温室沟灌条件下不同水氮用量对番茄产量、品质及水肥利用的影响

刘东阳，汪俊玉，武雪萍，李若楠，黄绍文，李晓秀

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051)

中国是蔬菜生产大国。2016年设施蔬菜面积391.5万hm2，到2020年预计达到410.5万hm2，发展面积在不断扩大，产值继续保持高占比，在深入推进农业“供给侧结构性改革”的背景下，设施蔬菜发展前景良好[1]。与种植粮食作物的农田相比，设施蔬菜地具有施肥量大、灌溉频繁、复种指数高的特点。其平均每公顷施氮量高达1 500 kg以上，是大田作物的4～6倍，灌溉量达到4～7倍。番茄在设施蔬菜中占了相当大的比重，并且深受广大消费者的喜爱[2-3]。设施番茄生产量大且对于水肥的需求量也较大，但是水肥利用率较低。一些生产者为了增加作物产量，大水大肥，不仅造成肥料和水资源的浪费以及环境污染，而且也会引起作物品质的降低，甚至减产。因此，实现水肥的精确管理并确定适宜的水氮用量已成为现在设施栽培一个重要的发展方向[4]。

前人研究表明，在较高氮肥水平下，氮肥利用效率和偏生产力反而降低，说明过量的施氮会降低氮肥利用率[5]。有研究表明，灌水量(75%)及中肥处理时番茄的产量最高[6]。不同灌水条件下，氮素吸收总量与施氮量呈显著的二次曲线关系，氮素表观利用效率与施氮量为显著负相关[7]。氮肥利用率主要受土壤含水量和施氮量影响:中水处理时，氮肥利用率高于低水，高水时反而下降；中氮水平下水氮利用效率最高，高氮促使水分利用效率増加、氮肥利用率显著降低[8]。在土壤水分适宜条件下，作物的氮素利用效率提高。目前，关于温室沟灌条件下番茄水肥互作效应已经做了大量研究，但是在有机无机配施模式下研究温室沟灌条件下的适宜水氮用量却鲜有报道，有机无机配施的施肥方式可以减少化肥的投入量，提高土壤肥力并减轻环境污染。因此，本文在有机无机配施条件下探讨温室番茄水氮互作效应，旨在补充与完善前人的研究成果，以期为番茄的高产、水氮的高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验地点位于河北省辛集市马庄农场(N37°78′，E115°30′)，属东部季风区暖温带半湿润大陆性气候。该地区年平均气温为12.5℃，历年平均降水量488 mm。土壤类型为石灰性壤质潮土，播前0～20 cm土壤全氮含量1.55 g/kg，有机质15.4 mg/kg，有效磷(P2O5)32.4 mg/kg，速效钾(K2O)165.3 mg/kg，pH值7.6，土壤容重1.35 g/cm3，田间持水量23.7%。供试番茄(LycopersiconesculentumL)品种为荷兰瑞克斯旺1404。

1.2 试验设计

试验开始于2011年2月，设2个水分处理：习惯灌水W1，减量灌水W2。灌溉方式为沟灌(灌溉系统由河北方田农业服务有限公司设计)，每次灌水量用水表准确计量。每个水分处理中设3个施氮水平，处理及施肥量见表1，试验所施用的化肥为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和硫酸钾(K2O 51%)。有机肥为商品有机肥与小麦秸秆等量配施，配施比例为1∶1。商品有机肥(主要为鸡粪)中N、P2O5和K2O养分含量分别为1.67%、3.24%、2.29%(干基)，水分含量为7.54%；秸秆为辛集麦秸，其中N、P2O5和K2O养分含量为0.939%、0.231%和0.786%(干基)。各处理磷肥、钾肥用量相等，100%磷肥和40%钾肥作为底肥施入，剩余60%的钾肥平均分4次追施；有机氮全部基施，化肥氮20%作为底肥，剩余80%分4次追施，其他田间管理措施保持一致。

表1 温室番茄灌溉量与施肥量

每个处理3次重复，试验小区面积为9.6 m2，株距为0.4 m，宽窄沟相间排布，行距分别为0.45 m和0.65 m。小区间埋设PVC板，防止小区间养分和水分的迁移。试验所施用的化肥为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和硫酸钾(K2O 51%)，试验之前各处理化肥氮的20%与全部腐熟鸡粪作为基肥施入各施肥小区，其他田间管理措施按当地农户习惯进行。

1.3 样品采集与测定方法

番茄开始成熟后分小区连续计产，用电子天平(精度为0.01 g)统计各小区的采摘量，试验结束后汇总为各小区产量；在盛果期时，各小区随机选取6个果实，分析测定果实可溶性糖、有机酸、Vc、硝酸盐等品质指标。在番茄拉秧时，各处理选取具有代表性植株3株，分别测定根、茎、叶和果实的生物量及氮磷钾的含量。半微量凯氏法测定全氮，钒钼黄法测定全磷，火焰光度法测定全钾。番茄可溶性酸用酸度计测定，可溶性固形物用手持式折光仪测定，可溶性糖含量用蒽酮比色法测定，Vc采用钼蓝比色法，硝酸盐含量采用水杨酸-硫酸法，番茄红素含量采用分光光度计法。

1.4 数据处理与分析

氮素农学利用效率(kg/kg)=产量/植株氮吸收量

肥料偏生产力(kg/kg)=产量/NPK养分投入量总和

灌溉水分利用效率=产量(kg/hm2)/灌溉量(m3)

试验数据采用SPSS 22.0数据处理软件进行方差分析，不同处理间的多重比较采用Duncan新复极差法，用Excel 2007进行数据统计和作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉施肥处理对番茄干物质积累的影响

不同灌溉施肥处理对番茄干物质的影响差异显著(图1)。其中节水灌溉下施氮量为675 kg/hm2的处理W2N675整株干物质量最高，为9 583.89 kg/hm2，不施氮处理W1N0干物质含量最低，为7 063.33 kg/hm2，与不施氮处理相比，施氮处理番茄的干物质增加了12.63%～35.69%。在施氮量相同灌水量不同的情况下，节水灌溉的干物质量明显高于常规灌溉，分别增加了13.60%和11.65%。在同一灌水量不同施氮量情况下，随着施氮量的增加，番茄干物质量先升高后降低，以W2N675处理的干物质含量最高。由图1可看出，番茄干物质主要分布在果实和叶片中，占整株番茄干物质量的73.62%～77.16%。其中图1从左至右各处理的果实干物质量分别占整株干物质量的44.89%、46.38%、40.55%、44.09%、42.35%和44.64%，叶片分别占29.68%、30.43%、33.07%、31.30%、31.69%和32.52%。

图1 不同灌溉处理下番茄干物质积累注：不同字母表示处理间差异达5%显著水平。

2.2 不同灌溉施肥处理对番茄养分吸收的影响

由表2可知，番茄植株养分氮、磷、钾含量分布情况为：果实>叶>茎>根，主要分布在果实和叶中，这与番茄干物质分布规律一致。且不同灌溉施肥处理对番茄植株养分的影响差异显著。其中氮素吸收情况(总量)为：W2N675>W2N900>W1N675>W1N900>W2N450>W1N0，以节水灌溉下的处理W2N675氮素含量最高，为188.25 kg/hm2，其次为W2N900、W1N675，含量分别为184.82 kg/hm2和184.20 kg/hm2，但三者氮素含量差异不显著。W1N0氮素含量最低。在灌水量相同、施氮量不同条件下，W1N675和W2N675氮素含量最高，随着施氮量的继续增加，氮素含量却在下降；在施氮量相同、灌水量不同条件下，节水灌溉的氮素吸收量要高于传统灌溉量，但是差异不显著。番茄磷素的吸收情况为：W1N675>W2N675>W1N900>W2N450>W2N900>W1N0，其中以处理W1N675磷素含量最高，为18.52 kg/hm2，其次为W2N675的磷素含量为18.43 kg/hm2，二者无显著差异。说明适宜的施氮量可以促进番茄植株对磷素的吸收。在灌水条件相同施氮量不同条件下，W1N675和W2N675磷素含量最高，随着施氮量的继续增加，磷素含量却在下降，说明过量施氮反而会降低番茄植株对磷素的吸收情况。番茄钾素含量最高为W1N900，其次为W2N900和W2N675，分别为235.33、234.18和231.49 kg/hm2，三者差异不显著。

表2 不同灌溉施肥处理番茄养分吸收量 (kg/hm2)

注：同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平。

2.3 不同灌溉施肥处理对番茄品质的影响

表3为不同灌溉施肥处理对番茄品质的影响。由表3中可知，番茄各处理品质含量差异显著。可溶性糖和可溶性酸含量均以W2N675最高，分别为31.97 mg/g和0.75%。相同灌水量不同施氮量条件下，在传统灌溉条件下随着施氮量的增加可溶性糖含量随之降低；而在节水灌溉条件下随着施氮量的增加可溶性糖含量先升高后降低；施氮量相同灌水量不同条件下，节水灌溉的可溶性糖含量高于传统灌溉处理，但差异并不显著。可溶性酸含量在相同灌水量不同施氮量情况下，两种灌水方式均为随着施氮量的增加可溶性酸含量先升高后降低，在相同施氮量不同灌水量情况下，节水灌溉的可溶性酸含量显著高于传统灌溉处理。各处理的Vc含量差异显著，主要表现为在相同施氮量情况下节水灌溉的Vc含量高于传统灌溉处理，在节水灌溉条件下随着施氮量的增加Vc含量先增加后降低。可溶性固形物含量在各施氮处理之间无差异，但节水灌溉要高于传统灌溉处理的含量。硝酸盐的含量整体表现为随着施氮量的增加番茄硝酸盐含量逐渐增加，灌水量降低硝酸盐含量也随之降低，在相同施氮量条件下分别降低了5.53%和18.93%。

表3 不同灌溉施肥处理对番茄营养品质的影响

2.4 不同灌溉施肥处理对番茄产量及水氮利用效率的影响

由表4可知，番茄产量以处理W2N675最高，为39.52 t/hm2，与不施氮处理W1N0相比，各施氮处理产量分别增加了21.47%、13.68%、6.47%、28.14%和17.17%，可以看出在相同灌水条件下随着施氮量的增加番茄产量先上升后降低，而在同一施氮量条件下节水灌溉比传统灌溉增产3.07%和5.40%。番茄单果重与产量规律类似，相同施氮量条件下节水灌溉比传统灌溉增重3.68%和4.17%。氮肥农学利用率是表征作物在不同施氮处理对氮肥吸收利用能力大小的重要指标。从氮肥利用角度分析，相同施氮量不同灌溉条件下，节水灌溉的农学利用效率和肥料偏生产力相对较高，比传统灌溉分别提高了23.61%～29.58%和3.07%～5.49%。从水分利用角度分析，与传统灌溉相比，节水灌溉的水分利用率提高了54.60%和58.64%。在相同灌水措施下，随着施氮量的增加，番茄水分利用效率表现为先增加后减小。

表4 不同灌溉施肥处理对番茄产量和水氮利用效率的影响

3 讨论与结论

灌溉和施肥是影响植物生长的关键因素[8-9]。不同的水分和氮肥处理对果实产量和品质有不同的影响。水分和养分条件共同影响作物的生长和发育。本试验研究表明，与传统灌溉相比，节水灌溉能在保证番茄产量的同时提高水分利用效率，节水灌溉比传统灌溉增产3.07%和5.40%，在相同施氮量不同灌溉条件下，节水灌溉的农学利用效率和肥料偏生产力比传统灌溉分别提高了23.61%～29.58%和3.07%～5.49%。从水分利用角度分析，与传统灌溉相比，节水灌溉的水分利用率提高了54.60%和58.64%；在相同灌水措施下，随着施氮量的增加，番茄水分利用效率表现为先增加后减小，说明与传统灌溉相比虽然水分含量相对较少但土壤中水分供应已经充足，而适宜且充足的灌水与施氮量能够在保证产量的同时提高水分利用效率。相关研究表明，灌水量和施肥量对土壤水分利用率的交互作用表现为相互拮抗，灌水量与施氮量的增加分别降低和增加了土壤水分利用效率[10]，这与本研究结果不一致。本研究结果表明这两种因素并无明显的拮抗性规律可循，而是在适当提高施氮量的情况下表现为拮抗性，原因可能是施肥方式以及土壤的需肥规律不同造成的交互作用不一致。周啸尘[11]认为，灌水量是影响番茄产量和单果重的重要因子，当灌水量超过适宜灌溉量后，灌水的增加反而会降低番茄的产量；李银坤等[1]通过研究发现，在相同施氮量情况下，减量灌水处理的产量要高于常规灌溉，这与本研究的结果一致。作物品质受作物品种和生长环境的双重影响，合理施肥可以改善土壤环境，提高作物产量和品质[12-16]。本研究表明，在相同施氮量情况下，节水灌溉的番茄果实中可溶性糖、可溶性酸和Vc含量均较传统灌溉高，这与王鹏勃等[8]、Li等[17]和高娜等[18]的研究结果一致；在相同灌溉量不同施氮量情况下，3种品质指标表现为随着施氮量的增加先增加后降低，说明适量的营养供给会提高番茄品质，过量施氮反而会降低番茄植株的品质。在相同灌水量情况下，番茄果实的硝酸盐含量随施氮量的增高而增高。硝酸盐含量是评价蔬菜安全品质的重要指标，其含量的高低直接影响消费者的身体健康。国家标准[19]规定，茄果类蔬菜的硝酸盐含量≤440 mg/kg，而试验中各处理番茄的硝酸盐含量均低于国标，说明本试验的各施肥措施能够保证番茄的硝酸盐含量满足国标要求。

番茄养分含量是表征番茄生长发育状况的另一重要指标[20-21]。本试验结果表明，番茄植株养分N、P、K含量主要分布在果实和叶中，这与番茄干物质含量规律一致。不施氮处理W1N0的氮素含量最低，说明施氮量是影响番茄养分吸收的重要因素[22-24]。随着施氮量的增加，番茄的氮素总量呈现先上升后降低的趋势，而在施氮量相同灌水量不同情况下，节水灌溉条件下番茄氮素总含量更高，说明施氮与灌溉量呈现较好的拮抗作用。

综上所述，有机无机配施模式下灌水与施氮量存在一定的交互作用，对于番茄产量、氮素总含量以及水氮利用效率具有较好的拮抗作用，本试验表明，充足的水分供应和适量的施氮量是保证番茄产量、提高水氮利用率的前提。在本试验条件下节水灌溉且施氮量为675 kg/hm2的处理W2N675为较适宜番茄生长发育的处理措施。