基于基質(zhì)配比的潮汐式育苗水肥吸持規(guī)律研究

康藝凡，高欣娜，黃 媛，武 猛，杜亞茹，楊英茹

（石家莊市農(nóng)業(yè)信息感知與智能控制重點實驗室·石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心·河北省都市農(nóng)業(yè)技術創(chuàng)新中心·石家莊市農(nóng)林科學研究院 石家莊 050041）

潮汐灌溉是一種由栽培床底部供水、借助栽培基質(zhì)的毛細管作用將水肥供給植物吸收的灌溉方式，與頂部噴淋灌溉相比，具有提高水肥利用率、降低病害發(fā)生率、加快作物生長等優(yōu)點[1]。

在蔬菜育苗過程中，水肥管理是影響幼苗生長發(fā)育的重要因素。前人研究表明，在保證種苗需水量條件下，適宜的浸泡時間、較低的基質(zhì)含水量能保證較為充足的氧氣含量，有助于提高根系的代謝活力[2-3]。李倩等[4-5]研究表明，1、2 cm 供液高度可實現(xiàn)適度的虧缺灌溉，穴盤地上部生長受到抑制，不易發(fā)生徒長，且可提供良好的基質(zhì)透氣環(huán)境，較3 cm 的供液高度能有效地保障根系活力。王正[6]研究表明，黃瓜最適供液方案為供液維持13～18 min，間隔時間319～401 min；番茄最適供液方案為供液維持13～16 min，間隔319～371 min。因此，基于潮汐式灌溉條件，對灌溉高度、灌水時間等蔬菜潮汐式育苗關鍵因素開展研究具有必要性。

基質(zhì)的理化性質(zhì)是影響潮汐式灌溉水分吸收速率、養(yǎng)分吸持量、養(yǎng)分分布和移動的重要因素。大量學者對育苗基質(zhì)進行研究表明，不同的蔬菜作物的最適基質(zhì)配比受作物生長習性、外界環(huán)境等多種因素影響[6-9]。育苗基質(zhì)一般由親水物質(zhì)和疏水物質(zhì)組成，且基質(zhì)組成物質(zhì)的吸水性與保水性成反比，因此現(xiàn)行的育苗基質(zhì)一般為多種材料復合而成[10]。Huyen 研究表明，用于辣椒和番茄潮汐式育苗的基質(zhì)配比為V草炭∶V珍珠巖∶V蛭石=1∶1∶1，用于西瓜、甜瓜等蔬菜作物潮汐式育苗的基質(zhì)配比為V草炭∶V珍珠巖=4∶1[11]。

前人對潮汐式灌溉技術的研究多以單一基質(zhì)配比為研究對象，忽略了基質(zhì)本身對水肥吸持規(guī)律的影響，為此，筆者結(jié)合實際生產(chǎn)條件，探究了幾種常用基質(zhì)配比在潮汐式灌溉育苗過程中的水分和養(yǎng)分吸持規(guī)律，對精準施肥和精準灌溉決策，進而培育健壯種苗具有重要科學意義，同時為蔬菜潮汐灌溉育苗技術的推廣應用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料選擇大果型番茄普羅旺斯[圣尼斯種子（北京）有限公司]，該品種為無限生長型，產(chǎn)量高、品質(zhì)好、抗逆性強。育苗基質(zhì)由草炭、珍珠巖、蛭石混合而成，基質(zhì)原料均購自河北高澤（農(nóng)林）科技有限公司，營養(yǎng)液采用海法寶利豐復合肥（N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為19∶19∶19+ME）600 倍液，可溶性鹽濃度（EC 值）為2 mS?cm-1，育苗穴盤采用72 孔穴盤（長×寬×高為53 cm×27 cm×5 cm，40 cm3/穴），購自河北欣欣塑業(yè)。

試驗在簡易苗床進行，苗床設置5 個營養(yǎng)液槽，每個營養(yǎng)液槽長、寬、高分別是100、80、10 cm，灌溉高度設1、2、3 cm 共3 個處理。

1.2 方法

試驗于2021 年10 月至2022 年1 月在石家莊市農(nóng)林科學研究院智慧農(nóng)業(yè)研究中心實驗室及院內(nèi)日光溫室進行。種苗生長試驗依據(jù)基質(zhì)配比設置6 個處理，每個處理設置3 次重復，每個穴盤為1個重復，共計18 盤，隨機區(qū)組設計。在每個試驗穴盤中隨機取樣20 株進行生長指標測定。

1.2.1 基質(zhì)配比 通過對石家莊地區(qū)育苗場常用基質(zhì)配比調(diào)研及查閱文獻[12-14]，確定6 種試驗基質(zhì)配比（表1）。

表1 試驗基質(zhì)配比

1.2.2 基質(zhì)理化性質(zhì) 基質(zhì)容重、孔隙度、EC 值、氫離子濃度指數(shù)（pH）按NY/T 2118－2012《蔬菜育苗基質(zhì)》[15]規(guī)定的方法測定。依據(jù)行業(yè)標準，蔬菜育苗基質(zhì)的理化指標應符合容重0.20～0.60 g?cm-3，pH5.5～7.5，EC 值0.10～0.20 mS?cm-1，總孔隙度＞60%?；|(zhì)理化性質(zhì)測定結(jié)果顯示，試驗所用基質(zhì)配比pH 為6.42～7.24。EC 值為0.10～0.17 mS?cm-1，總孔隙度為64.17%～74.37%。試驗設計6 種基質(zhì)理化性質(zhì)均在蔬菜育苗基質(zhì)標準范圍內(nèi)，符合篩選最優(yōu)育苗基質(zhì)的標準[15]（表2）。

表2 基質(zhì)理化性質(zhì)測定結(jié)果

1.2.3 種苗生長指標測定及評價 種苗生長至4

葉1 心時，用直尺測量幼苗基部到生長點的距離作為株高；用游標卡尺測量子葉節(jié)下方1 cm 處直徑作為莖粗；用稱質(zhì)量法測量幼苗地上部、地下部的干物質(zhì)質(zhì)量；用排水法測量根系體積；根冠比及壯苗指數(shù)計算方法如下。

根冠比=地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量；（1）

于種苗生長至4 葉1 心時采用植物營養(yǎng)測定儀（YSN-4N）測定第二片真葉的葉綠素值及氮值；取測試苗自60 cm 高度自然下落，收集散坨后稱質(zhì)量，散坨質(zhì)量與原坨質(zhì)量比為散坨率，小于80%為不合格，大于等于80%為合格；

基于熵值法[16-17]進行TOPSIS 評價：為消除數(shù)據(jù)之間的量綱差異，將數(shù)據(jù)進行歸一化處理，用熵權(quán)法計算權(quán)重值。首先計算第j個指標中，第i個樣本標志值得比重：

TOPSIS 是在加權(quán)規(guī)范化決策矩陣的基礎上擬定理想方案和負理想方案并確定每個方案距離的距離最后根據(jù)相對距離確定方案的優(yōu)劣。具體步驟如下：

構(gòu)造規(guī)范化決策矩陣：

確定理想方案和負理想方案：理想方案由各指標中的最佳屬性值構(gòu)成而負理想方案由各指標中的最劣屬性值構(gòu)成。

根據(jù)相對接近度Ci排序，Ci的值越大表示相應方案的相對優(yōu)勢越大。

1.2.4 水分吸持規(guī)律研究 配制相對含水量為20%的基質(zhì)，填裝基質(zhì)，緊實度保持一致，稱量穴盤和基質(zhì)的總質(zhì)量（W1），置于簡易潮汐式苗床。第一分鐘每隔20 s 取出1 盤，之后每隔1 min 取出1 穴盤，共計時15 min，取出后穴盤控水15 min，稱量每盤的質(zhì)量（W2），每1 min 為1 個處理，每處理3 次重復。灌水高度設為2、3 cm，重復進行以上試驗。水分吸收速率計算公式如下：

配制相對含水量為20%的基質(zhì)，填裝基質(zhì)，緊實度保持一致，置于簡易潮汐式苗床充分吸水24 h以上，取出后穴盤控水15 min，稱量每盤的質(zhì)量（W3），將充分吸水的基質(zhì)進行自然風干，風干后稱量穴盤和干基質(zhì)的總質(zhì)量（W4），每處理3 次重復。灌水高度設為2、3 cm，重復進行以上試驗。基質(zhì)最大水分吸收量計算公式如下：

1.2.5 EC值吸持規(guī)律測定 取灌水高度為3 cm、灌溉時間為8 min 的基質(zhì)烘干后進行測定。將待測基質(zhì)400 mL 裝入容積為500 mL 的玻璃培養(yǎng)瓶，注入250 mL 的水，置于搖床上37 ℃，220 r·min-1震蕩1 h后過濾，采用DDBJ-350 型便攜式電導率儀對濾出液EC 值進行測定，試驗設置3 次重復。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 軟件進行試驗數(shù)據(jù)整理及圖表繪制，采用IBM SPSS Statistics 23 進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基質(zhì)配比對番茄苗的影響

由表3 可以看出，不同基質(zhì)配比對番茄苗的株高、莖粗、根體積和根冠比均有一定影響，其中配比1、配比3 和配比6 的株高均顯著高于其他配比；配比3 的莖粗與配比1 無顯著差異，但顯著高于其他配比；配比1 的根體積與配比5 無顯著差異，但顯著高于其他配比；配比4 的根冠比與配比5 的無顯著差異，但顯著高于其他配比。其他性狀以配比1葉綠素含量及氮值最高，分別為38.38 及12.06 mg?kg-1，配比2 的壯苗指數(shù)最高，為3.04。6種基質(zhì)配比所育種苗出苗率均在90%以上，皆滿足子葉完整、葉色正常、根系嫩白密集、根毛濃密、無機械性損傷、無病蟲、無散坨等成苗要求。通過熵權(quán)法進行賦權(quán)，權(quán)重系數(shù)最高的為C3（根體積）49.10%，其次是C1（株高）權(quán)重系數(shù)34.70%（表4）。基于權(quán)重系數(shù)利用TOPSIS 評價法進行排序，最終的評價結(jié)果為配比1＞配比5＞配比3＞配比6＞配比4＞配比2（表5），結(jié)果顯示配比1 為最優(yōu)方案，即V草炭∶V珍珠巖∶V蛭石=1∶1∶1。

表3 不同基質(zhì)配比所育種苗性狀調(diào)查

表4 熵值法計算權(quán)重結(jié)果

表5 基于熵值法TOPSIS 評價計算結(jié)果

2.2 基質(zhì)配比及灌水高度對水分吸收量的影響

由圖1 可知，基質(zhì)的最大水分吸收量受灌水高度影響，當灌水高度為1 cm 時，6 個基質(zhì)配比的最大水分吸收量均顯著低于灌水高度為2、3 cm 時的最大水分吸收量；各配比灌水高度為2、3 cm 時，基質(zhì)最大水分吸收量差異不顯著，表明當灌水高度為2、3 cm 時，設定合理的灌溉時間可使基質(zhì)達到最大水分吸收量。

由表6 可以看出，就基質(zhì)配比而言，配比1 的最大水分吸收量為629.26 g，顯著高于除配比6 外的其他配比；最大水分吸收量較低的為配比2、配比3 和配比4，其中配比4 的最大水分吸收量最低，為573.84 g。將草炭含量相等的基質(zhì)配比進行比較，配比3 的最大水分吸收量高于配比4，配比6 的最大水分吸收量高于配比5，這表明當草炭含量一定時蛭石含量高的基質(zhì)最大水分吸收量較高，因此，在實際生產(chǎn)中若想增加基質(zhì)水分吸收量，可適當增加蛭石含量。

表6 不同配比基質(zhì)最大吸水量

表7 灌水高度為1 cm 時基質(zhì)水分吸收速率（g·s-1）

2.3 基質(zhì)配比及灌水高度對水分吸收速率的影響

前2 min 的水分吸收速率顯著高于后3 min 的水分吸收速率，配比3 和配比6 前1 min 的水分吸收速率顯著高于后4 min 的水分吸收速率，配比4 和配比5 前40 s 的水分吸收速率顯著高于后期的水分吸收速率。當灌溉高度為2 cm 時，配比1、配比3、配比4 和配比6 前40 s 的水分吸收速率顯著高于后期的水分吸收速率，配比2 和配比5 前40 s 的水分吸收速率顯著高于吸水2 min 后的水分吸收速率；當灌溉高度為3 cm 時，配比1、配比2、配比5和配比6 前40 s 的水分吸收速率顯著高于后期的水分吸收速率。

依據(jù)各基質(zhì)配比水分吸收速率差異顯著性分析結(jié)果，選取各配比灌水1 min 內(nèi)的水分吸收速率進行研究.結(jié)果表明，當灌水高度為1 cm 時，1～6配比的水分吸收速率依次為3.48、2.63、2.52、2.45、1.55、2.36 g?s-1，表現(xiàn)為配比1>配比2>配比3>配比4>配比6>配比5；當灌水高度為2 cm 時，6 個配比的平均水分吸收速率分別為6.27、5.18、4.88、4.84、5.41、5.61 g?s-1，表現(xiàn)為配比1>配比6>配比5>配比2>配比3>配比4；當灌水高度為3 cm 時，6 個配比的平均水分吸收速率與灌水高度為2 cm 時一致，且水分吸收速率均大于7.0 g?s-1。

表8 灌水高度為2 cm 時基質(zhì)水分吸收速率（g·s-1）

表9 灌水高度為3 cm 時基質(zhì)水分吸收速率（g·s-1）

2.4 基質(zhì)配比對基質(zhì)EC值的影響

基質(zhì)理化性質(zhì)測定結(jié)果顯示，6 種基質(zhì)配比初始EC 值無顯著差異，6 種基質(zhì)進行EC 值吸持規(guī)律測定結(jié)果表明，當基質(zhì)充分吸水后，配比6 的EC 值最高，為1.17 mS?cm-1，孔隙度為74.37%；配比1 的EC 值最低為0.88 mS?cm-1，孔隙度為64.17%。EC值與基質(zhì)孔隙度成正比，回歸方程為y=24.067x-629.587（R2=0.902）（圖2）。

圖2 基質(zhì)孔隙度與EC 值相關關系

3 討論與結(jié)論

在蔬菜育苗的過程中，水肥管理是影響幼苗生長發(fā)育的重要因素[18-19]。潮汐式灌溉依靠基質(zhì)借助毛細管作用進行水肥吸收，因此，灌溉高度是影響水肥吸收的重要因素[20-21]，在筆者的試驗中，當供液高度為1 cm 時，穴盤底孔所受壓力較小，各基質(zhì)配比均未達到基質(zhì)最大水分吸收量，且基質(zhì)水分吸收速率較低。前人研究表明，較低的供液高度導致基質(zhì)水分欠缺不利于植物生長[4-5]。灌溉高度增加時，穴盤底孔周圍受到水分壓力增大，基質(zhì)水分吸收速率隨之增高，當供液高度為2 cm 和3 cm 時，各基質(zhì)配比可達到基質(zhì)的最大水分吸收量，同時水分吸收速率隨之增高，但當供液高度為3 cm 時，水分吸收速率過高，無法實現(xiàn)對基質(zhì)含水量的精準控制。同時前人研究表明，較高的供液高度易造成基質(zhì)水肥飽和，從而影響根系呼吸和礦質(zhì)元素的吸收[19]。因此，為保證基質(zhì)充足的吸水量及適宜可控的水分吸收速率，在實際生產(chǎn)中推薦供液高度為2 cm。

育苗基質(zhì)是穴盤育苗中的一個重要組成部分，基質(zhì)的理化性質(zhì)能夠影響水肥的吸收速率、養(yǎng)分分布和轉(zhuǎn)移[5]。筆者通過實地調(diào)研及文獻查閱所得多種基質(zhì)配比進行水分吸持試驗。結(jié)果表明，在潮汐育苗過程中，蛭石的含量與基質(zhì)最大水分吸收量成正比，這與基質(zhì)本身的理化性質(zhì)有關。育苗基質(zhì)一般由親水物質(zhì)和疏水物質(zhì)組成，蛭石、珍珠巖等為親水物質(zhì)。前人研究表明，蛭石可以吸收自質(zhì)量2.5 倍的水，草炭等為疏水物質(zhì)，吸水性較差[10]。因此，在實際生產(chǎn)中若想增加基質(zhì)水分吸收量，可適當提高基質(zhì)中的蛭石含量。筆者試驗中配比1 蛭石含量最高，同時番茄種苗生長試驗結(jié)果表明，配 比1 即V草炭∶V珍珠巖∶V蛭石=1∶1∶1 基于熵值法TOPSIS 評價排名最高，最適宜番茄種苗生長，因此，在當前試驗條件下配比1 是番茄育苗基質(zhì)的最優(yōu)選擇。

在潮汐式育苗中，營養(yǎng)液依靠毛細管作用進入基質(zhì)，完成種苗的水肥供應，由于這種灌溉方式，基質(zhì)的理化性質(zhì)成為影響?zhàn)B分吸持量的重要因素[25]。該試驗中，6 個配比的基質(zhì)孔隙度為64.17%～74.37%，符合行業(yè)標準，且均有較好的吸肥效果，同時，筆者研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)孔隙度與基質(zhì)吸肥能力呈正相關關系，回歸方程為y=24.067x-629.587（R2=0.902），因此實際生產(chǎn)中可在保證基質(zhì)持水性、通氣性的基礎上調(diào)整基質(zhì)孔隙度，提高其吸肥保肥能力。

綜上，灌水高度是影響基質(zhì)最大水分吸收量和水分吸收速率的重要因素，灌水高度為2 cm 可保證充足的含水量及可控的水分吸收速率，在潮汐式育苗實際生產(chǎn)中應選擇2 cm 為供液高度；對于不同配比而言，蛭石是影響水分吸收的關鍵因素，增加蛭石含量可提高基質(zhì)的最大水分吸收量以及水分吸收速率，在番茄潮汐式育苗推薦基質(zhì)配比為V草炭∶V珍珠巖∶V蛭石=1∶1∶1。