成型有机基质种植板在设施叶用莴苣栽培中的应用效果

毛 欣 元文飞 张 毅 李亚灵 温祥珍 侯雷平 白龙强*李衍素

（1 山西农业大学园艺学院，山西省设施蔬菜提质增效协同创新中心，山西太谷 030801；2 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

设施园艺是我国农业的重要支柱产业之一，其中设施蔬菜占比达78%（李天来 等，2019）。但是，我国设施蔬菜的综合机械化水平尚不足25%，不仅与主要粮食作物的机械化率（70%～90%）相去甚远（陈永生 等，2014；肖体琼 等，2017），而且离农业农村部提出的到2025 年设施种植机械化水平总体达到50%以上的目标也还有很大差距。随着农村劳动力结构和农民劳动观念的改变，劳动力供给愈发紧张，发展设施蔬菜机械化/自动化生产已成为迫切任务。国内设施蔬菜生产仍然以传统的土壤栽培为主，包括撒施有机肥、耕整地、起垄/做畦、覆盖地膜、定植、灌溉、施肥、植株调整、采收等诸多环节。农艺环节多是限制设施蔬菜机械化发展的重要原因之一。因此，探索适应机械化作业的简化设施蔬菜种植模式具有良好的生产应用前景。

将农业有机废弃物栽培基质经过调配后压制成具有一定形状的成型有机基质块，具有运输和使用方便等优点。采用成型有机基质块育苗，可以省去栽培容器，具有移栽方便、成活率高、无缓苗期和减少病虫害等优点（辛明金 等，2017；杨龙元 等，2018）。在成型有机基质块中预先混合蔬菜种子，制成集营养、控病、基质、免播种等功能为一体的种植板进行蔬菜栽培，免去了取土、播种、移栽、施肥等工序，操作简便，省工省力（聂磊 等，2020）。岩棉块（条）作为成型无机基质在设施蔬菜栽培中被广泛应用，但尚无成型有机基质块应用于设施蔬菜栽培的报道。笔者在现有栽培技术的基础上提出了设施蔬菜成型有机基质种植板栽培技术，即将有机基质进行调配后压制成较大尺寸的设有定植孔的有机基质种植板（organic substrate planting-board），进行蔬菜生产时将穴盘苗放入定植孔后用机械手臂把种植板摆放到田间即可完成栽植作业。与传统的种植方式相比，免去了起垄、移栽、施有机肥等环节；种植板规格标准，便于与蔬菜穴盘苗移栽设备配套使用，有利于实现设施蔬菜生产的机械化和自动化。本试验采用腐熟羊粪和秸秆制成的种植板进行叶用莴苣栽培试验，研究成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣生长、产量和品质的影响，以期为应用成型有机基质种植板进行蔬菜栽培，实现设施蔬菜生产机械化和自动化提供参考。

1 材料与方法

1.1 设施蔬菜成型有机基质种植板栽培原理

成型有机基质种植板栽培方案是将设施蔬菜生产过程分为两步：第一步，在生产车间将有机基质进行调配、压制成较大尺寸的种植板，其上预留定植孔（图1-A）；第二步，在园艺设施中将穴盘苗移入种植板的定植孔内（图1-B），之后由机械手臂摆放至设施菜田内即可完成定植作业（图1-C～F），种植板解体后作为有机肥进一步利用。该技术简化合并了施基肥、起垄/做畦和定植作业，易于实现设施蔬菜栽培标准化，便于机械化和自动化作业。

图1 成型有机基质种植板及设施蔬菜栽培流程

1.2 试验设计

试验于2020 年8—11月在山西农业大学园艺实验站日光温室内进行。供试叶用莴苣品种为意大利生菜。设置两个处理：常规土壤栽培（CK）和成型有机基质种植板栽培（OSP），小区面积2.6 m，3 次重复。有机基质种植板由风干粉碎后的腐熟羊粪和豌豆秸秆以2∶1 体积比混合，随后加入1%（∶）的胶粘剂（α-淀粉）混匀，调节湿度至35%～40%；之后放入模具中制成压缩比（压缩前体积∶压缩后体积）为2∶1 的种植板，长×宽×高=40 cm × 30 cm × 5 cm。CK 处理将等量的有机物料均匀施入土壤后深翻20 cm，之后做高畦。两个处理的基质/土壤基础理化性状见表1。叶用莴苣于8月10日播种育苗，9月1日移栽至种植板/高畦中，大小行种植，大行距55 cm，小行距15 cm，株距20 cm，11月2日采收。

表1 两个处理的基质/土壤基础理化性状

1.3 项目测定

9月28日，叶用莴苣旺盛生长期，各处理选择典型植株3 株，测定根系活力、叶片叶绿素含量、净光合速率（P）、气孔导度（G）、胞间CO浓度（C）和蒸腾速率（T），并计算水分利用率（WUE=P/T）。根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法测定，叶绿素含量采用乙醇法测定（高俊凤，2006）；采用Li-6400 光合测定仪（美国，LI-COR 公司）于上午10：00 测定从心部向外数第7 片叶的光合参数。

11月2日，叶用莴苣采收期，各处理选择典型植株3 株，测定株高、茎粗、叶片数，地上部和地下部的鲜质量、干质量、氮磷钾含量，可食用部分的可溶性糖、可溶性蛋白、VC、硝态氮含量。采用直尺测量株高，采用游标卡尺测量茎粗（茎基部上方1 cm 处）；采用电子天平分别称量地上部和地下部鲜质量，然后105 ℃杀青15 min，80 ℃烘干至恒重，再分别称量地上部和地下部干质量。氮磷钾含量测定：采用HSO-HO法分别对地上部及地下部干样进行消解，氮含量采用凯式定氮法测定，磷含量采用钼蓝比色法测定，钾含量采用火焰分光光度法测定（鲍士旦，2000），并计算氮磷钾积累量（各部位元素积累量=该部位干质量×该部位元素含量）。可溶性糖含量采用蒽酮-硫酸法测定（高俊凤，2006），可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定（甘纯玑和崔喜艳，2014），VC 含量采用钼蓝比色法测定（高俊凤，2006），硝态氮含量采用水杨酸比色法测定（李合生，2000）。

分别于叶用莴苣定植前、旺盛生长期、采收 前，利用WJSD-750-Ⅰ土壤紧实度仪（温州韦度电子有限公司）测定有机基质种植板及土壤紧实度。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 25.0 软件进行统计分析，运用Duncan 法进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣生长势、根系活力、叶片叶绿素含量及光合特性的影响

如图2 所示，成型有机基质种植板栽培（OSP）叶用莴苣的生长势较土壤栽培（CK）明显增强。在旺盛生长期，OSP 处理叶用莴苣的根系活力为0.89 mg·g·h，比CK 增加了34.85%，差异显著；OSP 处理对叶片叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用率均有显著促进作用，分别比CK 增加了10.42%、14.98%、9.62%、9.24%和36.36%，而胞间CO浓度显著降低（表2）。说明成型有机基质种植板栽培可以增强叶用莴苣的根系活力和地上部光合作用，促进生长。

图2 成型有机基质种植板栽培叶用莴苣的生长情况

表2 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣根系活力、叶片叶绿素含量及光合特性的影响

2.2 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣生长指标和生物量的影响

成型有机基质种植板栽培（OSP）叶用莴苣的株高、茎粗、地上部和地下部鲜质量及干质量均显著高于土壤栽培（CK），叶片数与CK 差异不显著（表3）。与CK 相比，OSP 处理的株高、茎粗、地上部鲜质量、地上部干质量、地下部鲜质量和地下部干质量分别增加了11.93%、36.84%、101.00%、64.05%、84.43%和95.03%；生物量的增长幅度明显高于生长指标，说明成型有机基质种植板栽培明显促进叶用莴苣生物量的积累。

表3 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣生长指标和生物量的影响

2.3 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣氮磷钾元素吸收的影响

从表4、5 可以看出，成型有机基质种植板栽培（OSP）叶用莴苣地上部和地下部的氮含量及地下部钾含量较土壤栽培（CK）显著提高，而地上部磷含量显著下降，地上部钾含量和地下部磷含量差异不显著；但由于OSP 处理显著提高了地上部和地下部干质量，因此OSP 处理叶用莴苣地上部和地下部的氮、磷、钾积累量均显著高于CK，增幅分别为98.16%和154.57%、69.96%和99.68%、78.48%和146.96%。

表4 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣不同部位氮磷钾含量的影响 （DW）

表5 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣不同部位氮磷钾积累量的影响 （DW）

2.4 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣品质的影响

从表6 可以看出，成型有机基质种植板栽培（OSP）叶用莴苣可食用部分的品质更优，VC、可溶性蛋白、可溶性糖含量较土壤栽培（CK）显著增加，而硝态氮含量显著下降。

表6 成型有机基质种植板栽培对叶用莴苣品质的影响 （FW）

2.5 栽培期间成型有机基质种植板基质紧实度的变化

如图3 所示，叶用莴苣幼苗定植前，土壤栽培（CK）的表层土壤紧实度为0.32 MPa，成型有机基质种植板栽培（OSP）基质的紧实度为0.70 MPa，较CK 高118.75%，差异显著；在栽培过程中，CK 表层土壤紧实度显著升高并稳定在0.38 MPa 左右，而OSP 基质的紧实度则显著降低并与CK 水平相当。

图3 成型有机基质种植板与土壤表层的紧实度变化

3 讨论与结论

当前，我国设施蔬菜机械化程度整体较低，虽然部分作业环节的机器设备如耕地起垄机械、肥水一体化设备、环境调控设备等日益成熟，但施肥、移栽等环节的机械化水平仍较低（高庆生 等，2016；高光明 等，2020；李治国 等，2021）。其中，固态有机肥的撒施机械化程度相当低，仍然主要依靠人工操作。在追求有机肥替代化肥的大背景下，设施有机肥使用量大且施用劳动强度高，束缚了大量劳动力，增加了蔬菜生产成本。虽然已有少量型号的有机肥撒施机在生产中应用，但在空间有限的保护地设施内存在行走困难、操作不方便等问题（许斌星 等，2017）。秧苗移栽也是设施蔬菜生产的关键环节之一，同时也是消耗人工较多的环节。国内蔬菜移栽机多为半自动机械，需要人工辅助作业，而自动移栽机还未有成熟的机型应用，并且蔬菜秧苗机械化移栽对前期土地耕整要求严格（吴传云 等，2021）。此外，目前的移栽机还存在不适于园艺设施内使用的问题（高光明 等，2020）。而采用成型有机基质块育苗，在定植后基质块可直接作为有机肥在作物生长过程中提供养分（杨龙元 等，2016），既解决了固态有机肥的撒施问题，也解决了秧苗移栽的机械化问题。本试验设计的成型有机基质种植板栽培技术整合简化了撒施有机肥与起垄/做畦环节，同时预设定植孔的成型有机基质种植板具备标准的规格尺寸和较高的机械强度，从而易于进行标准化生产，可以在人工移栽时减轻劳动强度，或与穴盘苗高速自动移栽机器人（杨启志 等，2018；周昕和蔡静，2020）配套使用，实现自动化移栽作业。在基质成本方面，每667 m按6 000～8 000 株定植叶用莴苣时，常规土壤栽培需施用1 250～1 500 kg 有机肥（潘复生 等，2016），而成型有机基质种植板栽培每667 m需要使用18～24 m（4 100～5 500 kg）未压缩基质，约为常规土壤栽培有机肥用量的3～4 倍，生产成本显著增加。但在栽培定植密度较小的果菜类蔬菜时，成型有机基质种植板栽培每667 m仅需使用10～15 m未压缩基质，远低于槽式有机基质栽培35 m·（667 m）（白龙强 等，2013）和起垄内嵌基质栽培20～25 m·（667 m）（李宗耕 等，2019）的基质用量，与生产上推广应用的袋式基质栽培13～16 m·（667 m）（李芳 等，2014）的基质用量接近，因而具有成本优势和推广前景。

成型基质块的一个显著特点是具有较高的紧实度（杨龙元 等，2018），并随着压缩比（即未经压制的基质体积与压制成型的基质块体积之比）的增加而增大（赵瑞 等，2010）。土壤栽培下土壤紧实度对根系和作物生长的影响已被广泛报道，适当的土壤紧实度可以增加土壤蓄水，使根系与土壤接触紧密，促进养分进入根生长区，增加根系总吸收量，促进作物的生长（王群 等，2010；张向前 等，2019）。土壤紧实度过大会严重阻碍作物根系的生长，降低根的伸长速度，使根变短、变粗、质量减少，限制根系下扎，表层根系比例增加，进而影响根系分布和吸收功能，致使元素总吸收量减少；土壤紧实度过大还会使作物地上部生长发育迟缓，叶片生长速度降低，成熟叶片的叶面积缩小，展开的叶片数减少，黄叶数量增加，干、鲜质量降低，衰老提早，果实产量和品质下降（刘晚苟和山仑，2003；张国红 等，2004；王德玉 等，2013；刘战东 等，2019）。本试验中，虽然成型有机基质种植板基质初期紧实度大，但容重较低，并且在栽培过程中由于吸水膨胀（杨龙元 等，2018），紧实度降低至与土壤栽培相当的水平，因而对叶用莴苣根系造成紧实度胁迫的可能性较低。与此同时，成型有机基质种植板栽培具备有机基质栽培的特点——根区有机物料含量高，水分、空气、养分供应充足，根区理化性状优良（李宝石 等，2020），进而促进了叶用莴苣的生长，提高了产量和品质。

综上，成型有机基质种植板栽培是一种适应机械化和自动化作业需求并能满足优质高产目标的设施蔬菜栽培模式。后续将进一步探求成型有机基质种植板在设施果菜类蔬菜生产中的应用效果，以及基质用量更少、机械强度更高、养分缓释的复合型有机基质种植板的制作配方和工艺。并且希望通过该栽培模式的研究，实现成型有机基质种植板栽培在设施蔬菜生产中的实用化，为我国设施蔬菜机械化发展提供可靠依据。