《Scientia Horticulturae》：Synergistic regulation of substrate type and irrigation lower limit optimizes root architecture, yield and water use efficiency of greenhouse tomato grown with biogas slurry in the Gobi region
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在干旱和半干旱的戈壁地区，恶劣的环境条件严重制约了农业的可持续发展。基质类型和灌溉下限在调控根系发育方面起着关键作用，而优化根系性状可同步提升作物产量与品质。然而，现有研究多集中于土壤栽培系统，对戈壁地区设施农业中沼液滴灌条件下基质栽培的报道有限，尤
摘要翻译
在干旱和半干旱的戈壁地区，恶劣的环境条件严重制约了农业的可持续发展。基质类型和灌溉下限在调控根系发育方面起着关键作用，而优化根系性状可同步提升作物产量与品质。然而，现有研究多集中于土壤栽培系统，对戈壁地区设施农业中沼液滴灌条件下基质栽培的报道有限，尤其在不同基质类型下灌溉下限影响根系发育的机制尚不明确，根系性状、产量与水分利用效率（WUE）之间的协同关系也缺乏定量阐明。研究人员以番茄为模式作物，设置两种基质类型（椰糠和洗净沙）和三个沼液灌溉下限（30%、50%和70%田间持水量，FC），系统研究了基质类型和灌溉下限对番茄根系形态、养分吸收（NU）、产量及WUE的影响。结果表明，与洗净沙基质相比，椰糠基质更有利于番茄细根生长和养分吸收；中等灌溉下限（50% FC）能够优化根系构型并提高WUE和NU；根长和根尖数是产量和WUE的关键驱动因子。在戈壁地区设施栽培条件下，椰糠基质结合50% FC灌溉下限是沼液滴灌番茄生产的最优水肥管理组合。本研究为戈壁地区沼液滴灌条件下基质类型与灌溉策略的协同调控提供了新的实验证据，并为提高WUE和实现番茄可持续生产提供了理论依据。
论文解读文章
一、研究背景与意义
全球气候变化加剧与资源日益稀缺对农业生产构成严峻挑战，尤其在干旱和半干旱的戈壁地区，恶劣的环境条件严重制约农业可持续发展。戈壁区域虽拥有丰富的太阳辐射和热量资源，为作物生长提供有利条件，但土壤质量差和水分供应有限是限制该区域作物生产的主要瓶颈。随着设施农业的发展，无土栽培技术和水肥管理策略的改进在一定程度上缓解了水土资源短缺带来的限制。优化根区水气平衡能够增强根系构型、提升养分获取效率，并最终提高作物产量。然而，在不同无土栽培系统中，基质理化性质的差异导致水分和养分保持与释放能力各异，增加了精准水肥调控的复杂性和生产不确定性。近年来，沼液作为一种营养丰富的液体有机肥料，通过滴灌施用时被视为矿质肥料的潜在替代品。因此，在戈壁干旱区发展基于沼液的滴灌结合无土栽培技术，不仅为水和土壤资源约束提供了可行解决方案，也支持了有机农业的可持续发展。
基质类型和灌溉下限在塑造根系发育中发挥关键作用，优化根系性状可同步提升作物产量和品质。不同基质类型在物理性质、水气平衡和养分调控能力上的差异影响根系生长及最大产量获取。以往研究表明，有机基质因高孔隙率和优良持水能力，能显著改善根区氧气扩散并缓解厌氧胁迫。近期研究进一步表明，基质特性和初始水分状况强烈调控椰糠和沙质基质中湿润锋发展和水分再分配，凸显了根据基质特异性水分动态优化灌溉阈值的必要性。此外，有机基质中丰富的有机质和活跃微生物群落促进养分矿化，为氮磷等必需元素提供持续供给，从而提升养分吸收效率和番茄产量。水分和肥料管理是调控番茄根系发育的另一关键因素。适宜的灌溉下限有助于平衡根区水分可用性与根系呼吸需求。以往多数研究集中于根系对清水或化学营养液灌溉的响应，而沼液作为优质液体有机肥料，可部分或完全替代化学肥料，促进作物生长、干物质积累和产量形成，同时改变植物相关微生物群落。沼液还可能影响根系构型，进一步提高水分和养分获取效率，最终增加作物产量。有报道指出，通过穴灌或分根区交替灌溉施用沼液可显著提高番茄根系干物质积累和水分利用效率。作为水分和养分吸收的主要器官，根系对灌溉管理高度敏感。在沼液施用下，适宜灌溉制度可促进根系发育、改善形态性状和生理功能，最终提升作物生产力和经济效益。
然而，现有研究大多集中于土壤系统，对戈壁设施农业中沼液滴灌条件下基质栽培的关注有限。特别是在不同基质类型下，灌溉下限影响根系发育的机制尚不明确。此外，根系性状、产量和WUE之间的协同关系尚未定量阐明。因此，本研究以番茄为模式作物，选取两种基质类型和三个沼液灌溉阈值作为试验因素，旨在探究不同基质类型对沼液滴灌番茄根系形态特征的影响，阐明灌溉下限对根系发育、养分吸收能力和WUE的影响，并确定戈壁设施系统下沼液灌溉番茄生产的适宜基质类型与灌溉下限组合。
二、研究技术与方法
本研究于2024年至2025年在新疆喀什叶城戈壁试验站开展，试验站位于中国新疆南部，海拔1375米，属典型暖温带大陆性干旱气候。试验在日光温室内进行，温室覆盖聚烯烃（PO）薄膜，栽培期间连续监测空气温度和相对湿度。研究选用有机基质椰糠和无机基质洗净沙作为无土栽培生长介质。灌溉阈值采用持水孔隙度近似基质田间持水量（FC），通过饱和-排水法测定。试验所用沼液来源于猪粪，用水稀释至电导率（EC）为2.5 mS/cm，沼液与水的体积比为1:8。番茄品种为‘Provence’，采用槽式栽培系统，槽深30厘米、宽30厘米，底部铺设土工布以隔离基质与下层土壤，采用交错行种植模式。基于两种基质类型，每个处理安装压力补偿滴灌管（流量2 L/h，滴头间距20 cm），设置三个灌溉阈值：低（30% FC）、中（50% FC）和高（70% FC），共六个处理，每处理三次重复。采用智能水肥一体化控制系统实现精准灌溉管理，该系统由数据采集单元、云端监控模块和自动化灌溉执行器组成，通过原位传感器持续监测0–20 cm基质层的体积含水量、EC和温度，当基质含水量降至预设下限时自动触发灌溉，至基质含水量达到90% FC时终止灌溉。根系形态参数采用WinRHIZO Pro软件分析根长、根尖数、根体积和根表面积。比根长和比表面积根据根长或根表面积与根干重比值计算。植株样品经烘干后，采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰原子分光光度法分别测定氮、磷、钾浓度。产量在结果盛期定期采收称重并换算为kg/ha。WUE按产量与总灌水量比值计算。数据采用SPSS Statistics 27.0进行单因素方差分析和双因素方差分析，并采用Origin 2023进行相关性和主成分分析。
三、研究结果
3.1 根系形态特征
在椰糠基质下，YL处理根系较为稀疏且侧枝有限；YM处理（50% FC）根系发育改善，次生根和侧根增多；YH处理（70% FC）则呈现典型发达根系特征，须根系统密集，细根和侧根丰富，空间结构复杂。在洗净沙基质下，SL处理生长抑制最严重，根系简化且生物量积累有限；SM和SH处理根系发育相对改善，但分枝水平和空间分布均匀性仍低于椰糠基质处理。总体而言，椰糠基质与较高灌溉下限（YH）的组合最有利于理想根系构型的形成，而洗净沙基质在低灌溉下限（SL）下表现出明显生长抑制。
3.2 不同根径类别的根系形态性状
不同处理间根径类别分布存在显著差异。根长分布中，G2类占比最高（47.78%），表明中细根是根系延伸的主要贡献者。YH处理对总根长的贡献最大（28.28%），明显高于SL处理（4.62%）。根尖数主要集中在G1（57.24%）和G2（36.64%）类，YH处理根尖数最高（29.58%），反映较强的细根分枝能力。根体积和根表面积主要分布在G5类（分别为89.10%和55.64%），表明粗根在空间占据和根土接触中发挥主导作用。总体而言，椰糠基质处理促进了不同根径类别协调发育，形成更均衡发达的根系构型，而洗净沙基质处理在所有指标上表现较差。
3.3 比根长和比根表面积
在椰糠基质中，低灌溉下限（YL）产生最高的比根长（SRL），达到56.2±3.5 cm/g，显著高于中等灌溉下限（YM）（P < 0.05）；比根表面积（SRA）也呈类似趋势，YL处理达79.5±4.9 cm2/g，显著高于其他处理。在洗净沙基质中，SRL和SRA值普遍较低，SL处理仅分别为9.3±0.3 cm/g和5.9±0.2 cm2/g。总体而言，椰糠基质下SRL和SRA均显著高于洗净沙基质，表明椰糠通过促进细根发育和增加吸收表面积显著增强根系资源获取效率。
3.4 根冠比
根冠比在不同生长时期和处理间动态变化。在开花坐果期（FSS），YL和YM数值最高，SH显著低于其他处理（P < 0.05）。在果实膨大期（EFD），处理间差异缩小。在果实成熟期（FBS），SL数值最高，显著高于YM、YH、SM和SH处理。结果表明，番茄植株根据栽培条件调整根系与地上部之间的生物量分配，椰糠基质结合低至中等灌溉下限有利于FSS期根系生物量积累，而洗净沙基质在生殖生长阶段倾向于维持较高的根系分配比例。
3.5 植株养分吸收
养分吸收受基质类型和灌溉下限共同调控。在椰糠基质下，随灌溉下限从30%增至70% FC，根、茎、叶中氮吸收总体呈增加趋势。磷吸收在茎中最为显著，50% FC下达3.78 g/kg。钾吸收在茎中最高，70%灌溉下限下达22.29 g/kg。在洗净沙基质下，根氮吸收始终低于椰糠基质，30%灌溉下限时差异最大（1.77 g/kg）。茎中磷积累显著增加，50% FC时达4.11 g/kg，根和叶中相对较低。总体而言，椰糠基质更有利于叶片中氮和钾的积累，较高灌溉下限总体上增强根、茎、叶中氮磷钾吸收，茎和叶中效应最明显。
3.6 产量与水分利用效率
产量方面，YH处理产量最高，达85332 kg/ha，显著高于其他处理（P < 0.05），但与YM处理无显著差异。YL处理产量约68844 kg/ha，显著高于SL、SM和SH处理。SL处理产量最低（约49309 kg/ha），显著低于所有其他处理。与洗净沙基质相比，椰糠基质使产量提高39.62%–54.05%。WUE方面，YM处理最高（约30 kg/m3），与YH无显著差异，但显著高于其他处理。椰糠基质下WUE较洗净沙基质高28.86%–49.52%。总体而言，椰糠基质下产量和WUE均高于洗净沙基质；在椰糠系统内，中等灌溉阈值（YM）最有利于同时最大化产量和WUE。
3.7 双因素方差分析及根系性状、养分浓度、产量与WUE的关系
双因素方差分析表明，基质类型对所有评价参数（根长、根尖数、根体积、根表面积、根冠比、产量和WUE）均有极显著影响（均P < 0.001）。灌溉下限显著影响根长、根尖数、根体积、根表面积和产量（均P < 0.001），但对根冠比和WUE无显著主效应。基质类型与灌溉下限的交互作用对根长、根体积、根表面积、根冠比和WUE极显著（均P < 0.001），对产量显著（P < 0.01），但对根尖数无显著影响。Pearson相关分析显示，根冠比与磷（P < 0.001）和钾（P < 0.05）显著负相关；根长与根表面积显著正相关（P < 0.05）；产量与根长显著正相关（P < 0.05），与WUE和根尖数极显著正相关（P < 0.001）。主成分分析中，前两个主成分（PC1和PC2）分别解释总方差的49.3%和24.7%，累计贡献74%。氮、磷、钾和根尖数在PC1上呈强正载荷，根冠比呈强负载荷；产量和WUE主要与PC2相关，均呈高正载荷。处理分布显示YH和YM处理与氮磷钾和根尖数密切相关，而SL和SH处理与较高根冠比密切相关。
四、讨论与结论
讨论部分指出，基质类型是无土栽培系统中影响根区稳定性和植物生理响应的关键因素。椰糠基质凭借高孔隙率和优良水气协调性，有效防止根际缺氧胁迫并维持持续水分供应，促进细根发育和根表面积扩展。同时，有机基质中丰富的微生物群落和有机酸促进养分转化为植物可利用形态，提高养分吸收效率。相比之下，洗净沙基质低孔隙率、弱通气性和水分可用性波动大，限制侧根扩展和细根再生，导致比根长和比表面积值较低。灌溉下限调控方面，适宜灌溉下限并非追求最大化基质湿度，而是维持根际水势在支持根系代谢活性和养分吸收的最优范围内。中等灌溉下限（50% FC）促进细根发育并表现出优良养分吸收性能，而高灌溉下限（70% FC）虽维持较发达的根系形态，但长期高基质湿度可能诱导缺氧胁迫并改变根际CO?动态和pH，且过量灌溉增加沼液养分淋失风险。综合产量、WUE和灌溉投入，YM处理被确定为资源效率最优处理。研究结论表明，基质类型显著影响根系构型和WUE，灌溉下限显著影响多数根系构型性状但对WUE无显著主效应，然而基质类型与灌溉下限对WUE和若干根系性状存在显著交互作用。在本研究条件下，椰糠结合50% FC灌溉下限在番茄产量和水分利用效率之间提供了最佳平衡。尽管70% FC处理促进最大根系发育并获得最高数值产量，但其产量和WUE与50% FC处理无显著差异，且50% FC处理所需灌溉次数和灌溉量更少。因此，椰糠结合50% FC灌溉下限可视为测试条件下更具资源效率的管理策略。本研究为戈壁地区沼液滴灌条件下基质选择与灌溉策略的协同调控提供了新的实验证据，为类似条件下戈壁温室系统提高WUE和实现番茄可持续生产奠定了基础。未来研究应使用不同番茄品种、多季节多地点试验验证该推荐，并可进一步探索基质重复使用年限、根际微生物群落变化、果实品质参数以及综合灌溉-施肥系统的经济和碳足迹。
