番茄滴灌水氮耦合效应与模式研究

2022-03-05李伏生

中国农学通报 2022年3期

罗慧，李伏生

（1广西大学农学院，南宁 530005；2广西大学农牧产业发展研究院，南宁 530005）

0 引言

交替滴灌是分根区交替灌溉[1]和滴灌施肥[2]有机结合的节水灌溉技术，可达到不减少作物产量，节水减肥和提高水肥利用效率的目的，已在不同作物上研究和应用。Fu等[3]结果表明，与常规施氮相比，交替滴灌施氮处理提高水分利用效率和氮肥农艺效率。Luo等[4]研究发现，与常规滴灌相比，交替滴灌能保持番茄产量，并提高水分利用效率8.9%～16.7%，交替滴灌和30%N肥作基肥-70%N肥作滴灌追肥处理是番茄生产适宜水氮供应模式；Liu 等[5]结果表明，交替滴灌下施氮可节约灌水量，提高水和氮肥利用效率。水分和养分存在着一定的耦合效应[6-7]，可显著影响番茄产量、品质和水肥利用效率[8-10]，但交替滴灌下水肥耦合对作物产量、品质和水肥利用的影响观点不一致，加上水肥耦合效益的评价指标单一，难以确定最优水肥耦合模式。为此，本试验在前人基础上研究不同滴灌水氮耦合方式对番茄产量、品质和水氮利用的影响，并用主成分分析法对不同处理番茄品质进行综合评价，用TOPSIS法评价各个处理产量、品质和水氮利用的综合效益，确定番茄生产最优水氮耦合模式，以期为番茄高产优质高效生产的灌溉施肥制度提高依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

田间试验于2016 年10 月—2017 年3 月在广西大学农学院试验基地移动棚内进行，该移动棚通过电控可调节试验地避雨或露天，晴天时移动棚敞开，试验地露天，雨天时可根据试验设计选择避雨或接受降雨。移动棚通风好，透光性强，满足番茄正常生长所需的自然光强、湿度和温度等条件。试验期间降雨量如图1。

图1 试验期间降雨量

供试土壤为赤红壤，其土壤质地为黏壤土，有机质含量5.58 g/kg，pH 4.87，碱解氮(N)56.3 mg/kg，速效磷(P) 31.2 mg/kg，速效钾(K) 201.2 mg/kg，田间持水量(θf) 27.6%。供试品种：‘西大樱红1 号’(Lycopersicon esculentum)。供试尿素含氮46%，钙镁磷肥含P2O514%，硫酸钾含K2O 54%，沤熟牛粪含N 0.54%，含P2O50.36%，含K2O 0.41%。

1.2 试验方法

本试验处理设F0W0（土施100%N肥作基肥），F1W（用常规滴灌方式施用100%N肥）1，F2W1（用交替滴灌方式施用100% N 肥），F2W2（用交替滴灌方式施用100%N 肥），F3W2（土施40%N 肥作基肥，用交替滴灌方式追施60% N 肥），F4W1（用固定滴灌方式施用100%N 肥），F4W2（用固定滴灌方式施用100%N 肥），F5W2（土施40% N 肥作基肥，用固定滴灌方式追施60% N 肥）。共8 个处理，每个处理重复3 次，共24 小区，随机区组排列。每个试验小区种植番茄36株，分4行种植，行株距为60 cm×40 cm，小区面积8.64 m2。

F0W0处理从开始试验到结束移动棚敞开，其余处理雨天时避雨，其他天气移动棚敞开。常规滴灌方式为每行番茄两边各设一条滴灌带灌水或施肥；固定滴灌方式设一条滴灌带固定对番茄一边灌水或施肥；交替滴灌方式为每行番茄两边各设一条滴灌带，每次只对番茄一边进行灌水或施肥，下次对番茄另一边进行灌水或施肥；滴灌带各距植株主根10 cm。W1（100%常规灌水量）参照王贺辉等[11]提出的番茄滴灌灌水指标（苗期45%%～55%θf，开花坐果期55%～75%θf，坐果期65%～85% θf）按实际土壤含水量确定，W2为80%W1。W0为降雨+补充滴灌灌水，当降雨量不能保持试验设定的土壤田间持水量时，滴灌补充灌水量至各时期设定土壤田间持水量范围的上限。试验N 肥量为240 kg/hm2，N:P2O5:K2O 三要素的比例采用2:1:3，沤熟牛粪17360 kg/hm2。全部P肥、K肥和沤熟牛粪肥以及部分N肥作基肥，余下N肥分别在苗期、开花期、果实膨大期和果实成熟期按设计比例通过移动棚内的水肥一体化设施作滴灌施肥。

试验于2016 年10 月25 日移栽番茄苗，11 月5 日至12月30日对番茄进行滴灌控水处理。根据天气情况和植株长势，采用TRIME-PICO IPH 时域反射仪(TDR)观测土壤含水量，确保番茄土壤田间持水量在试验设定范围内。分别于11 月5 日、11 月12 日、11 月20 日、11 月27 日、12 月4 日、12 月12 日、12 月20 日和12月30日进行灌水追肥，各生育期施N比例和灌水量如表1。除水分和肥料因素外其他田间管理按优质番茄管理规范进行。2017年3月20日试验结束。

表1 番茄不同处理氮肥施用的基追肥比例和灌水量

1.3 样品采集与测定

番茄每株留7茬果实，采收时统计成熟果实数量，称量并记录产量，计算单果重。第三茬果实成熟时采集成熟度一致果实，果型指数用游标卡尺测定（果实纵径和横径的比值，比值范围为0.86～1.0 为圆形，0.71～0.85 为扁圆形，比值≤0.70 为扁平形，比值≥1.01 为长圆形），果实硬度用果实硬度计在果肩处测定，果实含水率用烘干法测定[12]。果实经洗净捣碎机捣成果浆后，番茄红素含量用分光光度计法（波长474 nm）测定[13]，维生素C 含量用2,6-二氯靛酚滴定法测定[12]，有机酸含量用0.1 mol/L NaOH 滴定法测定，并用苹果酸等价表示[12]。可溶性固形物含量用手持式折光仪测定[13]，水溶性糖含量用硫酸蒽酮法测定[13]。将F0W0处理每次灌水量和降雨量之和后减去土壤种植前后土壤含水量差值，其余处理每次灌水量相加后减去土壤种植前后土壤含水量差值，即为各处理的耗水量。水分利用效率和氮肥偏生产力计算公式如式(1)～(2)所示。

1.4 数据分析

用SPSS 19.0 软件进行不同滴灌水氮耦合方式间方差分析，用Duncan法对不同处理各指标平均值进行多重比较，显著性水平P＜0.05。用主成分分析法[14-15]评价番茄综合品质，用TOPSIS 法[16-18]评价番茄产量、品质和水氮利用的综合效益。采用Microsoft Excel 2007软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 产量

图2 结果表明，不同滴灌水氮耦合方式的产量之间差异极显著。与F0W0相比，F1W1、F2W1、F2W2、F3W2、F4W1、F4W2、F5W2产量分别提高18.4%、24.4%、28.8%、41.8%、23.2%、31.7%和38.8%；与F1W1相比，F2W1和F4W1不显著提高产量；与F2W1相比，F2W2不显著提高产量；与F2W2相比，F3W2不显著提高产量；与F4W1相比，F4W2不显著提高产量；与F4W2相比，F5W2不显著提高产量。

图2 滴灌水氮耦合对番茄产量的影响

2.2 品质

表2 结果表明，不同滴灌水氮耦合方式的果实硬分分析法评价获得综合得分（图3）结果表明，F2W2为番茄综合品质最优处理，而F0W0为最差处理。

表2 滴灌水氮耦合对番茄品质的影响

图3 主成分分析法评价番茄品质的综合得分

2.3 番茄水氮利用

图4 结果表明，不同滴灌水氮耦合方式的耗水量和水分利用效率(WUE)之间差异极显著。与F0W0相比，F1W1、F2W1和F4W1耗水量分别提高31.5%、31.5%和31.5%，而F2W2、F3W2、F4W2和F5W2耗水量提高不显著；F2W2、F3W2、F4W2和F5W2WUE分别提高22.5%、34.8%、25.2%和32.0%，而F1W1、F2W1和F4W1WUE降低不显著。与F1W1相比，F2W1和F4W1耗水量和WUE提高或降低不显著；与F2W1相比，F2W2降低耗水量而WUE提高29.5%；与F4W1相比，F4W2WUE提高33.7%。

图4 滴灌水氮耦合对番茄水分利用的影响

图5 结果表明，不同滴灌水氮耦合方式的氮肥偏生产力之间差异极显著。与F0W0相比，F1W1、F2W1、度、维生素C(Vc)、水溶性糖、有机酸含量和糖酸比之间差异极显著或极显著。所有处理果实的果型指数在0.86～0.89 间。与F0W0相比，F4W2果实硬度提高35.2%；F2W1、F2W2、F3W2、F4W1、F4W2和F5W2Vc含量分别提高22.7%、42.5%、34.3%、16.6%、31.5%和16.6%；F2W1和F2W2水溶性糖含量分别提高23.5%和25.5%；F1W1、F2W1、F2W2、F4W1、F4W2和F5W2果实有机酸含量分别降低42.2%、33.3%、46.7%、31.1%、35.6%和31.1%，而糖酸比分别提高86.2%、72.4%、131.9%、56.0%、72.4%和56.0%。与F1W1相比，F2W1水溶性糖含量提高23.1%。与F2W1相比，F2W2Vc 提高16.1%。与F2W2相比，F3W2有机酸含量提高66.7%，而糖酸比降低44.2%。试验选取果实含水率、果实硬度、果型指数、番茄红素、Vc、可溶性固形物、可溶性糖、有机酸和糖酸比9 个主要品质因素作为评价因子，按上述主成F2W2、F3W2、F4W1、F4W2、F5W2氮肥偏生产力分别提高18.5%、24.5%、28.8%、41.8%、23.2%、31.8%和38.8%。与F1W1相比，F2W1和F4W1的氮肥偏生产力变化不显著，与F2W1相比，F2W2不显著提高氮肥偏生产力；与F2W2相比，F3W2不显著提高氮肥偏生产力；与F4W1相比，F4W2不显著提高氮肥偏生产力；与F4W2相比，F5W2不显著提高氮肥偏生产力。

图5 滴灌水氮耦合对番茄氮肥偏生产力的影响

2.4 用TOPSIS法评价番茄产量、品质和水氮利用的综合效益

TOPSIS法评价番茄产量、品质和水氮利用的综合效益（表3）结果表明，F2W2综合效益指数CI值最高，说明F2W2处理综合效益最优。表3 也表明，除耗水量与番茄有机酸含量与CI呈负相关关系，其他评价指标与CI呈正相关关系，其中Vc 和糖酸比与CI呈极显著或显著相关关系。说明综合效益指数排名与产量、单一品质指标、单一水分利用指标和氮肥偏生产力基本一致，综合效益可靠。

表3 TOPSIS法评价番茄综合效益

3 讨论

3.1 滴灌水氮耦合对番茄产量和品质的影响

适宜水分和养分是决定番茄高产优质的重要因子，不同水氮耦合模式影响番茄生长和养分在不同器官的分配，进而影响产量和品质。本试验结果表明，与F0W0相比，F2W2、F3W2、F4W2和F5W2提高产量，说明与土施100%N肥基肥-降雨+补充滴灌灌水方式相比，交替滴灌和固定滴灌下水氮耦合对番茄产量影响显著。相同灌水量和施氮方式下，与常规滴灌相比，交替滴灌不显著提高产量，这与以往交替滴灌能保持产量或略有提高产量的研究结果相似[19-21]。前人对作物水氮耦合结果表明，在相同施氮量情况下，适宜的降低灌水量，保持或提高产量[22-23]，这与本试验结果一致。

与F0W0相比，F2W2分别提高番茄Vc和水溶性糖含量与糖酸比，为番茄综合品质最优处理，说明交替滴灌方式施用100%N肥-80%常规灌水量处理更有利于协调和改善番茄品质，可能原因为在80%常规灌水量和100%N肥量下，交替滴灌更能促进作物根系生长、调节光合产物向果实分配，从而提高果实品质。同时，与F2W1相比，F2W2提高Vc含量，说明交替滴灌方式施用100%N肥下适当降低灌水量对改善番茄品质有促进作用。

3.2 滴灌水氮耦合对番茄水氮利用的影响

交替滴灌通过干、湿交替使部分根系经受一定程度的水分胁迫，由于作物的补偿生长机制而刺激根系生长，增强了根系吸收土壤水分和养分能力[24]；同时，土壤频繁干湿交替提高了土壤微生物活性和代谢，加速土壤有机质矿化，改变土壤C/N，使土壤氮聚集到根系表面，促进作物对水分和氮素的吸收和利用[25-26]；本试验结果也表明，与F0W0相比，F2W2和F3W2显著提高WUE和氮肥偏生产力。

3.3 番茄最优滴灌水氮耦合模式

产量、品质和水肥利用是构成番茄综合效益的重要指标，运用Topsis分析法进行综合评价能够真实、可靠和全面的反映各处理间的差距。本研究利用该法对不同滴灌水氮耦合方式的番茄产量、品质、水分利用效率和氮肥偏生产力进行寻优，得到最佳模式为F2W2，该模式综合考虑了产量、品质与水肥利用，比以往灌水和施氮管理制度的确定更具有科学性。