番茄滴灌水氮耦合效應(yīng)與模式研究

羅 慧，李伏生

（1廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530005；2廣西大學(xué)農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，南寧 530005）

0 引言

交替滴灌是分根區(qū)交替灌溉[1]和滴灌施肥[2]有機(jī)結(jié)合的節(jié)水灌溉技術(shù)，可達(dá)到不減少作物產(chǎn)量，節(jié)水減肥和提高水肥利用效率的目的，已在不同作物上研究和應(yīng)用。Fu等[3]結(jié)果表明，與常規(guī)施氮相比，交替滴灌施氮處理提高水分利用效率和氮肥農(nóng)藝效率。Luo等[4]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)滴灌相比，交替滴灌能保持番茄產(chǎn)量，并提高水分利用效率8.9%～16.7%，交替滴灌和30%N肥作基肥-70%N肥作滴灌追肥處理是番茄生產(chǎn)適宜水氮供應(yīng)模式；Liu 等[5]結(jié)果表明，交替滴灌下施氮可節(jié)約灌水量，提高水和氮肥利用效率。水分和養(yǎng)分存在著一定的耦合效應(yīng)[6-7]，可顯著影響番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率[8-10]，但交替滴灌下水肥耦合對(duì)作物產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用的影響觀點(diǎn)不一致，加上水肥耦合效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)單一，難以確定最優(yōu)水肥耦合模式。為此，本試驗(yàn)在前人基礎(chǔ)上研究不同滴灌水氮耦合方式對(duì)番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和水氮利用的影響，并用主成分分析法對(duì)不同處理番茄品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，用TOPSIS法評(píng)價(jià)各個(gè)處理產(chǎn)量、品質(zhì)和水氮利用的綜合效益，確定番茄生產(chǎn)最優(yōu)水氮耦合模式，以期為番茄高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的灌溉施肥制度提高依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

田間試驗(yàn)于2016 年10 月—2017 年3 月在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)基地移動(dòng)棚內(nèi)進(jìn)行，該移動(dòng)棚通過(guò)電控可調(diào)節(jié)試驗(yàn)地避雨或露天，晴天時(shí)移動(dòng)棚敞開(kāi)，試驗(yàn)地露天，雨天時(shí)可根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇避雨或接受降雨。移動(dòng)棚通風(fēng)好，透光性強(qiáng)，滿足番茄正常生長(zhǎng)所需的自然光強(qiáng)、濕度和溫度等條件。試驗(yàn)期間降雨量如圖1。

圖1 試驗(yàn)期間降雨量

供試土壤為赤紅壤，其土壤質(zhì)地為黏壤土，有機(jī)質(zhì)含量5.58 g/kg，pH 4.87，堿解氮(N)56.3 mg/kg，速效磷(P) 31.2 mg/kg，速效鉀(K) 201.2 mg/kg，田間持水量(θf(wàn)) 27.6%。供試品種：‘西大櫻紅1 號(hào)’(Lycopersicon esculentum)。供試尿素含氮46%，鈣鎂磷肥含P2O514%，硫酸鉀含K2O 54%，漚熟牛糞含N 0.54%，含P2O50.36%，含K2O 0.41%。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)處理設(shè)F0W0（土施100%N肥作基肥），F(xiàn)1W（用常規(guī)滴灌方式施用100%N肥）1，F(xiàn)2W1（用交替滴灌方式施用100% N 肥），F(xiàn)2W2（用交替滴灌方式施用100%N 肥），F(xiàn)3W2（土施40%N 肥作基肥，用交替滴灌方式追施60% N 肥），F(xiàn)4W1（用固定滴灌方式施用100%N 肥），F(xiàn)4W2（用固定滴灌方式施用100%N 肥），F(xiàn)5W2（土施40% N 肥作基肥，用固定滴灌方式追施60% N 肥）。共8 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次，共24 小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)種植番茄36株，分4行種植，行株距為60 cm×40 cm，小區(qū)面積8.64 m2。

F0W0處理從開(kāi)始試驗(yàn)到結(jié)束移動(dòng)棚敞開(kāi)，其余處理雨天時(shí)避雨，其他天氣移動(dòng)棚敞開(kāi)。常規(guī)滴灌方式為每行番茄兩邊各設(shè)一條滴灌帶灌水或施肥；固定滴灌方式設(shè)一條滴灌帶固定對(duì)番茄一邊灌水或施肥；交替滴灌方式為每行番茄兩邊各設(shè)一條滴灌帶，每次只對(duì)番茄一邊進(jìn)行灌水或施肥，下次對(duì)番茄另一邊進(jìn)行灌水或施肥；滴灌帶各距植株主根10 cm。W1（100%常規(guī)灌水量）參照王賀輝等[11]提出的番茄滴灌灌水指標(biāo)（苗期45%%～55%θf(wàn)，開(kāi)花坐果期55%～75%θf(wàn)，坐果期65%～85% θf(wàn)）按實(shí)際土壤含水量確定，W2為80%W1。W0為降雨+補(bǔ)充滴灌灌水，當(dāng)降雨量不能保持試驗(yàn)設(shè)定的土壤田間持水量時(shí)，滴灌補(bǔ)充灌水量至各時(shí)期設(shè)定土壤田間持水量范圍的上限。試驗(yàn)N 肥量為240 kg/hm2，N:P2O5:K2O 三要素的比例采用2:1:3，漚熟牛糞17360 kg/hm2。全部P肥、K肥和漚熟牛糞肥以及部分N肥作基肥，余下N肥分別在苗期、開(kāi)花期、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期按設(shè)計(jì)比例通過(guò)移動(dòng)棚內(nèi)的水肥一體化設(shè)施作滴灌施肥。

試驗(yàn)于2016 年10 月25 日移栽番茄苗，11 月5 日至12月30日對(duì)番茄進(jìn)行滴灌控水處理。根據(jù)天氣情況和植株長(zhǎng)勢(shì)，采用TRIME-PICO IPH 時(shí)域反射儀(TDR)觀測(cè)土壤含水量，確保番茄土壤田間持水量在試驗(yàn)設(shè)定范圍內(nèi)。分別于11 月5 日、11 月12 日、11 月20 日、11 月27 日、12 月4 日、12 月12 日、12 月20 日和12月30日進(jìn)行灌水追肥，各生育期施N比例和灌水量如表1。除水分和肥料因素外其他田間管理按優(yōu)質(zhì)番茄管理規(guī)范進(jìn)行。2017年3月20日試驗(yàn)結(jié)束。

表1 番茄不同處理氮肥施用的基追肥比例和灌水量

1.3 樣品采集與測(cè)定

番茄每株留7茬果實(shí)，采收時(shí)統(tǒng)計(jì)成熟果實(shí)數(shù)量，稱量并記錄產(chǎn)量，計(jì)算單果重。第三茬果實(shí)成熟時(shí)采集成熟度一致果實(shí)，果型指數(shù)用游標(biāo)卡尺測(cè)定（果實(shí)縱徑和橫徑的比值，比值范圍為0.86～1.0 為圓形，0.71～0.85 為扁圓形，比值≤0.70 為扁平形，比值≥1.01 為長(zhǎng)圓形），果實(shí)硬度用果實(shí)硬度計(jì)在果肩處測(cè)定，果實(shí)含水率用烘干法測(cè)定[12]。果實(shí)經(jīng)洗凈搗碎機(jī)搗成果漿后，番茄紅素含量用分光光度計(jì)法（波長(zhǎng)474 nm）測(cè)定[13]，維生素C 含量用2,6-二氯靛酚滴定法測(cè)定[12]，有機(jī)酸含量用0.1 mol/L NaOH 滴定法測(cè)定，并用蘋果酸等價(jià)表示[12]?？扇苄怨绦挝锖坑檬殖质秸酃鈨x測(cè)定[13]，水溶性糖含量用硫酸蒽酮法測(cè)定[13]。將F0W0處理每次灌水量和降雨量之和后減去土壤種植前后土壤含水量差值，其余處理每次灌水量相加后減去土壤種植前后土壤含水量差值，即為各處理的耗水量。水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力計(jì)算公式如式(1)～(2)所示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行不同滴灌水氮耦合方式間方差分析，用Duncan法對(duì)不同處理各指標(biāo)平均值進(jìn)行多重比較，顯著性水平P＜0.05。用主成分分析法[14-15]評(píng)價(jià)番茄綜合品質(zhì)，用TOPSIS 法[16-18]評(píng)價(jià)番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和水氮利用的綜合效益。采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量

圖2 結(jié)果表明，不同滴灌水氮耦合方式的產(chǎn)量之間差異極顯著。與F0W0相比，F(xiàn)1W1、F2W1、F2W2、F3W2、F4W1、F4W2、F5W2產(chǎn)量分別提高18.4%、24.4%、28.8%、41.8%、23.2%、31.7%和38.8%；與F1W1相比，F(xiàn)2W1和F4W1不顯著提高產(chǎn)量；與F2W1相比，F(xiàn)2W2不顯著提高產(chǎn)量；與F2W2相比，F(xiàn)3W2不顯著提高產(chǎn)量；與F4W1相比，F(xiàn)4W2不顯著提高產(chǎn)量；與F4W2相比，F(xiàn)5W2不顯著提高產(chǎn)量。

圖2 滴灌水氮耦合對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

2.2 品質(zhì)

表2 結(jié)果表明，不同滴灌水氮耦合方式的果實(shí)硬分分析法評(píng)價(jià)獲得綜合得分（圖3）結(jié)果表明，F(xiàn)2W2為番茄綜合品質(zhì)最優(yōu)處理，而F0W0為最差處理。

表2 滴灌水氮耦合對(duì)番茄品質(zhì)的影響

圖3 主成分分析法評(píng)價(jià)番茄品質(zhì)的綜合得分

2.3 番茄水氮利用

圖4 結(jié)果表明，不同滴灌水氮耦合方式的耗水量和水分利用效率(WUE)之間差異極顯著。與F0W0相比，F(xiàn)1W1、F2W1和F4W1耗水量分別提高31.5%、31.5%和31.5%，而F2W2、F3W2、F4W2和F5W2耗水量提高不顯著；F2W2、F3W2、F4W2和F5W2WUE分 別 提 高22.5%、34.8%、25.2%和32.0%，而F1W1、F2W1和F4W1WUE降低不顯著。與F1W1相比，F(xiàn)2W1和F4W1耗水量和WUE提高或降低不顯著；與F2W1相比，F(xiàn)2W2降低耗水量而WUE提高29.5%；與F4W1相比，F(xiàn)4W2WUE提高33.7%。

圖4 滴灌水氮耦合對(duì)番茄水分利用的影響

圖5 結(jié)果表明，不同滴灌水氮耦合方式的氮肥偏生產(chǎn)力之間差異極顯著。與F0W0相比，F(xiàn)1W1、F2W1、度、維生素C(Vc)、水溶性糖、有機(jī)酸含量和糖酸比之間差異極顯著或極顯著。所有處理果實(shí)的果型指數(shù)在0.86～0.89 間。與F0W0相 比，F(xiàn)4W2果 實(shí) 硬 度 提 高35.2%；F2W1、F2W2、F3W2、F4W1、F4W2和F5W2Vc含量分別提高22.7%、42.5%、34.3%、16.6%、31.5%和16.6%；F2W1和F2W2水溶性糖含量分別提高23.5%和25.5%；F1W1、F2W1、F2W2、F4W1、F4W2和F5W2果實(shí)有機(jī)酸含量分別降低42.2%、33.3%、46.7%、31.1%、35.6%和31.1%，而糖酸比分別提高86.2%、72.4%、131.9%、56.0%、72.4%和56.0%。與F1W1相比，F(xiàn)2W1水溶性糖含量提高23.1%。與F2W1相比，F(xiàn)2W2Vc 提高16.1%。與F2W2相比，F(xiàn)3W2有機(jī)酸含量提高66.7%，而糖酸比降低44.2%。試驗(yàn)選取果實(shí)含水率、果實(shí)硬度、果型指數(shù)、番茄紅素、Vc、可溶性固形物、可溶性糖、有機(jī)酸和糖酸比9 個(gè)主要品質(zhì)因素作為評(píng)價(jià)因子，按上述主成F2W2、F3W2、F4W1、F4W2、F5W2氮肥偏生產(chǎn)力分別提高18.5%、24.5%、28.8%、41.8%、23.2%、31.8%和38.8%。與F1W1相比，F(xiàn)2W1和F4W1的氮肥偏生產(chǎn)力變化不顯著，與F2W1相比，F(xiàn)2W2不顯著提高氮肥偏生產(chǎn)力；與F2W2相比，F(xiàn)3W2不顯著提高氮肥偏生產(chǎn)力；與F4W1相比，F(xiàn)4W2不顯著提高氮肥偏生產(chǎn)力；與F4W2相比，F(xiàn)5W2不顯著提高氮肥偏生產(chǎn)力。

圖5 滴灌水氮耦合對(duì)番茄氮肥偏生產(chǎn)力的影響

2.4 用TOPSIS法評(píng)價(jià)番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和水氮利用的綜合效益

TOPSIS法評(píng)價(jià)番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和水氮利用的綜合效益（表3）結(jié)果表明，F(xiàn)2W2綜合效益指數(shù)CI值最高，說(shuō)明F2W2處理綜合效益最優(yōu)。表3 也表明，除耗水量與番茄有機(jī)酸含量與CI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其他評(píng)價(jià)指標(biāo)與CI呈正相關(guān)關(guān)系，其中Vc 和糖酸比與CI呈極顯著或顯著相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明綜合效益指數(shù)排名與產(chǎn)量、單一品質(zhì)指標(biāo)、單一水分利用指標(biāo)和氮肥偏生產(chǎn)力基本一致，綜合效益可靠。

表3 TOPSIS法評(píng)價(jià)番茄綜合效益

3 討論

3.1 滴灌水氮耦合對(duì)番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

適宜水分和養(yǎng)分是決定番茄高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要因子，不同水氮耦合模式影響番茄生長(zhǎng)和養(yǎng)分在不同器官的分配，進(jìn)而影響產(chǎn)量和品質(zhì)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與F0W0相比，F(xiàn)2W2、F3W2、F4W2和F5W2提高產(chǎn)量，說(shuō)明與土施100%N肥基肥-降雨+補(bǔ)充滴灌灌水方式相比，交替滴灌和固定滴灌下水氮耦合對(duì)番茄產(chǎn)量影響顯著。相同灌水量和施氮方式下，與常規(guī)滴灌相比，交替滴灌不顯著提高產(chǎn)量，這與以往交替滴灌能保持產(chǎn)量或略有提高產(chǎn)量的研究結(jié)果相似[19-21]。前人對(duì)作物水氮耦合結(jié)果表明，在相同施氮量情況下，適宜的降低灌水量，保持或提高產(chǎn)量[22-23]，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

與F0W0相比，F(xiàn)2W2分別提高番茄Vc和水溶性糖含量與糖酸比，為番茄綜合品質(zhì)最優(yōu)處理，說(shuō)明交替滴灌方式施用100%N肥-80%常規(guī)灌水量處理更有利于協(xié)調(diào)和改善番茄品質(zhì)，可能原因?yàn)樵?0%常規(guī)灌水量和100%N肥量下，交替滴灌更能促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物向果實(shí)分配，從而提高果實(shí)品質(zhì)。同時(shí)，與F2W1相比，F(xiàn)2W2提高Vc含量，說(shuō)明交替滴灌方式施用100%N肥下適當(dāng)降低灌水量對(duì)改善番茄品質(zhì)有促進(jìn)作用。

3.2 滴灌水氮耦合對(duì)番茄水氮利用的影響

交替滴灌通過(guò)干、濕交替使部分根系經(jīng)受一定程度的水分脅迫，由于作物的補(bǔ)償生長(zhǎng)機(jī)制而刺激根系生長(zhǎng)，增強(qiáng)了根系吸收土壤水分和養(yǎng)分能力[24]；同時(shí)，土壤頻繁干濕交替提高了土壤微生物活性和代謝，加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化，改變土壤C/N，使土壤氮聚集到根系表面，促進(jìn)作物對(duì)水分和氮素的吸收和利用[25-26]；本試驗(yàn)結(jié)果也表明，與F0W0相比，F(xiàn)2W2和F3W2顯著提高WUE和氮肥偏生產(chǎn)力。

3.3 番茄最優(yōu)滴灌水氮耦合模式

產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用是構(gòu)成番茄綜合效益的重要指標(biāo)，運(yùn)用Topsis分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)能夠真實(shí)、可靠和全面的反映各處理間的差距。本研究利用該法對(duì)不同滴灌水氮耦合方式的番茄產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力進(jìn)行尋優(yōu)，得到最佳模式為F2W2，該模式綜合考慮了產(chǎn)量、品質(zhì)與水肥利用，比以往灌水和施氮管理制度的確定更具有科學(xué)性。

4 結(jié)論

（1）與F0W0相比，F(xiàn)2W1、F2W2、F3W2、F4W1、F4W2和F5W2產(chǎn)量提高18.4%～41.8%，F(xiàn)2W2Vc、水溶性糖含量和糖酸比分別提高42.5%、25.5%和131.9%，為番茄綜合品質(zhì)最優(yōu)處理；與F2W1相比，F(xiàn)2W2Vc提高16.1%。

（2）與F0W0相比，F(xiàn)2W2、F3W2、F4W2和F5W2WUE和氮肥偏生產(chǎn)力分別提高22.5%～34.8%和24.5%～38.8%；與F2W1相比，F(xiàn)2W2WUE提高29.5%；與F4W1相比，F(xiàn)4W2WUE提高33.7%。

（3）F2W2綜合效益指數(shù)CI值最高，是番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和水氮利用綜合效益最優(yōu)處理。

因此，交替滴灌方式施用100% N 肥和80%常規(guī)灌水量處理是最優(yōu)水氮耦合模式。