不同水氮供应模式对设施番茄生长及产量的影响

2020-11-28张新燕王浩翔牛文全

灌溉排水学报 2020年11期

张新燕，王浩翔，牛文全,2*

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100； 2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

0 引言

【研究意义】水肥的合理利用是提高作物生长和产量的关键因素[1-2]。番茄需求量大，营养价值高，是蔬菜类生产中产量最高的品种，在我国可四季生产，但由于水肥施用不当而影响到番茄的生长和产量的提高[3-4]。国内外学者对滴灌施肥条件下番茄的生长发育、产量等方面进行了大量研究。【研究进展】研究[5-6]发现滴灌施肥可以同时节肥并提高作物产量，增加施肥量和适当上调灌水下限可以显著提高番茄的光合速率、干物质量，并通过滴灌施肥番茄的水肥调控效应发现，节水25%和节肥25%可获得最高的产量和水分利用效率[7]，且认为不同施入方式下灌水量和施肥量对番茄植株的影响很大，与常规沟灌施肥相比，滴灌施肥产量与灌水量和施肥量正相关，增加施肥量带来的增产效应大于灌水，且增加灌水量，降低施肥量，水分利用效率逐渐下降，肥料偏生产力逐渐上升[8]。对膜下滴灌施肥番茄水肥供应量的优化研究发现灌水量和施肥量对番茄株高、产量影响显著，番茄茎粗与施肥量差异显著[9]。施肥量对秋冬茬番茄单果质量具有负效应，果实产量随着施肥量增加呈先上升后下降的抛物线趋势[10]。滴灌施肥模式除了考虑灌水量和施肥量因素外，田间滴灌布置方式对其也有重要影响。在沙地番茄覆膜滴灌条件下，1 管1 行布置方式其15 cm土层深度土壤含水率大于1管2行布置，且大于30 cm 土层深度，而滴灌带数量对产量没有显著影响[11]，增大滴管带间距是减少滴灌系统投资的重要因素之一[12]，1 管2 行布置比1 管1 行布置滴灌带长度减少25%～50%、微管减少33%～55%，可节省投资35%～41%[13]。【切入点】国内对设施番茄滴灌施肥的研究中基本没有考虑田间滴灌毛管布置方式的影响，国外主要考虑滴灌布置方式的影响，很少考虑结合水肥共同作用进行研究，而三者对番茄生长均有互作效应。为此，本研究通过设施番茄滴灌施肥模式试验，研究设施番茄不同田间滴灌毛管布置方式、灌水量、施肥量的优化配置。【拟解决的关键问题】探索水肥一体化滴灌系统模式和设计方法，以期为设施番茄水肥一体化技术的推广应用提供技术支撑和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地位于陕西杨凌西北农林科技大学北区旱作实验温室，位于东经108°04'，北纬34°50'。室外年平均气温13 ℃，多年平均降水量645 mm，年平均蒸发量1 500 mm。温室长度24.5 m、跨度6 m、高度2.5 m，内均分为27 个测坑（小区），测坑长2 m、宽1.5 m，深度2 m。测坑四周及底二四砖砌墙，水泥抹面，不透水；坑内土壤为杨凌壤土，体积质量1.35～1.40 g/cm3，土壤基本理化性质为：pH 值7.86，有机质量1.152%，全氮量0.123%，全磷量0.078%，全钾量1.850%。

供试番茄品种为毛粉802，为无限生长型的中晚熟品种，具有果实肉厚，不易裂果，品质佳，商品性好，坐果力强，产量高等特点。供试氮肥为尿素，含氮46%。

滴灌施肥设备主要由水源、水表、液压比例施肥泵、滴灌管和输配水管道系统等组成。供试用比例施肥泵进出水口径25 mm，流量20～2 500 L/h，水压0.02～0.3 MPa。采用内镶式滴灌管，管径d=16 mm，壁厚0.20 mm，工作压力50～100 kPa，滴头间距0.30 m，额定流量2.0 L/h。

1.2 试验设计

设置田间滴灌毛管布置方式、灌水量和施氮量3个因素。滴灌毛管布置方式设为1 管1 行（T1，滴灌管布设于各植株行）、1 管2 行（T2，滴灌管布设于2植株行间）和1 管3 行（T3，滴灌管布设于3 植株行的中间行）3 个水平。灌水量设为50% ET0（W1）、70% ET0（W2）和90% ET0（W3）3 个水平（ET0根据王健等[14]日光温室Penman-Monteith 修正公式，估算结果为310 mm）。参照当地施肥管理，施氮肥量设为120 kg/hm2（N1）、180 kg/hm2（N2）、240 kg/hm2（N3）。采用三因素三水平正交试验设计，每个处理3 个重复，共27 个小区。番茄幼苗移栽定植时，按照番茄植株行距50 cm、株距30 cm，南北行向种植。

试验前对棚室测坑土地进行翻耕、平整。首先按施用量20 010 kg/hm2施入有机质量为43%的有机底肥，深翻。6 月15 日定植，定植后所有处理均灌定植缓苗水30 mm。之后平均每隔约10 d 灌1 次水，在番茄生长期间（6 月24 日—9 月25 日）共灌水10次，试验W1、W2、W3处理实际灌水总量分别为160、220、280 mm。灌水量通过水表计量控制。不同处理氮肥各等分为10 份，配成肥液，通过液压比例施肥泵随灌溉水施入。田施磷肥（120 kg/hm2）全部基施，在结果期的第1 穗果膨大期和第2 穗果膨大期追施钾肥（150 kg/hm2），其他管理遵照温室番茄管理措施进行。

根据番茄生长特性结合田间实地观测，对比番茄生育阶段划分标准，将番茄生育期划分为苗期（6 月15 日—7 月25 日，包括缓苗期），花期（7 月26 日—8 月5 日），结果成熟期（8 月6 日—9 月25 日）。

1.3 测定指标及方法

株高、茎粗的测定：随机选取小区中不同株行长势正常的3 株植株作为测定样本，在植株定植后20 d开始测量，每间隔15 d 测1 次。番茄各生育期植株株高用直（卷）尺测量从植株根部到顶端，茎粗用游标卡尺测植株茎秆子叶节上面的第1 节间。

叶面积指数测定：采用长宽乘积法，量出测坑中样本植株的每一片绿叶长和宽，并采用计数法记录测坑植株数和样本植株叶片数，计算单株叶面积和叶面积指数。

光合作用：在天气晴朗，光照充分的09:00 左右，选取植株样本上顶叶，采用LI-6400 便携式光合测定仪（LI-COR，Lincoln，USA）测光合作用。

叶绿素SPAD 测定：选取植株样本靠近中上部、位置相同的健康叶片，采用手持便携式SPAD-520 叶绿素测定仪测定叶片SPAD 值。

产量测定：在果实成熟期，分别采摘每个小区成熟果子，用电子天平称质量。

2 结果与分析

2.1 水氮供应模式对番茄生长指标的影响

2.1.1 水氮供应模式对番茄株高茎粗的影响

由表1 可知，番茄株高随着生育阶段的发展而增高，苗期不同处理株高差异不明显，平均株高35.6 cm。随着植株生长，不同处理的影响差异随之增大，花期最大株高（T1W3N3 处理）与最小株高（T1W1N1 处理）相差20.7 cm，至结果成熟期最大株高（T1W3N3处理）与最小株高（T3W1N3 处理）相差32.3 cm，其差异增大了约1/3，且平均株高增加到142.8 cm。

番茄茎粗随着生育阶段发展而增大，苗期平均茎粗仅有2.8 mm，到结果期茎粗增加到12.8 mm。处理之间的差异也随着生育期的发展而增大，由苗期相差1.0 mm 增大到结果成熟期最大茎粗（T1W3N3 处理）与最小茎粗（T3W1N3 处理）相差5.7 mm，增大了近6 倍。

表1 分析了不同管道布置方式T、灌水量W 和施氮量N 对番茄株高、茎粗的显著性影响。随灌水量和施氮量的增加，植株株高和茎粗增加，仅在生育后期施氮影响表现不同，N2 处理株高和茎粗最大，N3处理次之，可见适宜的施氮水平可以促进番茄生长，过多过少都会限制其生长发育。不同水氮供应模式下苗期（7 月5 日）番茄株高均没有显著差异；灌水水平在生育中后期均差异显著；施氮N2 和N3 水平在结果初期（8 月5 日）株高没有显著差异，其他均有显著差异。不同灌水水平和施氮水平下植株茎粗均没有显著差异，仅灌水水平在生长中后期差异显著。相较于灌水因素和施氮因素，毛管布置方式的影响较小。毛管布置方式T1 和T2 水平下花期（7 月20 日）番茄株高和茎粗有显著差异，而T3 水平与T1、T2 水平除苗期外均差异显著；不同毛管布置方式对植株茎粗的影响均没有显著差异。

表1 番茄株高茎粗的变化 Table 1 Change of stem length and thick of tomato

2.1.2 水氮供应模式对番茄叶面积指数LAI 的影响

叶面积指数是反映作物群体大小的动态指标。如图1 所示，不同水氮供应模式番茄叶面积指数随着番茄植株生长先增大后减小。由于苗期各处理番茄植株叶片较少，且单片叶片叶面积较小，苗期叶面积指数LAI 平均值仅为1.67，各处理间差异最小，相差仅0.36。随着生长，在番茄花期各处理叶面积指数增长速度相对加快，与生育时间基本成直线增加，到花期LAI 平均值增加到2.47，至结果初期，叶面积指数已达到最大值6.19。之后逐渐减小，到结果中期番茄植株底部的叶片开始衰亡，叶面积指数减小为5.46，后期仅为5.01。各处理间差异最大出现在结果初期，最大值（T1W2N2 处理）与最小值（T3W2N1 处理）相差2.57。

图1 水氮供应模式下番茄叶面积指数Fig.1 Tomato LAI on water and N-fertilization supply

图2 水氮供应模式下番茄净光合速率 Fig.2 Tomato Pn on water and N-fertilization supply

2.2 水氮供应模式对番茄生理指标的影响

2.2.1 水氮供应模式对番茄光合作用的影响

番茄净光合速率在整个生育期呈波浪形变化（图2），苗期光合作用较弱，平均值6.40 μmol/(m2·s)，花期光合作用增强，平均值基本达到峰值，15.61 μmol/(m2·s)，且不同处理间差异增大。到番茄结果期，初期光合作用较强，后期较快速减小，下降幅度最大的是T3W2N1 处理，幅度达到12.6 μmol/(m2·s)。由表2 可见，在番茄生育期，不同毛管布置方式下光合作用没有显著差异。在苗期，不同灌水量水平和施氮量水平光合作用差异显著，在其他生育阶段灌水W1水平和W2、W3 水平有显著差异，而W2 水平和W3水平间没有显著差异，施氮水平结果类同，仅在结果中期（8 月20 日）N3 水平与N1、N2 水平差异显著。可得，对番茄光合影响最大的是灌水因素，随灌水量的增加，光合作用增强，反映了叶片对水分状况的敏感，间接反映了土壤水分对光合速率的影响。其次是施氮因素，基本表现为随着施氮量的提高，光合作用增强。而毛管布置方式对光合影响最小。

表2 番茄光合速率和叶绿素的变化 Table 2 Change of photosynthetic rate Pn and SPAD of tomato

2.2.2 水氮供应模式对番茄叶绿素SPAD 的影响

由表2 可知，在番茄生育期间，不同毛管布置方式下SPAD 没有显著差异。在苗期和花期灌水水平W1 和W2 有显著差异，但W2 和W3 水平无显著差异，到结果末期，不同灌水水平均没有显著差异，到结果末期，不同灌水水平均没有差异；施氮N2 和N3水平在各个阶段无显著差异，但和N1 水平有差异。可见适宜的灌水和施肥即可保证植株代谢和生长需求，过高灌水（W3）和施氮（N3）并没有促进代谢。同时，可以得出对番茄叶绿素量影响最大的是施肥因素，N2 水平叶绿素SPAD 最大，N3 水平次之。其次是灌水因素，同样表现为W2 水平叶绿素SPAD 最大，W3 水平次之。可见适宜的施氮量和灌水量有利于叶绿素SPAD 值提高。

表3 水氮供应模式对番茄产量的影响 Table 3 Effect on yield of tomato on water and N-fertilization supply

2.3 水氮供应模式对番茄产量影响

水氮供应模式对番茄产量的影响见表3。灌水因素W 和施氮因素N 对番茄产量均有显著性影响，灌水水平W1 和W2 下番茄产量产生极显著差异，W2和W3 水平差异不显著；施肥水平N1、N2、N3 均差异显著，N1 和N2 以及N2 和N3 水平均没有极显著差异，但N1 和N3 水平之间差异极显著。不同毛管布置方式T1、T2、T3 水平均没有极显著差异，而T2 和T3 水平产生显著差异。由极差分析可得，产量极差最大的是灌水因素，为18 237.2 kg/hm2，其次为施氮因素，毛管布置方式最小，仅为4 706.5 kg/hm2，比较可知，获得番茄高产的灌水量因素、施氮肥模式以及毛管布置方式的最优水平组合为W2、N3、T2，该处理平均产量最高，为107 104.0 kg /hm2。

柯布-道格拉斯（Cobb-Douglas）生产函数模型运用数学的方法来描述生产过程中变量与变量之间的依存关系，表达多种投入因素对产量的影响程度。研究中由于毛管布置方式对番茄产量没有显著影响，因此以灌水量（W）和施氮量（N）为自变量，蕃茄产量为因变量，通过边际分析，建立Cobb-Douglas 模型为：

式中：Y 为产量（kg/hm2）；W 为灌水量（mm）；N为施氮肥量（kg/hm2）。

在试验条件下，灌水量的生产弹性大于施氮肥量的生产弹性，即灌水量每增加1%，番茄产量增加约37%，施氮肥量每增加1%，番茄产量增加约30%。可见对番茄产量的影响，灌水因素大于施肥因素。

3 讨论

灌水对番茄株高、茎粗和叶面积指数等生长指标均有显著影响，且影响大于施肥因素，株高和茎粗均随灌水量和施氮量的增大而增大，叶面积指数随着番茄植株生长先增大后减小。袁宇霞等[4]、张燕等[7]、王秀康等[9]研究结果均表明，增加灌水量和施肥量可以显著提高番茄株高、茎粗、叶面积和产量，但施肥量过高也不利于番茄生长和产量提高。而贾宋楠等[10]研究发现，试验条件下施肥量对设施番茄叶片数影响不显著，与株高和叶面积正相关，但因试验中施肥处理不同，施肥量与茎粗成负相关。同时，番茄生长指标也受其生育时期的影响而不同，张燕等[7]发现生育前期不同水肥处理茎粗无显著差异，至生育末期出现显著差异。

设施番茄的光合作用在花期达到最强，受灌水和施肥模式的影响差异显著，且影响最大的是灌水因素，随灌水量的增加，光合作用增强，其次是施肥水平，基本表现为随着施肥水平的提高，光合作用增强。袁宇霞等[4]、张燕等[7]也发现增加施肥量和适当上调灌水下限可以显著提高番茄的光合速率和产量。而番茄叶绿素水平受施氮肥量影响较大，其次是灌水因素。研究发现适宜的灌水和施肥有利于叶绿素SPAD值提高，过高过低都会影响叶绿素水平。

与王秀康等[9]研究结果相同，灌水因素和施肥处理对番茄产量影响均差异显著。在现有地力和生产力水平下，对番茄产量的影响，灌水因素大于施肥因素，灌水量每增加1%，番茄产量增加约37%，施肥量仅使产量增加不足30%。而邢英英等[8]认为水、肥是作物生长的2 大影响因子，不合理的灌溉与氮肥量不仅难于增加产量，还会使土壤累积硝态氮，造成环境污染。产量和植株氮素吸收量均与灌水量和施氮肥量正相关，增加施肥量带来的增产效应大于灌水。贾宋楠等[10]研究得出施肥量对秋冬茬设施番茄单果质量具有负效应，果实产量随着施肥量增加呈先上升后下降的抛物线趋势，即适量施肥可提高产量及水分利用效率。造成以上不同研究结果的原因均与具体的实验条件控制及当地的地力水平等因素有关。

不同毛管布置方式下番茄生长指标和产量均没有极显著差异。1 管3 行毛管布置灌水不均匀，影响番茄植株生长和产量，而1 管1 行和1 管2 行布置方式在产量上没有显著差异。由于受当地土壤、环境等具体条件影响不同，这与Mbarek 等[15]的研究不同。Mbarek 等[15]研究了滴灌技术不同毛管布置方式对温室番茄产量的影响，得出1管2行产量最高。而Satpute等[13]研究了沙壤土滴灌带铺设方式和种植结构对番茄产量和系统投资的影响，认为种植结构对产量没有显著影响，而1 管2 行布置比1 管1 行布置可节省投资35%～41%。因此综合考虑田间铺设的管道数量和投资，1 管2 行较1 管1 行节约用管，结合不同毛管布置方式对番茄生长和产量的影响等因素，1 管2 行是最佳毛管布置方式。