滕云飞,尚斌,陶秀萍

猪粪沼液对设施基质栽培番茄的营养效应

1中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部设施农业节能与废弃物重点实验室，北京 100081；2中国农业科学院都市农业研究所，成都 610000

【目的】探明猪粪沼液对设施无土栽培番茄的营养效应，为沼液的基质栽培应用提供科学依据。【方法】以番茄为研究对象，采用不同肥源（沼液和化肥）及不同类型基质（草炭和炉渣）的复因子试验设计，形成沼液+草炭（DP）、化肥+草炭（MP）、沼液+炉渣（DC）和化肥+炉渣（MC）4个处理，对番茄的生长、光合、养分吸收以及基质的理化特性等指标进行测定。【结果】DP处理的生物量比MP处理提高12.6%，同时DC处理比MC处理提高70.9%，但DP和MP处理的生物量显著高于DC和MC处理（＜0.05）。DP处理叶片的气孔导度(Cond)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)显著高于其他处理（＜0.05），且光合速率Pn最高，为（18.17±0.47）µmol·m-2·s-1，沼液处理显著提高了番茄的生物量和叶片的光合效率。DP处理的全株氮含量和全株磷含量比MP处理分别提高46.9%和19.7%，DC处理的全株氮含量和全株磷含量分别是MC处理的1.38和2.45倍。与化学肥料处理相比，猪粪沼液显著提高了基质的pH，增加了基质的有机质和有效磷含量（＜0.05）。DP处理果实的总产量最高，为（6.0±0.4）kg·m-2，但与MP处理无显著性差异。猪粪沼液显著提高了番茄果实的可溶性糖和Vc含量（＜0.05），提高了果实的品质。主成分分析结果表明，DP处理的各项指标综合表现最好，MP和DC处理次之，MC处理最差。【结论】猪粪沼液施入草炭基质中可以提高叶片光合效率，促进植株对氮、磷的吸收，改善基质的生态环境，且在保证产量的前提下，果实品质更好。因此，在设施番茄生产中推荐组合使用。

猪粪沼液；无土栽培基质；番茄；光合作用；养分吸收；基质理化特性

0 引言

【研究意义】我国畜禽粪污的产生量大，据行业统计，全国每年产生约38亿吨畜禽粪污[1]，随着畜禽粪污资源化利用科技支撑保障水平的提升和畜禽粪污资源化利用整县推进项目实施，畜禽粪污资源化利用水平不断提高，2020年畜禽粪污综合利用率为76%[2]，但仍有大量畜禽废弃物没有得到有效处理和利用，成为农村环境治理的一大难题。国务院办公厅印发的《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》（国办发〔2017〕48号）明确：以沼气和生物天然气为主要处理方向，以农用有机肥和农村能源为主要利用方向。沼气工程是畜禽粪污资源化利用的常用技术之一，但是以畜禽粪污为主要原料的沼气工程产生大量沼液，而未经处置的沼液直接排放不符合畜禽养殖业排放标准，易造成农田污染[3-4]。沼液富含多种水溶性养分，更易于被植物吸收利用[5-6]。将沼液作为有机肥料进行农田利用是沼液资源化利用的首选方法。由于大田作物的需肥量和施肥时间限制，沼气工程所需配套的沼液消纳农田面积较大，而大部分规模化畜禽场周边农田面积不足/缺乏，设施栽培的高效生产为沼液利用提供了新途径。番茄是重要的园艺作物之一，在现代设施园艺的发展中具有较高的经济效益和农业附加值。【前人研究进展】沼液是一种适宜番茄种植的肥料来源，因为沼液中含有高水平的氮和钾[7]。且前人对沼液应用于大田番茄土壤栽培进行了大量研究[8-11]。此外，一些研究人员在有机基质栽培下，利用沼液或不同粪肥浸提液混合的有机营养液对番茄、草莓等作物的光合、生长发育、产量及水分利用效率等方面进行了研究[12-13]。【本研究切入点】以往的研究主要集中在沼液或沼液部分替代化肥在有机基质栽培条件下对作物产量和品质的影响，而针对沼液完全替代化肥施入两种不同类型基质（有机和无机）的营养效应尚未见相关报道。【拟解决的关键问题】本研究以番茄为试材，综合肥料和基质特性两方面，探讨猪粪沼液替代化肥用于番茄基质栽培对番茄植株光合、养分吸收特性的影响；分析两种类型基质理化性质的变化情况，为沼液的基质栽培应用提供科学依据，拓展沼液种养结合新途径。

1 材料与方法

试验于2021年2—6月在北京市顺义区日光温室内进行。

1.1 试验材料

番茄品种选用大果型番茄‘瑞粉882’，购于荷兰瑞克斯旺公司。沼液取自河北省唐山市某规模化养殖场覆膜厌氧塘（容积2.52×104m3）发酵沼液，厌氧发酵水力停留时间为30 d，沼液存放于4℃冰箱，用于养分含量测定及试验。两种基质均为复配基质，草炭基质由草炭、珍珠岩、蛭石按照3﹕1﹕1体积比配制而成，炉渣基质由炉渣和蛭石按照1﹕2体积比配制而成，基质所用原料购自园艺市场。沼液和两种复配基质的特性如表1所示。

表1 沼液和两种基质的特性

1)沼液理化性质为全氮、全磷、全钾和有机质含量（mg·L-1）

1)The physicochemical properties of liquid digestate were total nitrogen, phosphorus, potassium and organic matter content (mg·L-1)

1.2 试验设计

试验选取不同肥料（沼液和化肥）和不同类型基质（草炭和炉渣），采用完全随机区组设计方法，共形成4个处理：沼液+草炭基质（DP）、化肥+草炭基质（MP）、沼液+炉渣基质（DC）和化肥+炉渣基质（MC）。猪粪沼液施用量根据番茄植株生长所需N含量[14]计算得出，施入总N量为347.4 kg·hm-2。化学肥料N施入量与沼液一致，磷和钾施入量根据番茄植株生长所需量确定，尿素、磷酸二氢钾、硫酸钾为化学肥源。各处理施肥量如表2所示。

表2 各处理肥料的施入量

1)定植后30 d开始追肥，每10 d追肥1次 Topdressing starts 30 days after planting, and once every 10 days

日光温室的面积为600 m2（60 m×10 m），通过对温室内温度、相对湿度和光合有效辐射的监测（1.5 m高度）数据显示，试验期间温室白天平均温度和相对湿度分别为（23.9±2.6）℃和（44.8±9.4）%，夜间平均温度和相对湿度分别为（12.7±2.3）℃和（88.0±4.5）%，正午的平均光合有效辐射为（563.5± 213.7）µmol·m-2·s-1。冬季日光温室夜间（晚5：00—早8：00）覆盖保温被。番茄种子播种在50孔的穴盘内，待番茄幼苗长至5叶一心时（2021年2月9日）定植。每处理种植15株番茄，共60株，植株定植在12 L塑料盆中，每盆定植1株，塑料盆南北放置，株行距0.27 m×1.2 m，密度为3株/m2。番茄植株每两天浇水一次，定植后30—60 d浇水量为1 L·株-1，60— 120 d浇水量为2 L/株。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 干物质量和植株养分含量 番茄植株的干物质量于定植后30、60和120 d采集，每处理随机选取4株，分别对根、茎、叶、果的鲜重进行测定，植株干重使用烘箱（DHG-9620-A，中国上海蓝德帕）80 ℃烘干至恒重，番茄植株的总干物质量为根、茎、叶和果的总和。植株根、茎、叶、果的干样，磨碎过60目筛，用于植株N、P、K养分含量的测定[15]；叶片总氮含量使用元素分析仪（2400 Series II，Perkin Elmer，USA）进行测定。

1.3.2 叶片光合参数测定 定植60 d后，对叶片光合参数进行测定。叶片的光合参数使用LI-6400XT光合测定系统（LI-COR生物科学，美国林肯）测定，每处理随机选取5株，在当天9：00—17：00对最上部完全展开的叶片进行测定，光合测定系统参数设定如下：光量子通量密度（PPFD）设置为600 µmol·m-2·s-1，CO2分压为400 µmol·m-2·s-1，叶片温度为25 ℃，叶片-空气蒸汽压差（VPDleaf-air）维持在0.7—1.0 kPa，空气通过系统的流速为500 µmol·s-1。光合参数测定后，在各处理同一位点采集叶片样本，用铝箔包裹后迅速浸入液氮中，-80 ℃冰箱保存，用于叶绿素含量[16]的测定。

1.3.3 基质理化特性测定 基质样品于生物量样品采集完成后进行，采用五点法收集（不包含根区基质），实验室风干、磨碎，过60目筛后用于基质理化性质的测定[15]。

1.3.4 产量和品质测定 番茄果实产量以成熟果实的鲜重累计获得，果实在定植后90—120 d采收，共采收4次。番茄品质在果实成熟期采集样品，每处理随机选取成熟度相似的果实4个，果实纵切后迅速浸入液氮中，-80 ℃冰箱保存，用于可溶性糖、Vc、可溶性蛋白含量的测定[16]。

1.4 数据统计分析

采用excel 2019进行数据处理，SPSS 25统计软件进行双因素方差分析（Two-way ANOVA），方法为LSD新复极差法。Origin 2022软件作图，试验结果用平均值±标准差表示；以＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 猪粪沼液对基质栽培番茄植物干物质量的影响

猪粪沼液对基质栽培番茄植株干物质量的影响如图1所示，定植后30 d，处理间干物质量无显著性差异。定植后60 d，MC处理的干物质量显著低于其他处理（＜0.05），其他处理之间无差异。收获期即定植后120 d，DP处理的干物质量比MP处理提高12.6%，同时DC处理比MC处理提高70.9%，但DP和MP处理的干物质量显著高于DC和MC处理。

2.2 猪粪沼液对基质栽培番茄叶片光合参数的影响

猪粪沼液对番茄叶片光合参数的影响如图2所示，DP处理叶片的净光合速率（Pn）最高（图2-a），且显著高于DC和MC处理（＜0.05），但与MP处理无显著性差异，主要是由于DP处理叶片的气孔导度（Cond）和胞间CO2浓度（Ci）显著高于其他处理（图2-b、c，＜0.05）。DP处理叶片的蒸腾速率（Tr）比MP、DC和MC处理的蒸腾速率分别提高了43.7%、81.9%和69.1%（图2-d）。

不同字母表示不同处理间差异显著（P＜0.05）。下同 Different letters indicate significant differences (P＜0.05). The same as below

DP和MP处理的光合速率显著高于DC和MC处理（＜0.05），但其叶片的叶绿素含量显著低于DC和MC处理（＜0.05）（表3）。此外，MP和MC处理叶片的总氮含量显著高于DP和DC处理（＜0.05）。双因素ANOVA分析表明基质类型对叶片净光合速率和叶绿素含量有显著影响，而肥料、基质以及肥料×基质互作对其他光合参数和叶片总氮含量具有显著影响。

图2 猪粪沼液对番茄叶片光合参数的影响

表3 沼液基质栽培对番茄叶片总N和叶绿素含量的影响

ns：无显著性差异；*：显著性差异（Fisher’s test，＜0.05）；同列不同字母表示差异显著（＜0.05）。下同

ns: Not significant difference; *: Significant differences to Fisher’s test (＜0.05); Different letters in each column indicated significant difference among the treatments (＜0.05). The same as below

2.3 猪粪沼液对基质栽培番茄养分吸收的影响

猪粪沼液施入不同类型基质中，番茄的养分吸收状况如表4所示，猪粪沼液处理有利于N素在茎、叶、果中积累，而化肥处理有利于N素在根系中积累。与N素不同，猪粪沼液处理有利于P元素在根、茎中积累。就K元素而言，DC处理的K含量在茎中显著高于其他处理，DC和MP处理的K含量在果中显著高于DP和MC处理（＜0.05）。此外，DP处理的全株氮含量和全株磷含量比MP处理分别提高46.9%和19.7%，DC处理的全株氮含量和全株磷含量分别是MC处理的1.38和2.45倍。而MC处理全株的N、P、K含量显著低于其他处理（＜0.05）。

表4 收获期各处理植株氮磷钾含量

2.4 猪粪沼液对基质理化性质的影响

猪粪沼液施入对基质理化性质的影响如表5，随着植株的生长，基质的pH逐渐降低，DP和DC处理基质的pH显著高于MP和MC处理（＜0.05）。与基质的pH相反，MP和MC处理基质的电导率随生育期的延长逐渐升高，且在定植后120 d时电导率显著高于DP和DC处理（＜0.05）。此外，猪粪沼液处理的有机质含量和有效磷含量显著高于化肥处理（＜0.05），基质的总氮含量在定植后60—120 d，以MP处理的总氮含量最高，其次是DP和DC处理，MC处理总氮含量最低。

表5 不同时期各处理基质养分特性变化情况

2.5 猪粪沼液对番茄基质栽培产量和品质的影响

猪粪沼液施入不同类型基质对番茄产量和品质的影响如表6所示，DP处理番茄果实的产量最高为（6.0±0.3）kg·m-2，显著高于DC和MC处理（＜0.05），但与MP处理无显著性差异。DP处理果实的单果重显著高于其他处理（＜0.05）。此外，DC处理果实的可溶性糖、Vc和可溶性蛋白含量显著高于其他处理（＜0.05），而DP处理果实的可溶性糖和Vc含量显著高于MP和MC处理（＜0.05）。

为了更全面地了解猪粪沼液对基质栽培番茄光合、营养、产量和品质等生理指标的影响，主成分分析（PCA）的结果如图3所示。前2个主成分分别解释了53.4%和21.5%的数据变异性。从各处理样本点的分布和原始变量之间的距离可以看出，DP处理的个体表现出更高的光合效率、养分吸收效率和适宜的基质环境，番茄的产量和品质更高。MP和DC处理的个体表现次之，样本点分布也十分接近，基质的电导率和速效钾含量更高。而MC处理个体表现出更高的叶绿素和叶片氮含量，但番茄叶片的光合能力、果实的产量与品质较低。

3 讨论

3.1 番茄叶片光合效率与植株养分吸收

光合作用为植物的生长提供碳同化物。本研究中，沼液施入草炭基质处理叶片的光合速率最高，主要是由于该处理叶片的气孔导度（Cond）和胞间CO2浓度（Ci）显著高于其他处理，而气孔的开放程度影响植物的光合速率[17]。同样，该处理叶片的蒸腾速率（Tr）显著高于其他处理，这与张钧恒等[12]、王红宁等[13]的试验结果一致，沼液可以提高叶片的光合速率和气孔的开放程度。植物的N营养状况直接影响光合速率和植株生长[18]，P元素直接影响ATP、NADPH等能量代谢物质的合成。P供应充足可以增加ATP的供应，影响磷酸甘油酯的合成和二磷酸核酮糖（RuBP）的再生，从而提高叶片光合速率[19]。在本研究中，沼液处理的全株氮含量和磷含量显著高于化肥处理，这与Xu等[20]的研究结果一致。此外，草炭基质有很高的钾含量，而沼液中的生物活性成分可能促进草炭基质中生物可利用钾的释放，K元素可以调节气孔开放并增强细胞的渗透调节能力[21]。因此，沼液施入草炭基质中提高了叶片光合效率，促进了植株对氮、磷养分的吸收。

表6 猪粪沼液对基质栽培番茄产量和品质的影响

3.2 基质的理化特性评价

沼液替代化肥施用可以影响基质的理化特性，在本研究中，猪粪沼液处理基质的pH显著高于化肥处理，氮在矿化过程中（NH4+→NO3-）会引起H+的释放，使基质的pH降低，而沼液的pH呈弱碱性，可以中和矿化过程中产生的H+，从而使沼液处理基质的pH高于化学肥料处理，说明沼液可以缓解化肥过量导致的基质/土壤酸化[22]。与pH相反，猪粪沼液处理基质的电导率显著低于化肥处理，可能是因为化学肥料中氨氮（尿素）转化为硝酸盐，使该处理硝酸盐浓度和基质的电导率升高。硝酸盐过量会导致植物组织中硝酸盐的淋溶和过度积累[23]，这一特征与叶片总N含量一致。施用沼液可以增加基质/土壤的有机质含量[24]，这一结论在本研究中得到证实。同时也部分证明了猪粪沼液处理植株在生物量方面的优势。此外，有报道称施用沼液后土壤的总氮含量可以在较长时间内保持较高浓度[25]，满足植株对N素营养的需要，这与本研究中猪粪沼液处理基质的总氮和有效磷含量在定植后60—120 d维持较高浓度的试验结果一致，而高浓度的磷溶液可以促进其他营养元素（N、K、Ca和Mg）的吸收[26]。因此，沼液施用可以改善基质的生态环境，促进植物对养分的吸收。

3.3 产量和品质评价

本研究中，猪粪沼液施入两种类型基质中，番茄的产量都有所提高。沼液增产可能存在两方面的原因：一是沼液作为有机肥料能改善根系生态环境，促进根系发育和提高叶片光合能力，增加同化物质的积累量；二是沼液中的有机质分解产生有机酸能促进基质中矿质养分的溶解，提高植株对养分的吸收[12,20]，这一结论在本试验中得以证实。而两种基质产量的差异，主要是因为草炭基质富含有机质、具有较高的保水性和透气性；而炉渣基质养分缺乏、保水能力差[27]，且基质的pH较高，易导致氮素流失[8]。化肥+炉渣处理番茄的产量最低，可能是处理中较多的尿素导致番茄幼苗根部受损，抑制了植株的生长[28]。

沼液可以提高基质栽培番茄果实的品质[29]。本研究中，沼液+草炭处理番茄的可溶性糖和Vc含量显著高于化肥处理，果实的单果重显著高于其他处理，笔者前期研究表明，猪粪沼液施入草炭基质中调节了植株碳代谢酶活性，促进了果实可溶性糖和干物质的积累[30]。而沼液+炉渣处理番茄的可溶性糖、Vc和可溶性蛋白含量显著高于化肥处理（＜0.05），可能是沼液的盐分含量较高，导致番茄植株受到一定程度的盐分胁迫，从而提高了果实的品质[31]。

4 结论

猪粪沼液施入两种不同类型基质（草炭和炉渣）中，均可以提高番茄叶片的光合效率，促进植物对氮、磷营养的吸收，改善基质的理化特性，提高果实的产量和品质，尤其是猪粪沼液施入草炭基质中，表明猪粪沼液是一种适合番茄无土栽培的肥料。与化肥+草炭处理相比，沼液+草炭处理表现出相似的产量和更高的品质，表明猪粪沼液可以替代化肥满足番茄生产中养分的需求，在设施番茄生产中推荐组合使用。然而，沼液+炉渣处理与化肥+炉渣处理相比，表现出更高的番茄产量和品质，表明猪粪沼液可以成为化学肥料的有效替代品，从而提高无机基质的肥力。

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Nutritional Effects of Liquid Digestate on Tomatoes Grown in Facility Substrates

TENG YunFei1, SHANG Bin1, TAO XiuPing

1Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management in Agricultural Structures, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Institute of Urban Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610000

【Objective】The nutritional effects of liquid digestate on tomatoes in facility soilless cultivation were investigated, so as to provide scientific basis for the substrate cultivation application of biogas slurry. 【Method】Here, tomato was used as subject, and the dual inputs of fertilizers (liquid digestate (D) and mineral fertilizer (M)) and soilless substrates (peat substrate (P) and cinder substrate (C)) consisted of four treatments. The parameters of tomato growth, photosynthesis and nutrients uptake were recorded during the experimental period, as well as the properties of substrates. 【Result】The tomato dry biomass under DP treatment was higher than that under MP treatment by 12.6%, and DC treatment was higher than MC treatment by 70.9%. However, the dry biomass under DP and MP treatments were significantly higher than that under DC and MC treatments (＜0.05). The Cond, Ci and Tr of tomato leaf under DP treatment was significantly higher than that under other treatments (＜0.05), and the greatest leaf photosynthetic rate was also observed under DP treatment of (18.17±0.47) µmol·m-2·s-1. Liquid digestate significantly increased the dry biomass and photosynthesis of tomato plants. The total N and total P content of plant under DP treatment were higher than that under MP treatment by 46.9% and 19.7%, respectively, and DC treatment were 1.38 and 2.45 times higher than MC treatment, respectively. Moreover, liquid digestate treatments significantly increased the pH value, organic matter and available phosphate content of substrates compared with chemical fertilizer treatments (＜0.05). The highest fruit yield was obtained under DP treatment of (6.0±0.4) kg·m-2, and the yields between DP and MP treatments had no significant difference. The liquid digestate treatments could significantly increase the soluble sugar content and vitamin C content in tomato fruits (＜0.05), and improve fruit quality.Meanwhile, the results of principal component analysis showed that DP treatment had the best overall performance, followed by MP and DC treatments, while MC treatment was the worst.【Conclusion】The application of liquid digestate into peat substrate increased the photosynthetic efficiency of leaves and the absorption of nitrogen and phosphorus of tomato plants, as well as the properties of substrate and the yield and quality of fruits. Therefore, the combination was recommended for use in facility tomato cultivation.

liquid digestate; soilless substrates; tomato; photosynthesis; nutrient uptake; substrate properties

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.013

2023-03-23；

2023-07-21

中国农业科学院科技创新工程（CAAS-ASTIP-IUA）、中国农业科学院杰出人才支持计划（NKYCLJ-C-2021-029）

滕云飞，E-mail：82101191058@caas.cn。通信作者陶秀萍，E-mail：taoxiuping@caas.cn

（责任编辑 赵伶俐）