溫室溝灌條件下不同水氮用量對番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用的影響

劉東陽，汪俊玉，武雪萍，李若楠，黃紹文，李曉秀

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊 050051)

中國是蔬菜生產(chǎn)大國。2016年設(shè)施蔬菜面積391.5萬hm2，到2020年預(yù)計(jì)達(dá)到410.5萬hm2，發(fā)展面積在不斷擴(kuò)大，產(chǎn)值繼續(xù)保持高占比，在深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”的背景下，設(shè)施蔬菜發(fā)展前景良好[1]。與種植糧食作物的農(nóng)田相比，設(shè)施蔬菜地具有施肥量大、灌溉頻繁、復(fù)種指數(shù)高的特點(diǎn)。其平均每公頃施氮量高達(dá)1 500 kg以上，是大田作物的4～6倍，灌溉量達(dá)到4～7倍。番茄在設(shè)施蔬菜中占了相當(dāng)大的比重，并且深受廣大消費(fèi)者的喜愛[2-3]。設(shè)施番茄生產(chǎn)量大且對于水肥的需求量也較大，但是水肥利用率較低。一些生產(chǎn)者為了增加作物產(chǎn)量，大水大肥，不僅造成肥料和水資源的浪費(fèi)以及環(huán)境污染，而且也會(huì)引起作物品質(zhì)的降低，甚至減產(chǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)水肥的精確管理并確定適宜的水氮用量已成為現(xiàn)在設(shè)施栽培一個(gè)重要的發(fā)展方向[4]。

前人研究表明，在較高氮肥水平下，氮肥利用效率和偏生產(chǎn)力反而降低，說明過量的施氮會(huì)降低氮肥利用率[5]。有研究表明，灌水量(75%)及中肥處理時(shí)番茄的產(chǎn)量最高[6]。不同灌水條件下，氮素吸收總量與施氮量呈顯著的二次曲線關(guān)系，氮素表觀利用效率與施氮量為顯著負(fù)相關(guān)[7]。氮肥利用率主要受土壤含水量和施氮量影響:中水處理時(shí)，氮肥利用率高于低水，高水時(shí)反而下降；中氮水平下水氮利用效率最高，高氮促使水分利用效率増加、氮肥利用率顯著降低[8]。在土壤水分適宜條件下，作物的氮素利用效率提高。目前，關(guān)于溫室溝灌條件下番茄水肥互作效應(yīng)已經(jīng)做了大量研究，但是在有機(jī)無機(jī)配施模式下研究溫室溝灌條件下的適宜水氮用量卻鮮有報(bào)道，有機(jī)無機(jī)配施的施肥方式可以減少化肥的投入量，提高土壤肥力并減輕環(huán)境污染。因此，本文在有機(jī)無機(jī)配施條件下探討溫室番茄水氮互作效應(yīng)，旨在補(bǔ)充與完善前人的研究成果，以期為番茄的高產(chǎn)、水氮的高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省辛集市馬莊農(nóng)場(N37°78′，E115°30′)，屬東部季風(fēng)區(qū)暖溫帶半濕潤大陸性氣候。該地區(qū)年平均氣溫為12.5℃，歷年平均降水量488 mm。土壤類型為石灰性壤質(zhì)潮土，播前0～20 cm土壤全氮含量1.55 g/kg，有機(jī)質(zhì)15.4 mg/kg，有效磷(P2O5)32.4 mg/kg，速效鉀(K2O)165.3 mg/kg，pH值7.6，土壤容重1.35 g/cm3，田間持水量23.7%。供試番茄(LycopersiconesculentumL)品種為荷蘭瑞克斯旺1404。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2011年2月，設(shè)2個(gè)水分處理：習(xí)慣灌水W1，減量灌水W2。灌溉方式為溝灌(灌溉系統(tǒng)由河北方田農(nóng)業(yè)服務(wù)有限公司設(shè)計(jì))，每次灌水量用水表準(zhǔn)確計(jì)量。每個(gè)水分處理中設(shè)3個(gè)施氮水平，處理及施肥量見表1，試驗(yàn)所施用的化肥為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和硫酸鉀(K2O 51%)。有機(jī)肥為商品有機(jī)肥與小麥秸稈等量配施，配施比例為1∶1。商品有機(jī)肥(主要為雞糞)中N、P2O5和K2O養(yǎng)分含量分別為1.67%、3.24%、2.29%(干基)，水分含量為7.54%；秸稈為辛集麥秸，其中N、P2O5和K2O養(yǎng)分含量為0.939%、0.231%和0.786%(干基)。各處理磷肥、鉀肥用量相等，100%磷肥和40%鉀肥作為底肥施入，剩余60%的鉀肥平均分4次追施；有機(jī)氮全部基施，化肥氮20%作為底肥，剩余80%分4次追施，其他田間管理措施保持一致。

表1 溫室番茄灌溉量與施肥量

每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為9.6 m2，株距為0.4 m，寬窄溝相間排布，行距分別為0.45 m和0.65 m。小區(qū)間埋設(shè)PVC板，防止小區(qū)間養(yǎng)分和水分的遷移。試驗(yàn)所施用的化肥為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和硫酸鉀(K2O 51%)，試驗(yàn)之前各處理化肥氮的20%與全部腐熟雞糞作為基肥施入各施肥小區(qū)，其他田間管理措施按當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測定方法

番茄開始成熟后分小區(qū)連續(xù)計(jì)產(chǎn)，用電子天平(精度為0.01 g)統(tǒng)計(jì)各小區(qū)的采摘量，試驗(yàn)結(jié)束后匯總為各小區(qū)產(chǎn)量；在盛果期時(shí)，各小區(qū)隨機(jī)選取6個(gè)果實(shí)，分析測定果實(shí)可溶性糖、有機(jī)酸、Vc、硝酸鹽等品質(zhì)指標(biāo)。在番茄拉秧時(shí)，各處理選取具有代表性植株3株，分別測定根、莖、葉和果實(shí)的生物量及氮磷鉀的含量。半微量凱氏法測定全氮，釩鉬黃法測定全磷，火焰光度法測定全鉀。番茄可溶性酸用酸度計(jì)測定，可溶性固形物用手持式折光儀測定，可溶性糖含量用蒽酮比色法測定，Vc采用鉬藍(lán)比色法，硝酸鹽含量采用水楊酸-硫酸法，番茄紅素含量采用分光光度計(jì)法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

氮素農(nóng)學(xué)利用效率(kg/kg)=產(chǎn)量/植株氮吸收量

肥料偏生產(chǎn)力(kg/kg)=產(chǎn)量/NPK養(yǎng)分投入量總和

灌溉水分利用效率=產(chǎn)量(kg/hm2)/灌溉量(m3)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行方差分析，不同處理間的多重比較采用Duncan新復(fù)極差法，用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉施肥處理對番茄干物質(zhì)積累的影響

不同灌溉施肥處理對番茄干物質(zhì)的影響差異顯著(圖1)。其中節(jié)水灌溉下施氮量為675 kg/hm2的處理W2N675整株干物質(zhì)量最高，為9 583.89 kg/hm2，不施氮處理W1N0干物質(zhì)含量最低，為7 063.33 kg/hm2，與不施氮處理相比，施氮處理番茄的干物質(zhì)增加了12.63%～35.69%。在施氮量相同灌水量不同的情況下，節(jié)水灌溉的干物質(zhì)量明顯高于常規(guī)灌溉，分別增加了13.60%和11.65%。在同一灌水量不同施氮量情況下，隨著施氮量的增加，番茄干物質(zhì)量先升高后降低，以W2N675處理的干物質(zhì)含量最高。由圖1可看出，番茄干物質(zhì)主要分布在果實(shí)和葉片中，占整株番茄干物質(zhì)量的73.62%～77.16%。其中圖1從左至右各處理的果實(shí)干物質(zhì)量分別占整株干物質(zhì)量的44.89%、46.38%、40.55%、44.09%、42.35%和44.64%，葉片分別占29.68%、30.43%、33.07%、31.30%、31.69%和32.52%。

圖1 不同灌溉處理下番茄干物質(zhì)積累注：不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。

2.2 不同灌溉施肥處理對番茄養(yǎng)分吸收的影響

由表2可知，番茄植株養(yǎng)分氮、磷、鉀含量分布情況為：果實(shí)>葉>莖>根，主要分布在果實(shí)和葉中，這與番茄干物質(zhì)分布規(guī)律一致。且不同灌溉施肥處理對番茄植株養(yǎng)分的影響差異顯著。其中氮素吸收情況(總量)為：W2N675>W2N900>W1N675>W1N900>W2N450>W1N0，以節(jié)水灌溉下的處理W2N675氮素含量最高，為188.25 kg/hm2，其次為W2N900、W1N675，含量分別為184.82 kg/hm2和184.20 kg/hm2，但三者氮素含量差異不顯著。W1N0氮素含量最低。在灌水量相同、施氮量不同條件下，W1N675和W2N675氮素含量最高，隨著施氮量的繼續(xù)增加，氮素含量卻在下降；在施氮量相同、灌水量不同條件下，節(jié)水灌溉的氮素吸收量要高于傳統(tǒng)灌溉量，但是差異不顯著。番茄磷素的吸收情況為：W1N675>W2N675>W1N900>W2N450>W2N900>W1N0，其中以處理W1N675磷素含量最高，為18.52 kg/hm2，其次為W2N675的磷素含量為18.43 kg/hm2，二者無顯著差異。說明適宜的施氮量可以促進(jìn)番茄植株對磷素的吸收。在灌水條件相同施氮量不同條件下，W1N675和W2N675磷素含量最高，隨著施氮量的繼續(xù)增加，磷素含量卻在下降，說明過量施氮反而會(huì)降低番茄植株對磷素的吸收情況。番茄鉀素含量最高為W1N900，其次為W2N900和W2N675，分別為235.33、234.18和231.49 kg/hm2，三者差異不顯著。

表2 不同灌溉施肥處理番茄養(yǎng)分吸收量 (kg/hm2)

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。

2.3 不同灌溉施肥處理對番茄品質(zhì)的影響

表3為不同灌溉施肥處理對番茄品質(zhì)的影響。由表3中可知，番茄各處理品質(zhì)含量差異顯著?？扇苄蕴呛涂扇苄运岷烤訵2N675最高，分別為31.97 mg/g和0.75%。相同灌水量不同施氮量條件下，在傳統(tǒng)灌溉條件下隨著施氮量的增加可溶性糖含量隨之降低；而在節(jié)水灌溉條件下隨著施氮量的增加可溶性糖含量先升高后降低；施氮量相同灌水量不同條件下，節(jié)水灌溉的可溶性糖含量高于傳統(tǒng)灌溉處理，但差異并不顯著?？扇苄运岷吭谙嗤嗨坎煌┑壳闆r下，兩種灌水方式均為隨著施氮量的增加可溶性酸含量先升高后降低，在相同施氮量不同灌水量情況下，節(jié)水灌溉的可溶性酸含量顯著高于傳統(tǒng)灌溉處理。各處理的Vc含量差異顯著，主要表現(xiàn)為在相同施氮量情況下節(jié)水灌溉的Vc含量高于傳統(tǒng)灌溉處理，在節(jié)水灌溉條件下隨著施氮量的增加Vc含量先增加后降低。可溶性固形物含量在各施氮處理之間無差異，但節(jié)水灌溉要高于傳統(tǒng)灌溉處理的含量。硝酸鹽的含量整體表現(xiàn)為隨著施氮量的增加番茄硝酸鹽含量逐漸增加，灌水量降低硝酸鹽含量也隨之降低，在相同施氮量條件下分別降低了5.53%和18.93%。

表3 不同灌溉施肥處理對番茄營養(yǎng)品質(zhì)的影響

2.4 不同灌溉施肥處理對番茄產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

由表4可知，番茄產(chǎn)量以處理W2N675最高，為39.52 t/hm2，與不施氮處理W1N0相比，各施氮處理產(chǎn)量分別增加了21.47%、13.68%、6.47%、28.14%和17.17%，可以看出在相同灌水條件下隨著施氮量的增加番茄產(chǎn)量先上升后降低，而在同一施氮量條件下節(jié)水灌溉比傳統(tǒng)灌溉增產(chǎn)3.07%和5.40%。番茄單果重與產(chǎn)量規(guī)律類似，相同施氮量條件下節(jié)水灌溉比傳統(tǒng)灌溉增重3.68%和4.17%。氮肥農(nóng)學(xué)利用率是表征作物在不同施氮處理對氮肥吸收利用能力大小的重要指標(biāo)。從氮肥利用角度分析，相同施氮量不同灌溉條件下，節(jié)水灌溉的農(nóng)學(xué)利用效率和肥料偏生產(chǎn)力相對較高，比傳統(tǒng)灌溉分別提高了23.61%～29.58%和3.07%～5.49%。從水分利用角度分析，與傳統(tǒng)灌溉相比，節(jié)水灌溉的水分利用率提高了54.60%和58.64%。在相同灌水措施下，隨著施氮量的增加，番茄水分利用效率表現(xiàn)為先增加后減小。

表4 不同灌溉施肥處理對番茄產(chǎn)量和水氮利用效率的影響

3 討論與結(jié)論

灌溉和施肥是影響植物生長的關(guān)鍵因素[8-9]。不同的水分和氮肥處理對果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)有不同的影響。水分和養(yǎng)分條件共同影響作物的生長和發(fā)育。本試驗(yàn)研究表明，與傳統(tǒng)灌溉相比，節(jié)水灌溉能在保證番茄產(chǎn)量的同時(shí)提高水分利用效率，節(jié)水灌溉比傳統(tǒng)灌溉增產(chǎn)3.07%和5.40%，在相同施氮量不同灌溉條件下，節(jié)水灌溉的農(nóng)學(xué)利用效率和肥料偏生產(chǎn)力比傳統(tǒng)灌溉分別提高了23.61%～29.58%和3.07%～5.49%。從水分利用角度分析，與傳統(tǒng)灌溉相比，節(jié)水灌溉的水分利用率提高了54.60%和58.64%；在相同灌水措施下，隨著施氮量的增加，番茄水分利用效率表現(xiàn)為先增加后減小，說明與傳統(tǒng)灌溉相比雖然水分含量相對較少但土壤中水分供應(yīng)已經(jīng)充足，而適宜且充足的灌水與施氮量能夠在保證產(chǎn)量的同時(shí)提高水分利用效率。相關(guān)研究表明，灌水量和施肥量對土壤水分利用率的交互作用表現(xiàn)為相互拮抗，灌水量與施氮量的增加分別降低和增加了土壤水分利用效率[10]，這與本研究結(jié)果不一致。本研究結(jié)果表明這兩種因素并無明顯的拮抗性規(guī)律可循，而是在適當(dāng)提高施氮量的情況下表現(xiàn)為拮抗性，原因可能是施肥方式以及土壤的需肥規(guī)律不同造成的交互作用不一致。周嘯塵[11]認(rèn)為，灌水量是影響番茄產(chǎn)量和單果重的重要因子，當(dāng)灌水量超過適宜灌溉量后，灌水的增加反而會(huì)降低番茄的產(chǎn)量；李銀坤等[1]通過研究發(fā)現(xiàn)，在相同施氮量情況下，減量灌水處理的產(chǎn)量要高于常規(guī)灌溉，這與本研究的結(jié)果一致。作物品質(zhì)受作物品種和生長環(huán)境的雙重影響，合理施肥可以改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[12-16]。本研究表明，在相同施氮量情況下，節(jié)水灌溉的番茄果實(shí)中可溶性糖、可溶性酸和Vc含量均較傳統(tǒng)灌溉高，這與王鵬勃等[8]、Li等[17]和高娜等[18]的研究結(jié)果一致；在相同灌溉量不同施氮量情況下，3種品質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)為隨著施氮量的增加先增加后降低，說明適量的營養(yǎng)供給會(huì)提高番茄品質(zhì)，過量施氮反而會(huì)降低番茄植株的品質(zhì)。在相同灌水量情況下，番茄果實(shí)的硝酸鹽含量隨施氮量的增高而增高。硝酸鹽含量是評價(jià)蔬菜安全品質(zhì)的重要指標(biāo)，其含量的高低直接影響消費(fèi)者的身體健康。國家標(biāo)準(zhǔn)[19]規(guī)定，茄果類蔬菜的硝酸鹽含量≤440 mg/kg，而試驗(yàn)中各處理番茄的硝酸鹽含量均低于國標(biāo)，說明本試驗(yàn)的各施肥措施能夠保證番茄的硝酸鹽含量滿足國標(biāo)要求。

番茄養(yǎng)分含量是表征番茄生長發(fā)育狀況的另一重要指標(biāo)[20-21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，番茄植株養(yǎng)分N、P、K含量主要分布在果實(shí)和葉中，這與番茄干物質(zhì)含量規(guī)律一致。不施氮處理W1N0的氮素含量最低，說明施氮量是影響番茄養(yǎng)分吸收的重要因素[22-24]。隨著施氮量的增加，番茄的氮素總量呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，而在施氮量相同灌水量不同情況下，節(jié)水灌溉條件下番茄氮素總含量更高，說明施氮與灌溉量呈現(xiàn)較好的拮抗作用。

綜上所述，有機(jī)無機(jī)配施模式下灌水與施氮量存在一定的交互作用，對于番茄產(chǎn)量、氮素總含量以及水氮利用效率具有較好的拮抗作用，本試驗(yàn)表明，充足的水分供應(yīng)和適量的施氮量是保證番茄產(chǎn)量、提高水氮利用率的前提。在本試驗(yàn)條件下節(jié)水灌溉且施氮量為675 kg/hm2的處理W2N675為較適宜番茄生長發(fā)育的處理措施。