CO2 微加富下營養液調控對番茄生長及水肥利用效率的影響

孫 茜，徐 凡，王 湛，3，郭文忠，李 靜，李靈芝

（1.山西農業大學園藝學院，山西太谷030801；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京100097；3.南京農業大學農學院，江蘇南京210095）

番茄作為設施蔬菜生產的主栽蔬菜，其栽培面積已超過露地栽培面積[1]，至2014 年栽培面積已達101.17 萬hm2[2]。設施番茄生產離不開光、溫、水、氣、肥等條件，其中，CO2是植株光合作用的重要原料，參與光合作用的暗反應，是設施生產中重要的氣肥。然而，冬春季節番茄生產中，設施需長期密閉以保證作物生長所需的溫度，因此，通風時間短，使得設施內CO2處于虧缺狀態，嚴重影響植株的光合和生長[3]。在夏季，溫室經常通風，雖提高了室內CO2含量，但由于植株生長旺盛，CO2消耗量大，溫室內CO2含量仍低于溫室外[4]。特別是無土栽培條件下，因缺少土壤呼吸這一CO2來源，CO2虧缺現象更為嚴重。研究發現，提高CO2濃度可以促進番茄光合作用，提高凈光合速率，促進植株礦質養分的吸收，提高水分和養分利用效率，最終提高產量[5-9]。但CO2濃度過高會影響番茄對氧氣的吸收，影響正常的呼吸作用，還會造成植株葉片卷曲而影響光合作用[10]。所以，適量提高CO2濃度對番茄的生長至關重要。然而，我國設施果菜生產中CO2氣肥應用還較為粗放，設施類型、CO2發生方式、成本、配套裝備、調控技術等成為主要的限制因素，近年來對技術裝備的研發逐漸發展和深入，其與水肥的耦合調控也成為一項重要的研究內容。特別是加富條件下的適宜水肥管理方法，可以促進管理水平的提高，降低使用成本，促進設施農業的全面發展。

巖棉栽培屬于無土栽培，以巖棉為栽培基質，通過營養液提供植株生長所需的水分和養分，其優點在于可有效避免土傳病害的發生與傳播，提高土地利用效率，并可根據番茄不同生育期、不同環境條件調控營養液，按需供給，以滿足番茄的生長[11]。在番茄巖棉栽培中，作物水分和養分的唯一來源是營養液[12]，因此，合理的營養液EC 值調控是促進番茄生長的重要條件。何詩行等[11]研究表明，番茄巖棉短程栽培條件下，營養液灌溉頻率為5 次/d 時，營養液EC 為4 mS/cm，有利于巖棉栽培番茄生長和品質綜合提高。還有研究表明[13-15]，冬季低溫弱光條件下，番茄結果期適宜的營養液EC 為3.5 mS/cm。然而，這些研究均為在常規CO2環境下對營養液的調控，關于CO2微加富下，巖棉栽培番茄營養液EC值的調控方法研究報道較少。所以，本試驗在這些研究的基礎上，進行CO2加富，研究該條件下適宜的營養液EC 值。

本試驗旨在研究CO2微加富下營養液EC 值調控對結果期巖棉栽培番茄植株形態、葉片光合特性、產量、品質以及水肥利用效率的影響，以明確微量加富CO2下適宜的營養液EC 值調控方法，提高番茄水分、養分利用效率，并在降低CO2調控成本的基礎上，提供較優的營養液供液EC 值，為智能溫室番茄巖棉栽培環境與灌溉決策耦合調控提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為硬粉8 號，無限生長型，屬中早熟果，成熟果為粉紅色，由北京市農林科學院蔬菜研究中心提供；試驗用巖棉為Grodan 巖棉產品；營養液采用日本山崎番茄配方，微量元素采用通用微量元素配方，營養液采用自動灌溉模式。

1.2 試驗設計

試驗于2018 年7 月至2019 年1 月在北京農業智能裝備技術研究中心的人工氣候室內進行，便于對環境進行精準的控制。氣候室內光源為高壓鈉燈和金屬鹵素燈，室內溫濕度、CO2濃度可根據設定值自動調控并記錄。試驗期間每日光照為12 h，晝夜溫度分別設定為白天25 ℃、夜間15 ℃，相對濕度為60%±10%，給光期光照強度為400 μmol/（m2·s），CO2濃度為（600±50）μmol/mol。栽培盆選用自主研發的多功能巖棉栽培盆，盆長25 cm，寬20 cm，栽培位置深13 cm，栽培盆內側底部留有導流槽，導流槽兩頭留有排液孔，可連接管道，用于收集多余的營養液。參考常規巖棉栽培水肥管理方式，共設定3 個水平營養液EC 值，分別為：處理C1.EC＝2.3 mS/cm；處理C2.EC＝2.9 mS/cm；處理C3.EC＝3.5 mS/cm。其中，以C3 為對照處理，每處理設置4 個重復，每盆放置1/4 長度的標準巖棉條（25 cm×20 cm×6.5 cm）和單孔巖棉塊，單株定植，單干整枝。

營養液EC 用電導率儀（DDB-303A，實驗室電導率儀）調節營養液供液至目標EC 值（±0.03 mS/cm）。番茄于2018 年7 月30 日播種，8 月6 日2 片真葉時移栽到巖棉塊，期間灌溉營養液EC 為1.5 mS/cm；9 月20 日開花期定植，定植前用EC 值為2.0 mS/cm 的營養液充分浸泡巖棉條至巖棉流出液與浸泡液EC 值一致，并隨著生長逐漸提高灌溉營養液EC值。10 月4 日結果期開始試驗處理，采用滴灌的灌溉方式，灌溉時段為8：00—17：00，每小時灌溉一次，每天累計灌溉10 次，根據植株的生長情況隨時調整每日灌溉量，保持各處理灌溉量一致。采用常規管理，植株6 穗果打頂。至1 月22 日采收完畢，試驗結束。

1.3 測定項目及方法

試驗期間每天記錄各處理營養液灌溉量、回液量以及灌溉液和回收液的EC 值，并以此計算水分與養分利用效率。

每處理選擇3 株番茄進行定株觀測，每15 d 測量一次番茄植株的株高和莖粗。株高為巖棉塊上表面至生長點的距離，用直尺測量，莖粗以莖基部即子葉下莖粗為代表，用游標卡尺測量，番茄6 穗果打頂后停止測量。

光合指標采用CIRAS-3 便攜式植物光合儀測定，于10：00—12：00 測量番茄凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci），測量葉片選擇番茄從上部數第3～5 片完全展開葉，每個處理測3 個重復，每株測3 次。用英國Handy PEA 植物效率儀測定番茄葉片的初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）和PS II 的最大光化學效率（Fv/Fm），測定前對番茄葉片進行20 min 暗適應，每個處理測3 個重復。

每處理選取3 株成熟度一致的1 穗果測定番茄品質。可溶性固形物用TD-45 手持式數顯糖度計測定；可溶性糖含量用蒽酮比色法測定，維生素C 含量用2，6-二氯靛酚法測定；番茄紅素用紫外分光光度計法測定。每穗果成熟后測定果實單果質量、每穗果數和果穗數，計算果實產量。

拉秧后測定地上部干物質量并計算其分配率，將番茄莖葉果分開，于105 ℃下殺青30 min 后85 ℃烘干至恒質量。磨碎后過0.5 mm 篩，用濃硫酸-過氧化氫消煮，消煮液定容后用于養分測定。全氮用凱氏定氮儀測定，全磷用紫外分光光度計測定，全鉀用火焰分光光度計測定。

1.4 數據統計分析

運用Excel 2010 進行數據計算，用SPSS 22 軟件進行數據統計分析，用Excel 2010 和Origin 2016作圖。

2 結果與分析

2.1 氣候室內環境變化情況

圖1 顯示了試驗期間連續3 d 人工氣候室內溫度、相對濕度和CO2濃度變化情況。監測數據表明，氣候室運行狀態良好，環境控制穩定，8：00—20：00溫度基本維持在25 ℃，20：00 至次日8：00 溫度維持在15 ℃左右；相對濕度在40%～70%。CO2濃度在600 μmol/mol 上下波動，給光時段內，植株光合作用消耗CO2，致使CO2濃度下降并進行補充，同時由于夜間植株進行呼吸作用，產生CO2并釋放到室內空間，因此，夜間CO2濃度監測值略高于設定值600 μmol/mol。

2.2 不同營養液EC 值對番茄株高和莖粗的影響

圖2 顯示了不同處理番茄株高和莖粗的變化。 由圖2 可知，隨著時間推移，植株生長，株高和莖粗逐漸增加。在處理前期，3 個處理的株高差異不明顯，處理30 d 后株高差異逐漸顯現，隨著供液EC 值的增加，株高呈增加趨勢；在處理第45 天，處理C3株高顯著高于處理C1，與處理C2 無明顯差異，處理C2 與處理C1 間無明顯差異。各處理間莖粗差異在處理后15 d 開始逐漸顯現，3 個處理均表現為試驗處理開始后15～30 d 番茄莖粗增長最快，且營養液EC 值越高，莖粗增長越快，處理后第15 天，3 個處理莖粗從大到小依次為處理C3、處理C2、處理C1，但處理間差異不顯著；處理后第30 天，處理C2 和處理C3 莖粗分別比處理C1 提高14.36%和26.20%，均顯著高于處理C1，處理C2 與處理C3 間無明顯差異；處理后第45 天，處理C3 比處理C1 高34.63%，二者間差異極顯著，處理C3 比處理C2 高10.6%，二者間差異顯著，處理C2 莖粗比處理C1 高21.83%，二者間差異顯著。

2.3 不同營養液EC 值對番茄光合與葉綠素熒光的影響

高光合速率通常有利于作物產量的提高[16]。由表1 可知，3 個處理中，處理C2 番茄植株的凈光合速率最高，分別比處理C1 和處理C3 凈光合速率高15.9%和17.8%，且差異達到顯著水平。處理C1 氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度均最高，分別比處理C2 提高了32.7%、21.1%和6.4%，比處理C3提高了57.9%、27.1%和3.9%，且差異顯著；處理C2氣孔導度和蒸騰速率分別比處理C3 提高了18.9%和7.9%，且差異顯著。處理C2 胞間CO2濃度最低，顯著低于其他2 個處理。綜合表明，番茄凈光合速率隨著營養液EC 值的升高表現出先升高后降低的特點，氣孔導度和蒸騰速率隨著營養液EC 值的升高而降低，胞間CO2濃度受凈光合速率和氣孔導度的雙重影響，表現為先降低后升高。處理C2 由于光合速率高，消耗CO2較多，因此胞間CO2濃度最低。

初始熒光Fo 是PS II 反應中心完全開放時的熒光水平。Fm 是PS II 反應中心處于完全關閉時的熒光產量，反映PS II 的電子傳遞情況。PS II 的最大光合效率Fv/Fm 反映最大PS II 的光能轉化效率。由表1 可看出，處理C1 的Fo 顯著高于處理C2，處理C2 和處理C3 的Fm 分別比處理C1 高5.4%和6.4%，且差異顯著；處理C2 和處理C3 的Fv/Fm 顯著高于處理C1；處理C2 和處理C3 之間Fo、Fm 和Fv/Fm 均無明顯差異；表明長期低EC 值營養液灌溉會引起光能轉化效率和凈光合速率降低。

表1 不同營養液EC 值對番茄光合和葉綠素熒光的影響

2.4 不同營養液EC 值對番茄地上部各器官干物質分配率和單果質量的影響

從圖3 可以看出，番茄地上部干質量60%以上均分配在果實中，莖干質量所占的比例最小，葉居中。處理C1 和處理C3 的莖干物質分配比率顯著高于處理C2，同時處理C3 處理的葉干物質分配比率亦顯著高于處理C2，而處理C2 果實干質量分配率顯著高于其他2 個處理。處理C1 與處理C3 間干物質分配率差異不顯著。表明適宜的營養液EC 值促進了干物質向果實的運輸和積累，提高了果實的干物質量和分配比例，有助于番茄增產。

圖3 的單果質量箱形圖由每處理3 株番茄采 收所有番茄單果質量所作圖。按所有單果質量從大到小排列，依次計算出上邊緣、上四分位數、中位數、下四分位數、下邊緣和異常值，箱形圖利用這幾個數據可以直觀地比較其數據的跨度大小和整體數據的大小。從圖3 可以看出，處理C1 的單果質量集中在85～135 g，處理C2 在90～130 g，處理C3在75～125 g；處理C2 與處理C1 單果質量相比，單果質量大小無明顯差別，但處理C2 果實質量更集中，大小更均一；處理C3 果實較處理C1、C2 偏小，而處理C2 與處理C3 單果質量相比，處理C2 整體單果質量較高，果實質量更均衡。

2.5 不同營養液EC 值對番茄果實品質的影響

由表2 可知，不同營養液EC 值對番茄果實品質有顯著影響，處理C2 除維生素C 與處理C3 差異不顯著外，其余品質指標均顯著高于其他處理。其中，處理C2 可溶性固形物、可溶性糖和番茄紅素含量分別比處理C1 高7.0%、22.2%和39.5%，比處理C3 高7.0%、15.8%和17.1%；處理C2、處理C3維生素C 含量顯著高于處理C1，二者分別比處理C1 高28.6%和31.6%。

表2 不同營養液EC 值對番茄果實品質的影響

2.6 不同營養液EC 值對番茄產量、水分利用效率和養分利用效率的影響

由表3 可知，處理C2 的單株產量分別比處理C1 和處理C3 高14.5%和26.0%，且差異顯著，同時，其水分利用效率分別比處理C1 高16.6%、比處理C3 高23.5%；而處理C3 產量和水分利用效率與處理C1 無顯著差異；處理C2 氮、鉀累積吸收量均為最高，其中，氮累積吸收量顯著高于處理C1 和處理C3，磷累積吸收量顯著高于處理C1，鉀累積吸收量顯著高于處理C3；養分利用效率表現為，處理C2氮、磷、鉀利用效率均顯著高于處理C3，磷利用效率顯著高于處理C1，處理C1 與處理C3 氮、磷、鉀養分利用效率無明顯差異。

表3 不同營養液EC 值對番茄產量、水分利用效率和養分利用效率的影響

3 結論與討論

營養液EC 值的調控是無土栽培技術的關鍵，不同環境對營養液EC 值要求不同[17]。營養液EC 值過高或過低都不利于植株的生長，營養液EC 值過低，無法滿足番茄生長對養分的需求，而營養液EC值過高則會引起果實產量降低，養分利用效率降低，造成浪費[18-19]，這與本試驗研究結果一致。與常規CO2濃度相比，加富CO2濃度至600 μmol/mol時，降低了灌溉液最適營養液EC 值。

不同營養液EC 值對番茄生長和果實發育影響顯著。本試驗研究結果表明，隨著營養液EC 值的增加，株高和莖粗逐漸增大，這與張建新等[20]研究結果相似。同時，本研究中，CO2加富加大了營養液EC 值對莖粗的影響，處理C2 和處理C3 莖粗分別比處理C1 增加了21.83%和34.63%。處理C3 雖然促進了株高和莖粗的生長，但是單果質量和產量明顯低于其他2 個處理，這與畢思赟等[21]的研究結論相似。研究表明，一定程度上提高營養液EC 值可以促進植株產量提高，但營養液EC 值過高則會降低單果質量和果實大小[22]。

光合作用是植株通過利用光合色素固定外界CO2并將其轉化為植物體有機碳的過程。本試驗研究結果表明，中EC 值處理C2 凈光合速率最高，而低EC 值處理C1 和高EC 值處理C3 凈光合速率均顯著低于處理C2，這與林多等[23]的研究結果相似。有研究表明，不同水肥條件會因影響葉片色素[24]、氣孔[25]和光合相關酶[26]等光合相關因素而影響植株的光合作用。處理C1 低EC 值營養液促進了葉片氣孔的開放，但長期養分供應不足可能影響了葉片葉綠素或光合關鍵酶的形成，導致光合速率降低[26-27]。而處理C3 高EC 值營養液長期灌溉，植株養分利用率低，造成鹽分積累，使番茄根區鹽度升高，一定程度上造成水分脅迫，引起葉片氣孔關閉，同時也可能造成植株葉片細胞超微結構受損[28]，降低番茄的光合速率。

水分和礦物質元素直接參與植株的生理代謝，影響著植株的生長和果實養分的累積[29]。植株根際水分情況對植株養分吸收情況也有一定的影響[30]。本試驗研究發現，植株耗水量隨著營養液EC 值的升高而降低，這可能是由于處理C1 植株蒸騰作用強，蒸騰作用強可以促進植株對水分的吸收。本研究也表明，處理C2 氮、鉀2 種元素的吸收量以及氮、磷、鉀3 種元素的養分利用效率均為最高。整體表現為，處理C2 養分吸收量最大，處理C1 次之，處理C3 吸收量最少。這可能是由于處理C3 根際灌溉EC 較高，抑制了植株對養分的吸收。

本研究表明，加富CO2濃度至600 μmol/mol，與常規CO2濃度相比，適宜的供液EC 值與無加富條件有所差異，CO2加富后，降低了灌溉液最適營養液EC 值，通過氣肥的補充而減少了根肥的用量。所以，CO2濃度為600 μmol/mol 時，營養液EC 值為2.9 mS/cm 時可提高番茄的光合速率，促進果實內干物質累積，顯著提高番茄產量、品質、水分及養分利用效率。因此，隨著CO2濃度等環境參數變化，合理調整營養液EC 值有利于植株光合作用、產量、品質和水分利用效率、養分利用效率的提高。增加CO2濃度，可適當降低營養液供液EC 值，實現資源節約，提高水肥利用效率。綜合表明，營養液EC 值為2.9 mS/cm時是在CO2濃度為600 μmol/mol 下最適宜的營養液調控EC 值，可應用于CO2與營養液EC值的耦合智能調控。