加气灌溉及水氮耦合滴灌对加工番茄产量及品质的影响

陈潇洁， 吕德生， 王振华， 李文昊， 宗睿， 温越， 邹杰

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

番茄因其果实加工后的多用途且富含类胡萝卜素和酚类等抗氧化剂，是世界范围内种植最广泛的作物之一[1]。2017年，世界番茄种植面积为500万hm2，我国番茄种植面积约为110万hm2，是世界三大番茄主产区之一[2]。新疆光热资源丰富、昼夜温差大，有利于加工番茄生长及番茄红素和可溶性固形物含量的积累，是中国最大的加工番茄生产基地[3]。但由于产业化水平低、水肥管理措施以及品种退化等问题，加工番茄种植面积及番茄品质逐年下降。据统计年鉴数据，2015—2017年新疆加工番茄种植面积由6.94万hm2减少到5.90万hm2，产量从76.1万t减少到66.4万t[4]。对我国番茄产品国际竞争力的影响因素分析表明，品质是制约我国番茄产品竞争力的主要原因之一[5]。因此保证番茄产量和提高品质是目前加工番茄产业的研究重点。

番茄产量和品质不仅取决于遗传因素，还极易受水肥、土壤、气候等环境因素的影响[6]。刘中良等[7]研究表明，适度降低灌水量和施氮量有利于改善番茄品质，提高番茄产量。土壤是农业生产的基本生产资料，而耕作制度不合理、机械碾压等人为因素极易造成土壤通气性不足，导致作物出现低氧胁迫[8]。Horchani等[9]研究表明，番茄是对低氧胁迫最敏感的作物之一，土壤通气性不足导致根系缺氧，从而影响根系发育、限制植株的生长和产量的形成。赵旭等[10]研究表明，5%低氧胁迫就可使得番茄果实可溶性固形物和抗坏血酸分别显著降低24.7%和32.4%。Bhattarai等[11]研究认为，加气灌溉能够有效调节土壤通气性，当土壤含水率处于田间持水量水平时，加气灌溉对番茄产量的提升更为显著。Sang等[12]研究表明，适当的氮肥减量和加气灌溉相结合，可有效提高作物产量和氮肥利用效率。雷宏军等[13]研究表明，水肥气耦合滴灌可提高水、氮利用效率，促进番茄生长，提高番茄产量。

加气灌溉作为一种新兴的节水技术，在地下滴灌的基础上利用首部加气设备将水气混合液和微型气泡输送至作物根区土壤[11]，既能满足作物对水肥需求，又能满足作物根系有氧呼吸及土壤微生物对氧气的需求，进而促进作物生长，提高作物产量并改善品质[14]。然而，目前关于加气灌溉的研究多集中在掺气水平、灌溉水平和施氮水平提高温室作物生长和产量等方面[15-16]，有关新疆膜下滴灌加气灌溉应用研究较少，水、肥、气三因素耦合效应对作物产量和品质的影响规律尚不明确。因此，本研究采用膜下滴灌模式研究了不同水、肥、气处理对新疆加工番茄产量和品质的影响，并通过主成分分析法和隶属函数法对番茄产量和品质进行综合评价，进而探索加工番茄最优的水、肥、气处理，以期为新疆水、肥、气一体化灌溉模式提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5—8月在新疆石河子大学节水灌溉试验站进行。试验站位于新疆生产建设兵团第八师石河子大学农试场二连(E 86°03′47″，N 44°18′28″，海拔450 m)，年均日照时数2 950 h，年平均降水量210 mm，年平均风速1.5 m·s-1。试验前茬种植作物为玉米，试验田地下水埋深8 m以下，土壤质地为中壤土，小于0.01 mm粒径的土壤物理粘粒含量大于21%，0—100 cm土壤平均容重为1.56 g·cm-3。试验区土壤理化性质详见表1。

表1 试验区土壤理化性质

1.2 试验设计

试验选取当地主栽加工番茄品种“金番3166”为研究对象，于2019年5月5日进行移苗定植，2019年8月24日进行成熟期采获，全生育期112 d。种植方式为当地典型的膜下滴灌一膜两管四行模式，膜宽1.45 m，番茄幼苗按单株单穴定植，株距0.35 m，行距0.3 m。选用以色列耐特菲姆滴灌带，滴灌带埋深15 cm，外径16 mm，滴头间距0.3 m，2条滴灌带间距0.85 m，滴头设计流量1.3 L·h-1。

试验设定灌水量、施氮量和掺气量3个因素。其中，灌水量分别为4 950(W1)和4 050(W2)m3·hm-22个灌溉水平；施氮量分别为280(N1)、250(N2)、220(N3)和190 kg·hm-2(N4)共4个施氮水平，P2O5和K2O用量均为150 kg·hm-2；掺气量设置为加气灌溉(A，掺气比例15%)和不加气灌溉(C，掺气比例0%)2个水平。3因素组合设计，共计16个处理(表2)，每个处理3次重复。各处理小区面积均为18.45 m2(9 m×2.05 m)。试验采用深层地下水进行灌溉，灌溉水矿化度约为1.35 g·L-1，试验肥料为尿素(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%)。

表2 试验设计及加工番茄生育期灌溉制度

通过装在滴灌系统的文丘里计(Mazzei air injector 1078)装置进行加气，水泵和回流管路调节文丘里计进出口端压力，加气时，保证进水口压力为0.1 MPa，制得掺气比例约为15%的掺气水[16]。滴灌加气施肥设备主要由蓄水池、水泵、文丘里管、回流管、施肥罐、旋翼式水表及输水管道系统组成。各小区均设置旋翼式水表及施肥罐。除草、打药等农艺管理措施与大田生产一致。

1.3 性状测定与方法

①产量：在加工番茄成熟期，每个小区随机选择长势均匀的植株6株进行产量性状的测定(以单株计)，包括单株产量、单果质量和单株果实数。

其中，单果重和单株产量使用BWS-SN-30电子计重桌秤测定。

②品质：使用电子游标卡尺测定加工番茄果实的横径和纵径；用MASTER-3 M(日本爱宕品牌)手持折射仪测定可溶性固形物；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用滴定法测定维生素C含量；采用碱滴定指示剂法测定有机酸含量[17]。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016对试验数据进行统计分析，使用Origin 2017进行作图，采用SPSS Statistics 26进行方差分析、相关分析和主成分分析。

首先对加工番茄产量和品质的9个性状(单株产量、单株果数、单果重、可溶性糖、有机酸、维生素C、可溶性固形物、横径、纵径)进行相关分析，比较各性状间的关系。然后，利用主成分分析法将不同水肥气处理的9个指标降维。最后采用隶属函数法对16个处理的产量和品质进行综合评价。

①各主成分得分的计算如式(1)。

Fi=U1iX1+U2iX2+,…,UpiXp

(1)

式中，Fi为第i主成分得分；U1i，U2i,…,Upi为第i主成分的得分系数；②隶属函数值计算[18]如式(2)。

(2)

式中，Xi为指标测定值，Xmin、Xmax为所有参试材料某一指标的最小值和最大值。

③权重计算如式(3)。

(3)

式中，Wi表示第i个公因子在所有因子中的主要程度，Pi为第i个公因子的贡献率。

④综合评价值的计算如式(4)。

(4)

式中，D为综合评价所得的产量品质综合评价值。

2 结果与分析

2.1 不同水肥气处理对加工番茄产量影响

不同处理对加工番茄单株产量、单株果数和单果重的影响如表3所示。单株产量和单果重随灌水量的增加而增加，W1水平下，单株产量和单果重较W2水平分别增加8.77%和11.10%。相同灌水量下，随施氮量增加单株产量和单果重呈先增加后减小趋势，N2水平的单株产量和单果重较N1、N3和N4分别增加8.91%、2.46%、12.94%和5.38%、6.64%、24.24%。加气灌溉处理的单株产量和单果重分别较不加气处理平均显著提高了6.14%和2.35%。2个灌水处理中，W1条件下加气灌溉对单株产量和单果重提升幅度最大，分别为6.38%和2.63%。4个施氮量水平中，N2条件下加气灌溉对单株产量和单果重提升幅度最大，分别为9.56%和2.89%；单株果数随灌水量的增加而降低。相同灌水量下，单株果数随施氮量的增加而增加，N4水平下单株果数较N1、N2和N3分别增加13.81%、10.17%和5.72%。加气灌溉处理的单株果数显著提高，较不加气处理平均提高3.67%。

表3 不同处理下加工番茄的单株产量、单株果数及单果重

从表3可以看出，非加气条件下，W1N3C处理的单株产量最高；而相同施氮量的W2N3C处理产量下降9.74%。但通过加气处理，W2N3A处理的单株产量较W1N3C仅下降3.03%，表明加气灌溉可以减弱灌溉量下降对作物产量带来的负面影响。同时加气处理下W1N4A处理的单株产量与不加气W1N3C处理间无显著差异。即在相同灌水量(W1)下，加气灌溉N4A处理的单株产量可以达到非加气灌溉N3C的水平，表明在达到相同单株产量的情况下，加气灌溉可以减少氮肥的施用量。

2.2 不同水肥气处理对加工番茄品质的影响

不同处理下加工番茄的品质如表4所示。W2水平下可溶性糖、有机酸、维生素C和可溶性固形物含量较W1水平分别显著提高了6.20%、5.10%、2.57%和3.46%(P<0.01)，横径和纵径显著降低了1.85%和2.65%(P<0.01)。可溶性糖、维生素C和可溶性固形物含量随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，N2水平下可溶性糖、维生素C、可溶性固形物含量较N4水平分别显著提高了4.72%、11.01%和10.60%。

表4 不同处理下加工番茄的品质

与不加气灌溉处理相比，加气灌溉下可溶性糖、有机酸、维生素C和可溶性固形物含量及横径和纵径分别增加了1.17%、2.37%、2.42%、4.68%、1.91%和1.33%。其中，W1灌水量条件下，加气灌溉使可溶性糖、有机酸、维生素C和可溶性固形物含量及横径和纵径分别提高0.97%、2.33%、2.86%、5.85%、0.97%和1.11%，W2条件下分别增加了1.34%、2.41%、1.99%、3.57%、2.88%和1.54%。4个施氮量水平中，加气条件下可溶性糖、有机酸和维生素C含量在N3水平时提升最大，增幅分别为1.39%、2.68%和3.35%；可溶性固形物含量及横径和纵径在N2水平时提升最大，增幅分别为8.89%、3.25%和2.31%。由此表明，加气处理使加工番茄各品质指标均有所提升，但不同灌水量和施氮量水平下，加气灌溉对各指标的影响存在差异。

2.3 基于加工番茄产量和品质指标对不同水肥气处理进行综合评价

对加工番茄各产量和品质指标进行相关分析，结果(表5)表明，9个产量和品质性状间存在19对显著或极显著相关关系。产量性状中，单株产量与单果重存在极显著正相关关系，相关系数为0.837，表明单果重对番茄产量有显著影响。单果重与果实横径、纵径存在极显著正相关关系，相关系数分别为0.587和0.745，说明番茄横径、纵径的增大有利于单果重的增加。品质性状中，横径与纵径存在极显著正相关关系，相关系数为0.944，其他品质性状间也存在显著或极显著正相关关系。另外，单株产量与维生素C、可溶性固形物含量存在显著正相关关系，与横径和纵径存在极显著正相关关系。单株果数与单果重存在极显著负相关关系，与有机酸和纵径呈显著负相关。单果重和维生素C含量呈显著正相关关系。

表5 加工番茄各产量指标和品质指标之间的相关性

对产量(单株产量、单株果数、单果重)和品质(可溶性糖、有机酸、维生素C、可溶性固形物、横径、纵径)指标进行主成分分析，计算因子荷载和方差贡献率，结果(表6)表明，主成分分析共提取出3个主成分，累计贡献率达到89.330%。第1主成分特征值为4.239，贡献率为47.095%，主要包括单果重、维生素C、单株产量、横径、纵径和可溶性固形物等指标；第2主成分特征值为2.584，贡献率为28.711%，主要包括可溶性糖和有机酸含量；第3主成分特征值为1.217，贡献率为13.525%，主要受单株果数的影响。

表6 主成分因子荷载和方差贡献率

由式(1)计算3个主成分的得分函数，如式(5)、式(6)和式(7)所示。

F1=0.425X1+0.399X2+0.383X3+0.380X4+0.358X5+0.342X6+0.122X7+0.207X8-0.256X9

(5)

F2=-0.170X1+0.288X2-0.209X3-0.336X4-0.290X5+0.322X6+0.585X7+0.448X8+0.021X9

(6)

F3=-0.202X1+0.143X2+0.286X3-0.043X4+0.185X5+0.358X6+0.087X7-0.354X8+0.748X9

(7)

由式(2)计算所有指标隶属函数值；并根据主成分分析结果，分别计算3个主成分所对应的平均隶属函数值U (X1)、U (X2)和U (X3)。由式(3)计算各因子的权重。经计算，3个主成分的权重分别为0.527、0.321和0.151。利用式(4)计算各处理的综合评价得分和综合排名，结果(表7)表明，第1主成分、第2主成分和第3主成分对应的因子得分值中排名第1位的分别是W1N2A、W2N2A和W2N2A处理。综合评价表明，W2N2A、W1N2A、W2N3A和W2N1A处理的得分排在前4位，均为加气灌溉处理；W1N1C、W2N4C和W1N4C处理综合排名在后3位，均为不加气灌溉处理。相同灌水量下，随着施氮量的增加综合得分呈先升高后降低的趋势；相同施氮量下，高灌水量(W1)处理的综合得分低于低灌水量(W2)。加气处理中，低灌水量(W2)下，除W2N4A处理的综合得分低于W1N4A外，其他施氮量处理均表现为低灌水量处理(W2)下的综合得分高于高灌水量(W1)。综合比较，W2N2A处理为最优处理。

表7 不同处理的因子得分值Z(X)、隶属函数值U(X)及综合评价值D

3 讨论

产量是水、肥、气、热、光共同作用于作物的表现[19]。目前农田水肥管理通过协调水肥关系，从而实现节水、提质、增效的目标[20]。水肥通过影响叶片色素、气孔和非气孔因素以及叶片中酶活性等多种因素，从而对植物光合作用造成影响，进而影响产量[21]。邢英英等[20]研究表明，灌水量对番茄产量有显著影响，且产量随灌水量增大而增加。本研究表明，增加灌溉量能够显著提高番茄单株产量和单果重。刘世全等[22]研究表明，灌水量相同时，番茄产量随施氮量增加先升高后降低；本研究也发现相同灌水量下，加工番茄单株产量和单果重随施氮量的增加先升高后降低，这可能是由于适宜的增加灌水量和施肥量有利于植物对土壤水分和养分的吸收，促进光合作用及其他生理生化过程[23]，氮肥过多促使营养生长加快并抑制生殖生长，从而导致坐果率降低、产量下降[24]。

品质的改良往往伴随着产量的降低，Ripoll等[25]研究表明，水分亏缺导致叶片气孔导度降低，影响植株生长和作物生产力，但有利于果实中抗氧化活性物质和糖分的累积。李红峥等[26]研究表明，随着灌水量的减少，番茄外观品质(单果重、果形指数、横径变异系数)降低，但会改善番茄的口感品质(可溶性固形物、糖酸比)。本研究也表明，加工番茄的产量随灌水量的减少显著降低，但果实中可溶性糖、有机酸、维生素C和可溶性固形物含量显著提高，这可能是由于灌水量减少导致用于果皮渗透调节的水分减少，而通过韧皮部进入果实的糖浓度提高，从而提高维生素C、可溶性糖及可溶性固形物含量[27]。刘迁杰等[28]研究发现，随着施氮量的增加，番茄果实中维生素C、可溶性固形物含量呈先增加后降低趋势，本研究也得到相似结论，由此表明，适量施用氮肥有助于提高番茄叶片氮代谢酶活性，进而影响果实品质。

土壤水、气两相是一对矛盾体，灌溉使得土壤中水分含量增加，而氧气含量降低[29]。加气灌溉过程中气泡自下而上移动，有利于促进根区营养物质、微生物等物质和能量的交换，增强土壤通气性[30]。朱艳等[31]研究表明，加气灌溉下土壤氧气含量显著提高，能够有效缓解灌水后根系缺氧状况，使根区土壤环境明显改善。雷宏军等[16]研究表明，加气灌溉加快了植株根系代谢速率，促进了根系活力，有利于营养离子、水和植物生长素等运输和储存，使番茄果实中维生素C和可溶性固形物含量显著提高。本研究表明，加气灌溉下加工番茄的产量和品质均显著提高，综合评价排名在前4位的均为加气灌溉处理，表明在水氮耦合的基础上进行加气灌溉有效改善了土壤通气性，进而对番茄产生积极影响，提高产量和品质。另一方面，随着灌水量的增加，加气灌溉对产量指标的提升更为显著，这与Du等[32]研究结果相一致，可能是高灌溉水平下，土壤中氧气含量和氧气扩散速率较低，作物产量对加气灌溉响应更积极。而番茄品质指标则在低灌量时产生积极响应，即随着灌水量的减小，番茄果实品质显著提高。加气灌溉有效改良了番茄果实品质。本研究结果表明，灌水量对果实品质的影响大于加气处理，而朱艳等[15]研究发现，灌水量对果实品质的影响低于加气处理，可能是由于试验的土壤质地和气候环境存在差异。Du等[32]研究显示加气灌溉对产量和品质的提升效果受土壤pH、土壤质地等因素影响。张倩等[33]研究表明，加气灌溉促进土壤有机质分解及营养物质的转化，提高了肥料利用效率。Du等[34]研究指出，加气灌溉提高了植株对氮的吸收利用效率，使更多的氮转运至果实。本研究发现，灌水量4 050 m3·hm-2、施氮量250 kg·hm2时加气灌溉处理(W2N2A)产量和品质的综合评价均最高，相比于其他处理，更好的兼顾了高产、优质的目标，为大田生产提供了理论依据。