有机物料种植板栽培对日光温室辣椒生长与生理特性及产量品质的影响

Influence of Organic Substrate Planting Board Cultivation on Growth，Physiological Characteristics，Yield，and Quality of Pepper in Solar Greenhouse

摘要

有机物料种植板（OSP）栽培是一种为实现设施蔬菜栽培自动化作业而设计的新型栽培模式。为探究该模式对果菜类蔬菜生长、产量与品质的影响，以辣椒品种中椒牛角一号为试材，于2023—2024年在日光温室内比较分析了有机物料种植板（废弃育苗基质∶腐熟羊粪∶腐熟玉米秸秆=3∶2∶1，OSP）栽培与常规有机物料撒施深翻起垄土壤栽培（CK）对辣椒生长、生理特性、产量及品质的影响。结果表明，在2 a的试验中，OSP处理下的辣椒生长势优于CK，其中，2023年的株高和茎粗增加幅度分别为4.13%~15.37%、3.00%~23.94%；2 a的茎、叶干质量增加幅度分别为4.03%~28.40%、4.14%~14.11%。生理指标方面，OSP处理显著提高了辣椒的根系活力、叶绿素a含量、叶绿素b含量、净光合速率、气孔导度，2 a的增幅分别为7.21%~9.50%、10.50%~32.22%、9.50%~24.04%、16.71%~22.66%、23.03%~49.40%。在产量与品质方面，与CK相比，OSP处理显著提高了辣椒的单株结果数、单果质量，进而使每公顷产量显著增加，2023、2024年分别增产28.38%、12.69%。同时，OSP处理的辣椒果实在外观品质（如果长、果实硬度）和内在营养品质（如可溶性糖、维生素C、可溶性蛋白含量）上均优于CK，并且果实中硝酸盐含量显著降低。综上，有机物料种植板栽培模式可有效改善日光温室辣椒的生理与生长特性，提升产量和果实品质，满足设施蔬菜栽培优质高产的目标要求。

Abstract

Organic substrate planting board(OSP) cultivation is a novel cultivation model designed to achieve automated operations in facility vegetable cultivation. To investigate the effects of this model on the growth, yield, and quality of fruit vegetables, in this study, a pepper cultivar Zhongjiaoniujiao 1 was used as the test material. From 2023 to 2024, in a solar greenhouse, the influence of OSP cultivation(using a mixture of waste seedling substrate, decomposed sheep manure, and decomposed corn straw at a volume ratio of 3∶2∶1, OSP) and conventional cultivation, where organic materials were broadcast-applied followed by deep ploughing and ridge formation(CK) on growth, physiological characteristics, yield, and quality of pepper was compared and analyzed. The results showed that over the two experimental years, the growth vigor of peppers under the OSP treatment was superior to that of CK. Specifically, in 2023, plant height and stem diameter increased by 4.13%–15.37%, 3.00%–23.94%, respectively; over the two years, the dry weights of stems and leaves increased by 4.03%–28.40% and 4.14%–14.11%, respectively. Regarding physiological indicators, the OSP treatment significantly enhanced root activity, chlorophyll a and chlorophyll b contents, net photosynthetic rate, and stomatal conductance, with increases over the two years ranging from 7.21%–9.50%, 10.50%–32.22%, 9.50%–24.04%, 16.71%–22.66%, and 23.03%–49.4%, respectively. In terms of yield and quality, compared with CK, the OSP treatment significantly increased the number of fruits per plant and single fruit weight, leading to a significant increase in yield per hectare, with yield increases of 28.38% in 2023 and 12.69% in 2024. Furthermore, peppers grown under the OSP treatment exhibited superior appearance quality(e.g., fruit length, fruit firmness) and internal nutritional quality(e.g., soluble sugar, vitamin C, and soluble protein content) to those of CK. In conclusion, the OSP cultivation could effectively improve the physiological and growth characteristics of peppers in solar greenhouses, enhance yield and fruit quality, and meet the objectives of high quality and high yield in facility vegetable cultivation.

Graphical abstract

关键词

设施栽培 / 有机物料种植板 / 辣椒 / 日光温室 / 光合 / 产量 / 品质

Key words

facility cultivation / organic substrate planting board / pepper / solar greenhouse / photosynthesis / yield / quality

设施蔬菜产业作为推动传统农业转型升级、实现农业现代化的关键突破口，已成为引领农村经济高质量发展的主导产业和重点方向。目前，荷兰、美国等发达国家在设施农业生产技术体系上已逐步完成机械化、自动化与信息化的演进，正加速向智能化阶段迈进^[1]。相比之下，我国设施蔬菜生产的机械化水平仍存在明显差距，仅在棚内节水灌溉、旋耕起垄等局部环节具备机械化作业条件，而在整体生产过程的机械化率与技术成熟度明显不足，其已成为制约产业提质升级的核心瓶颈。

设施蔬菜生产机械化是应对农业劳动力结构性短缺、推进机器替代人工战略的必然路径^[2]。在建设农业强国的战略背景下，蔬菜生产正朝着标准化、电动化与无人化协同发展的方向迈进^[3]。《农业农村部关于大力发展智慧农业的指导意见》明确提出，需重点推动水肥一体化精准管理、作业机器人等关键技术在设施种植场景中的集成应用，并将设施种植数字化转型列为2030年前的重要战略任务，明确了机器人替代人工是设施农业发展的核心方向^[4]。在水培叶菜生产领域，通过流水线作业模式的构建，已实现播种、育苗与培育全环节的高度自动化，为设施蔬菜自动化生产提供了实践参考^[5-6]。

有机物料种植板（Organic substrate planting board，OSP）是一种以作物秸秆、禽畜粪便等农业有机废弃物为原料，经预处理后压制成预定规格形状的功能性种植载体，其表面预设标准化定植孔。在实际应用中，穴盘苗移栽至定植孔后，可通过设施内机器人完成自动化摆放与田间栽植作业。生长季结束后，残留种植板可通过破垄、灭茬、旋耕一体化作业实现还田处理，为后茬作物生长提供有机养分^[7-8]。该技术体系通过工艺整合，实现了起垄、定植与有机肥施用等多个作业环节的简化与合并，高度契合设施蔬菜自动化生产对作业流程简单化、操作重复性的核心要求。已有研究证实，该技术可有效促进莴苣、黄瓜等作物的生长发育，并提升作物产量^[7-8]。

辣（甜）椒（Capsicum annuum L.）是茄科重要的蔬菜作物，在我国蔬菜栽培面积中位居前列，且设施栽培规模持续扩大^[9-10]。目前，辣（甜）椒相关研究已广泛涵盖栽培技术优化、水肥精准调控及病虫害绿色防控等领域，逐步形成较为完善的技术体系^[11]。辣椒属为浅根系作物，因其对水分和养分吸收能力有限，故不耐旱也不耐涝，同时对土壤氧气含量要求较高^[12]。因此，栽培方式的选择会显著影响辣椒的生长发育状况。本研究以有机物料种植板栽培模式为切入点，通过测定日光温室中辣椒植株生长、光合生理特性及果实品质等指标，重点从生理代谢层面探讨该栽培模式对辣椒生长发育的影响，旨在为设施辣椒生产全程自动化技术体系建立提供理论支撑与实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试辣椒品种中椒牛角一号购自中蔬种业科技有限公司。供试有机物料包括腐熟风干后的羊粪、玉米秸秆及使用过的废弃育苗基质，各物料的基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验于2023、2024年3—7月在山西农业大学园艺研究站的节能日光温室内进行。供试土壤类型为褐土，土壤基本理化性质见表2。

设常规有机物料撒施深翻起垄栽培（CK）和有机物料种植板栽培（OSP）2种种植模式。CK中，将有机物料均匀撒施于试验小区，经30 cm深翻并耙平后起垄，垄顶宽30.0 cm，垄高7.5 cm，随后定植辣椒苗；OSP处理则先将试验小区地面整平，将培育好的穴盘苗置于有机物料种植板（有机物料含量与CK相同）的定植孔中，再将种植板摆放于地面进行栽培（图1）。

有机物料种植板由废弃育苗基质、腐熟羊粪和玉米秸秆按体积比3∶2∶1混合制成，并按体积比添加1%的胶黏剂（α-淀粉），混匀后调节相对湿度为35%~40%，经模具压制而成（压缩前后体积比为2∶1）。种植板的长为40.0 cm、宽为30.0 cm、高为7.5 cm（图2）。

每个试验小区面积9.0 m²（6.0 m×1.5 m）。辣椒采用大小行种植模式，大行距1.5 m，小行距15.0 cm，株距35.0 cm。为阻隔各小区间水分和养分的迁移，小区间埋设50.0 cm深防渗膜隔离。每个处理设3次重复。

2023年试验于3月7日播种，4月21日定植，7月20日拉秧；2024年试验于3月10日播种，4月28日定植，7月28日拉秧。2种栽培模式均未覆盖地膜。辣椒定植后通过滴箭式滴灌方式浇水，缓苗期将根区相对湿度维持在70%~80%，缓苗后维持在60%~80%。整枝采用不规则整枝法，不搭架，按“去内留外、去老留新、去弱留强、去下留上”原则操作。2种模式所施有机物料中氮（N）、磷（P₂O₅）、钾（K₂O）的投入量分别为800.45、141.83、376.37 kg/hm²，其为辣椒适宜的施肥范围^[13]，因而后期不再进行追肥。

1.3 测定项目及方法

辣椒定植后第10天开始进行生长指标测定，之后每20 d测定一次。采用直尺测量株高；采用游标卡尺测定距土表2 cm处的茎秆直径为茎粗。

在辣椒定植60 d后，选取自上而下第3~4节位的功能叶，采用Li-6800光合测定仪测定其光合气体交换参数。另取相同节位叶片，用95%乙醇浸提法结合分光光度法测定叶绿素和类胡萝卜素含量^[14]。同时，使用直径为7 cm的根钻于栽培行中间位置采集0~7.5 cm土层的辣椒根系，称取0.5 g根组织，在485 nm波长下通过紫外分光光度法测定TTC还原量，根系活力用TTC还原强度表示^[15]。

在定植后90 d，将辣椒植株的根、茎、叶分离，采用电子天平分别称其鲜质量。将样品置于烘箱中，于105 ℃下杀青15 min，80 ℃下烘至恒质量，分别称量根、茎、叶的干质量。

选取第一批达到采收标准的辣椒果实，对果实长度、宽度及硬度进行测定。同时，取部分样品立即用液氮冷冻，并使用研磨机充分研磨，用于后续内在品质分析。其中，可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C含量根据高俊凤^[16]的方法进行测定，硝酸盐含量采用水杨酸—硫酸比色法进行测定^[17]。

1.4 数据处理

采用SPSS 26.0进行差异显著性分析，采用GraphPad Prism 9.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 有机物料种植板对辣椒株高、茎粗及生物量的影响

从图3可以看出，有机物料种植板栽培模式对辣椒株高和茎粗具有显著影响。2023年试验结果表明，在整个生育期内，除定植50 d时，OSP处理的株高显著低于CK（P<0.05），在定植10、30、70、90 d时，OSP处理的株高均显著高于CK，增幅分别为15.37%、4.13%、12.50%、12.74%。茎粗方面，在定植10、30、50、70、90 d时，OSP处理分别较CK提高了23.94%、6.61%、5.45%、3.00%、9.41%。2024年试验结果显示，在株高方面，除定植后30 d时处理间差异不显著，其余各时期OSP处理均显著高于CK（P<0.05）；在茎粗方面，定植后10、70 d时OSP处理显著高于CK（P<0.05），其余时期差异不显著。

由表3可知，在2023年的试验结果显示，OSP处理的地上部鲜质量和干质量均显著高于CK，其中，茎和叶的鲜质量分别比CK增加22.69%、16.25%，干质量分别增加28.40%、14.11%；2个处理间根部鲜质量和干质量均无显著差异。2024年试验结果显示，OSP处理的根、茎、叶鲜质量与干质量均显著高于CK（P<0.05），其中，根、茎、叶鲜质量分别显著增加11.56%、6.08%、9.39%（P<0.05），干质量分别显著增加8.37%、4.03%、4.14%。结果表明，与常规撒施有机肥相比，有机物料种植板栽培可有效促进辣椒植株地上部分茎和叶的生长。

2.2 有机物料种植板栽培对辣椒叶片光合色素含量及光合参数的影响

从图4可以看出，2023年试验结果显示，与CK相比，OSP处理显著提高了辣椒叶片的光合色素含量（P<0.05），其中，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量分别显著增加了32.22%、24.04%、41.54%（P<0.05）；2024年试验结果显示，OSP处理下的叶绿素a、叶绿素b含量均显著高于CK（P<0.05），增幅分别为10.50%、9.50%。

由图5可知，2 a试验结果均表明，有机肥施用方式对辣椒光合特性具有显著影响。2023年试验结果显示，OSP处理的净光合速率和气孔导度分别较CK显著提高16.71%、23.03%（P<0.05），而胞间CO₂浓度显著降低7.48%（P<0.05）。2024年试验结果显示，OSP处理的净光合速率、气孔导度较CK分别显著增加22.66%、49.4%（P<0.05），而胞间CO₂浓度较CK显著降低3.45%（P<0.05）。

2.3 有机物料种植板栽培对辣椒根系活力的影响

有机物料种植板栽培对辣椒根系活力的影响如图6所示。

从图6可以看出，有机物料种植板对辣椒根系活力具有显著影响。2023年和2024年试验结果显示，与CK相比，OSP处理的根系活力显著提高了9.50%、7.21%（P<0.05）。

2.4 有机物料种植板栽培对辣椒产量及品质的影响

有机物料种植板对辣椒产量的影响如表4所示，不同有机肥的施用模式显著影响了辣椒的单株结果数和单果质量，进而对单株产量和公顷产量产生显著作用。2023年试验结果显示，与CK相比，OSP处理辣椒的单株结果数、单果质量及每公顷产量分别显著提高了9.50%、16.72%、28.38%（P<0.05）。2024年的试验结果表明，OSP处理下上述各项指标相较于CK仍分别显著提高5.82%、6.46%、12.69%（P<0.05）。

有机肥施用模式对辣椒果实外观品质的影响如表5所示，不同有机肥施用模式对辣椒果实的果长、果宽及果实硬度均存在一定影响。2023年试验结果表明，2个处理间辣椒果宽差异不显著，而OSP处理的果长和果实硬度分别较CK显著提高17.99%、7.65%（P<0.05）。2024年试验结果显示，OSP处理的果长、果宽和果实硬度均显著高于CK（P<0.05），增幅分别为5.36%、7.32%、15.26%。

2023年试验结果显示（图7），与CK相比，OSP处理显著提高了辣椒果实的部分内在品质指标（P<0.05），其中，可溶性蛋白、可溶性糖、维生素C含量分别增加了58.27%、30.23%、8.09%，而硝酸盐含量显著降低了34.21%（P<0.05）。2024年试验结果显示（图7），OSP处理的可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C含量较CK分别提高25.59%、34.13%、10.21%，硝酸盐含量显著降低35.85%（P<0.05）。

3 结论与讨论

栽培介质是调控辣椒生长发育及产量形成的关键因素。已有研究表明，以腐熟麦秸等为主要原料配制的有机栽培基质，在物理结构（如孔隙度与通气性）和营养特性（如有机质含量与速效养分供应能力）方面具有明显优势，可为辣椒提供更适宜的生长环境，进而促进植株生长并提高产量^[18]。与常规栽培中先将有机物料撒施、深翻再起垄的流程不同，设施蔬菜模块化有机物料种植板栽培模式是将有机物料直接加工为带定植孔的种植板，平铺于田表进行生产。这种集中利用有机物料的方式，使其融合了有机基质栽培的诸多特点。尽管有机物料种植板具有较高的紧实度和机械强度，但杨龙元等^[19]对压缩成型牛粪堆肥育苗基质块的研究结果表明，此类压缩成型基质块的理化性质仍优于常规土壤。本研究中，有机物料种植板有助于辣椒根系构建水、肥、气协调的根区环境，进而增强其生理功能。2023年与2024年试验结果显示，有机物料种植板栽培辣椒的根系活力较CK显著提升。根系活力的增强有利于促进养分的吸收与转运^[20]，为地上部生长提供坚实的物质基础。

施肥方式对养分利用效率也具有重要调控作用。与传统撒施相比，条施、穴施及滴灌施肥等根区集中施肥方式能够有效减少肥料淋失与挥发，提高肥料利用率并促进作物增产^[21-23]。王火焰等^[24]研究发现，作物根系的空间分布特征直接影响其对养分的吸收效率。撒施或混施易导致部分肥料分散于根系有效吸收区之外，加之养分在土壤中迁移能力有限，从而降低肥料利用效率。辣椒作为浅根系作物，其72%以上的根系集中分布于浅层土壤^[25]。有机物料种植板栽培模式使速效养分集中分布于根区浅层^[8]，与辣椒根系的空间分布高度匹配，从而实现对植株持续、高效的养分供应。而充足的养分供应有利于叶绿素合成与光合能力的提升^[26-27]。有机物料种植板栽培下，辣椒叶片中的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量均显著高于撒施处理；净光合速率、气孔导度和胞间CO₂浓度等光合指标也显著优于CK。值得注意的是，该模式使辣椒净光合速率在2 a内分别较CK显著提高了16.71%、22.66%。

彭永彬等^[28]、彭福田等^[29]研究结果表明，合理的施肥管理能够有效促进果实发育，增加果实纵横径及单果质量。本研究中，采用有机物料种植板栽培的辣椒，其果长与果实硬度均较CK显著提升。这一结果可能得益于该栽培模式所提供的持续且均衡的养分供应，既促进了果实细胞壁的构建与强化，也加速了细胞分裂与膨大过程^[28]，从而共同改善了果实的形态与硬度。可溶性糖、维生素C、可溶性蛋白、硝酸盐含量是评价辣椒营养品质的关键指标。本研究结果显示，采用有机物料种植板栽培的辣椒果实中，可溶性糖、维生素C、可溶性蛋白含量均较CK有大幅提高，而硝酸盐含量则显著降低。这表明该栽培模式在提升辣椒果实营养品质方面同样具有优势。

综上，采用有机物料种植板栽培模式，有效提升了辣椒的根系活力、光合色素含量及光合速率，促进了植株生长，进而提高了辣椒的产量与品质，符合设施蔬菜优质高产的栽培目标。

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基金资助

山西农业大学“特”“优”农业高质量发展科技支撑工程(TYGC25-12)

山西农业大学“特”“优”农业高质量发展科技支撑工程(TYGC24-05)