基于临界氮浓度的加工番茄优化施肥效应研究

景 博，刁 明*，张 坤，郭鹏飞，万文亮，牛 宁

（1.石河子大学农学院，新疆 石河子 832000；2.特色果蔬栽培生理与 种质资源利用兵团重点实验室，新疆 石河子 832000）

加工番茄（Lycopersicon esculentumMill）是普通番茄的一种栽培类型，主要以制作番茄酱为主［1］，近年来我国加工番茄产业规模仅次于排名第一的美国，新疆番茄制品约占全国产量的 80%～90%，随着膜下滴灌技术的应用，加工番茄产业已经发展成为新疆的“红色产业”。

氮是最重要的营养元素，它是组成氨基酸和酶的成分，在细胞代谢中起着核心作用［2］。随着人口的增加，人们通过增加氮肥的施用量来提高作物产量，以养活更多的人，且预计这一现象会持续增加。但随着氮肥利用效率在高氮水平下的下降，大量施用氮肥将不能有效地提高产量［3］，且盲目施氮导致了农田土壤的酸化和地下水环境的污染［4-5］。加工番茄对水和氮的需求量较高，及时保持合理的水氮供给是加工番茄高产稳产的基础［6-7］。如今膜下滴灌技术发展迅速，如何结合膜下滴灌技术的优越 性［8-9］，合理确定加工番茄的施氮量以及施肥方案是当前迫切需要研究的课题。

临界氮浓度是指作物在一定的生长时期内获得最大生物量时的最小氮浓度值，植株内氮浓度值在这个曲线之下，则土壤供氮成为生物量累积的限制因素之一［10］。Tei等［10］构建了加工番茄临界氮浓度稀释曲线及氮素吸收模型，基于该模型可以计算出满足加工番茄最快生长的临界需氮量。Hartz 等［11］与Farneselli等［12］研究表明基于临界氮浓度稀释模型，可以对滴灌加工番茄的供氮状况是否充足进行合理动态诊断。就目前而言，加工番茄临界氮浓度的氮素营养诊断是基于经验施肥比例得出的，而以氮浓度指数函数作为施氮依据的施肥方案还鲜有研究。本试验基于前人临界氮浓度模 型［13］，根据干物质量推算各生育期的施氮比例，结合最佳灌水方案［14］，按照施氮量和施氮比例在各生育期追肥，探究在基于临界氮浓度的氮运筹下各生育期对氮的响应，提出优化灌水和优化施肥相结合的新疆加工番茄种植方案，为提高氮素的有效利用以及加工番茄的持续高产提供技术 支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2018～2019年在石河子大学农学院试验站进行。试验区的土壤理化性质见表1。

表1 不同年份试验小区土壤营养水平

1.2 试验设计

供试品种为“里格尔 87-5”，用穴盘育苗，四叶一心时移栽大田。试验设置不施氮（N0）、施氮200 kg·hm-2（N1）、施 氮300 kg·hm-2（N2）和施氮400 kg·hm-2（N3）4个氮运筹，小区面积为7.2 m×12 m，各重复3次，共12小区，各试验小区随机排列。根据加工番茄的氮素吸收模型得出的施氮比例（表2）严格施入尿素。

表2 基于临界氮浓度获得的各处理施氮比例（kg·hm-2）

在施氮量 300 kg·hm-2条件下，加工番茄各生长阶段追肥比例是由该生长阶段临界氮吸收量（Nuptc）所占比例确定，而Nuptc是基于临界氮浓度稀释曲线模型所得，其加工番茄“里格尔 87-5”的临界氮浓度稀释曲线模型和临界氮吸收模型［13］可用公式表示：

临界氮浓度稀释曲线模型：Nc=4.352DW-0.274

临界氮吸收模型：Nuptc=43.521DW

式中，Nc为临界氮浓度值，%；Nuptc为临界氮吸收量，kg·hm-2；DWmax为加工番茄地上部生物量的最大值。根据加工番茄干物质增长量获得Nuptc在各生育期所占比例，即施氮比例。施肥时将磷肥和钾肥全部一次性施入土壤做基肥，每公顷施入养分量为P2O5210 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2。试验采取1.2 m膜，一膜两管，一管一行的种植方式，株距30 cm，行距60 cm，滴头间距为30 cm。灌水量为75%ET0［14］，通过水表控制，灌水周期设定为7～10 d，两年全生育期总灌水量约为 4 700 m3·hm-2。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 氮素营养指数模型

为了进一步明确作物的氮素营养状况，Lemaire 等［15］提出了氮素营养指数（nitrogen nutrition index，NNI）的概念，可用公式来表示：

式中，NNI为氮素营养指数；Nt为地上部生物量氮浓度的实测值，g·（100 g）-1；Nc为根据临界氮浓度稀释曲线模型求得的在相同的地上部生物量时的氮浓度值，g·（100 g）-1。NNI可以直观地反映作物体内氮素的营养状况，NNI等于1，氮素营养状况最为适宜；NNI大于1，表现为氮素营养过剩；NNI小于1，表现为氮素营养亏缺。

1.3.2 氮素亏缺模型

根据Greenwood 等［16］、Lemaire等［17］和 Gastal等［18］的试验，可推导出氮素亏缺模型：

式中：Ncna表示临界氮浓度条件下植株氮积累量，kg·hm-2；DW表示植株地上部干物质量，t·hm-2；a、b表示方程参数，根据前期试验获得［13］；Nand为氮积累亏缺值；Nna表示植株在不同施氮量下的实际氮积累量，kg·hm-2。 若Nand等于0，表示植株体内氮素积累达到最佳水平；若Nand 值大于0，表示植株的氮积累较少，并未达到最佳状态；若Nand小于0，则表示氮积累过量。

1.3.3 干物质量积累与氮浓度测定

在加工番茄移栽大田后，每隔7～10 d 进行破坏性取样，分器官于105℃ 杀青30 min，烘箱保持 80℃ 烘干至恒重并称重。将测定过干物质量的样品粉碎后，通过全自动凯氏定氮仪测定器官氮浓度。各器官氮素含量为器官含氮量与器官干物质量的乘积，其单位为 kg·hm-2。所有器官氮素含量相加得地上部植株氮累积量。植株氮浓度为植株氮累积量与植株干物质量的比值。

1.3.4 氮素利用效率计算

依据银敏华等［19］的计算方法，可计算加工番茄氮肥利用率、氮肥生理利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力。相关指标计算方法为：

式中：RNE表示氮肥利用率，%；AEN表示氮肥农学利用率，kg·kg-1；NPE表示氮肥生理利用率，kg·kg-1；PEP表示氮肥偏生产力，kg·kg-1；CN表示施氮区植株地上部氮积累量，kg·hm-2；C0表示不施氮区植株地上部氮积累量，kg·hm-2；YN表示施氮区植株产量，kg·hm-2；Y0表示不施氮区植株产量，kg·hm-2；N表示施氮量，kg·hm-2。

1.4 统计分析及作图

采用Excel 2007进行数据处理，SPSS 17.0统计分析软件进行方差分析，Origin 9.0软件绘 图。

2 结果与分析

2.1 氮运筹对加工番茄干物质及氮浓度的影响

由表3可知，2018和2019年加工番茄地上部生物量随着施氮量呈先增加后趋于稳定的趋势。2018年，在开花期（定植后40 d）前，地上部干物质量表现为N1与N2处理差异不显著，其他生育阶段总的表现为N2与N3处理显著高于其他处理，且N2与N3处理的地上部干物质量在拉秧期前（定植83 d前）差异不显著；2019年，总的表现为50 d后N2处理的加工番茄地上部干物质量显著大于其他处理。说明氮不足与氮过量均会影响加工番茄地上部干物质量的增长。

表3 基于临界氮浓度的施氮对加工番茄干物质的影响

由图1可知，在基于临界氮浓度的氮运筹下，在同一取样时期不同氮处理的地上部生物量中的氮浓度随着施氮量的增加而增加，且各处理的氮浓度随着生育期的推进呈下降趋势。

图1 基于临界氮浓度的氮运筹对加工番茄氮质量分数的影响

2.2 氮运筹对加工番茄氮素吸收、分配和利用的影响

由图2可知，基于临界氮浓度的不同氮运筹会影响加工番茄对氮素的吸收和分配。在加工番茄苗期至开花期（定植后40 d前），植株对氮素的吸收比较缓慢，各施氮处理对氮素的吸收量及吸收速率差异不显著。在开花期以后，两年试验的氮素吸收速率出现了差异，这可能是由于气候原因，造成2018年试验的生育期延后造 成的。

图2 基于临界氮浓度的施氮量对加工番茄氮素吸收及分配的影响

2018年，植株对氮素的吸收速率出现了两次吸收峰，第一次出现在开花至坐果期阶段（定植后43 d），在此峰的吸收速率表现为N3>N2>N1>N0，N0、N1、N2、N3处理的氮素吸收量分别为50.47、81.69、111.89和128.51 kg·hm-2，且 叶 中 占 总吸氮量的65%、66%、63%和63%。第二次峰值出现在加工番茄红熟期阶段，在此峰的吸收速率表 现 为N2>N3>N1>N0，N0、N1、N2、N3处 理的氮素吸收量为116.78、156.96、256.9和240.29 kg·hm-2，且果中占总吸氮量的78%、70%、60%和58%；2019年植株对氮素的吸收速率只在坐果至红熟期阶段出现了一个吸收峰，吸收速率表现为N3>N2>N1>N0，N0、N1、N2、N3处理的氮素吸收量为80.35、119.67、183.12和210.22 kg·hm-2，且叶 中占总吸氮量的41%、35%、31%和46%，果中占总吸氮量的26%、35%、36%和25%。两年试验在红熟期以后，植株对氮素的吸收速率逐渐减小，氮素从茎叶中向果中转移量继续增加，茎和叶中的氮占总吸氮量的比例继续减小，各处理的吸氮量主要分布在果中，占总吸氮量的53%～77%。

表4为两年试验所计算出的不同氮运筹下氮素的利用效率，结果表明，随着不同氮运筹的变化，两年的氮素利用趋势基本一致；两年的氮肥农学利用率与氮肥利用率均表现为N2显著大于N1和N3，这主要是因为N2处理下的植株在收获期有较高的氮素积累量和产量；氮肥的生理利用率随着施氮量的增加而降低，且各处理间差异显著；2018年氮肥的偏生产力表现为N1显著大于N2和N3处理，2019年各处理间差异不显著。

表4 基于临界氮浓度的氮运筹对氮素利用效率的影响

2.3 基于临界氮浓度的氮运筹下各生育期适宜施氮量的分析

由图3可知，在基于临界氮浓度的氮运筹下，两年度加工番茄氮营养指数（NNI）和氮素亏缺量随着生育期的推进其变化趋势基本一致。各处理下的NNI值在0.61～1.27之间波动，表现为N0和N1处理始终小于1，N2和N3处理始终大于1，且在各生育期均随着施氮量的增加而变大；氮亏缺值在-79.2～69.7之间波动，在各生育期随施氮量的增加而减小，且N0和N1处理始终大于0，N2和N3处理始终小于0。

在定植后30 d以前是加工番茄的苗期阶段，N1处理的氮营养指数最接近1；由氮亏缺模型可以看出，此阶段各处理的氮素亏缺量均接近0，说明在此阶段田间基肥即可满足加工番茄的生长。2018和2019年的开花期分别为定植后30～44和38～50 d，此阶段加工番茄的营养生长与生殖生长旺盛，植株的需氮量增大，N0和N1处理下的氮营养指数NNI与1的差距逐渐增大，且氮亏缺量逐渐增加，N2处理在此阶段的营养指数NNI最接近1，且基本没有出现氮亏缺。两年分别从定植后44和50 d以后，植株开始坐果，对氮的需求量也逐渐增加，N2处理的氮营养指数始终接近1，氮亏缺量出现高于或者低于实际氮需求量的两极分化，N2处理最接近临界需求量。

图3 基于临界氮浓度的氮素营养指数模型和氮素亏缺模型

3 讨论

3.1 氮运筹对加工番茄干物质及氮浓度的影响

杨慧等［20］对番茄研究表明，不同施肥水平的番茄总干物质量随生育进程的累积动态呈现“S”型特征，且总干物质累积量以中肥处理最高，增肥和减肥均会抑制干物质的增长；不同水平氮条件下番茄地上部氮浓度值均表现为随移栽天数的推移而降低，即其氮浓度值存在稀释现象，并且在相同的水分条件下，氮浓度值随施氮量的增加而增大，说明施氮可以增大植株对氮素养分的吸收。本试验基于临界氮浓度的追肥方案下，得出在加工番茄坐果期后施氮300 kg·hm-2的条件下，干物质积累量高于或显著高于其他处理，施氮200 kg·hm-2和施氮400 kg·hm-2的处理均会影响干物质的积累。氮浓度在各生育期均表现为随着施氮量的增加而增大，且均随定植后天数而降低。

3.2 氮运筹对加工番茄氮素吸收、分配及利用的影响

作物对氮素的高效利用与作物自身对氮素的吸收特性有关，作物获取、吸收、转运和再分配 NO3-和 NH4+的能力，是影响吸收氮素的主要因素［21-22］。李青军等［23］研究发现加工番茄吸收氮素量可达到273.51 kg·hm-2，氮素最大累积速率和地上部生物量最大累积速率在移栽后6周坐果期至红熟初期。Blaesing 等［24］研究认为高产加工番茄吸收氮素量平均为466 kg·hm-2。本试验结果表明，在基于临界氮浓度的追肥方案下，施氮300 kg·hm-2下的加工番茄植株在拉秧期两年的氮积累量分别为289.49和263.59 kg·hm-2，且与不施氮和施氮200 kg·hm-2下的植株氮积累量差异显著，与施氮400 kg·hm-2下的植株氮积累量差异不显著，说明过量施氮不会增加加工番茄植株氮素的积累。

汤明尧等［25］研究了氮运筹对加工番茄氮素吸收利用的影响，结果表明不同的施氮水平会影响植株对氮素的吸收积累量及分配，但不影响总的吸收趋势，氮素吸收积累动态和干物质一样呈“S”型增长。还表明各生育期植株对氮素的吸收速率不同，前期对氮素吸收较为缓慢，主要分布在叶中，且各处理间的氮吸收量差异不大；盛果期氮素开始迅速积累，施氮处理对氮素的吸收有明显的影响；成熟期吸氮速率开始降低，总吸氮量比例减小，且主要分布在果实中。本试验结果与其基本一致，氮素的积累量随生育期呈先增加后降低趋势。在苗期，植株对氮素吸收量和吸收速率比较小，且主要分布在叶中；在坐果期至红熟期阶段，各处理下的加工番茄对氮素的吸收速率逐渐增大，氮素吸收量也随之增加，氮素由营养器官向生殖器官中转移，茎叶中的氮占总吸氮量的比例开始减小；在拉秧期，加工番茄对氮的需求量开始降低，吸收速率开始下降，但不施氮、施氮200 kg·hm-2和施氮300 kg·hm-2的植株氮积累量有增加趋势，而施氮400 kg·hm-2抑制了植株对氮素的吸收。

银敏华等［19］研究了氮运筹对夏玉米氮素利用的影响，结果表明不同氮处理下的氮肥农学利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力和氮肥利用率均随着施氮量的增加而降低，本试验结果表明，在基于临界氮浓度的追肥方案下，加工番茄氮肥的生理利用率和氮肥的偏生产力与其变化趋势一致，但氮肥农学利用率和氮肥利用率与其不同，表现为施氮300 kg·hm-2的处理最好，且与其他处理差异 显著。

3.3 基于临界氮浓度的氮运筹下各生育期适宜施氮量的分析

前人对玉米［26］、棉花［27］、小麦［28］等作物的氮营养诊断进行了分析，得出了适宜施氮量。 Erda等［29］研究表明施氮160 kg·hm-2时，加工番茄吸收氮素量为222 kg·hm-2，且可获得高产。向友珍等［30］对日光温室甜椒进行氮素营养诊断，结果表明灌水量75%ET0和施氮量190 kg·hm-2左右为最佳策略。本试验主要研究基于加工番茄临界氮浓度的最佳施肥方案，结果表明，在加工番茄苗期至开花期阶段，植株对氮素的需求量较小，可适当减少氮素的施用量。结果表明植株的最佳氮肥施用量为278 kg·hm-2。

4 结论

新疆滴灌加工番茄的最佳氮肥施用总量为278 kg·hm-2，苗期至开花期、开花至坐果期、坐果至红熟期和红熟至拉秧期施氮比例分别为16%、26%、49%和9%，此施肥方案保证了氮素的充分利用，减少了氮素对土壤环境的污染，为加工番茄的持续高产提供了技术支撑。