水肥耦合对干热河谷冬春番茄产量及其品质的影响

王艳丹 何光熊 杨淏舟 岳学文 余建琳 史亮涛 方海东

摘  要：干热河谷等“热区”以其充足的光照及相对较高的温度为冬春季蔬菜生产提供了重要条件，合理的水肥管理是保障区域蔬菜产业可持续发展及农业环境安全的重要举措。為提高西南热区特色作物水肥管理能力，巩固北方冬春蔬菜供应链，设置不同灌溉量（4469.10、2253.60、1806.70 m3/hm2）和施氮量（240、210、180、150 kg/hm2）2个因子，在元谋干热河谷开展冬春季节番茄大田试验，分析比较不同水氮处理对番茄产量、品质及其水肥利用效率的影响。结果表明：（1）降低灌溉定额后，番茄单果重显著增加（P<0.05），总产量无显著差异（P>0.05），番茄果横径和果梗洼大小显著增加（P<0.05），糖含量和番茄红素显著降低（P<0.05），水分利用效率显著提高（P<0.05）;（2）氮肥施用量显著影响番茄果梗洼大小（P<0.05）;（3）水氮耦合作用显著影响糖含量和番茄红素（P<0.05），番茄产量和品质更易受水分供应限制，而受氮肥影响较小。结果显示元谋冬春茬番茄传统种植模式存在过量灌溉和过量施肥的现象，选择低水（灌溉定额1806.70 m3/hm2）中氮（180 kg N/hm2）的水肥管理策略，保产的同时能有效提高番茄水分利用效率，能产出品质较好的番茄，同时减小环境污染风险。

关键词：番茄;灌溉;氮肥;水肥耦合;水肥利用效率

Abstract： “Hot region” with sufficient light and relatively high temperature provide important conditions for vegetable production in winter and spring. Reasonable water and fertilizer management is an important measure to ensure the sustainable development of vegetable industry and the safety of agricultural environment in this region. The purpose of our experiment is to improve the water and fertilizer management ability of special agriculture crop in the hot region of southwest China， to reinforce the supply chain of winter and spring vegetables in north China. The field experiment of tomato in winter and spring was carried out in Yuanmou dry-hot valley， two factors of different irrigation ration （4469.10， 2253.60， 1806.70 m3/hm2） and different nitrogen application amount （240， 210， 180， 150 kg/hm2） were set to analyze the coupling effect of water and nitrogen on tomato yield， quality， water and fertilizer use efficiency. With the reduction irrigation ration， the weight of single tomato significantly increased （P<0.05）， but no significant difference in yield （P>0.05）， the fruit diameter and the size of stem also significantly increased （P<0.05）， sugar content and lycopene content of tomato significantly decreased （P<0.05）， and water use efficiency significantly improved （P<0.05）. Application amount of nitrogen fertilizer significantly influenced the size of stem （P<0.05）. The coupling effect of water and nitrogen significantly affected the sugar content and lycopene concentration （P<0.05）. The yield and quality of tomato were more restricted by water supply and less affected by nitrogen fertilizer. The results indicated that there were excessive irrigation and fertilization in the traditional plantation mode of tomato in winter and spring in Yuanmou， the water and fertilizer management strategy with lower water （irrigation ration of 1806.70 m3/hm2） and medium nitrogen （180 kg N/hm2） could ensure the production of tomato， effectively improve water use efficiency， produce tomatoes with better quality， and reduce the risk of environmental pollution.

Keywords： tomato; irrigation; nitrogen fertilizer; water-fertilizer coupling; water and fertilizer use efficiency

长期以来，我国蔬菜栽培都采用“大水大肥”的传统管理方式，番茄生产中盲目增施化肥以获得高产是一种普遍现象[1-2]，这种管理方式直接导致了土壤质量退化、环境污染等问题[3]，最终影响番茄的品质和产量。新形势下我国农业供给侧改革的一项重要工作就是“一控两减”，即控制农用水总量，减少化肥、农药用量[4]。水分和养分是农业生产管理中最重要的措施，尤其在干旱、半干旱地区，水肥耦合效应影响植物对水分、肥料的吸收，直接作用植物的生长[5]。目前，减少化肥投入量以提高土壤肥力、减轻环境污染已经受到极大关注。

干热河谷是我国西南一类独特的生态系统[6]，良好的光照及冬季高温为冬早蔬菜的生产提供了极好的条件，受经济驱动作用，番茄等冬早蔬菜生产成为区域支柱产业，并对我国北方等地区的蔬菜供应方面起到重要作用[7]。以此同时也为当地蔬菜等生产埋下“大水大肥”的隐患。此外，干热河谷属于半干旱地区，降水量少且时间空间上分布不均，如何利用有限的水资源，节水灌溉及合理灌溉已成为区域生态农业发展研究的热点，是促进干旱半干旱地区经济发展和改善生态环境的有效途径[8]。国家提出“两减”政策以来，尽管当地政府采取了一系列措施，但成效不显著，主要原因就是对灌溉水量及化肥可减量的不确定性。番茄是干热河谷冬早蔬菜供应产品中的重要组成部分，对其进行减水减肥的定量调控，不仅能促进作物对有限水资源的充分利用，也有利于提高作物产量，实现资源节约、环境友好发展。

本文选取金沙江干热河谷典型蔬菜产区的典型作物，在元谋干热河谷，设计灌溉及氮肥梯度开展大田番茄种植试验，探讨不同水肥交互处理对番茄品质、产量和水肥利用效率的影响，以期在对番茄保产保质的同时适当减少水肥投入比例，为当地冬春茬番茄的优质高产提供参考依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

本试验在云南省农业科学院热区生态农业研究所试验基地进行，位于云南省楚雄彝族自治州元谋县，地处北纬254130，东经1015236，属于典型的南亚热带季风河谷干热气候区，海拔1169.0 m，年平均气温21.9 ℃，年平均降雨量613.8 mm，降雨主要集中在6—10月，年均潜在蒸发量3847.8 mm。土壤类型为微酸性的燥红土。

1.2  试验设计

采用裂区随机区组设计，每个实验区大小为10 m×3 m，分别设置3个灌溉梯度，设置4个氮肥梯度试验，共12个实验处理。试验小区随机分布，每个处理设置3个重复。不同灌溉梯度为：（1）传统灌溉（W1）：按农民传统习惯，在无降水条件下每隔5 d灌水1次，每次灌水2 h;（2）中水灌溉（W2）：按照土壤墒情监测数据进行灌水，当土壤含水率达田间持水率的70%时进行灌水，灌溉上限为田持的90%;（3）低水灌溉（W3）：按照土壤墒情监测数据进行灌水，当土壤含水率达田间持水率的55%时进行灌水，灌溉上限为田间持水率的90%。不同灌溉处理的灌溉定额见表1。设置的不同氮肥梯度为：（1）高施氮量（N1）：240 kg/hm2;（2）中高施氮量（N2）：210 kg/hm2;（3）中施氮量（N3）：180 kg/hm2;（4）低施氮量（N4）：150 kg/hm2。12个水肥组合分别用W1N1、W1N2、W1N3、W1N4、W2N1、W2N2、W2N3、W2N4、W3N1、W3N2、W3N3、W3N4表示。各试验小区氮肥类型为尿素（含N量46%），按照氮肥梯度施入;磷肥类型为KH2PO4，施入量为200 kg/hm2，钾肥类型为K2SO4（氧化钾含量50%），施入量为300 kg/hm2。不同氮肥处理的施肥用量见表2。

供试番茄品种为‘拉比，由云南思农蔬菜种业发展有限责任公司提供。栽培方式为传统的畦栽，每畦2行，行距50 cm，株距40 cm，露地种植。于2017年7月定植，2017年11月收获。灌溉和追肥采用滴灌方式，每个小区均安装控制开关以调节灌水及施肥量，每次灌水定额用水表控制。各小区之间用塑料薄膜纵向隔开，防止处理间肥水侧渗。各小区除水分和氮肥外，番茄种植的除草、除虫、农药喷施及常规田间管理等措施均相同。

1.3  测定方法

第二穗番茄成熟期，在每个小区的前、中、后3个等距离点取样，随机选取大小、色泽基本一致的12个成熟果实进行品质测定。用游标卡尺测量番茄的果实纵径、横径、木栓化和果梗洼大小，参照《番茄种质资源描述规范和数据标准》[9]测定。可溶性糖含量用测糖仪（型号：PAL-1，产地：ATAGO，USA）测定，pH用pH试纸测定，番茄红素含量以正己烷作为溶剂，用分光光度计法进行测定[10]，维生素C含量用2，6-二氯酚靛钠滴定法[11]测定。

在第三穗番茄成熟期，每个处理随机选取4株番茄，记录番茄总个数和成熟个数，对成熟番茄进行称重，根据单株产量计算番茄总产量。

1.4  數据处理

采用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据整理和统计分析。用二因素方差分析进行显著性检验，并用LSD法对不同水肥处理下的番茄产量、品质和水肥利用效率进行多重比较。采用主成分分析方法对番茄品质进行综合评价。

2  结果与分析

2.1  不同水肥处理番茄产量的变化

不同水肥处理对番茄的果实总个数、成熟个数和单果大小产生显著性影响（P<0.05），但未显著影响番茄总产量（P>0.05）。W3N3水肥组合产出的番茄果实总数最多，成熟番茄数最多，单果大小适中;W2N1组合的番茄果实数较多、单果最大。中水低肥W2N4组番茄果实个数和成熟果实个数均最低（表3）。

二因素分析结果（表4）显示，灌溉条件对成熟番茄的个数和单果重均造成极显著的影响（P<0.01），对番茄果实总个数和产量无显著影响（P>0.05）。结果表明，低水灌溉模式（W3）的番茄成熟个数较多;减量灌溉可以增加番茄单果大小，W2灌溉的番茄果实更大。由于不同的氮肥施用量未显著影响番茄产量各指标（P> 0.05），可能直接导致水肥交互作用对番茄的产量指标无显著影响（P>0.05）。

2.2  不同水肥处理番茄果实品质的变化

2.2.1  水肥耦合对番茄品质的影响  不同水肥处理对番茄品质指标中的横纵径、果梗洼大小、糖含量和番茄红素含量均有显著影响（P<0.05），对其余指标影响均不显著（P>0.05，表5）。

（1）外形指标。W3N1的外形指标最差，果横纵径均小;而W3N4的外形指标最好，横纵径大，果梗洼大小适中（表5）。

二因素方差分析结果（表6）显示，灌溉水量极显著影响番茄的果横径大小（P<0.01），水分和氮肥单因子对番茄果梗洼大小有显著影响（P<0.05），其余均不显著（P>0.05）。水肥互作对番茄的外形指标不产生显著影响（P>0.05）。

（2）营养指标。W3N1的糖含量最高，但是番茄红素含量很低;果形指数最好的W3N4組合糖含量一般，番茄红素含量比较低;W3N3组合的营养指标最差，糖含量和番茄红素含量均显著低于其他水肥组合（表5）。

二因素分析结果（表6）显示，水分因素对番茄糖含量、pH、番茄红素含量均产生显著影响（P<0.05），而氮肥因素未显著影响各营养指标（P>0.05）。结果表明传统灌溉（W1）番茄糖含量高，低水灌溉（W3）的糖含量略低于传统灌溉;低水灌溉（W3）产出的番茄最酸;传统灌溉（W1）番茄红素最高，减少灌水量会明显降低番茄红素含量。水氮互作显著影响番茄糖含量变化（P<0.05），极显著影响番茄红素含量（P<0.01）。

2.2.2  番茄品质指标的综合评价  在评价番茄品质时，单项品质指标很难判断番茄的综合品质，因而采用多目标综合评价方法来评价番茄的综合品质[13]。用SPSS软件对番茄的各个品质指标进行主成分分析，相关矩阵的特征值和方差贡献率见表7。前4项的累积贡献率为81.807%（大于80%），因此可以用第1主成分、第2主成分、第3主成分和第4主成分作为评价的综合指标，且式中，X1为果横径、X2为果纵径、X3为果梗洼大小、X4为木栓化程度、X5为可溶性糖含量、X6为pH、X7为番茄红素含量、X8为维C含量。

通过计算，番茄品质的综合评价结果见表8，综合得分越高，番茄品质越好。可以看出，传统水肥组合W1N1番茄品质最佳，商品价值最高;传统灌溉下（灌溉定额为4469.10 m3/hm2），番茄品质均较好。减水减肥后，番茄综合品质降低，仅有低水中氮W3N3组合的品质较好，排名第四。

2.3  不同水肥处理水肥利用效率的变化

水分利用效率反映作物对水分的吸收和利用过程，肥料偏生产力反映当地土壤基础养分和化肥施用量的综合效应。不同水肥处理会显著影响番茄水分利用效率（P<0.05），W3N3的水分利用效率最高。对比传统的高水高肥，水肥减量后水分利用效率明显提高，最高的W3N3组（19.68± 6.82）kg/m3比最低的W1N1组（5.66±2.21）kg/m3水分利用效率提高了14.02 kg/m3。不同水肥处理的肥料偏生产力无显著差异（P>0.05）（表9）。

二因素方差分析结果显示（表10），灌溉条件对番茄水分利用效率有极显著影响（P<0.01），灌溉水量越少，番茄水分利用效率越高;氮肥梯度和水氮互作未对番茄水分利用效率产生显著影响（P>0.05）;灌溉条件、氮肥梯度和水肥互作均未对番茄肥料偏生产力产生显著影响（P> 0.05）。

3  讨论

3.1  水肥耦合对番茄产量、品质和水肥利用效率的影响

研究表明，番茄生长适宜的土壤相对含水量范围为苗期55%～70%，开花坐果期65%～85%，结果期70%～90%[14]。还有研究表明，春茬番茄适宜的灌溉定额在2723～2837 m3/hm2之间[15];秋冬茬番茄的需水量为2099 m3/hm2[16]，灌溉定额低至1057 m3/hm2时，土壤水分含量依然充足[17]。可以发现，元谋冬春番茄种植传统模式存在过量灌溉的现象，试验设计中W2和W3处理的灌溉定额分别为2253.60 m3/hm2和1806.70 m3/hm2时，水分供应基本充足，不会影响番茄生长。

减量灌溉处理对番茄的产量、品质和水肥利用效率均有一定影响：（1）在番茄产量方面，对比传统灌溉，中水灌溉成熟果实数少，但单果较大;低水灌溉模式下番茄的成熟个数更多，番茄大小适中，产量有所提升但无显著差异（P>0.05）。说明在金沙江干热河谷地区种植番茄，滴灌减量模式对提高番茄产量指标有促进作用。（2）在番茄品质方面，灌溉条件会显著影响番茄的果横径（P<0.01），中水灌溉（W2）的果横径更大，说明番茄果实较大，这与中水灌溉番茄单果更重的结果一致。糖含量和pH是番茄的风味品质，传统灌溉（高水灌溉）和低水灌溉产出的番茄糖含量较高，减少灌水量会使番茄口感变酸（P<0.05）。番茄红素抗氧化性强，有抗癌和增强机体免疫力等重要作用[18]，是衡量有色类蔬菜品质的一个重要指标[19]，减少灌溉量会明显降低番茄红素含量（P<0.05）。（3）在水肥利用效率方面，当番茄生育期内灌溉定额由4469.10 m3/hm2降低到1806.70 m3/hm2时，水分利用效率显著提高（P<0.01），肥料偏生产力无显著变化（P>0.05），与王峰等[20]的研究结果相似。因此，从产量、可溶性糖含量与水分利用率的角度，依据该试验制定的当地冬春茬番茄生育期适宜灌溉定额为1806.70 m3/hm2。

适当的减量施肥不仅可以提高品质，而且可以提高作物产量[21]。本研究中氮肥处理仅对番茄的果梗洼大小有显著影响（P<0.05），对比发现同一灌水量下，减少氮肥施用量，番茄产量变化不大（P>0.05），番茄品质略微变好或者变化不大。国内番茄种植存在长期过量施肥现象[22]，研究表明在常规施肥量基础上降低24%～40%，不会影响番茄植株的生长发育[23-24]。因此，适量降低氮肥施用量，对番茄品质和产量影响不大。

水和肥是作物生长必须的2个要素，它们之间存在一定的交互作用（即耦合作用）[25]。本试验灌溉条件和氮肥处理存在耦合作用，对番茄红素浓度有极显著影响（P<0.01），对番茄可溶性糖含量有显著影响（P<0.05）。研究表明，番茄单一营养品质对不同水肥处理的敏感度排序为：番茄红素>糖酸比>可溶性糖>维生素C>可滴定酸[26]，由于番茄红素和可溶性糖对水氮处理响应更敏感，因此其互作效应也更显著。此外，相较于氮肥因素，水分因素显著影响番茄品质和产量的指标更多，说明水分作用大于氮肥作用，灌溉对番茄产量、品质和水分利用效率影响更大，与王鹏勃等[13]的研究结果一致。因为干热河谷地区冬春季节降雨分配不均，蒸发量较大，作物生长更易受到水分供应的限制;由于本试验是田间试验，肥随水滴施的过程会受到灌水均匀度、灌水稳定性以及土壤结构紧密程度等影响，导致肥水在渗透过程中存在不确定性。因此，在水肥相互配合施用的过程中，要适当发挥水分的增产增效作用，促进水分将肥料直接输送到作物的根部[27]，被植物充分吸收和利用。

3.2  番茄最优水肥组合探寻

作物的品质和产量是决定其商品价值的直接因素，农田水肥管理就是协调灌水和施肥关系达到最优时，实现节水高产优质的目标。对于不同的水肥耦合处理，从产量看，W3N3组合果实总数最多，能产出最多的成熟番茄，单果番茄大小适中;W2N1组合的番茄果实数较多、单果大。从综合品质看，传统高水W1N1模式的番茄品质最好，W1灌溉定额的番茄品质均较好;水肥减量后，番茄品质下降，只有低水中氮W3N3组合的品质略好，排名第四。从水分利用效率看，W3N3和W3N4组合的水分利用效率明显较高。

研究表明，水肥减量对番茄的产量、品质和水肥利用效率起积极作用[12-13， 17， 26]，本研究结果对比之下发现：减水减肥的W3N3组合产出的番茄产量、品质和水分利用效率均较高。元谋当地的番茄种植确实存在过量灌溉和过量施肥的情况，一方面过量灌溉会导致地温急剧下降[28]，影响植物根系对水分的吸收利用，进而影响植株发育;另一方面，过量施肥带来的过多盐离子，容易造成土壤次生盐渍化和土壤酸化，导致土壤盐分障碍或土壤养分比例失衡[29]，并且土壤次生盐渍化的推动力是土面水分蒸发[30]，元谋强烈的蒸发量必将推动次生盐渍化的发生，最终影响番茄的产量和品质。因此，综合考虑品质、产量、资源节约等因素，滴灌条件下干热区番茄种植选择低水W3（灌溉定额1806.70 m3/hm2）、低施氮量N3（180 kg/hm2）作为最优水肥组合，在节约资源的同时，还减少了养分在土壤中的累积及其他不良环境效应。与农民传统水肥W1N1模式相比，低水中氮W3N3组合可节水2662.4 m3/hm2，节约氮肥60 kg/hm2，虽然番茄品质略有降低，但可促进水分吸收利用，显著增加番茄果实数。

4  结论

减少灌溉水量会降低番茄糖含量和番茄红素含量（P<0.05），增加番茄果橫径和单果重（P<0.05），水分利用效率提高（P<0.05），但产量无显著差异（P>0.05）。氮肥处理仅对番茄的果梗洼大小有显著影响（P<0.05）。水氮互作效应对番茄营养指标中的糖含量和番茄红素产生显著影响（P<0.05）;番茄品质和产量更易受水分供应限制，受氮肥影响较小。

由于元谋冬春茬番茄传统种植模式存在过量灌溉和过量施肥的现象，选择低水（灌溉定额1806.70 m3/hm2）中氮（180 g/hm2）处理是元谋干热河谷种植番茄的最佳水肥模式，番茄品质较好，保产的同时达到节水节肥的目的。

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责任编辑：谢龙莲