基質(zhì)栽培番茄營養(yǎng)液中氮、鉀最佳濃度研究

王軍偉，黃 科，毛舒香，徐浩然，吳秋云*

（1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南長沙 410128；2 農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制綜合性重點實驗室，北京 100081）

番茄是目前世界各國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的主要蔬菜之一[1]，由于富含維生素C、維生素E、番茄紅素、胡蘿卜素、類黃酮等促健康化合物以及鉀、磷、鎂、鈣、鈉、鐵、錳、銅、碘、硼等元素，營養(yǎng)豐富、風味獨特，廣受消費者的喜愛。近年來，人們對番茄的品質(zhì)要求越來越高，而番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)不僅與作物本身的遺傳特性有很大的關(guān)系，同時還在很大程度上受施肥、栽培措施、水分狀況、溫度與光照強度等因素的影響，其中以施肥對其產(chǎn)量和品質(zhì)的影響尤為明顯[2-5]。在番茄所需的養(yǎng)分中，氮和鉀是需要量最大的必需營養(yǎng)元素，氮、鉀的供應(yīng)水平對番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)有決定性的影響[6-8]。

基質(zhì)栽培具有增產(chǎn)提質(zhì)、省水省肥、克服連作障礙等優(yōu)點，廣泛適用于現(xiàn)代溫室的園藝作物栽培[9]。在番茄的基質(zhì)栽培生產(chǎn)中，常配合營養(yǎng)液滴灌，但普遍存在施肥過量和比例失調(diào)的問題，極易造成肥料浪費和環(huán)境污染，影響番茄的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，因而營養(yǎng)液中合理的氮鉀營養(yǎng)供應(yīng)對番茄的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)尤為重要。研究表明，增加營養(yǎng)液中鉀含量可促進番茄開花和座果及成熟期提前，顯著提高單株產(chǎn)量和優(yōu)品果率，但氮鉀互作未達顯著水平[10]。王軍君等[11]通過霧培番茄，得出當營養(yǎng)液中氮、鉀濃度分別為12 和8 mmol/L 時，番茄可獲得較高的果實產(chǎn)量、風味品質(zhì)和抗氧化營養(yǎng)品質(zhì)。因此，通過調(diào)整營養(yǎng)液中氮、鉀水平是一種提高番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的簡便、可行方式，也是促進肥料的高效利用和減施化肥的有效途徑。

為實現(xiàn)番茄的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全生產(chǎn)以及肥料的減施和高效利用，本試驗以番茄‘A20’為試材，試驗采用氮鉀2 因素5 水平響應(yīng)面中心復(fù)合設(shè)計 (CCC)，分別測定葉片葉綠素含量和凈光合速率，果實可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、Vc 和番茄紅素含量，并統(tǒng)計單株產(chǎn)量，分析氮鉀營養(yǎng)及互作對番茄植株生長、產(chǎn)量形成和果實品質(zhì)的影響，篩選最優(yōu)營養(yǎng)液配方，為我國番茄的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2017 年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院金山基地玻璃溫室內(nèi)進行，以課題組保存的番茄‘A20’為試材。種子經(jīng)55℃溫水浸泡10 min 后浸種6 h，28℃培養(yǎng)箱中催芽。挑選飽滿、出芽整齊的種子播于50 孔穴盤中，播種時間為2017 年3 月15 日，待子葉展平后每3 天澆灌1 次1/2 倍Hoagland營養(yǎng)液 (pH 6.3 ± 0.1，EC 1.0～1.2 mS/cm)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用2 因素5 水平響應(yīng)面中心復(fù)合設(shè)計(CCC) (表1)，共16 個處理 (表2)。番茄幼苗長至3 葉1 心時，挑選長勢較好且一致的植株移栽于裝有7 L 栽培基質(zhì)的營養(yǎng)缽中，每缽定植1 株，每處理定植8 株，取樣時隨機選取3 株進行指標測定。栽培基質(zhì)為沙∶珍珠巖 = 1∶2。當番茄植株長至6～8 片真葉且第一個花序第一朵花開花時進行處理，處理方式為營養(yǎng)液根灌，根據(jù)植物生長發(fā)育的不同階段，每3～7 天澆灌1 L 含不同氮鉀營養(yǎng)的營養(yǎng)液(其它必需元素的濃度參考Hoagland 營養(yǎng)液配方)，2017 年7 月25 日采樣結(jié)束。番茄植株調(diào)整、病蟲害防治根據(jù)常規(guī)栽培管理方法進行。

表 1 試驗因素水平及編碼值Table 1 Levels and codes of the experimental factors

1.3 測定項目與方法

選取番茄植株第3 片功能葉片，于晴天上午9:30—11:30 采用LI-6400 便攜式光合儀測定凈光合速率并取樣測定葉綠素含量。待第三穗果成熟后進行取樣，并采用四分法，用組織搗碎機將果實打成勻漿后進行品質(zhì)檢測。準確稱取一定質(zhì)量的果實勻漿，分別采用蒽酮比色法和NaOH 滴定法測定果實可溶性糖含量和可滴定酸含量；番茄紅素含量參照胡曉波等[12]的方法測定；維生素C 含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定。每次番茄采收時分別稱重，計入單株產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0 和Design export 8 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用OriginPro 9.0 完成作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮鉀水平對番茄生長和果實品質(zhì)的影響

2.1.1 產(chǎn)量 氮、鉀濃度分別為自變量x1和x2，番茄單株產(chǎn)量為因變量y，運用Design export 8 軟件建立產(chǎn)量與氮、鉀營養(yǎng)的二次回歸模型?；貧w方程為:y = 2337.13 + 296.26x1+ 145.30x2+ 142.50x1x2-261.50x12- 197.75x22(R2= 0.9198，P ＜ 0.0001)。統(tǒng)計分析表明，氮 (x1)、鉀 (x2) 及二次項 (x12、x22) 均對產(chǎn)量的影響極顯著 (P ＜ 0.01)，其中一次項為正效應(yīng)，二次項為負效應(yīng)，氮 (x1) 為主要影響因子。氮鉀互作對產(chǎn)量的影響顯著 (P ＜ 0.05)，且為正效應(yīng)。由圖1A可知，當鉀濃度 (x2) 固定在零水平時，隨著氮濃度(x1) 的增加，產(chǎn)量呈先上升后下降趨勢；當?shù)?(x1) 固定在零水平時，隨著鉀濃度 (x2) 的增加，產(chǎn)量亦呈先上升后下降趨勢。單株產(chǎn)量最大時的氮、鉀取值分別為x1= 0.738、x2= 0.633，轉(zhuǎn)化為編碼前的水平為N 333 mg/L、K 407 mg/L，其對應(yīng)的產(chǎn)量的響應(yīng)值為2492.6 g/株。

2.1.2 葉片葉綠素含量 運用Design export 8 軟件建立番茄葉片葉綠素含量與氮、鉀水平的二次回歸方程為:y = 2.203 + 0.340x1+ 0.0966x2+ 0.144x1x2-0.220x12- 0.132x22(R2= 0.9216，P ＜ 0.0001)。統(tǒng)計分析表明，氮 (x1)、鉀 (x2) 及二次項 (x12、x22) 均對葉綠素含量的影響顯著 (P ＜ 0.05)，其中一次項為正效應(yīng)，二次項為負效應(yīng)，氮素為主要影響因子。氮、鉀互作對葉綠素含量的影響顯著 (P ＜ 0.05)。由圖1B可知，在 -1.414 至1.414 取值范圍內(nèi)，葉綠素含量隨氮、鉀含量的增加，均呈先上升后下降的趨勢；葉綠素含量達到最高時的氮、鉀取值分別為x1= 1.088、x2= 0.961，對應(yīng)的濃度分別為N 374 mg/L 和K 457 mg/L，對應(yīng)的葉綠素含量的響應(yīng)值為2.43 mg/g。

2.1.3 葉片凈光合速率 運用Design export 8 軟件建立番茄葉片凈光合速率與氮鉀水平的二次回歸方程為:y = 18.35 + 2.664x1+ 0.587x2- 0.0729x1x2-1.176x12- 0.486x22(R2= 0.9126，P ＜ 0.0001)。統(tǒng)計分析表明，氮 (x1) 和二次項 (x12) 對凈光合速率的影響極顯著 (P ＜ 0.01)，氮素為主要影響因子。鉀 (x2) 和二次項 (x22) 及氮、鉀互作對凈光合速率影響不顯著(P ＞ 0.05)。由圖1C 可知，在 -1.414 至1.414 取值范圍內(nèi)，凈光合速率隨氮、鉀濃度的增加，均呈先上升后下降的趨勢；凈光合速率達到最高時的氮、鉀取值分別為x1= 1.117、x2= 0.522，對應(yīng)的濃度分別為N 378 mg/L 和K 391 mg/L，對應(yīng)的凈光合速率的響應(yīng)值為19.99 μmol/(m2·s)。

2.1.4 果實可溶性糖含量 運用Design export 8 軟件建立番茄果實可溶性糖與氮鉀水平的二次回歸方程為:y = 3.216 + 0.235x1+ 0.677x2+ 0.0488x1x2-0.212x12- 0.0555x22(R2= 0.9269，P ＜ 0.0001)。統(tǒng)計分析表明，氮 (x1) 和二次項 (x12) 及鉀 (x2) 對可溶性糖含量的影響極顯著 (P ＜ 0.01)，其中一次項為正效應(yīng)，二次項為負效應(yīng)，鉀為主要影響因子。鉀營養(yǎng)二次項 (x22) 和氮、鉀互作對可溶性糖含量影響不顯著 (P ＞0.05)。由圖1D 可知，在-1.414 至1.414 取值范圍內(nèi)，可溶性糖含量隨氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趨勢，隨鉀 (x2) 的增加呈上升趨勢；可溶性糖含量達到最高時的氮、鉀取值分別為x1= 0.717、x2= 1.414，對應(yīng)的濃度分別為N 330 mg/L 和K 525 mg/L，對應(yīng)的可溶性糖含量的響應(yīng)值為4.172%。

表 2 響應(yīng)面設(shè)計方案及試驗結(jié)果Table 2 Program and experimental results of the response surface design

圖 1 不同氮、鉀供應(yīng)水平下番茄生長與品質(zhì)指標Fig. 1 Tomato growth and fruit quality indices under different nitrogen and potassium supplying levels

2.1.5 果實可滴定酸含量 運用Design export 8 軟件建立番茄果實可滴定酸含量與氮、鉀養(yǎng)分的二次回歸方程為:y = 0.1933 - 0.0158x1- 0.0160x2-0.00647x1x2+ 0.0189x12+ 0.0100x22(R2= 0.8507，P ＜0.0001)。統(tǒng)計分析顯示，氮 (x1)、鉀 (x2) 及二次項(x12、x22) 對可滴定酸含量影響顯著 (P ＜ 0.05)，其中一次項為負效應(yīng)，二次項為正效應(yīng)，鉀素為主要影響因子。氮、鉀互作對可滴定酸含量的影響不顯著(P ＞ 0.05)。由圖1E 可知，在-1.414 至1.414 取值范圍內(nèi)，可滴定酸含量隨氮 (x1)、鉀 (x2) 的增加，均呈先下降后上升的趨勢；可滴定酸含量達到最低值的氮、鉀取值分別為x1= 0.586、x2= 0.994，對應(yīng)的濃度分別為N 314 mg/L 和K 462 mg/L，對應(yīng)的可滴定酸含量的響應(yīng)值為0.181%。

2.1.6 果實糖酸比 運用Design export 8 軟件建立番茄果實糖酸比與氮鉀水平的二次回歸方程為:y =16.78 + 1.996x1+ 4.316x2+ 1.274x1x2- 2.278x12-0.635x22(R2= 0.9155，P ＜ 0.0001)。統(tǒng)計分析表明，氮 (x1)、鉀 (x2) 及二次項 (x12) 均顯著影響糖酸比 (P ＜0.05)，其中一次項為正效應(yīng)，二次項為負效應(yīng)，鉀營養(yǎng)為主要影響因子。氮、鉀互作和鉀二次項 (x22)對糖酸比影響不顯著 (P ＞ 0.05)。由圖1F 可知，在-1.414 至1.414 取值范圍內(nèi)，糖酸比隨氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趨勢，隨鉀 (x2) 的增加呈上升趨勢；糖酸比達到最大時的氮、鉀取值分別為x1= 0.830、x2= 1.414，對應(yīng)的濃度分別為N 343.6 mg/L 和K 525 mg/L，對應(yīng)的糖酸比的響應(yīng)值為23.19。

2.1.7 果實Vc 含量 運用Design export 8 軟件建立番茄果實Vc 含量與氮、鉀養(yǎng)分的二次回歸方程為:y = 5.092 + 0.464x1+ 1.071x2+ 0.319x1x2- 0.572x12-0.419x22(R2= 0.8914，P ＜ 0.0001)。統(tǒng)計分析表明，氮 (x1)、鉀 (x2) 及二次項 (x12、x22) 均顯著影響Vc 含量 (P ＜ 0.05)，其中一次項為正效應(yīng)，二次項為負效應(yīng)，鉀素為主要影響因子。氮、鉀互作對Vc 含量影響不顯著 (P ＞ 0.05)。由圖1G 可知，在-1.414 至1.414 取值范圍內(nèi)，Vc 含量隨氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趨勢，隨鉀 (x2) 的增加呈上升趨勢；Vc 含量達到最高時的氮、鉀取值分別為x1= 0.799、x2=1.414，對應(yīng)的濃度分別為N 340 mg/L 和K 525 mg/L，對應(yīng)的Vc 含量的響應(yīng)值為6.134 mg/100 g。

2.1.8 番茄紅素含量 運用Design export 8 軟件建立番茄紅素與氮鉀營養(yǎng)水平的二次回歸方程為:y =3.985 + 0.292x1+ 0.475x2- 0.0229x1x2- 0.280x12-0.250x22(R2= 0.9000，P ＜ 0.0001)。統(tǒng)計分析顯示，氮 (x1)、鉀 (x2) 及二次項 (x12、x22) 均對番茄紅素含量的影響極顯著 (P ＜ 0.01)，其中一次項為正效應(yīng)，二次項為負效應(yīng)，鉀營養(yǎng)為主要影響因子。氮鉀互作對番茄紅素含量影響不顯著 (P ＞ 0.05)。由圖1H 可知，在-1.414 至1.414 取值范圍內(nèi)，番茄紅素含量隨氮 (x1)、鉀 (x2) 的增加，均呈先上升后下降趨勢；番茄紅素含量達到最高時的氮、鉀取值分別為x1=0.487、x2= 0.885，對應(yīng)的氮、鉀濃度分別為N 302 mg/L 和K 446 mg/L，對應(yīng)的番茄紅素含量的響應(yīng)值為4.276 mg/100 g。

2.2 氮鉀營養(yǎng)配施方案評價

將上述2.1.1～2.1.8 部分所得的氮、鉀養(yǎng)分配施方案分別定義為方案1～8，以所建回歸方程為基礎(chǔ)，分別計算出每種方案所對應(yīng)的番茄產(chǎn)量、葉綠素含量、凈光合速率以及果實可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、Vc、番茄紅素含量 (表3)。采用主成分分析法對8 種配施方案進行番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合性能評價，結(jié)果顯示主成分1 和2 的貢獻率分別為70.49%和23.61%，累計值達94.10%。其中，主成分1 的主要載荷因子是凈光合速率 (0.983)、葉綠素含量 (0.844) 和產(chǎn)量 (0.745)，主成分2 的主要載荷因子是番茄紅素含量 (0.946) 和產(chǎn)量 (0.661)。配施方案的綜合得分排名顯示，方案3 條件下 (N 378 mg/L、K 391 mg/L)，番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合性能達到最優(yōu)，且葉片凈光合速率達到最大。

3 討論

氮素是蔬菜生長發(fā)育過程中所必需的大量元素之一，是蔬菜體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、酶、葉綠素、內(nèi)源激素的重要組分之一[13]。蔬菜葉片的氮素主要用于葉綠體構(gòu)建，其供應(yīng)水平對蔬菜葉綠素含量、光合作用以及呼吸速率影響顯著，并間接地影響蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。大量的研究表明，增加供氮水平可提高蔬菜產(chǎn)量，改善品質(zhì)[14-16]，適宜的氮營養(yǎng)可提高蔬菜作物葉綠素含量、凈光合速率，促進干物質(zhì)積累，增加可溶性固形物、蛋白質(zhì)、維生素C 等營養(yǎng)成分含量[17-18]。過量的氮營養(yǎng)則會導(dǎo)致根系生長受阻，光合作用降低，生育期滯后，降低商品性產(chǎn)量，破壞風味與儲藏品質(zhì)[19]。鉀是蔬菜生長發(fā)育必不可少的營養(yǎng)元素之一，其參與水分吸收、光合作用、同化運輸以及酶活性的激活等生理活動，對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要影響。研究表明，適當?shù)卦黾逾浌?yīng)水平亦可提高蔬菜產(chǎn)量，并改善品質(zhì)[7,20]。鉀供應(yīng)充足時番茄葉片的葉綠素含量和光合速率可以達到最大值[20-21]，鉀濃度的升高明顯改善番茄品質(zhì)[3,22-23]，并且有利于番茄著色[24]。

表 3 基于番茄生長和果實品質(zhì)的氮鉀營養(yǎng)方案綜合得分與排名Table 3 The comprehensive score and ranking of nitrogen and potassium based on tomato growth and fruit quality

本試驗結(jié)果顯示，氮、鉀供應(yīng)水平對番茄的生長影響顯著，增加營養(yǎng)液中氮、鉀含量可提高葉片葉綠素含量、凈光合速率和產(chǎn)量。果實品質(zhì)分析顯示，氮、鉀營養(yǎng)對番茄品質(zhì)亦造成顯著影響，適度增加營養(yǎng)液中氮、鉀濃度可提高果實可溶性糖、維生素C 和番茄紅素含量，降低可滴定酸含量。但隨著供氮水平的進一步提高，番茄的光合受阻、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降，這與前人在辣椒[25]、馬鈴薯[26]、甜瓜[28]、甘藍[27]上的研究結(jié)果相一致。隨著供鉀水平的提高，番茄產(chǎn)量、番茄紅素含量呈先升后降趨勢，可滴定酸含量呈先降后升趨勢，類似的結(jié)果在前人研究中亦有報道[14,29]。因此，盲目追求產(chǎn)量而過量施肥，不僅造成肥料資源的大量浪費，而且影響蔬菜品質(zhì)。

氮、鉀養(yǎng)分在蔬菜的生理代謝過程中存在互作效應(yīng)，合理的氮、鉀供給是實現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的前提。本試驗結(jié)果顯示，營養(yǎng)液中氮、鉀互作對番茄產(chǎn)量和葉綠素含量影響顯著 (P ＜ 0.05)，對凈光合速率和果實品質(zhì)影響不顯著 (P ＞ 0.05)。低鉀條件下，隨氮素增加增產(chǎn)效果不明顯，高鉀條件下，隨氮素增加增產(chǎn)效果明顯，表明充足的鉀素供給可以促進植株對氮素的吸收與同化，利于產(chǎn)量提高。此外，適量的氮素供應(yīng)有利于鉀素的吸收與利用，促進產(chǎn)量的進一步提高。因此，在蔬菜實際生產(chǎn)中，氮、鉀養(yǎng)分應(yīng)合理配施，充分發(fā)揮其互作效應(yīng)，從而實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。

運用回歸設(shè)計理論和響應(yīng)面方法，采用多元二次回歸方程擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，具有試驗規(guī)模小、信息量大的特點，目前已廣泛用于提取與加工工藝的優(yōu)化，在農(nóng)業(yè)上可用于施肥方案的決策和種植管理技術(shù)的優(yōu)化。通過實測數(shù)據(jù)建立了氮、鉀濃度與番茄產(chǎn)量和果實品質(zhì)之間的回歸方程，方差分析達到顯著水平，相關(guān)系數(shù)較高，可用于預(yù)測番茄無土栽培營養(yǎng)液中氮鉀營養(yǎng)的最優(yōu)配施方案，相較于正交設(shè)計，具有試驗處理少和優(yōu)化結(jié)果精確的優(yōu)點。本試驗結(jié)果顯示，在氮鉀配施方案3 條件下，番茄綜合性能 (生長、產(chǎn)量和品質(zhì)) 達到最優(yōu)，而此時葉片凈光合速率達到最大。一方面，光合作用的增強得益于氮素促進葉綠素合成，鉀素增大氣孔導(dǎo)度[30]，氮鉀配施提高Rubisco 酶活性[31]，最終表現(xiàn)為光合產(chǎn)物的增加和產(chǎn)量的提高；另一方面，氮鉀配施提高番茄葉片光合作用的同時，促進光合產(chǎn)物在番茄結(jié)果期優(yōu)先向果實轉(zhuǎn)運，從而加速果實中蔗糖的積累，相似的結(jié)果在甘薯[32]中已有報道。

4 結(jié)論

氮、鉀養(yǎng)分顯著影響番茄的光合效率和果實產(chǎn)量及品質(zhì)。氮素水平主要影響植株的光合效率和番茄產(chǎn)量，鉀素水平主要影響果實品質(zhì)和品相。優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)需要協(xié)調(diào)氮、鉀供應(yīng)。在本試驗栽培基質(zhì)和方法條件下，番茄產(chǎn)量和品質(zhì)綜合最優(yōu)的營養(yǎng)液氮、鉀水平分別為378 mg/L、391 mg/L。