營養液更新頻率和方式對基質槽培黃瓜生長和根區鹽分累積的影響

桑嘉駿 劉明池 武占會 梁 浩 何洪巨 王素娜 季延海*

(1.北京農林科學院蔬菜研究所，北京 100097；2.農業農村部華北都市農業重點實驗室，北京 100097；3.河北工程大學 園林與生態工程學院，河北 邯鄲 056038)

基質栽培作為無土栽培中應用最為廣泛的1種類型，既能節水省肥和增產提質，又可提高農業廢棄物資的高效利用[1]，同時成本低且易推廣。隨著我國設施農業的發展，基質栽培的應用逐年增加。目前多數基質栽培采用開放式的營養液管理模式，Grewal等[2]研究表明開放式供液模式有20%～80%的多余營養液會被排出，造成了水肥資源的浪費[3-5]。封閉式栽培技術在溫室產業發達的國家應用已經較為普及，營養液可以回收循環利用，幾乎不會產生浪費[6]，提高了水肥利用效率。我國在有機生態型栽培[7]、椰糠栽培[8]、基質袋栽培[9]、復合基質栽培[10]和珍珠巖栽培[11]等不同基質栽培類型中也開展了封閉式栽培模式的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜品種為‘京研118’，采購于京研益農(北京)種業科技有限公司。

1.2 試驗方法

試驗于2021年1—5月在北京市農林科學院蔬菜研究所(116°29′ E，39°94′ N)連棟玻璃溫室中進行。栽培方式采用北京市農林科學院蔬菜研究所研發的營養液可循環利用的封閉式無機基質槽培系統(專利號：ZL201510214349.X)，詳見圖1。栽培槽長×寬×高為48 cm×20 cm×13 cm，基質為無機基質珍珠巖。營養液由水泵通過供液管路由滴針滴入植株根部基質中，多余的營養液通過栽培槽底部的回液口進入回液管路，流回營養液池，開放式系統回液則直接排入下水管道，不回流至營養液池。每個處理營養液池容積為200 L(可供生長盛期循環利用10 d)。采用蔬菜中心根據日本山崎黃瓜配方[16]改良的黃瓜營養液地下水專用配方，配方內大量元素N、P、K、Ca、Mg和S濃度分別為：11.60、1.30、6.51、2.24、1.00和1.39 mmol/L；微肥為通用配方；地下水電導率(EC)為0.6 mS/cm，pH 7.4，內含Ca2+質量濃度70 mg/L，Mg2+13 mg/L。每個處理設22個栽培槽，每個栽培槽定植2株，槽內株距20 cm，槽間距40 cm，各處理間行距150 cm。黃瓜3葉1心時定植，清水緩苗1周后添加營養液。每天07:30—17:30供液6次，間隔120 min，每次灌溉8 min，每株每天灌溉2 L。營養液池的EC為(2.6±0.2) mS/cm，pH 6.0±0.2。試驗于定植14 d后開始，試驗期間進行打杈、綁蔓、摘除側枝和卷須及底部老葉片等周期性操作。

圖1 封閉式無機基質槽培系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of the closed inorganic matrix circulating tank culture system

試驗設5個處理：營養液用盡后(約2 d)更換營養液且開放式供液(CK)，3 d更換1次營養液且封閉式供液(T1)，5 d更換1次營養液且封閉式供液(T2)，7 d更換1次營養液且封閉式供液(T3)，營養液用盡后(約10 d)更換營養液且封閉式供液(T4)。各處理營養液配制后，在達到更新天數前除調整EC和pH外，不補充新的營養液。每2 d測定營養液池中營養液的EC和pH，并適時調整，采用添加母液的方式調節EC和pH。本研究在試驗過程中除個別時段外，每個更新期內營養液均不需要調整。

1.3 測定指標

1.3.1生長指標測定

試驗開始后每7 d用直尺測量株高，用游標卡尺測量莖粗，每個處理測量6株。

1.3.2品質指標測定

于結瓜盛期(定植56 d)測定黃瓜品質，每個處理3次重復，每個重復檢測5個樣品。采用蒽酮比色法[17]測定可溶性糖含量，采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[18]測定維生素C含量，采用考馬斯亮藍G-250染色法[19]測定可溶性蛋白含量，采用ACT-1EC手持折射儀(ATAGO，日本)測定可溶性固形物含量，采用直尺測量果實縱徑和果柄長，采用游標卡尺測量果實橫徑。

1.3.3產量及水肥利用效率測定

每次采收統計單株產量；記錄全程肥料和水的添加量及每次更換營養液前營養液的剩余量，計算單株水分利用效率和單株肥料偏生產力。

單株作物耗水量=(水的添加量-營養液剩余量)/每個處理株數

(1)

單株水分利用效率=單株產量/單株作物耗水量[20]

(2)

單株肥料偏生產力=單株產量/單株作物總施肥量[21]

(3)

1.3.4根區溶液采集與分析

試驗開始后采用土壤溶液提取器每6 d進行1次根區溶液的采集，每次采集150 mL，放入4 ℃冰箱內保存，用于測定根區溶液EC及養分離子含量。養分離子含量采用電感耦合等離子體發射光譜法[22](ICP-OES)測定。對各離子含量進行整理分析后，計算各離子濃度比例。各離子濃度比例=各離子比例=各離子含量/總離子含量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2019軟件進行數據處理，采用SPSS 20.0軟件中Duncan比較法進行差異顯著性分析及LSD(P<0.05)檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同營養液管理模式對黃瓜生長的影響

不同供液方式對黃瓜的生長有一定的影響。由圖2可知，定植70 d時，T4處理株高高于CK，比CK處理提高了5.92%；CK處理莖粗高于T4處理，比T4提高了4.72%。不同營養液更新頻率對黃瓜的生長也有一定的影響。T2處理株高高于T1、T3和T4，而各處理莖粗無顯著差異。定植70 d時，T2處理株高分別比T1、T3和T4處理提高5.24%、6.57%和4.35%。

2.2 不同營養液管理模式對根區溶液的影響

2.2.1總溶解離子濃度

在整個生育期內，不同供液方式下黃瓜根區溶液EC隨生育期的延長均有不同程度的增加(圖3)。開放式供液(CK)和封閉式供液T4處理根區溶液EC最高值分別為4.56和6.21 mS/cm。定植35 d時(初瓜期)，根區溶液EC表現為CK>T3>T1=T4>T2，此時開放式根區溶液EC值顯著高于封閉式；定植56 d時(結瓜盛期)，根區溶液EC為T3>T4>T1>CK>T2，此時封閉式逐漸高于開放式，并且差異顯著；定植84 d時(拉秧前)，根區溶液EC為T3>T1>CK>T2>T4，與定植前相比，各處理的EC分別提高34.14%、40.18%、29.31%、43.20%和25.98%。由此可知，隨生育期的延長基質栽培黃瓜根區鹽分累積量不斷增加，封閉式供液中回流液的循環使用會加重根區鹽分的累積。

2.2.2主要元素離子濃度

由圖4(a)～(e)可知，開放式供液根區溶液中總氮、總磷、Ca2+和Mg2+質量濃度均隨時間的延長呈增加趨勢；而K+呈先上升后下降的趨勢，隨后逐漸保持在一個相對穩定的水平，在定植28 d時達到最高值。封閉式供液中T4處理總氮和K+質量濃度隨時間的延長不斷降低，總磷、Ca2+和Mg2+質量濃度呈先上升后下降趨勢。定植35 d時，總氮質量濃度CK>T3>T4>T1=T2，K+質量濃度CK>T3>T4>T1>T2，總磷、Ca2+和Mg2+質量濃度CK>T3>T1>T4>T2，此時各養分含量對根區鹽分累積強度的貢獻率由大到小為：K+、Ca2+、總氮、總磷和Mg2+。定植56 d時，總氮質量濃度CK>T1>T3>T4>T2，總磷質量濃度T3>T1>CK>T2>T4，K+質量濃度CK>T1>T3>T2>T4，Ca2+質量濃度T3>T1>CK>T2>T4，Mg2+質量濃度T3>T4>T1>T2>CK，此時各養分含量對根區鹽分累積強度的貢獻率由大到小為：K+、Ca2+、總磷、總氮和Mg2+。定植84 d時，總氮和總磷質量濃度CK>T1>T3>T2>T4，K+和Ca2+質量濃度T1>CK>T3>T2>T4，Mg2+質量濃度T3>T1>T4>CK>T2，此時各養分含量對根區鹽分累積強度的貢獻率由大到小依次為：Ca2+、K+、總磷、總氮和Mg2+。

(a)不同營養液管理模式對株高的影響，(b)不同營養液管理模式對莖粗的影響。CK：營養液用盡后更換營養液且開放式供液；T1：3 d更換1次營養液且封閉式供液；T2：5 d更換1次營養液且封閉式供液；T3：7 d更換1次營養液且封閉式供液；T4：營養液用盡后更換營養液且封閉式供液。下同。(a) Effects of different nutrient solution management modes on the plant height，(b) Effects of different nutrient solution management modes on the stem thickness.CK:nutrient solution was replaced and open supply after nutrient solution was exhausted;T1:nutrient solution was replaced once in 3 d and closed supply;T2:nutrient solution was replaced once in 5 d and closed supply;T3:nutrient solution was replaced once in 7 d and closed supply;T4:nutrient solution was replaced after nutrient solution was exhausted and closed supply.The same below.圖2 不同營養液管理模式對黃瓜生長的影響Fig.2 Effects of different nutrient solution management modes on growth of cucumber

圖3 不同營養液管理模式下黃瓜根區溶液EC的變化Fig.3 Change of EC values with different nutrient solution management modes on cucumber in the root zone

(a)～(e)分別表示不同營養液管理模式對總氮、總磷、K+、Ca2+和Mg2+質量濃度的影響。(a)-(e) indicate effects of different nutrient solution management modes on the mass concentrations of total nitrogen,total phosphorus,K+,Ca2+ and Mg2+.圖4 不同營養液管理模式下黃瓜根區溶液鹽分離子變化特征Fig.4 Change of salt ion concentration with different nutrient solution management modes on cucumber in the root zone

在封閉式供液條件下，不同營養液更新頻率對根區溶液中總氮、總磷、K+、Ca2+和Mg2+質量濃度影響顯著。與處理前相比，定植84 d時的總氮質量濃度T1和T3處理分別上升42和3 mg/L，而T2和T4處理分別降低65和186 mg/L；總磷質量濃度T1和T3處理分別上升74和63 mg/L，而T2和T4處理分別降低29和80 mg/L；K+質量濃度除T1處理高出處理前25 mg/L外，T2、T3和T4處理均低于處理前，分別下降120、31和235 mg/L；T1、T2、T3和T4處理Ca2+質量濃度均高于處理前，分別上升182、12、172和11 mg/L；Mg2+質量濃度T2處理較處理前降低13 mg/L，T1、T3和T4處理分別比處理前上升70、75和64 mg/L。

2.2.3主要元素離子比例

整個試驗期內，總磷、Ca2+和Mg2+比例顯著上升。由表1可知，與定植時配制的營養液相比，在定植35 d開放式根區溶液中總氮和K+在總離子濃度中的比例分別降低9.4%和15.2%，總磷、Ca2+和Mg2+比例分別增加8.9%、8.0%和7.7%；封閉式中T4處理根區溶液中總氮和K+在總離子濃度中的比例分別降低9.7%和14.6%，總磷、Ca2+和Mg2+比例分別增加7.7%、7.9%和8.7%。與定植時配制的營養液相比，定植56 d時開放式根區溶液中總氮和K+在總離子濃度中的比例分別降低8.9% 和17.4%，總磷、Ca2+和Mg2+比例分別增加11.7%、8.5%和6.1%；封閉式T4處理根區溶液中總氮、K+在總離子濃度中的比例分別降低12.5%和21.9%，總磷、Ca2+和Mg2+比例分別增加11.4%、10.3% 和12.7%。與定植時配制的營養液相比，在定植84 d，開放式根區溶液中總氮和K+在總離子濃度中的比例分別降低9.8%和21.8%，總磷、Ca2+和Mg2+比例分別增加13.4%、11.8%和6.4%；封閉式T4處理根區溶液中總氮和K+在總離子濃度中的比例分別降低22.1%和27.5%，總磷、Ca2+和Mg2+比例分別增加9.5%、20.8%和19.3%。綜合開放式和封閉式根區溶液離子變化比例可以看出，隨著生育期的延長封閉式供液方式的離子比例失衡現象逐漸加劇，且隨著營養液更新頻率的降低，離子比例失衡越來越嚴重。

2.3 不同營養液管理模式對黃瓜品質的影響

由表2可知，不同供液方式對黃瓜的營養品質有顯著影響。與CK處理相比，T4處理的可溶性糖百分含量提高了25.14%，可溶性蛋白質質量分數降低了15.28%，維生素C質量分數無顯著差異。不同營養液更新頻率對黃瓜的營養品質有顯著影響，維生素C質量分數以T1處理最高，分別比T2、T3和T4處理提高13.82%、13.52%和21.92%；可溶性糖百分含量以T4處理較高，分別比T1和T3處理提高16.24%和21.49%，T2和T4處理差異不顯著；T3處理可溶性蛋白質質量分數較高，分別比T2和T4提高77.36%和54.10%，T1和T3處理之間差異不顯著。

2.4 不同營養液管理模式對黃瓜綜合效益的影響

由表3可知，不同供液方式對黃瓜的產量有顯著影響。CK處理單株產量比T4處理提高25.80%。隨著營養液更新頻率的降低，黃瓜的單株產量呈降低趨勢，T1處理分別比T2、T3和T4處理提高2.46%、5.31%和9.00%。

肥料偏生產力在一定程度上可反應肥料的利用效率[21]。不同供液方式對水分利用效率和肥料偏生產力的影響較為顯著，T4處理水分利用效率和肥料偏生產力比CK提高173.43%和263.76%。隨著營養液更新頻率的降低，水分利用效率和肥料偏生產力呈上升趨勢，T4處理比T1、T2和T3處理分別提高23.02%、16.95%、5.56%和136.73%、72.28%、60.12%。

表1 根區溶液中各離子在總離子濃度中的比例變化特征Table 1 Ratio of each ion concentration to total ion concentration in root solution %

表2 不同營養液管理模式對黃瓜營養品質的影響Table 2 Effects of different nutrient solution management modes on the nutritional quality of cucumber

表3 不同營養液管理模式對黃瓜產量、水分利用效率和肥料偏生產力的影響Table 3 Effects of different nutrient solution management modes on cucumber yield,water use efficiency and partial factor productivity of fertilizer

3 討論與結論

3.1 不同營養液管理模式對封閉式槽培黃瓜根區養分變化的影響

根區溶液電導率會隨著作物水分需求量的變化而變化[13,23]，離子比例則會因營養液養分供應和作物養分吸收的不完全一致而失衡[24-25]。本研究中，開放式(CK)和封閉式(T4)處理的供液方式下根區溶液EC均隨生育期的延長不斷上升，這與熊靜等[12]研究一致。本研究中，與處理前相比，在初瓜期、結瓜盛期和拉秧前2種供液方式根區溶液EC均有不同程度的增加，表明隨著生育期的延長，不同供液方式均會導致根區鹽分累積加重，且T1和T3處理的鹽分累積現象更加嚴重，過量的鹽分累積會導致植物生長發育受到影響。而在封閉式供液方式下，T2處理的EC在初瓜期和結瓜盛期均低于CK，在拉秧前與CK差異較小，表明在封閉式無機基質循環槽培系統下，5 d更新1次營養液能夠降低根區的鹽分累積，有利于植物的生長。

K能夠促進葉片中碳水化合物的合成和運轉，增大葉面積，促進光合產物的運輸，從而促進植株的生長，且K與N具有交互作用，K可促進植株對N的吸收，進而對植株的生長起到較大的影響[26]。在黃瓜所需的營養元素中，Ca的含量僅次于K。唐小付[26]研究表明，適宜的Ca、K和Mg濃度對網紋甜瓜的產量及含糖量具有較大的影響，但過高的配比會對其產生抑制作用。關志華等[27]研究表明，營養液中適當的Ca水平對黃瓜的產量和品質有較好的促進作用。本研究中，CK處理的產量顯著高于T4處理，而T4處理的可溶性糖含量卻顯著高于CK處理。可能是試驗初期，CK處理的K+和Ca2+含量均高于T4處理，導致前期黃瓜的營養生長較好，為后期的生殖生長奠定了基礎，隨著養分累積的加重，K+和Ca2+濃度過高，從而對黃瓜的生長、產量和含糖量產生了抑制作用。對于根區溶液鹽分累積、鹽分比例失衡與黃瓜生長、產量和品質間相互影響關系及內在聯系，未來將進一步進行深入的研究和解析。

3.2 不同營養液管理模式對封閉式槽培黃瓜綜合效益評價

開放式供液方式能夠降低養分累積并保證黃瓜的產量和品質，但該方式會造成水資源浪費和農業環境的污染[3-4,28]。與封閉式相比，開放式系統每年排放的營養液造成了大量水資源的浪費，并且約有1.5 t的N隨水排入環境中，造成了水體污染等問題[29-30]。叢鑫等[31]對小麥的研究發現，過量的水肥投入并不會使得產量和經濟效益持續增長，還會造成水肥資源浪費及地下水污染等問題。本試驗分析了不同營養液管理模式對黃瓜產量、水分利用效率和肥料偏生產力的影響，確定不同營養液管理模式下黃瓜產量、水肥利用效率和經濟效益最大化的供液方式和營養液更新頻率(封閉式供液方式下5 d更新1次營養液)，為封閉式栽培模式下黃瓜營養液管理模式的建立提供了數據支撐。

開放式和封閉式2種供液方式下，無機基質栽培根區均存在鹽分累積和離子比例失衡現象，封閉式更加嚴重。與開放式相比，封閉式栽培更能實現黃瓜基質栽培的節水節肥和環境友好型發展，而頻繁更換營養液雖然能提高黃瓜的生長、產量和品質等指標，但也會造成資源浪費、增加成本、污染環境和鹽分累積等問題。綜上，通過產量、水分利用效率和肥料偏生產力等綜合比較，5 d更換1次營養液為封閉式槽培黃瓜適宜的營養液管理模式，具有最佳的生產效益。