水肥耦合对日光温室袋培番茄产量和品质的影响

2015-01-07王鹏勃李建明丁娟娟刘国英

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2015年10期

关键词：硝酸盐水肥番茄

王鹏勃，李建明，丁娟娟，刘国英，郑刚

(1 西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100；2 农业部西北设施园艺工程重点实验室，陕西杨凌 712100)

水肥耦合对日光温室袋培番茄产量和品质的影响

王鹏勃1,2，李建明1,2，丁娟娟1,2，刘国英1,2，郑刚1,2

(1 西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100；2 农业部西北设施园艺工程重点实验室，陕西杨凌 712100)

【目的】探讨水分和肥料对有机基质袋培番茄产量及品质的影响，为有机基质袋培番茄的高产优质生产提供技术支撑。【方法】在日光温室条件下，以番茄品种“金鹏1号”为试材，设置低肥36 029 mg(LF)、中肥 51 470 mg(AF)、高肥66 911 mg(HF)3种单株施肥量水平和低水量84 L(LW)、中水量120 L(AW)、高水量156 L(HW)3种单株灌水量水平，将二者耦合为9个处理(LFLW、LFAW、LFHW、AFLW、AFAW、AFHW、HFLW、HFAW及HFHW)，并以常规土壤栽培作为对照(CK)，研究水肥耦合对有机基质袋培番茄产量和品质的影响，同时基于主成分分析对水肥耦合不同处理进行了多目标综合评价。【结果】袋培番茄的产量随着水肥施用量的升高而增加；在相同水分条件下，番茄果实中的硝酸盐、可溶性蛋白和可滴定酸含量随着肥料用量的升高而增加，而Vc、番茄红素、还原糖以及可溶性糖含量却呈现先增加后减少的变化趋势；在相同肥料用量下，随着基质含水量的增加，番茄果实中的硝酸盐、Vc、可溶性蛋白、还原糖以及可溶性糖含量逐渐降低，表现为“稀释效应”，番茄红素含量则在中水处理下较高；基于番茄产量和品质指标的主成分分析结果显示，品质因子、产量因子及蛋白质因子包含了所有产量和品质信息的93.254 0%，其在不同水肥耦合水平上因子得分的变化趋势与方差分析结果基本相符，能更加直观和科学地对不同水肥耦合水平下的栽培效果作出评价。【结论】中肥(5 1470 mg)中水(120 L)处理的综合得分值最高，可以作为有机基质袋培番茄的最佳水肥配比。

有机基质；水肥耦合；番茄；主成分分析；日光温室

近年来，随着设施农业的快速发展，温室番茄在番茄生产与消费中的比例越来越大[1]，同时人们对园艺产品的需求已经从数量型向质量型转变[2]。但由于温室具有高温高湿的生长环境以及土壤盐渍化的特点，极易产生病虫害[3]，致使番茄的营养品质和产量大幅降低。肥料和水分是影响园艺产品产量和品质的主要因素[4]，灌水可以增加作物的产量，但会降低果实Vc、糖、有机酸等品质指标[5]，合理的营养液浓度能促进果实内可溶性固形物、还原糖以及游离氨基酸含量的增加[6]，如何进行合理的水肥管理，在保证一定产量的前提下改善果实品质，寻找二者之间的平衡点，已成为温室番茄高产优质种植过程中的关键难题。

有机基质栽培是一种简易的无土栽培方式，是将农业废弃物经发酵后按一定比例配成复合基质栽培作物，作物生长所需的部分养分来自于栽培基质，不足的矿质营养可通过施肥补充供给[7]。这种方式可有效克服土壤盐渍化、土传病虫害严重等连作障碍问题，减少农药和肥料的使用量，同时提高作物产量和品质[8]。近年来，针对温室内土壤栽培番茄水肥耦合效应的研究已有大量报道[9-10]，然而关于有机基质栽培番茄的研究大多集中在基质配方的筛选[11-12]及水分和肥料单一因素的影响效应方面[13-15]，且以槽式栽培为主。袋式栽培植株因根系生长空间有限，其根系形态、根系生长环境及植株生长与其他栽培方式有很大区别[16]，但是针对有机基质袋培番茄水肥耦合效应的相关研究尚未见报道。因此，本试验以番茄品种“金鹏1号”为试验材料，研究水肥耦合对有机基质袋培番茄产量和品质的影响，同时利用主成分分析法确定袋式基质栽培番茄的最佳水肥配比，以期为番茄小根域袋式基质栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为“金鹏1号”，由陕西杨凌农城种业提供。栽培基质为前期育苗试验所甄选的优质配方：V(菇渣)∶V牛粪)∶V(珍珠岩)=3∶3∶4。其中的菇渣由杏鲍菇废弃菌棒经粉碎腐熟后风干制得，由杨凌康龙菌业提供；腐熟牛粪和珍珠岩购于陕西康照农业有限公司；基质袋为无土栽培专用袋(规格为60 cm×40 cm，材质为外白内黑的PE薄膜)。将菇渣、牛粪和珍珠岩混匀配制成复合基质，其基本理化性质如下：体积质量0.25 g/cm3，总孔隙度64.04%，通气孔隙度20.30%，持水孔隙度43.74%，pH 6.52，EC值3.09 ms/cm，速效氮 1 882.04 mg/kg，速效磷251.40 mg/kg，速效钾 3 310.38 mg/kg，代换钙990.17 mg/kg，代换镁182.36 mg/kg。

1.2 试验设计与方法

试验于2013-03-01-06-30在杨凌现代农业示范园日光温室(长度50 m，跨度10 m，脊高4.7 m)及农业部西北地区设施园艺工程重点实验室内进行。将复合基质装袋，每袋装基质6 kg，待番茄长至四叶一心时定植幼苗2株，留6穗果打顶，种植期间不喷施任何农药和激素，利用水肥一体化系统进行水肥处理，除水分和肥料外其他管理措施同常规栽培。

试验设置水分和肥料2个自变量，单株施肥量设3个水平：低肥36 029 mg(LF)、中肥51 470 mg(AF)、高肥(HF)66 911 mg ；单株灌水量设3个水平：低水量84 L(LW)、中水量120 L(AW)、高水量156 L(HW)。将水分和肥料二因素耦合，得到9个处理(LFLW、LFAW、LFHW、AFLW、AFAW、AFHW、HFLW、HFAW及HFHW)，以常规土壤栽培作为对照(CK)，共10个处理。按照随机区组试验设计，每个小区定植44株番茄，3次重复，共30个小区，小区面积为6.88 m2(0.8 m×8.6 m)，小区内栽培袋双行摆放，株行距为40 cm×40 cm。

试验中的AF根据霍格兰(Hoagland)和阿农(Arnon)营养液试验中番茄植株一生N、P、K、Ca、Mg的吸收量来确定，而LF和HF由AF分别向上、向下浮动30%来确定。实际生产中，各处理营养液中化合物用量的算法如下：霍格兰(Hoagland)和阿农(Arnon)的研究表明，正常生长番茄(AF)一生中N、P、K、Ca、Mg的吸收量分别为14 790，3 680，23 060，7 100，2 840 mg/株，共计51 470 mg/株，减去复合基质中的速效氮、速效磷、速效钾、代换钙、代换镁的含量(单位为mg/kg)，可得每株番茄需要补充的N、P、K、Ca、Mg的量分别为653.13，94.38，335.78，102.98和94.36 mmol，然后根据灌水量计算灌溉营养液中各元素的浓度，最后确定所需化合物的用量，结果见表1。试验中AW根据预试验中袋培番茄生长所需水量确定，而LW和HW分别是AW向上、向下浮动30%的结果，具体水分处理见表2(水肥处理均在06-28停止)。本试验参考前人研究结果[9]，将番茄整个生育阶段划分为：苗期，定植后至现花期(2013-03-01-2013-03-18)；开花坐果期，现花期至第一穗果长至核桃大小时(2013-03-19-2013-04-04)；果实膨大期,第一穗果核桃大小至采收前(2013-04-05-2013-04-25)；采收期，开始采收至拉秧(2013-04-26-2013-06-28)。

表1 日光温室袋培番茄水肥耦合试验的肥料处理Table 1 Fertilizer treatments on water and fertilizer coupling for tomato cultivated with organic substrate in bag

表2 日光温室袋培番茄水肥耦合试验的水分处理Table 2 Water treatments on water and fertilizer coupling for tomato cultivated with organic substrate in bag

1.3 测定项目及方法

1.3.1 基质理化性质在番茄定植前，测定复合基质的理化性质，其中基质的体积质量、总孔隙度以及通气孔隙度等物理特性参照连兆煌[17]的方法测定，基质的化学特性参照《土壤农化分析》[18]中的方法测定。

1.3.2 番茄果实产量和品质番茄果实于2013-04-28开始采摘，06-30结束。番茄产量和结果数量在每次采摘时以小区为单位进行测定，最后累积计算产量。在第3穗番茄成熟期，每小区随机采取 1 500 g果实鲜样，蒸馏水洗净后用组织捣碎机研磨均匀，测定其品质指标。可溶性蛋白用考马斯-G250染色法测定，维生素C用2,6-二氯靛酚滴定法测定，可溶性糖用蒽酮比色法测定，还原糖用 3,5-二硝基水杨酸法测定，可滴定酸用 0.1 mol/L NaOH 滴定法测定，番茄红素参照GB14215-2008中的方法进行测定，硝酸盐以沸水浸提后用紫外分光光度法测定。

1.4 数据处理与统计分析

1.4.1 番茄产量和品质的主成分分析与综合评价由不同处理的番茄品质和产量指标构成主成分分析的相关矩阵, 根据主成分分析确定的不同主成分的线性组合与贡献率之积的和，综合评价水肥耦合对番茄产量和品质的影响，从而选出最佳水肥组合。

假定有n个评价对象，每个对象有p个测定指标，记为x1,x2,…，xp，形成数据矩阵X：

具体分析、评价步骤如下：

1)为保证综合评价指标的优劣方向一致，需要对低优指标进行同趋化处理,方法为在低优指标前加负号，即xij′=-xij。

2)为消除不同评价指标的量纲影响，需对同趋化处理后的评价指标分别进行标准化处理。即：

3)计算标准化评价指标zj=(z1j,z2j,…,znj)T的相关关系矩阵。即：

式中：rik表示评价变量zj与zk之间的相关系数，k=1，2，…，p。

4)计算R的特征根λk及相应的特征向量αk=(αk1,αk2,…,αkp)T，得到第k个主成分fik。

fik=αk1zi1+αk2ziz+…+αk2zip。

式中：zip(i=1,2,…,n)为标准化处理后的评价指标。

5)以主要主成分的方差贡献率η为权重，将少数m个主要主成分(累积方差贡献率大于85%)进行线性组合，形成各样本的综合得分值Fi，然后根据各样本的综合得分进行排名评价。

Fi=η1fi1+η2Fi2+…+ηmfim。

1.4.2 数据处理采用DPS 7.05软件对试验数据进行主成分分析和方差分析，不同处理间的多重比较采用Duncan’s新复极差法，用Excel 2003进行数据统计和作图。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对番茄产量的影响

由表3可以看出，各水肥耦合处理番茄平均单果质量的差异并不显著，其中处理AFAW和AFHW的平均单果质量较大，分别为169和168 g，LFLW、HFHW和CK处理的平均单果质量最小，均为143 g。

表3 水肥耦合对日光温室袋培番茄产量的影响Table 3 Effect of water and fertilizer coupling on yield of tomato cultivated with organic substrate in bag

注：LF、AF、HF分别表示低肥、中肥、高肥，LW、AW、HW分别表示低水量、中水量高水量；同列数据后标不同字母表示在P<0.05水平差异显著；下同。

Note:LF,AF,and HF express low fertilizer,average fertilizer,and high fertilizer.LW,AW,and HW express low water,average water, and high water.Values followed by different small letters in each column are significantly different atP<0.05.The same below.

表3还表明，在相同施肥量条件下，番茄平均单果质量随着基质含水量的升高而增大；而在相同水分条件下，平均单果质量却随着基质营养状况的改善呈先增大后减小的变化趋势。HFHW处理的单株产量和单位面积产量均最大，比对照增产21.9%，但与处理HFAW、AFHW以及AFAW并无显著差异；除LFLW处理之外，其他处理番茄的各产量指标均大于对照处理；番茄产量随着水肥用量的升高而增加，但在相同肥料条件下，各水分处理番茄产量的增加趋势明显减缓。

2.2 水肥耦合对番茄品质的影响

2.2.1 硝酸盐含量由表4可知，不同水肥处理对番茄果实硝酸盐含量有显著影响，其中CK处理番茄果实的硝酸盐含量最高，为254.26 mg/kg，显著高于其他处理；而水肥耦合各处理中以LFHW处理的硝酸盐含量最少，为51.02 mg/kg，分别比硝酸盐含量最高的HFLW处理和CK降低了67.2%和79.9%。水分和肥料对番茄果实硝酸盐含量的影响趋势不同，相同水分条件下，果实硝酸盐含量随着肥料用量的升高而增加，并且增加趋势非常明显；而在相同肥料条件下，果实硝酸盐含量却随着基质含水量的增加而降低。

表4 水肥耦合对日光温室袋培番茄品质的影响Table 4 Effect of water and fertilizer coupling on quality of tomato cultivated with organic substrate in bag

2.2.2 营养品质表4显示，Vc、番茄红素、可溶性蛋白、还原糖和可溶性糖的含量均以CK最低，且显著低于各水肥耦合处理；不同的水肥组合对番茄品质的影响趋势不同，在相同水分条件下，番茄果实的可溶性蛋白和可滴定酸含量随着肥料用量的升高而增加，而番茄中的Vc、番茄红素、还原糖及可溶性糖含量却呈现先增加后减少的变化趋势；在相同肥料用量下，随着基质含水量的增加，番茄果实的Vc、可溶性蛋白、还原糖及可溶性糖含量逐渐降低，而番茄红素含量则以中水处理下较高。

表5 水肥耦合对日光温室袋培番茄口感接受度的影响Table 5 Effect of water and fertilizer coupling on flavor acceptability of tomato cultivated with organic substrate in bag

2.3 基于番茄产量和品质的主成分分析

以番茄的单果质量(x1)、单株产量(x2)、硝酸盐(x3)、Vc(x4)、番茄红素(x5)、可溶性蛋白(x6)、还原糖(x7)、可溶性糖(x8)、可滴定酸(x9)及口感接受度(x10)为评价指标，利用DPS7.05数据处理系统的主成分分析法得到各指标的特征向量和特征值见表6和表7。由表6、表7可知，前3个主成分的方差累积贡献率达到93.254 0%(主成分F4～F10只包含了原始数据变异信息的6.75%，故表中未列出其数据)，包含了原始数据的大部分变异信息，故选择前 3 个主成分评价水肥耦合效应对有机基质袋培番茄的影响是可靠和科学的。其中第1主成分(F1)的方差贡献率为47.685 4%，在还原糖、可溶性糖、Vc、口感接受度、硝酸盐等品质指标上均有较大的因子载荷，包含了大部分的品质变异信息，可以称其为品质因子；第2主成分(F2)则主要反映与番茄产量相关的信息，其方差贡献率为26.726 6%；决定第3主成分(F3)的是可溶性蛋白，其因子载荷值最大，可以称F3为蛋白质因子，属于品质因子的一种，其方差贡献率为18.842 1%。

表6 水肥耦合影响日光温室袋培番茄产量和品质的前3个主成分的特征向量Table 6 Eigenvectors of the first three main principle components for effect of water and fertilizer coupling on yield and quality of tomato cultivated with organic substrate in bag

表7 水肥耦合影响日光温室袋培番茄产量和品质的前3个主成分的特征值和贡献率Table 7 Eigenvalues and contributions of the first three main principle components for effect of water and fertilizer coupling on yield and quality of tomato cultivated with organic substrate in bag

2.4 水肥耦合效应的综合评价

根据各主成分的因子得分，可以更直观地判断各水肥耦合处理番茄产量和品质在所有处理中的位置和优劣程度，可以更加科学地筛选出最佳水肥耦合配比。从表8可以看出，各水肥耦合处理番茄的品质因子得分和产量因子得分均高于常规土壤栽培(CK)。其中AFLW处理的品质因子得分最高，达到2.858 2，但其产量因子的得分却较低；HFHW处理的品质因子得分较低，而产量因子得分较高；蛋白质因子的得分随着基质含水量的降低而升高，随着肥料用量的增加而增大，这些均与方差分析结果一致。各处理的主成分分析综合得分排名顺序由大到小依次为AFAW>AFLW>AFHW>LFAW>LFLW>HFLW>LFHW>HFAW>HFHW>CK，其中以AFAW处理最佳，其综合得分为1.362 1，AFLW处理次之，CK的综合得分最低，为-2.862 1，远远差于不同水肥耦合处理。

表8 水肥耦合处理对日光温室袋培番茄产量和品质影响的综合效应评价Table 8 Comprehensive evaluation on effect of water and fertilizer coupling on yield and quality of tomato cultivated with organic substrate in bag

3 讨论与结论

3.1 水肥耦合对有机基质袋培番茄产量的影响

本研究结果表明，不同水肥耦合处理下的番茄产量随着水肥施用量的升高而增加，这与刘燕等[21]的研究结果一致，只是增加的速率逐渐降低，这可能是因为水分和肥料对番茄产量的增加存在一个阈值，一旦超过这个阈值，其产量便不会再增加反而可能会降低。另外，有机基质袋培番茄的产量显著高于常规土壤栽培，这与Martinini等[22]和Berner等[23]的研究结果相符，可能是因为有机基质可以改善番茄植株的根际微环境，从而促进根系发育，增强根系活力，使其吸收更多的养分供给地上部分；另一方面，有机基质中含有大量的有益微生物，并在根系表面形成“微生物防御墙”，可有效抑制病原菌的入侵，使植株健康生长，最终促进番茄产量的增加。

3.2 水肥耦合对有机基质袋培番茄品质的影响

对蔬菜品质的评价和相互比较是复杂且充满争议的，即使在相同的种植条件下，增加土壤的微生物数量或改变电磁环境，都会对蔬菜的Vc和矿物质含量产生影响[24]。本研究发现，在相同的肥料用量下，随着基质含水量的增加，番茄果实的硝酸盐、Vc、可溶性蛋白、还原糖以及可溶性糖含量均逐渐降低，表现出“稀释效应”，这与夏秀波等[13]的研究结果一致；而番茄红素含量在中水处理下较高，这是因为番茄红素是一种具有极强抗氧化能力的物质，其本身非常不稳定，可能对肥料用量的升高较为敏感，所以才会呈现这种变化趋势。

本试验发现，在相同的基质含水量条件下，袋培番茄果实的硝酸盐、可溶性蛋白和可滴定酸含量均随着肥料用量的升高而增加，这与张国红等[25]的研究结果相近。硝酸盐含量的升高会影响人体健康，而可溶性蛋白含量的升高会使番茄植株的抗病性降低[26]。同样在相同基质含水量条件下，随着肥料用量的增加，番茄中的Vc、番茄红素、还原糖以及可溶性糖含量却表现出先增加后减少的变化趋势，这说明适度改善基质中的营养供给可以提高番茄的品质，若肥料过量反而会使其品质降低。

本试验结果表明，相对于常规土壤栽培，有机基质栽培可以显著提高园艺产品的品质，这与前人[27-28]的研究结果基本一致；宋晓晓等[29]的研究结果表明，12种有机基质栽培生菜的硝酸盐含量是常规土壤栽培的15.65%～71.72%，可见有机基质栽培可以大幅度减少园艺产品的硝酸盐含量，而本研究中各水肥处理的硝酸盐含量同样远低于常规土壤栽培。有机基质可以保证番茄植株的营养平衡，控制硝酸盐累积，其原因可能有二：一是有机基质为某些微生物(如反硝化细菌)提供了充足的能源和养分，提高了其活性，而反硝化细菌可降低栽培基质中的硝酸盐含量，从而有效减少果实中硝酸盐的积累；二是有机基质能提供较多的钾和磷素营养。相关研究表明，钾可以降低蔬菜中的硝酸盐含量[30-31]，当基质中富含钾素时，硝态氮能很快被转化为合成氨基酸的原料[32]；磷也有利于硝酸根的转化，缺磷时硝酸还原酶的活性较低，容易导致硝酸盐积累。本试验采用的菇渣复合基质同样富含钾和磷，其在一定程度上抑制了硝酸盐的积累。

3.3 基于主成分分析的综合评价

作物产量和品质是实现商品价值的重要因素，二者的同步提高已成为当代园艺生产所追求的主要目标，但一般来讲，品质的提高往往伴随着产量的下降[33]。主成分分析在小麦、玉米等多种作物性状评价与种质资源的综合评价中已得到了广泛运用[34-35]，而有关水肥耦合对番茄产量和品质影响的研究，依然停留在运用数量分布和方差分析等层面，很难客观全面地对其综合效果进行评价。

本研究以番茄产量和10个品质指标作为评价要素进行了主成分分析和综合评价，结果发现，前3个主成分包含了所有产量和品质信息的93.254 0%，可以作为评价水肥耦合对有机基质袋培番茄综合影响的主要因子，可以称其为品质因子、产量因子和蛋白质因子。不同水肥处理对番茄产量及各品质指标的影响趋势和影响力不同，从这3个主成分在不同处理上的得分值及其分布情况可以看出，评价效果与方差分析结果基本一致，能更加直观和系统地对水肥耦合效应的影响效果作出评价，综合得分越高则栽培效果越好，其中AFAW处理即中肥(51 470mg)和中水(120L)处理的综合得分值最高，在保证产量不显著降低的情形下品质最优，因此可以选择其作为有机基质袋培番茄的最佳水肥组合。

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Effect of water and fertilizer coupling on yield and quality of tomato cultivated with organic substrate in bag

WANG Peng-bo1,2,LI Jian-ming1,2,DING Juan-juan1,2,LIU Guo-ying1,2，ZHENG Gang1,2

(1CollegeofHorticulture,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2KeyLaboratoryofProtectedHorticultureEngineeringinNorthwestChina,Yangling,Shaanxi712100,China)