根系分區(qū)交替灌溉條件下水肥供應(yīng)對(duì)番茄中番茄紅素含量的影響

周振江 牛曉麗 陳 思 代順冬 胡田田*

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

番茄紅素是植物中所含的一種天然色素，是目前自然界中被發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)抗氧化劑，可以有效防治因衰老、免疫力下降引起的各種疾病，因此受到世界各國(guó)專家的關(guān)注。番茄是番茄紅素含量很高的蔬菜品種之一，番茄紅素含量的高低對(duì)果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值有著重要的影響。目前，在蔬菜的設(shè)施生產(chǎn)中，由于大量施用化肥以及忽視肥料配比所造成的蔬菜品質(zhì)下降及土壤酸化、肥力退化等現(xiàn)象非常普遍，蔬菜的優(yōu)質(zhì)與綠色生產(chǎn)成為研究者們廣為關(guān)注的課題。與增光、保溫等技術(shù)相比，研究者們對(duì)水肥管理技術(shù)重視不夠，而且，已有的水肥調(diào)控研究多集中于水肥單因子或不同肥料配比的效果上（Kadam & Sahane，2002；Kannan et al.，2006；Marouelli ＆Silva，2007），綜合考慮灌水量和氮、磷及鉀肥用量4個(gè)因素的研究很少。

根系分區(qū)交替灌溉（Alternate Partial Root-zone Irrigation，APRI）是近年來(lái)針對(duì)世界范圍內(nèi)水資源日益緊缺與水分利用效率較低這一矛盾而提出的一種新的節(jié)水灌溉方法與技術(shù)（康紹忠等，1997）。目前關(guān)于根系分區(qū)交替灌溉本身對(duì)作物生長(zhǎng)生理特性及產(chǎn)量與品質(zhì)的研究很多（康紹忠 等，2001；胡笑濤 等，2005；Wakrim et al.，2005），關(guān)于局部灌溉條件下水肥供應(yīng)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響方面也有報(bào)道（農(nóng)夢(mèng)玲 等，2010）。然而，截至目前，關(guān)于根系分區(qū)交替灌溉條件下水肥用量對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響方面尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，本試驗(yàn)在分根區(qū)交替灌溉條件下，應(yīng)用四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，研究不同水肥施用水平對(duì)番茄（Lycopersicon esculentumMill.）果實(shí)番茄紅素含量的影響，通過(guò)回歸分析及單因素效應(yīng)與交互效應(yīng)分析，定量研究番茄果實(shí)中番茄紅素含量對(duì)水肥因子的響應(yīng)關(guān)系，以期為分根區(qū)交替灌溉條件下番茄的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2011年5～10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試番茄為金棚1號(hào)。供試土壤取自西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站大田0～20 cm 耕層土壤。土壤基本理化性狀：田間持水量為24%，有機(jī)質(zhì)64.9 g·kg-1，全氮7.8 g·kg-1，全磷3.9 g·kg-1，全鉀10.9 g·kg-1，堿解氮101.08 mg·kg-1，速效磷41.1 mg·kg-1，速效鉀98.20 mg·kg-1。

用高30 cm、直徑30 cm 的鐵皮桶自制分根裝置（中間用帶V 形缺口、高24 cm 的隔板將桶分為相等的兩部分）。桶底部裝河沙1 kg，裝土21 kg，裝土容重1.15 g·cm-3。兩邊分別安裝一支PVC 管用于灌水（長(zhǎng)30 cm，直徑2.5 cm）。灌水管用1 mm 直徑紗網(wǎng)纏繞兩層，共打3 排圓孔，PVC 管距桶底部5 cm。2011年5月5日定植番茄幼苗，定植時(shí)將番茄幼苗置于隔板V 形缺口的正上方，確保根系分布均勻。定植后立即澆水至田間持水量。待緩苗期過(guò)后（緩苗期8 d），當(dāng)土壤含水量降至65%田間持水量時(shí)，開(kāi)始采用根系分區(qū)交替灌水。番茄保留3 穗果，于盛果期每株采摘紅熟度一致的3個(gè)果實(shí)進(jìn)行品質(zhì)分析，將每株所取的果實(shí)用榨汁機(jī)進(jìn)行充分混勻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)灌水量、施氮量、施磷量和施鉀量4個(gè)因素，采用四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的1/2實(shí)施方案，共23個(gè)處理（袁志發(fā)和周靜芋，2000），3次重復(fù)。各因素水平及變化間距見(jiàn)表1。

試驗(yàn)采用恒質(zhì)量法灌水。0 水平灌水處理是指在土壤含水量接近灌水下限（田間持水量的65%）時(shí)進(jìn)行灌水，0 水平灌水量是指由65%θf(wàn)（田間持水量）灌至85%θf(wàn)所需水量，其他水平的灌水量根據(jù)0 水平按表1的設(shè)計(jì)水平進(jìn)行計(jì)算。每次只灌其中一邊，兩邊輪流灌水，各處理灌水時(shí)間相同。灌水量周期根據(jù)0 水平處理的土壤含水量確定，一般為2～3 d 1次，整個(gè)生育期共灌水41次，各灌水水平處理的累積灌溉量從小到大依次為：6.963、12.673、21.098、29.523、35.233 L。

試驗(yàn)用氮、磷、鉀肥料分別為尿素（含N 46%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O515%）和硫酸鉀（含K2O 50%）。磷肥一次性基施。氮肥和鉀肥按照基肥追肥比1∶2 施用，追肥分別在第1 穗果膨大期和第2 穗果膨大期進(jìn)行，兩側(cè)根系的追肥量相等，追肥時(shí)間相隔1 d，追肥隨灌水施入。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

番茄紅素含量采用分光光度計(jì)法測(cè)定（GB/T 14215，1993）。土壤基本理化性狀采用常規(guī)方法測(cè)定（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，1980）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用DPS 軟件進(jìn)行方程擬合，用Excel 及Matlab 軟件對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行圖表的繪制。

表1 試驗(yàn)因子水平編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄紅素含量與灌水量及氮、磷、鉀用量間回歸模型的建立

以四元二次多項(xiàng)式擬合灌水量、施肥量4個(gè)水肥因子X(jué)i[-1.682，1.682]和番茄紅素含量Y的關(guān)系，并對(duì)方程進(jìn)行方差分析，得到最終的簡(jiǎn)化模型如下：

方差分析表明，模型的F回=4.91>F0.01（7，15）=4.142，說(shuō)明水肥用量與番茄紅素含量的回歸關(guān)系達(dá)到極顯著水平，能反映番茄紅素的變化情況。根據(jù)方差分析的結(jié)果，上述方程中各項(xiàng)回歸系數(shù)的F值依次為F1=2.22，F(xiàn)2=16.38，F(xiàn)3=7.8，F(xiàn)22=2.21，F(xiàn)33=2.39，F(xiàn)14=1.67，F(xiàn)23=1.67〔F0.25（1，15）=1.432；F0.1（1，15）= 3.073；F0.05（1，15）= 4.543；F0.01（1，15）=8.683〕?？梢?jiàn)，一次項(xiàng)X2達(dá)到極顯著水平，X3達(dá)到顯著水平，其他項(xiàng)均達(dá)0.25 顯著性水平，表明在試驗(yàn)條件下，施氮量、施磷量對(duì)番茄紅素含量影響較大，灌水量對(duì)番茄紅素含量也有一定影響，灌水量與施鉀量、施氮量與施磷量間均對(duì)番茄紅素含量有一定的交互作用。

2.2 主因素效應(yīng)的比較

經(jīng)過(guò)無(wú)量綱線性編碼代換后，偏回歸系數(shù)已標(biāo)準(zhǔn)化，直接比較其絕對(duì)值的大小就可以判斷各試驗(yàn)因素對(duì)番茄紅素含量的影響大小。一次項(xiàng)系數(shù)呈現(xiàn)出從施氮量、施磷量、灌水量到施鉀量依次減小的規(guī)律；施氮量、施磷量的二次項(xiàng)系數(shù)相近，且與一次項(xiàng)系數(shù)同為正值?？梢?jiàn)，4個(gè)因素對(duì)番茄紅素含量的影響大小順序?yàn)椋菏┑? 施磷量> 灌水量> 施鉀量，其中，施氮量與施磷量均表現(xiàn)為顯著正效應(yīng)，灌水量表現(xiàn)出顯著負(fù)效應(yīng)，施鉀量對(duì)番茄紅素含量沒(méi)有顯著影響。

2.3 單一因素對(duì)番茄果實(shí)中番茄紅素含量的影響

由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足了正交性，模型中各項(xiàng)偏回歸系數(shù)彼此獨(dú)立，因此，可對(duì)模型進(jìn)行降維處理，即固定其他因素為0 水平，得到各因素對(duì)于番茄紅素含量的一元二次偏回歸子模型。灌水量：Y1=87-11.58X1；施氮量：Y2=87+31.44X2+10.8X22；施磷量：Y3=87+21.69X3+11.23X32；施鉀量：Y4=87。

由以上模型可繪出單因子與番茄紅素含量的關(guān)系，見(jiàn)圖1。

由圖1可知，灌水量與番茄果實(shí)中番茄紅素含量的關(guān)系為斜率小于0 的直線，說(shuō)明番茄紅素含量隨灌水量的增加逐漸降低，相對(duì)減少灌水量有利于番茄紅素的累積。由圖1還可以看出，番茄紅素含量隨施氮量增加而增加?；貧w方程中，氮肥一次項(xiàng)與二次項(xiàng)系數(shù)分別為31.44、10.8，其中一次項(xiàng)系數(shù)最大且達(dá)極顯著水平，說(shuō)明增大氮肥的施用量，能極顯著提高番茄紅素含量。番茄紅素含量隨施磷量增加呈開(kāi)口向上拋物線變化，而且，在編碼值大于-1（即磷肥用量大于0.107 g·kg-1）時(shí)，增大施磷量對(duì)于番茄紅素含量的提高也能起到促進(jìn)作用。施鉀量的影響有所不同，番茄紅素含量不隨施鉀量變化而變化。

圖1 單因子（Xi）與番茄紅素含量（Y）關(guān)系

2.4 兩因素對(duì)番茄紅素含量的耦合效應(yīng)

在本試驗(yàn)中共有6個(gè)交互項(xiàng)因素，比較顯著的交互項(xiàng)有X1X4和X2X3。降維法處理后可以得到如下子模型：

2.4.1 灌水量與施鉀量對(duì)番茄紅素含量的耦合效應(yīng) 由耦合效應(yīng)子模型（2）可知，灌水量與施鉀量的交互項(xiàng)系數(shù)為-9.29，即二者相互作用會(huì)阻礙番茄紅素含量的提高。由圖2可知，當(dāng)灌水量低于中間水平（W）時(shí)，隨著施鉀量的增加番茄紅素含量升高；灌水量高于中間水平時(shí)則呈降低趨勢(shì)。另外還可以看出，番茄紅素含量?jī)H在施鉀量處于最低水平（0 g·kg-1）時(shí)隨灌水量有所增加，其他情況下隨灌水量的增加均呈降低趨勢(shì)，且在施鉀量為最高水平（0.84 g·kg-1）時(shí)降低幅度最大。當(dāng)灌水量處于最低水平（0.33 W），且施鉀量處于最高水平時(shí)，番茄紅素含量達(dá)到最高值132.76 μg·g-1；在灌水量與施鉀量均處于最高水平時(shí)，番茄紅素含量達(dá)到最小值41.24 μg·g-1，比最高值降低了68.94%。綜合看來(lái)，隨著灌水量增加番茄紅素含量減小，灌水量對(duì)番茄紅素的影響明顯大于施鉀量，適當(dāng)減少灌水量、合理配施鉀肥有利于番茄紅素含量的提高。

圖2 灌水量與施鉀量對(duì)番茄紅素含量的影響

2.4.2 施氮量與施磷量對(duì)番茄紅素含量的耦合效應(yīng) 從耦合效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)看，隨著施氮量、施磷量的增加，番茄紅素含量都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；施氮量對(duì)番茄紅素的影響大于施磷量（表2）。由耦合效應(yīng)子模型（3）可知，施氮量與施磷量的交互項(xiàng)系數(shù)為-9.29，說(shuō)明二者的相互作用會(huì)阻礙番茄紅素含量的提高。表2表明，當(dāng)施磷量不高于中間水平（0.264 g·kg-1）時(shí)，隨著施氮量的增加番茄紅素含量呈增加趨勢(shì)，其增幅隨施磷量的增加而降低，以施磷量處于低水平時(shí)的增幅最大，可達(dá)470.10%；當(dāng)施磷量大于中間水平時(shí)，番茄紅素含量隨施氮量的增加先減小后增大。施氮量低于中間水平（0.48 g·kg-1）時(shí)，隨施磷量的增加，番茄紅素含量增加；施氮量大于或等于中間水平時(shí)，番茄紅素含量則隨施磷量呈開(kāi)口向上拋物線變化。當(dāng)?shù)?、磷用量均為最高水平（施N 0.96 g·kg-1，施P2O50.528 g·kg-1）時(shí)，番茄紅素含量達(dá)最大值212.41 μg·g-1。綜合看來(lái)，增施氮、磷肥有利于果實(shí)中番茄紅素含量的增加。

表2 施氮量與施磷量對(duì)番茄紅素含量的耦合效應(yīng) μg·g-1

2.5 模型尋優(yōu)

用Matlab 軟件對(duì)模型1 求最大值，得到當(dāng)Xi分別為-1.682、1.682、1.682、1.682時(shí)，即對(duì)應(yīng)的灌水量和N、P、K 實(shí)際用量為：0.33 W（從移栽到收獲共計(jì)灌水10 962.34 mL）、0.96 g·kg-1、0.528 g·kg-1、0.84 g·kg-1時(shí)，番茄紅素含量取得最大值258.17 μg·g-1，將此水肥用量組合帶入擬合的產(chǎn)量模型得到番茄單株產(chǎn)量為1 354.6 g，僅比Xi分別為1、1.682、1.682、0時(shí)的番茄最高單株產(chǎn)量1 545.8 g 降低了12.4%，說(shuō)明在得到最高番茄紅素含量的同時(shí)番茄產(chǎn)量也較高，表明在本試驗(yàn)條件下，減小灌水量同時(shí)增大施肥量既可以得到較高的番茄紅素含量，也保證了番茄產(chǎn)量。

3 結(jié)論與討論

根系分區(qū)交替灌溉是一種新的節(jié)水灌溉方法，目前的研究主要集中在這種灌溉方式本身對(duì)作物生長(zhǎng)生理特性及產(chǎn)量與品質(zhì)的影響方面（韓艷麗和康紹忠，2001；畢彥勇 等，2005），關(guān)于這種灌溉方式下水肥供應(yīng)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響也有報(bào)道（薛亮 等，2008），但關(guān)于根系分區(qū)交替灌溉條件下水肥用量對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，還鮮見(jiàn)報(bào)道。均勻灌水條件下的研究表明，適度水分虧缺會(huì)提高番茄果實(shí)中番茄紅素的積累（Leskovar et al.，2002），過(guò)高或過(guò)低的灌溉量都將影響番茄紅素的合成（陳秀香 等，2006）。本試驗(yàn)表明，根系分區(qū)交替灌溉條件下，灌水量對(duì)番茄紅素含量的影響表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，且灌水量與施鉀量對(duì)番茄紅素含量的交互作用均表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)。這與均勻灌水條件下的結(jié)果有所不同。原因在于灌水水平的控制或是其他試驗(yàn)條件不同，還是根系分區(qū)交替灌溉條件下根源信號(hào)ABA 等的調(diào)控作用所致，有待進(jìn)一步深入研究。

在本試驗(yàn)條件下，單因素與耦合效應(yīng)分析一致表明，提高氮肥用量能顯著提高番茄紅素含量，這與Flores 等（2004）和王柏柯等（2008）的施用氮肥可以顯著提高果實(shí)番茄紅素含量的結(jié)論一致，但也有研究表明，不同施氮水平下番茄中番茄紅素含量無(wú)顯著差異（Gautier et al.，2009），這可能與不同試驗(yàn)所控制的施氮量、供試土壤肥力和采用的作物品種等條件不同有關(guān)。

本試驗(yàn)表明，當(dāng)磷素供應(yīng)達(dá)到一定水平后，增施磷肥也可以顯著提高番茄紅素含量，由施氮量與施磷量的耦合效應(yīng)分析可知，增施磷肥會(huì)顯著提高果實(shí)中番茄紅素含量。已有的研究也表明，增施磷肥能有效提高番茄紅素含量（孟凡娟和王富，2001；樊慶魯 等，2009）。加工番茄是喜磷作物，在氮磷配施的情況下，番茄對(duì)磷的吸收在全生育期中呈漸次增加趨勢(shì)，到后期吸磷量仍較高（肖紀(jì)珍和任鳳蘭，1990）。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根系分區(qū)交替灌溉條件下，當(dāng)施氮量、施磷量和灌水量均為中間水平時(shí)，番茄中番茄紅素含量不隨施鉀量而變化；當(dāng)灌水量低于中間水平時(shí)，較高水平的施鉀量可以提高番茄紅素含量。均勻灌水條件下的研究表明，合理施用鉀肥可以顯著提高加工番茄果實(shí)番茄紅素含量（Lester et al.，2006；張炎 等，2008），番茄果色與果實(shí)中鉀的含量顯著相關(guān)（Trudel &Ozbun，1971）。這可能與鉀離子通過(guò)直接作用于番茄紅素合成過(guò)程中的某個(gè)基因或酶，或者是通過(guò)電子傳導(dǎo)鏈發(fā)揮非直接調(diào)控作用參與類胡蘿卜素的生物合成過(guò)程有關(guān)（任彥 等，2006）。但也有研究指出，鉀肥供應(yīng)對(duì)番茄紅素含量沒(méi)有影響（Flores et al.，2004）。因而，可以認(rèn)為，施鉀量對(duì)番茄中番茄紅素含量的影響與其他因素諸如灌水量及氮、磷肥供應(yīng)等有密切關(guān)系，還需進(jìn)一步深入研究。

當(dāng)灌水量、施氮量、施磷量與施鉀量分別為0.33 W（10 962.34 mL）、0.96 g·kg-1、0.528 g·kg-1、0.84 g·kg-1時(shí)，番茄紅素含量最高，達(dá)258.17 μg·g-1。

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