根系分区交替灌溉条件下水肥供应对番茄果实硝酸盐含量的影响

2013-05-14周振江牛晓丽胡田田

生态学报 2013年7期

周振江，牛晓丽，李瑞，胡田田，*

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

近年来，在蔬菜消费中人们越来越注重其品质与安全，蔬菜的优质与安全生产成为研究者们关注的课题。研究表明，人体摄入的硝酸盐大部分来自蔬菜，约占70%—80%［1］。硝酸盐含量是影响蔬菜品质的一个重要指标。目前，由于过量灌水、施肥以及化肥的不合理施用导致的蔬菜硝酸盐含量增加、品质下降以及土壤酸化、肥力退化等现象非常普遍，科学、合理的水肥管理技术是保证蔬菜优质、高效、安全生产的关键。自20世纪90年代以来，研究者就如何降低蔬菜硝酸盐含量等方面做了较为深入的研究。然而，已有的研究大多集中于水肥单因子或不同肥料配比的效果上［2-4］，综合考虑灌水量和氮、磷、钾、有机肥用量5个因素的研究，还鲜见报道。

根系分区交替灌溉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［5］。目前关于根系分区交替灌溉本身对作物对生长生理特性及产量与品质的研究很多［6-7］，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［8］，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。因此，本文在分根区交替灌溉条件下，应用五元二次正交旋转组合设计，研究不同水肥施用水平对番茄果实硝酸盐含量的影响，通过回归分析、单因素效应及交互效应分析，定量研究番茄果实硝酸盐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、安全生产提供理论与现实依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2010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。供试番茄为毛粉802，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1.30 g/cm3。两边分别安装一支PVC管用于灌水(长30 cm，直径2.5 cm)。灌水管外层用1 mm直径纱网缠绕两层，共打3排圆孔，PVC管距桶底部5 cm。

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，土壤基本理化性状为，土壤干容重为1.30 g/cm3，土壤有机质16.09 g/kg，全氮0.85 g/kg，全磷0.68 g/kg，碱解氮50.5 mg/kg，速效磷14.73 mg/kg，速效钾140.47 mg/kg，田间持水量为24%。

2010年6月5日移栽定植，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θf。缓苗期为8 d，待缓苗期过后，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。于盛果期采收两颗红熟度相同的果实进行品质测定。

1.2 试验方案

试验设灌水量、施氮量、施磷量、施钾量和有机肥用量5个因素，采用五元二次正交旋转组合设计的1/2实施方案［9］，共36个处理，3次重复。为节省篇幅，略去详细的试验方案，仅将各因素具体的上下水平及变化间距列于表1。

表1 试验因子水平编码表Table 1 The codes and levels of experimental factors

试验所用氮、磷、钾肥料分别为尿素(含纯N为46%)，过磷酸钙(含P2O5为15%)和硫酸钾(含K2O为50%)，有机肥料为腐熟的牛粪(全氮、全磷、全钾含量分别为3.17、3.16、2.12 g/kg)。有机肥和磷肥一次性基施，氮肥和钾肥按照基追比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，追肥方法为穴施。

1.3 测定项目及方法

番茄果实中硝酸盐含量采用水杨酸-硫酸法［10］测定。

1.4 数据处理

试验数据用DPS软件进行番茄果实硝酸盐含量与各水肥因子用量间的关系模拟，用Excel及Matlab软件对分析结果进行图表的处理。

2 结果与分析

2.1 番茄果实硝酸盐含量与灌水量以及氮、磷、钾和有机肥用量间的关系

以五元二次多项式拟合灌水、施肥5个因子Xi的编码值(取值范围为［-2，2］)和番茄果实中硝酸盐含量Y的关系，并对方程进行方差分析，剔除不显著项，得到最终的简化模型如下:

方差分析表明，F回=4.91＞F0.01(14，21)=3.07，各项回归系数的F值依次为F1=8.83，F3=1.65，F5=7.67，F11=12.37，F22=2.21，F33=10.82，F14=4.83，F15=8.99，F23=2.10，F24=2.34，F35=4.82(F0.25(1，21)=1.40;F0.1(1，21)=2.96;F0.05(1，21)=4.32;F0.01(1，21)=8.02)。可见，水肥因子与果实硝酸盐含量的回归关系达到极显著水平，能反映番茄果实硝酸盐含量随灌水量和氮、磷、钾及有机肥用量的变化情况，可以用来进行果实硝酸盐含量的预测。

2.2 水肥各单一因素对番茄果实硝酸盐含量的影响

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，即固定其它因素为0水平，得到水肥用量各因素对于番茄硝酸盐含量的一元二次偏回归子模型如下:

由以上模型可绘出水肥用量单一因子与番茄硝酸盐含量的关系，见图1所示。

图1 水肥单因子(Xi)与番茄硝酸盐含量的关系Fig.1 Relationship between single factor and nitrate content in tomato

图1表明，番茄果实硝酸盐含量随灌水量增加而降低，之后又逐渐增加，番茄最低硝酸盐含量的灌水量编码值为-0.49，当灌水量大于或小于此值时都将导致番茄硝酸盐含量升高，说明只有在适量灌水条件下才能有效降低番茄硝酸盐含量。图1还表明，随着施氮量、施磷量的增加，番茄中硝酸盐含量均呈现先增加后降低的趋势;随有机肥用量增加，番茄中硝酸盐含量逐渐增加。与这四个因子不同，番茄果实中的硝酸盐含量不随钾肥用量而变化。

2.3 水肥两两因素对番茄果实硝酸盐含量的耦合效应

番茄果实硝酸盐含量受到多因素的影响，任何单因素的影响都不是孤立存在的。在多因素试验中，只有对因子间的交互作用进行分析才能揭示事物本身内在的联系。在本试验中，一共有10个交互项因素，比较显著的交互项有:X1X4、X1X5、X2X3、X2X4、X3X5。其中 X1X5达到极显著水平，X1X4、X3X5达显著水平，其它均为较显著水平。降维法处理后可以得到如下子模型:

2.3.1 灌水量与施钾量对番茄果实硝酸盐含量的耦合效应

灌水量和施钾量的交互项系数为-0.79，二者间存在负的交互效应。从表2可以看出，不论施钾量如何变化，果实硝酸盐含量均随灌水量呈先减小后增加变化趋势，而且其平均值相同。施钾量的情况则不同:当灌水量高于中水平(W)时，果实硝酸盐含量随着施钾量的增加而减小;等于中水平时，不随施钾量而变化;低于中水平时，随施钾量增加而增大。表明灌水量较高的条件下增施钾肥有利于降低硝酸盐含量，而灌水量比较低的条件下施用钾肥的作用相反。

表2 灌水量与施钾量的耦合效应Table 2 Coupling effect of irrigation amount and potassium fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.2 灌水量与有机肥用量对番茄果实硝酸盐含量的耦合效应

灌水量与有机肥用量对番茄果实硝酸盐含量的交互项系数为-1.08(式(1))，其交互作用最大，且为负效应，表明二者间的相互作用可抑制番茄硝酸盐累积。从图2可以看出，当灌水量大于中水平时，番茄硝酸盐含量随着有机肥用量的增加而减少，其它灌水量时，趋势相反。当有机肥用量为低水平时，番茄硝酸盐含量随灌水量增大而增加;随有机肥用量的增大，硝酸盐含量随灌水量的变化趋势是，先降低后增加，且最低硝酸盐含量的灌水量随有机肥用量增加而增大。有机肥用量为低水平(不施有机肥)、灌水量为低水平(1/3W)和高水平(5/3W)时分别有最低、最高硝酸盐含量，分别为:11.85和24.01 mg/kg。可见，较高灌水水平下提高有机肥用量有利于降低番茄果实硝酸盐含量。

2.3.3 施氮量与施磷量对番茄果实硝酸盐含量的耦合效应

施氮量与施磷量对番茄果实硝酸盐含量的耦合效应关系如图3所示，为上凸曲面，表明当其它因子为中水平时硝酸盐含量随着施氮量、施磷量均呈抛物线状变化，即随施氮量、施磷量的变化呈现先增加后降低的变化趋势。二者间的交互项系数为+0.52，即施氮量和施磷量间存在正交互作用，二者相互作用促进番茄果实硝酸盐积累。硝酸盐含量最大值在施氮量、施磷量处于中水平(0.240、0.132 g/kg)附近时达到。当施磷量处于高水平(0.264 g/kg)时有最低硝酸盐含量，其平均值为11.09 mg/kg;当施氮量与施磷量分别为低水平(不施氮)和高水平时有最低硝酸盐含量8.25 mg/kg。可见，适当增加磷肥用量、降低氮肥用量有利于降低番茄果实硝酸盐含量。

图2 灌水量和有机肥用量对番茄硝酸盐含量的影响Fig.2 Effect of irrigation and organic fertilizer amount on nitrate content in tomato

图3 施氮量和施磷量对番茄硝酸盐含量的影响Fig.3 Effect of nitrogen and phosphorus fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.4 施氮量与施钾量对番茄果实硝酸盐含量的耦合效应

施氮量与施钾量对番茄果实硝酸盐含量的交互作用项系数为-0.55(式(1))，二者间的相互作用可以抑制番茄果实中硝酸盐的累积。当钾肥用量一定时，随着施氮量增加，番茄果实硝酸盐含量先增加后减小(表3)。当施氮量为中水平时，硝酸盐含量不随施钾量变化;当施氮量低于中水平时，随着施钾量的增大硝酸盐含量逐渐增加;当施氮量高于中水平时，随着施钾量的增大硝酸盐含量逐渐下降。从表3还可以看出，当施氮量、施钾量同时处于高水平或低水平时有最低硝酸盐含量12.25 mg/kg，对应的N、K2O实际施用量为0、0 g/kg或者0.480、0.420 g/kg。可见，施氮量较高时，增施钾肥有助于降低番茄果实中硝酸盐含量。

表3 施氮量与施钾量的耦合效应Table 3 Coupling effect of nitrogen and potassium fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.5 施磷量与有机肥用量对番茄果实硝酸盐含量的耦合效应

施磷量与有机肥用量对番茄果实硝酸盐含量的交互作用项系数为+0.79(式(1))，表现出显著的正交互作用，二者间的耦合效应如表4所示。可以看出，不施磷肥时，随有机肥用量增大，番茄果实硝酸盐含量逐渐降低，变异系数为8.99%;对增施磷肥的各个水平，硝酸盐含量随有机肥用量的增加均呈增大趋势，而且，增加的幅度随磷肥用量明显增大。各有机肥用量条件下，番茄果实硝酸盐含量随施磷量的变化趋势，均呈现出先增加后减小的趋势，所不同的是最大硝酸盐含量的施磷水平随有机肥用量而增大，且硝酸盐含量的绝对值也增大。以不施有机肥且磷肥施用量最高时的硝酸盐含量最低，为7.05 mg/kg，较不施磷肥且有机肥用量最大时的11.85 mg/kg降低了40.5%。可见，适当增加磷肥用量、降低有机肥用量有利于显著降低番茄果实硝酸盐的累积。

表4 施磷量与有机肥用量的耦合效应Table 4 Coupling effect of phosphorus and manure fertilizer level on nitrate content in tomato

3 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对生长生理特性及产量与品质的影响方面，关于这种灌溉方式下水肥供应对农作物产量的影响方面也有一些报道，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方面，还鲜见报道。本研究表明，根系分区交替灌溉条件下，番茄果实硝酸盐含量随灌水量先减小后增加。原因可能在于，一方面，干旱条件下，植物体内硝酸还原酶(NR)合成受阻，分解加快，含量下降，活性降低，导致NO-3累积增加［11］;同时，干旱条件下土壤通气良好，有利于硝化作用的进行，提高了土壤中NO-3可供应量。另一方面，当灌水量增加导致土壤含水率增大时，尽管土壤NO因为淋失机会增多其含量可能减小［12］，但本试验中最大土壤含水率控制在田间持水量，其淋失的可能性很小。而且，质流是土壤NO向根表迁移、从而被根系吸收的主要方式［13-14］，灌水量增加必然加快了NO在土壤中的迁移，有利于植物对NO的吸收。同时，土壤含水率增大导致的根系缺氧也会引起植物体内硝酸还原酶活性下降［15］，从而导致NO在作物体内的累积。关于灌水量对番茄硝酸盐累积的影响及其机理，尚需进一步深入研究。

本研究发现，根系分区交替灌溉条件下，随施氮量的增加，番茄果实硝酸盐呈现先增大后减小的变化趋势。均匀灌水条件下的研究也表明，在一定范围内，番茄果实硝酸盐含量随施氮量增加先增加而后下降［16］，番茄果实硝酸盐含量不受氮肥品种和用量的影响或者影响甚微［17-18］。这与前人关于叶菜类的研究结果［19-20］矛盾。原因可能在于，茄果类蔬菜富集硝酸盐的能力较弱［17-18］，而且，果实中的硝酸还原酶活性不随施氮量的变化而变化，其果实硝酸盐含量随施氮量变化不显著［17］。除了氮肥用量与形态、施肥方式以外，番茄硝酸盐的积累可能与番茄果实自身对NO的吸收同化等有密切关系，其机理有待进一步深入研究。

本试验条件下，番茄果实硝酸盐含量与水肥用量的回归模型中，施钾量的一次及二次项皆不显著，番茄果实中的硝酸盐含量不随钾肥用量而变化。但增施钾肥，可以通过与施氮量间的负交互效应达到降低番茄果实硝酸盐含量的效果(表2，表3)，这与秦松等［21］均匀灌水条件下施用钾肥可抑制番茄果实中高量氮肥造成的硝酸盐过多累积的结论一致。原因可能在于，钾在氮素代谢中起重要作用，高氮水平时，钾能更好地促使NO同化，促进氮素转化为氨基酸和蛋白质，从而减少硝酸盐在果实内的累积［21］。

应用Matlab软件对回归模型求得番茄果实硝酸盐含量最大值为28.52 mg/kg，该值低于国家标准600 mg/kg［3］，这与番茄属于茄果类蔬菜，为低硝酸盐积累的蔬菜有关，同时也说明分根区交替灌溉不会造成番茄果实硝酸盐含量偏高。

4 结论

本研究通过盆栽试验，采用五元二次正交旋转组合设计，研究了根系分区交替灌溉条件下灌水量和氮、磷、钾、有机肥用量五因子对番茄果实硝酸盐含量的影响，通过分析得到如下主要结论:

(1)本试验条件下，灌水量对番茄果实硝酸盐含量具有重要影响，中等灌水量有利于降低硝酸盐在番茄果实内的积累;灌水量与施钾量、灌水量与有机肥量对番茄果实硝酸盐累积具有负的交互作用，适量灌水及水肥的合理搭配均可以有效降低果实硝酸盐含量，特别是当灌水量较高时，提高钾肥与有机肥的用量，其效果更为显著。

(2)随有机肥用量的增大，番茄果实硝酸盐含量呈线性增加趋势;随施氮量和施磷量的增加，番茄果实硝酸盐含量呈先增大后降低的变化规律;施磷量与有机肥用量、施磷量与施氮量对番茄果实硝酸盐含量表现为正交互效应，钾肥可以通过与灌水量和施氮量间的负交互效应达到降低番茄果实中硝酸盐含量的效果。

致谢:西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室为本试验提供了诸多先进仪器，特此致谢。

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