加氣灌溉及水氮耦合滴灌對加工番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

陳瀟潔， 呂德生， 王振華， 李文昊， 宗睿， 溫越， 鄒杰

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

番茄因其果實加工后的多用途且富含類胡蘿卜素和酚類等抗氧化劑，是世界范圍內(nèi)種植最廣泛的作物之一[1]。2017年，世界番茄種植面積為500萬hm2，我國番茄種植面積約為110萬hm2，是世界三大番茄主產(chǎn)區(qū)之一[2]。新疆光熱資源豐富、晝夜溫差大，有利于加工番茄生長及番茄紅素和可溶性固形物含量的積累，是中國最大的加工番茄生產(chǎn)基地[3]。但由于產(chǎn)業(yè)化水平低、水肥管理措施以及品種退化等問題，加工番茄種植面積及番茄品質(zhì)逐年下降。據(jù)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，2015—2017年新疆加工番茄種植面積由6.94萬hm2減少到5.90萬hm2，產(chǎn)量從76.1萬t減少到66.4萬t[4]。對我國番茄產(chǎn)品國際競爭力的影響因素分析表明，品質(zhì)是制約我國番茄產(chǎn)品競爭力的主要原因之一[5]。因此保證番茄產(chǎn)量和提高品質(zhì)是目前加工番茄產(chǎn)業(yè)的研究重點。

番茄產(chǎn)量和品質(zhì)不僅取決于遺傳因素，還極易受水肥、土壤、氣候等環(huán)境因素的影響[6]。劉中良等[7]研究表明，適度降低灌水量和施氮量有利于改善番茄品質(zhì)，提高番茄產(chǎn)量。土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本生產(chǎn)資料，而耕作制度不合理、機(jī)械碾壓等人為因素極易造成土壤通氣性不足，導(dǎo)致作物出現(xiàn)低氧脅迫[8]。Horchani等[9]研究表明，番茄是對低氧脅迫最敏感的作物之一，土壤通氣性不足導(dǎo)致根系缺氧，從而影響根系發(fā)育、限制植株的生長和產(chǎn)量的形成。趙旭等[10]研究表明，5%低氧脅迫就可使得番茄果實可溶性固形物和抗壞血酸分別顯著降低24.7%和32.4%。Bhattarai等[11]研究認(rèn)為，加氣灌溉能夠有效調(diào)節(jié)土壤通氣性，當(dāng)土壤含水率處于田間持水量水平時，加氣灌溉對番茄產(chǎn)量的提升更為顯著。Sang等[12]研究表明，適當(dāng)?shù)牡蕼p量和加氣灌溉相結(jié)合，可有效提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率。雷宏軍等[13]研究表明，水肥氣耦合滴灌可提高水、氮利用效率，促進(jìn)番茄生長，提高番茄產(chǎn)量。

加氣灌溉作為一種新興的節(jié)水技術(shù)，在地下滴灌的基礎(chǔ)上利用首部加氣設(shè)備將水氣混合液和微型氣泡輸送至作物根區(qū)土壤[11]，既能滿足作物對水肥需求，又能滿足作物根系有氧呼吸及土壤微生物對氧氣的需求，進(jìn)而促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量并改善品質(zhì)[14]。然而，目前關(guān)于加氣灌溉的研究多集中在摻氣水平、灌溉水平和施氮水平提高溫室作物生長和產(chǎn)量等方面[15-16]，有關(guān)新疆膜下滴灌加氣灌溉應(yīng)用研究較少，水、肥、氣三因素耦合效應(yīng)對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響規(guī)律尚不明確。因此，本研究采用膜下滴灌模式研究了不同水、肥、氣處理對新疆加工番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，并通過主成分分析法和隸屬函數(shù)法對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行綜合評價，進(jìn)而探索加工番茄最優(yōu)的水、肥、氣處理，以期為新疆水、肥、氣一體化灌溉模式提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5—8月在新疆石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站進(jìn)行。試驗站位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師石河子大學(xué)農(nóng)試場二連(E 86°03′47″，N 44°18′28″，海拔450 m)，年均日照時數(shù)2 950 h，年平均降水量210 mm，年平均風(fēng)速1.5 m·s-1。試驗前茬種植作物為玉米，試驗田地下水埋深8 m以下，土壤質(zhì)地為中壤土，小于0.01 mm粒徑的土壤物理粘粒含量大于21%，0—100 cm土壤平均容重為1.56 g·cm-3。試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)詳見表1。

表1 試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗選取當(dāng)?shù)刂髟约庸し哑贩N“金番3166”為研究對象，于2019年5月5日進(jìn)行移苗定植，2019年8月24日進(jìn)行成熟期采獲，全生育期112 d。種植方式為當(dāng)?shù)氐湫偷哪は碌喂嘁荒晒芩男心Ｊ?，膜?.45 m，番茄幼苗按單株單穴定植，株距0.35 m，行距0.3 m。選用以色列耐特菲姆滴灌帶，滴灌帶埋深15 cm，外徑16 mm，滴頭間距0.3 m，2條滴灌帶間距0.85 m，滴頭設(shè)計流量1.3 L·h-1。

試驗設(shè)定灌水量、施氮量和摻氣量3個因素。其中，灌水量分別為4 950(W1)和4 050(W2)m3·hm-22個灌溉水平；施氮量分別為280(N1)、250(N2)、220(N3)和190 kg·hm-2(N4)共4個施氮水平，P2O5和K2O用量均為150 kg·hm-2；摻氣量設(shè)置為加氣灌溉(A，摻氣比例15%)和不加氣灌溉(C，摻氣比例0%)2個水平。3因素組合設(shè)計，共計16個處理(表2)，每個處理3次重復(fù)。各處理小區(qū)面積均為18.45 m2(9 m×2.05 m)。試驗采用深層地下水進(jìn)行灌溉，灌溉水礦化度約為1.35 g·L-1，試驗肥料為尿素(CO(NH2)2，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.4%)、磷酸一銨(NH4H2PO4，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.5%)和氯化鉀(KCl，K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%)。

表2 試驗設(shè)計及加工番茄生育期灌溉制度

通過裝在滴灌系統(tǒng)的文丘里計(Mazzei air injector 1078)裝置進(jìn)行加氣，水泵和回流管路調(diào)節(jié)文丘里計進(jìn)出口端壓力，加氣時，保證進(jìn)水口壓力為0.1 MPa，制得摻氣比例約為15%的摻氣水[16]。滴灌加氣施肥設(shè)備主要由蓄水池、水泵、文丘里管、回流管、施肥罐、旋翼式水表及輸水管道系統(tǒng)組成。各小區(qū)均設(shè)置旋翼式水表及施肥罐。除草、打藥等農(nóng)藝管理措施與大田生產(chǎn)一致。

1.3 性狀測定與方法

①產(chǎn)量：在加工番茄成熟期，每個小區(qū)隨機(jī)選擇長勢均勻的植株6株進(jìn)行產(chǎn)量性狀的測定(以單株計)，包括單株產(chǎn)量、單果質(zhì)量和單株果實數(shù)。

其中，單果重和單株產(chǎn)量使用BWS-SN-30電子計重桌秤測定。

②品質(zhì)：使用電子游標(biāo)卡尺測定加工番茄果實的橫徑和縱徑；用MASTER-3 M(日本愛宕品牌)手持折射儀測定可溶性固形物；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用滴定法測定維生素C含量；采用堿滴定指示劑法測定有機(jī)酸含量[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，使用Origin 2017進(jìn)行作圖，采用SPSS Statistics 26進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析和主成分分析。

首先對加工番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的9個性狀(單株產(chǎn)量、單株果數(shù)、單果重、可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C、可溶性固形物、橫徑、縱徑)進(jìn)行相關(guān)分析，比較各性狀間的關(guān)系。然后，利用主成分分析法將不同水肥氣處理的9個指標(biāo)降維。最后采用隸屬函數(shù)法對16個處理的產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行綜合評價。

①各主成分得分的計算如式(1)。

Fi=U1iX1+U2iX2+,…,UpiXp

(1)

式中，F(xiàn)i為第i主成分得分；U1i，U2i,…,Upi為第i主成分的得分系數(shù)；②隸屬函數(shù)值計算[18]如式(2)。

(2)

式中，Xi為指標(biāo)測定值，Xmin、Xmax為所有參試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。

③權(quán)重計算如式(3)。

(3)

式中，Wi表示第i個公因子在所有因子中的主要程度，Pi為第i個公因子的貢獻(xiàn)率。

④綜合評價值的計算如式(4)。

(4)

式中，D為綜合評價所得的產(chǎn)量品質(zhì)綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥氣處理對加工番茄產(chǎn)量影響

不同處理對加工番茄單株產(chǎn)量、單株果數(shù)和單果重的影響如表3所示。單株產(chǎn)量和單果重隨灌水量的增加而增加，W1水平下，單株產(chǎn)量和單果重較W2水平分別增加8.77%和11.10%。相同灌水量下，隨施氮量增加單株產(chǎn)量和單果重呈先增加后減小趨勢，N2水平的單株產(chǎn)量和單果重較N1、N3和N4分別增加8.91%、2.46%、12.94%和5.38%、6.64%、24.24%。加氣灌溉處理的單株產(chǎn)量和單果重分別較不加氣處理平均顯著提高了6.14%和2.35%。2個灌水處理中，W1條件下加氣灌溉對單株產(chǎn)量和單果重提升幅度最大，分別為6.38%和2.63%。4個施氮量水平中，N2條件下加氣灌溉對單株產(chǎn)量和單果重提升幅度最大，分別為9.56%和2.89%；單株果數(shù)隨灌水量的增加而降低。相同灌水量下，單株果數(shù)隨施氮量的增加而增加，N4水平下單株果數(shù)較N1、N2和N3分別增加13.81%、10.17%和5.72%。加氣灌溉處理的單株果數(shù)顯著提高，較不加氣處理平均提高3.67%。

表3 不同處理下加工番茄的單株產(chǎn)量、單株果數(shù)及單果重

從表3可以看出，非加氣條件下，W1N3C處理的單株產(chǎn)量最高；而相同施氮量的W2N3C處理產(chǎn)量下降9.74%。但通過加氣處理，W2N3A處理的單株產(chǎn)量較W1N3C僅下降3.03%，表明加氣灌溉可以減弱灌溉量下降對作物產(chǎn)量帶來的負(fù)面影響。同時加氣處理下W1N4A處理的單株產(chǎn)量與不加氣W1N3C處理間無顯著差異。即在相同灌水量(W1)下，加氣灌溉N4A處理的單株產(chǎn)量可以達(dá)到非加氣灌溉N3C的水平，表明在達(dá)到相同單株產(chǎn)量的情況下，加氣灌溉可以減少氮肥的施用量。

2.2 不同水肥氣處理對加工番茄品質(zhì)的影響

不同處理下加工番茄的品質(zhì)如表4所示。W2水平下可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C和可溶性固形物含量較W1水平分別顯著提高了6.20%、5.10%、2.57%和3.46%(P<0.01)，橫徑和縱徑顯著降低了1.85%和2.65%(P<0.01)?？扇苄蕴?、維生素C和可溶性固形物含量隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，N2水平下可溶性糖、維生素C、可溶性固形物含量較N4水平分別顯著提高了4.72%、11.01%和10.60%。

表4 不同處理下加工番茄的品質(zhì)

與不加氣灌溉處理相比，加氣灌溉下可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C和可溶性固形物含量及橫徑和縱徑分別增加了1.17%、2.37%、2.42%、4.68%、1.91%和1.33%。其中，W1灌水量條件下，加氣灌溉使可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C和可溶性固形物含量及橫徑和縱徑分別提高0.97%、2.33%、2.86%、5.85%、0.97%和1.11%，W2條件下分別增加了1.34%、2.41%、1.99%、3.57%、2.88%和1.54%。4個施氮量水平中，加氣條件下可溶性糖、有機(jī)酸和維生素C含量在N3水平時提升最大，增幅分別為1.39%、2.68%和3.35%；可溶性固形物含量及橫徑和縱徑在N2水平時提升最大，增幅分別為8.89%、3.25%和2.31%。由此表明，加氣處理使加工番茄各品質(zhì)指標(biāo)均有所提升，但不同灌水量和施氮量水平下，加氣灌溉對各指標(biāo)的影響存在差異。

2.3 基于加工番茄產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)對不同水肥氣處理進(jìn)行綜合評價

對加工番茄各產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果(表5)表明，9個產(chǎn)量和品質(zhì)性狀間存在19對顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。產(chǎn)量性狀中，單株產(chǎn)量與單果重存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.837，表明單果重對番茄產(chǎn)量有顯著影響。單果重與果實橫徑、縱徑存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.587和0.745，說明番茄橫徑、縱徑的增大有利于單果重的增加。品質(zhì)性狀中，橫徑與縱徑存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.944，其他品質(zhì)性狀間也存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。另外，單株產(chǎn)量與維生素C、可溶性固形物含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與橫徑和縱徑存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。單株果數(shù)與單果重存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)酸和縱徑呈顯著負(fù)相關(guān)。單果重和維生素C含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表5 加工番茄各產(chǎn)量指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性

對產(chǎn)量(單株產(chǎn)量、單株果數(shù)、單果重)和品質(zhì)(可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C、可溶性固形物、橫徑、縱徑)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，計算因子荷載和方差貢獻(xiàn)率，結(jié)果(表6)表明，主成分分析共提取出3個主成分，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到89.330%。第1主成分特征值為4.239，貢獻(xiàn)率為47.095%，主要包括單果重、維生素C、單株產(chǎn)量、橫徑、縱徑和可溶性固形物等指標(biāo)；第2主成分特征值為2.584，貢獻(xiàn)率為28.711%，主要包括可溶性糖和有機(jī)酸含量；第3主成分特征值為1.217，貢獻(xiàn)率為13.525%，主要受單株果數(shù)的影響。

表6 主成分因子荷載和方差貢獻(xiàn)率

由式(1)計算3個主成分的得分函數(shù)，如式(5)、式(6)和式(7)所示。

F1=0.425X1+0.399X2+0.383X3+0.380X4+0.358X5+0.342X6+0.122X7+0.207X8-0.256X9

(5)

F2=-0.170X1+0.288X2-0.209X3-0.336X4-0.290X5+0.322X6+0.585X7+0.448X8+0.021X9

(6)

F3=-0.202X1+0.143X2+0.286X3-0.043X4+0.185X5+0.358X6+0.087X7-0.354X8+0.748X9

(7)

由式(2)計算所有指標(biāo)隸屬函數(shù)值；并根據(jù)主成分分析結(jié)果，分別計算3個主成分所對應(yīng)的平均隸屬函數(shù)值U (X1)、U (X2)和U (X3)。由式(3)計算各因子的權(quán)重。經(jīng)計算，3個主成分的權(quán)重分別為0.527、0.321和0.151。利用式(4)計算各處理的綜合評價得分和綜合排名，結(jié)果(表7)表明，第1主成分、第2主成分和第3主成分對應(yīng)的因子得分值中排名第1位的分別是W1N2A、W2N2A和W2N2A處理。綜合評價表明，W2N2A、W1N2A、W2N3A和W2N1A處理的得分排在前4位，均為加氣灌溉處理；W1N1C、W2N4C和W1N4C處理綜合排名在后3位，均為不加氣灌溉處理。相同灌水量下，隨著施氮量的增加綜合得分呈先升高后降低的趨勢；相同施氮量下，高灌水量(W1)處理的綜合得分低于低灌水量(W2)。加氣處理中，低灌水量(W2)下，除W2N4A處理的綜合得分低于W1N4A外，其他施氮量處理均表現(xiàn)為低灌水量處理(W2)下的綜合得分高于高灌水量(W1)。綜合比較，W2N2A處理為最優(yōu)處理。

表7 不同處理的因子得分值Z(X)、隸屬函數(shù)值U(X)及綜合評價值D

3 討論

產(chǎn)量是水、肥、氣、熱、光共同作用于作物的表現(xiàn)[19]。目前農(nóng)田水肥管理通過協(xié)調(diào)水肥關(guān)系，從而實現(xiàn)節(jié)水、提質(zhì)、增效的目標(biāo)[20]。水肥通過影響葉片色素、氣孔和非氣孔因素以及葉片中酶活性等多種因素，從而對植物光合作用造成影響，進(jìn)而影響產(chǎn)量[21]。邢英英等[20]研究表明，灌水量對番茄產(chǎn)量有顯著影響，且產(chǎn)量隨灌水量增大而增加。本研究表明，增加灌溉量能夠顯著提高番茄單株產(chǎn)量和單果重。劉世全等[22]研究表明，灌水量相同時，番茄產(chǎn)量隨施氮量增加先升高后降低；本研究也發(fā)現(xiàn)相同灌水量下，加工番茄單株產(chǎn)量和單果重隨施氮量的增加先升高后降低，這可能是由于適宜的增加灌水量和施肥量有利于植物對土壤水分和養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)光合作用及其他生理生化過程[23]，氮肥過多促使?fàn)I養(yǎng)生長加快并抑制生殖生長，從而導(dǎo)致坐果率降低、產(chǎn)量下降[24]。

品質(zhì)的改良往往伴隨著產(chǎn)量的降低，Ripoll等[25]研究表明，水分虧缺導(dǎo)致葉片氣孔導(dǎo)度降低，影響植株生長和作物生產(chǎn)力，但有利于果實中抗氧化活性物質(zhì)和糖分的累積。李紅崢等[26]研究表明，隨著灌水量的減少，番茄外觀品質(zhì)(單果重、果形指數(shù)、橫徑變異系數(shù))降低，但會改善番茄的口感品質(zhì)(可溶性固形物、糖酸比)。本研究也表明，加工番茄的產(chǎn)量隨灌水量的減少顯著降低，但果實中可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C和可溶性固形物含量顯著提高，這可能是由于灌水量減少導(dǎo)致用于果皮滲透調(diào)節(jié)的水分減少，而通過韌皮部進(jìn)入果實的糖濃度提高，從而提高維生素C、可溶性糖及可溶性固形物含量[27]。劉遷杰等[28]研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，番茄果實中維生素C、可溶性固形物含量呈先增加后降低趨勢，本研究也得到相似結(jié)論，由此表明，適量施用氮肥有助于提高番茄葉片氮代謝酶活性，進(jìn)而影響果實品質(zhì)。

土壤水、氣兩相是一對矛盾體，灌溉使得土壤中水分含量增加，而氧氣含量降低[29]。加氣灌溉過程中氣泡自下而上移動，有利于促進(jìn)根區(qū)營養(yǎng)物質(zhì)、微生物等物質(zhì)和能量的交換，增強(qiáng)土壤通氣性[30]。朱艷等[31]研究表明，加氣灌溉下土壤氧氣含量顯著提高，能夠有效緩解灌水后根系缺氧狀況，使根區(qū)土壤環(huán)境明顯改善。雷宏軍等[16]研究表明，加氣灌溉加快了植株根系代謝速率，促進(jìn)了根系活力，有利于營養(yǎng)離子、水和植物生長素等運輸和儲存，使番茄果實中維生素C和可溶性固形物含量顯著提高。本研究表明，加氣灌溉下加工番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著提高，綜合評價排名在前4位的均為加氣灌溉處理，表明在水氮耦合的基礎(chǔ)上進(jìn)行加氣灌溉有效改善了土壤通氣性，進(jìn)而對番茄產(chǎn)生積極影響，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。另一方面，隨著灌水量的增加，加氣灌溉對產(chǎn)量指標(biāo)的提升更為顯著，這與Du等[32]研究結(jié)果相一致，可能是高灌溉水平下，土壤中氧氣含量和氧氣擴(kuò)散速率較低，作物產(chǎn)量對加氣灌溉響應(yīng)更積極。而番茄品質(zhì)指標(biāo)則在低灌量時產(chǎn)生積極響應(yīng)，即隨著灌水量的減小，番茄果實品質(zhì)顯著提高。加氣灌溉有效改良了番茄果實品質(zhì)。本研究結(jié)果表明，灌水量對果實品質(zhì)的影響大于加氣處理，而朱艷等[15]研究發(fā)現(xiàn)，灌水量對果實品質(zhì)的影響低于加氣處理，可能是由于試驗的土壤質(zhì)地和氣候環(huán)境存在差異。Du等[32]研究顯示加氣灌溉對產(chǎn)量和品質(zhì)的提升效果受土壤pH、土壤質(zhì)地等因素影響。張倩等[33]研究表明，加氣灌溉促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解及營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，提高了肥料利用效率。Du等[34]研究指出，加氣灌溉提高了植株對氮的吸收利用效率，使更多的氮轉(zhuǎn)運至果實。本研究發(fā)現(xiàn)，灌水量4 050 m3·hm-2、施氮量250 kg·hm2時加氣灌溉處理(W2N2A)產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合評價均最高，相比于其他處理，更好的兼顧了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)，為大田生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。