水肥耦合下温室番茄养分动态变化及与生物量和产量的关系

王虎兵，曹红霞，郝舒雪，潘小燕

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

随着设施农业的蓬勃发展，日光温室番茄栽培面积不断扩大，已成为我国西北主要设施蔬菜之一[1-2]。目前日光温室管理中，主要依靠大量水肥投入来提高产量。农民盲目的水肥投入不仅造成水资源和肥料的严重浪费，还导致作物发病率高、品质变劣、连续种植障碍、肥料深层淋失及环境污染等问题[3-6]，所以适宜的水肥投入和科学施肥策略在番茄管理中尤为重要。探讨番茄产量、干物质累积和水肥之间的关系，揭示温室番茄在不同水肥下植株养分含量动态变化规律及肥料的吸收利用，对科学水肥管理具有积极意义。

目前，许多研究表明，灌水过多造成番茄徒长，过少导致根系可利用水分减少，光合作用下降，干物质积累减少，影响产量形成[7]。而随氮肥用量增加，番茄生物量显著增加[8]，也有研究指出，适当降低氮肥使用，可以增加干物质累积[9]。李建明等[10]研究表明，产量随水肥的增加先增加后降低，氮素利用率随之降低，施肥过多还会导致加工番茄贪青晚熟[11]。植物营养状态反映其体内养分吸收与损失[12]，而水肥供应不同则影响植株营养状态和后期产量形成。前人研究发现，小麦从返青到孕穗期，氮、磷、钾含量随生育期推进逐渐降低[13]，而水稻从分蘖期到孕穗期植株氮、磷、钾养分先升高，孕穗期后逐渐降低，且含量均随施肥量增加而提高[14]。向友珍等[15]研究表明，甜椒氮含量随灌水量和施肥量的增加均呈增加趋势，随生育期推进而降低。杨慧等[16]发现，适当增加灌水量和施氮量，番茄植株氮浓度随之提高，植株容纳氮的能力提高，促进植株生长发育，保证产量形成。

番茄作为高价值蔬菜，对肥水响应特别敏感。高灌水量会促进植株生长，但肥料供应不足会稀释植物体养分含量，影响植株生理生长，从而影响产量。由于番茄在生长发育过程中植株养分含量直接反映其营养状态和需求，所以番茄营养状态对植物生长发育及产量形成十分重要。目前，前人主要集中于不同水肥条件下作物氮磷钾养分含量动态变化规律和氮素营养诊断研究[15-17]，而对作物养分含量与生物量和产量关系研究较少。本文通过探求灌水施肥对番茄生长、植株养分含量动态变化及产量的影响，揭示番茄生育过程中氮磷钾养分动态变化规律及其与生物量和产量的关系，为该地区温室番茄水肥管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年1—6月在陕西省杨凌农业高新技术产业示范区绿百合果蔬专业合作社日光温室进行，位于北纬34°17′、东经108°01′，海拔527 m。多年平均气温12.5℃，年均蒸发量1 500 mm，年平均降水量632 mm，主要集中在5—10月，属于半湿润易旱区。试验温室为西北地区常见的简易土墙塑料大棚，东西走向。试验温室土壤为重壤土，0～0.6 m土层土壤容重为1.38 g·cm-3，田间持水率为23.9%，有机质含量为14.13 g·kg-1，碱解氮89.34 mg·kg-1，速效磷82.35 mg·kg-1，有效钾244.38 mg·kg-1，pH 8.1。

供试番茄品种为‘金棚美林’(Lycopersiconesculentum， Jinpeng Meilin)，2017年1月9日定植，四穗果后打顶，2017年5月26日拉秧。种植采用当地典型沟垄覆膜栽培模式，操作行位于垄上，宽0.95 m，种植行位于沟内，宽0.45 m，株距0.35 m。灌溉采用膜下滴灌，1管2行布置，滴头间距0.35 m，滴头流量为2.1 L·h-1，滴灌湿润比为0.8。试验所用肥料为尿素(N 46.4%)、生物酶活化磷肥(P2O516.0%)、海藻钾(K2O 52%)，每个小区安装水表控制灌水量，肥料随水滴施。试验期间温室内平均日空气温度为20.76℃，平均日相对湿度为76.38%。温室中央设置Φ20 cm标准蒸发皿，高度始终与植株冠层高度保持一致，从定植后开始每天早上8∶30测定蒸发皿日蒸发量。其他温室管理与当地一致。

1.2 试验设计

试验设置灌水和施肥2个因素。灌水以2次灌水间隔期Φ20 cm标准蒸发皿的累计蒸发量E为基数，设置1.0E(W1)、0.75E(W2)、0.5E(W3)3个灌水水平；肥料用量(N-P2O5-K2O)设置3个水平，F1： 320-160-320 kg·hm-2，F2：240-120-240 kg·hm-2，F3：160-80-160 kg·hm-2。

采用完全随机区组设计，共9个处理，分别为W1F1、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2、W2F3、W3F1、W3F2、W3F3。每个处理3次重复，共27个小区，小区长5.5 m，宽1.4 m，每个小区1沟1垄，定植2行，共32株。各小区间设0.6 m深防渗隔膜。

定植时灌水至田间持水量，之后每当蒸发皿累积蒸发量达到20±2 mm时进行灌水，在最后一次收获前一周(2017-05-19)停止灌水。从水处理开始到收获结束，W1、W2、W3灌水总量分别为216.8、162.6、108.4 mm。磷肥作为基肥全部施入，氮、钾肥按基追比例为1∶4分7次施入，基肥一次，其余在开花坐果期，一穗果膨大期，二穗果膨大期，三穗果膨大期，一穗果成熟期，四穗果膨大期按比例为1∶1∶2∶3∶2∶1随灌水施入。

1.3 测定项目及方法

干物质 在定植后51 d(苗期)、63 d(开花坐果期)、76 d(一穗果膨大期)、89 d(二穗果膨大期)、102 d(果实成熟期)、117 d(收获前期)及130 d(收获后期)进行7次破坏性取样，随机选取3株番茄，将茎杆、叶片、果实(从定植76天开始测定，采样期果实全部计入干物质测定，采样间隔时期果实完全成熟进行常规采摘)、根系(用清水冲洗干净)分开，称鲜重后，105℃杀青1 h，然后于75℃下烘干至恒重，再称干重。

全氮、磷、钾含量 将烘干的植株各器官样品粉碎过0.5 mm筛，用H2SO4-H2O2消煮，消煮液用于各器官养分含量测定，最终换算为整个植株的养分含量。氮、磷含量用AA370MC型流动分析仪测定，钾含量用AA370MC型原子吸收分光光度计测定。

产量 每个小区选取有代表性的20株番茄进行测产，根据种植密度折算得到。

计算公式[15, 17]番茄各器官氮(磷、钾)吸收量(kg·hm-2)=单株植株各器官全氮(磷、钾)含量×干物质量×种植密度

氮(磷、钾)素含量(kg·kg-1)=植株总氮(磷、钾)吸收量/植株干物质量

氮(磷、钾)素利用效率(NUE)(kg·kg-1)=产量/植株总氮(磷、钾)吸收量

氮(磷、钾)素吸收效率(UPE)(kg·kg-1)=植株总氮(磷、钾)吸收量/纯氮(磷、钾)投入

肥料偏生产力(PFP)(kg·kg-1)=产量/全生育期纯氮、磷、钾投入总和

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 软件处理，DPS 进行方差分析，使用Origin 9.60软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理下温室番茄总干物质量的变化

图1为不同灌水施肥量下温室番茄总干物质量动态累积过程。可见，番茄幼苗定植后，总干物质量随着生育期呈“S型”增长趋势。由图中斜率可知，增长最快阶段在定植后63 d到89 d之间，收获前期趋于平缓并在收获后期有降低趋势。

灌水对番茄总干物质量积累影响达到了极显著水平(P<0.01)，施肥对番茄总干物质量积累影响达到了显著水平(P<0.05)(除63、117 d外)，而水肥耦合效应对总干物质量影响不显著(P>0.05)(表1)。

注：W1，W2，W3分别表示灌水量1.0E、0.75E、0.5E，E表示蒸发皿累计蒸发量；F1，F2，F3表示施肥量(N-P2O5-K2O)分别为320-160-320、240-120-240和160-80-160 kg·hm-2，下同。Note:W1, W2 and W3 mean the irrigation treatments of 1.0E, 0.75E and 0.5E, and E is reference accumulative evaporation of pan. F1, F2 and F3 mean the fertilizer treatment (N-P2O5-K2O) of 320-160-320, 240-120-240 and 160-80-160 kg·hm-2. The same below.图1 不同施肥水平下灌水量对温室番茄总干物质量的影响Fig.1 Effects of irrigation amounts on total dry biomass of greenhouse tomato under different fertilizer levels

指标 Index处理 Treatment定植后天数 Days after transplanting/d51637689102117130总干物质Total dry matter灌溉 Irrigation7.83∗∗4.17∗7.69∗∗10.29∗∗13.05∗∗10.94∗∗6.58∗∗施肥 Fertilization16.30∗∗3.37 ns5.12∗3.88∗4.10∗3.20 ns4.52∗灌溉×施肥Irrigation×Fertilization0.31 ns0.91 ns0.17 ns0.97 ns0.25 ns0.42 ns0.21 ns氮含量N content灌溉 Irrigation5.35∗21.72∗∗10.13∗∗6.26∗∗16.05∗∗23.18∗∗13.56∗∗施肥 Fertilization4.31∗15.50∗∗14.59∗∗5.00∗11.61∗∗23.55∗∗14.22∗∗灌溉×施肥Irrigation×Fertilization0.26 ns1.92 ns0.47 ns0.65 ns0.08 ns0.65 ns0.25 ns磷含量P content灌溉 Irrigation5.27∗8.14∗∗1.99 ns0.70 ns2.58 ns3.21 ns0.47 ns施肥 Fertilization5.80∗4.14∗3.30 ns4.45∗0.95 ns0.17 ns0.56 ns灌溉×施肥Irrigation×Fertilization1.09 ns3.42∗0.20 ns0.16 ns0.65 ns0.76 ns0.69 ns钾含量K content灌溉 Irrigation5.24∗8.24∗∗12.71∗∗20.68∗∗6.26∗∗29.94∗∗29.98∗∗施肥 Fertilization6.57∗∗3.72∗10.81∗∗16.16∗∗4.68∗14.11∗∗37.31∗∗灌溉×施肥Irrigation×Fertilization0.43 ns0.19 ns1.77 ns0.53 ns0.67 ns0.77 ns1.46 ns

注: * 表示差异显著(P<0.05)，** 表示差异极显著(P<0.01)，ns表示不显著。下同。

Notes: * means significant difference atP<0.05, ** means significant difference atP<0.05, ns means not significant. The same below.

灌水对干物质积累的影响大于施肥，并且除定植后51 d与63 d外灌水量与干物质量均呈显著正相关关系(r=0.737～0.859)。同一施肥量下，番茄总干物质量随灌水量呈W1>W2>W3，W1与W2处理较W3处理分别平均增加16.5%、7.1%。同一灌水量下，F1和F2水平较F3水平总干物质量分别平均增加9.6%、7.0%。生育期中W1F1处理在117 d获得总干物质量最高，为8 652.04 kg·hm-2，其次是W1F2处理(8 377.59 kg·hm-2)，W3F3处理最小，为7 037.22 kg·hm-2。

2.2 不同水肥处理下番茄植株养分含量动态变化

2.2.1 氮含量动态变化 从图2可以看出，番茄植株氮含量随生育期呈减小趋势，从开花坐果期(63 d)到一穗果膨大期(76 d)降低速度最快，此时正值番茄产量形成期，是追施氮肥关键时期。到果实成熟期(102 d)，随着果实采摘进行，氮含量减小趋势变缓，部分有上升趋势。苗期、开花坐果期、一穗果膨大期、二穗果膨大期、果实成熟期、采摘期植株氮含量变化范围分别为2.84%～3.47%、2.68%～3.44%、2.2%～2.93%、2.27%～2.89%、1.90%～2.51%、1.81%～2.43%。灌水与施肥对植株氮含量影响显著(P<0.05)，而水肥耦合效应并未对其产生显著影响(P>0.05)(表1)。增加灌水量和施肥量，番茄植株氮含量随之增加；同一施肥水平下，W1处理较W2、W3处理氮含量分别提高2.5%～11.7%、7.4%～20.0%；相同生育期F1施肥水平下植株的氮含量最高，较F2与F3水平植株氮含量增加2.4%～14.5%、3.3%～20.8%，说明灌水施肥均可以增加番茄植株氮含量，改善植株营养状况。

2.2.2 磷含量动态变化 从图3可以看出，整个生育期番茄植株的磷含量在0.48%～0.78%范围内呈“锯齿状”波动。在苗期和开花坐果期，灌水施肥对植株磷含量影响显著(P<0.05)(表1)。F1、F2水平下，定植76 d后，植株中磷含量表现为W1>W2>W3，W1处理较W2、W3处理磷含量分别提高0.3%～7.5%、0.8%～10.7%；F3水平下，定植89 d前植株中磷含量表现为W1>W2>W3，89 d后则为W1>W3>W2。不同施肥量只对51、63 d及89 d产生了显著影响(P<0.05)，而水肥耦合效应对植株磷含量影响不显著。以上说明增加灌水对番茄磷含量有一定的提高，而在一定施肥水平下，增加施肥量对番茄植株磷含量影响不大。

2.2.3 钾含量动态变化 图4显示，植株钾含量总体随生育期先升高再降低，开花坐果期至一穗果膨大期呈上升趋势，且最终达到峰值，说明此时植株对钾吸收很大，是钾肥投入关键时期。从苗期、开花坐果期、一穗果膨大期、二穗果膨大期、果实成熟期、采摘前期、采摘后期、植株钾含量分别在3.79%～4.62%、3.83%～4.35%、3.94%～4.79%、3.23%～4.17%、3.15%～3.92%、3.01%～3.62%、2.80%～3.92%变化。整个生育期植株钾含量受灌水与施肥影响显著(P<0.05)，而水肥耦合效应对其影响不显著(P>0.5)(表1)。同一施肥水平下，W1处理较W2、W3处理钾含量分别提高0.8%～12.4%、5.6%～25.7%；同一灌水处理下，植株钾含量呈现F1>F2>F3，F1较F2、F3水平分别提高0.2%～14.8%、3.3%～26.4%，说明增加灌水和施肥均能够促进植株钾元素的吸收，提高植株钾含量。

2.3 番茄植株总干物质量与养分累积量和养分含量之间的关系

如图5A所示，干物质累积量与氮、磷、钾元素累积量呈极显著正相关关系，说明植株对矿质营养的吸收、同化与转运直接影响着植株干物质的积累，干物质量是氮、磷、钾养分累积的结果。从图5B可以看出，随着生育期的推进，干物质量和植株氮、钾含量呈显著负相关，说明随生育期推进，番茄的生长速率大于对养分的吸收速率，使其氮、钾含量随生育期而降低；由于植株中磷累积量和干物质量呈显著正相关关系，而磷含量随干物质的增加一直保持相对稳定状态，即植株对磷元素的吸收满足其生理、生长需求。

图2 不同施肥水平下灌水量对温室番茄植株氮含量的影响Fig.2 Effects of irrigation amounts on N content of greenhouse tomato under different fertilizer levels

图3 不同施肥水平下灌水量对温室番茄植株磷含量的影响Fig.3 Effects of irrigation amounts on P content of greenhouse tomato under different fertilizer levels

图4 不同施肥水平下灌水量对温室番茄植株钾含量的影响Fig.4 Effects of irrigation amounts on K content of greenhouse tomato under different fertilizer levels

2.4 灌水施肥对番茄产量及养分吸收利用的影响

番茄产量受灌水和施肥影响极显著，但水肥耦合效应对其影响不显著。如表2所示，随水肥用量增加，番茄产量随之提高(除W3F1)，在W1F1处理下获得最大产量，为102.06 t·hm-2，W1F2(97.57 t·hm-2)次之，W3F3处理产量最小，为80.45 t·hm-2。相较于低水W3处理，当水分增加50%时，产量平均提高9.6%，而当水分增加100%时，产量平均提高了16.5%；相较于低肥F3处理，当肥料用量增加50%时，产量平均提高5.9%，而当肥料用量增加100%时，产量平均提高了8.0%，表明随着灌水和施肥增加，增产幅度降低。

灌水与施肥的交互作用对番茄植株NUE和UPE没有显著影响(P>0.05)，但是除磷NUE以外，不同灌水与施肥均对NUE和UPE产生了显著影响(P<0.05)。番茄植株对营养元素的吸收效率为钾>氮>磷，氮、磷、钾的UPE随灌水量增加而增大，随施肥量增加而减小，在W1F3处理最大，分别为1.01、0.61、1.68 kg·kg-1；氮NUE随灌水施肥增加而减小，在W3F3处理下最大为701.8 kg·kg-1，钾在W3F3获得最大UPE为447.6 kg·kg-1，而磷在W2F3处理获得最大UPE为2 201.5 kg·kg-1。肥料偏生产力PFP则随着灌水量的增加而增加，随施肥量的增加而减小，其中最大PFP在W1F3处理，为233.01 kg·kg-1。

2.5 总产量与不同时期植株养分含量的相关关系及回归分析

通过对最终总产量和不同时期植株氮、磷、钾含量相关性分析，得到表3，结果表明，在本试验条件下，番茄总产量分别与植株氮、钾含量存在显著正相关关系。以植株氮、磷、钾含量为自变量，总产量为因变量，进行回归分析，如表4所示：拟合方程均达显著水平(P<0.05)，决定系数R2在0.809～0.936之间，说明各生育阶段番茄植株的氮、磷、钾含量对其产量影响显著。从开花坐果期到收获前期(63～117 d)，总产量随植株氮、钾含量的提高而增加，此期间氮磷钾元素协同作用提高了番茄植株营养状态，保证了后期产量形成。而苗期(51 d)产量随植株磷含量增加而降低，收获后期(130 d)产量随植株钾含量增加而降低，此时需要注意磷、钾肥合理施用量，说明3种养分共同作用对产量的影响是复杂的，不同生育阶段氮、磷、钾肥需要合理配比才能更好发挥作用。

注：**表示差异极显著(P<0.01)。 Note: ** means significant difference (P<0.01).图5 温室番茄植株总干物质量与养分累积量和养分含量之间的相关关系Fig.5 Correlation between total dry biomass and nutrient accumulation, total dry biomass and nutrient content of greenhouse tomato

灌溉水平Irrigation level施肥水平Fertilizer levelN利用效率NUE/(kg·kg-1)吸收效率UPE/ (kg·kg-1)P2O5利用效率NUE/(kg·kg-1)吸收效率UPE/ (kg·kg-1)K2O利用效率NUE/(kg·kg-1)吸收效率UPE/ (kg·kg-1)肥料偏生产力PFP/(kg·kg-1)产量Yield/(t·hm-2)W1F1518.8d0.61de1889.79ab0.34cde315.7c1.02cde127.58f102.06aF2558.1cd0.73c2002.01ab0.40c346.4bc1.17c162.62d97.57abF3579.6bcd1.01a1893.87ab0.61a348.1bc1.68a233.01a93.21bcW2F1553.1cd0.54ef1913.06ab0.31e330.8bc0.91ef119.74f95.79bcF2593.2abcd0.65cd1998.14ab0.39cd400.5ab0.98def153.70de92.22cdF3630.9abc0.87b2201.49a0.50b393.9ab1.39b218.57b87.43deW3F1527.7cd0.50f1679.16b0.32de316.4c0.84f105.38g84.31efF2673.9ab0.54ef2145.49a0.34cde426.4a0.85ef144.40e86.64eF3688.1a0.74c2045.51ab0.50b447.6a1.13cd201.13c80.45f灌溉 Irrigation∗∗∗∗ns∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗施肥 Fertilization∗∗∗ns∗∗∗∗∗∗∗∗∗灌溉×施肥Irrigation×Fertilization nsnsnsnsnsnsnsns

注: 不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P<0.05)；NUE、UPE、PFP分别表示养分利用效率、吸收效率及肥料偏生产力。

Notes: Different lowercase letters indicate the significant difference of irrigation and fertilization treatment (P<0.05).NUE,UPEandPFPindicate the nutrient use efficiency, nutrient uptake efficiency and partial factor productivity of fertilizer, respectively.

表3 温室番茄产量和植株养分含量的相关关系

表4 温室番茄产量和植株养分含量的回归关系

注:Y表示番茄总产量，XN、XP、XK分别表示植株氮、磷、钾含量。

Notes:Yindicate the total yield of tomato,XN、XPandXKmean the plant of N, P and K contents, respectively.

3 讨 论

水肥调控是温室作物管理最有效的手段，适宜水肥投入是优质高产的最终目标。本试验结果表明，番茄产量、干物质量均随灌水和施肥增加而增加，这与Kuscu等[18]和吴立峰等[19]所得结果一致，但产量增产幅度随水肥继续投入逐渐降低，说明当水肥在适宜范围内，增产效果良好，而超过阈值时，增产效应减弱[8]。本文研究发现，肥料偏生产力、吸收效率随灌水量提高而增加，随施肥水平提高而降低，在W1F3处理下最大，因此合理灌溉的同时，适当减少肥料输出利于肥料吸收利用；试验部分处理下钾素吸收效率大于1，表明番茄吸收钾肥中的钾外，还吸收土壤中原本储存的钾，这与刑英英等[17]研究结果类似。

氮、磷、钾是植物生长必需矿质元素，氮参与植物叶绿素的合成[20]，磷、钾参与植物糖类代谢[21, 22]，并且钾能促进茎秆维管束的发育，利于光合产物向储存器官运输[23]。不同生育期植物体养分含量有所不同。黄巧义等[24]发现木薯氮、磷、钾含量在苗期最高，随生育期推进不断降低，含量在0.93%～3.99%、0.26%～0.82%、0.89%～1.39%间变化，而番茄叶、茎、果、根的氮、磷、钾含量分别在1.56%～4.29%、0.24%～0.59%、0.98%～4.56%变化[25]，叶片和茎秆氮、钾含量从花期到坐果期逐渐降低，磷含量维持稳定[26-27]。本试验条件下，番茄植株氮含量在1.81%～3.47%间变化，随生育期逐渐降低，磷含量在0.48%～0.78%之间波动，钾含量在2.80%～4.79%间变化，苗期较低，在果实膨大期达到最大，之后随生育期逐渐降低，其与上述研究结果基本一致。植株养分含量不仅随生育期变化，还受灌水施肥影响显著。若土壤水分不足，导致根系吸水受到抑制，降低根系吸水面积，增大木质部液流粘滞性，阻碍了水分吸收和养分运输[28]；随施肥量增加，番茄叶片、果实及根系中氮、钾含量越高[29-31]，但对番茄地上部磷的吸收利用无显著影响[32]，这与本文试验结果基本一致。植株养分含量直接影响作物生长状态和后期产量的形成。提高小麦拔节前期氮浓度，可保证有效分蘖进行，提高成穗数[13]，而西瓜各器官养分含量高低对提高果实产量起重要作用[33]。本文研究发现，各生育期氮、磷、钾含量与产量呈显著的线性关系，在养分含量最高时产量达到最大，说明保证各生育期番茄植株的养分含量，是优质高产的前提。

本试验下植株最佳营养状态在W1F1处理获得，并且使番茄生物量和产量同时达到了最大，但养分的吸收利用效率及肥料偏生产力较低，虽然W3F3处理养分吸收利用效率及肥料偏生产力较好，但产量太低。综上，在本试验设计范围，灌水量为W1(1.0E)，施肥量(N-P2O5-K2O)为F2～F1水平，即在 240-120-240～320-160-320 kg·hm-2)之间，蕃茄植株营养状态最佳，既能有效保证产量，又可以有效节约水资源，增加肥料吸收利用，降低环境污染风险。

4 结 论

温室滴灌施肥条件下，灌水与施肥对番茄植株氮、钾含量影响显著，随灌水施肥的增加而提高。植株较高的养分含量使其有好的营养状态，促进番茄生物量累积和产量形成。通过调控植株氮磷钾养分含量，适时合理灌水施肥，达到优质高产的目的。当灌水量为1.0E，施肥量(N-P2O5-K2O)为 240-120-240～320-160-320 kg·hm-2时，蕃茄产量为97.57～102.06 t·hm-2，养分吸收利用率及肥料偏生产力处于较佳水平。