垄嵌和沟嵌式基质栽培对日光温室番茄产量及根区土壤氮磷残留的影响

时间：2024-05-25

李宝石，李浩，王奇，刘文科

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所／农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081 2.河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001）

氮素和磷素是影响作物产量和品质的两个重要因素［1，2］，然而中国农田尤其是经济作物生产中氮、磷肥料的过量使用现象相当普遍［3］。日光温室在冬季封闭条件下，由于蒸腾作用，表层土壤缺乏雨水的淋洗，且硝态氮不易被土壤胶体吸附、易随水分运动，致使大量硝态氮随水分向上迁移，富集在耕层土壤中［4－6］。此外，由于作物对磷素的吸收较低，过量的磷肥施用后在土壤中尤其是表层会产生有效磷累积［7］。由此造成土壤盐渍化和酸化、养分不平衡、连作障碍等问题，致使蔬菜品质和产量下降，严重威胁到设施农业的可持续发展［8，9］。

研究表明，设施无土栽培可以避免土壤栽培中因多年盐分积累和连作导致的土壤盐渍化，同时能消除土传病害，发挥作物生产潜能［10，11］。傅国海等［12］提出的垄嵌式基质栽培方法（SSC）是将土壤栽培和无土栽培相结合，利用土垄包被基质，采用滴灌进行蔬菜栽培。前期试验表明，SSC栽培甜椒可以显著提高根区温度，增强根区对气温的缓冲能力。同时，嵌膜基质栽培在一定程度上起到限根的作用，结合滴灌施水施肥，大幅度提高了作物水肥利用效率，减少了肥料的损失［13－15］。

垄嵌式基质栽培方法（SSC）是将滴灌和嵌膜技术相结合，能够精准控制水肥用量并且阻断氮磷养分的淋溶，再加上嵌膜技术能够促进养分高效吸收利用，降低氮磷养分在根区的积累，降低氮磷养分残留，避免对设施土壤的环境污染［15］。然而目前垄嵌式基质栽培方法对根区氮磷养分残留的具体效果尚不明确。因此本试验从环境安全和水肥利用角度，研究比较3种栽培模式在相同水肥用量条件下对番茄产量及根区氮磷养分残留的影响，以明确嵌膜式基质栽培对氮磷养分残留的具体效果，构建设施土壤氮磷淋溶阻断型起垄基质栽培，优化栽培参数，为新型栽培方式的推广应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在河北省衡水市饶阳县良品果蔬种植合作社产业示范区的一个简易土墙日光温室中进行，温室顶部和底部均设通风口。随试验进行，于7—9月在温室顶部加装遮阳网，10月之后在顶部加装棉被，其它日常管理依照当地常规进行。番茄采用基质或土壤栽培，基质采用河北丰源生物科技有限公司产品。株距为0.45 m，行距为0.60 m。供试番茄品种为“罗拉”，于2020年8月12日定植。

1.2 试验设计

试验以土壤栽培（SC）为对照，设置垄嵌与沟嵌2种基质栽培类型，处理1为垄嵌式基质栽培（SSC），处理2为沟嵌基质栽培（SE），每处理重复6次。

垄嵌式基质栽培即将塑料薄膜嵌在一定规格的土垄中，然后装入购买的混合基质。塑料膜厚度为0.12 mm，侧面打孔，通气孔距离底部2 cm，孔径1 cm，孔距为15 cm。每垄长7.5 m，垄高10 cm。基质槽下嵌地面10 cm，垄上底宽20 cm，垄下底宽40 cm。沟嵌式基质栽培即在水平土壤上开沟，将塑料薄膜嵌在沟中。塑料膜厚度和通气孔与垄嵌式基质栽培一致。每垄沟长7.5 m，深为20 cm。垄嵌与沟嵌式基质栽培实际效果如图1所示。

图1 垄嵌式基质栽培（a）和沟嵌式基质栽培（b）

土壤栽培采用农户传统的沟灌式水肥管理，两种基质栽培采用滴灌式水肥管理，3种栽培模式的肥水用量相同。并在试验小区两侧设置保护行。

1.3 样品采集及分析

土壤或基质样品于果实采收期时分0～10、10～20、20～30 cm土层或基质层采集，每处理选择3个重复，每重复3钻，将同一土层的土壤或基质混为1个样品风干待测。称取土壤或基质干样5 g，加入2 mol／L的KCl溶液25 mL浸提，振荡30 min，过滤后用流动分析仪测定硝态氮含量。称取土壤或基质干样5 g加入浸提剂，振荡30 min，过滤后用紫外／可见光分光光度计测定有效磷含量。土壤容重采用环刀法测定，基质容重采用郭世荣［16］的方法测定。根据各土层硝态氮和土壤或基质容重计算每一层（10 cm）的硝态氮和有效磷残留量：

式中：Ri表示每一土层的硝态氮或有效磷残留量（g／垄）；Ci表示该土层土壤硝态氮或有效磷含量（mg／kg）。各土层的硝态氮或有效磷残留量相加即为0～30 cm土层硝态氮或有效磷残留量。

番茄于11月9日开始计产，以后累加测产。每处理随机选定4株用天平称重累加产量，即为单株产量，并根据种植密度和面积计算单产。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016、Graphpad 6.0和SPSS 25.0软件进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 日光温室3种栽培模式对番茄产量的影响

由图1可知，3种栽培模式下番茄产量依次为13.49、13.50、13.42 kg／m2，即SSC＞SC＞SE，三者之间无显著差异（P＞0.05）。但仍然能够说明水肥用量一致条件下，嵌膜式基质栽培能够获得较大经济效益。

图2 日光温室3种栽培模式的番茄产量

2.2 日光温室不同深度土壤与基质容重比较

由表1看出，土壤容重约为基质容重的3～4倍，且随土层深度的增加而增加。基质容重为0.34 g／cm3，可满足作物正常生长需求。

表1 日光温室不同深度土壤与基质容重

2.3 日光温室3种栽培模式对根区硝态氮残留量的影响

滴灌施肥可以保持根系养分平衡，有利于作物对各种养分的平衡吸收，从而提高肥料利用率，减少肥料养分在根区中的残留。本研究表明，嵌膜式基质栽培配合滴灌施肥体系的硝态氮残留量显著低于传统土壤沟灌施肥体系（图3）。0～10 cm土层，3种栽培模式的土壤硝态氮残留量有显著差异，以SC最高，SSC最低。SSC模式的硝态氮残留量仅为SC模式的36%，SE模式仅为SC模式的64%，说明嵌膜式基质栽培能够大幅度降低硝态氮向下淋洗风险。10～30 cm土层，3种栽培模式间未达到显著差异，说明硝态氮累积更集中于土壤表层。

图3 3种栽培模式下根区土壤硝态氮残留

2.4 日光温室3种栽培模式对根区有效磷残留量的影响

与硝态氮残留量的表观特征基本相同：0～10 cm土层，3种栽培模式之间的有效磷残留量有显著差异，SC栽培模式的最高，且与SSC及SE模式差异达显著水平，SSC栽培模式最低（图4）。SSC模式的有效磷残留量仅为SC的19%，SE模式仅为SC的23%，说明嵌膜式基质栽培能够大幅度降低有效磷淋洗风险。10～20 cm土层，尽管3种栽培模式间未达到显著差异，但是SC的有效磷有累积的现象。20～30 cm土层，3种栽培模式间未达到显著差异，SE的有效磷残留相对较高，SSC相比SC仍然有减少残留量的特征。

图4 3种栽培模式下根区土壤有效磷残留

2.5 日光温室3种栽培模式对根区累积氮磷残留量的影响

3种栽培模式不同土层或基质中的有效磷和硝态氮的累积量见表2。相比SC，SSC和SE栽培模式0～30 cm土层有效磷残留量分别减少46.34%和43.97%。其主要原因是这两种栽培模式0～10 cm土层显著减少了有效磷的残留量。硝态氮为土壤或基质中供作物生长所需的速效氮源，相比SC，SSC和SE栽培模式0～30 cm土层硝态氮残留量分别减少24.82%和24.44%。

表2 3种栽培模式0～30 cm基质或土壤累积氮磷残留量

3 讨论

本研究结果显示，3种栽培模式的番茄产量无显著差异，这与李宗耕［15］的研究结果不一致。导致这一现象的原因可能是基于水肥用量相同的前提下，嵌膜式基质栽培依靠的是本季的水肥灌溉，而土壤本身由于自身养分的储存从而导致养分含量优于前者。另外，番茄株高普遍高于甜椒，在结果后期造成阳光的遮挡进而影响根区温度，从而影响根系对养分的吸收利用。此外，尽管3种模式间无显著差异但是垄嵌式基质栽培的番茄产量表现最优，这也说明嵌膜式基质栽培可以充分发挥滴灌施肥和基质栽培高效生产的优势。

众多研究结果表明，施用氮肥是导致硝态氮在设施土壤中累积的最主要因素［4，17］。因此，如何提高氮肥利用率、减少根区硝态氮的残留就成为需要解决的关键问题。本研究结果表明，在番茄根区生长区域，土壤栽培的根区硝态氮残留显著高于嵌膜式基质栽培。其原因可能是嵌膜式基质栽培的内嵌薄膜阻隔了氮素的淋溶，将养分聚集在根区能够更好地被番茄根系吸收利用；另一方面土壤栽培采用沟灌式水肥管理模式，而且底部没有薄膜的阻隔导致养分会四周扩散，不能被番茄根系有效吸收，从而使得硝态氮在土壤表层过多积累［15］。

作物对磷素的吸收较低，施磷后残留在土壤中的磷素有一定的后效，但对环境威胁较大［7］。本研究结果显示，随着土层深度的增加，土壤栽培的有效磷残留逐渐递减，尤以耕作层的残留量显著最高。然而嵌膜式基质栽培的残留量仅为土壤栽培的1／5左右，原因可能是滴灌促进了根系对磷素的吸收，增强了地下部向地上部的物质运输，提高作物的光合速率，进而促进植株生长。另一方面，秋冬季的低温弱光会抑制根系的生长［18］，传统沟灌施肥体系过量的冷水灌溉会进一步降低根系代谢活动，不利于根系吸收养分。