全有机营养肥水耦合对番茄品质、产量及水分利用效率的影响

张钧恒，马乐乐，李建明

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

0 引言

【研究意义】目前我国设施蔬菜栽培领域，无机肥（化肥和无机营养液）仍是主要的肥料种类。过度施用无机肥料进行栽培不仅使果实品质降低，同时也导致土壤盐渍化等一系列生产问题[1]，因此减施化肥成为目前我国农业领域重大科技问题。设施蔬菜有机基质栽培及水肥一体化技术研究是实现减肥的主要途径之一。同时，在有机基质袋式栽培条件下，施用有机营养液进行养分补充，可完全取代化学肥料，提高产品品质，从而实现经济和生态效益双丰收，因此，研究全有机营养肥水耦合理论和技术对设施蔬菜栽培实现“零”化肥使用具有重要意义。【前人研究进展】前人对化肥为肥料与土壤栽培为方式的肥水耦合效应进行了大量研究[2-7]，李建明课题组前期在有机基质袋式栽培下，补充无机营养液的肥水耦合对番茄、甜瓜产量品质等的影响研究[8-10]，以及不同粪肥浸提液混合的有机营养液配方及其对番茄、甜瓜幼苗和小青菜生长发育及养分吸收影响方面的研究[11]。【本研究切入点】以往的研究主要集中在无机化肥与水分的耦合效应及其对设施番茄生长发育、产量及水分利用效率的影响，以及单一类型粪肥浸提液和由不同粪肥浸提液混合的有机营养液对番茄幼苗生长的影响方面[11-16]，而针对番茄整个生育期内全有机肥水耦合效应研究尚未有相关报道。【拟解决的关键问题】本试验以番茄为试材，综合肥水耦合与有机营养液配方两方面，研究全有机营养肥水耦合对番茄光合等生理指标、果实品质、产量以及水分利用效率等的影响，探索番茄全有机营养肥水管理模式，确定有机基质栽培下的有机营养液肥水组合，以期为设施番茄全有机营养生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验材料

本试验分为秋季试验和春季试验，分别于2016年8月至12月和2017年3月至7月，在西北农林科技大学园艺学院试验场的大跨度非对称大棚内进行。大棚长32 m，跨度17 m，脊高5.2 m。试材为樱桃番茄（S. lycopersicum var cerasiforme）“千禧”。秋季试验为初步试验，春季试验为重复试验，下文中如无特别说明，试验数据均为春季试验。

试验所用基质是由腐熟牛粪、菇渣和珍珠岩以3∶3∶4的比例混合配制而成[17]。基质理化性质为容重0.366 g·cm-3，持水孔隙45.13%，通气孔隙23.37%，总孔隙 68.50%，pH 6.93，EC 值 2 230 μs·cm-1，速效氮含量 2 343.51 mg·kg-1，速效磷含量 1 026.66 mg·kg-1，速效钾含量 2 312.01 mg·kg-1，有机质含量约为 210.54 g·kg-1。

采用基质栽培袋栽培，栽培袋长3 m，宽0.3 m。采用水肥一体化管理，设备为荷兰HortiMax公司生产的灌溉施肥装置。

1.2 试验设计与方法

试验设置2种有机营养液和1种无机营养液对照：F1（有机营养液配方1）、F2（有机营养液配方2）、F3（日本园试营养液配方）；2个灌水量水平：W1（蹲苗期及阴雨天按ET100%灌溉，其他按ET120%灌溉）、W2（蹲苗期及阴雨天按ET120%灌溉，其他按ET150%灌溉）。按照随机区组试验设计，将营养液配方和灌水量二因素耦合，共得到6个处理（F1W1、F2W1、F3W1、F1W2、F2W2及F3W2），见表1，每个处理3次重复。

ET（日蒸腾蒸发量）由自动连续作物耗水记录仪进行监测。该记录仪本质上是电子秤，在每日灌溉后和次日灌溉前进行称重记录，测定基质及番茄植株的总重量变化，得到 ET值。全生育期内不同水平的水分处理见表2。

试验所用的有机营养液是本课题组试验筛选的两种较优配方[18]，配方1由腐熟猪粪和牛粪浸提液按4∶1的比例混合并稀释5.15倍而成，配方2由腐熟猪粪、牛粪和羊粪浸提液按 4∶1∶1混合并稀释4.31倍而成。3种营养液配方的全氮质量浓度控制相同。不同营养液理化性质及养分含量见表 3。浸提液的制备时，将烘干后的腐熟粪肥与水按 1∶10质量比混合后搅拌，在有氧条件下浸提72 h后取上清液，经过滤分别得到腐熟猪粪、牛粪、羊粪浸提液。全生育期内，不同配方营养液的施用频率及施用量保持一致。开花坐果期，每4 d施1次营养液，每次每株400 mL。自第一穗果膨大开始，每3 d施1次营养液，每次每株500 mL。

表1 试验设计处理Table 1 Treatments of experiment design

表2 单株蒸腾蒸发量及不同水平单株灌水量Table 2 Transpiration and irrigation amount per plant of different levels (mL·d-1)

表3 营养液理化性质及养分含量Table 3 Physical and chemical properties and nutrient content of nutrient solution

秋季试验于2016年8月6日（幼苗5叶1心）时定植，单干整枝，留6穗果摘心，2016年12月28日拉秧。春季试验于2017年3月8日定植，2017年7月5日拉秧。栽培袋两行种植，株距25 cm。每个处理3次重复，小区面积为15.6 m2（13 m×1.2 m），各小区定植80株。除灌水量和营养液配方外，其他管理措施均保持相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片光合作用的测定 采用Li-6800便携式光合仪，于不同生育阶段（开花坐果期、果实膨大期、采收期）测量番茄叶片的各项光合指标（光合速率、蒸腾速率、气孔导度及胞间二氧化碳浓度）。各小区取样 3株，选取其顶部生长点以下第 4片功能叶进行测量。测量时间选择晴天上午 9：00—11：00。

1.3.2 果实产量和品质的测定 秋季试验于2016年10月12日开始采摘，至12月28日拉秧结束。春季试验于2017年4月26日开始采摘，至7月8日拉秧结束。每次采摘时测定小区产量和单果数，最后累积计算产量。在第3穗番茄成熟期，分别在各小区的相同位点取样，选取大小和色泽基本相同的果实进行品质测定，果实样品用蒸馏水洗净后研磨均匀，测定其各项品质指标。可溶性蛋白含量用考马斯-G250染色法测定；可溶性糖含量用蒽酮比色法测定；硝酸盐含量用水杨酸-硫酸法测定；维生素C含量用钼蓝比色法测定；番茄红素含量依照分光光度计法测定[19]；糖酸比用手持糖酸度仪测定。

1.3.3 灌溉水分利用效率 灌溉水分利用效率（IWUE）是指单位灌水量下作物生产的产量，单位为 kg·m-3。

IWUE=Y/I

式中，Y为产量（kg）；I为灌溉量（m3）。

1.3.4 番茄净收益 净收益=产量收益-生产成本，单位为元/株。

1.4 数据处理

采用DPS7.05软件进行方差分析，方法为Duncan新复极差法，用Excel2007进行图表绘制。

2 结果

2.1 全有机营养肥水耦合对番茄光合特性的影响

不同全有机营养肥水耦合处理对番茄各生育期光合作用有显著影响。从不同时期看，净光合速率和蒸腾速率呈现先增高后降低的趋势，果实膨大期最高，采收期最低；气孔导度在开花坐果期和果实膨大期变化幅度不大，采收期则明显降低；各时期番茄叶片的胞间CO2浓度没有显著性差异。叶片的光合能力整体上呈先上升后降低的趋势，在果实膨大期，番茄叶片光合能力最强（表4）。

表4 不同处理对番茄叶片光合特性的影响Table 4 Effects of different treatments on photosynthesis of tomato leaves

果实膨大期，在相同水分条件下，F1和F2对番茄叶片光合速率的影响没有显著性差异，均显著高于 F3，其中 F2W2处理下的光合速率最大，达到29.84 μmol·m-2·s-1，说明与无机营养液处理相比，有机营养液处理可显著提高叶片的光合速率；在相同营养液条件下，W2处理下的叶片光合速率显著高于 W1处理，说明W2灌水量可提高叶片光合速率。不同肥水耦合处理对番茄叶片气孔导度及蒸腾速率的影响规律与光合速率相似，但是不同肥水耦合处理对番茄叶片胞间CO2浓度的影响没有显著性差异。其他时期全有机营养肥水耦合对番茄叶片光合特性的影响与果实膨大期大致相同（表4）。

2.2 全有机营养肥水耦合对番茄果实品质的影响

2.2.1 对果实营养品质的影响 由秋季试验结果可得，有机营养液处理显著提高了营养品质指标含量。春季试验进一步验证了结果的准确性，从表5可以看出，分别在W1、W2条件下，F1和F2的可溶性蛋白及番茄红素含量均没有显著性差异，且极显著高于F3，说明在相同水分条件下，与无机营养液处理相比，两种有机营养液处理对果实中可溶性蛋白及番茄红素含量有明显的提高作用；同时，在 F1、F2、F3条件下，W1的可溶性蛋白含量均极显著高于W2，分别高出47%，27.35%和60.94%，两者的番茄红素含量没有显著性差异，这表明在相同营养液条件下，同灌水量W1处理相比，灌水量W2处理明显降低了果实中可溶性蛋白的含量，表现为“稀释效应”。不同营养液处理对果实中 Vc含量没有显著性影响，而不同灌水量处理则极显著影响了Vc含量。

表5 不同处理对番茄果实品质的影响Table 5 Effects of different treatments on fruit quality of tomato

2.2.2 对果实风味品质的影响 如表5所示，在相同水分条件下，F1和F2的可溶性糖含量及糖酸比均极显著高于F3，各处理中F2W1的可溶性糖含量最高，为68.24 mg·g-1，糖酸比最高为6.92。说明与无机营养液处理相比，两种有机营养液处理可明显提高果实中可溶性糖的含量及糖酸比，从而改善果实风味品质。在相同营养液条件下，随着灌水量的提高，果实中可溶性糖含量降低，说明过多的灌水量反而不利于可溶性糖的积累，有损果实风味品质。

2.2.3 对硝酸盐含量的影响 秋季试验结果表明，灌溉和营养液配方对果实中硝酸盐含量的影响均达到极显著水平，且营养液配方大于灌溉，肥水交互的影响达到显著水平。春季试验得到相同结果。在相同水分条件下，与无机营养液处理相比，两种有机营养液处理极显著降低了果实中硝酸盐的含量，其中F1W2处理最低，为46.38 mg·kg-1。在相同营养液条件下，W1灌水量处理的硝酸盐含量极显著高于W2灌水量处理（表5）。

2.2.4 基于主成分分析的综合品质评价 对番茄品质进行评价时，单项指标无法作为综合评价的依据，因此本研究采用多目标综合评价方法。选取可溶性蛋白（X1）、维生素C（X2）、可溶性糖（X3）、糖酸比（X4）、番茄红素（X5）、和硝酸盐（X6）这6个品质因素作为评价因子，利用DPS数据分析软件进行主成分分析，得到相关矩阵的特征值及特征向量累积贡献率见表 6。结果显示，前两个主成分的累计贡献率已经达到98.41%，满足大于85%的条件，说明前两个主成分可以解释所有变量的主要信息。

为进一步确定主成分与不同品质因子之间的关系，分析主成分载荷矩阵，由成分矩阵可得，2个主成分表达式为：

综合评价计算公式如下：

式中，λ1和λ2分别是前两个主成分的特征根，计算得到不同处理的综合得分，见表 7。可以得出，F2W1处理的综合品质最好，F3W2处理最差。

表6 主要主成分的特征值、贡献率和累积贡献率Table 6 Eigen values, contribution proportions and cumulative contribution proportions of main principle component

表7 不同处理的番茄品质综合评价结果Table 7 Comprehensive evaluation results of different treatments

2.3 全有机营养肥水耦合对产量的影响

由秋季试验可得，F2W2处理的番茄产量最高，达到8.23 kg·m-2，显著高于其他处理。春季试验对产量结果进行了验证，在W1条件下，F1和F2的产量没有显著性差异，且均极显著高于 F3，分别高出18.20%和22.40%；W2条件下，F1和F2的产量也没有显著性差异，且均极显著高于F3，分别高出8.19%和 9.99%（表 8）。说明在相同水分条件下，与无机营养液处理相比，两种有机营养液处理对番茄产量有明显的提高作用，且与灌水量W2处理相比，在灌水量W1处理下有机营养液处理的产量增幅更大。同时，在F1、F2、F3条件下，W2的产量极显著高于W1，分别高出11.18%、9.15%、21.46%，这表明在相同营养液条件下，同灌水量W1处理相比，灌水量W2处理可明显提高番茄产量。

表8 不同处理对番茄产量及灌溉水分利用效率的影响Table 8 Effects of different treatments on yield and irrigation water use efficiency of tomato

2.4 全有机营养肥水耦合对灌溉水分利用效率的影响

由秋季试验数据可得，F2W1处理的番茄灌溉水分利用效率最高，为17.26 kg·m-3，除与F1W1无显著差异外，显著高于其他处理。春季试验结果与之一致，在W1条件下，F1和F2的灌溉水分利用效率没有显著性差异，且均极显著高于 F3，分别高出 18.32%和22.45%；W2条件下，F1和F2也没有显著性差异，且均极显著高于F3，分别高出8.29%和10.06%（表8）。说明在相同水分条件下，与无机营养液处理相比，两种有机营养液处理可明显提高灌溉水分利用效率，且与W2处理相比，在灌水量W1处理下有机营养液处理对灌溉水分利用效率的提高程度更高。显而易见，在灌水量相同的情况下，不同营养液配方处理的灌溉水分利用效率取决于其产量。同时，在相同营养液条件下，W1处理的灌溉水分利用效率极显著高于 W2处理（F3条件下除外，W1和W2处理无显著性差异）。由此可见，随着灌水量的增加，产量增高，而水分利用效率降低。

2.5 全有机营养肥水耦合对番茄生产成本及经济收益的影响

由表9可知，在本试验番茄生产中，有机营养液的肥料成本低于无机营养液，F2W1处理的总生产成本最低，为每株3.554元。在相同水分条件下，F1和F2处理的番茄净收益显著高于 F3，说明与无机营养液对照相比，两种有机营养液可显著提高番茄经济收益；在相同营养液条件下，W2处理的番茄净收益显著高于 W1，表明适当提高灌水量可以提高番茄经济效益；不同肥水处理对番茄的净收益有显著的影响，F2W2处理的净收益最高，为每株5.694元，除与F1W2没有显著差异外，显著高于其他处理。

表9 不同处理对生产成本及经济收益的影响Table 9 Effects of different treatments on production cost and economic returns (yuan/plant)

3 讨论

3.1 全有机营养肥水耦合对番茄光合等生理代谢及产品品质的影响

试验结果表明，与无机营养液处理相比，有机营养液处理能明显提高叶片光合能力，同时番茄营养及风味品质指标提高。果实中过多的硝酸盐不仅危害人体健康，也对生态环境构成一定威胁。在农业生产中，过度施用化学氮肥是导致蔬菜硝酸盐积累的主要原因之一，而施用有机肥是一项降低蔬菜硝酸盐积累的有效举措[20-21]。本试验结果证明，在基质栽培中，利用有机营养液可以进一步降低果实中亚硝酸含量。马跃[22]的番茄试验研究表明，钾肥施用量与蔬菜硝酸盐积累有复杂关系，李凤巧等[23]研究表明，随着钾肥施用量的增加，番茄硝酸盐含量呈现先降低后升高的趋势，而本研究中，有机营养液配方中的钾元素含量显著高于无机营养液，尤其是有机营养液配方 2，较高的钾含量使其明显改善了果实品质，这与前人的研究结果相一致[22-23]。同时，与无机营养液及单一类型粪肥浸提液相比，以多种类型粪肥浸提液混合配制的的有机营养液具有更为合理的铵态氮比例，可有效抑制根系对硝态氮的吸收，从而减少果实内硝酸盐积累。因此，本研究中的有机营养液配方 2是更为科学合理的配比。本研究中，果实中硝酸盐含量随着灌水量的增加而明显降低，表现为“稀释效应”，说明适度提高灌水量可以有效降低果实硝酸盐含量，这与陈碧华等[24]的研究结果相一致，而与张军等[10]的试验结果不同。

番茄红素是番茄果实内最重要的生物活性物质，对人体健康十分有益[25]。番茄红素含量不仅与品种特性有关，还与灌溉施肥等其他因素相关[26-28]。本研究结果表明，有机营养液处理可以提高果实中番茄红素的含量，从而提高番茄的功效价值，这与牛晓丽等[26]的研究结果相一致。同时，全有机营养肥水耦合对番茄可溶性固形物有显著影响，有机营养液能明显促进果实中可溶性糖及可溶性蛋白含量的提高，灌水量对可溶性固形物的影响表现为负效应，这与牛晓丽等[29]的研究结论相同。

综合分析认为，有机营养液可提高番茄叶片光合能力，一方面是由于有机营养液可以提高栽培基质微生物的含量及活性，改善根系生态环境，提高土壤肥力[30]；另一方面也可能是由于有机营养液中富含的某类有机质具有间接调控叶绿素合成的功能。从本试验的数据来看，番茄叶片光合速率越高，则最终产量越高，番茄的光合特性、品质之间存在正相关的关系，光合同化物的积累影响产品品质。

3.2 全有机营养肥水耦合对番茄产量及水分利用效率的影响

试验结果表明，与无机营养液相比，有机营养液具有明显的增产效果，这与前人研究结果相一致[31-34]。有机营养液增产的原因可能有以下两个方面：一是有机营养液能改善根系生态环境，促进根系发育，提高根系吸水能力和叶片光合能力，进而增加同化物的积累量，二是有机质分解产生的有机酸能促进基质中矿质养分的溶解，提高植株对养分的吸收。灌水量W2处理的产量显著高于灌水量W1处理，说明适当提高灌水量可以提高产量。有机营养液肥水互作对产量的影响达到显著水平，F2W2处理产量最高。由显著性检验的结果可得，各因素对产量的影响程度表现为灌溉＞营养液配方＞肥水交互，说明在基质袋式栽培条件下，番茄植株对水分的需求更大。不同处理间番茄单果重的差异性跟产量基本一致，且考虑到不同处理间果实数量基本相同，可知全有机营养肥水耦合是通过改变单果重的方式来影响最终产量的。本文中经济收益均是根据当地樱桃番茄的平均价格进行计算，因此各处理之间的收益情况只是粗略的比较，而在实际生产和销售过程中农产品的价格高低受自身品质优劣及品牌效应等因素的影响。

灌溉水分利用效率是表征作物水分关系及经济效益的重要因素。本研究显著性结果表明，灌溉、营养液配方以及肥水交互对灌溉水分利用效率的影响均达到了极显著水平，且营养液配方＞灌溉＞肥水交互。由试验结果可知，在相同营养液条件下，随着灌水量的增加，灌溉水分利用效率越低，说明过高水平的灌水量造成了水资源的浪费，这与张军等[10]的研究结果一致。在实际生产中，必须综合考虑产量和灌水量两个因素，过度缺水会导致产量过低，而过度灌溉则不利于节水。

在优先考虑产量和经济收益的情况下，F2W2处理是较优肥水组合，产量达到8.59 kg·m-2，净收益每株5.694元；在优先考虑果实品质和灌溉水分利用效率的情况下，则F2W1处理是较优肥水组合，灌溉水分利用效率达到18.38 kg·m-3。

4 结论

综合考虑番茄光合、品质、产量、灌溉水分利用效率及经济收益等因素，F2W1处理为最优肥水组合，即蹲苗期及阴雨天按 ET100%灌溉，其他时期按ET120%灌溉，同时按有机营养液配方 2进行追施肥料，实现化肥零使用。该有机基质栽培的有机营养液肥水组合在保证产量的前提下，具有较高的灌溉水分利用效率，且果实品质最优，实现了设施番茄全有机营养肥水管理，对设施番茄高效优质生产具有一定指导意义。