不同设施环境下番茄和黄瓜幼苗生长特性和水分利用效率

温江丽, 郭文忠, 焦有权, 张涛, 吴小苏

中国农学通报. 2023, 39(22): 40-46

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中国农学通报 ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (22) : 40-46. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0618
林学·园艺·园林

不同设施环境下番茄和黄瓜幼苗生长特性和水分利用效率

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Growth Characteristics and Water Use Efficiency of Tomato and Cucumber Seedlings in Different Facilities

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摘要

为探究不同设施环境对蔬菜幼苗的影响，以日光温室和植物工厂条件下番茄和黄瓜穴盘育苗为试验材料，开展不同设施环境对番茄和黄瓜幼苗生长和水分利用效率的影响研究。试验表明，日光温室条件下番茄幼苗株高、茎粗、叶面积和耗水量均高于植物工厂处理，不同处理番茄幼苗地上干质量差异不明显。日光温室条件下黄瓜幼苗株高、茎粗、地上干质量和耗水量均高于植物工厂处理。与日光温室相比，植物工厂显著提高了番茄和黄瓜幼苗地下干质量、壮苗指数和水分利用效率。由此可见，植物工厂在实现高效节水的同时能够生产优质壮苗，建议在植物工厂条件下开展蔬菜育苗工作。

Abstract

To explore the effect of different facility environments on vegetable seedlings, with tomato and cucumber plug seedlings in solar greenhouse and plant factory as experimental materials, the research on the growth and water use efficiency of tomato and cucumber seedlings in different facility environments was carried out. The experiment showed that the plant height, stem diameter, leaf area and water consumption of tomato seedlings in solar greenhouse were higher than those in plant factory. There was no significant difference in aboveground dry weight of tomato seedlings under different treatments. The plant height, stem diameter, aboveground dry weight and water consumption of cucumber seedlings in solar greenhouse were higher than those in plant factory. Compared with solar greenhouse, plant factory significantly increased the underground dry weight, strong seedling index and water use efficiency of tomato and cucumber seedlings. It can be seen that plant factory can produce high-quality and strong seedlings while achieving high efficiency and water saving. It is recommended to carry out vegetable seedling cultivation under plant factory conditions.

关键词

设施环境 / 番茄 / 黄瓜 / 幼苗 / 水分利用率

Key words

facility environment / tomato / cucumber / seedling / water use efficiency

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温江丽 , 郭文忠 , 焦有权 , 张涛 , 吴小苏. 不同设施环境下番茄和黄瓜幼苗生长特性和水分利用效率. 中国农学通报. 2023, 39(22): 40-46 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0618
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0 引言

集约化育苗是设施蔬菜生长过程中的重要环节之一，可以节约种量，有效控制病虫害的发生，是提高蔬菜生产整体效益的关键性技术措施[1]。秧苗质量对蔬菜的生长、产量、品质和种植效益影响很大[2-3]。穴盘育苗具有省工、节能、省时和适于机械化生长等优点，在蔬菜集约化育苗中应用广泛[4]。穴盘育苗多采用无土栽培基质，已有很多研究栽培基质对幼苗生长影响的报道[5⇓-7]。穴盘育苗中单个孔穴体积小，作物根系生长空间受限，基质持水性较差，幼苗生长速度快，蒸腾耗水量大，基质的水分状况对蔬菜壮苗培育至关重要[8]。已有研究表明无土基质水分蒸发量与日均温度、空气湿度等相关[9]。另外，不适宜的环境条件还会导致蔬菜秧苗质量下降或生长发育不良[10]。因此，在合适的设施环境条件下进行育苗显得尤为重要。
目前，日光温室育苗技术广泛应用于蔬菜生产中，日光温室具有保温性能好、建造成本低和能耗低等优点，但是存在环境综合调控能力较差等问题。日光温室的育苗质量优劣与气象环境条件关系密切，特别是灾害性天气对于设施温室的秧苗质量、数量和经济效益影响较大[11]。植物工厂是一种集约化程度高、环境控制能力强、生长效率高的种苗生产方式，能够实现对环境因子的自动和智能控制，可以实现周年连续生产[12-13]。这种新型生产方式对于缓解人口和环境压力、保障菜篮子安全、提升设施农业产能升级都具有重要意义。已有多项关于日光温室蔬菜育苗[14⇓-16]和植物工厂蔬菜育苗[17⇓-19]的相关研究。但是，关于不同设施环境对蔬菜育苗效果的影响鲜有报道。
番茄和黄瓜是国内普遍栽培的重要蔬菜，在蔬菜周年供应中起着至关重要的作用[7,20]。在生产过程中多采用穴盘育苗的方式，而育苗的环境状况关系到能否培育健壮的番茄和黄瓜幼苗。笔者针对日光温室和植物工厂条件下番茄和黄瓜幼苗生长发育和水分利用效率进行研究，旨在确定适合蔬菜幼苗的最佳设施环境。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试番茄品种为‘京番402’，该品种为粉果番茄杂交种，对病害综合抗性较好，耐热性好。供试黄瓜品种为‘京研118’，该品种为华北密刺型黄瓜一代杂种，抗霜霉病、白粉病和CMV，耐低温、弱光。番茄和黄瓜种子均购自北京市农林科学院蔬菜中心。供试基质为育苗专用基质，基质容重为0.35 g/cm3，基质持水孔隙度为59.4%，pH 6.36，EC 0.48 ms/cm。

1.2 试验设计与方法

试验于2022年3—4月在北京市农林科学院内进行。在日光温室和植物工厂分别布置番茄和黄瓜幼苗试验。日光温室采用自然光，日平均温度为19.7℃，夜间最低温度为9.6℃，平均太阳辐射为57.9 W/m2。植物工厂试验光源为LED植物光调控系统，采用多层育苗架，在植物顶部垂直悬挂光源，白天和夜间平均气温分别设置为23和17℃，相对湿度设为80%，光强设定为200 µmol/(m2·s)。
番茄和黄瓜育苗采用72孔穴盘，每种设施环境处理分别设置5个番茄和5个黄瓜穴盘，每个处理5次重复。3月23日对番茄和黄瓜进行播种，播种后每天检查基质含水量状况，并进行灌溉，使基质保持在适合种子发芽的状态。播种后第9 d黄瓜和番茄幼苗子叶均展开后，分别开始浇灌番茄和黄瓜山崎营养液，幼苗生育期内，番茄和黄瓜幼苗日光温室和植物工厂处理灌溉制度相同。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 生长指标

从播种日起第9 d开始，日光温室和植物工厂处理各选择长势均匀的5株番茄和黄瓜幼苗做好标记，每隔2 d测定番茄和黄瓜幼苗的株高和茎粗。用直尺测量幼苗株高（茎基部到顶端生长点的距离），用游标卡尺测量茎粗（距子叶1 cm的茎部直径）。从播种日起第15 d开始，每隔4 d利用LI-3000便携式叶面积仪测量番茄和黄瓜幼苗叶面积。采用1/10000天平测量幼苗地上和地下干质量。生长指标测定结束时间为播种后第33 d。
壮苗指数=茎粗株高×全株干重
(1)

1.3.2 幼苗水分利用效率

在试验期间，每天用电子秤测定设定每个穴盘的幼苗质量用来计算幼苗耗水量。
水分利用效率=幼苗植株干质量幼苗耗水量
(2)

1.3.3 数据处理

试验数据采用Excel 2010进行整理，Duncan法（P<0.05作为显著性水平）进行多重比较。用SPSS 16.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同设施环境对番茄和黄瓜幼苗生长发育的影响

2.1.1 株高

由图1可知，不同蔬菜幼苗株高均随植株生长而逐渐增大。不同设施环境条件下，整个幼苗时期，日光温室处理番茄和黄瓜幼苗株高均高于植物工厂处理，且不同设施环境的幼苗株高差异性随生育期的进行越来越显著。在幼苗成苗期（播后33 d），日光温室处理的番茄、黄瓜幼苗株高分别为25.70、17.40 cm，分别较植物工厂处理提高了181.55%、134.06%。以播后天数为自变量x，以播后第x d幼苗平均株高为因变量(y)，日光温室处理的番茄和黄瓜幼苗的株高与播后天数可用指数函数表示，而植物工厂处理的番茄和黄瓜幼苗株高与播后天数可用线性函数表示，不同函数相关系数均达到显著性水平（表1）。
图1 不同设施环境对番茄和黄瓜幼苗株高的影响

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表1 不同处理下番茄和黄瓜幼苗株高与播后天数的函数式
作物 处理 函数式 R2
番茄 日光温室 y=1.1389e0.0921x 0.9943
植物工厂 y=0.3353x-0.7485 0.9752
黄瓜 日光温室 y=1.42e0.0737x 0.9913
植物工厂 y=0.1544x+0.4346 0.9622

2.1.2 茎粗

不同蔬菜幼苗茎粗均随作物生育期的进行而逐渐增大（图2）。在播后25 d之内，不同设施环境处理番茄幼苗差异较小，例如，播后23 d日光温室和植物工厂处理番茄幼苗的茎粗分别为2.22、2.28 mm。随着生育期的进行，日光温室处理番茄幼苗茎粗大于植物工厂处理，例如，播后33 d日光温室处理番茄幼苗的茎粗为3.90 mm，较植物工厂处理增加8.95%，不同设施环境处理番茄茎粗在生育期内差异均不显著。
图2 不同设施环境对番茄和黄瓜幼苗茎粗的影响

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在播后19 d之内，不同处理黄瓜幼苗茎粗差异较小。随着植株的生长，播后19 d之后，日光温室处理黄瓜幼苗的茎粗显著高于植物工厂处理，例如，在黄瓜成苗期（播后33 d），日光温室处理的黄瓜幼苗茎粗为5.35 mm，较植物工厂处理提高了13.60%。
以播后天数为自变量(x)，以播后第x d幼苗平均茎粗为因变量(y)，不同设施环境处理的番茄和黄瓜幼苗的茎粗与播后天数均可用线性函数来表示，不同函数相关系数均达到显著性水平（表2）。由表2可知，日光温室条件下番茄和黄瓜幼苗茎粗与播后天数的线性函数斜率大于植物工厂条件下线性函数斜率，例如：日光温室和植物工厂处理番茄茎粗与播后天数的线性函数斜率分别为0.1620和0.1388，说明在日光温室环境下番茄和黄瓜幼苗茎粗随播后天数增长速度大于植物工厂环境下的增长速度。
表2 不同处理下番茄和黄瓜幼苗茎粗与播后天数的函数式
作物 处理 函数式 R2
番茄 日光温室 y=0.1620x-1.4337 0.9914
植物工厂 y=0.1388x-0.9685 0.9922
黄瓜 日光温室 y=0.1838x-0.5819 0.9878
植物工厂 y=0.1384x+0.0546 0.9888

2.1.3 叶面积

图3给出了不同设施环境下作物幼苗叶面积的动态变化。在播后21 d之内，不同设施环境处理番茄幼苗叶面积差异较小，例如，播后21 d日光温室和植物工厂处理番茄幼苗的叶面积分别为27.24和28.24 cm2。随着植株的生长，日光温室处理番茄幼苗叶面积显著高于植物工厂处理，例如，播后33 d日光温室处理番茄幼苗的叶面积为167.39 cm2，较植物工厂处理增加了24.57%。
图3 不同设施环境对番茄和黄瓜幼苗叶面积的影响

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在播后19 d之内，不同处理黄瓜幼苗叶面积差异较小，随着植株的生长，日光温室处理黄瓜幼苗的叶面积显著低于植物工厂处理，例如，在黄瓜成苗期（播后33 d），日光温室处理的黄瓜幼苗叶面积为206.27 cm2，较植物工厂处理降低12.59%。
以播后天数为自变量(x)，以播后第x d幼苗平均叶面积为因变量(y)，不同设施环境处理的番茄和黄瓜幼苗的叶面积与播后天数均可用指数函数来表示，不同函数相关系数均达到显著性水平（表3）。
表3 不同处理下番茄和黄瓜幼苗叶面积与播后天数的函数式
作物 处理 函数式 R2
番茄 日光温室 y=0.6446e0.1759x 0.9754
植物工厂 y=1.5267e0.1390x 0.9939
黄瓜 日光温室 y=2.5368e0.1316x 0.9785
植物工厂 y=1.2598e0.1655x 0.9668

2.1.4 植株干质量

在播后31 d之内，植物工厂处理番茄幼苗地上植株干质量略大于日光温室处理，总体差异不明显（图4），例如，播后11 d日光温室、植物工厂处理番茄幼苗的地上干质量分别为0.430、0.433 g。播后15 d开始，植物工厂处理番茄幼苗地下干质量明显高于日光温室处理，且差异越来越显著，例如，播后27 d日光温室处理番茄幼苗的地下干质量为0.016 g，较植物工厂处理降低38.46%。
图4 不同设施环境对番茄幼苗植株干质量的影响

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在幼苗生育期内，日光温室处理黄瓜幼苗地上干质量均大于植物工厂处理（图5），例如，播后31 d日光温室黄瓜幼苗的地上干质量为0.630 g，较植物工厂处理增加8.52%。播后15 d之内，日光温室处理黄瓜幼苗地下干质量高于植物工厂处理，但是随着植株的生长，日光温室处理黄瓜幼苗地下干质量逐渐低于植物工厂处理，且差异越来越明显，例如，播后31 d植物工厂黄瓜幼苗的地下干质量为0.095 g，较日光温室处理增加13.20%。
图5 不同设施环境对黄瓜幼苗植株干质量的影响

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以播后天数为自变量(x)，以播后第x d幼苗植株干质量为因变量(y)，不同设施环境处理的番茄幼苗的地上和地下干物质与播后天数均可用指数函数来表示；日光温室和植物工厂处理的黄瓜幼苗的地上干质量与播后天数均可用指数函数来表示，而日光温室和植物工厂处理的黄瓜幼苗的地下干质量与播后天数均可用线性函数来表示，不同函数相关系数均达到显著性水平（表4）。植物工厂番茄幼苗地上和地下干质量随播后天数的增长速度高于日光温室；日光温室处理黄瓜幼苗地上干质量增长速度高于植物工厂处理，但是植物工厂处理黄瓜地下干质量与播后天数的线性函数斜率(0.0048)大于日光温室条件下线性函数斜率(0.0042)，说明在植物工厂条件下黄瓜幼苗地下干质量随播后天数增长的速度要大于日光温室条件下的增长速度。可见，植物工厂条件下能够提高番茄和黄瓜幼苗的地下干质量，促进地下部分的生长。
表4 不同处理下番茄和黄瓜幼苗植株干质量与播后天数的函数式
作物 植株干质量 处理 函数式 R2
番茄 地上干质量 日光温室 y=0.0004e0.2199x 0.9767
植物工厂 y=0.0007e0.2061x 0.9677
地下干质量 日光温室 y=0.0008e0.1197x 0.9020
植物工厂 y=0.0012e0.1157x 0.9856
黄瓜 地上干质量 日光温室 y=0.0116e0.1307x 0.9478
植物工厂 y=0.0089e0.1348x 0.9660
地下干质量 日光温室 y=0.0042x-0.0427 0.9814
植物工厂 y=0.0048x-0.0535 0.9838

2.2 不同设施环境对番茄和黄瓜幼苗壮苗指数的影响

壮苗指数是衡量蔬菜秧苗质量的关键指标[21]。由图6可见，在幼苗生长期内，植物工厂处理番茄和黄瓜幼苗壮苗指数均高于日光温室处理，且差异随着生育期的进行逐渐增大。例如，播后31 d植物工厂处理黄瓜幼苗的壮苗指数为0.733，较日光温室处理增加97.36%。
图6 不同设施环境对番茄和黄瓜幼苗壮苗指数的影响

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以播后天数为自变量(x)，以播后第x d幼苗壮苗指数为因变量(y)，不同设施环境处理的番茄幼苗的壮苗指数与播后天数均可用指数函数来表示；日光温室和植物工厂处理黄瓜幼苗壮苗指数与播后天数分别用线性函数和指数函数来表示，不同函数相关系数均达到显著性水平（表5）。
表5 不同设施环境下番茄和黄瓜幼苗壮苗指数与播后天数的函数式
作物 处理 单株耗水量/L 单株干质量/g 水分利用率/(g/L)
番茄 日光温室 0.503a 0.476a 0.948b
植物工厂 0.302b 0.481a 1.593a
黄瓜 日光温室 0.450a 0.710a 1.576b
植物工厂 0.241b 0.672a 2.792a

2.3 不同设施环境对番茄和黄瓜幼苗耗水量和水分利用效率的影响

日光温室处理番茄和黄瓜幼苗单株耗水量均显著高于植物工厂处理，不同设施环境处理单株干质量差异不显著，但是日光温室处理番茄和黄瓜幼苗水分利用效率显著低于植物工厂处理（表6）。例如，日光温室处理黄瓜幼苗水分利用效率为1.576 g/L，较植物工厂处理降低43.55%。由此可见，在植物工厂条件下培育番茄和黄瓜幼苗，可以显著提高幼苗水分利用效率，降低作物耗水量，具有显著的节水效果。
表6 不同设施环境下番茄和黄瓜幼苗的耗水特征分析
作物 处理 函数式 R2
番茄 日光温室 y=0.0013e0.1422x 0.9421
植物工厂 y=0.0019e0.1475x 0.9901
黄瓜 日光温室 y=0.0170x-0.1587 0.9913
植物工厂 y=0.0086e0.1478x 0.9549
注：不同小写字母表示不同处理差异显著(P<0.05)。

3 结论

植物工厂是一种环境高度可控的高效生产方式，不受自然环境的影响，日光温室受自然环境影响较大。日光温室条件下进行番茄和黄瓜育苗，可以促进番茄幼苗的株高、茎粗和叶面积增长，植物工厂处理番茄幼苗地下干质量显著高于日光温室处理。日光温室促进黄瓜幼苗株高、茎粗和地上干质量的增长，植物工厂处理黄瓜幼苗叶面积和地下干质量明显高于日光温室处理。植物工厂条件下番茄和黄瓜幼苗壮苗指数和水分利用效率均显著高于日光温室处理。在植物工厂条件下开展蔬菜育苗能够实现节水、提质和增效。

4 讨论

蔬菜的综合生产效益与秧苗质量好坏关系密切，而育苗环境的优劣程度直接影响秧苗质量好坏[22]。影响蔬菜秧苗的环境因子有空气温度、湿度、光照等，只有在科学、合理的生长环境条件下才能培育出优质壮苗。不同设施环境条件对不同种类蔬菜幼苗生长发育表达的影响不同，本研究基于田间试验构建了蔬菜幼苗生长发育指标、壮苗指数和播后天数的函数关系，明确不同设施环境蔬菜幼苗的生长发育规律。本研究表明，不同设施环境对番茄和黄瓜生长发育、植株干物质量、壮苗指数及水分利用效率影响均显著。虽然日光温室条件下番茄和黄瓜株高、茎粗均具有较高的生长趋势，但是植物工厂条件下番茄和黄瓜幼苗地下干质量显著高于日光温室处理，另外，植物工厂环境能够显著提高番茄和黄瓜幼苗的壮苗指数和水分利用效率，黄瓜穴盘育苗条件下效果更为显著。2种环境条件下，番茄幼苗的壮苗指数差异较小，可能是由于番茄幼苗对环境的适应性相对较强，黄瓜采用植物工厂育苗优势明显，分析原因是黄瓜幼苗对环境条件相对比较敏感，当环境不太理想时幼苗生长状况易受影响。
光照和温度是保障蔬菜种苗正常生产的重要环境因子。日光温室的出现和迅速发展有效缓解了国内冬季北方蔬菜的供需矛盾，由于其建造和运行成本低，成为主要的设施农业主体。日光温室蔬菜优质高产种植技术应用广泛，改善了传统的种植技术，很大程度上提高了蔬菜种植的质量和效率，增加了农户的经济收入。由于天气因素和设施结构等影响，日光温室蔬菜幼苗常因不适宜光照条件而质量下降[10]。弱光容易导致蔬菜幼苗徒长、抗逆性下降[23-24]。温度过高或过低也会影响种苗的正常生长[22]。植物工厂采用LED光源对植物进行近距离照射，能够有效提高光能利用效率[25-26]。另外，植物工厂是具有高度环境控制的高效农业生产系统，具有自动化程度高、环境控制能力强和便于集中管理等优点，具有显著的发展潜力。综合上述番茄和黄瓜幼苗生长发育、壮苗指数和水分利用效率等因素，建议在植物工厂条件下开展蔬菜育苗，能够满足培育优质壮苗和提高水分利用效率的要求。虽然植物工厂具有很多优势以及广泛的社会需求，但在实际推广过程中面临诸多瓶颈，如建设成本过高、能耗大、智能化程度较低等，突破这些瓶颈是植物工厂实现可持续发展的关键所在[27]。另外，在积极发展与推广日光温室蔬菜种植的同时，需将高效节能的现代化蔬菜育苗技术运用到日光温室中，使日光温室育苗技术得到进一步优化和发展，促进设施育苗高质量发展。
本试验只分析了2种设施环境对番茄和黄瓜幼苗生长发育和水分利用效率的影响，但对于相同环境下不同的技术措施如不同的水肥管理模式、基质特性、种植密度等对其表达结果的影响尚未涉及，下一步深入研究时需增加种植技术参数、水肥管理等因素，力求全面评价各环境因子对蔬菜幼苗生长发育的影响。

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研究不同光周期（12、14、16、18 和20 h &middot; d<sup>-1</sup>）对黄瓜和番茄幼苗生长的影响，探讨不同光周期下幼苗生长与ZT 和IAA 含量的关系。结果表明：随着光周期的延长，黄瓜和番茄幼苗株高有降低趋势，番茄幼苗的可溶性蛋白和可溶性糖含量逐渐升高；光周期达到16 h &middot; d<sup>-1</sup> 时，叶面积达到最大值，壮苗指数显著高于12 和14 h &middot; d<sup>-1</sup> 处理；随着光周期的延长，番茄叶片中ZT 和IAA 含量逐渐升高，茎中逐渐降低，且与番茄叶面积和株高成线性回归相关，黄瓜幼苗株高与茎中IAA 含量、根鲜质量与根中ZT含量成正线性回归相关。总体而言，光周期设置在16 h &middot; d<sup>-1</sup> 时有利于促进黄瓜和番茄幼苗的生长，培育壮苗。推测光周期通过调控黄瓜和番茄幼苗ZT 和IAA 含量的变化来影响其生长发育。
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本文引用 [1] 摘要
近年来中国设施园艺产业发展迅速，在农产品供应、农民增收和农村经济繁荣方面发挥了重要作用，在作物栽培管理技术、环境控制技术和温室工程技术及配套装备等方面也取得较迅速的发展。文章概述了国内外设施园艺的发展概况与趋势，从设施装备、科技含量、连作障碍等方面分析了目前中国设施园艺存在的主要问题。根据实际情况对中国设施园艺的持续发展提出了相关的重点研究方向，要加强温室结构装备和环境精确控制技术、无土栽培技术、病虫害可持续控制技术、连作障碍克服技术、设施园艺专业品种培育技术等的研究。并从加强政策宏观调控，加大科技创新投入力度，加强设施装备标准化发展，完善园艺产品供求预警及构建质量安全控制长效机制等方面提出了产业化发展措施与建议。
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北京农业职业学院科技创新项目“京郊典型设施蔬菜滴灌水肥高效利用及调控技术研究”(XY-YF-22-07)
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