單果重和小區(qū)產(chǎn)量最高， 分別為0.26kg 和63.68kg。 處理CD 與處理D 平均單果重沒有顯著性差異，其中，處理CD 顯著性高于處理C 和處理DC；分層處理CD 與單一使用牛糞基質(zhì)配方的處理C 相比，小區(qū)產(chǎn)量增加17.1%，與單一使用中藥渣基質(zhì)配方的處理D 相比，小區(qū)產(chǎn)量增加7.7%，與分層處理DC 相比，小區(qū)產(chǎn)量增加了21.9%。 由此可見，基質(zhì)袋上層采用牛糞基質(zhì)配方，基質(zhì)袋下層采用中藥渣基質(zhì)配方的處理CD 能夠促進(jìn)產(chǎn)量提升。

圖7 基質(zhì)分層處理對袋培番茄植株根系活力的影響Figure 7 Effect of matrix stratification treatments on root activity of tomato plants

表3 基質(zhì)分層處理對袋培番茄盛果期生物量和根冠比的影響Table 3 Effects of matrix stratification treatments on biomass and root-cap ratios of tomato at fruiting stage

3 討論與結(jié)論

栽培基質(zhì)的通氣性直接影響著基質(zhì)內(nèi)部水分和養(yǎng)分的含量，也直接影響植株根系的生長，是衡量基質(zhì)優(yōu)劣最重要的理化指標(biāo)之一。 基質(zhì)孔隙度過大，容易造成基質(zhì)養(yǎng)分和水分的流失；總孔隙度過小，會降低基質(zhì)的通氣能力，植物根系的伸展會受到限制，容易老化，不利于水分和養(yǎng)分的吸收[29-30]。熊靜[16]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)袋式栽培的應(yīng)用中常常出現(xiàn)基質(zhì)中下通氣不良的情況，制約果實產(chǎn)量。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要在于兩方面：一方面是在灌溉過程中水分受到重力的影響會向基質(zhì)袋下層移動，水分大多聚集在基質(zhì)袋的中下部，因而擠占空氣體積，從而造成基質(zhì)中下部通氣不良；另一方面是基質(zhì)袋底部與地面塑料膜接觸，通氣性差，因而造成了基質(zhì)底部通氣性差[6]。 根系是作物吸收水分、養(yǎng)分和其他溶質(zhì)溶液的重要器官，發(fā)達(dá)的須根可以促進(jìn)植株養(yǎng)分和水分的吸收。 許多研究表明，不同基質(zhì)分層的方法可以促進(jìn)根系的生長發(fā)育。田田等[31]利用塑料材料和蛭石進(jìn)行分層處理，在進(jìn)行馬鈴薯微型薯瓶苗移栽和剪枝扦插試試驗發(fā)現(xiàn)，采用兩種不同理化性質(zhì)的基質(zhì)分層栽培，可促進(jìn)馬鈴薯生根和匍匐莖生長，還可對提高基質(zhì)的利用率；張明等[32]利用沙土和腐殖土進(jìn)行基質(zhì)分層處理培養(yǎng)黃花棘豆種苗，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)分層處理比單一基質(zhì)處理更利于植株生長，上層的沙土有較好的透氣性，利于根的呼吸和伸長，幼根不易腐爛，同時下層有機(jī)土也為后期生根提供了較好的營養(yǎng)基礎(chǔ)，種苗生長更加旺盛。

本試驗中，CD 處理基質(zhì)袋上層采用總孔隙度73.95%的牛糞基質(zhì)配方，基質(zhì)袋下層采用總孔隙度83%的中藥渣基質(zhì)配方， 在根系活力方面，CD 處理比其余處理提高8.5%～95.8%； 在小區(qū)產(chǎn)量方面比其余處理提高7.7%～21.9%。這主要與CD 處理上層總孔隙度73.95%的牛糞基質(zhì)配方能夠更好地保水保肥以及下層總孔隙度83%的中藥渣基質(zhì)能夠更好的通氣有關(guān)。 因此，在未來可以將基質(zhì)配方分層作為提高基質(zhì)通氣性能，提升果實產(chǎn)量的手段之一。

表4 基質(zhì)分層處理對袋培番茄小區(qū)產(chǎn)量及單果重的影響Table 4 Effects of matrix stratification treatments on fruit yield and fruit weight of tomato