基于臨界氮濃度的加工番茄優(yōu)化施肥效應(yīng)研究

景 博，刁 明*，張 坤，郭鵬飛，萬文亮，牛 寧

（1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.特色果蔬栽培生理與 種質(zhì)資源利用兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000）

加工番茄（Lycopersicon esculentumMill）是普通番茄的一種栽培類型，主要以制作番茄醬為主［1］，近年來我國加工番茄產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅次于排名第一的美國，新疆番茄制品約占全國產(chǎn)量的 80%～90%，隨著膜下滴灌技術(shù)的應(yīng)用，加工番茄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為新疆的“紅色產(chǎn)業(yè)”。

氮是最重要的營養(yǎng)元素，它是組成氨基酸和酶的成分，在細胞代謝中起著核心作用［2］。隨著人口的增加，人們通過增加氮肥的施用量來提高作物產(chǎn)量，以養(yǎng)活更多的人，且預(yù)計這一現(xiàn)象會持續(xù)增加。但隨著氮肥利用效率在高氮水平下的下降，大量施用氮肥將不能有效地提高產(chǎn)量［3］，且盲目施氮導(dǎo)致了農(nóng)田土壤的酸化和地下水環(huán)境的污染［4-5］。加工番茄對水和氮的需求量較高，及時保持合理的水氮供給是加工番茄高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)［6-7］。如今膜下滴灌技術(shù)發(fā)展迅速，如何結(jié)合膜下滴灌技術(shù)的優(yōu)越 性［8-9］，合理確定加工番茄的施氮量以及施肥方案是當前迫切需要研究的課題。

臨界氮濃度是指作物在一定的生長時期內(nèi)獲得最大生物量時的最小氮濃度值，植株內(nèi)氮濃度值在這個曲線之下，則土壤供氮成為生物量累積的限制因素之一［10］。Tei等［10］構(gòu)建了加工番茄臨界氮濃度稀釋曲線及氮素吸收模型，基于該模型可以計算出滿足加工番茄最快生長的臨界需氮量。Hartz 等［11］與Farneselli等［12］研究表明基于臨界氮濃度稀釋模型，可以對滴灌加工番茄的供氮狀況是否充足進行合理動態(tài)診斷。就目前而言，加工番茄臨界氮濃度的氮素營養(yǎng)診斷是基于經(jīng)驗施肥比例得出的，而以氮濃度指數(shù)函數(shù)作為施氮依據(jù)的施肥方案還鮮有研究。本試驗基于前人臨界氮濃度模 型［13］，根據(jù)干物質(zhì)量推算各生育期的施氮比例，結(jié)合最佳灌水方案［14］，按照施氮量和施氮比例在各生育期追肥，探究在基于臨界氮濃度的氮運籌下各生育期對氮的響應(yīng)，提出優(yōu)化灌水和優(yōu)化施肥相結(jié)合的新疆加工番茄種植方案，為提高氮素的有效利用以及加工番茄的持續(xù)高產(chǎn)提供技術(shù) 支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2018～2019年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站進行。試驗區(qū)的土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 不同年份試驗小區(qū)土壤營養(yǎng)水平

1.2 試驗設(shè)計

供試品種為“里格爾 87-5”，用穴盤育苗，四葉一心時移栽大田。試驗設(shè)置不施氮（N0）、施氮200 kg·hm-2（N1）、施 氮300 kg·hm-2（N2）和施氮400 kg·hm-2（N3）4個氮運籌，小區(qū)面積為7.2 m×12 m，各重復(fù)3次，共12小區(qū)，各試驗小區(qū)隨機排列。根據(jù)加工番茄的氮素吸收模型得出的施氮比例（表2）嚴格施入尿素。

表2 基于臨界氮濃度獲得的各處理施氮比例（kg·hm-2）

在施氮量 300 kg·hm-2條件下，加工番茄各生長階段追肥比例是由該生長階段臨界氮吸收量（Nuptc）所占比例確定，而Nuptc是基于臨界氮濃度稀釋曲線模型所得，其加工番茄“里格爾 87-5”的臨界氮濃度稀釋曲線模型和臨界氮吸收模型［13］可用公式表示：

臨界氮濃度稀釋曲線模型：Nc=4.352DW-0.274

臨界氮吸收模型：Nuptc=43.521DW

式中，Nc為臨界氮濃度值，%；Nuptc為臨界氮吸收量，kg·hm-2；DWmax為加工番茄地上部生物量的最大值。根據(jù)加工番茄干物質(zhì)增長量獲得Nuptc在各生育期所占比例，即施氮比例。施肥時將磷肥和鉀肥全部一次性施入土壤做基肥，每公頃施入養(yǎng)分量為P2O5210 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2。試驗采取1.2 m膜，一膜兩管，一管一行的種植方式，株距30 cm，行距60 cm，滴頭間距為30 cm。灌水量為75%ET0［14］，通過水表控制，灌水周期設(shè)定為7～10 d，兩年全生育期總灌水量約為 4 700 m3·hm-2。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 氮素營養(yǎng)指數(shù)模型

為了進一步明確作物的氮素營養(yǎng)狀況，Lemaire 等［15］提出了氮素營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI）的概念，可用公式來表示：

式中，NNI為氮素營養(yǎng)指數(shù)；Nt為地上部生物量氮濃度的實測值，g·（100 g）-1；Nc為根據(jù)臨界氮濃度稀釋曲線模型求得的在相同的地上部生物量時的氮濃度值，g·（100 g）-1。NNI可以直觀地反映作物體內(nèi)氮素的營養(yǎng)狀況，NNI等于1，氮素營養(yǎng)狀況最為適宜；NNI大于1，表現(xiàn)為氮素營養(yǎng)過剩；NNI小于1，表現(xiàn)為氮素營養(yǎng)虧缺。

1.3.2 氮素虧缺模型

根據(jù)Greenwood 等［16］、Lemaire等［17］和 Gastal等［18］的試驗，可推導(dǎo)出氮素虧缺模型：

式中：Ncna表示臨界氮濃度條件下植株氮積累量，kg·hm-2；DW表示植株地上部干物質(zhì)量，t·hm-2；a、b表示方程參數(shù)，根據(jù)前期試驗獲得［13］；Nand為氮積累虧缺值；Nna表示植株在不同施氮量下的實際氮積累量，kg·hm-2。 若Nand等于0，表示植株體內(nèi)氮素積累達到最佳水平；若Nand 值大于0，表示植株的氮積累較少，并未達到最佳狀態(tài)；若Nand小于0，則表示氮積累過量。

1.3.3 干物質(zhì)量積累與氮濃度測定

在加工番茄移栽大田后，每隔7～10 d 進行破壞性取樣，分器官于105℃ 殺青30 min，烘箱保持 80℃ 烘干至恒重并稱重。將測定過干物質(zhì)量的樣品粉碎后，通過全自動凱氏定氮儀測定器官氮濃度。各器官氮素含量為器官含氮量與器官干物質(zhì)量的乘積，其單位為 kg·hm-2。所有器官氮素含量相加得地上部植株氮累積量。植株氮濃度為植株氮累積量與植株干物質(zhì)量的比值。

1.3.4 氮素利用效率計算

依據(jù)銀敏華等［19］的計算方法，可計算加工番茄氮肥利用率、氮肥生理利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力。相關(guān)指標計算方法為：

式中：RNE表示氮肥利用率，%；AEN表示氮肥農(nóng)學(xué)利用率，kg·kg-1；NPE表示氮肥生理利用率，kg·kg-1；PEP表示氮肥偏生產(chǎn)力，kg·kg-1；CN表示施氮區(qū)植株地上部氮積累量，kg·hm-2；C0表示不施氮區(qū)植株地上部氮積累量，kg·hm-2；YN表示施氮區(qū)植株產(chǎn)量，kg·hm-2；Y0表示不施氮區(qū)植株產(chǎn)量，kg·hm-2；N表示施氮量，kg·hm-2。

1.4 統(tǒng)計分析及作圖

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析，Origin 9.0軟件繪 圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮運籌對加工番茄干物質(zhì)及氮濃度的影響

由表3可知，2018和2019年加工番茄地上部生物量隨著施氮量呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。2018年，在開花期（定植后40 d）前，地上部干物質(zhì)量表現(xiàn)為N1與N2處理差異不顯著，其他生育階段總的表現(xiàn)為N2與N3處理顯著高于其他處理，且N2與N3處理的地上部干物質(zhì)量在拉秧期前（定植83 d前）差異不顯著；2019年，總的表現(xiàn)為50 d后N2處理的加工番茄地上部干物質(zhì)量顯著大于其他處理。說明氮不足與氮過量均會影響加工番茄地上部干物質(zhì)量的增長。

表3 基于臨界氮濃度的施氮對加工番茄干物質(zhì)的影響

由圖1可知，在基于臨界氮濃度的氮運籌下，在同一取樣時期不同氮處理的地上部生物量中的氮濃度隨著施氮量的增加而增加，且各處理的氮濃度隨著生育期的推進呈下降趨勢。

圖1 基于臨界氮濃度的氮運籌對加工番茄氮質(zhì)量分數(shù)的影響

2.2 氮運籌對加工番茄氮素吸收、分配和利用的影響

由圖2可知，基于臨界氮濃度的不同氮運籌會影響加工番茄對氮素的吸收和分配。在加工番茄苗期至開花期（定植后40 d前），植株對氮素的吸收比較緩慢，各施氮處理對氮素的吸收量及吸收速率差異不顯著。在開花期以后，兩年試驗的氮素吸收速率出現(xiàn)了差異，這可能是由于氣候原因，造成2018年試驗的生育期延后造 成的。

圖2 基于臨界氮濃度的施氮量對加工番茄氮素吸收及分配的影響

2018年，植株對氮素的吸收速率出現(xiàn)了兩次吸收峰，第一次出現(xiàn)在開花至坐果期階段（定植后43 d），在此峰的吸收速率表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0，N0、N1、N2、N3處理的氮素吸收量分別為50.47、81.69、111.89和128.51 kg·hm-2，且 葉 中 占 總吸氮量的65%、66%、63%和63%。第二次峰值出現(xiàn)在加工番茄紅熟期階段，在此峰的吸收速率表 現(xiàn) 為N2>N3>N1>N0，N0、N1、N2、N3處 理的氮素吸收量為116.78、156.96、256.9和240.29 kg·hm-2，且果中占總吸氮量的78%、70%、60%和58%；2019年植株對氮素的吸收速率只在坐果至紅熟期階段出現(xiàn)了一個吸收峰，吸收速率表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0，N0、N1、N2、N3處理的氮素吸收量為80.35、119.67、183.12和210.22 kg·hm-2，且葉 中占總吸氮量的41%、35%、31%和46%，果中占總吸氮量的26%、35%、36%和25%。兩年試驗在紅熟期以后，植株對氮素的吸收速率逐漸減小，氮素從莖葉中向果中轉(zhuǎn)移量繼續(xù)增加，莖和葉中的氮占總吸氮量的比例繼續(xù)減小，各處理的吸氮量主要分布在果中，占總吸氮量的53%～77%。

表4為兩年試驗所計算出的不同氮運籌下氮素的利用效率，結(jié)果表明，隨著不同氮運籌的變化，兩年的氮素利用趨勢基本一致；兩年的氮肥農(nóng)學(xué)利用率與氮肥利用率均表現(xiàn)為N2顯著大于N1和N3，這主要是因為N2處理下的植株在收獲期有較高的氮素積累量和產(chǎn)量；氮肥的生理利用率隨著施氮量的增加而降低，且各處理間差異顯著；2018年氮肥的偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為N1顯著大于N2和N3處理，2019年各處理間差異不顯著。

表4 基于臨界氮濃度的氮運籌對氮素利用效率的影響

2.3 基于臨界氮濃度的氮運籌下各生育期適宜施氮量的分析

由圖3可知，在基于臨界氮濃度的氮運籌下，兩年度加工番茄氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）和氮素虧缺量隨著生育期的推進其變化趨勢基本一致。各處理下的NNI值在0.61～1.27之間波動，表現(xiàn)為N0和N1處理始終小于1，N2和N3處理始終大于1，且在各生育期均隨著施氮量的增加而變大；氮虧缺值在-79.2～69.7之間波動，在各生育期隨施氮量的增加而減小，且N0和N1處理始終大于0，N2和N3處理始終小于0。

在定植后30 d以前是加工番茄的苗期階段，N1處理的氮營養(yǎng)指數(shù)最接近1；由氮虧缺模型可以看出，此階段各處理的氮素虧缺量均接近0，說明在此階段田間基肥即可滿足加工番茄的生長。2018和2019年的開花期分別為定植后30～44和38～50 d，此階段加工番茄的營養(yǎng)生長與生殖生長旺盛，植株的需氮量增大，N0和N1處理下的氮營養(yǎng)指數(shù)NNI與1的差距逐漸增大，且氮虧缺量逐漸增加，N2處理在此階段的營養(yǎng)指數(shù)NNI最接近1，且基本沒有出現(xiàn)氮虧缺。兩年分別從定植后44和50 d以后，植株開始坐果，對氮的需求量也逐漸增加，N2處理的氮營養(yǎng)指數(shù)始終接近1，氮虧缺量出現(xiàn)高于或者低于實際氮需求量的兩極分化，N2處理最接近臨界需求量。

圖3 基于臨界氮濃度的氮素營養(yǎng)指數(shù)模型和氮素虧缺模型

3 討論

3.1 氮運籌對加工番茄干物質(zhì)及氮濃度的影響

楊慧等［20］對番茄研究表明，不同施肥水平的番茄總干物質(zhì)量隨生育進程的累積動態(tài)呈現(xiàn)“S”型特征，且總干物質(zhì)累積量以中肥處理最高，增肥和減肥均會抑制干物質(zhì)的增長；不同水平氮條件下番茄地上部氮濃度值均表現(xiàn)為隨移栽天數(shù)的推移而降低，即其氮濃度值存在稀釋現(xiàn)象，并且在相同的水分條件下，氮濃度值隨施氮量的增加而增大，說明施氮可以增大植株對氮素養(yǎng)分的吸收。本試驗基于臨界氮濃度的追肥方案下，得出在加工番茄坐果期后施氮300 kg·hm-2的條件下，干物質(zhì)積累量高于或顯著高于其他處理，施氮200 kg·hm-2和施氮400 kg·hm-2的處理均會影響干物質(zhì)的積累。氮濃度在各生育期均表現(xiàn)為隨著施氮量的增加而增大，且均隨定植后天數(shù)而降低。

3.2 氮運籌對加工番茄氮素吸收、分配及利用的影響

作物對氮素的高效利用與作物自身對氮素的吸收特性有關(guān)，作物獲取、吸收、轉(zhuǎn)運和再分配 NO3-和 NH4+的能力，是影響吸收氮素的主要因素［21-22］。李青軍等［23］研究發(fā)現(xiàn)加工番茄吸收氮素量可達到273.51 kg·hm-2，氮素最大累積速率和地上部生物量最大累積速率在移栽后6周坐果期至紅熟初期。Blaesing 等［24］研究認為高產(chǎn)加工番茄吸收氮素量平均為466 kg·hm-2。本試驗結(jié)果表明，在基于臨界氮濃度的追肥方案下，施氮300 kg·hm-2下的加工番茄植株在拉秧期兩年的氮積累量分別為289.49和263.59 kg·hm-2，且與不施氮和施氮200 kg·hm-2下的植株氮積累量差異顯著，與施氮400 kg·hm-2下的植株氮積累量差異不顯著，說明過量施氮不會增加加工番茄植株氮素的積累。

湯明堯等［25］研究了氮運籌對加工番茄氮素吸收利用的影響，結(jié)果表明不同的施氮水平會影響植株對氮素的吸收積累量及分配，但不影響總的吸收趨勢，氮素吸收積累動態(tài)和干物質(zhì)一樣呈“S”型增長。還表明各生育期植株對氮素的吸收速率不同，前期對氮素吸收較為緩慢，主要分布在葉中，且各處理間的氮吸收量差異不大；盛果期氮素開始迅速積累，施氮處理對氮素的吸收有明顯的影響；成熟期吸氮速率開始降低，總吸氮量比例減小，且主要分布在果實中。本試驗結(jié)果與其基本一致，氮素的積累量隨生育期呈先增加后降低趨勢。在苗期，植株對氮素吸收量和吸收速率比較小，且主要分布在葉中；在坐果期至紅熟期階段，各處理下的加工番茄對氮素的吸收速率逐漸增大，氮素吸收量也隨之增加，氮素由營養(yǎng)器官向生殖器官中轉(zhuǎn)移，莖葉中的氮占總吸氮量的比例開始減?。辉诶砥?，加工番茄對氮的需求量開始降低，吸收速率開始下降，但不施氮、施氮200 kg·hm-2和施氮300 kg·hm-2的植株氮積累量有增加趨勢，而施氮400 kg·hm-2抑制了植株對氮素的吸收。

銀敏華等［19］研究了氮運籌對夏玉米氮素利用的影響，結(jié)果表明不同氮處理下的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率均隨著施氮量的增加而降低，本試驗結(jié)果表明，在基于臨界氮濃度的追肥方案下，加工番茄氮肥的生理利用率和氮肥的偏生產(chǎn)力與其變化趨勢一致，但氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥利用率與其不同，表現(xiàn)為施氮300 kg·hm-2的處理最好，且與其他處理差異 顯著。

3.3 基于臨界氮濃度的氮運籌下各生育期適宜施氮量的分析

前人對玉米［26］、棉花［27］、小麥［28］等作物的氮營養(yǎng)診斷進行了分析，得出了適宜施氮量。 Erda等［29］研究表明施氮160 kg·hm-2時，加工番茄吸收氮素量為222 kg·hm-2，且可獲得高產(chǎn)。向友珍等［30］對日光溫室甜椒進行氮素營養(yǎng)診斷，結(jié)果表明灌水量75%ET0和施氮量190 kg·hm-2左右為最佳策略。本試驗主要研究基于加工番茄臨界氮濃度的最佳施肥方案，結(jié)果表明，在加工番茄苗期至開花期階段，植株對氮素的需求量較小，可適當減少氮素的施用量。結(jié)果表明植株的最佳氮肥施用量為278 kg·hm-2。

4 結(jié)論

新疆滴灌加工番茄的最佳氮肥施用總量為278 kg·hm-2，苗期至開花期、開花至坐果期、坐果至紅熟期和紅熟至拉秧期施氮比例分別為16%、26%、49%和9%，此施肥方案保證了氮素的充分利用，減少了氮素對土壤環(huán)境的污染，為加工番茄的持續(xù)高產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。