壟嵌和溝嵌式基質栽培對日光溫室番茄產量及根區土壤氮磷殘留的影響

李寶石，李浩，王奇，劉文科

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所／農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081 2.河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071001）

氮素和磷素是影響作物產量和品質的兩個重要因素［1，2］，然而中國農田尤其是經濟作物生產中氮、磷肥料的過量使用現象相當普遍［3］。日光溫室在冬季封閉條件下，由于蒸騰作用，表層土壤缺乏雨水的淋洗，且硝態氮不易被土壤膠體吸附、易隨水分運動，致使大量硝態氮隨水分向上遷移，富集在耕層土壤中［4－6］。此外，由于作物對磷素的吸收較低，過量的磷肥施用后在土壤中尤其是表層會產生有效磷累積［7］。由此造成土壤鹽漬化和酸化、養分不平衡、連作障礙等問題，致使蔬菜品質和產量下降，嚴重威脅到設施農業的可持續發展［8，9］。

研究表明，設施無土栽培可以避免土壤栽培中因多年鹽分積累和連作導致的土壤鹽漬化，同時能消除土傳病害，發揮作物生產潛能［10，11］。傅國海等［12］提出的壟嵌式基質栽培方法（SSC）是將土壤栽培和無土栽培相結合，利用土壟包被基質，采用滴灌進行蔬菜栽培。前期試驗表明，SSC栽培甜椒可以顯著提高根區溫度，增強根區對氣溫的緩沖能力。同時，嵌膜基質栽培在一定程度上起到限根的作用，結合滴灌施水施肥，大幅度提高了作物水肥利用效率，減少了肥料的損失［13－15］。

壟嵌式基質栽培方法（SSC）是將滴灌和嵌膜技術相結合，能夠精準控制水肥用量并且阻斷氮磷養分的淋溶，再加上嵌膜技術能夠促進養分高效吸收利用，降低氮磷養分在根區的積累，降低氮磷養分殘留，避免對設施土壤的環境污染［15］。然而目前壟嵌式基質栽培方法對根區氮磷養分殘留的具體效果尚不明確。因此本試驗從環境安全和水肥利用角度，研究比較3種栽培模式在相同水肥用量條件下對番茄產量及根區氮磷養分殘留的影響，以明確嵌膜式基質栽培對氮磷養分殘留的具體效果，構建設施土壤氮磷淋溶阻斷型起壟基質栽培，優化栽培參數，為新型栽培方式的推廣應用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在河北省衡水市饒陽縣良品果蔬種植合作社產業示范區的一個簡易土墻日光溫室中進行，溫室頂部和底部均設通風口。隨試驗進行，于7—9月在溫室頂部加裝遮陽網，10月之后在頂部加裝棉被，其它日常管理依照當地常規進行。番茄采用基質或土壤栽培，基質采用河北豐源生物科技有限公司產品。株距為0.45 m，行距為0.60 m。供試番茄品種為“羅拉”，于2020年8月12日定植。

1.2 試驗設計

試驗以土壤栽培（SC）為對照，設置壟嵌與溝嵌2種基質栽培類型，處理1為壟嵌式基質栽培（SSC），處理2為溝嵌基質栽培（SE），每處理重復6次。

壟嵌式基質栽培即將塑料薄膜嵌在一定規格的土壟中，然后裝入購買的混合基質。塑料膜厚度為0.12 mm，側面打孔，通氣孔距離底部2 cm，孔徑1 cm，孔距為15 cm。每壟長7.5 m，壟高10 cm。基質槽下嵌地面10 cm，壟上底寬20 cm，壟下底寬40 cm。溝嵌式基質栽培即在水平土壤上開溝，將塑料薄膜嵌在溝中。塑料膜厚度和通氣孔與壟嵌式基質栽培一致。每壟溝長7.5 m，深為20 cm。壟嵌與溝嵌式基質栽培實際效果如圖1所示。

圖1 壟嵌式基質栽培（a）和溝嵌式基質栽培（b）

土壤栽培采用農戶傳統的溝灌式水肥管理，兩種基質栽培采用滴灌式水肥管理，3種栽培模式的肥水用量相同。并在試驗小區兩側設置保護行。

1.3 樣品采集及分析

土壤或基質樣品于果實采收期時分0～10、10～20、20～30 cm土層或基質層采集，每處理選擇3個重復，每重復3鉆，將同一土層的土壤或基質混為1個樣品風干待測。稱取土壤或基質干樣5 g，加入2 mol／L的KCl溶液25 mL浸提，振蕩30 min，過濾后用流動分析儀測定硝態氮含量。稱取土壤或基質干樣5 g加入浸提劑，振蕩30 min，過濾后用紫外／可見光分光光度計測定有效磷含量。土壤容重采用環刀法測定，基質容重采用郭世榮［16］的方法測定。根據各土層硝態氮和土壤或基質容重計算每一層（10 cm）的硝態氮和有效磷殘留量：

式中：Ri表示每一土層的硝態氮或有效磷殘留量（g／壟）；Ci表示該土層土壤硝態氮或有效磷含量（mg／kg）。各土層的硝態氮或有效磷殘留量相加即為0～30 cm土層硝態氮或有效磷殘留量。

番茄于11月9日開始計產，以后累加測產。每處理隨機選定4株用天平稱重累加產量，即為單株產量，并根據種植密度和面積計算單產。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016、Graphpad 6.0和SPSS 25.0軟件進行數據分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 日光溫室3種栽培模式對番茄產量的影響

由圖1可知，3種栽培模式下番茄產量依次為13.49、13.50、13.42 kg／m2，即SSC＞SC＞SE，三者之間無顯著差異（P＞0.05）。但仍然能夠說明水肥用量一致條件下，嵌膜式基質栽培能夠獲得較大經濟效益。

圖2 日光溫室3種栽培模式的番茄產量

2.2 日光溫室不同深度土壤與基質容重比較

由表1看出，土壤容重約為基質容重的3～4倍，且隨土層深度的增加而增加。基質容重為0.34 g／cm3，可滿足作物正常生長需求。

表1 日光溫室不同深度土壤與基質容重

2.3 日光溫室3種栽培模式對根區硝態氮殘留量的影響

滴灌施肥可以保持根系養分平衡，有利于作物對各種養分的平衡吸收，從而提高肥料利用率，減少肥料養分在根區中的殘留。本研究表明，嵌膜式基質栽培配合滴灌施肥體系的硝態氮殘留量顯著低于傳統土壤溝灌施肥體系（圖3）。0～10 cm土層，3種栽培模式的土壤硝態氮殘留量有顯著差異，以SC最高，SSC最低。SSC模式的硝態氮殘留量僅為SC模式的36%，SE模式僅為SC模式的64%，說明嵌膜式基質栽培能夠大幅度降低硝態氮向下淋洗風險。10～30 cm土層，3種栽培模式間未達到顯著差異，說明硝態氮累積更集中于土壤表層。

圖3 3種栽培模式下根區土壤硝態氮殘留

2.4 日光溫室3種栽培模式對根區有效磷殘留量的影響

與硝態氮殘留量的表觀特征基本相同：0～10 cm土層，3種栽培模式之間的有效磷殘留量有顯著差異，SC栽培模式的最高，且與SSC及SE模式差異達顯著水平，SSC栽培模式最低（圖4）。SSC模式的有效磷殘留量僅為SC的19%，SE模式僅為SC的23%，說明嵌膜式基質栽培能夠大幅度降低有效磷淋洗風險。10～20 cm土層，盡管3種栽培模式間未達到顯著差異，但是SC的有效磷有累積的現象。20～30 cm土層，3種栽培模式間未達到顯著差異，SE的有效磷殘留相對較高，SSC相比SC仍然有減少殘留量的特征。

圖4 3種栽培模式下根區土壤有效磷殘留

2.5 日光溫室3種栽培模式對根區累積氮磷殘留量的影響

3種栽培模式不同土層或基質中的有效磷和硝態氮的累積量見表2。相比SC，SSC和SE栽培模式0～30 cm土層有效磷殘留量分別減少46.34%和43.97%。其主要原因是這兩種栽培模式0～10 cm土層顯著減少了有效磷的殘留量。硝態氮為土壤或基質中供作物生長所需的速效氮源，相比SC，SSC和SE栽培模式0～30 cm土層硝態氮殘留量分別減少24.82%和24.44%。

表2 3種栽培模式0～30 cm基質或土壤累積氮磷殘留量

3 討論

本研究結果顯示，3種栽培模式的番茄產量無顯著差異，這與李宗耕［15］的研究結果不一致。導致這一現象的原因可能是基于水肥用量相同的前提下，嵌膜式基質栽培依靠的是本季的水肥灌溉，而土壤本身由于自身養分的儲存從而導致養分含量優于前者。另外，番茄株高普遍高于甜椒，在結果后期造成陽光的遮擋進而影響根區溫度，從而影響根系對養分的吸收利用。此外，盡管3種模式間無顯著差異但是壟嵌式基質栽培的番茄產量表現最優，這也說明嵌膜式基質栽培可以充分發揮滴灌施肥和基質栽培高效生產的優勢。

眾多研究結果表明，施用氮肥是導致硝態氮在設施土壤中累積的最主要因素［4，17］。因此，如何提高氮肥利用率、減少根區硝態氮的殘留就成為需要解決的關鍵問題。本研究結果表明，在番茄根區生長區域，土壤栽培的根區硝態氮殘留顯著高于嵌膜式基質栽培。其原因可能是嵌膜式基質栽培的內嵌薄膜阻隔了氮素的淋溶，將養分聚集在根區能夠更好地被番茄根系吸收利用；另一方面土壤栽培采用溝灌式水肥管理模式，而且底部沒有薄膜的阻隔導致養分會四周擴散，不能被番茄根系有效吸收，從而使得硝態氮在土壤表層過多積累［15］。

作物對磷素的吸收較低，施磷后殘留在土壤中的磷素有一定的后效，但對環境威脅較大［7］。本研究結果顯示，隨著土層深度的增加，土壤栽培的有效磷殘留逐漸遞減，尤以耕作層的殘留量顯著最高。然而嵌膜式基質栽培的殘留量僅為土壤栽培的1／5左右，原因可能是滴灌促進了根系對磷素的吸收，增強了地下部向地上部的物質運輸，提高作物的光合速率，進而促進植株生長。另一方面，秋冬季的低溫弱光會抑制根系的生長［18］，傳統溝灌施肥體系過量的冷水灌溉會進一步降低根系代謝活動，不利于根系吸收養分。

4 結論

綜上所述，相比土壤栽培，嵌膜式基質栽培能夠在獲得較大經濟效益的同時減少環境污染。因此，土壤氮磷淋溶阻斷型起壟基質栽培是一種低環境代價和高效穩定的生產模式，具有較高的推廣價值。