丁小涛,何立中,金海军,张红梅,崔佳维,周 强,余纪柱

(上海市农业科学院,上海市设施园艺技术重点实验室,上海都市绿色工程有限公司,上海 201403)

智能温室是对荷兰文洛式温室及其他配备智能控制系统温室的一种泛称,因其具有低碳节能、节省人工、精准控制和效益高的特点,正逐渐推广到番茄栽培中[1]。荷兰是世界设施园艺强国,现有温室约有1万hm2,其中番茄栽培采用最多的就是岩棉+营养液的栽培方式[2]。近年来,我国大型现代温室发展迅速,很多企业都投入到新一轮引进现代温室的浪潮中,参考荷兰模式进行蔬菜生产[3],岩棉栽培占荷兰无土栽培面积2∕3以上,农用岩棉是由约60%玄武岩、20%焦炭、20%石灰石加上少量炼铁后的矿渣经高温熔融、成纤最后压缩成特定密度后再裁剪而成,在成纤过程中加入了一种具有表面亲水作用的黏结剂,能保持岩棉浸水后长时间不变形,而且具有良好的亲水性[4]。荷兰有非常成熟的岩棉循环利用技术,蔬菜岩棉栽培之后,企业可以将这些废旧岩棉回收制砖,而我国目前在废旧岩棉的后续处理上技术还不完善,严重制约了以岩棉作为栽培基质在现代温室蔬菜栽培上的发展[5]。本试验以进口新、旧岩棉,国产新、旧岩棉,椰糠为栽培基质,在现代温室中通过不同基质番茄越冬栽培的比较,以期探究废旧岩棉在番茄种植上的可行性,为岩棉循环利用、提高岩棉使用效率提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在上海市崇明区港沿镇国家设施农业工程技术研究中心崇明基地“Venlo”型现代温室中进行,所用番茄品种‘佳西娜’,由瑞克斯旺(中国)种子有限公司提供。分别以进口岩棉(Grodan生产的Master农用岩棉条,岩棉条长×宽×高=100 cm×20 cm×7.5 cm)、国产岩棉(浙江轩鸣新材料有限公司生产,农用岩棉条长×宽×高=100 cm×20 cm×7.5 cm)和椰糠(Dutch Plantin Coir India Pvt.,Ltd.生产,椰糠条中椰糠浸泡体积胀大后约长×宽×高=100 cm×17 cm×7.5 cm)作为栽培基质进行栽培试验。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 试验处理及栽培管理

2020年8月25日,番茄种子直接播种在岩棉塞中(岩棉塞20 mm×27 mm,在播种前浸泡于EC 2.0 dS∕m,pH 5.5的营养液中1 h),之后放置于28℃的培养箱中,出苗后放置到育苗温室,温室温度白天不高于35℃,晚上25℃左右,出苗3 d后,移苗到岩棉块(10 cm×10 cm×6.5 cm)中生长,此时灌溉营养液EC为2.0 dS∕m,pH 5.5,确保岩棉块中有充足的营养液。2020年9月18日定植于栽培温室中,定植前1 d将温室所有的栽培基质通过电脑控制灌溉营养液约7.5 L∕m2,灌溉营养液EC 2.0 dS∕m,pH 5.5。新的岩棉条浸泡1 d后,通过基质袋尾部开口,将多余的水放掉,旧岩棉和椰糠为之前种植茬口使用过的,在使用前基质内仍有一定的含水量,通过此次一起灌溉,多余的营养液直接排出,但基质含水量基本可达到饱和。番茄定植密度为2.5株∕m2,采用吊挂栽培,通过天窗、湿帘风机、空气处理机组等对温室进行控温,定植后一段时间,主要注重温室降温,使白天温度尽量不超过30℃,晚上不高于25℃,冬季主要进行保温,白天通风温度22—24℃,晚上加热温度14℃。整个栽培期番茄依赖自然光进行生长,不进行人工补光。定植后至果实采收期,灌溉营养液EC由2.0 dS∕m逐渐增加至3.0 dS∕m,pH 5.5,每天营养液排液控制在15%—30%,果实采收期营养液排液适当降低,灌溉营养液基础配方见表1,根据每次排液的检测情况,适当对灌溉营养液配方进行微调。电脑控制灌溉系统,每次使用相同量的A和B母液进行稀释,最终使栽培温室灌溉的营养液达到设置的EC;使用盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)将营养液的pH调节至5.5左右。其他栽培管理措施,如取老叶、取侧枝、落蔓、疏果、采收等按照正常管理进行[6]。

表1 番茄不同罐中营养液母液元素成分Table 1 Elements component in the mother nutrient solution in different tanks of tomato

1.2.2 不同处理番茄生长量和产量的测定

分别在结果中期和后期,使用卷尺分别对不同处理的株高、节间长度(植株中上部)、最大叶长宽进行测量,同时用游标卡尺测量植株的中上部茎粗。番茄完全转色后及时进行采收,并用电子秤记录每次采收的产量,计算番茄单位面积产量和亩产量。

1.2.3 不同处理番茄气体交换参数的测定

利用PP-Systems公司生产的CIRAS-3型便携式光合仪分别于结果早期、中期、后期,选择植株中部展开最大功能叶,于晴朗天气测量不同处理番茄叶片的气体交换参数,气体交换参数包括净光合速率(P n)、气孔导度(G s)、胞间二氧化碳浓度(C i)、蒸腾速率(T r)。测量的光照强度设置为1 000μmol∕(m2·s),温度、湿度、CO2浓度依赖于温室的自然条件,光合仪于温室中开机预热,稳定30 min后进行测量,每次待测量值稳定后再进行记录,所有处理重复测定5次,结果以平均值±标准差表示。

1.2.4 不同处理番茄品质参数的测定

于番茄结果期,对不同基质处理番茄相同部位的成熟果实进行取样,用全营养破壁料理机(中山市欧麦斯电器有限公司生产)进行混合打样,然后将样品放置于-80℃冷冻保存待测。不同处理番茄中VC、可溶性糖、可溶性蛋白、类黄酮、硝酸盐、亚硝酸盐含量的测定参考曹建康等[7]方法,使用苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒进行测量,可溶性固形物含量使用糖度计测定。

1.2.5 不同处理营养液排液EC、pH和矿物质元素含量的测定

如表2所示，综合工况后的计算结果包括冷态(SUS)和热态(OPE)。其中还有对模型的一次应力与二次应力的校核，只有当一次应力与二次应力同时校核成功才能说明模型所呈现的LNG气化站是可以安全生产的。从图3可以看到，对模型的二次应力校核结果显示为红色，说明二次应力校核未通过，其结果如表3所列。

对不同基质处理的营养液排液进行收集取样,取样时间分别为2020年10月18日、2020年10月29日、2020年11月19日、2020年12月9日、2020年12月18日、2020年12月31日、2021年1月14日、2021年1月29日、2021年3月14日、2021年4月22日、2021年5月7日。每次每个处理混合取排液约300 mL,待温室灌溉出现排液2—3次后再进行取样,委托欧陆分析技术服务(苏州)有限公司进行营养液排液EC、pH和矿质元素测定,其中2021年3月14日的检测同时增加了排液目标值(Target)的检测。电导率(EC)使用电导分析法测定,酸碱度(pH)使用电位分析法测定,硝酸盐含量使用流动注射法(FIA)测定;使用电感耦合等离子体-发射光谱(ICP-OES)分别在特定波长下测定营养液排液中磷(P-213.6 nm)、钾(K-766.5 nm)、钙(Ca-317.9 nm)、镁(Mg-285.2 nm)、硫(S-181.9 nm)、铁(Fe-238.2 nm)、锰(Mn-257.6 nm)、锌(Zn-206.2 nm)、硼(B-249.7 nm)、铜(Cu-327.4 nm)和钼(Mo-202.0 nm)含量,其中等离子体气流量为17 L∕min,辅助气流量0.5 L∕min,雾化器流量0.7 L∕min,样品提升速率15 mL∕min,提升时间70 s,重复3次,水平观察高度15 mm。

1.2.6 统计分析

使用SAS 9.3对各处理进行统计分析,结果以平均值±标准差表示,不同小写字母表示在5%水平上差异显著。使用Origin 7.5进行数据作图。

2 结果与分析

2.1 不同基质处理番茄株高、茎粗、节间长度、最大叶片长宽的比较

从表2可以看出,不同基质处理后,2021年1月29日测量的番茄株高、茎粗、节间长度、最大叶片长宽均无显著差异;2021年5月9日,所有处理番茄株高较前一次测量均明显增加,但不同处理间差异不显著;茎粗和节间长度较前一次测量差异不明显,各个处理间差异不显著;最大叶片长、宽较前一次测量均明显降低,但各个处理间差异仍不显著。

表2 不同基质处理对番茄株高、茎粗、节间长度、最大叶片长宽的影响Table 2 Effects of different substrate treatments on plant height,stem diameter,inter-node length,and maximum leaf length and width of tomato

2.2 不同基质处理番茄叶片光合作用的比较

从图1可以看出,不同时期不同基质处理生长的番茄净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率差异均不显著,其中不同处理气孔导度和蒸腾速率在早期相对较低。

图1 不同基质处理对番茄叶片气体交换参数的影响Fig.1 Effects of different substrate treatments on leaves gas exchange parameters of tomato

2.3 不同基质处理番茄品质参数的比较

从表3可以看出,进口旧岩棉处理的番茄VC含量相对最高,显著高于椰糠处理和国产新岩棉处理番茄的VC含量,但进口新岩棉和进口旧岩棉处理之间、国产新岩棉和国产旧岩棉之间差异不显著;国产新岩棉处理可溶性糖含量最高,但各处理间差异不显著;不同处理间可溶性固形物、可溶性蛋白、类黄酮、硝态氮、亚硝酸盐含量差异均不显著。

表3 不同基质处理对番茄果实品质参数的影响Table 3 Effects of different substrate treatments on fruit quality parameters of tomato

2.4 不同基质处理番茄产量的比较

不同基质处理后,各处理番茄的单位面积产量差异不显著,均超过了15 kg∕m2,每667 m2产量均超过了10 t(图2)。

图2 不同基质处理对番茄产量的影响Fig.2 Effects of different substrate treatments on yields of tomato

2.5 不同基质处理番茄营养液排液EC、pH的比较

从图3可以看出,不同基质处理后,番茄营养生长及结果早期,营养液排液的EC较低,第一次测量各处理都在3.1—3.3 dS∕m,结果中期(2021年1—4月)检测的值均较高,其中以进口新岩棉处理在2021年1月29日的测量值为最高6.6 dS∕m,2021年3月14日检测的排液目标值EC为4.0 dS∕m;结果后期(5月)各处理排液EC又有所降低(4.0—4.4 dS∕m)。果实采收前,各个处理的营养液排液EC均较低,差异不明显,但均呈现逐渐增加的趋势;至番茄开始采收(2020年12月1日),进口新岩棉和国产新岩棉的营养液排液EC明显高于旧岩棉处理,其中以进口旧岩棉营养液排液EC为最低(2020年12月9日测量值为3.8 dS∕m),最后两次检测发现各个处理的差异又逐渐减小;椰糠处理营养液排液EC和进口新岩棉、国产新岩棉处理差异不明显。各个处理营养液排液pH差异不明显,果实采收前各处理营养液排液的pH较高,果实采收后各处理pH变化较为平缓,接近检测排液pH的目标值(5.5)。

图3 不同基质处理后营养液排液中EC、pH的变化Fig.3 Changes of EC and pH in drain nutrient solution of different substrate treatments

2.6 不同基质处理番茄营养液排液矿质元素的比较

从图4可以看出,不同基质不同时间处理后,各处理的变化趋势较为一致,结果后期各处理间营养液排液的大量元素含量差异不明显,结果期之前各处理营养液排液的、P、Ca、K浓度差异不明显,均处于较低水平,前两次不同处理测量值为16.3—20.7 mmol∕L、P为0.04—0.44 mmol∕L、Ca为8.4—11.6 mmol∕L、K为5.3—6.7 mmol∕L。2021年3月14日检测的排液、P、Ca、K的目标值分别为22.0 mmol∕L、1.0 mmol∕L、10.0 mmol∕L、8.0 mmol∕L,结果期进口旧岩棉处理的营养液排液中浓度一直处于最低水平,结果早期国产旧岩棉处理的营养液排液中浓度也较低,但结果中后期明显升高。至结果期,营养液排液中P、Ca、K浓度明显增加,结果早中期,进口旧岩棉和国产旧岩棉处理营养液排液中P、Ca、K浓度相对较低,结果后期国产旧岩棉处理营养液排液中P、Ca、K浓度有明显提升;进口新岩棉、国产新岩棉、椰糠基质中营养液排液的P、Ca、K浓度相对较高。结果期均以进口新岩棉处理的营养液排液中出现最高的(55.5 mmol∕L)、P(3.5 mmol∕L)、Ca(20.0 mmol∕L)、K(15.1 mmol∕L)。2021年3月14日检测的排液Mg、S的目标值分别为4.5 mmol∕L、6.8 mmol∕L,不同时期,排液中的Mg浓度以进口旧岩棉的最低(最低为3.3 mmol∕L),国产旧岩棉处理营养液排液中Mg浓度在结果早期也比较低,中后期有所增加。不同时期各处理S浓度也是以进口旧岩棉处理营养液排液中的相对较低(最低为3.5 mmol∕L)。

图4 不同基质处理后营养液排液中大量元素的变化Fig.4 Changes of macro-elements in drain nutrient solution of different substrate treatments

由图5可见,不同时期椰糠处理的营养液排液中Fe、Mn浓度最低,如2021年1月29日,进口新岩棉处理Fe、Mn浓度分别为椰糠处理的3.7倍和20.3倍;番茄结果早期,营养液排液中Fe浓度以进口旧岩棉和国产旧岩棉处理较高,至结果中后期各岩棉处理营养液排液Fe浓度差异减小。结果期之前,各处理Mn浓度差异不明显,果实采收期以进口新岩棉和国产新岩棉处理营养液排液Mn浓度较高,其次为进口旧岩棉和国产旧岩棉处理。不同时期,营养液排液中Zn浓度以进口新岩棉处理为最高(2021年4月22日达到最大值10.2μmol∕L),其次为国产新岩棉处理,椰糠、进口旧岩棉和国产旧岩棉处理营养液排液中Zn浓度较低,三者差异不明显。番茄果实采收前和结果早期,各处理Cu浓度差异不明显,果实采收中后期进口新岩棉和国产新岩棉处理的营养液排液中Cu浓度明显增加,而其他处理间差异不明显。番茄果实采收前椰糠处理的营养液排液中B浓度最低(2020年10月29日测得最小值36μmol∕L),其次为进口旧岩棉和国产旧岩棉处理,进口新岩棉和国产新岩棉处理的浓度相对较高,至番茄结果期,进口旧岩棉处理营养液排液中B浓度明显为最低,而椰糠处理中营养液排液的B浓度增加。不同处理Mo浓度在番茄采收前营养液排液中含量较高(2020年10月18日测得国产新、旧岩棉最大值均为0.9μmol∕L),之后至结果期明显降低,其中椰糠处理营养液排液的Mo浓度最低(0.1μmol∕L),而进口新岩棉和国产新岩棉处理的浓度相对较高。2021年3月14日检测的排液Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo的目标值分别为35.0μmol∕L、5.0μmol∕L、7.0μmol∕L、0.7μmol∕L、50μmol∕L、0.5μmol∕L。

图5 不同基质处理后营养液排液微量元素的变化Fig.5 Changes of micro-elements in drain nutrient solution of different substrate treatments

3 结论与讨论

本试验不同处理不同时期测量的株高、茎粗、节间长度、最大叶片长宽差异均不显著,说明不同基质处理对番茄植株生长的影响有限,以国产新岩棉、国产旧岩棉、进口旧岩棉为基质的番茄生长参数均达到了进口新岩棉的水平。

光合作用是植物碳同化并形成产量的基础,可以直接反应植物生长的好坏[8]。本试验发现不同基质处理后同一时期,各处理间净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率差异均不显著,这也印证了不同处理间生长参数无差异的结果。

高品质和高产量一直是番茄栽培着重努力的方向[9]。本试验不同基质处理的番茄果实可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白、类黄酮、硝态氮、亚硝酸盐含量差异均不显著。果实VC以国产新岩棉、椰糠处理最低,但进口新岩棉和进口旧岩棉处理、国产新岩棉和国产旧岩棉处理间差异均不显著,说明和新岩棉比较,旧岩棉基质并没有显著降低番茄果实的品质。同样,不同基质处理后番茄的单位面积产量差异不显著,并且亩产量均超过10 t,而这样的产量是在冬季不补光、春季不加密、采收期不足6个月的情况下达到的,张洋等[10]对日光温室越冬番茄研究发现,不补光番茄亩产量只能到达约5.5 t。这也说明不管是进口旧岩棉还是国产新、旧岩棉栽培番茄,产量上都可以达到进口新岩棉的水平。

番茄果实达到采收期,不同时期进行营养液排液检测,检测机构会对应给出排液EC的目标值,2021年3月14日检测机构给出的营养液排液目标值EC为4.0 dS∕m,排液在此EC下会给出对应的营养液元素含量目标值,同时根据不同基质和不同作物生长时期,重新建议给出调整的营养液配方。本试验营养液排液除了在果实采收前营养液排液EC略低于4.0 dS∕m外,番茄结果期各处理营养液排液EC均高于4.0 dS∕m,这和本研究的灌溉管理策略有关,苗期至结果期,逐渐增加灌溉EC,从2.0 dS∕m增加至2.5 dS∕m,并维持20%—30%的排液;番茄结果期逐渐增加灌溉EC至3.0 dS∕m,并且排液适当减少至15%—20%,使栽培基质中有适当的盐浓度,从而提高番茄品质[11]。不同基质处理以进口旧岩棉的营养液排液的EC为最低,这可能和旧岩棉基质物理性质的改变有关;不同基质处理营养液排液pH差异不明显,均在果实采收前略高,结果期营养液排液pH和目标值5.5非常接近。

营养液中矿质元素的分析是无土栽培中非常重要的工作[12]。本试验中各处理营养液排液中大量元素浓度的变化比较一致,其中N、P、K浓度在结果期均明显增加。营养液排液中的大量元素以进口旧岩棉和国产旧岩棉中浓度相对较低,这有可能和旧岩棉结构有所破坏,固水能力相对较弱有关;但总体来说,各处理间营养液排液大量元素的变化趋势一致,不同处理的差异在结果早期和后期较小。结果期N、P、Ca、K、Mg浓度大多比检测排液目标值高,这应该和栽培中的灌溉策略有关,试验中结果期为提高番茄品质,有意增加了灌溉营养液的EC,同时适当减少了排液量,增加了基质中营养液的EC。椰糠处理营养液排液中Fe、Mn、Mo浓度最低,这可能和椰糠为有机质,根系环境更利于Fe、Mn、Mo元素的吸收有关;结果早期进口旧岩棉和国产旧岩棉营养液排液的Fe含量较高,这也可能和旧基质持水量较小,空气含量高,导致Fe元素氧化而形成更多较难吸收的三价Fe有关。结果期进口新岩棉和国产新岩棉营养液排液中Mn、Zn、Cu浓度明显高于其他处理,相对于2021年3月14日目标值Mn 5.0μmol∕L、Zn 7.0μmol∕L来说,新岩棉处理总体来说更加接近,这也和新岩棉物理性质较好有关。各处理营养液排液B浓度在番茄结果期均在2021年3月14日目标值50μmol∕L之上,但进口旧岩棉和国产旧岩棉处理相对更接近于目标值。结果期各处理Mo浓度均略低于2021年3月14日的目标值0.5μmol∕L,以新岩棉处理更接近于目标值。结果期检测机构给出的目标值是根系环境排液中比较理想的矿质元素含量,但是栽培者可以根据自己的经验,适当调整排液的EC和矿质元素浓度,从而获得较佳的果实产量和品质。现代温室番茄栽培,建议定期对营养液排液进行检测分析,检测机构也可以根据检测结果,给出新的营养液配方(做Target检测),这样可以及时了解排液中矿质元素的变化,适当调整灌溉策略,给植物根系创造更佳的矿质元素吸收环境。

通过本试验可以得出,和进口新岩棉比较,使用进口旧岩棉、国产新岩棉、国产旧岩棉均可种植番茄,番茄的产量和品质没有受到影响。因栽培管理对灌溉营养液的调控,本试验营养液排液的EC较高,所以大部分排液的大量元素浓度在结果期均较高。栽培中应该注重排液营养液的定期检测分析,使用旧岩棉基质,番茄结果期应该适当增加S、Mn、Zn、Mo元素的供给;如果使用椰糠作为番茄栽培基质,应注重S、Fe、Mn、Zn、Mo元素的供给;栽培温室中一个灌溉区(同一灌溉阀控制同时灌溉的区域)最好选用一种栽培基质,这样更利于营养液配方和灌溉策略的调整优化。