庞姝姝，李友丽，赵倩，郭文忠，李海平，李灵芝*(.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 03080；.北京农业智能装备技术研究中心，北京 00097)

基质栽培是用固体基质(介质)固定植物根系，并通过基质吸收营养液和氧的一种栽培方式[1]。该种栽培是世界设施农业中广泛采用的一种先进技术，具有避免土传病虫害和连作障碍，利于准确供应作物所需的水分和养分，提高肥料利用率和节约用水，及提高品质、获得高产等诸多优点。按照基本物质组成成分不同，可将基质分为无机基质和有机基质2种。无机基质主要包括岩棉、浮石、蛭石、珍珠岩等，有机基质主要有草炭、木屑、椰糠等由有机残体组成的基质[2]。最常用栽培基质有岩棉、草炭和椰糠等。岩棉通透性较好，昼夜温度变化不大，容重小，病菌少，持水强等特点[3]。草炭质地细腻，比重为0.7～1.05，多呈棕色或黑色，pH值一般为5.5～6.5，呈微酸性反应，呈层状分布[4,5]。椰糠是椰子外壳加工椰纤维过程中产生的副产品，其保水、透性，同时有良好的空隙结构[6]。栽培基质理化性状存在差异，进而对作物生长发育等有不同影响，研究人员已开展了大量工作。彭世勇[7]等以珍珠岩、岩棉、沙子等作为栽培基质，研究不同栽培基质对萝卜芽苗菜生长和产量的影响发现，岩棉栽培对萝卜芽苗菜生长和增产有显著效果。姜玲[8]从番茄的农艺形状等方面分析了椰糠基质栽培(以蛭石基质栽培为对照)对番茄高产的机制，认为就番茄农艺性状而言椰糠优于蛭石。邝瑞彬[9]等探讨了不同栽培基质对香蕉幼苗生长的影响，发现以椰糠为栽培基质，幼苗在株高、叶片数、叶面积、干物重等方面都具有较强的生长优势。

基质栽培下，作物生长所需水分和养分的主要来源是灌溉的营养液[10]。营养液的养分特征和灌溉制度对作物生长和产量形成至关重要，针对不同栽培基质、不同作物等相关研究是该领域研究热点和重点，并取得了丰富的成果。张钰[11]等研究了不同营养液浓度和用量对醋糟基质栽培的番茄植株生长和果实产量及品质的影响，筛选出最佳水肥管理方式。何诗行[12]等研究了营养液电导率值及灌溉频率对番茄植株形态和果实品质的影响，为实现设施番茄短程栽培中营养液的高效供给及标准化管理，寻求最优的营养液供给方式。但是，目前基质栽培生产中灌溉的营养液主要是无机态营养液，鲜有涉及有机液肥灌溉的相关研究。有机发酵液是将有机物料合理配比，然后在微生物菌剂作用下发酵而成的一种纯天然、多功能、高肥效、环保型的有机营养液，在作物上施用有机发酵肥不但减少了化肥、农药的用量, 而且对于环境保护和食品优质、安全生产具有重大的理论与实践意义, 为病害的防治提供新思路、挖掘新的技术途径[13]。北京农业智能装备技术研究中心研发了有机水肥一体化装备与系统[14]，现已在菜心、紫薯和番茄等作物的土壤有机栽培应用[15]，较好的实现了有机液肥制备与自动灌溉的装备化与自动化，有效提高了有机栽培作物产量和生产效率；在黄瓜有机无土栽培中应用[16,17]，实现了水分、养分的充足供应，使有机无土栽培的秋冬茬黄瓜产量达到了46 766～47 647.3 kg·hm-2。基于不同基质的特性差异，本试验研究有机发酵液灌溉下，不同基质栽培对番茄的生长和产量的影响，为基质栽培有机发酵液应用选择适宜栽培基质提供数据支持和参考，也为有机无土栽培技术发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年3月13日-7月10日在国家精准农业研究示范基地5号日光温室中开展。国家精准农业研究示范基地地处北京市昌平县，属于温带大陆性气候。地理坐标为东经115°50′17″～116°29′49″、北纬40°2′18″～40°23′13″。年平均日照时数2 684 h，年平均气温11.8 ℃，年平均降水量550.3 mm。供试作物为番茄(京番103)，定植密度均为30 000 株·hm-2。

本试验中，采用北京农业智能装备技术研究中心自主研发的有机水肥一体化智能装备与系统，管控有机发酵液的制备和番茄无土栽培的营养液灌溉。涉及的有机栽培水肥一体化系统，主要包括：有机液肥发酵系统、配肥系统、灌溉系统和自动控制系统(图1)。

利用有机水肥一体化装备与系统进行有机液肥制备与灌溉：选择富含N、P或K的秸秆、豆粕、米糠、骨粉、草木灰等农业有机物料，鸡粪、牛粪或羊粪等腐熟禽畜粪便，及磷矿粉、钾矿粉等可做有机肥源的矿物粉为发酵原料，根据发酵配方(表1)按比例混合，装入对应发酵罐的内胆网袋中，再加入微生物发酵菌剂(提前1 d天培养活化)、黑糖和清水。连接供氧系统，在控制系统的可编程序中输入液体循环周期(10 min·h-1)和供氧周期(15 min·h-1)等参数值，设定发酵罐中上下限液位，启动发酵控制系统。发酵原料在微生物作用下进行好氧发酵，分解并释放出N、P、K等养分元素至水溶液中，经过15～20 d发酵，获得N、速效P和速效K含量相对较高的有机液肥(表2)。此时，关闭发酵控制系统，启动自吸泵、电磁阀及反冲洗过滤器等，将有机液肥经多级过滤后(达到微灌系统标准120目)，储存至对应储液桶中待用。控制系统基于已嵌入的自动灌溉决策和决策指标的参数值，执行有机营养液的养分调配和灌溉的命令程序，自动管控有机液肥制备、养分调配和灌溉工作。其中，灌溉决策方法是时序控制法，即7:00-18:00整点时刻灌溉，单次灌溉量为0.4 mm·m-2[16]。灌溉液EC值范围参照山崎番茄营养液配方[18]。

图1 有机水肥一体化智能装备与系统Fig.1 organic water and fertilizer integration of intelligent equipment and systems 注：1.物料起吊系统 2.加清水系统 3.吸肥配液组件与控制系统4.供氧系统 5.动力系统 6.循环系统 7.发酵罐体 8.过滤系统 Note：1. Material hoisting system 2. Add water system 3. Suction dosing unit and control system 4. Oxygen supply system 5. Power system 6. Circulation system 7. Fermenter 8. Filter system

表1 3种有机液肥的制备配方/kg

Table1 The preparation of three kinds of organic nutrient solution

材料Material有机肥料NOrganicfertilizersolution有机肥料POrganicfertilizersolution有机肥料KOrganicfertilizersolution豆饼70--豆秸35--鸡粪-70-骨粉-17-磷矿粉-14-草木灰--60秸秆--27钾矿粉--14黑糖777发酵菌剂0 250 250 25清水100010001000

表2 3种有机液肥中目标元素含量/mg·L-1

Table2 Nutrient content of three kinds of organic nutrient solution

有机肥液NOrganicfertilizersolution有机肥液POrganicfertilizersolution有机肥液KOrganicfertilizersolution总NTotalnitrogen速效PAvailablephosphorus速效KAvailablepotassium含量1248 2167 301028 00

1.2 试验设计

本试验以3种不同的栽培基质为处理，即岩棉基质T1、复合基质(草炭∶珍珠岩体积比1∶1)T2和椰糠基质T3。椰糠基质包裹塑料膜，压缩比5∶1，膨胀量8.619 kg，吸水膨胀的体积为100 cm×15 cm×10 cm，EC值4.22 ms·cm-1，放入栽培槽后用清水泡胀并淋洗，至淋洗液EC值≤0.7 ms·cm-1时待用。岩棉和复合基质均未包裹，其体积与吸水膨胀后的椰糠一致，放入栽培槽后，上置盖板(开有定植孔)，使其覆盖程度与椰糠一致。3种基质的物理性状如表3。

表3 不同基质的物理性状Table 3 Physical and chemical properties of different substrates

试验各处理均设3次重复，共9个试验小区，随机分布。各试验小区支路灌溉管道并联在主灌溉管道上，主管与支管通过电磁阀和流量计与主灌溉管路连接，支管上对应植株安装滴箭组件，滴头对应定植孔插入基质中，确保了各小区灌溉独立，营养液供应精确、均匀(图2)。各处理的日常操作与管理均一致。

图2 试验分布情况Fig.2 Test distribution

1.3 测定项目及方法

本试验，在每个处理的各重复小区中随机选定5株番茄监测相关生长、生理指标。连续测定株高(前期每2～3 d测定一次，中期每天测定一次，后期每7 d测定一次，茎基部到生长点的长度)；在苗期-初花期和盛果期连续测定茎粗(用游标卡尺平行子叶展开方向测其下方1 cm处)和单叶片的叶面积(各测量周期内第一次测量前，先标记新出叶片，连续监测该叶片的长与宽，两者的乘积再乘以系数0.739为该叶片面积[19])，两个生育期内各测1个周期；定期监测叶片叶绿素含量(SPAD-502叶绿素含量测定仪)和气孔导度(SC-1稳态气孔计)，每2～3 d测定一次。本试验植株4穗果封顶，并在盛果期取第2或3穗成熟度一致的番茄测定品质：维生素C(2，6-二氯靛酚滴定法)，硝酸盐(浓H2SO4-水杨酸法)，可溶性总糖(蒽酮比色法)，粗蛋白(凯氏定氮法)和可滴定酸度(碱测定法)[20]。将此茬口番茄分小区采收后，田间直接称重，并统计果实数量，分次采收，累积计产。

1.4 数据处理

数据采用Excel进行处理及制图，采用SAS统计软件进行差异性显著分析(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同栽培基质对番茄株高和茎粗的影响

从图3株高变化可知，不同栽培基质对番茄的株高有显著影响。番茄生长期间，3种栽培基质下的番茄株高增长速度存在差异，4月1日-5月11日之间，番茄的株高增长速度为T2>T3>T1，5月11日-6月1日期间，番茄的株高增长速度为T3>T2>T1。在5月11日前，3个处理的番茄株高差异不显著，以T2最高，为170.73 cm；5月11后，处理T3的株高明显高于处理T1、T2，最终番茄株高为T3(239.53 cm)>T2(218.33 cm)>T1(192.37 cm)。

从图3茎粗变化可以发现，第一测量周期(营养生长期)内，三种栽培基质下番茄茎粗在前期(4月1日-4月13日)增长速率差异不明显，4月13-4月19日不同处理下茎粗增长速率差异较明显，即T1>T3>T2，使最终的茎粗值存在差异(T1>T3>T2)。第二个测量期(结果期)结果显示，测量前期三种栽培基质下茎粗增长速率均明显大于第一测量期的前期，这可能与该时期温室内温光环境条件更适宜作物生长有关。不同处理下，茎粗增长速率存在一定差异，表现为T3处理明显大于T2处理和T1处理，使T3处理最终形成的茎粗值(11.21 mm)明显高于其他两个处理(T1处理8.23 mm和T2处理9.95 mm)。

图3 不同栽培基质对番茄株高以及茎粗的影响Fig.3 Effect of different media on tomato plant height and stem diameter

2.2 不同栽培基质对番茄叶片数和叶面积的影响

不同基质栽培对番茄的叶片数也有一定影响，由图4叶片数变化可以看出，4月29日之前，不同栽培基质下番茄植株的叶片数差异不明显，4月29日后，不同栽培基质下番茄植株的叶面数存在差异且随着生育期延长差异有增大的趋势，即叶片数的增长速率为T3>T2>T1。6月1日测定结果显示椰糠基质的单株番茄的叶片数最多(39片)，其次是复合基质栽培(35片)和岩棉栽培(31片)。

栽培基质因其特性差异，对新生叶片的扩展速率和完全展开功能叶片形成存在一定影响。从图4叶面积变化看出，第一个测量周期(生长发育期)，新叶扩展速度较快，3种基质类型栽种下的番茄叶面积增长存在一定的差异，即处理T2待测新叶的叶面积增长速率最大，其次是处理T1，处理T3最小，使最终形成的功能叶片(完全展开)大小为叶面积T2>T1>T3。进入结果期，番茄新生叶片增长速率较前一测量周期减缓，而不同栽培基质下新叶扩展速率及形成功能叶片大小的差异较上测量周期明显，新叶扩展速率处理T2>处理T3>处理T1，所形成的完全展开叶片叶面积大小也是T2(1 016.47 cm2)>T3(736.51 cm2)>T1(565.49 cm2)。

图4 不同基质栽培对番茄叶片数和叶面积的影响Fig.4 Effect of different substrate culture on tomato leaf number and leaf area

2.3 不同栽培基质对番茄叶片叶绿素和气孔导度的影响

从图5中发现，3个不同基质下的番茄叶绿素，在同一测定时间点上的叶绿素没有明显的差异性，并且3个不同基质栽种下的番茄气孔导度也没有显著的差异性变化。认为有机水肥一体化技术应用下，不同栽培基质对番茄叶片叶绿素含量(SPAD)和气孔导度的影响未形成差异。

图5 不同基质栽培对番茄叶绿素和气孔导度的影响Fig.5 Effect of different substrate culture on chlorophyll and stomatal conductance of tomato

2.4 不同栽培基质对番茄产量的影响

从表4可以看出，基质栽培的番茄单果重为椰糠处理>岩棉基质>复合基质，每株的结果数为复合基质>椰糠基质>岩棉基质。经统计产量发现，3种基质栽培的番茄产量有明显差异，椰糠栽培的T3处理番茄产量最高，为80 262.00 kg·hm-2，其次是复合基质T2处理产量为71 436.54 kg·hm-2，岩棉栽培T1处理的番茄产量73 459.59 kg·hm-2为最低。与处理T1、处理T2相比，T3处理分别提高了9.26%，12.35%。因此认为灌溉有机发酵液时，以椰糠作为栽培基质更有利于番茄产量形成。

表4 不同基质栽培对番茄产量的影响Table 4 Effects of different substrates on tomato yield

注:同行不同大写字母表示差异极显著(P<0.05),下同。

Note：Different capital letters show significant difference at the 0.01 level in the same row. The same below.

2.5 不同基质栽培对番茄品质的影响

不同栽培基质下番茄果实品质如表5所示，3种不同栽培基质下，番茄各品质指标的差异均未达到显著水平。T2处理的番茄的可溶性总糖最高为4.77%；T1处理的番茄还原型Vc最高，可滴定酸含量最高，分别为166.33 mg·kg-1和0.46%；T3处理的番茄的NO3--N含量最高为32.03 mg·kg-1。

3 讨论与结论

无土栽培基质是为植物根系生长提供良好的根际环境的生长介质，具有支持植株、保持水分和透气的作用，为植物生长提供稳定和协调的水、肥、气、热根际环境条件。良好的根际环境与基质的物理性状容重、比重、孔隙度、田间持水量等密切相关即，基质容重、孔隙度、气水比等直接影响其持水能力和排气排水性[21]。有研究认为蔬菜栽培基质适宜的容重为0.1～0.8 g·cm-3，总孔隙度为54%～96%，通气孔隙大于15%，大小孔隙比,即通气孔隙与持水孔隙之比通常其数值应在1∶1.5～1∶1.4之间为宜[22～24]。龚梦璧[25]等研究了不同配比基质物理性状对青菜种子萌芽特征的影响，基质A4(草炭：珍珠岩：园土为2∶1∶3，其容重为0.59 g·cm-3孔隙度为74.66%，通气空隙为21.99%)下青菜种子萌发率较好，活性指数最高。康丽敏[26]研究不同复合基质的理化特性对番茄品质和产量的影响，发现4组栽培基质均能改善番茄果实品质，增加产量，其中腐熟羊粪：菇渣：珍珠岩体积比=1∶2∶1(容重0.36 g·cm-3，总孔隙度76%，)的组合为番茄栽培的最佳组合。本试验选用岩棉、复合基质(草炭：珍珠岩的体积比1∶1)和椰糠为栽培基质，分析基质物理性质得出椰糠容重为0.14 g·cm-3，总孔隙度为52.27%，通气空隙为25.13%，相比岩棉(容重为0.07 g·cm-3，总孔隙度为98.44%)和复合基质(容重为0.14 g·cm-3，总孔隙度为52.27%)，更适合用于蔬菜栽培。番茄无土栽培中，分别以上述3种材料为栽培基质，灌溉有机发酵液，监测岩棉基质、复合基质(草炭∶珍珠岩的体积比1∶1)及椰糠基质栽培下番茄的生长、品质和产量发现椰糠栽培的番茄其株高、茎粗、叶片数以及产量均优于其他两种栽培基质，认为配套有机发酵液灌溉，椰糠是一种更适宜的番茄无土栽培基质。

表5不同基质栽培对番茄品质的影响

Table5 Effects of different substrates on quality of tomatoes

可溶性总糖/%SolulesugarVc/mg·kg-1可滴定酸度/%TitrationacidityNO3-⁃N/mg·kg-1岩棉4 63±1 91a166 33±52 20a0 45±0 14a22 47±6 07a复合基质4 77±1 07a162 00±31 05a0 46±0 10a30 90±1 37a椰糠4 30±0 51a136 67±28 43a0 46±0 07a32 03±9 03a

参 考 文 献

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