椰糠复合基质对番茄生长发育及产量的影响

Effects of Coir-Based Composite Substrates on Tomato Growth， Development， and Yield

摘要

为筛选一种价格低廉、环保的设施番茄无土栽培椰糠基质配方，以粉得利品种番茄为材料，设置5种不同的椰糠、蚯蚓粪、活性炭、生物炭、纳米碳组合处理，以常规基质泥炭+蛭石（V_泥炭∶V_蛭石=2∶1）处理为对照，研究不同组分配比基质的速效养分含量及其对设施番茄产量和果实品质的影响。结果表明：椰糠+15%蚯蚓粪+15%纳米碳处理的番茄产量最高，为148.62 t/hm²，泥炭+蛭石处理的产量次之，为134.69 t/hm²，椰糠基质的产量最低，为103.81 t/hm²；椰糠+15%蚯蚓粪+15%纳米碳处理的番茄果实中可溶性固形物、可溶性糖质量分数分别为9.77%、9.76%，仅次于泥炭+蛭石处理。因此，在设施番茄无土栽培生产中，推荐采用椰糠+15%蚯蚓粪+15%纳米碳的复合基质配方作为泥炭+蛭石基质的环保替代方案。

Abstract

This study aims to identify a cost-effective and environmentally friendly substrate formula for soilless cultivation of tomatoes， utilizing coir as the primary ingredient. The experiment employed the Fendeli tomato variety and established five treatments combining coir， vermicompost， activated carbon， biochar， and nano-carbon. The conventional substrate of peat and vermiculite （2∶1） served as a control. The study assessed the effects of different compositions on the available nutrient， yield， and quality of tomatoes grown in protected cultivation. The results showed that the treatment comprising coir， 15% vermicompost， and 15% nano-carbon yielded the highest production at 148.62 t/hm²， followed by the peat and vermiculite treatment at 134.69 t/hm². The yield from the pure coir substrate was the lowest at 103.81 t/hm². Additionally， the soluble solids and soluble sugars in the tomatoes from the coir， vermicompost， and nano-carbon treatment were 9.77% and 9.76%， respectively， ranking second only to the peat and vermiculite mixture. Therefore， for soilless tomato production in controlled environments， the composite substrate of coir， 15% vermicompost， and 15% nano-carbon is recommended as an environmentally friendly alternative to traditional peat-based substrates.

Graphical abstract

关键词

番茄 / 椰糠 / 无土栽培 / 果实品质 / 果实产量

Key words

tomatoes / coir / soilless cultivation / fruit quality / fruit yeild

番茄（Lycopersicon esculentum）是我国主要的果菜之一，具有高产、优质、强抗逆性等特点。目前，国内外在番茄无土栽培上常用的基质材料以泥炭为主，混合蛭石和珍珠岩等^[1]。泥炭资源是湿地环境下植物残体经过不完全碳化作用所形成的自然产物，属于不可再生资源，且其储量分布极为不均，过度开采必将严重破坏生态环境^[2]。因此，迫切需要寻找一种来源更加广泛、价格更为低廉且环保的泥炭替代物。椰糠是天然椰壳在生物加工提取过程中形成的一种完全可进行自然发酵降解的生物有机代谢副产物，具有较高的保水与排水性，易降解，且价格低廉^[1，3]。任志雨等^[4]研究发现，椰糠中含有的元素有限，必须与其他物料混合形成复合基质使用才能满足植物的营养需求。蚯蚓粪是一种常见的有机配方肥料添加剂和土壤改良剂，具有良好的闭孔性和保水性，且含有多种农业上有益的活性微生物酶及多种植物生长调节剂类的营养物质^[5]。研究发现，田间施用蚯蚓粪在有效减少残留化肥的同时还能增加土壤有机质含量，从而提高作物品质^[6-7]。生物炭是由生物残体在无氧或少氧条件下通过高温（700 ℃）慢热解反应制成的一种性能稳定、碳含量高的固态多孔状物质^[10]。其结构疏松多孔，呈弱碱性，有较强的吸附性，可作为土壤改良剂使用，对植物根系分泌的生长抑制物具有极强的吸附能力，可吸附土壤中的化感物质，并且无毒副作用，从而有利于作物生长^[8]，有助于防治土壤病虫害^[9]。研究表明，添加生物炭能提高土壤氮素含量^[11]，减少养分淋失^[12]，提高作物产量^[13]和果实营养品质^[14]。纳米碳是一种非导电改性碳，能增强植物根系吸收养分和水分的能力^[15]。解谦等^[16]研究发现，纳米碳可以减少土壤中肥料的流失，促进作物生长、提高产量。本试验以椰糠混合不同碳素改良剂为基质，设置不同配比处理，研究不同配比基质理化性质的不同及其对设施栽培番茄产量、品质等有关指标的影响，旨在筛选适合设施番茄无土栽培的椰糠基质配方，为开发新型、环保无土栽培基质配方提供有效参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验于2019年在宁夏园艺产业园东西向二代日光温室进行。宁夏园艺产业园为国家级特色农业综合示范园区，该区域无霜期为160~170 d，气候类型属于典型的大陆性气候。试验采用单因素随机设计。供试番茄品种为粉得利。试验材料生物炭、活性炭、纳米碳均购自上海海诺炭业有限公司。试验共设6 个处理（表1），以常规商品基质泥炭+蛭石和纯椰糠作为2 个对照，不同基质配方处理为椰糠+蚯蚓粪/蚯蚓粪活性炭组合/蚯蚓粪生物炭组合/蚯蚓粪纳米碳组合。基质中生物炭、活性炭、纳米碳、蚯蚓粪质量比均为150 g/kg。蚯蚓粪、活性炭、生物炭、纳米碳中w_碳分别为23.0%、80.0%、95.0%、97.5%。试验采用基质袋培，基质袋体积为18 000 cm³（长40 cm、宽30 cm、高15 cm）。椰糠密度为138 kg/m³。每个处理栽培小区面积为8.368 m²，共使用椰糠145.728 kg，每个处理重复5 次。试验利用水肥一体化滴灌装置进行水肥管理，各处理灌溉量一致。

1.2 指标测定

1.2.1 植株生长指标的测定

定植30 d后，每周测量1 次株高、茎直径（在子叶节以下1 cm处测量）。每次随机选取3 个小区，每小区随机选取2 株进行测量，共测量4 次，取其平均值。

1.2.2 植株生物量的测定

在番茄盛果期采样。采样时从每个小区中间行随机选取6 棵植株，将根系彻底挖出后带回实验室用自来水冲洗干净。用已消毒的刀将植株地上部与根系分割开，地上部包括茎和叶（将茎和叶混合）。将植株各器官放入烘箱中，在105 ℃下杀青30 min，然后在80 ℃下烘干至质量恒定，用电子天平称量干物质质量。

1.2.3 基质理化指标的测定

在番茄盛果期取基质样，用取土器（直径5 cm、高20 cm）取番茄根系处基质，风干后用于测定基质理化性状。使用常规pH计测定pH，使用常规电导率仪测定EC，采用饱和K₂SO₄浸提-凯氏定氮法测定速效氮质量比，采用 0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法测定速效磷质量比，采用1 mol/L乙酸铵溶液浸提-火焰光度法测定速效钾质量比^[17]。

1.2.4 番茄品质与产量的测定

在番茄盛果期，每个处理下随机摘取5~6 个果实，测定其常规品质。采用蒽酮比色法测定可溶性糖质量分数，采用糖度计测定可溶性固形物质量分数，采用钼蓝比色法测定维生素 C质量比，采用NaOH滴定法测定有机酸质量分数，采用水杨酸法测定硝酸盐质量比^[17]。在果实成熟期采收、记录不同处理小区的番茄产量，按照实际处理的小区面积折合计算每公顷产量。

1.3 数据分析

利用Excel 2019软件对数据进行整理与统计，利用Origin 2021软件作图，利用SPSS 26.0软件对数据进行单因素方差分析（ANOVA）。

2 结果与分析

2.1 不同基质配方对椰糠基质速效养分的影响

由表2可知，处理CK1、C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N的pH均显著高于CK2，其中处理C+V+A的pH最高，为6.90。处理C+V、C+V+N的EC值均显著高于CK2，比CK2分别高35%、10%，处理C+V+A、C+V+B的EC值均显著低于CK2。

与CK2相比，处理C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N的速效氮质量比分别提高15.53%、88.39%、90.16%、96.09%；与CK1相比，处理C+V+A、C+V+B、C+V+N的速效氮质量比分别高10.82%、11.87%、15.35%。与CK2相比，处理C+V、C+V+N的速效磷质量比分别高0.97%、17.27%；与CK1相比，处理CK2、C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N的速效磷质量比分别高315.09%、318.87%、200.00%、162.26%、386.79%。与CK2相比，处理C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N的速效钾质量比分别降低26.28%、45.18%、55.34%、23.11%；与CK1相比，处理CK2、C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N的速效钾质量比分别高554.93%、382.82%、259.01%、192.52%、403.57%，各处理之间的差异具有统计学意义。综合来看，处理C+V、C+V+N的速效氮、速效磷质量比均高于CK2。可见，椰糠基质中配施蚯蚓粪、蚯蚓粪活性炭组合、蚯蚓粪生物炭组合、蚯蚓粪纳米碳组合均提高了椰糠基质pH，并且EC值均处于适宜范围内。

2.2 不同基质配方对番茄植株生长和生物量的影响

图1为不同时期不同基质配方处理下番茄植株株高、茎直径的变化。随着番茄植株的生长发育，其株高、茎直径呈上升趋势。在48 d时处理CK1、C+V+B的植株高于其他处理，在60 d时各处理的株高存在差异。对于不同时期茎直径，在42 d时各处理的茎直径存在差异，而随着时间推移，茎直径的差异缩小。综合来看，处理C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N的株高均高于CK2；C+V+A、C+V+B、C+V+N的茎直径均高于CK1、CK2。

由图2可知，处理C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N的地上部生物量、地下部生物量和总生物量均高于CK2，总生物量较CK2分别高2.05%、13.30%、28.61%、34.35%。与CK1相比，处理C+V+N的总生物量高3.70%，差异不具有统计学意义。

综上所述，不同基质配方处理下，番茄不同生长时期各处理的植株生长指标和生物量均存在差异。

2.3 不同基质配方对番茄产量的影响

由图3可知，不同处理间番茄产量的差异具有统计学意义，处理C+V+N的产量最高，为148.62 t/hm²，比处理CK1、CK2、C+V、C+V+A、C+V+B分别高10.34%、43.16%、29.29%、13.72%、12.36%；CK1的产量次之，为134.69 t/hm²，CK2的产量最低，为103.81 t/hm²。综上所述，在椰糠基质中添加15%蚯蚓粪+15%纳米碳组合对番茄产量有较大提升，能够替代泥炭+蛭石（V_泥炭∶V_蛭石=2∶1）基质。

2.4 不同基质配方对番茄果实品质的影响

由表3可知，椰糠和不同外源碳配施可以显著增加番茄果实可溶性固形物和可溶性糖的质量分数，显著降低硝酸盐质量比。与CK2相比，C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N处理的可溶性固形物质量分数分别增加3.68%、5.09%、5.42%、5.85%；可溶性糖质量分数分别增加3.76%、8.70%、11.87%、14.69%；硝酸盐质量比分别降低50.00%、37.50%、50.00%、37.50%；对于维生素C质量比，各处理之间的差异无统计学意义；对于有机酸质量分数，处理CK2、C+V、C+V+A、C+V+N显著低于CK1。综上所述，处理C+V+N果实中的可溶性固形物、可溶性糖的质量分数分别为9.77%、9.76%，仅次于CK1。处理C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N果实中的硝酸盐质量比较CK2显著降低。

3 讨论与结论

无土栽培基质的理化性质取决于其不同组分的基质材料。椰糠基质在中国沿海地区资源较丰富，比泥炭轻、营养更丰富、缓冲能力更强，是一种可以替代泥炭的基质材料。有关研究发现，适用于无土栽培的基质pH为5.5~7.5，EC值以不超过2.6 mS/cm为宜^[18]。本试验发现，椰糠基质中配施蚯蚓粪、蚯蚓粪活性炭组合、蚯蚓粪生物炭组合、蚯蚓粪纳米碳组合均可以提高椰糠基质pH，并且基质的EC值均处于适宜范围。

前人研究表明，添加蚯蚓粪^[7]、活性炭^[19]、生物炭^[20]和纳米碳^[21-22]均可以提高土壤氮含量。本试验同样发现，相比于CK2，处理C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N基质的速效氮质量比分别提高15.53%、88.39%、90.16%、96.09%。蚯蚓粪中含有大量的氮素营养，活性炭、生物炭和纳米碳具有较强的吸附性和较大的比表面积，能够更多地吸附蚯蚓粪中铵、硝酸盐及其他水溶性盐离子，使其长时间保留在基质中，从而达到保肥效果；基质中碳含量的提高也使得微生物对基质碳氮比进行调节的同时提高了无机态氮的含量^[23]。前人研究发现，含碳物料能够促进作物植株生长^[24]，在土壤中添加蚯蚓粪^[25]、活性炭^[26-27]、生物炭^[28-30]和纳米碳^[16，30-32]均能提高作物产量和品质，而氮素会影响果实的糖代谢^[33]，本试验结果也显示，处理C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N，果实的产量、可溶性固形物质量分数、可溶性糖质量分数均高于CK2，其中处理C+V+N的产量同时比CK1高10.34%，可溶性固形物、可溶性糖的质量分数也与CK1的最为接近。这说明蚯蚓粪、活性炭、生物炭和纳米碳通过改变椰糠基质中的氮素质量比间接提高番茄产量和果实可溶性固形物、可溶性糖的质量分数。硝酸盐是影响农产品安全和品质的重要指标。董环等^[34]研究发现，果实硝酸盐含量随着钾施入水平的提升而增加。本试验结果显示，处理C+V、C+V+A、C+V+B、C+V+N基质中速效钾质量比和果实中硝酸盐质量比较CK2显著降低，这可能是因为基质中速效钾的缺乏直接抑制了植株对硝酸盐的吸收或代谢。

综上所述，在椰糠基质中添加15%蚯蚓粪+15%纳米碳组合能够较大提升番茄生物量、果实产量和品质。该配方可以替代泥炭+蛭石（V_泥炭∶V_蛭石=2∶1）基质。

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