根系分区交替灌溉条件下水肥供应对番茄中番茄红素含量的影响

周振江 牛晓丽 陈 思 代顺冬 胡田田*

（1 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2 西北农林科技大学资源与环境学院，陕西杨凌 712100）

番茄红素是植物中所含的一种天然色素，是目前自然界中被发现的最强抗氧化剂，可以有效防治因衰老、免疫力下降引起的各种疾病，因此受到世界各国专家的关注。番茄是番茄红素含量很高的蔬菜品种之一，番茄红素含量的高低对果实的营养价值有着重要的影响。目前，在蔬菜的设施生产中，由于大量施用化肥以及忽视肥料配比所造成的蔬菜品质下降及土壤酸化、肥力退化等现象非常普遍，蔬菜的优质与绿色生产成为研究者们广为关注的课题。与增光、保温等技术相比，研究者们对水肥管理技术重视不够，而且，已有的水肥调控研究多集中于水肥单因子或不同肥料配比的效果上（Kadam & Sahane，2002；Kannan et al.，2006；Marouelli ＆Silva，2007），综合考虑灌水量和氮、磷及钾肥用量4个因素的研究很少。

根系分区交替灌溉（Alternate Partial Root-zone Irrigation，APRI）是近年来针对世界范围内水资源日益紧缺与水分利用效率较低这一矛盾而提出的一种新的节水灌溉方法与技术（康绍忠等，1997）。目前关于根系分区交替灌溉本身对作物生长生理特性及产量与品质的研究很多（康绍忠 等，2001；胡笑涛 等，2005；Wakrim et al.，2005），关于局部灌溉条件下水肥供应对农作物产量的影响方面也有报道（农梦玲 等，2010）。然而，截至目前，关于根系分区交替灌溉条件下水肥用量对农产品品质的影响方面尚未见报道。为此，本试验在分根区交替灌溉条件下，应用四元二次正交旋转组合设计，研究不同水肥施用水平对番茄（Lycopersicon esculentumMill.）果实番茄红素含量的影响，通过回归分析及单因素效应与交互效应分析，定量研究番茄果实中番茄红素含量对水肥因子的响应关系，以期为分根区交替灌溉条件下番茄的优质生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2011年5～10月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室进行。供试番茄为金棚1号。供试土壤取自西北农林科技大学节水灌溉试验站大田0～20 cm 耕层土壤。土壤基本理化性状：田间持水量为24%，有机质64.9 g·kg-1，全氮7.8 g·kg-1，全磷3.9 g·kg-1，全钾10.9 g·kg-1，碱解氮101.08 mg·kg-1，速效磷41.1 mg·kg-1，速效钾98.20 mg·kg-1。

用高30 cm、直径30 cm 的铁皮桶自制分根装置（中间用带V 形缺口、高24 cm 的隔板将桶分为相等的两部分）。桶底部装河沙1 kg，装土21 kg，装土容重1.15 g·cm-3。两边分别安装一支PVC 管用于灌水（长30 cm，直径2.5 cm）。灌水管用1 mm 直径纱网缠绕两层，共打3 排圆孔，PVC 管距桶底部5 cm。2011年5月5日定植番茄幼苗，定植时将番茄幼苗置于隔板V 形缺口的正上方，确保根系分布均匀。定植后立即浇水至田间持水量。待缓苗期过后（缓苗期8 d），当土壤含水量降至65%田间持水量时，开始采用根系分区交替灌水。番茄保留3 穗果，于盛果期每株采摘红熟度一致的3个果实进行品质分析，将每株所取的果实用榨汁机进行充分混匀。

1.2 试验设计

试验设灌水量、施氮量、施磷量和施钾量4个因素，采用四元二次正交旋转组合设计的1/2实施方案，共23个处理（袁志发和周静芋，2000），3次重复。各因素水平及变化间距见表1。

试验采用恒质量法灌水。0 水平灌水处理是指在土壤含水量接近灌水下限（田间持水量的65%）时进行灌水，0 水平灌水量是指由65%θf（田间持水量）灌至85%θf所需水量，其他水平的灌水量根据0 水平按表1的设计水平进行计算。每次只灌其中一边，两边轮流灌水，各处理灌水时间相同。灌水量周期根据0 水平处理的土壤含水量确定，一般为2～3 d 1次，整个生育期共灌水41次，各灌水水平处理的累积灌溉量从小到大依次为：6.963、12.673、21.098、29.523、35.233 L。

试验用氮、磷、钾肥料分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O515%）和硫酸钾（含K2O 50%）。磷肥一次性基施。氮肥和钾肥按照基肥追肥比1∶2 施用，追肥分别在第1 穗果膨大期和第2 穗果膨大期进行，两侧根系的追肥量相等，追肥时间相隔1 d，追肥随灌水施入。

1.3 项目测定

番茄红素含量采用分光光度计法测定（GB/T 14215，1993）。土壤基本理化性状采用常规方法测定（中国科学院南京土壤研究所，1980）。

试验数据用DPS 软件进行方程拟合，用Excel 及Matlab 软件对分析结果进行图表的绘制。

表1 试验因子水平编码

2 结果与分析

2.1 番茄红素含量与灌水量及氮、磷、钾用量间回归模型的建立

以四元二次多项式拟合灌水量、施肥量4个水肥因子Xi[-1.682，1.682]和番茄红素含量Y的关系，并对方程进行方差分析，得到最终的简化模型如下：

方差分析表明，模型的F回=4.91>F0.01（7，15）=4.142，说明水肥用量与番茄红素含量的回归关系达到极显著水平，能反映番茄红素的变化情况。根据方差分析的结果，上述方程中各项回归系数的F值依次为F1=2.22，F2=16.38，F3=7.8，F22=2.21，F33=2.39，F14=1.67，F23=1.67〔F0.25（1，15）=1.432；F0.1（1，15）= 3.073；F0.05（1，15）= 4.543；F0.01（1，15）=8.683〕。可见，一次项X2达到极显著水平，X3达到显著水平，其他项均达0.25 显著性水平，表明在试验条件下，施氮量、施磷量对番茄红素含量影响较大，灌水量对番茄红素含量也有一定影响，灌水量与施钾量、施氮量与施磷量间均对番茄红素含量有一定的交互作用。

2.2 主因素效应的比较

经过无量纲线性编码代换后，偏回归系数已标准化，直接比较其绝对值的大小就可以判断各试验因素对番茄红素含量的影响大小。一次项系数呈现出从施氮量、施磷量、灌水量到施钾量依次减小的规律；施氮量、施磷量的二次项系数相近，且与一次项系数同为正值。可见，4个因素对番茄红素含量的影响大小顺序为：施氮量> 施磷量> 灌水量> 施钾量，其中，施氮量与施磷量均表现为显著正效应，灌水量表现出显著负效应，施钾量对番茄红素含量没有显著影响。

2.3 单一因素对番茄果实中番茄红素含量的影响

由于试验设计满足了正交性，模型中各项偏回归系数彼此独立，因此，可对模型进行降维处理，即固定其他因素为0 水平，得到各因素对于番茄红素含量的一元二次偏回归子模型。灌水量：Y1=87-11.58X1；施氮量：Y2=87+31.44X2+10.8X22；施磷量：Y3=87+21.69X3+11.23X32；施钾量：Y4=87。

由以上模型可绘出单因子与番茄红素含量的关系，见图1。

由图1可知，灌水量与番茄果实中番茄红素含量的关系为斜率小于0 的直线，说明番茄红素含量随灌水量的增加逐渐降低，相对减少灌水量有利于番茄红素的累积。由图1还可以看出，番茄红素含量随施氮量增加而增加。回归方程中，氮肥一次项与二次项系数分别为31.44、10.8，其中一次项系数最大且达极显著水平，说明增大氮肥的施用量，能极显著提高番茄红素含量。番茄红素含量随施磷量增加呈开口向上抛物线变化，而且，在编码值大于-1（即磷肥用量大于0.107 g·kg-1）时，增大施磷量对于番茄红素含量的提高也能起到促进作用。施钾量的影响有所不同，番茄红素含量不随施钾量变化而变化。

图1 单因子（Xi）与番茄红素含量（Y）关系

2.4 两因素对番茄红素含量的耦合效应

在本试验中共有6个交互项因素，比较显著的交互项有X1X4和X2X3。降维法处理后可以得到如下子模型：

2.4.1 灌水量与施钾量对番茄红素含量的耦合效应 由耦合效应子模型（2）可知，灌水量与施钾量的交互项系数为-9.29，即二者相互作用会阻碍番茄红素含量的提高。由图2可知，当灌水量低于中间水平（W）时，随着施钾量的增加番茄红素含量升高；灌水量高于中间水平时则呈降低趋势。另外还可以看出，番茄红素含量仅在施钾量处于最低水平（0 g·kg-1）时随灌水量有所增加，其他情况下随灌水量的增加均呈降低趋势，且在施钾量为最高水平（0.84 g·kg-1）时降低幅度最大。当灌水量处于最低水平（0.33 W），且施钾量处于最高水平时，番茄红素含量达到最高值132.76 μg·g-1；在灌水量与施钾量均处于最高水平时，番茄红素含量达到最小值41.24 μg·g-1，比最高值降低了68.94%。综合看来，随着灌水量增加番茄红素含量减小，灌水量对番茄红素的影响明显大于施钾量，适当减少灌水量、合理配施钾肥有利于番茄红素含量的提高。

图2 灌水量与施钾量对番茄红素含量的影响

2.4.2 施氮量与施磷量对番茄红素含量的耦合效应 从耦合效应的统计参数来看，随着施氮量、施磷量的增加，番茄红素含量都呈增长趋势；施氮量对番茄红素的影响大于施磷量（表2）。由耦合效应子模型（3）可知，施氮量与施磷量的交互项系数为-9.29，说明二者的相互作用会阻碍番茄红素含量的提高。表2表明，当施磷量不高于中间水平（0.264 g·kg-1）时，随着施氮量的增加番茄红素含量呈增加趋势，其增幅随施磷量的增加而降低，以施磷量处于低水平时的增幅最大，可达470.10%；当施磷量大于中间水平时，番茄红素含量随施氮量的增加先减小后增大。施氮量低于中间水平（0.48 g·kg-1）时，随施磷量的增加，番茄红素含量增加；施氮量大于或等于中间水平时，番茄红素含量则随施磷量呈开口向上抛物线变化。当氮、磷用量均为最高水平（施N 0.96 g·kg-1，施P2O50.528 g·kg-1）时，番茄红素含量达最大值212.41 μg·g-1。综合看来，增施氮、磷肥有利于果实中番茄红素含量的增加。

表2 施氮量与施磷量对番茄红素含量的耦合效应 μg·g-1

2.5 模型寻优

用Matlab 软件对模型1 求最大值，得到当Xi分别为-1.682、1.682、1.682、1.682时，即对应的灌水量和N、P、K 实际用量为：0.33 W（从移栽到收获共计灌水10 962.34 mL）、0.96 g·kg-1、0.528 g·kg-1、0.84 g·kg-1时，番茄红素含量取得最大值258.17 μg·g-1，将此水肥用量组合带入拟合的产量模型得到番茄单株产量为1 354.6 g，仅比Xi分别为1、1.682、1.682、0时的番茄最高单株产量1 545.8 g 降低了12.4%，说明在得到最高番茄红素含量的同时番茄产量也较高，表明在本试验条件下，减小灌水量同时增大施肥量既可以得到较高的番茄红素含量，也保证了番茄产量。

3 结论与讨论

根系分区交替灌溉是一种新的节水灌溉方法，目前的研究主要集中在这种灌溉方式本身对作物生长生理特性及产量与品质的影响方面（韩艳丽和康绍忠，2001；毕彦勇 等，2005），关于这种灌溉方式下水肥供应对农作物产量的影响也有报道（薛亮 等，2008），但关于根系分区交替灌溉条件下水肥用量对农产品品质的影响，还鲜见报道。均匀灌水条件下的研究表明，适度水分亏缺会提高番茄果实中番茄红素的积累（Leskovar et al.，2002），过高或过低的灌溉量都将影响番茄红素的合成（陈秀香 等，2006）。本试验表明，根系分区交替灌溉条件下，灌水量对番茄红素含量的影响表现为负效应，且灌水量与施钾量对番茄红素含量的交互作用均表现为负效应。这与均匀灌水条件下的结果有所不同。原因在于灌水水平的控制或是其他试验条件不同，还是根系分区交替灌溉条件下根源信号ABA 等的调控作用所致，有待进一步深入研究。

在本试验条件下，单因素与耦合效应分析一致表明，提高氮肥用量能显著提高番茄红素含量，这与Flores 等（2004）和王柏柯等（2008）的施用氮肥可以显著提高果实番茄红素含量的结论一致，但也有研究表明，不同施氮水平下番茄中番茄红素含量无显著差异（Gautier et al.，2009），这可能与不同试验所控制的施氮量、供试土壤肥力和采用的作物品种等条件不同有关。

本试验表明，当磷素供应达到一定水平后，增施磷肥也可以显著提高番茄红素含量，由施氮量与施磷量的耦合效应分析可知，增施磷肥会显著提高果实中番茄红素含量。已有的研究也表明，增施磷肥能有效提高番茄红素含量（孟凡娟和王富，2001；樊庆鲁 等，2009）。加工番茄是喜磷作物，在氮磷配施的情况下，番茄对磷的吸收在全生育期中呈渐次增加趋势，到后期吸磷量仍较高（肖纪珍和任凤兰，1990）。

本试验发现，根系分区交替灌溉条件下，当施氮量、施磷量和灌水量均为中间水平时，番茄中番茄红素含量不随施钾量而变化；当灌水量低于中间水平时，较高水平的施钾量可以提高番茄红素含量。均匀灌水条件下的研究表明，合理施用钾肥可以显著提高加工番茄果实番茄红素含量（Lester et al.，2006；张炎 等，2008），番茄果色与果实中钾的含量显著相关（Trudel &Ozbun，1971）。这可能与钾离子通过直接作用于番茄红素合成过程中的某个基因或酶，或者是通过电子传导链发挥非直接调控作用参与类胡萝卜素的生物合成过程有关（任彦 等，2006）。但也有研究指出，钾肥供应对番茄红素含量没有影响（Flores et al.，2004）。因而，可以认为，施钾量对番茄中番茄红素含量的影响与其他因素诸如灌水量及氮、磷肥供应等有密切关系，还需进一步深入研究。

当灌水量、施氮量、施磷量与施钾量分别为0.33 W（10 962.34 mL）、0.96 g·kg-1、0.528 g·kg-1、0.84 g·kg-1时，番茄红素含量最高，达258.17 μg·g-1。

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