基于重量反馈的自动灌溉施肥对无土栽培黄瓜和甜椒生理特性及产量的影响研究

《Scientific Reports》：Effect of weight-based fertigation on physiology, gas exchange and yield of soilless cucumber and capsicum

本研究针对温室无土栽培中水肥精准管理的需求，探讨了基于重量变化的自动灌溉施肥策略对黄瓜和甜椒生长的影响。研究人员通过设置不同营养液补给水平（100%、90%、80%、70%），系统评估了作物生理指标、气体交换参数和产量表现。结果表明，100%营养液补给策略（T1）可显著提高作物光合速率、促进生长并获得最高产量（黄瓜101.20 t ha-1，甜椒61.13 t ha-1），而适度减少营养液供给虽提高了水分利用效率（WUE），但导致产量下降。该研究为温室无土栽培水肥自动化管理提供了重要理论依据和实践方案。

　　

随着人口增长和城市化进程加速，对新鲜蔬菜的需求持续攀升，推动了许多种植者从传统栽培方式转向温室种植。然而，温室连续耕作导致土壤肥力枯竭和土传病原体增加，对设施农业构成严峻挑战。同时，快速的气候变化及各种生物和非生物胁迫威胁着农业生产力的提升。无土栽培技术，特别是固体基质培养，因其能有效克服这些限制因素，在全球温室蔬菜（如黄瓜、甜椒等）种植中日益受到青睐。

在无土栽培中，营养液（Nutrient Solution, NS）的配制和通过微灌系统的自动化施用至关重要。灌溉施肥（Fertigation）策略通常基于辐射累积、叶片温度、光照、蒸腾量、排水量或重量变化等因素，并由现代自动化技术进行调控。其中，基于重量变化的灌溉施肥管理对于提高产量和灌溉水利用效率（Irrigation Water Use Efficiency, IWUE）尤为关键。黄瓜（Cucumis sativus L.）和甜椒（Capsicum annuum L.）是温室无土栽培中的重要经济作物，但它们对水分胁迫非常敏感，不合理的灌溉施肥会显著影响其生理过程、气体交换及最终产量。尽管可可椰糠（Coco-peat）作为一种物理化学性质稳定、环境友好的基质被广泛应用，但在可可椰糠生长袋栽培中，针对无排水条件下，基于重量变化的自动灌溉施肥策略如何影响黄瓜（短季作物）和甜椒（长季作物）的生理、生长及产量的系统研究仍较为缺乏。

为了填补这一空白，由Ravindra D. Randhe、Murtaza Hasan等人组成的研究团队在《Scientific Reports》上发表了他们的研究成果。该研究旨在评估不同的基于重量变化的灌溉施肥策略对无土栽培黄瓜和甜椒生理特性、气体交换参数及产量的影响，以确定在印度半可控温室条件下，可可椰糠生长袋栽培的最佳灌溉施肥方案。

关键技术方法概述

研究在印度农业研究理事会的半气候温室中进行。试验采用可可椰糠生长袋栽培系统，设置了四种基于重量损失的灌溉施肥处理：T1（100% NS补充200g重量损失）、T2（90% NS）、T3（80% NS）和T4（70% NS）。灌溉施肥由基于单点称重传感器的重量感应系统自动触发。研究测定了株高、叶面积等生长参数，特定叶面积（Specific Leaf Area, SLA）、叶重比（Leaf Weight Ratio, LWR）、绝对生长速率（Absolute Growth Rate, AGR）和相对生长速率（Relative Growth Rate, RGR）等生理参数，以及净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）和水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE）等气体交换参数。最终计算了作物产量和灌溉水利用效率（IWUE）。数据采用方差分析（ANOVA）和Duncan多重比较进行统计检验。

植物株高和叶面积

灌溉施肥处理对黄瓜的株高和叶面积均有显著影响，对甜椒的株高影响显著，但对叶面积影响不显著。

在黄瓜中，T1处理（100% NS）的植株最高（184.67 cm），叶面积最大（5946.74 cm2），且随着营养液施用水平的降低，株高和叶面积均呈现下降趋势。甜椒也表现出类似规律，T1处理的株高最高（104 cm）。

特定叶面积和叶重比

在甜椒生长的不同阶段（DAT50, DAT100, DAT150, DAT200），灌溉施肥处理对特定叶面积（SLA）有显著影响，但对叶重比（LWR）影响不显著。在DAT100、DAT150和DAT200时，T1处理的SLA值最高，表明其叶片更薄，叶面积相对更大。黄瓜的SLA和LWR在不同处理间无显著差异。

相对生长速率和绝对生长速率

灌溉施肥处理显著影响了甜椒的相对生长速率（RGR）和绝对生长速率（AGR）。T1处理的RGR（0.029 g g^-1day^-1）和AGR（0.487 g day^-1）均为最高，并随营养液水平降低而下降。黄瓜的RGR和AGR在不同处理间虽无统计学显著差异，但T1处理的RGR（0.042 g g^-1day^-1）数值最高，T4处理（0.027 g g^-1day^-1）最低，AGR也呈现从T2到T4的下降趋势。

叶片气体交换参数

对于黄瓜，灌溉施肥处理对净光合速率（Pn）影响不显著，但对蒸腾速率（E）和水分利用效率（WUE）影响显著。T4处理（70% NS）表现出较高的Pn（8.70 μmol CO₂m^-2s^-1）和WUE（2.74 μmol CO₂mmol H₂O^-1），以及较低的E（3.23 mmol H₂O m^-2s^-1）。对于甜椒，处理间净光合速率（Pn）存在显著差异，T1处理的Pn最高（11.07 μmol CO₂m^-2s^-1）和WUE最高（4.52 μmol CO₂mmol H₂O^-1），而蒸腾速率（E）和WUE在处理间无显著差异。

产量参数和灌溉水利用效率

灌溉施肥处理显著影响两种作物的产量。黄瓜在T1处理下产量最高（2.53 kg plant^-1, 101.20 t ha^-1），随营养液水平降低而下降。黄瓜的IWUE处理间差异不显著，但T4处理数值最高（1147.72 kg ha^-1mm^-1）。甜椒在T1处理下产量最高（1.53 kg plant^-1, 61.13 t ha^-1），其IWUE也在T1处理下最高（293.41 kg ha^-1mm^-1），并随营养液减少而显著降低。

研究结论与意义

本研究结果表明，基于重量感应的自动灌溉施肥系统能够有效调控无土栽培作物的水肥供应。对于在可可椰糠生长袋中栽培的黄瓜和甜椒，采用100%营养液补充200g重量损失（T1处理）的策略，能够最大程度地促进植株生长、增强光合作用，并最终获得最高产量。减少营养液供应（T2-T4）虽然在一定程度上有助于提高水分利用效率（WUE），但不可避免地导致作物产量下降。比较两种作物发现，黄瓜对灌溉施肥量的变化更为敏感，而长季作物甜椒在零排水条件下对营养亏缺表现出更高的敏感性，其光合作用和产量在亏缺灌溉下受到更明显的抑制。

该研究为温室无土栽培的水肥自动化管理提供了重要的实践依据。研究证实，基于重量变化的灌溉施肥控制策略在可可椰糠基质栽培中具有可行性。对于短季作物如黄瓜，在无排水条件下采用较高的营养液供应是可行的；而对于长季作物如甜椒，可能需要考虑超过100%的重量损失补充量或引入部分排水策略，以维持根区盐分平衡和充足的养分供应。未来的研究可以进一步探索高于100%的营养液补充水平以及结合排水感应的双重量传感器控制系统，以在保证生产力的同时，实现养分的更高效利用和环境影响的最小化。这项发表在《Scientific Reports》上的工作，为推动设施农业的精准化和可持续发展提供了有价值的技术路径和理论支撑。