水肥供应水平及环境因子对番茄果实生长的影响

李许真，刘 丹，吕清海，董翔宇，陈书霞

(西北农林科技大学园艺学院/陕西省蔬菜工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100)

【研究意义】近年来，蔬菜产业被确立为中国部分地区的农业战略性主导产业，主要以提高区域蔬菜产业的质量效率和竞争力为重要主题[1]。为了获得蔬菜高产，农民习惯在各个栽培季节统一采用大水大肥的管理方式，这种管理习惯实际上已成为严重制约设施蔬菜产业优质高产发展的瓶颈[2]，尤其在夏季高温强光与冬季低温高湿等不良的环境条件下，大水大肥依赖经验的管理模式往往影响了设施蔬菜对肥料和水分的吸收[3]，严重降低了蔬菜产品的产量和品质，限制了设施蔬菜质量效益和竞争力的提高以及蔬菜产业的良性发展[4]。在中国西北宁夏地区的设施番茄栽培上，菜农一般根据经验确定施氮量，一般为800 kg/hm2，远高于番茄生长对氮肥的需求量[5]，不仅大大降低了番茄的品质和产量[6]，还造成肥料浪费以及环境污染。【前人研究进展】节水节肥、高产高效是设施农业的新方向[7]。但如何协调温度、光照及水分和肥料等环境因子，使植株生长发育良好、产量快速形成及品质提升，是近年来设施蔬菜获得高产优质高效的关键。果实大小是果菜类蔬菜的一个重要指标，研究者通过预测模型对果实的大小进行预测[8]，并通过建立果实日增量和环境因子的回归关系了解不同的环境条件对果实增长的影响[9]。实际上，果实增长及大小常常受到温度[10]、土壤湿度[11]、光照[12]、营养供应[13]、肥料类型[14]及座果数[15-16]等多种因素影响。【本研究切入点】国内外关于水肥和气候因子分别对于果实膨大的影响报道较多[6,17-19]，但关于不同水肥供应水平条件下温度和光照等环境因子对番茄果实膨大的影响较少，缺少探究灌水施肥以及气候因子耦合效应对番茄果实的产量品质的影响，无法对种植者做出精确的切合实际情况的指导，从而造成种植成本上升、水土资源浪费甚至果实生长发育不良的结果。【拟解决的关键问题】本试验研究了不同水肥供应水平条件下环境因子对番茄果实膨大的影响，确定番茄果实最大单果重及产量的最佳的肥水条件以及相应环境条件，并且通过分析探究了水肥和气候因子的相关性，为番茄温室栽培提供适宜的水肥供应量和环境管理参考，并且为有效节约水土资源建立环境友好型栽培模式提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

试验于2017年3—8月在宁夏园艺产业园D8日光温室进行。试验地点位于银川市贺兰县(106°19′E，38°35′N)。试验所用温室为东西走向，坐北朝南，长70 m，跨度7 m，土壤质地为粘性沙壤土，经测定，土壤基本理化性质为：pH 8.7，全氮1.48 g/kg，全磷1.65 g/kg，碱解氮93.5 g/kg，有效磷142 mg/kg，速效钾500 mg/kg。供试番茄品种为当地主栽品种“欧宝6号”。

1.2 试验方法

试验设置3个施肥量水平：高肥F1(N646-P2O5323-K2O 403.75 kg/hm2)、中肥F2(N300-P2O5150-K2O 187.5 kg/hm2)、低肥F3(N150-P2O575-K2O 93.75 kg/hm2)；N、P和K比例参考邢英英等[20]进行设定。施肥量水平参考梁静等[18]对氮肥施用量统计分析结果进行设定。其中高肥设置为F1(N646-P2O5323-K2O 403.75 kg/hm2)、中肥F2(N300-P2O5150-K2O 187.5 kg/hm2)、低肥F3(N150-P2O575-K2O 93.75 kg/hm2)。灌水量设置3个水平：高水W1(充分灌水，1.0 Ep)、中水W2(轻度亏水，0.75 Ep)、低水W3(重度亏水，0.5 Ep)，其中Ep为Ф20 cm标准蒸发皿累积蒸发量[21]。番茄苗期、开花坐果期、果实膨大期、果实成熟期等不同生育期的蒸发皿系数Kcp参考FAO-56推荐的标准作物系数和番茄植株生长的特点进行设定，分别为0.6、1.15、1.15、0.75。采用完全随机区组设计，施肥量和灌水量组合共9个处理，每个处理重复3次。各个处理随机区组排列，每个小区长6.7 m，宽2.5 m，定植前，相邻小区之间挖50 cm的防渗沟铺设塑料布进行防渗隔离。番茄种植采用当地典型的沟垄覆膜模式，起垄时1管2行布置，行距45 cm，株距40 cm，每小区定植56株。

2017年3月25日将4叶1心的番茄幼苗统一定植到日光温室。在定植之前，铺设好滴灌管道系统，再覆盖银黑双色反光膜。滴灌系统施肥采用的是尿素、磷酸二氢铵(N 12.2%、P2O561.7%)、硝酸钾(N 13.9%、K2O 46%)。滴灌施肥设备主要由贮液桶、潜水泵(200 w)、计时器、滴灌带、输配水管道等系组成，灌溉流速为10 L/min。定植和缓苗期按照灌水量为10 m3/667 m2进行灌溉，处理开始后平均每3 d灌1次水，3 d的日蒸发蒸腾量由Ф20 cm标准蒸发皿采集，从定植到采收，W1、W2和W3水总用量为138.43、106.36和74.19 m3/667 m2。滴灌过程中将氮肥、P2O5和K2O分5次通过滴灌系统施入，根据番茄生育周期划分依次在定植后10 d、定植后20 d、第一穗果膨大期(定植后40 d)、第二穗果膨大期(定植后60 d左右)和第三穗果膨大期(定植后80 d左右)，前2次施肥量各占总量的12.5%，后3次施肥量各占总量的25%。番茄管理按照当地常规管理方式统一管理，授粉方式为震动授粉，果穗留到五层打顶。

1.3 测定指标及方法

每小区随机标记12株具有代表性的植株，每株选取1～2个果实标记，从果径2 cm左右开始到果实成熟，每隔10 d用游标卡尺测量果实最大横径R1、最小横径R2和果实纵径R3。

V=R1×R2×R3

(1)

式中，V是果实体积的模拟值，R1、R2、R3分别是番茄果实最大横径、最小横径和果实纵径。

(2)

式中，Y是果实日增量，V1、V2分别为相邻前后2次的果实体积模拟值，t2-t1为2次测定的时间间隔，本式中为10 d。

番茄产量使用小区称重方法计算，每个处理重复3次。

1.4 温室环境因子数据的记录

温室内安装小型气象站HOBO-U30(HOBO event Logger, onset computer corporation, USA)和土壤温湿度记录仪(YM-04-02，邯郸市益盟电子有限公司，河北)对环境数据进行采集，其中小型气象站HOBO-U30每隔10 s自动记录温度、相对湿度以及光合有效辐射，土壤温湿度记录仪每隔10 s自动记录植株根部的土壤温度和土壤湿度。参考程智慧等[9]的方法将环境因子细分为全天平均光照(X1)、全天平均气温(X2)、全天平均相对湿度(X3)、白天平均气温(X4)、白天平均相对湿度(X5)、夜间平均气温(X6)、夜间平均相对湿度(X7)、昼夜温差(X8)、昼夜相对湿度差(X9)，根据宁夏地区光周期以及仪器采集的数据情况将每天7:00—19:00划分为白天，20:00至翌日6:00为夜晚。

1.5 数据分析

用Microsoft Excel 2010进行数据计算以及整理；用SPSS 22.0进行方差分析。将X1～X9作为自变量、Y作为因变量进行回归分析。用GraphPad Prism 5.01作图。

2 结果与分析

2.1 果实发育期日光温室内环境因子随时间的变化

如图1所示，试验期间日平均光照呈现先升高后降低的趋势。全天平均气温，白天平均气温、夜间平均气温变化比较缓和。昼夜温差在定植后50和70 d分别出现2个高峰，总体变化比较缓和。各环境因子中相对湿度的波动较大，并且在定植后70 d达到最低，之后升高，其中全天平均相对湿度和昼夜相对湿度差在定植后40～50 d有明显的上升趋势。

X1：全天平均光照；X2：全天平均气温；X3：全天平均相对湿度；X4：白天平均气温；X5：白天平均相对湿度；X6：夜间平均气温；X7：夜间平均相对湿度；X8：昼夜温差；X9：昼夜相对湿度差；下同。

2.2 不同水肥供应水平对果实日增量及番茄营养生长的影响

如图2所示，不同水肥供应水平下，果实日增量在定植后50 d左右果实的日增量达到最大。果实日增量大小也明显受灌水水平的影响。W1处理(灌水水平高)果实的日增量明显高于W2(灌水水平中等)和W3(灌水水平低)。在充分灌水的情况下(W1)，除了果实座果初期外，高肥处理F1的果实日增量在果实发育进程中显著大于中肥F2和低肥F3处理，说明灌水较为充分情况下，较高的施肥量有助于增加果实的日增量。在中等水平的灌水条件下(W2)，施肥水平较高(F1)的处理果实的日增量较低。在较低水平的供水处理下(W3)，中肥F2处理的果实日增量最大，显著大于高肥F1和低肥F3处理。综合整个番茄果实发育时期，中等灌水和低肥处理组合W2F3果实的平均日增量最大，为7.86 cm3/d。

W1F1:高水高肥处理；W1F2：高水中肥处理；W1F3：高水低肥处理；W2F1：中水低肥处理；W2F2：中水中肥处理；W2F3：中水低肥处理；W3F1：低水高肥处理；W3F2：低水中肥处理；W3F3：低水低肥处理；下同。

2.3 不同水肥处理下番茄果实日增量的回归模型

为进一步了解不同水肥处理下温度和光照等环境条件对果实日增量的影响，对不同水肥处理下的果实日增量和各个环境因子之间的关系采用多元线性回归的方法进行分析，并建立回归模型。经过分析，发现所得到的回归方程F值的显著水平均为P<0.05，相关系数R>0.9。因此，认为所得回归方程均可以对不同水肥处理下番茄果实的日增量进行预测。

由表1可知，无论何种水肥处理水平，对番茄果实日增量的影响最显著的环境因子均为X1(全天平均光照)、X6(夜间平均气温)、X8(昼夜温差)和X9(昼夜相对湿度差)。其中，自变量X9(昼夜相对湿度差)在不同的水肥处理下均与果实日增量呈正相关，说明在实验进行期间随着昼夜相对湿度差增加，果实日增量也随之增大，但不同的水肥处理条件下果实日增量随之增加的程度不一样。

表1 日光温室中不同水肥处理果实日增量回归方程

在供水水平为W1(高水)的情况下，W1F1、W1F2和W1F3果实日增量都与X1(全天平均光照)、X8(昼夜温差)和X9(昼夜相对湿度差)呈正相关。当平均光照增加1 μE，W1F1、W1F2、W1F3处理的日增量分别增加0.007、0.014和0.006 cm3/d；当昼夜温差增加1 ℃，日增量分别增加1.797、0.502和1.426 cm3/d；当昼夜相对湿度差增加1%，果实日增量分别增加0.424、0.311和0.417 cm3/d。在高水高肥情况下，处理W2F3、W3F1、W3F2和W3F3果实日增量和X6(夜间平均气温)呈负相关，说明当夜间平均气温降低1 ℃，这些处理果实的日增量分别增加0.402、0.357、0.684和0.690 cm3/d。此外，部分高肥(W2F1)或者高水(W1F2)处理的果实日增量也和X6呈负相关。不同的水肥供应水平下关键环境因子对果实的日增量变化的影响不同。

2.4 温室内各环境因子之间的相关性分析

光照是设施内的唯一能量来源，其它的环境因子都会受到光照变化的影响。通过对日光温室内各环境因子进行相关分析发现，全天平均光照(X1)与全天平均气温(X2)、白天平均气温(X4)、夜间平均气温(X6)及昼夜温差(X8)等呈正相关，与全天平均相对湿度(X3)、白天平均相对湿度(X5)、夜间平均相对湿度(X7)及昼夜相对湿度差(X9)呈负相关，其中全天平均气温(X2)分别和白天平均气温(X4)及夜间平均气温(X6)呈显著正相关；全天平均相对湿度(X3)和夜间平均相对湿度(X7)呈显著正相关。

表2 各环境因子之间的相关关系

2.5 不同水肥处理下番茄果实最大日增量及相应的环境因子组合

如表3所示，在高水高肥处理下，番茄果实的最大日增量达到14.29 cm3/d，显著高于供水或供肥水平稍低的处理(如W1F2、W1F3、W2F2、W2F3)，但W2F3处理中番茄的产量显著高于其他水肥处理。另外，在低水或中水的情况下，高肥或中肥的处理(如W2F1、W3F2)番茄果实产量显著高于低水低肥的W3F3处理，但果实的最大日增量低于W3F3处理。番茄果实在日光温室内的生长发育过程中，从监测的环境因子数据中查找了果实日增量最大的环境因子组合列，为不同施肥灌水条件下的日光温室番茄栽培的环境因子管理提供参考。

表3 日光温室中不同水肥处理下最大果实日增量及相应的环境因子组合

3 讨 论

3.1 水肥供应水平对番茄果实的影响

关于土壤水分、土壤肥力对番茄产量的影响，前人做了大量研究。增大灌水量[22]、增施多元微量元素[23]、增施有机肥和复合肥[24]均可显著提高番茄产量。在本研究中，番茄果实日增量在不同的水肥供应条件下表现出显著差异。在9个处理中，番茄果实最大日增量在高水高肥处理下显著大于其他水肥处理，但在中水低肥处理下番茄果实产量达到最高。因此，传统的高水高肥的管理模式不一定促进番茄果实的生长，适当的降低灌水量和施肥量不会降低番茄果实的产量，并且可能对番茄果实的品质有一定的改善效果[24-25]。

研究表明，在土壤含水量一定的情况下植株的生物量、产量等随着施肥量的增加呈先升高后降低趋势[26]。本研究中低水或中水供应条件下，高肥或中肥处理的番茄果实最大日增量低于低水低肥处理，这可能是由于有限的灌水和相对过量的施肥改变了土壤的理化性质，限制了植株对水分和肥料的吸收，进而影响了番茄果实的膨大。另外，高肥或中肥处理的番茄果实产量显著高于低水低肥处理的产量，说明随着后期灌水次数的增加，土壤中的肥料被稀释，提高了植株对水肥的利用率。因此，不同水肥处理通过影响植株对土壤中的养分和水分的利用，对果实的生长速率表现出显著促进或抑制作用。

3.2 关键环境因子对番茄果实发育的影响

综合来看，设施中的各环境变量之间存在密切联系且互相影响[27]，其中光照是温室内环境的主导因子，它决定着温室内的温度、湿度、昼夜温差和湿度差等因子的高低[28]。实验结果表明，全天平均光照与全天平均气温和昼夜温差呈正相关。随着全天平均光照增强，日光温室内全天平均气温和昼夜温差也随之升高，白天平均气温和夜间平均气温也随着有效辐射增强而升高，日平均空气湿度随之降低。将8周大小的番茄植株放置在17、19、21和23 ℃温度条件下培养，发现较高的温度通过影响同化物的分配从而增加番茄果实的发育[29]，18～24 ℃的夜温增加番茄的座果数和花粉管的伸长，并促进果实早期的发育，而26 ℃的较高夜温减少了番茄座果数[30]。果实的快速增长和碳水化合物的合成和运转是分不开的，研究表明，50 μmol/(m2·s)的光照比黑暗处理更能增强果实中糖分的代谢，促进蔗糖的积累和果实的发育[31]。此外，番茄果实的增长还和植株茎中的水势梯度有关，当茎中的水势梯度有利于水分向果实中输送时，果实直径增加[32]。实际上，果实的增大还受品种类型、座果节位、种植密度、座果数量等因素的影响。

番茄果实产量随着灌水量的增加而增加，且受灌水量和施肥时间的影响[33]。也有研究认为适量降低灌水量可以提高番茄红素和维生素C含量，不但能够保证番茄果实的产量，而且使果实的品质达到最佳[34]。在肥料施用方面，近年来倾向于减施氮肥和采用缓释肥料。和对照相比，金冠番茄品种施用缓释尿素可增加果实产量和品质，同时能提高水分利用率[35]；在沙壤土中混合蚯蚓粪的处理比添加氮磷钾肥料的处理显著提高了单果数和单果重[36]。减施化肥氮45%结合调节土壤C/N并采用滴灌处理的氮素利用率和氮肥农学效率显著高于当地习惯施氮模式(施氮1800 kg/hm2)，说明减少化肥氮的施用量并结合调节土壤C/N或滴灌措施能提高番茄的产量和品质[35]。

3.3 番茄果实的快速增长需要适宜的环境因子组合

众所周知，番茄果实的日增量受温度、光照、湿度等因素的综合影响。番茄果实直径的增长速率与日平均温度密切相关，随着温度(15～25 ℃)升高，果实直径绝对生长速率增大[37]。在日平均温度22～26 ℃时番茄果实发育较快[38]。本实验中全天平均气温在(20.59±1.84)℃的范围内番茄果实的日增量最大。在各个水肥处理条件下，昼夜温差均是影响番茄果实日增量的显著正向环境因子，番茄生长过程中适当增大昼夜温差可提高产量和果实品质，温差过大易造成生长不良和减产[39]。因此，当昼夜温差达到(7.96±2.24)℃时，番茄果实日增量与昼夜温差呈正相关，可使果实日增量达到最大，在这个范围内适当提高昼夜温差，会较大程度地增加果实的日增量。因此，当春茬番茄在盛果期，应适当采取措施以增加昼夜温差，促进果实的快速增大。

光照是温室内能量的直接来源。番茄果实发育过程中，光照不足直接降低番茄坐果率、单果质量和单株产量[40]。本实验的回归方程表明，除低水高肥处理外，温室内平均光照每增加1 μE，番茄果实日增量增加0.005～0.027 cm3/d。平均光照范围为(317.94±89.90)μE时,各水肥处理条件下番茄果实日增量均达到最大。因此，在番茄栽培过程中，为促进果实膨大和有机物的运转分配，应及时清洗旧棚膜或更换新膜，采用棚内挂反光膜等措施增加棚内光照强度。空气湿度也是设施内非常重要的环境因子指标。研究表明，在温度为33～43 ℃的高温环境下，增加空气相对湿度可以有效增加番茄果实的蒸腾速率和净光合速率，减轻或消除光合的午休现象，提高座果率[41]。本研究中昼夜相对湿度差增加1%，所有水肥处理水平番茄果实日增量均增加0.179～0.424 cm3/d。说明适当增大日光温室内昼夜相对湿度差对番茄果实快速膨大有一定的促进作用。

4 结 论

水、肥供给水平和环境因素对番茄果实日增量有显著影响。与施肥水平相比，灌溉水平对番茄果实日增产的影响更为显著。在环境因子中，全天平均光照、夜间平均气温、昼夜温差和昼夜相对湿度差是影响番茄果实日增重最显著的环境因素。不同灌水量和施肥量下，果实日增重与昼夜相对湿度差呈正相关，低施肥或水量处理时与夜间平均气温呈负相关。高水灌溉植株,果实日增重与全天平均光照、昼夜温差和昼夜相对湿度差呈正相关。当全天平均光照、全天平均气温、全天平均相对湿度、白天平均气温、白天平均相对湿度、夜间平均气温、夜间平均相对湿度、昼夜温差和昼夜相对湿度差分别为(317.94±89.90)μE、(20.59±1.84)℃、(62.49±4.93)%、(24.57±2.89)℃、(45.86±8.60)%、(16.61±0.99)℃、(79.12±4.39)%、(7.96±2.24)℃、(33.25±9.44)%时，番茄果实日增量达到最大值。