設施短程番茄栽培模式差異化比較及效益評估

蘇開　王利春　郭文忠　范鳳翠　陳曉麗　崔金霞

摘要：為了比較不同模式短程栽培番茄生產表現，探索一種適合我國北方地區簡易設施結構下番茄高效生產的短程栽培模式，以番茄豐收74-560 RZ F1為材料，設置3個試驗處理，即土壤栽培（S）、巖棉栽培（R）和水培（H），分析短程栽培3種模式對番茄生長發育、產量品質、水分利用和經濟效益的影響，并且利用主成分分析法對不同短程栽培模式進行綜合評價。結果表明，R處理能夠明顯增加番茄株高、莖粗、單株葉面積、葉片數，其地上部分干物質積累量與S、H處理相比顯著提高86.12%、42.45%。水培可以改善番茄的品質，提高水分利用效率，其中可溶性固形物、維生素C含量最高，比R處理顯著高出40.18%、29.37%，比S處理顯著高出22.19%、27.40%，水分利用效率比R、S處理顯著高出5.53%、22.78%。在試驗中，R、H處理與S處理相比單株產量均表現為增產，通過產量和成本計算利潤，H處理單位面積利潤最高，分別是R、S處理的7.70、1.53倍，凈利潤為38.692元/m2。進一步對番茄的主要指標進行主成分分析，其中H處理的綜合得分最高，通過綜合得分發現短程水培番茄模式具有較好的推廣價值。

關鍵詞：番茄；栽培模式；短程栽培；品質；效益；綜合評價

中圖分類號：S641.204文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）21-0154-08

番茄（Solanum lycopersicum）富含類胡蘿卜素、維生素、番茄紅素等物質，是設施栽培主要作物之一［1-4］。我國的設施番茄生產大多以大棚和日光溫室為主，其結構較為簡陋且環境調控存在局限性，特別是大棚不具備保溫蓄熱功能，溫度調控能力差，不利于作物越冬［5］，此外，日光溫室也存在環控裝備條件差等缺點，均會對作物周年高效生產造成不利影響［6］。因此，目前針對國內簡易設施結構，短程栽培番茄具有廣泛的應用前景，它有以下特點：植株收獲1～4穗果實、栽培周期短（70～100 d）、實現全年多茬栽培［7-8］。

我國設施番茄栽培以土壤為主，但是由于較大的水肥投入和高復種指數導致土壤次生鹽漬化、土傳病蟲害頻發等問題，制約了設施農業可持續發展。而基質栽培利用人工基質種植蔬菜，擺脫了對土壤的依賴，從而避免了土壤栽培的局限性。何詩行等發現，在設施短程栽培番茄中，水培植株生長更健壯，品質更好，產量較土壤栽培顯著增加［9］。劉中良等發現，基質栽培較土壤栽培能明顯提高番茄維生素C和番茄紅素含量，有效增加產量、改善果實品質，提高經濟效益，但基質栽培存在成本較高、廢舊基質回收壓力大等問題，因此推廣受到限制［10］。水培直接將作物種植在營養液中，節約了購買基質的成本，目前已廣泛應用于葉菜生產［11］，在果菜上的應用還有待研究。此外，Verdoliva等比較了土壤栽培、巖棉栽培以及深液流水培3種栽培模式番茄的水肥利用率，發現水培比土壤栽培的植株水分利用率高［12］，但并未對這3種栽培模式的其他指標進行綜合評價。鑒于水培模式的諸多優勢，探索我國北方地區短程栽培番茄適宜生產模式，對于設施農業番茄生產節本增效具有重要意義。

以往的研究中，試驗處理設置一方面與實際生產管理施肥策略不符，另一方面針對設施番茄短程栽培下主要栽培模式效益評估的研究鮮有報道。因此，本試驗旨在對短程栽培模式下土壤栽培、巖棉栽培以及水培番茄的生長發育、產量品質、水分利用、經濟效益等進行綜合評估，選出收益最優的短程栽培模式，進而為我國北方地區低端設施結構下番茄高效生產提供栽培依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2022年3—7月在北京市昌平區小湯山國家精準農業研究示范基地日光溫室進行。供試番茄品種為豐收74-560 RZ F1，中早熟、中大型果。試驗設置3個處理，分別是土壤栽培（S）、巖棉栽培（R）、水培（H），每個處理3個獨立的栽培槽（S：長、寬、高分別為100、18、30 cm；R：常規巖棉栽培槽；H：長、寬、高分別為100、20、20 cm），每個栽培槽種植3株。試驗于2022年3月30日定植，定植株距為 35 cm，行距為100 cm，定植時番茄6葉1心，4穗果打頂。

在栽培槽中各安裝1個三參數傳感器（GS3，METER GROUP，Inc，美國），用來監測各處理番茄根區介質溫度、電導率以及含水量，并將栽培槽放在自主研發的稱重系統上（WTS-300），通過稱重傳感器記錄的數據來計算各處理番茄的水分利用效率［13］。

1.1.1 土壤栽培 將風干土過2 mm篩后，按照1.4 g/cm3的設計容重分層填裝（田間持水量為 0.31 cm3/cm3），每隔5 cm鋪1層土，然后壓實，逐層打出毛面填裝到長、寬、高分別為100、18、30 cm的栽培槽中，土壤的基本理化性質見表1和表2。

土壤栽培處理采用滴灌方式進行灌溉，灌溉量依據Li等的研究［14-15］，即定植后當作物根區土壤體積含水量低于田間持水量的75%時，開始進行灌溉，灌水量為

I=10×p×（θ1-θ2）×H0×S。（1）

式中：I為灌溉量，mm；p為土壤濕潤比，取值為1；H0為濕潤土層深度，25 cm；θ1為灌溉上限，即田間持水量的90%；θ2為濕潤土層的實際體積含水量；S是栽培槽面積，m2。

定植前每個栽培槽施加雞糞200 g（1 111 kg/hm2），定植后每隔7 d施肥1次，肥料采用18-18-18的均衡型水溶肥，每個栽培槽每次的施肥量為3.24 g（180 kg/hm2），將水溶肥溶解在水中，隨水施入［16-17］。整個生育期共進行10次施肥，以滿足番茄的需肥量。

1.1.2 巖棉栽培 試驗采用SPLAND巖棉條（容重：0.053 g/cm3，飽和持水量：0.880 0 cm3/cm3，最大持水量：0.934 4 cm3/cm3），在番茄移栽前2 d用EC為1.6 mS/cm的山崎配方營養液浸泡巖棉條 24 h。番茄生長過程中將營養液的EC調整至（2.0±0.2） mS/cm，pH值為6.0±0.3，采用滴灌的方式進行灌溉，滴灌速度為40 mL/min［18］，分別在每天 07：30、10：30、13：30、15：30、17：30時灌溉，共計5次［19］。保證每天回液量約為灌溉量的25%，在保證番茄水分充足供應的同時，充分淋洗根區富集的鹽分［20］。

1.1.3 水培 水培番茄種植在長、寬、高分別為100、20、20 cm的水培槽中，如圖1所示，右側圓孔為進液口，左側圓孔為回液口。營養液為山崎營養液，營養液保持EC為（2.0±0.2） mS/cm，pH值為6.0±0.3［19］，采用潛水泵進行循環，并且需要增加一個曝氣設備，每天在07：00—19：00的時間段內進行營養液循環曝氣。

1.2 測定項目

1.2.1 植株生長指標 每7 d測定1次植株生長指標，用卷尺測量株高，游標卡尺測量莖粗，統計葉片數，然后用SPAD-502便攜式葉綠素儀測定葉綠素含量（SPAD值），拉秧后用直尺測量葉長與葉寬，葉面積計算公式［21］如下：

LA=0.347×L×W-10.7。（2）

式中：LA為葉面積，cm2；L為葉長，cm；W為葉寬，cm。

拉秧后，將莖、葉、果分開放進烘箱105? ℃殺青30 min，然后85 ℃烘干至恒質量，測定生物量。

1.2.2 果實產量和品質 番茄果實采收后，用電子天平測量各處理番茄果實單果質量，統計單株果質量以及總產量。先用游標卡尺測量果實中最大的縱徑（H）和橫徑（D），果形指數按照縱徑/橫徑（H/D）計算，可分為圓形（H/D=0.86～1.00）、扁圓形（H/D=0.71～0.85）、扁平形（H/D≤0.70）、長圓形（H/D≥1.01）［22］。水果硬度用手持 GY-1 型果實硬度計進行測量，有機酸含量用酸堿滴定法［23］測定，維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法［23］測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法［24］測定，硝酸鹽含量采用紫外分光光度法［25］測定，可溶性固形物含量用手持折光儀測定。

1.2.3 水分利用效率 利用稱重系統采集的數據計算每個處理下番茄的總耗水量，并用于計算水分利用效率（WUE）。水分利用效率計算公式［26］如下：

WUE=Y/G。（3）

式中：WUE為水分利用效率，g/kg；Y為單株果實鮮質量，根據稱重系統采集的數據計算，g；G為單株耗水量，kg。

1.3 經濟分析

在番茄生長的整個生育期，記錄與產量相關的數據，并且通過生產調研收集投入與產出數據，包括種子費、肥料、勞動力、設備、農藥等，本試驗僅對其差異化進行比較，各處理成本相同不予考慮，同時成本和收益折算為單位生產面積的成本和收益。

1.3.1 肥料投入 肥料包括土壤栽培定植前基肥（雞糞）、追施水溶肥（定時定量施加）以及巖棉、水培消耗的營養液量（通過稱重系統測定）。

1.3.2 勞動力 勞動力價格為18.75元/（人·h），相關農事操作有定植、吊蔓、噴藥、整枝打杈、采收、拉秧。個別處理的作業環節：土壤起壟，安裝巖棉槽，安放巖棉條、塊，清洗水培槽。

1.3.3 農藥 使用相同的農藥有75%百菌清、5%阿維菌素、露娜森。土壤栽培處理病蟲害較多，需進行額外噴藥，有10%噻唑膦、呋蟲胺、惡霉靈、青枯立克。

1.3.4 用電量 土壤栽培和巖棉栽培生產上采用功率為0.55 kW的水泵抽取營養液進行灌溉，水培生產上采用功率為40 W的潛水泵和功率為180 W的曝氣設備，然后計算設備用電量，公式為

用電量=功率/1 000×時間。（4）

1.4 主成分分析

番茄的經濟收益受其產量和品質共同影響，因此選用產量、可溶性固形物含量、糖酸比、水分利用效率、硝酸鹽含量、維生素C含量、有機酸含量和可溶性糖含量這8個指標進行主成分分析，對不同栽培模式進行計算，依據得分情況篩選一種綜合評價最優的栽培模式。

1.5 數據分析

利用WPS Office和SPSS 25進行數據整理、單變量方差分析和主成分分析，數據表示為“平均值±標準差”，利用Origin進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同模式短程栽培番茄的生長指標

由圖2可知，番茄定植后株高、莖粗以及葉片數隨著番茄生長均在增加，不同栽培模式之間生長發育均存在顯著差異。株高、莖粗、單株葉面積和葉片數整體表現為R處理顯著高于其他處理（P<0.05），S處理最低。定植后49 d，S處理株高為142.45 cm，R、H與S處理相比分別增加38.99、27.66 cm，與S處理差異顯著（P<0.05）。定植 91 d 后，S、R、H處理莖粗較定植時分別增大8.94、14.77、15.60 mm，定植后 91 d，R與H處理莖粗間無顯著差異，但都顯著大于S處理（P<0.05）。打頂前，S、R、H處理葉片數較定植時分別增加15、19、18張，各個處理差異顯著；葉綠素含量（SPAD值）可以反映植株的光合作用，H處理的葉綠素含量在番茄整個生育期高于其他處理，但定植后21 d各處理無顯著差異。葉片是植物進行光合作用的場所，番茄采收后，對其葉面積進行測量，通過公式（2）計算不同栽培模式下的番茄單株葉面積，如圖2-E所示，R、H處理與S處理相比分別增加134.21%、40.02%，差異達到顯著水平（P<0.05）。

2.2 番茄產量和品質

2.2.1 不同模式短程栽培番茄的產量及外觀品質 由表3可知，不同模式下番茄一二穗、三四穗、單株產量和試驗累計總產量不盡相同；R處理番茄一二穗、三四穗、單株和累計總產量明顯高于S、H處理，累計總產量與H、S相比分別高出33.68%、66.64%，一二穗果產量H與S處理間無顯著差異，H處理三四穗果產量顯著大于S，說明土壤栽培處理番茄長勢較弱。H、R處理累計采摘果實142個，S處理果實數量偏少，為137個，對比單果質量，S處理單果質量最小，是R處理的62.20%，H與S處理相比單果質量高出20.26%。由分析可知，R處理可以獲得較為客觀的產量，并且單果質量與其他處理相比最優。

果形指數和硬度是描述番茄果實外觀的一項重要指標，直接影響果實商品性和耐貯性。由表4可知，S處理番茄具有更大的硬度，與H處理差異顯著（P<0.05）；R、H處理之間番茄果實硬度無顯著差異；縱橫徑之比為番茄果形指數，R處理下番茄橫徑、縱徑顯著大于其他處理，即番茄果實更大、更飽滿，S、H處理之間的橫徑、縱徑無顯著差異。由此可見，S處理下番茄比其他處理果實硬度更大，更耐儲存，但是番茄果徑較小，商品性略差。

短程栽培方式下不同栽培模式間干鮮質量存在差異，鮮質量反映番茄長勢，干質量變化反映番茄物質累計量以及營養分配情況。由表5可知，R處理與S、H處理相比，地上部分總鮮質量分別高出101.59%、54.16%，H處理與S處理相比高出30.76%，差異顯著（P<0.05）。R處理地上部分總干質量比S 處理高86.12%，與H處理相比高出42.45%；可見R處理番茄長勢最好，干物質累計更多，對產量形成具有重要作用。

在不同器官中，各個處理之間也存在差異，R處理莖、葉的鮮干質量顯著高于其他處理（P<0.05），S處理最低，S、H處理莖、葉、果干質量之間無顯著差異。從表5中數據可以計算出不同模式下各個器官的物質分配，S、R、H處理下生物量在果中的比例分別為51.56%、39.47%、51.42%；在葉中的比例分別為31.32%、43.04%、31.66%；在莖中的比例分別為17.12%、17.49%、16.92%。由此可見，不同處理下在莖中的分配比例較為接近，S、H處理養分多用于果實生長，R處理更側重葉片生長。

2.2.2 不同模式短程栽培番茄的果實品質 糖酸含量在番茄中的占比可以衡量番茄的口感。由表6可知，S處理番茄果實中有機酸、可溶性糖含量以及糖酸比最高，但與其他處理間無顯著差異；H處理番茄果實可溶性固形物含量最高，與R處理相比增加40.18%，差異達到了顯著水平（P<0.05），與S處理相比增加22.19%；由于番茄長期浸泡在營養液中，離子在營養液中擴散速度較快，H處理硝酸鹽含量比S和R處理分別顯著高出163.9%、96.98%（P<0.05）；維生素C含量是番茄營養品質的重要指標，H處理番茄維生素C含量最高，與其他處理存在顯著差異（P<0.05），分別比R、S處理高29.37%、27.40%，R和S處理間番茄果實中維生素C含量無顯著差異。

2.3 番茄的水分利用

由表7可知，在簡易設施結構溫室中，栽培方式不同，番茄的WUE存在顯著差異。從定植到拉秧，R處理番茄耗水量最多，與其他處理存在顯著差異，比S、H處理的耗水量分別高出42.94%、41.25%，H、S處理間耗水量無顯著差異。通過計算WUE發現，H處理番茄的WUE最高，其次為R、S處理，H處理與R、S處理相比分別高出5.66%、23.17%。由此可見，土壤栽培番茄產出單位質量的番茄耗水量較其他處理更高。

2.4 效益比較

2.4.1 經濟效益 由于不同模式番茄的成熟期不盡相同，巖棉栽培和水培番茄的生育期為90 d、土壤栽培番茄的生育期為110 d，故茬口安排不同，留果4穗后，由于土壤栽培番茄前期需要先緩苗，然后才開始生長，因此生長緩慢，即1年可種植2茬，而水培與巖棉栽培合理利用茬口后，可種植3茬，按照本試驗獲得的產量進行經濟效益分析。

不同栽培模式在成本、收入和利潤上存在很大差異，從表8中可知，按照收入排序為R>H>S，R處理單位面積番茄產量最高，即收入最高，收入分別為H、S處理的1.34、2.50倍；在巖棉栽培模式中，單位面積巖棉條、巖棉塊的成本占據總成本的69.21%，巖棉回收技術不成熟，無法進行回收，對環境保護造成較大壓力；土壤栽培的成本來源主要為人工費用，單位面積人工費占總成本的72.47%；水培成本主要來自營養液及營養液桶；通過計算各栽培模式下的成本，從高到低排序為R>H>S，R處理單位面積成本最高，分別是H、S處理的2.53、6.02倍。利用公式計算利潤發現H處理單位面積上的利潤最高，分別是R、S處理的7.70、1.53倍，凈利潤為38.692元/m2，R處理利潤最低，為5.023元/m2。

投入產出比（ROI）是指項目全部投資與運行壽命期內產出的以貨幣形式表現的生產活動的最終成果。投產比的值越小，表明經濟效果越好。計算運行壽命期內不同栽培模式的ROI發現，ROI從低到高排序為S

2.4.2 綜合評價 不同栽培模式對番茄產量品質的影響不同，從單一模式來看，不足以篩選出最優的栽培模式。采用主成分分析法，最終提取出了特征值大于1的3個主成分PC1、PC2和PC3，貢獻率分別為35.797%、32.249%和19.937%，累計貢獻率為87.983%，因此可用這3個主成分代表所有指標進行分析。通過公式“綜合得分=PC1的方差貢獻率/累計貢獻率×FAC1+PC2的方差貢獻率/累計貢獻率×FCA2+PC3的方差貢獻率/累計貢獻率×FAC3”計算得出各處理的綜合得分并排序［27］，從表9可知，H處理的綜合得分最高，為0.580，說明該處理對這3個主成分影響最大，其次是S處理，為0.003，而R處理綜合得分最低，為-0.583。

3 討論

3.1 不同模式短程栽培番茄的生長、產量及品質

番茄的品質和產量是衡量短程栽培模式效果的重要指標［28-29］，不同栽培模式下短程栽培番茄生長發育存在差異，相應地影響了番茄的產量和品質。本研究結果表明，番茄株高、莖粗、葉片數、單株葉面積、總鮮質量以及總干質量均表現為巖棉栽培最高，水培高于土壤栽培。在單株葉面積上巖棉栽培高于其他處理，土壤栽培最低，這表明巖棉栽培下番茄植株光合能力更強，光合產物積累更多，分配到果實的同化物就相應的增加［30］，最終產量更高。水培僅依據EC進行調整營養液，在長期循環下會造成作物需求較低的SO2-4等礦物離子積累，產生離子拮抗抑制了需求量較大的養分離子吸收利用，最終導致了番茄產量的降低［18］。

土壤栽培下番茄可溶性糖含量、有機酸含量、糖酸比、硬度高于其他處理，番茄具有更好的口感，這與Gosselin等的研究結果［18，31］相符。巖棉栽培下番茄可溶性固形物、維生素C含量最低，這與Verdoliva等的研究結果［12］存在差異，這是由于栽培環境、試驗處理和試驗品種不同造成的；由于水培番茄營養液使用以硝酸鹽作為氮源，其在水中擴散速度快，更有利于被作物吸收利用，導致番茄中硝酸鹽含量偏高［32］。除此之外，維生素C作為一種重要的營養物質［33］，在水培下，番茄的維生素C含量明顯高于其他栽培模式，說明水培番茄具有較高的營養價值［34］。

3.2 不同模式短程栽培番茄的水分利用情況

本試驗各處理耗水量存在差異，S處理采用地膜覆蓋，H處理處于封閉環境，均利用減少水分蒸發，來達到節約用水和水分精確控制的目的，Verdoliva等研究發現水培植物將根系浸沒在營養液中，與土壤栽培相比，植物水分蒸騰減少，果實用水量減少，即生產單位產量的番茄，土壤栽培需要消耗更多的水［12，35］，本試驗結果與之相符；巖棉栽培植株水分利用效率略低于水培，試驗結果表明，巖棉栽培番茄地上部分總鮮質量明顯高于其他處理，使大量的水分用于營養生長，果實中的水分消耗占比降低，從而造成了巖棉栽培水分利用效率較低的情況。

3.3 綜合效益分析

目前最常用的栽培模式是土壤栽培，但產量低、水分利用效率低、管理繁瑣，在種植過程中許多病蟲害問題不可避免，農藥成本相應增加；巖棉栽培在短程番茄栽培中可以獲得更高的產量，管理簡單，但巖棉購置成本太高、回收再利用難度大，不適合用于生產，水培產量低于巖棉栽培，高于土壤栽培，但生產成本較低，對土壤栽培、巖棉栽培、水培經濟效益進行計算，發現水培的利潤遠遠高于其他處理，在進行生產時，水培可以獲得更大的收益，并且水培番茄維生素C含量高，果實品質好，水分利用率高，番茄生育期短，更適合我國北方地區短程番茄栽培生產。

主成分分析法目前廣泛應用于園藝作物品質的綜合評價［36］，本研究利用主成分分析法對3種栽培模式進行綜合比較，通過得分可以看出，水培生產番茄的得分最高，因此可以得出結論，水培種植番茄可以用于我國北方地區短程栽培生產。

4 結論

短程栽培番茄下，巖棉栽培果實品質差，經濟效益低，水分利用效率高于土壤栽培，低于水培；土壤栽培番茄糖、酸含量最高，硬度最大，水分利用效率最低，產量最低，經濟效益優于巖棉栽培。對經濟效益、產量、品質進行綜合評估后，水培相比巖棉栽培、土壤栽培，收益最好，綜合評價得分最高，可以用于我國北方地區番茄短程栽培生產。

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收稿日期：2023-02-04

基金項目：現代農業產業技術體系北京市創新團隊項目（編號：BAIC08-2022）；北京市農林科學院青年科研基金（編號：QNJJ202119）；北京市鄉村振興科技項目（編號：20220716）；河北省重點研發計劃（編號：21327005D）。

作者簡介：蘇 開（1999—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向為農藝與種業。E-mail：898432993@qq.com。

通信作者：崔金霞，博士，教授，主要從事蔬菜作物抗逆機理研究。E-mail：Jinxiacui77@163.com。