模糊數(shù)學(xué)綜合評判分析北疆加工番茄水氮耦合效應(yīng)

竇允清 王振華 侯裕生 張繼峯 李文昊

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

世界番茄加工協(xié)會數(shù)據(jù)表明，2017年全球消費約3 700 萬t 的番茄制品，中國生產(chǎn)番茄醬約100 萬t，出口貿(mào)易量居世界第一位。新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱“新疆”)加工番茄種植面積和產(chǎn)量約占全國90%。加工番茄已成為新疆農(nóng)戶種植和收益的主要經(jīng)濟作物，并被譽為重要的“紅色產(chǎn)業(yè)”[1-2]。新疆光、熱資源充沛，屬于典型的“綠洲灌溉農(nóng)業(yè)”，但水資源較少且分布不均勻[3-4]。在北疆種植加工番茄采用膜下滴灌技術(shù)不僅有效提高了種植經(jīng)濟效益，而且對改善田間肥料流失及污染現(xiàn)象也有一定效果[5-6]。同時，采用膜下滴灌可較常規(guī)溝灌降低耗水量8%～59%，并有效提高果實番茄紅素、可溶性固形物含量[7]。氮、磷、鉀對加工番茄產(chǎn)量的影響程度表現(xiàn)為氮>磷>鉀，氮肥對粗蛋白含量的影響效果高于磷肥、鉀肥[8]；施氮量過多會導(dǎo)致田間環(huán)境污染、資源浪費，同時還會影響植株機理平衡，致使莖葉徒長、貪青遲熟；施氮量過少則會導(dǎo)致植株發(fā)育停滯[9]；且不同灌溉量對加工番茄的葉面積、產(chǎn)量、品質(zhì)影響顯著[10]。李梅蘭等[11]和侯雷平等[12]研究表明，較低、較高的硼、錳元素都不利于番茄葉片葉綠素的提高。何連順[13]研究表明，新疆膜下滴灌加工番茄產(chǎn)量極限可達到210 t·hm-2。周金忠等[14]研究表明水肥一體化可使番茄增產(chǎn)16.22%，水分利用效率提高33.21%。綜上，目前針對加工番茄的研究多集中于產(chǎn)量、品質(zhì)[10]、品種、灌溉量[15]、肥料配比[16-17]以及經(jīng)濟效益[18]等方面。近幾年，我國加工番茄產(chǎn)量與品質(zhì)的不平衡發(fā)展已成為該產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的“絆腳石”。武運等[19]指出，水氮耦合可以同時提高加工番茄的可溶性固形物和番茄紅素含量，番茄的可溶性固形物含量每增加1%，其番茄紅素含量相應(yīng)提高1.5 mg·100 g-1。優(yōu)良的番茄醬原料的可溶性固形物含量及糖酸比不應(yīng)低于5.6%和8%[20]。加工番茄的品質(zhì)還受總糖、維生素C、單果重、總酸、硬度、果形指數(shù)等因素的影響。本研究將綜合以上幾個影響因素對加工番茄品質(zhì)進行分析。

模糊數(shù)學(xué)在項目評定、醫(yī)療、氣象、環(huán)境、地質(zhì)勘測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，近年來在作物生產(chǎn)、育種與害蟲管理方面及農(nóng)業(yè)經(jīng)營決策中也有所涉及[21]。模糊數(shù)學(xué)是有效定量地質(zhì)的評判方法[22]，可以體現(xiàn)不同品種、采收期之間食用品質(zhì)的優(yōu)劣[23]。目前模糊數(shù)學(xué)在土壤重金屬綜合污染程度評價[24]、水質(zhì)類型及標(biāo)準(zhǔn)分析[25]、土壤養(yǎng)分等級劃分[26]、果品感官評價[27]等方面均有較好的運用。加工番茄的品質(zhì)性狀指標(biāo)是典型的模糊數(shù)學(xué)問題，但考慮現(xiàn)有研究受研究時限、地理位置的限制，北疆地區(qū)對加工番茄產(chǎn)量及品質(zhì)等因素結(jié)合分析不透徹，加工番茄灌溉施肥制度缺少科學(xué)的試驗依據(jù)。本研究通過2年連續(xù)試驗，對水氮耦合下的加工番茄進行生理生長指標(biāo)及品質(zhì)因素的測定，綜合分析不同水氮耦合條件下各生育期加工番茄的性狀；基于模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法，系統(tǒng)分析影響加工番茄品質(zhì)的因素，并對加工番茄的產(chǎn)量、品質(zhì)、經(jīng)濟效益等指標(biāo)進行綜合評判，旨在為新疆綠洲灌區(qū)加工番茄的大田種植提供更科學(xué)的依據(jù)，篩選適宜的灌溉施肥制度，進一步推廣節(jié)水、節(jié)能、高產(chǎn)、高效的種植模式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2017年5月至2018年8月在新疆石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室的室外大田(86°03′47″E，44°18′28″N)進行。該地區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，海拔450 m，年日照時數(shù)2 950 h，年降水量約220 mm，年平均風(fēng)速1.5 m·s-1，加工番茄生育期間氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。試驗田地下水埋深8 m 以下，土壤質(zhì)地為中壤土，物理粘粒含量(粒徑＜0.01 mm)大于21%，0 ～40 cm 土壤年平均容重為1.54 g·cm-3，試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)見表1。供試材料加工番茄品種為金番3166，購自143 團場加工番茄培育基地。

圖1 2017－2018年膜下滴灌加工番茄生育期間氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Meteorological data map of tomato growing period by drip irrigation under film in year 2017－2018

1.2 試驗設(shè)計

兩年試驗均在5月3日進行移苗定植，8月26日進行成熟期采獲，全生育期116 d。作物種植模式為膜下滴灌“1 膜2 管4 行”，覆膜為1.45 m 聚乙烯普通塑料地膜；單翼迷宮式滴灌，毛管間距0.70 m，滴頭間距0.30 m，滴頭設(shè)計流量1.8 L·h-1，加工番茄株距0.30 m，行距0.35 m，模式圖詳見圖2。滴灌施肥設(shè)備主要由蓄水池、水泵、回流管、施肥罐、旋翼式水表及輸水管道系統(tǒng)組成。

試驗設(shè)置水、氮兩因素。參考當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實踐及文獻[28-29]，確定2017年大田加工番茄種植的灌溉、施肥量以及灌溉、施肥次數(shù)(表2)。試驗設(shè)置3 個灌溉水平，分別為5 250 (W1)、3 938 (W2)、2 625 m3·hm-2(W3)；設(shè)置3 個N-P2O5-K2O 施氮水平，分別為300-188-188(N1)、225-188-188(N2)和150-188-188 kg·hm-2(N3)，組合設(shè)計，共計9 個處理；在2017年試驗設(shè)置基礎(chǔ)上，2018年增加1 個灌溉水平4 500 m3·hm-2(V1)，共計12 個處理。以當(dāng)?shù)毓喔攘? 500 m3·hm-2，施肥全生育期為N 300 kg·hm-2、P2O5375 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2為對照(CK)。每個處理設(shè)置3 個重復(fù)，試驗小區(qū)面積為27 m2(18 m×1.5 m)，前茬種植作物分別為棉花和加工番茄，作物沿南向北種植，采用深層地下水進行灌溉，灌溉水礦化度約1.35 g·L-1。其中，試驗肥料依次為尿素CO(NH2)2(N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4%)，磷酸一銨NH4H2PO4(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)60.5%)和氯化鉀KCl(K2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)57%)，試驗小區(qū)的除草、打藥等田間農(nóng)藝管理措施一致。

表1 試驗區(qū)土壤理化特性Table1 Physical and chemical properties of soil profiles in experimental plot

圖2 加工番茄膜下滴灌種植模式Fig.2 Planting layout of tomato growing with drip irrigation under mulch

表2 加工番茄生育期灌溉制度Table2 Irrigation scheduling for cotton with irrigation under mulch

1.3 項目測定與方法

1.3.1 株高、莖粗 分別于苗期、花期、果實膨大一期、果實膨大二期、成熟期固定的時間點對加工番茄的株高、莖粗進行測量，其中每個小區(qū)隨機選取3 株，從植株基部用卷尺測量株高，用電顯游標(biāo)卡尺讀取植株距離表層土2 cm 處的莖粗，取平均值。

1.3.2 光合指標(biāo) 分別于每年6月10日下午14:00進行加工番茄花期光合指標(biāo)的測定，采用Li-6400 便攜式光合測定儀(美國LI-COR 公司)測定加工番茄凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)及胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)的日變化。光源采用自然光源，每個處理選取3 株加工番茄的第四層向陽葉片進行測定，測定前對其用紅繩標(biāo)記，并取其平均值。根據(jù)公式計算葉片水分利用效率(water use efficiency，WUEL)[30]:

1.3.3 產(chǎn)量及經(jīng)濟效益 加工番茄進入成熟后于每小區(qū)選取1 m2區(qū)域進行成熟果實采摘，每7 d 采收一次，加權(quán)平均估算加工番茄的產(chǎn)量。其中經(jīng)濟效益為加工番茄成熟產(chǎn)量總售價，純收益為總收入減去總投入，其中總投入包括當(dāng)年種苗、地膜、滴灌帶、水電、農(nóng)藥、秋耕、人工管理、運輸及機械采摘等費用。

1.3.4 土壤含水率 采用烘干法分別測定加工番茄各生育期滴灌帶下、裸地及膜下0 ～60 cm 土壤質(zhì)量含水率，每10 cm 土層取土樣100 g。根據(jù)公式計算灌溉水利用效率(irrigation water use efficiency，iWUE)[31]和增產(chǎn)效應(yīng)(yield increasing effect，EⅠ)[32]:

式中，Y 為單位面積加工番茄產(chǎn)量，kg·hm-2；Ⅰ為灌溉量，m3·hm-2；YX為某水分處理和某肥料處理的產(chǎn)量，kg·hm-2；YL為低水低肥料處理的產(chǎn)量，kg·hm-2。

1.3.5 品質(zhì)測定 加工番茄進入成熟收獲期測定單果重，使用BWN 電子秤(徐州正源電子衡器有限公司)進行番茄品質(zhì)的測定，采用MASTER-3M 手持折射儀(日本愛宕)測定可溶性固形物含量[33]；采用比色法測定番茄紅素含量[34]；采用蒽酮比色法測定總糖含量[35]；采用滴定法測定維生素C 含量[36]；采用酸堿滴定指示劑法測定總酸含量[36]；采用GY-1 指針式果實硬度計(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)于果實中部垂直于果實縱徑測定果實硬度；其中糖酸比＝總糖/總酸，果形指數(shù)＝縱徑/橫徑(采用電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 模糊數(shù)學(xué)綜合評判法 模糊綜合評價是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法[37-38]，該評價方法基于隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)為定量評價。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法對影響加工番茄品質(zhì)的多個因素進行綜合分析評價。其數(shù)學(xué)模型為:

式中，W 表示加工番茄品質(zhì)的綜合評價指數(shù)，反映加工番茄不同影響因素對綜合品質(zhì)的影響程度；μ(i) 表示第i個評價因素的隸屬度，反映每個加工番茄評價因素的重要程度；ωi 表示i個因素的權(quán)重，反映各評價因素的重要程度；n 為評價因素個數(shù)。

加工番茄果實品質(zhì)的評定目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此選取具有代表性的影響因素作為加工番茄果實品質(zhì)的評價因素。影響加工番茄的因素各不相同，在模糊數(shù)學(xué)中選擇的隸數(shù)函數(shù)形式也不相同?？扇苄怨绦挝?、番茄紅素、維生素C 含量與加工番茄的品質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，選擇偏大型-升半梯形分布(圖3-左)；總酸含量在一定數(shù)值范圍內(nèi)可以提升加工番茄的口感，若總酸含量偏離一定范圍，將影響加工番茄的品質(zhì)，應(yīng)選中間型-梯形分布(圖3-右)。

圖3 隸屬函數(shù)梯形分布Fig.3 Subordinate function trapezoidal map

其中，a、b、c、d 分別為評價因素的臨界值[39]，其值可按照實際需要由經(jīng)驗豐富的專家結(jié)合專業(yè)知識來確定，從而得出相應(yīng)的隸數(shù)函數(shù)[40]。

偏大型-升半梯形分布的隸數(shù)函數(shù)為:

中間型-梯形分布隸數(shù)函數(shù)為:

1.4.2 模糊數(shù)學(xué)綜合評判法計算步驟

(1)建立符合加工番茄評價因素的隸屬函數(shù)；

(2)確定加工番茄各因素的權(quán)重系數(shù)向量A；

權(quán)重反映各個因素在綜合決策過程中所占的地位或所起的作用[41]，各影響因素所占比重采用專家估測法[42]，權(quán)重系數(shù)滿足歸一化要求[43]:

(3)計算模糊轉(zhuǎn)換矩陣R，利用加權(quán)平均模型M(·，＋)[41]:

(4)計算模糊綜合評價集；

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016、Origin 2017、SPSS Statistics 22(單因素方差分析方法)統(tǒng)計軟件處理和分析，用Origin 2017 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮耦合對加工番茄株高、莖粗的影響

由表3、4 可知，2017年和2018年水氮耦合對加工番茄株高、莖粗的影響均達到極顯著水平(P＜0.01)；灌溉量對2017年苗期、花期株高和苗期莖粗的影響達到顯著水平(P＜0.05)，對其余各生育期影響均達到極顯著水平(P＜0.01)；施氮量對2017、2018年果實膨大期、成熟期株高的影響均不顯著，可能因為加工番茄進入坐果成熟期后，更多的肥料作用于果實，此時氮素對株高的影響不顯著。各水氮耦合下加工番茄的株高、莖粗均隨著生育期的遞進，呈現(xiàn)不同幅度的增長，其中從花期到果實膨大期，株高、莖粗的增幅最大；在同一生育期，同一灌溉水平下加工番茄的株高、莖粗隨著施氮量的增加而增加，且均在高施氮量時達到最大值；2017年加工番茄的株高、莖粗均W1N1 最大，2018年加工番茄株高、莖粗則分別在W1N1、V1N1 最大，2017-2018年加工番茄的株高、莖粗均為低水低氮的W3N3 最小。2017-2018年各生育期株高、莖粗的增長率均表現(xiàn)為果實膨大期>花期>成熟期，其中2017-2018年加工番茄株高的日增加量均分別在W1N1 和W3N3 達到最大和最小值，分別為0.580 cm·d-1和0.331 cm·d-1(2017年)、0.618 cm·d-1、0.323 cm·d-1(2018年)；2017年加工番茄莖粗日增長率分別在W1N1(0.37% cm·d-1)、W3N3(0.23% cm·d-1)達到最大、最小值，2018年加工加工番茄莖粗日增長率分別在V1N2(0.38% cm·d-1)、W2N2(0.23% cm·d-1)達到最大、最小值。結(jié)果表明，水氮耦合可以顯著提高加工番茄的株高及莖粗，灌溉量對株高、莖粗影響顯著，較低的灌溉和施氮量不利于株高、莖粗的生長，進而影響植株整體生長。

表3 2017年不同水氮耦合下加工番茄各生育期株高、莖粗生長的情況Table3 Plant height and stem growth of processed tomato at various growth stages under different water and nitrogen couplings in 2017

表4 2018年不同水氮耦合下加工番茄各生育期株高、莖粗生長的情況Table4 Plant height and stem growth of processed tomato at various growth stages under different water and nitrogen couplings in 2018

2.2 不同水氮對加工番茄花期光合指標(biāo)的影響

由表5可知，2017年灌溉量、水氮耦合均對加工番茄花期光合指標(biāo)Pn、Tr、Gs、Ci 影響極顯著(P＜0.01)；施氮量對Pn、Tr、Gs 影響顯著(P＜0.05)，對Ci影響不顯著；灌溉量、施氮量及水氮耦合均對WUEL影響不顯著。2018年灌溉量對加工番茄花期光合指標(biāo)Pn、Tr、Gs、Ci 及WUEL影響均極顯著(P＜0.01)；施氮量、水氮耦合對Gs、Ci 影響不顯著；水氮耦合對WUEL影響極顯著(P＜0.01)。2017-2018年加工番茄花期光合指標(biāo)Pn、Tr、Gs、Ci 在同一灌溉水平下，均隨著施氮量的增加呈增加趨勢，均在W1N1 達到最大值，在W3N3 達到最小值。2017年WUEL分別在W1N2 和W3N3 達到最大和最小值，其值分別為3.85 和2.93 μmol·mmol-1。不同灌溉處理下，2017年光合指標(biāo)Pn、Tr、Gs、Ci、WUEL均呈現(xiàn)灌溉量W1>W2>W3，隨灌水量的增加各指標(biāo)增大，各光合指標(biāo)W1 較W3 分別提高了51.91%、34.81%、50%、75.80%、13.50%。2018年加工番茄花期光合指標(biāo)Pn、Tr、Gs、Ci、WUEL均在灌溉量為2 625 m3·hm-2(W3)時達到最小值，分別在V1、W2、W1、W1、V1 達到最大值，V1、W2、W1、W1、V1較 W3分別提高了 58.86%、36.24%、90.91%、77.05%、22.83%。綜上可知，水氮耦合可以提高植物的光合速率，增加作物產(chǎn)量。

2.3 不同水氮處理下加工番茄的經(jīng)濟效益分析

由表6可知，2017、2018年加工番茄各處理的最大和最小產(chǎn)量分別出現(xiàn)在W2N2 和W3N2、V1N2 和W3N3，最高較最低產(chǎn)量分別提高了 93.92%、195.89%，產(chǎn)量最低值的灌溉量均為2 625 m3·hm-2(W3)，表明較低的灌溉量不利于加工番茄產(chǎn)量的增加；iWUE 均在W2N2 達到最大值，分別為44.24、48.86 kg·m-3。2017、2018年iWUE 分別為W2>W3>W1、V1>W2>W3>W1，V1、W2 的iWUE 遠(yuǎn)高于W1，適宜的灌溉量可以節(jié)約水資源并保證產(chǎn)量。2017、2018年最大Ei 分別達到了57.56%(W2N2)、176.92%(V1N2)，在節(jié)水的同時也減少了肥料的施用量；凈收入也在W2N2、V1N2 達到最大值，分別為40 052元·hm-2、57 755 元·hm-2，產(chǎn)投比分別達到了4.10、5.55。結(jié)果表明，2017 和2018年W2N2 加工番茄的產(chǎn)量、產(chǎn)投比、增產(chǎn)效益、凈收入及iWUE 均較W1N1有所增加，合理的水氮耦合不僅可以節(jié)約水肥資源，還能增產(chǎn)增益，由2018年V1N2 與W2N2、W1N2 可知，相同的施肥量下，提高灌溉量不一定能起到較好的耦合作用，較高的灌溉量不能促進加工番茄產(chǎn)量、收益以及iWUE 的提高。

表5 2017－2018年不同水氮耦合對加工番茄光合指標(biāo)的影響Table5 Effects of different water and nitrogen coupling on photosynthetic index of processed tomato in 2017－2018

表6 2017－2018年不同水氮耦合下加工番茄的經(jīng)濟效益分析Table6 Economic benefit analysis of processing tomatoes under different nitrogen treatment in 2017－2018

2.4 基于模糊數(shù)學(xué)分析不同水氮耦合對加工番茄品質(zhì)的影響

本試驗對不同水氮耦合下影響番茄品質(zhì)的各個因素進行綜合評價。采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判法，設(shè)因素集U＝(μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6，μ7，μ8，μ9)，其中μ1:可溶性固形物；μ2:番茄紅素；μ3:總糖；μ4:維生素C；μ5:單果重；μ6:總酸；μ7:硬度；μ8:糖酸比；μ9:果形指數(shù)。

根據(jù)矩陣乘法，采用公式B ＝AR 計算加工番茄品質(zhì)模糊綜合評價集(B)，其中，A 為權(quán)重系數(shù)模糊矩陣，R 為模糊轉(zhuǎn)換矩陣。評判結(jié)果如表7所示。

表7 水氮耦下加工番茄品質(zhì)評價結(jié)果

加工番茄的果實品質(zhì)最好的處理依次是V1N1、V1N2、V1N3；品質(zhì)最差的處理依次是W3N3、W3N2、W3N1。不同的灌溉量處理的評價結(jié)果為V1(0.760)>W2(0.581)>W1(0.501)>W3(0.397)，過高、過低的灌溉量，均不利于加工番茄綜合品質(zhì)的提高。在W2、W3、V1 灌溉水平下，不同施氮量的評價結(jié)果，N1(0.585)>N2(0.574)>N3(0.520)，施氮量和加工番茄的綜合品質(zhì)成正相關(guān)，隨著施氮量的增加，各灌溉處理下，加工番茄的品質(zhì)越好。由此可見，當(dāng)灌溉量為4 500 m3·hm-2，施氮量為300 kg·hm-2時加工番茄品質(zhì)最好。

2.5 基于模糊數(shù)學(xué)分析不同水氮耦對北疆種植加工番茄綜合效益的響應(yīng)

研究水氮耦合處理下，北疆種植加工番茄綜合效應(yīng)響應(yīng)的影響因素眾多。主要評價指標(biāo)有:作物產(chǎn)量(t·hm-2)、品質(zhì)等級、凈收入(元·hm-2)及生態(tài)平衡影響程度等4 項。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況、相關(guān)專家指導(dǎo)，這4 個影響因素的權(quán)重可分別定為0.25、0.25、0.35、0.15。品質(zhì)等級根據(jù)基于模糊數(shù)學(xué)對影響品質(zhì)的9 個主要參評因素綜合評判分析結(jié)果所定；凈收入為水氮耦合下加工番茄果實的公頃凈收入；生態(tài)指標(biāo)主要考慮節(jié)水、節(jié)肥、肥料環(huán)境污染等因素，對水、肥進行組合評定，評定標(biāo)準(zhǔn)過高的水、肥使用量不僅不利于干旱區(qū)的節(jié)水灌溉，還能導(dǎo)致田間的肥料浪費、生態(tài)種植環(huán)境的污染，具體評價參數(shù)見表8。

設(shè)因素集U＝{X1，X2，X3，X4}，其中X1:公頃產(chǎn)量；X2:果實品質(zhì)；X3:公頃凈收入；X4:對生態(tài)平衡影響程度；這4 個因素的權(quán)重為A＝{0.25，0.25，0.35，0.15}。設(shè)評判集V＝{V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10，V11，V12}，其中V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10，V11，V12分別為W1N1，W1N2，W1N3，W2N1，W2N2，W2N3，W3N1，W3N2，W3N3，V1N1，V1N2，V1N3 各處理。建立單因素評判矩陣，用模糊關(guān)系矩陣R＝(rij)4×12表示。各因素的對應(yīng)關(guān)系比較明顯，在區(qū)間上為線性函數(shù)，明確各因素對應(yīng)的隸屬函數(shù)[21]。綜合評判結(jié)果如表9所示。

按最大隸屬原則可知，V1N2 最好、V1N3 次之、W3N1 最差。綜合評價結(jié)果如表8所示，其中數(shù)值越小，綜合效益評價結(jié)果最優(yōu)。W1 各氮肥梯度下種植加工番茄綜合評價不高，明顯低于V1 但高于W3，由此可知，過高、過低的灌溉量均不利于增加加工番茄的種植效益。由表9可知，加工番茄綜合效益評價為W1N1>W1N2>W1N3，在高灌溉水平下，隨著氮肥的增加，有助于提高種植加工番茄的綜合排名；由W3N3>W3N2>W3N1 可知，在較低灌溉水平下，施氮量的增加并不利于加工番茄的種植效益提升；由加工番茄綜合效益評價為W2N2>W2N1>W2N3 及V1N2>V1N3>V1N1 可知，適宜的灌溉水平下，中等施氮肥量的水氮耦合效應(yīng)高于同灌溉水平下的高氮、低氮處理。在W1、V1 下，綜合效益評價為W2N2>W2N3，V1N2>V1N3，V1N2>W2N2，由此可知，當(dāng)灌溉量為4 500 m3·hm-2，施氮量為225 kg·hm-2時綜合種植效益最好。

表8 水氮耦合下加工番茄綜合效益評價指標(biāo)Table8 Evaluation index of comprehensive benefit of processed tomatoes treated with sulfur nitrogen

表9 水氮耦合下加工番茄綜合效益評價結(jié)果Table9 Evaluation of comprehensive benefits of processed tomatoes treated with sulfur nitrogen

3 討論

加工番茄作為北疆地區(qū)的主要經(jīng)濟作物，采用大田滴灌技術(shù)可以使其更好地吸收和利用水分，從而節(jié)約水資源[44]。本研究結(jié)果表明，2017、2018年灌溉量、水氮耦合對加工番茄株高、莖粗的影響均達到顯著水平，灌溉量作用效果高于施氮量，過低、過高的灌溉、施氮量均不利于植株的生長發(fā)育，這與趙志華等[45]和王振華等[46]的研究結(jié)果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，2017、2018年灌溉量對花期加工番茄光合指標(biāo)Pn、Tr、Gs、Ci 影響顯著。2017、2018年灌溉量、施氮量、水氮耦合對加工番茄花期光合指標(biāo)Pn、Tr 影響均顯著或極顯著。蒸騰作用在植物生長過程中起重要作用[47]，增加灌溉量、施氮量可以提高植物Pn、Tr。2018年施氮量對Gs 影響不顯著，這可能是由于2018年加工番茄花期連續(xù)陰天有雨(圖1)，表明植物可根據(jù)自身條件適應(yīng)周邊環(huán)境，調(diào)整葉片氣孔大小，進行光合作用[48]。

加工番茄果實產(chǎn)量及品質(zhì)至關(guān)重要。本研究結(jié)果表明，2018年較2017年相同處理的產(chǎn)量有所減少，這可能是因為，在灌溉量、施肥量相同的條件下，2018年加工番茄在花期陰雨天較多，不利于植物的開花坐果，進而導(dǎo)致產(chǎn)量有所減少。本試驗結(jié)果還表明，合理的水氮耦合不僅可以提高產(chǎn)量、水肥利用率、產(chǎn)投比，而且能得到較好的綜合效益。減少灌溉量雖然能在一定程度上提高灌溉水利用效率，但不利于產(chǎn)量的提高，這與張坤等[10]研究不同灌溉量對不同加工番茄產(chǎn)量和品質(zhì)影響的結(jié)果一致。研究表明，過高的施氮量不利于產(chǎn)量的提高及凈收入的增長，這與前人研究結(jié)果一致[49]；過低的灌溉、施氮量對番茄的增產(chǎn)不利，這與韓丙芳等[50]研究灌溉量、施肥量及其交互作用對產(chǎn)量影響的結(jié)果一致；合理的施氮量可以提高番茄紅素、可溶性固形物及維生素C 含量，過多的灌溉、施氮量會降低維生素C 含量，這與湯麗玲等[51]的試驗結(jié)果一致。本試驗中，W1 單果重最大，但品質(zhì)未達到最優(yōu)，可能是因為在一定程度上增加灌溉量，可以促進植物根系生長，促進光合作用，植物出現(xiàn)貪青晚熟現(xiàn)象，最終影響番茄品質(zhì)，這與陳秀香等[52]的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，在相同的灌溉水平下，可溶性固形物皆在N2 達到最大值，過高、過低的施氮量均不利于番茄可溶性固形物的積累，可見，合理的水氮耦合可以促進加工番茄果實品質(zhì)的提高。由加工番茄品質(zhì)評價結(jié)果V1N1>V1N2>V1N3，W3N1>W3N2>W3N3 可知，適宜地增加灌溉、施氮量有助于提高加工番茄果實中的番茄紅素、可溶性固形物、糖酸比，進而提高其品質(zhì)，這與前人研究結(jié)果類似[53]。

通過合理施肥可以有效保證農(nóng)業(yè)豐收、節(jié)約水肥資源，不合理的大量施肥不僅會導(dǎo)致肥料流失，對農(nóng)田土壤造成污染[54]，還會引起農(nóng)產(chǎn)品硝酸鹽含量增高、風(fēng)味改變、營養(yǎng)降低等問題[55]。本試驗結(jié)果表明，較低的灌溉、施肥量均不利于加工番茄種植的綜合評價；適宜的灌溉、施肥量下加工番茄種植的綜合效益評價達到最優(yōu)，水氮耦合效果明顯；本試驗中，在灌溉量為3 938～4 500 m3·hm-2，施氮量為225 kg·hm-2時，加工番茄的生產(chǎn)效益最高；當(dāng)灌溉量為4 500 m3·hm-2，施氮量為225 kg·hm-2時，加工番茄的綜合效益評價最好。郭彬等[56]指出，當(dāng)施氮量>225 kg·hm-2時，會對環(huán)境造成較大污染。結(jié)合綜合效益評價認(rèn)為，本試驗條件下，當(dāng)灌溉量為4 500 m3·hm-2，施氮量為225 kg·hm-2時，加工番茄的綜合種植效益最好。

4 結(jié)論

本研究表明，加工番茄種植過程中，合理的水氮耦合可以通過作用加工番茄的株高、莖粗達到增產(chǎn)、增收的效果，且影響極顯著；增加一定灌溉、施氮量可以提高植株的光合作用，進而提高植物的產(chǎn)量及品質(zhì)。從產(chǎn)量、品質(zhì)、經(jīng)濟效益、保護環(huán)境、節(jié)約水肥資源、可持續(xù)發(fā)展等因素綜合考慮，本試驗推薦灌溉量為4 500 m3·hm-2，施肥量N-P2O5-K2O 為225-188-188 kg·hm-2作為北疆地區(qū)大田種植加工番茄的灌溉施肥制度，本研究可為北疆農(nóng)戶種植加工番茄提供更加科學(xué)的理論支撐。合理的水氮耦合是節(jié)水、節(jié)肥，增加農(nóng)民收益的重要途徑，由于試驗地理位置、試驗品種及氣候環(huán)境等因素的影響，本試驗結(jié)果不能完全代表新疆地區(qū)的灌溉施肥制度，僅適用于北疆地區(qū)。若適當(dāng)增加研究年限，可獲得更全面的科學(xué)結(jié)果。