水肥耦合對日光溫室番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

王雪科　吳春燕　韓瀟怡　靳慧慧　宋春羽　吳俊英

摘要：為探討水肥耦合對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以設(shè)施番茄為研究對象，采用水肥一體化技術(shù)盆栽栽培，設(shè)置3種單株灌水量水平（W1，60%θF；W2，70%θF；W3，80%θF）與3個肥料濃度（F1：1/4常規(guī)用肥；F2：1/2常規(guī)用肥；F3：3/4常規(guī)用肥），以常規(guī)灌水施肥處理作為對照，測定相關(guān)形態(tài)指標、品質(zhì)指標及產(chǎn)量。結(jié)果表明，水肥耦合對日光溫室番茄產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著影響，番茄產(chǎn)量隨肥料用量的增加表現(xiàn)出先增加再減少的趨勢；水分利用效率隨施肥量的增加呈下降趨勢，合理施肥有利于提高水分利用效率；W2F2和W3F3條件下番茄綜合品質(zhì)較高；適當降低灌水量有利于番茄品質(zhì)的提高，過多的水分或肥料均會造成番茄品質(zhì)下降。綜合考慮品質(zhì)、產(chǎn)量、水分利用效率等因素，長春地區(qū)日光溫室番茄選擇W2（70%θF）F2（1/2常規(guī)用肥）作為最優(yōu)水肥組合。

關(guān)鍵詞：設(shè)施番茄；水肥一體化；生理指標；產(chǎn)量；品質(zhì)

中圖分類號：S641.206文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）20-0167-05

番茄是全球種植最多的蔬菜之一，據(jù)統(tǒng)計，2020年全球番茄產(chǎn)量為18 205萬t左右，同比增長0.7%，中國番茄種植面積約為505.5萬hm2，是我國主要設(shè)施蔬菜栽培種類之一［1］。設(shè)施番茄如何獲得更高的產(chǎn)量和更好的品質(zhì)，是種植戶和消費者關(guān)心的問題，也是相關(guān)學者研究的熱點。但生產(chǎn)上，設(shè)施番茄生產(chǎn)中過量灌溉施肥現(xiàn)象相當普遍［2］，這導致了番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的下降。此外，生產(chǎn)實踐中很少考慮水肥之間的螯合效應(yīng)，加上我國水資源貧乏及用水不合理，更加劇了化肥浪費［3］。在這樣的背景下，水肥一體化技術(shù)被引入我國。水肥一體化是利用管道灌溉系統(tǒng)，將肥料溶解在水中，同時進行灌溉與施肥，適時、適量地滿足農(nóng)作物對水分和養(yǎng)分的需求，實現(xiàn)水肥同步管理和高效利用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)［4］。我國目前番茄平均單產(chǎn)僅 7 kg/m2，而荷蘭水肥一體化溫室番茄單產(chǎn)高達 75 kg/m2［5］，可以看出我國與世界先進水平還有相當差距。

自2008年吉林省政府啟動“百萬畝棚膜蔬菜建設(shè)工程”以來，截至2020年年末，吉林全省蔬菜類種植規(guī)模已達到22萬hm2，產(chǎn)量1 250萬t，設(shè)施園藝棚室面積達到4.61萬hm2，其中標準溫室 0.63萬hm2、標準大棚2.57萬hm2、簡易棚室 1.42萬hm2，累計建設(shè)規(guī)模園區(qū)660個［6］。雖然水肥一體化技術(shù)已在吉林省設(shè)施栽培中有所推廣，但大多數(shù)種植戶仍憑經(jīng)驗管理，缺乏理論指導和技術(shù)支持。本研究以吉林省栽培面積較大的設(shè)施番茄為研究對象，探討水肥一體化模式下水肥耦合對溫室番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，旨在為區(qū)域設(shè)施番茄水肥一體化提供合理的水肥方案。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2020年4—9月在吉林農(nóng)業(yè)大學園藝學院蔬菜基地的五連拱內(nèi)進行。采用盆栽試驗，試驗使用盆體積為10.6 L（頂邊直徑27.5 cm，底部直徑 20 cm，深24 cm）。盆栽所用土壤為園土，每盆裝土12.8 kg。盆的底部開有小孔，可以自由排水，在試驗處理期間，沒有水從盆中浸出。在番茄幼苗長至5葉期時將其移植到盆中，每盆1株。土壤含水量通過土壤張力計測定。盆土最大持水量為34.6％（體積含水量），永久萎蔫點為11.0％。其土壤理化性狀為：有機質(zhì)含量10.64 g/kg，堿解氮含量 219.48 mg/kg，速效磷含量104.21 mg/kg，速效鉀含量116.62 mg/kg，土壤pH值為7.18。

供試番茄品種為吉粉6號，由吉林省蔬菜花卉科學研究院提供。試驗所用肥料為尿素（總 N≥46.4%）、磷酸二氫鉀（K2O≥34%、P2O5≥52%）和硫酸鉀（K2O≥57.0%）。試驗采用水肥一體化系統(tǒng)灌溉施肥，水肥一體化系統(tǒng)主要包括水源、儲水罐、水泵、主管道、毛管、箭式滴頭。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置3種單株灌水量水平，灌水下限設(shè)W1（60%θF）、W2（70%θF）、W3（80%θF）3個水平，灌水上限統(tǒng)一設(shè)定為田間持水量θF，當土壤含水率降到灌水下限時進行灌水。設(shè)置3個肥料濃度，分別為F1（1/4常規(guī)用肥）、F2（1/2常規(guī)用肥）、F3（3/4常規(guī)用肥）。采用水肥一體化盆栽試驗，以常規(guī)灌水施肥處理作為對照，共10個處理，3次重復，隨機區(qū)組排列，試驗處理見表1。除水肥外，其他栽培管理措施均一致。

1.3 測定項目與方法

株高采用卷尺測定植株從地面第1張子葉到頂部生長點的高度；莖粗采用游標卡尺測定由下往上第3個節(jié)位上方1 cm處的直徑。葉面積采用游標卡尺測量所標記葉片的長度和寬度，并根據(jù)回歸模型計算得到番茄的葉面積［7］。葉面積S=L×D×0.546 8，式中：L指葉片長；D指葉片寬。

果實成熟后每隔7 d采收1次成熟度一致的番茄，記錄每次番茄單株產(chǎn)量，統(tǒng)計各盆單株灌溉水量，并最終對各盆產(chǎn)量進行統(tǒng)計匯總。水分利用效率WUE=Y/I，式中：Y代表番茄產(chǎn)量；I代表全生育期的植株灌溉量。

采用手持糖度計法測定可溶性固形物含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量［8］；采用pSH-25型酸度計測定有效酸度；采用鉬藍比色法測定維生素C含量［8］；采用滴定法測定可滴定酸含量［8］；采用紫外分光光度法測定硝酸鹽的含量［8］；采用水楊酸比色法測定硝態(tài)氮含量［8］；采用丙酮/石油醚提取和紫外分光光度法測定番茄紅素含量［9］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進行整理，采用SPSS 27統(tǒng)計軟件進行方差分析與主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對番茄植株形態(tài)指標的影響

2.1.1 水肥耦合對番茄株高的影響

由圖1可知，水肥耦合對番茄株高的影響顯著。當灌溉量一定時，植株隨施肥量不同產(chǎn)生不同變化趨勢。當灌溉量為W1、W2時，株高隨施肥量的增加而先升后降，當灌溉量為W3時，株高隨施肥量的增加逐步增加。當施肥量一定時，植株隨灌溉量不同而產(chǎn)生不同變化趨勢。當施肥量為F1、F2時，株高隨灌溉量的增加而先升后降；當施肥量F3時，植株株高隨灌溉量的增加而先降后升，表明適宜的肥料濃度更利于植株株高增長。W2F2處理株高最高，且與W3F2、W3F3差異顯著，表明過高的水分或肥料濃度均不利于植株株高增長。

2.1.2 水肥耦合對番茄莖粗的影響

由圖2可知，水肥耦合對番茄莖粗的影響顯著。當灌溉量一定時，植株隨施肥量不同產(chǎn)生不同變化趨勢。當灌溉量為W1時，莖粗隨施肥量的增加而先升后降，當灌溉量為W2及W3時，莖粗隨施肥量的增加逐步增加。當施肥量一定時，植株隨灌溉量不同產(chǎn)生不同變化趨勢。當施肥量為F1時，莖粗在W2時最高，W3次之，W1最低；當施肥量為F2和F3時，植株莖粗隨水分的增加而先升后降，表明W2F3、W2F2更利于植株莖粗的增長。而W1F1處理莖粗最短且與其他處理均有顯著差異，表明過低的水分和肥料濃度不利于番茄莖粗的增加。

2.1.3 水肥耦合對番茄葉面積的影響

由圖3可知，番茄葉面積受水肥耦合影響顯著。當灌溉量為W1、W2時，葉面積隨施肥量的增加而先增加再降低，當灌溉量為W3時，葉面積隨施肥量的增加逐步增加；而當施肥量一定時，葉面積均表現(xiàn)為隨灌溉量的上升而先增加再降低；W2F2處理葉面積最高，W2F3處理次之，兩者無顯著差異且與其他處理差異顯著，表明適宜灌水量更有利葉面積增加，過低或過高灌水量均不利于葉面積增加；W1F1處理與W2F1處理差異顯著且與W3F1處理無顯著差異，表明適宜施肥量更有利于葉面積增加，過高或過低灌水量均不利于葉面積增加。

2.2 水肥耦合對單株產(chǎn)量與水分利用效率的影響

2.2.1 水肥耦合對單株產(chǎn)量的影響 單株產(chǎn)量受水肥耦合影響顯著。從表2可知，對照組產(chǎn)量最低，水肥耦合的番茄單株產(chǎn)量均顯著高于對照組。W3F2處理單株產(chǎn)量最高，為2.72 kg，高于對照組42.4%，高于W1F1 16.7%，與W2F3、W3F1、W2F2處理無顯著性差異。表明當灌水量一定時，番茄產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨施肥量的增加而增加，但當施肥量增加到一定程度時，番茄產(chǎn)量反而有所下降；處理組中W1F1的單株產(chǎn)量最低，低于W2F1 4.2%，高于對照組22.0%，與W1F2、W1F3、W2F1、W3F1差異不顯著。表明當施肥量一定時，番茄產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨著灌溉量的增加而增加，但當灌溉量增加到一定程度后，產(chǎn)量增加效益不明顯；W2F1、W1F1處理的產(chǎn)量相較其他處理組較低且兩者差異不顯著，表明施肥下限對番茄產(chǎn)量的影響大于灌溉下限。

2.2.2 水肥耦合對水分利用效率的影響

作物生理學上一般認為水分利用效率即是單位耗水量的作物產(chǎn)量，可以直觀反映植物生產(chǎn)過程的能量轉(zhuǎn)化效率。如表2所示，水肥耦合對番茄水分利用效率的影響存在顯著差異?？傮w而言，采用水肥一體化處理的水分利用效率均顯著高于對照組，其中處理組中W3F1水分利用率最高，達到76.91 kg/m3，比CK高了54.6%，W3F3水分利用效率最低，為 64.17 kg/m3，比CK高了29%。在F1條件下，番茄水分利用效率隨灌溉量的增加而增加，而在F2、F3條件下，番茄水分利用效率隨灌溉量的增加而降低，說明在一定范圍內(nèi)增加灌溉量有利于水分利用率的提高，水分過高反而會使水分利用率降低。而當灌溉量一定時，番茄水分利用效率隨施肥量的增加而降低，表明在一定范圍內(nèi)肥料的增施能提高作物對水分的吸收利用。

2.3 水肥耦合對果實品質(zhì)的影響

2.3.1 對單一品質(zhì)指標的影響

不同處理下番茄果實品質(zhì)的各項指標如表3所示。水肥耦合對番茄各指標的影響差異較大。W3F3和W2F2處理可溶性糖含量較其他處理有顯著差異，表明合適的水肥比例有利于提高番茄可溶性糖含量；W1F3、W2F3可溶性酸含量無顯著差異，與W3F3差異顯著，而W1F3可溶性酸含量最高，W3F1最低，說明施肥量一定時，番茄可溶性酸含量隨灌溉量的增加而增加；W3F1糖酸比最高，W1F3糖酸比最低，說明灌溉量一定時，施肥量越低時糖酸比反而越高；維生素C含量表現(xiàn)為CK、W1F1處理較低，W3F2、W2F2處理較高，說明傳統(tǒng)大水漫灌過量施肥與低水低肥均不有利于維生素C的形成，合適的水肥比例更有利于提高番茄維生素C含量；水肥耦合對番茄紅素的形成具有顯著影響，灌溉量一定時，W1、W2處理番茄紅素含量隨施肥量增加而先增后降，W3處理番茄紅素含量隨施肥量的增加而增加，施肥量一定時，F(xiàn)1、F2處理番茄紅素含量隨灌溉量的增加而先增后降，F(xiàn)3處理則先降后增；而番茄果實硝酸鹽含量均隨水分的增加而降低，隨施肥量的升高而升高。

2.3.2 對綜合品質(zhì)的影響

只對單一指標分析很難判斷水肥耦合對番茄品質(zhì)的影響。為了更全面地反映不同處理對番茄品質(zhì)的影響，需要結(jié)合各品質(zhì)指標，對不同處理進行綜合評價，從而得出各品質(zhì)指標對番茄綜合品質(zhì)形成的貢獻度，更好地判斷哪種水肥處理更有利于番茄優(yōu)良品質(zhì)的形成。本試驗采用主成分分析法，對可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比、維生素C含量、番茄紅素含量、硝酸鹽含量、可溶性固形物含量、有效酸度等8項品質(zhì)相關(guān)指標進行綜合分析，評價出相對較優(yōu)的水肥處理。

首先對數(shù)據(jù)降維得到標準化數(shù)據(jù)，再對標準化數(shù)據(jù)進行分析，得出相關(guān)矩陣的特征值、特征向量和累計貢獻率（表4），選取特征值>1的作為主成分。

通過計算，各品質(zhì)指標與前2個主成分的關(guān)系如下：

第1主成分：

F1=0.421 1X1-0.397 1X2-0.388 8X3+0.359 3X4+0.351 0X5+0.348 4X6+0.300 5X7+0.223 0X8；（1）

第2主成分：

F2=-0.176 8X1+0.265 6X2+0.286 5X3-0.458 0X4+0.404 7X5+0.379 4X6+0.239 6X7+0.491 4X8。（2）

式中：F1、F2分別對應(yīng)第1、2主成分的得分，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分別為數(shù)據(jù)消除變量之間量綱關(guān)系后的可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比、維生素C含量、番茄紅素含量、硝酸鹽含量、可溶性固形物含量、有效酸度。

綜合評價函數(shù)是以各個主成分對應(yīng)的方差貢獻率作為權(quán)重，即綜合得分：

F=0.786 50F1+0.172 15F2。（3）

將對應(yīng)的標準化值帶入式（1）和式（2），再將式（1）和式（2）的計算所得帶入式（3），最后得到水肥供應(yīng)條件下番茄品質(zhì)指標的綜合評價（表5）。綜合評價表明，W3F3處理的排名為第1，其次為W2F2。W2F2與W3F3的得分接近，無顯著差異。

3 討論與結(jié)論

水肥耦合對番茄植株形態(tài)指標影響顯著，適宜的水肥有利于植物莖葉生長，促進作物健壯，而灌水量過高或施肥量過高均會抑制作物形態(tài)生長，這與王虎兵等的研究結(jié)果［10］相似。本試驗中，當施肥水平由F1變?yōu)镕2時，番茄株高、莖粗、葉面積均呈上升趨勢，而在F3水平時，番茄株高、葉面積總體呈降低趨勢，莖粗則繼續(xù)上升。表明在合適的灌溉量范圍內(nèi)，番茄株高、葉面積有隨施肥量的升高呈先升高后降低的趨勢，莖粗有隨施肥量的升高而升高的趨勢。

前人研究表明，水肥耦合顯著影響溫室番茄單株產(chǎn)量與水分利用效率［11-13］。本試驗中，水肥耦合的番茄單株產(chǎn)量與水分利用效率均顯著高于對照組，處理組中水分利用效率最低的W3F3也比CK高了29%。充分體現(xiàn)了水肥一體化相較傳統(tǒng)大水大肥的優(yōu)良節(jié)水能力。番茄單株產(chǎn)量隨施肥量的升高而增加，其中W3F2處理產(chǎn)量較W3F1處理增加了7.09%，但W3F3處理單株產(chǎn)量相比W3F2略有下降。表明過高的施肥量對增產(chǎn)幫助有限。邢金金等研究也表明，施肥過量不利用溫室番茄與西瓜增產(chǎn)，而適量施肥不僅可以獲得較高的產(chǎn)量，還能顯著降低氮肥的氣態(tài)損失，提高水肥利用率［14-15］。

在番茄品質(zhì)指標中，糖酸比、硝酸鹽、番茄紅素含量一直是人們研究的熱點［16-18］。本試驗研究表明，灌溉量一定時，糖酸比隨施肥量的增加而降低，硝酸鹽含量隨施肥量的增加而增加，施肥量一定時，糖酸比隨灌溉量的增加而增加，硝酸鹽含量隨灌溉量的增加而降低；而番茄紅素含量主要表現(xiàn)為在灌溉量一定時，W1、W2處理番茄紅素隨施肥量的增加而先增后降，W3處理番茄紅素隨施肥量的增加而增加，施肥量一定時，F(xiàn)1、F2處理番茄紅素隨灌溉量的增加而先增后降，F(xiàn)3處理番茄紅素隨施肥量的增加而先降后增；本試驗條件下，W2F2處理的果實番茄紅素含量顯著高于W1F3、W2F3處理，且可溶性糖、番茄紅素含量以及糖酸比等指標均較高，說明W2F2處理具有相對較優(yōu)的番茄品質(zhì)。對番茄品質(zhì)進行主成分分析的結(jié)果也表明，W3F3、W2F2品質(zhì)最優(yōu)。

水肥一體化條件下，番茄株高有隨施肥量的升高呈先升高后降低的趨勢，莖粗有隨施肥量的升高而升高的趨勢，葉面積有隨灌溉量的上升而先增加再降低的趨勢，合理水肥處理有利于番茄形態(tài)學建成；番茄產(chǎn)量隨水肥用量的增加而提高，超過一定范圍后，這種提高效應(yīng)不顯著，甚至表現(xiàn)為一定程度的下降；水分利用效率隨施肥量的增加呈下降趨勢，合理施肥有利于提高水分利用效率；W2F2和W3F3條件下番茄綜合品質(zhì)較高，適當降低灌水量有利于番茄品質(zhì)的提高，過多的水分或肥料均會造成番茄品質(zhì)下降。

綜合考慮品質(zhì)、產(chǎn)量、水分利用效率、可持續(xù)生產(chǎn)以及環(huán)境友好等因素，在不顯著降低番茄品質(zhì)及產(chǎn)量的情況下，長春地區(qū)日光溫室番茄選擇W2（70%θF）F2（1/2常規(guī)用肥）作為最優(yōu)水肥組合。

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收稿日期：2022-12-15

基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃（編號：20210202123NC）。

作者簡介：王雪科（1996—），男，重慶人，碩士研究生，主要從事蔬菜生理及設(shè)施園藝研究。E-mail：1006707043@qq.com。

通信作者：吳春燕，博士，副教授，碩士生導師，主要從事設(shè)施蔬菜栽培與育種研究。E-mail：wuchunyan@jlau.edu.cn。