营养液浓度与喷雾频率对雾培黄瓜生长的影响

杨 杰，肖 娟，侯诗宇，李艳丽，彭志慧

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引 言

黄瓜以其产量高，市场需求量大，效益好等特点成为设施栽培的重要蔬菜种类[1]。黄瓜属耗水耗肥的蔬菜作物[2]，同时又对根系低氧环境耐性较差[3]。生产上为促进高产，普遍采用过量灌水和施肥的方法，导致水肥资源浪费、生产效益低下[4]。气雾栽培技术作为一种促进植物高效生长的无土栽培技术，将植株悬挂在栽培槽内，根系完全暴露在空气中，利用喷雾装置将营养液雾化，直接喷施于植物根系，是目前所有无土栽培技术中根际水气矛盾解决得最好的一种形式[5]。该技术不仅可实现精准灌溉、节水节肥的要求，而且由于根系完全暴露在空气中，还可避免土传病虫害及连作障碍，作物生长快、产量高[6]。已有研究表明，雾培黄瓜植株长势旺盛，其根系体积、根系长度和果实产量均大于液培和基质培等无土栽培技术[7,8]。

气雾栽培技术中，喷雾频率和营养液浓度是影响作物生长的重要因素。为此前人做了一些研究。2004年，王素梅等[9]研究营养液浓度对雾培微型薯生长时发现EC值在2.0～2.5 mS∕cm时植株生长良好，过高或过低的营养液浓度都会影响植株的生长发育。2021年，张明宇等[10]研究了营养液浓度对雾培生菜生长的影响，得出EC在0.7～0.9 mS∕cm最适合生菜生长。2021年，孙鸿等[11]在研究营养液浓度对叶菜蔬菜的影响中得出不同时期需要不同的营养液浓度；2010年，Jowkar等[12]检验了两种喷雾频率（3 min∕15 min和3 min∕30 min）对气雾栽培玫瑰花生长的影响，发现3 min∕15 min为玫瑰生长提供了更好的条件。2011年Fanourakis等[13]检验了3种喷雾频率（3 min∕2 h、12 min∕1 h和1 min∕6 h）对气雾栽培中切菊花生长的影响，得出最适喷雾频率为3 min∕2 h。2016年鲁雪利等[14]在研究黄瓜嫁接苗快速生根技术时，对3个频率（10 s∕5 min，30 s∕5 min，50 s∕5 min）进行优化实验，发现最优喷雾频率为30 s∕5 min。

根据以上研究得出，营养液浓度和喷雾频率对雾培条件下的植物生长影响显著且不同植物的最适营养液浓度和喷雾频率差异较大。同时发现前人对叶菜的研究较多，而针对雾培黄瓜的研究较少，且大多集中在单一因素对黄瓜生长的影响，对于营养液浓度与喷雾频率交互作用下如何影响雾培黄瓜的生长尚不明确。因此，本研究以黄瓜为研究对象，通过设置不同的营养液浓度及喷雾频率，分析不同营养液浓度与喷雾频率下雾培黄瓜的生长指标，进行综合评价，初步探索雾培黄瓜适宜的营养液浓度与喷雾频率，为进一步的研究及促进气雾栽培黄瓜的生产提供理论及技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在北京市昌平区流村镇黑寨村沙帮科技有限公司实验基地日光温室进行。昌平区位于北京西北部，介于东经115°50'17″～116°29'49″、北纬 40°2'18″～40°23'13″之间，属于温带大陆性季风气候，四季分明，年平均日照时数2 684 h，年平均气温11.8 ℃，年平均降水量550.3 mm。

1.2 试验装置

雾培装置主要由栽培槽、雾化喷头、水泵、控制器、电磁阀、压力表、过滤系统、输液管道和贮液桶等组成，可实现喷雾自动控制及循环式供液。

栽培槽：首先，在平地上起垄，北高南低，垄宽80 cm、垄高30 cm.、垄长4.8 m、垄深20 cm，在床面上铺2层厚塑料薄膜，并在大棚的最南端开一条回流渠，渠底低于垄沟，同样铺2层塑料膜。然后将垄沟与回流渠之间挖通，铺设塑料膜，做到不漏水，以利于营养液的回流与循环利用；其次，选择强度较高的苯板打孔后作为定植板，在板下铺设弥雾管道并按每40 cm安装一个十字雾化喷头，以确保栽培时能让整个内部空间均匀雾化。定植时把植株用海绵包缚植入孔中即可。

供液系统：定植后营养液全生育期采用黄瓜无土栽培专用配方。由水泵供给。通过控制器和电磁阀实现自动控制。雾化喷头的流量44～55 L∕h，工作压力0.15～0.30 MPa。贮液桶半地下式，以利营养液回流和循环利用。营养液pH值保持在6.0左右。具体布置见图1。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the test device

1.3 试验设计

试验于2022年7月定植，选择长至三叶一心的幼苗，洗净根系定植在雾培床上。为便于管理，将黄瓜生育期划分为3个时期：缓苗期（0～7 d）、苗期（7～21 d）、开花期结果期（开花期21～35 d、结果期35 d后）。试验设置营养液浓度和喷雾频率2个因素，每个因素3个水平，进行完全随机试验，共9个处理，每个处理3个重复。其中，缓苗期0～7 d统一以30 s∕15 min的喷雾频率喷施清水（不添加营养液）。缓苗结束后，将黄瓜按苗期、开花结果期分别设置3个不同的浓度梯度，用电导率EC表示，单位mS∕cm。其中设低浓度C1：1.6（苗期）和2（开花结果期）、中浓度C2：2（苗期）和2.4（开花结果期）、高浓度C3：2.4（苗期）和2.8（开花结果期）。喷雾频率（喷雾时长／喷雾间隔）设3个梯度（高频T1：30 s∕5 min；中频T2：30 s∕15 min；低频T3：30 s∕30 min）。

1.4 数据测定与方法

1.4.1 株高与茎粗

黄瓜于雾培架上定植第7天开始，每隔7天，各处理分别选取3株，测定株高和茎粗。其中株高用卷尺测定黄瓜基部至最高生长点；茎粗用电子游标卡尺测定黄瓜植株与苯板接触面上方1 cm处。

1.4.2 叶面积

于定植第7天开始，每隔7天，各处理分别选取3株，直尺测量最大叶长（L）、叶宽（W），并根据公式计算最大叶面积[15]。

式中：L为最大叶长，单位cm。W为最大叶宽，单位cm。最大叶面积单位cm2。

1.4.3 叶片SPAD值

在定植后的第7天、45天左右，选择天气晴朗，日照充足的一天。每个处理随机选取3株植株，采用中科维禾叶绿素测定仪TYS-4N测定黄瓜植株叶片SPAD值。

1.4.4 果实指标

在结果盛期，选取其中一天，每个处理采摘3个黄瓜，用卷尺测其瓜长；游标卡尺测其瓜粗；再用高精度电子秤称其鲜重，然后在烘箱内105 ℃条件下杀青30 min，之后在80 ℃条件下烘干至恒重，称量，记录黄瓜果实干重，并计算黄瓜果实含水率（含水率＝1-干重∕鲜重×100%）。

1.5 数据处理

本试验数据通过SPSS21.0 软件进行分析，以LSD法进行显著性检验，以主成分分析法进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 营养液浓度和喷雾频率对黄瓜植株株高的影响

图2为不同营养液浓度和喷雾频率处理下雾培黄瓜植株株高生长动态过程。由图2可知，在营养液浓度和喷雾频率两因素的影响下，雾培黄瓜在生长期的第7天，各处理无显著差异。第7～21天，各处理株高生长由慢变快，其中C1T1处理生长量最高，增长了59.53 cm。在C1浓度处理下植株株高生长量C1T1＞C1T2＞C1T3；C2、C3营养液浓度处理下的黄瓜株高生长量均小于C1浓度下的3个处理。说明在这个阶段，低浓度营养液下，频率越高对植株株高生长促进作用越明显，而中高浓度营养液对黄瓜植株株高生长存在抑制作用。因此，本阶段采取低浓度营养液和高喷雾频率的方案，有利于雾培黄瓜植株株高生长。第21～35天，这一阶段为黄瓜植株株高加速增长阶段。此阶段C2T2处理下的黄瓜植株株高生长量最高，增加了95.40 cm，而此前表现最佳的C1T1次之，增加93.12 cm。说明这一时期，黄瓜植株对养分的需求变大，低营养液浓度下所提供的养分已不再最适宜黄瓜植株株高的生长。此阶段，采取中浓度营养液和中喷雾频率的方案最有利于雾培黄瓜植株株高的生长。第35～49天，此阶段黄瓜植株进入结果期，各处理黄瓜植株株高生长均逐渐变缓。植株株高生长量最高的处理为C2T1，增加了117.42 cm，略高于C2T2处理的114.58 cm，说明此时中浓度营养液中喷雾频率无法提供足够的养分及水分，需提高喷雾频率。此阶段，采取中浓度营养液和高喷雾频率的方案最有利于雾培黄瓜植株株高的生长。总体来看，到第49天时，C1T1处理下的黄瓜植株株高在9个处理中表现最好，为226.4 cm；C2T1处理下的黄瓜植株株高表现最差，仅185.73 cm，二者存在显著差异。

图2 不同处理下黄瓜植株株高生长趋势Fig.2 Plant height growth trend of cucumber under different treatments

由图2还可知，不同处理组合下株高对各因素响应强度不同，可能存在交互效应，有必要对数据样本进行双因素方差分析，结果如表1所示。营养液浓度、喷雾频率对黄瓜植株株高影响未达到显著水平，二者交互作用对黄瓜植株株高影响显著。

表1 黄瓜植株株高双因素方差分析结果Tab.1 Results of two-way ANOVA of plant height for cucumber

2.2 营养液浓度和喷雾频率对黄瓜植株茎粗的影响

由图3可以看出，在缓苗期过后，黄瓜茎粗的生长过程可大致划分为慢—快—慢3个阶段。第7天，各处理无显著差异。第7～21天，各处理生长均较为缓慢，C1T1处理植株茎粗生长量最高，达2.37mm，C2T1处理下的植株茎粗生长量最小，仅1.35 mm。在C1浓度处理下的植株茎粗生长量随喷雾频率的增高而增加；在C2、C3浓度处理下的黄瓜茎粗生长量随喷雾频率的增高而减小。说明这一阶段，高浓度营养液高喷雾频率对黄瓜植株茎粗生长存在抑制作用，而低浓度营养液下高喷雾频率对植株茎粗生长起促进作用。因此，本阶段采取低浓度营养液和高喷雾频率的方案，有利于植株茎粗生长。第21～35天，这一阶段为黄瓜植株茎粗加速增长阶段。此阶段C3T1处理下的黄瓜植株茎粗生长量最高，增加了2.62 mm。C2T1处理显著低于其他。说明这一时期，黄瓜植株对养分的需求变大，低浓度营养液已不能提供充足的养分。此阶段，采取高浓度营养液和高喷雾频率的方案最有利于黄瓜植株茎粗的生长。第35～49天，黄瓜进入结果期，各处理茎粗生长速度均放缓。此时，植株茎粗生长量最高的处理仍为C3T1。对于同一喷雾频率，浓度越高生长量越大；对于同一营养液浓度，频率越高生长量越大。说明此时植株需要大量的水肥维持营养生长和生殖生长的同时进行，频率越高，浓度越高，为植株提供的水肥越充足，对植株茎粗生长的促进作用越明显。此阶段，采取高浓度营养液和高喷雾频率的方案最有利于黄瓜植株茎粗的生长。总体来看，到第49天时，C1T1处理下的黄瓜植株茎粗在9个处理中表现最好，为10.9 mm；C1T3处理下的黄瓜植株茎粗表现最差，仅8.65 mm，二者存在显著差异。

图3 不同处理下黄瓜植株茎粗生长趋势Fig.3 Growth trend of cucumber stem diameter under different treatments

对不同处理数据样本进行双因素方差分析，结果如表2所示。营养液浓度、喷雾频率对黄瓜植株茎粗影响未达到显著水平，二者交互作用对黄瓜植株茎粗影响显著。

表2 黄瓜植株茎粗双因素方差分析结果Tab.2 Results of two-way ANOVA of plant stem diameter forcucumber

2.3 营养液浓度和喷雾频率对黄瓜叶面积的影响

图4反映了不同营养液浓度和喷雾频率处理下，黄瓜最大叶面积（以下简称叶面积）随时间的变化。由图4可知，不同处理黄瓜叶面积均随着时间的推移逐渐增大，并呈现出先快后慢的趋势。在低浓度营养液C1下，叶面积始终为C1T1＞C1T3＞C1T2，说明在低浓度条件下，采用高喷雾频率更有利于黄瓜植株叶面积的生长，而中喷雾频率最不利于黄瓜植株叶面积的生长。在中浓度营养液C2下，41天前，C2T1处理的叶面积明显低于C2T2处理和C2T3处理；41天后，C2T1处理叶面积快速增长，与C2T2和C2T3差距变小；到第49天时已无显著差异。说明在中浓度营养液条件下，采取高喷雾频率会抑制黄瓜前期叶面积的生长。在高营养液浓度C3下，在第7～35天，随着喷雾间隔的增大，黄瓜叶面积呈现出稳定上升趋势，各处理差距不明显；第35～49天，T1、T2、T3处理之间关系发生变化，C3T2增长变慢，叶面积逐渐小于C3T1和C3T3。说明在高浓度条件下，中喷雾频率前期有利于植株叶面积的生长，而后期反而会一定程度上抑制叶面积的生长。综合来看，在第7～21天，C1T1处理下植株叶面积生长最快，达290.73 cm2；第21～49天，C2T1处理植株叶面积生长最快，叶面积增加了399.75 cm2。到第49天时，C1T1处理下黄瓜植株的叶面积最大，达到560.16 cm2；而C1T2处理下黄瓜植株的叶面积最小，仅492.88 cm2。因此采用低浓度营养液高喷雾频率更有利于黄瓜植株的叶片生长。

图4 不同处理下黄瓜植株叶面积生长趋势Fig.4 Leaf area growth trend of cucumber under different treatments

由图4还可知，不同处理组合下叶面积对各因素响应强度不同，可能存在交互效应，有必要对数据样本进行双因素方差分析，结果如表3所示。营养液浓度、喷雾频率、双因素交互作用对叶面积的影响均未达到显著水平。

表3 黄瓜植株叶面积双因素方差分析结果Tab.3 Results of two-way ANOVA of leaf area for cucumber

2.4 营养液浓度和喷雾频率对黄瓜叶片SPAD值的影响

图5反映了不同营养液浓度与喷雾频率处理下第7天、45天时黄瓜植株叶片的SPAD值。由图5可知，黄瓜叶片SPAD值整体表现为第45天的值大于第7天的值，这是由于第7天时试验刚刚开始，所有叶片均未达到完全成熟，所以叶绿素含量低于第45天。在第7天，由于试验时间较短，各处理的营养液浓度与喷雾频率均未对叶片的叶绿素产生显著影响，各处理间的叶片SPAD值不存在显著差异。在第45天，随着植株的生长，叶片逐渐成熟，叶绿素含量增加，叶片SPAD值也随之变大。在同一喷雾频率的条件下，叶片SPAD值随着营养液浓度的增大而增大，说明适当增加营养液浓度，有利于黄瓜植株叶片中叶绿素的积累，从而提高植株的光合作用能力；在同一营养液浓度的条件下，叶片SPAD值随着喷雾频率的提高而增大说明提高喷雾频率，有利于黄瓜植株叶片中叶绿素的积累。综合来看，不同处理下黄瓜植株叶片SPAD值表现为C3T1＞C2T1＞C3T2＞C3T3＞C2T2＞C2T3＞C1T1＞C1T2＞C1T3。 其中C3T1处理叶片SPAD值最高，达41.86。C1T3处理叶片SPAD值最低，仅34.99。最大值较最小值提高了19.63%，二者差异显著。

图5 不同处理下黄瓜叶片SPAD值Fig.5 SPAD values of cucumber leaves under different treatments

为了进一步明确两因素及其交互作用对黄瓜叶片SPAD的影响，对数据样本进行了双因素方差分析，结果如表4所示。由表4可知，在开花期，营养液浓度、喷雾频率单因素效应及双因素交互均对叶片SPAD值无显著影响。在结果期，营养液浓度对叶片SPAD值存在极显著（p＜0.01）影响，喷雾频率对叶片SPAD值不存在显著影响，两因素交互作用对叶片SPAD值的影响未达到显著水平。

表4 黄瓜叶片SPAD值双因素方差分析结果Tab.4 Results of two-way ANOVA for cucumber leaf SPAD value

2.5 营养液浓度和喷雾频率对黄瓜果实指标的影响

从表5可以看出，各处理间的瓜长不存在显著差异，其中C3T1处理的瓜长最大，为34.23 cm，处理C1T3的瓜长最小，为30.83 cm；各处理中瓜粗不存在显著差异，其中瓜粗最大值所对应的处理为C3T1，有42.8 mm，最小值对应的处理为C1T3，仅38.43 mm；各处理间单果鲜重无显著差异，其中C1T2处理的黄瓜果实鲜重最大，为325.20 g，C1T3处理的果实鲜重最小，仅284.17 g；通过对果实干重的分析可知，各处理间果实干重存在显著差异。其中C3T2的果实干重最大，为17.03 g，而C1T1处理的果实干重最小，仅有10.60 g，为最大干重的62. 25%；含水率会影响黄瓜的品质及口感，从而影响黄瓜的经济价值，也是评价黄瓜果实的一个重要指标。通过分析发现，C1T1处理下的黄瓜含水率显著高于其他处理，为96.67%。而C3T2处理的黄瓜含水率显著低于其他处理，仅94.26%。

表5 不同处理对黄瓜果实指标的影响Tab.5 Effects of different treatments on cucumber fruit markers

2.6 雾培黄瓜各指标的主成分分析

本试验采用营养液浓度与喷雾频率两因素，且各设置3个梯度，研究其对雾培黄瓜生长的影响。由于两因素间产生的交互作用会使得评价影响黄瓜生长的各指标信息发生重叠，因此采用主成分分析筛选出不相关指标，并反映出原指标所提供的大部分信息。本研究将雾培黄瓜第49天的8项指标组成进行主成分分析，本研究最终生成3个主成分，见表6，其特征值均＞1，说明3个主成分的解释力度均较大，对总方差的贡献率分别为53.563%，24.324%，13.242%，累积贡献率可达91.13%且≥85%。因此，可以将3个主成分作为综合变量来分析雾培黄瓜生长状况。

各成分的函数表达式如下，其中ZX1～ZX8分别为指标X1～X8（见表6）标准化后的新变量：

表6 各指标的主成分分析Tab.6 Principal component analysis of each index

F综合模型如式（5）所示。

F可以作为评判不同营养液浓度与喷雾频率组合策略优劣的客观评价指标。将不同处理下各个参数代入式（5），得到各个处理的综合评价得分，见表7。综合得分排序为：C3T1＞C1T1＞C2T2＞C2T1＞C2T3＞C3T3＞C3T2＞C1T2＞C2T3。

表7 黄瓜各指标的主成分得分及综合比较Tab.7 The principal component scores and comprehensive comparison of cucumber indicators

3 讨 论

对于气雾栽培作物而言，植株所需的元素和水分几乎来源于营养液，因此营养液浓度的选择十分关键[16]。而营养液的供给是靠喷雾实现的，喷雾频率至关重要，不仅影响植株的生长，还关系到营养液及电能的消耗，以及雾化喷头的使用寿命[17]。营养液管理和喷雾频率已成为气雾栽培的两大重要因素。

本研究结果表明在喷雾频率一定的条件下，在苗期，中高营养液浓度会抑制黄瓜的生长，在开花结果期适当提高营养液浓度对黄瓜株高、茎粗、叶面积、叶片SPAD值起促进作用，这与孟宪敏[18]、李邵[19]等人的研究结论相似，说明营养液浓度过高，会对植物根系造成盐分胁迫，导致植物对营养吸收困难；营养液过低，其元素含量可能满足不了植物生长需要[10]。而黄瓜植株开花后，植株转变为营养生长与生殖生长同时进行，开始分化、开花结果，黄瓜植株为满足生长所需的肥量加大，此时适当提高营养液浓度可满足植株生长需要，促进植株生长。但过高浓度营养液会使作物生长过于旺盛，不利于有机物向果实的积累[20]。

本研究结果还发现在3个梯度的营养液浓度中，苗期表现为中高浓度下喷雾频率越高对黄瓜植株生长的抑制作用越明显；低浓度下喷雾频率越高对黄瓜植株生长的促进作用越明显。开花结果期在3个浓度梯度中，均表现为30 s∕5 min喷雾频率最有利于植株生长。这与鲁雪利[21]等研究喷雾系统中各营养液环境因素对黄瓜嫁接苗影响时得出的最优喷雾频率为30 s∕5 min相一致。这说明喷雾频率的高低，会影响对雾培黄瓜水肥的供应量，开花前高浓度高频率会导致喷施肥量过多，抑制了植株的生长。开花后喷雾频率低，会导致水肥供应不足，植株缺水缺肥，从而生长不佳，而5 min喷一次的高喷雾频率可以较好满足黄瓜植株的水肥需求，从而生长表现良好。这与包蕾[22]等人对雾培马铃薯的研究得出的40 s∕25 min喷雾频率不一致，可能是由于种植作物不同，水肥需求不同。目前对雾培黄瓜喷雾频率方面的研究仍鲜有所见，更精确的喷雾频率还需进一步研究。

本次试验中每个处理都贯穿整个生育期，对于划分不同生育期采用不同营养液浓度与喷雾频率对雾培黄瓜生长的影响尚不明确，需在后续的试验中进行研究。

4 结 论

（1）在雾培黄瓜的种植管理中，苗期采用低浓度营养液与高喷雾频率有利于雾培黄瓜植株的生长；开花结果期采用高浓度营养液高喷雾频率，有利于雾培黄瓜植株的生长及果实的发育。

（2）综合整个试验周期来看，采用C1T1处理方案的黄瓜植株株高、茎粗、叶面积、果实含水率均最大，采用C3T1处理方案的叶片SPAD值、瓜长、瓜粗均最大，而C1T3处理各指标表现均不佳。

（3）通过主成分分析法综合评价得出，C3T1处理的综合得分最高。采用高营养液浓度高喷雾频率下黄瓜的综合表现最佳。