水肥耦合对滴灌加工番茄生理生长及产量的影响

窦允清 王振华 张金珠

摘要：为探究水肥耦合对新疆地区膜下滴灌加工番茄生长、生理和产量的影响，并综合评价产量和水肥调控效应，提出满足高产高效最优的灌溉施肥制度。通过小区试验，以加工番茄品种3166为试材，根据文献报道和当地农艺管理方法，设2因素3水平试验，即3个滴灌水量[高水5 250 m3/hm2（W1）、中水3 938 m3/hm2（W2）、低水2 625 m3/hm2（W3）]和3个施肥水平[高肥（F1）：尿素、磷酸一铵、氯化钾用量分别为300、225、225 kg/hm2，中肥（F2）：尿素、磷酸一铵、氯化钾用量分别为225、169、169 kg/hm2，低肥（F3）：尿素、磷酸一铵、氯化钾用量分别为150、113、113 kg/hm2]，进行完全组合处理设计。试验结果表明，水肥耦合对加工番茄株高、茎粗、水分利用效率、净光合速率及产量的影响显著。在相同的灌水处理下，随着肥料增施，加工番茄的产量先增高后降低;在相同肥料处理下，随着灌水量的不断增加，可以促进产量的增长，最后趋于平稳。随着灌水量的减少，降低了加工番茄的产量。综合试验结果分析，灌溉定额设为3 938 m3/hm2，施肥采用225 kg/hm2尿素、169 kg/hm2磷酸一铵、169 kg/hm2氯化钾组合时，加工番茄的产量达到174.20 t/hm2，水分利用效率达到26.0 kg/m3，为最优高产高效灌溉施肥组合。

关键词：加工番茄;滴灌;水肥耦合;灌水量;施肥水平;产量;水分利用效率

中图分类号：S641.206;S641.207   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）07-0124-05

新疆是我国加工番茄制品的主要产区，具有得天独厚的地理气候条件和丰富的原料，有着成熟的生产加工企业，结合较低的生产成本，新疆地区加工番茄产量位居世界前三，番茄酱出口量达到全球贸易总量的1/4[1]。长期过量灌水施肥，导致蔬菜品质下降[2]，土壤硝态氮淋失严重[3]。因此，科学的水肥管理措施对于西部地区的经济发展、环境的保护和资源可持续发展都意义深远。滴灌施肥是将施肥与滴灌相结合的农业创新技术，通过滴灌灌水器不仅将植物所需的水分养分输送到植物根区，还可以降低水分及肥料的流失，在提高作物的水肥利用效率的同时也显著提高了作物的产量及品质[4-6]。20世纪以来，我国在对膜下滴灌施肥进行了大面积推广的基础上，作物产量及水肥利用效率相比常规灌水施肥提高了20%～30%[7]。同样的技术可以运用在加工番茄大田试验上，在这种情况下研究水肥耦合对膜下滴灌加工番茄的产量、品质、光合特性、水分利用效率和生理生长指标的影响，对于制定新疆地区加工番茄节水、节肥、高产、高效的灌溉施肥制度也有重要的实际意义。

近年来，在干旱半干旱地区关于水肥耦合的研究多数集中于玉米[8]、棉花[7]、小麦[9]、大枣[10]、温室番茄[11]等作物上。由于番茄的蔬菜价值较高，针对番茄的研究基本围绕温室番茄展开，邢英英等研究表明，与常规沟灌施肥相比，滴灌施肥增加番茄产量（31.04 t/hm2）、干物质量和总氮吸收量，增幅分别达到47%、54%和82%，同时果实中维生素C含量、水分利用效率（WUE）和氮肥利用率（NUE）分别提高61.8%、46%和77%[11]。膜下滴灌有助于番茄产量、品质及水分利用效率的提高。李建明等研究认为，水肥对光合作用和产量有着显著影响，水对光合作用的影响大于肥料，对产量的影响小于肥料[12];在一定范围内，番茄产量随灌溉上限及施肥定额的增加而增加。李世娟等研究表明，植物对养分的吸收、运输和利用都依赖于土壤水分，土壤的水分状况在很大程度上决定着肥料的合理用量[13]。孙文涛等在滴灌條件下水肥耦合对温室番茄产量效应的研究中表明，灌水量和钾肥用量的交互作用是影响番茄产量的主要因素，其次是氮肥用量;仅从产量角度分析，以高灌水量、施中等氮肥量、高等钾肥量为水肥调控的佳最组合[14]。王鹏勃等研究指出，在相同灌水量条件下，番茄果实中硝酸盐、可溶性蛋白和可滴定酸含量与肥料用量呈正相关;在相同肥料用量下，随着基质含水量增加，番茄果实中硝酸盐、可溶性蛋白、还原糖以及可溶性糖含量逐渐降低，番茄红素含量在中水处理下较高[15]。以上研究表明，目前关于水肥耦合对滴灌条件下番茄的生长、生理、产量及品质等方面开展的研究主要是围绕温室番茄展开的，对新疆地区日光条件下大田加工番茄的研究还比较少。因此本试验试图研究不同灌水量和施肥量对膜下滴灌加工番茄的生理生长及产量的影响，寻求新疆膜下滴灌加工番茄生产过程中的最优水肥灌溉制度。

1 材料与方法

1.1 试验小区概况

试验于2017年5月1日在现代节水灌溉兵团重点实验室基地暨石河子大学节水灌溉试验站进行。试验站位于石河子市石河子大学农试场（85°59′E，44°19′N，海拔410 m），平均地面坡度为0.6%，属于温带大陆性干旱气候，无霜期为173 d，年均日照时间为2 900 h，多年平均降水量为210 mm，年均蒸发量为1 660 mm。年平均风速为1.6 m/s，静风占32%，偏东风占14%，偏西风占17%，偏南风占22%，偏北风占15%。试验小区面积为0.114 hm2，净种植面积为0.104 hm2，前茬种植作物为棉花和小麦。作物沿南北方向种植，试验田地下水埋深8 m以下，物理黏粒含量（粒径<0.01 mm）大于21%，土壤质地为中壤土，0～60 cm土壤平均容重为1.54 g/cm3。试验区土壤理化性质状况如表1所示。

试验用品种为加工番茄3166，2017年5月3日移苗定植，2017年8月26日收获。种植方式为当地典型的起垄覆膜栽培模式，一膜两管四行，膜宽1.45 m，毛管间距70 cm，番茄幼苗按单穴单株定植在垄的两侧，行距35 cm，株距30 cm。选用新疆天业（集团）有限公司生产的单翼迷宫式滴灌带，外径16 mm，壁厚 0.30 mm，滴头间距30 cm，滴头流量1.8 L/h。滴灌施肥设备主要由水源、水泵、回流管、施肥罐、旋翼式水表和输配水管道系统等组成。为降低相邻处理之间水肥相互渗透对试验的影响，处理之间埋60 cm深的塑料薄膜。所有田地的除草、打药等田间农艺管理措施一致。加工番茄的膜下滴灌种植模式见图1。

1.2 试验方法

加工番茄需要较大的灌水量和施肥量以满足其生长需求。根据文献[14-15]和当地农艺管理，了解当地大田加工番茄种植的常规灌水、施肥量情况，设定灌溉定额和施肥2个因素，采用水、肥2因子3水平完全处理。试验用肥料为尿素[CO（NH2）2，N质量分数为46.4%]、磷酸一铵（NH4H2PO4，P2O5质量分数为60.5%）和氯化钾（KCl，K2O质量分数为57%）。灌溉定额设高水5 250 m3/hm2（W1）、中水 3 938 m3/hm2（W2）、低水 2 625 m3/hm2（W3）3个水平，施肥采用3个水平[高肥（F1）：尿素、磷酸一铵、氯化钾用量分别为300、225、225 kg/hm2，中肥（F2）：尿素、磷酸一铵、氯化钾用量分别为225、169、169 kg/hm2，低肥（F3）：尿素、磷酸一铵、氯化钾用量分别为150、113、113 kg/hm2]，共9个处理，每个处理设定3个重复。根据加工番茄的生理生长情况，采取少量多次的灌水施肥方式，施肥前将肥料完全溶解于施肥罐中。滴灌灌水量和施肥量分5次施入，每次的施肥量的计算依据小区面积、总施肥量、番茄生育期和施肥次数而定。番茄生育期依次为苗期、开花期、果实膨大一期、果实膨大二期和收获期。具体试验灌溉制度见表2。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标 加工番茄共分为5个生育期：苗期（5月 3—31日）、开花期（6月1—19日）、第一果实膨大期（6月20日至7月9日）、第二果实膨大期（7月10—23日）、收获期（7月24日至8月26日）。在每个生育期末，每小区随机选择3株，从植株基部用卷尺测量株高，茎粗用电子游标卡尺测量并采用十字交叉法读数，取其平均值。

1.3.2 土壤含水率的测定 在加工番茄移栽定植后，在每个生育期末， 在水平方向距离滴灌带15 cm处和垂直方向采用土钻取土，取土深度为 100 cm（按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm分层），采用烘干法测定土壤含水率，即土壤含水率=（鲜土质量-干土质量）/干土质量×100%。

1.3.3 光合指标的测定 于2017年8月3日10：00—20：00进行光合指标的测定，采用Li-6400便携式光合测定仪，测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）的日变化。测定在10：00—20：00时间段进行，每隔2 h测定1次。光源采用自然光源，每个处理选取3株加工番茄进行测定，测定前对加工番茄第4层向阳叶片用红绳标记，并取其平均值。计算水分利用效率WUE，计算公式为：WUE=Pn/Tr。

1.3.4 增产效应的测定 增产效应的测定公式如下：

EI=（YX-YL）/YL[16]。

式中：YX为某水分处理和某肥料处理的产量，kg/hm2;YL为低水低肥料处理的产量，kg/hm2。

1.3.5 30 cm厚土层水分利用效率的测定 水分利用效率即植株每蒸腾消耗1 m3水所生产的果实的质量，土壤含水率用土钻取土测定，WUE=果实产量/（灌溉前与拉秧后30 cm厚土层土壤含水率均值-定植前30 cm厚土层土壤含水率）×100%。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对滴灌加工番茄生长指标的影响

水肥耦合对加工番茄生长的株高、茎粗有显著的影响[17]。经过相关性分析，灌水量对加工番茄株高增长率的影响达到了极显著水平（P<0.01，F=52.868），对加工番茄茎粗增长率的影响达到了显著水平（P<0.05，F=3.944）;施肥量对加工番茄株高增长率的影响达到了极显著水平（P<0.01，F=396.293），施肥量对加工番茄的茎粗增长率的影响不显著（P>0.05）。水肥耦合作用对加工番茄的株高和茎粗的影响均达到了显著水平（P<0.05，F=82.968;P<0.05，F=18.212）。由图2-a可知，在水肥处理情况下，在W1、W2和W3处理中，株高的增长率皆在F2情况下达到最大值，随着灌水量的减少，在同一肥料F3的处理下，株高的增长率在逐渐降低，且W3F3达到最小值。在不同灌水量和施肥量过渡区W1F3和W2F1，W2F3和W3F1株高的增长率变化没有相同灌水量下不同施肥量处理的变化大，由此可知灌水量对株高的影响比较大，且灌水量和施肥量共同作用于株高的增长率。

由图2-b可知，在W1、W2和W3处理下，茎粗的增长率分别在W1F2、W2F2和W3F2处理下达到最大值，随着灌水量的减少，在同一肥料F3的处理下，茎粗的增长率在逐渐降低，且W3F3处理达到最小值。在不同灌水量和施肥量过渡区，W1F3与W2F1、W2F3与W3F1茎粗的增长率变化没有W1F2与W1F3、W3F2与W3F3明显，由此可见灌水量对茎粗的影响较大。在相同的灌水量处理下，茎粗增长率随着施肥量的增加呈先提高后降低的趋势;在相同的施肥量下，随着灌水量的增加，加工番茄的茎粗增长率呈现出不同的变化。由此可知，水肥共同作用于加工番茄的茎粗。

2.2 水肥耦合对加工番茄生理因素的影响

光合效应也是作物生长的重要指标。表3是果实膨大二期灌水后48 h，14：00不同的水肥处理对加工番茄净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度及水分利用效率的影响。在施肥量一定的情况下，灌水量对Pn、Ci和WUE的影响均达到显著水平（P<0.05），施肥量仅对Pn的影响达到显著水平（P<0.05），对Tr、Gs、Ci和WUE的影响不显著。

叶片的光合速率受环境多个因子影响且这些因子相互促进或者抑制，并非是孤立存在的[18]。由表3可知，光合速率受灌水量和施肥量的交互影响。不同的水肥处理的Pn、Tr、Gs和Ci分别介于1.73～11.40 μmol/（m2·s）、1.11～3.30 mmol/（m2·s）、0.04～0.13 mol/（m2·s）和93.0～373.0 μmol/mol之间，Pn、Tr、Gs的最大值皆为W2F3处理，最小值分别在W2F1、W1F3、W1F3;Ci的最大值处理是W2F1，最小值处理是W1F2。各处理的Pn、Tr、Gs和Ci最大值比最小值分别提高了559%、197%、225%和301%。说明加工番茄叶片可以通过调节自身氣孔导度的开放大小来进行光合速率调节，光合速率在一定程度上促进了蒸腾速率和胞间CO2浓度的提高。WUE的较大值依次在W1F2、W3F1、W2F3处理，最小值在W2F1处，可以看出水分利用效率的较大值、最小值都落在了W2处理内，在相关性分析中，灌水量对水分利用效率影响显著。

2.3 水肥耦合对加工番茄产量的影响

产量作为最重要的经济指标，在研究加工番茄的水肥耦合中意义重大，与加工番茄的生长、生理特性都存在一定的关系。从图3可以看出，加工番茄的产量与灌水量和施肥量有着明显的关系，过高或过低的灌水量，番茄的产量均不能达到最高值。加工番茄的产量介于89.83～174.20 t/hm2之间，W2F2的产量最高，其次是W1F1和W1F2。从节水、节肥、产量多方面考虑，W2F2处理是最优的灌溉施肥方式。W2F2产量比W3F2处理产量增加了93.9%。随着灌水量的增加，加工番茄的产量从大到小依次是W2、W1、W3，W2处理产量较W1、W3分别提高了4%、55%。在相同的灌水处理下，随着肥料的增加，加工番茄的产量会有不同的结果。在W2处理下，随着施肥量的增加，加工番茄产量从大到小的顺序为F2、F3、F1。W2F2产量较W2F3、W2F1分别提高了7%、17.8%。在相同肥料的处理下，不同的灌水量对加工番茄产量的影响不同。在F1情况下，W1F1较W2F1、W3F1，产量分别提高了16.5%、53.4%。W2F2较W1F2加工番茄的产量提高了3%，随着灌水量的增加，对加工番茄的产量有抑制的效果，但效果不明显。W2F2较W3F2加工番茄的产量提高了94%，随着灌水量的减少，对加工番茄的产量降低有着明显影响。

此外，由图3可见，在水分充足的条件下，高肥和中肥料对产量有影响但不显著，W1F1、W1F2产量均较高;但肥料较少也直接影响作物的产量，W1F2产量较W1F3增产34.2%。在水资源匮乏的灌溉条件下，W3F1、W3F3较W3F2产量提高25.1%、23.1%，产量受肥料的影响不大。在W2处理下，水肥共同耦合作用于加工番茄的产量。

2.4 水肥耦合对加工番茄30 cm厚土层水分利用效率及增产效应的影响

利用SPSS相关性分析软件，由表4可知，灌水对加工番茄产量的影响显著（P<0.05，F=8.940），对灌溉水分利用效率的影响不显著（P>0.05，F=1.800）;施肥对加工番茄产量和水分利用效率的影响都不显著（P>0.05，F=0.097;P>0.05，F=0.091）;水肥交互对加工番茄的产量影响极显著（P<0.01，F=170.876），水肥交互对加工番茄的水分利用效率影响显著（P<0.05，F=72.546）。

由表4还可知，W2F2产量最高，水分利用效率从高到低依次是W2F1、W3F1、W3F3。最低的是W1F3，最大值处理比最小值提高了129%。由水分利用效率W1F1>W1F3，W2F1>W2F3，W3F1>W3F3可知，当灌溉量一定时，在一定范围内肥料的增施同时可以提高作物对水分的吸收利用;由W1F2>W1F1，W2F3>W2F2，W3F3>W3F2可知，灌水量一定时，在一定范围内肥料的增施不利于水分的吸收。同理，W1F2>W2F2，W1F2>W3F2，在一定范围内灌水量的增加可以提高作物对水分的吸收利用;W3F3>W2F3>W1F3，当施肥量一定时，在一定范围内灌水量的增加不利于水分的吸收。在一定的范围内，水肥对产量的影响具有相互促进的关系。合理有效的水肥调控是实现节水、节肥、高产、高效生产的前提和基础。W3处理下的水分利用效率较高，但产量都较低，W3F2处理增产效应出现负增长，可见灌水量对产量的影响显著大于施肥量，且灌水量对加工番茄产量的影响显著（P<0.05，F=8.940）。在W1中，水分利用效率W1F2>W1F1>W1F3，产量W1F1>W1F2>W1F3，由此说明，灌水量一定时，施肥量影响着产量。在W2中，产量W2F2>W2F3>W2F1，由此说明，并不是随着施肥量的增加产量便增加。在W2F2处理下，灌水量、施肥量、水分利用效率都没有达到最大值，但是产量、产量增长效应都达到最大值。由此说明，在本试验条件下，W2F2处理的水肥耦合效果最好，为最优节水、节肥灌溉施肥处理。

3 讨论

科学的水肥管理在生产中不仅可以实现低投入、高产出、高品质的目标，还可以节省人力、物力和财力。在作物生育期不同的情况下，作物生长生理情况也受很大影响[18-20]。本研究通过田间试验，分析了不同的水肥处理对滴灌加工番茄生理生长及产量的影响，为新疆种植加工番茄的节水灌溉技术提供指导。

灌溉量与施肥量对光合作用的影响不同，水分对光合作用的影响高于施肥量[21]，这与本试验的结果相似。中水低肥处理下光合速率最高，为11.4 μmol/（m2·s），可能是由于适宜的水分环境下有利于提高气孔导度[20]。过高或者过低的灌水量均不利于叶片进行光合作用，存在明显的负效应，这与李银坤等的研究结果[22]一致。光合速率的适当提高有利于产量的增加，进而促进水分利用效率的提高[23]。

水肥互相作用对作物的产量和水分利用效率有显著影响[24]。赵志华等的研究结果[25]表明，过高或过低的施肥量均不利于植物对水分养分的吸收利用，进而导致减产。“以水促肥、以肥调水”是水肥供应的关键，只有合理的水肥配比才能有利于作物生长发育和提高产量[26]。本试验表明，水肥耦合对加工番茄的株高、茎粗增长率的影响均达显著水平。灌水量对株高增长率的影响达极显著水平，对茎粗增长率的影响达显著水平;施肥量对株高增长率的影响达极显著水平，对茎粗增长率的影响不显著，这一结论与刘小刚等对作物小粒咖啡苗木生长的研究结果[27]相似。本研究表明，水肥交互作用下加工番茄的产量达到最优，灌水量和施肥量最高时的产量均没有达到最优，在不同的水肥条件下，加工番茄的产量表现不同，水分不足时，适当地增加灌水量和施肥量均可提高加工番茄产量，过高的水肥使用量会减少加工番茄的产量，这与田军仓等學者研究认为的灌水量与施肥量交互作用对产量影响显著[28-29]有类似结果。由于一些试验处理方法和测量环境不同、试验开展年限少、试验存在随机性误差可能导致部分研究结果不太一致，对于确定最优的新疆地区膜下滴灌加工番茄的水肥耦合方法还需要进一步的研究。

4 結论

通过全面考虑水肥协同效应，节水、节肥、增产和新疆的区域特性，把每个影响因素有机结合起来，最终才能实现节水节肥高产高效。本试验中较优的灌水施肥制度为膜下滴灌条件下中水中肥处理，即灌水量为3 938 m3/hm2，尿素、磷酸一铵、氯化钾用量分别为225、169、169 kg/hm2，根据加工番茄生育期的不同，苗期、花期、果实膨大一期、二期、收获期，可按 1 ∶ 1 ∶ 2 ∶ 2 ∶ 2的比例进行灌水和施肥。灌水对加工番茄株高、茎粗增长率的影响分别达到了极显著、显著水平;施肥仅对株高增长率的影响达到极显著水平;水肥耦合株高和茎粗生长的影响均达到了显著水平。

在施肥一定的情况下，灌水量对Pn、Ci和WUE的影响均达到显著水平，施肥仅对Pn的影响达到显著水平。WUE的最大值在W2F1处，可以看出水分利用效率的最大值、最小值都落在了W2处理内，在相关性分析中，灌水量处理对水分利用效率呈现显著影响。当灌溉量一定时，在一定范围内肥料或灌水量的增施可以提高作物对水分的吸收利用;当施肥量一定时，在一定范围内灌水的增加不利于水分的吸收，水肥对产量的影响具有相互促进的关系。

灌水对加工番茄产量的影响显著，水肥耦合对产量及水分利用效率影响分别达极显著、显著水平。在相同的灌水处理下，随着肥料的增加，产量呈现先增高后降低的趋势;在相同肥料处理下，随着灌水量的不断增加，对加工番茄的产量有先促进后抑制的效果，但效果不明显;随着灌水量的减少，对加工番茄的产量降低有着明显影响。

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