潮汐灌溉供液高度对番茄穴盘苗水分和氮素利用效率的影响

李 倩，田雅楠，尚庆茂，曹玲玲，董春娟

(1.中国农业科学院 蔬菜花卉研究所，农业部园艺作物生物学与种质创制重点实验室，北京 100081；2.北京市农业技术推广站，北京 100029)

番茄(LycopersiconesculentumMill.)是我国最重要的蔬菜种类之一，年种植面积100余万hm2，年产量超过5 600万t。穴盘育苗因其节能、省工，适于机械化生产等一系列优点，是番茄生产最主要的育苗方式，占番茄总育苗量的30%以上[1]。穴盘育苗多采用人工混配的轻型基质，但基质持水、保肥能力有限，幼苗根系发育空间小，而苗期生长速率快，蒸腾作用强烈，水肥需求旺盛，穴盘育苗过程中如何及时、科学地补充水分和养分，对于培育壮苗至关重要[2-3]。

目前穴盘育苗普遍采用顶部喷灌系统，灌溉水或肥料溶液先经幼苗茎叶再进入根部基质，易导致灌溉不均匀，并造成水、肥的浪费。潮汐灌溉是一种新型的灌溉方式，不同于传统的顶部灌溉，潮汐式灌溉中水或肥料溶液从穴盘底部的排水孔进入，进而被植物根系吸收利用[4-5]。潮汐式灌溉技术由于底部供液，基质水肥供给均匀、快速、精准、高效，可以降低设施环境的空气湿度从而减少作物病害的发生，且便于自动化控制以节省劳动力和生产成本，是穴盘育苗发展的必然趋势[6-7]。

潮汐式灌溉技术在蔬菜穴盘育苗中的应用起步较晚，近年来研究人员在设备优化、自动化控制以及基质配比、穴盘选型等方面进行了一些探索[8-12]，然而关于潮汐式灌溉条件下蔬菜穴盘苗高效管理技术的研究相对缺乏[5]。本试验以番茄品种中杂105为材料，分别在夏季和冬季进行潮汐式穴盘育苗，比较了不同供液高度下的基质吸水速率、穴盘苗生长指标、根系活力以及水肥利用率，旨在为番茄潮汐式穴盘苗的壮苗培育提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料、资材与设施

供试番茄品种为中杂105(L.esculentumMill. cv. Zhongza 105)，由中国农业科学院蔬菜花卉研究所培育。试验用穴盘为105孔穴盘(540 mm×280 mm×42 mm，上口径33 mm，下口径15 mm，单穴孔容积约22 mL)，购自台州隆基塑业有限公司。育苗基质为草炭、蛭石、珍珠岩的混合基质(3∶1∶1，V/V)，pH值6.25，EC值0.15 mS/cm。其中草炭为品氏托普草炭，粒径0～10 mm，pH值6.22，EC值0.91 mS/cm，有机质含量为96.9%，购自北京林大林业科技股份有限公司；蛭石和珍珠岩全部采用园艺级，粒径为3～5 mm，购自河北灵寿县汇鑫蛭石厂。育苗用水溶肥为“花无缺”(20-10-20+TE和20-20-20+TE)，购自上海永通化工有限公司。

试验分别于2017年夏季(6-7月)和冬季(11-12月)在中国农业科学院蔬菜花卉研究所玻璃连栋温室中进行。夏季通过遮阳网以及风机、湿帘等设备进行降温，冬季采用暖气进行加温。使用“温室娃娃”(绿园，北京)实时监测夏季和冬季育苗期间温室内环境参数：平均空气温度(昼/夜)为28 ℃/25 ℃、23 ℃/17 ℃，平均基质温度(昼/夜)为26 ℃/23 ℃、21 ℃/15 ℃，平均空气相对湿度为67%，52%，平均日光照强度为293.17，241.58 μmol/(m2·s)，光照时间为16,11 h。

1.2 基质吸水速率的测定

穴盘中装填基质，基质初始含水量约为45%～50%，按照播种的流程进行压穴、覆盖蛭石。将穴盘放入简易潮汐式苗盘(1 515 mm×560 mm×40 mm)中，每个苗盘放置4个穴盘。将水以8.0 L/min的流速匀速加入苗盘中，至供液高度分别为1,2,3 cm，记录达到每个供液高度所需的供液时间；从开始供液时起，每隔1 min采用称质量法记录穴盘基质的吸水量，并取样，用于基质相对含水量测定；当穴盘基质质量维持稳定后，打开排水口，排出回液，并记录回液排尽所需的时间。根据不同吸水时间的基质相对含水量，绘制基质吸水曲线，计算吸水速率。

基质相对含水量采用风干称质量法测定[13]。用环刀准确量取100 mL基质，称质量(W1)，然后将基质置于避风处自然风干至恒质量(W2)，用吸管吸取洁净水缓慢滴入风干基质中，直至水均匀地充满基质，并在基质表面形成水膜，静置3 h，若水位下降，继续滴水至充满基质，称此时基质质量(W3)，计算基质相对含水量(%)=((W1-W2)/(W3-W2))×100%。

1.3 番茄穴盘苗培养

番茄种子室温下去离子水浸种6 h后，用5%次氯酸钠溶液消毒10 min，去离子水冲洗5遍至无次氯酸钠残留。种子在28 ℃恒温催芽18 h，挑选出芽整齐一致的种子播于装有育苗基质的105孔穴盘中，基质初始相对含水量为45%。播种深度1.5 cm，每穴孔一粒种子。播种后覆盖蛭石，每穴盘灌水1 L。

试验在简易潮汐式苗盘中进行，每个苗盘放置4个穴盘。育苗过程中采用潮汐式灌溉，每次施用水溶肥。每天上午9:00-11:00，测量基质相对含水量，当含水量为45%～50%时进行灌溉。灌溉时，将肥料溶液以8.0 L/min匀速加入苗盘中至供液高度为1，2，3 cm，保留一定时间后，打开排水口，排出肥料溶液，收集于回液桶中，并记录回液体积，回液经EC值调整浓度后作为进液循环使用。保留时间的长短根据不同供液高度下的基质吸水曲线确定。夏季和冬季番茄穴盘苗从出苗到四叶一心成苗期间的水肥管理如表1所示。每个供液高度处理共3次重复，每重复4个穴盘，随机区组排列。同时设置无肥区幼苗对照，在穴盘苗生长发育过程中只浇清水，不施用肥料，用于后续氮素利用率的计算。

表1 夏季和冬季番茄苗期的水肥管理Tab.1 The management of fertilization at tomato seedling stage during summer and winter

注：dps.播种后天数。

Note: dps.Days post sowing.

1.4 番茄穴盘苗生长指标测定

夏季和冬季分别于播种后26,39 d(即幼苗四叶一心期)取样，每处理每重复随机选取20株幼苗，参照褚群等[14]的方法测定幼苗的各项生长指标。用直尺测定幼苗茎基部至生长点的距离为株高，用游标卡尺测定幼苗茎基部上方1 cm处的直径为茎粗，采用扫描仪(ScanMaker i800)扫描和万深LA-S叶面积分析系统测定叶面积，采用LA-S型植物根系分析仪系统测定根体积，称量记录幼苗地上部和地下部的鲜质量，地上部经105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒质量，记录地上部干质量，幼苗地下部直接80 ℃烘干至恒质量，记录地下部干质量。根据上述参数，计算穴盘苗的根冠比和壮苗指数[15]。采用TTC还原法测定根系活力[16]。

1.5 水分和氮素利用率

在番茄潮汐式穴盘育苗过程中，记录每个苗盘初次灌溉的供液体积、每次灌溉的补充体积，以及最后一次灌溉的回液体积，计算单株穴盘苗有效供液体积 =(初次供液体积+补充体积-回液体积)/(穴盘数×穴盘孔数)；记录每次灌溉时的肥料施用量，以及最后一次灌溉后的剩余肥料量，计算单株穴盘苗肥料有效施用量 =(肥料总施用量-剩余肥料量)/(穴盘数×穴盘孔数)。

番茄穴盘苗培养至四叶一心成苗(夏季，播种后26 d；冬季，播种后45 d)，洗净后杀青、烘干，测定幼苗单株干质量，并采用凯氏定氮法测定植株全氮(N)含量[17]，计算穴盘苗的水分利用率[15,18]和氮素利用率[17,19]：

水分利用率(g/L)= 幼苗单株干质量 /单株有效供液体积；

氮素利用率=(施肥区番茄穴盘苗N含量-无肥区番茄穴盘苗N含量)/(肥料有效施用量×肥料中N质量分数)×100%。

1.6 数据处理

试验结果用平均值±标准误(mean±s)表示，采用Microsoft Excel 软件处理数据和作图，采用SAS 9.1.3软件最小显著差异法进行差异显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 供液高度对番茄穴盘苗基质吸水速率的影响

如图1所示，在潮汐灌溉初期，番茄穴盘苗基质的相对含水量随吸水时间延长呈线性升高，之后随着灌溉继续，基质持续吸水，但吸水速率逐渐降低，至基质相对含水量达到平台期。比较不同供液高度下基质的吸水情况，1 cm供液高度下，基质吸水速率最慢，相对含水量在开始灌溉6 min后逐渐达到平台期，且平台期时的基质相对含水量最小，约85%；2 cm供液高度下，基质相对含水量在灌溉5 min后达到平台期(约95%)；3 cm供液高度下，在开始灌溉5 min后，基质相对含水量即可达到平台期，且平台期相对含水量最大，约112%。

统计并计算不同供液高度下的供液时间、排液时间和保留时间，确定供液方案，如表2所示。当基质相对含水量达到45%～50%时进行潮汐灌溉，在供液高度为1,2,3 cm时，供液时间分别为：1，2，3 min；排液时间分别为4，8，12 min；保留时间分别为5，1，1 min。排液结束后，1，2，3 cm对应灌溉终点的基质相对含水量分别为80%～90%，80%～90%，115%～120%。

不同字母表示不同供液高度间在0.05 水平上差异显著(P<0.05)。图2-3、表3-4同。 Different letters indicate significant difference at P<0.05. The same as Fig.2-3,Tab.3-4.

表2 不同供液高度的供液时间、排液时间和保留时间Tab.2 The supplying time, emision time and retaining time during irrigation under different height

2.2 供液高度对番茄穴盘苗生长的影响

比较不同供液高度下番茄穴盘苗的生长指标，如表3所示。夏季育苗时，3 cm供液高度下，穴盘苗的叶面积、地上部干质量，显著高于1，2 cm供液高度，而穴盘苗的株高、茎粗以及根体积、地下部鲜质量和干质量等地下部生长指标在3个供液高度间无显著差异。冬季育苗时，穴盘苗的地上部生长指标，包括株高、叶面积、地上部鲜质量、干质量等指标在供液高度3 cm时最大，2 cm时次之，1 cm时最小，而地下部生长指标在3个供液高度间无显著差异。以根冠比和壮苗指数反映穴盘苗的综合质量，在夏季和冬季育苗时，3个供液高度间穴盘苗的根冠比和壮苗指数均无显著差异。

表3 供液高度对番茄穴盘苗生长的影响Tab.3 Effects of irrigation height on growth of tomato plug seedlings

2.3 供液高度对番茄穴盘苗根系活力的影响

比较不同供液高度下番茄穴盘苗的根系活力，如图2所示。在夏季和冬季育苗，3 cm供液高度下，穴盘苗的根系活力显著低于1,2 cm供液高度，而1,2 cm供液高度间根系活力无显著差异。

图2 供液高度对番茄穴盘苗根系活力的影响Fig.2 Effects of irrigation height on the root vigor of tomato plug seedlings

2.4 供液高度对番茄穴盘苗水肥利用率的影响

由表4可知，夏季和冬季育苗时，1 cm供液高度下的供液、回液体积以及肥料施用量均最小，整个育苗周期的供液总体积分别为8.00,10.75 L/盘，其中进入穴盘基质中可供幼苗生长利用的有效体积分别为7.00，9.63 L/盘；苗期共施用肥料分别为5.76，5.89 g/盘，其中有效肥料量分别为4.81,4.74 g/盘。2 cm供液高度下，夏季和冬季苗期供液总体积较1 cm供液高度分别增加了25.00%,20.93%，肥料施用量为1 cm时的1.44,1.09倍。3 cm供液高度下，供液、回液体积以及肥料施用量最大，苗期供液总体积分别为14.40,16.40 L/盘，有效体积为9.80,11.70 L/盘，苗期肥料施用量为10.64,9.28 g/盘，有效肥料量为6.27,5.24 g/盘。

表4 不同供液高度下番茄穴盘苗供液体积和肥料施用量Tab.4 Volume and fertilizer amount under different irrigation heights for tomato plug seedlings

比较不同供液高度下穴盘苗的水分利用率，如图3-A所示。夏季育苗时，1,2 cm供液高度下，穴盘苗的水分利用率分别为2.93,3.07 g/L，显著高于3 cm；冬季育苗时，穴盘苗的水分利用率较夏季低，2 cm供液高度下水分利用率最大，为2.17 g/L，高于1 cm供液高度(1.94 g/L)和3 cm(2.06 g/L)。

比较不同供液高度下穴盘苗的氮素利用率(图3-B)，夏季育苗时，穴盘苗的氮素利用率在3个供液高度间无显著差异；而在冬季育苗时，2,3 cm供液高度下穴盘苗的氮素利用率分别为59.52%和61.79%，显著高于1 cm供液高度。

图3 供液高度对番茄穴盘苗水分利用率(A)和氮素利用率(B)的影响Fig.3 Effects of irrigation height on the use efficiency of water(A) and nitrogen(B) in tomato plug seedlings

3 结论与讨论

穴盘育苗时，适度亏缺灌溉可以增强根系对养分的吸收能力，促进光合产物向根系分配，促进幼苗生长[15,20-21]。潮汐灌溉中，水或肥料溶液通过穴盘底部供应，依靠栽培基质的毛细管虹吸作用，将水和养分供给植物，水肥的供应更加精确、可控[4]，便于实现适度亏缺灌溉。本试验中，1,2 cm供液高度下，通过控制灌溉终点时的基质相对含水量，可以实现适度亏缺灌溉，灌溉终点时基质含水量约为饱和含水量的80%～90%，而3 cm供液高度下，由于基质吸水速率快，且灌溉量增加，肥料溶液进入和排出的时间相应延长，至液体排尽时，基质已达到饱和含水量，无法实现适度亏缺灌溉。

本试验分别在夏季和冬季进行番茄穴盘育苗，至四叶一心期成苗，3 cm供液高度下，番茄穴盘苗的地上部生长指标(如叶面积、地上部鲜质量和干质量等)高于供液高度1,2 cm，而地下部生长指标(如根体积、地下部鲜质量和干质量等)和根冠比、壮苗指数等综合性指标在3个供液高度间无显著差异。进一步比较穴盘苗的根系活力，3 cm供液高度下，根系活力显著低于1,2 cm。分析原因，3 cm供液高度下，灌溉终点基质相对含水量较高，穴盘苗地上部易发生徒长，且基质相对含水量较大，透气性差，不利于根系生长；而1,2 cm供液高度下，由于适度亏缺灌溉，穴盘苗地上部生长受到限制，不易发生徒长，而良好的基质透气性环境可有效地保障根系的生长和活力。可见，1,2 cm供液高度可显著控制穴盘苗地上部徒长，提高根系活力，有利于穴盘苗定植后的缓苗和生长。

不同供液高度下，育苗期总的灌溉施肥量不同，1,2 cm供液高度下，供液和回液体积小，肥料施用量少。进一步比较穴盘苗的水肥利用率，夏季和冬季育苗时，2 cm供液高度下，穴盘苗的水分利用率和氮素利用率显著高于或不低于1,3 cm供液高度。此外，在潮汐式循环灌溉中，水或肥料溶液由水泵从供液池中抽出送至苗床，肥料溶液因毛细作用进入基质后，剩余溶液经排水口排至回液池，过滤去除回液中的残留物、浮游物等提高其透明度后，采用紫外线或臭氧消毒等方法对营养液进行高效、广谱灭菌，消毒处理后的肥料溶液再次进入供液池循环使用[18,22-23]。因此，潮汐灌溉时，降低供液高度可减少供液量和回液量，降低水泵所需的动力能耗以及对回液进行过滤消毒所需的材料和能耗成本，灌溉更加经济。

综合上述穴盘苗质量、根系活力和水肥利用率等因素，番茄夏季和冬季潮汐式穴盘育苗时以2 cm供液高度为宜，既可实现适度亏缺灌溉，穴盘苗地上部不易发生徒长、根系活力旺盛，且灌溉时动力成本以及回液过滤和消毒成本较低，水分和肥料利用率较高。