不同水氮供应对温室番茄各穗层果实养分和产量构成的影响

2023-07-04李欢欢宋嘉雯孙景生王景雷强小嫚娄玉军

灌溉排水学报 2023年6期

李欢欢，宋嘉雯,2，孙景生，王景雷，强小嫚，刘浩*，郑明，娄玉军

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点开放实验室，河南新乡 453002；2.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300；3.内蒙古自治区水利事业发展中心，呼和浩特 010020）

0 引言1

【研究意义】番茄因口感好、营养丰富和含有抗氧化物质而备受消费者青睐[1-2]。我国是番茄生产大国，番茄产量从2014 年的5.26×107t 增长至2019年的6.29×107t，提高了19.58%[3]。番茄产量不仅受自身基因调控，还受灌溉、施肥、气候和农艺措施等因素影响，灌溉和施氮是影响番茄产量最重要的因素。

水、氮是影响作物生长发育和产量形成的2 个主要限制因子[4]。种植者为获得高额利润仍沿用传统的高水高氮灌溉施氮模式，但过量灌溉和施氮不仅不利于产量和品质的提升，还会导致土壤养分淋失[5-6]、氧化亚氮排放量增加[7]、地下水污染[8-9]等一系列环境问题。因此，合理的水氮管理是实现资源高效利用的关键[10-11]。

【研究进展】灌溉和施氮直接影响土壤中水分和养分状况，间接影响植株养分变化。番茄50%以上的养分都集于果实[12]，养分吸收状况决定了果实生长，最终影响产量[13]。以往研究[14-16]表明，番茄产量随着灌水量和施氮量的增大而增大，超过一定范围则增幅不大甚至降低。灌溉和施氮可显著促进果实对氮、钾的吸收[13]，适量的氮、钾施用可促进对彼此的吸收，促进果实产量的形成；反之会阻碍产量的形成[17]。

番茄是营养和生殖生长同步进行的作物，各穗层果实被叶片遮荫的面积和厚度各不相同，导致接收太阳辐射的强度和时长也不同。各穗层果实生长发育不同步致使植株向各穗层果实转运的水分和养分也存在差异，成熟果实的水分占鲜质量的89%～95%[18]，养分占整株养分的50%以上[12]。番茄产量由各穗层的坐果数和单果质量构成，因此，果实水分和养分对各穗层产量构成要素必然会产生影响[11,19]。目前，果实养分及产量构成要素在不同果枝间的变化已在苹果、枣和板栗等果树方面开展了研究；苹果和枣的产量构成要素在中部果枝最大；板栗产量构成要素在下部果枝最小，在中部和上部果枝间无显著差异[20-22]。【切入点】然而，有关番茄果实养分和产量构成要素的研究大多局限于某一或某几穗层果实，更多的研究侧重于整株养分吸收和产量[11,14,23]，缺乏不同灌水量和施氮量对各穗层果实养分和产量构成要素的影响研究。【拟解决的关键问题】因此，本研究通过温室滴灌番茄试验，研究不同水氮供应对番茄各穗层果实含水率、养分和产量构成要素的影响，以期为实现温室番茄各穗层产量同步提升的水肥管理模式提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2020 年3—7 月在中国农业科学院新乡综合试验基地（35°9′N，113°47′E，海拔78.7 m）的温室中进行，该地区多年平均降水量为548.3 mm，多年平均蒸发量为1 908.7 mm，属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温为14.1 ℃，日照时间为2 398.8 h，无霜期为200.5 d。

温室坐北朝南，东西走向，地表下沉50 cm，顶部和南侧面均覆盖无滴聚乙烯薄膜，墙体内镶嵌60 cm 厚度的保温材料。为保证温室内夜间温度，在无滴聚乙烯膜表面覆盖2.5 cm 厚度的棉被，温室内的温湿度由通风口控制。温室内土壤为粉砂壤土，0～60 cm 土层的土壤体积质量为1.59 g/cm3，田间持水率为23%（质量含水率），番茄移栽前土壤养分状况如表1 所示。

表1 试验开始前0～60 cm 土层的土壤养分状况Table 1 Soil basic nutrient in 0～60 cm deep before the experiment

1.2 农艺栽培措施

番茄供试品种为火凤凰，生长发育至五叶一心时，采用宽窄行种植模式（65 cm×45 cm，株距30 cm），将长势一致、健康的幼苗移栽至每个小区。坐5 穗果后留顶叶3～4 片打顶，每穗层留果3～4 个，侧枝生长至3～5 cm 时进行移除，进入开花期后每7 天进行1 次喷花，以提高番茄坐果率。其他农艺管理措施在所有处理间均一致。在每穗层90%的果实变红时开始进行采摘，5 月21 日采摘第1 穗层果实，各穗层果实单独采摘，每7 天采摘2 次。

1.3 试验设计

采取裂区试验，设计4 个施氮水平（主区）和3 个灌溉水平（副区），共12 个处理，每个处理重复3 次。4 个施氮水平分别为 0、150、300、450 kg/hm2（分别记为N0、N1、N2、N3），3 个灌溉水平的灌水定额分别为累积蒸发量（Epan）的 50%（I1）、70%（I2）和90%（I3），其中Epan为番茄冠层上方20 cm 处的标准蒸发皿（直径20 cm，深11 cm）的累积蒸发量[14]。所有小区施入等量的磷肥120 kg/hm2（Ca(H2PO4)2·H2O，P2O5比例为14%）和钾肥300 kg/hm2（K2SO4，K2O 比例为50%）。移栽前，将所有磷肥、40%的氮、钾肥均匀洒至土壤表层作为底肥，剩余60%分别在各穗层果实膨大期通过灌溉系统随水追肥。试验开始后于每日07:00 采用量程为10 mm 的量筒测量前1 天的蒸发量，测量结束后将蒸发皿洗净，并重新注入20 mm 蒸馏水，当Epan达到（20±2）mm 时，所有处理开始灌溉。移栽后，为保证活苗，所有处理灌溉20 mm 活苗水，当0～40 cm 土层的土壤含水率首次下降至田间持水率的65%±5%时，开始进行首次灌溉，试验结束前7 d 停止灌溉。

1.4 观测项目与方法

1）灌水定额计算式为：

式中：I为灌水量（m3）；Epan为冠层上方20 cm 处的标准蒸发皿的累积蒸发量（mm）；K为标准蒸发皿累积蒸发量控制灌溉的百分比（%）；A为控制灌溉小区面积（m2）。

2）果实含水率（FW）：于果实成熟期在各小区每个穗层选取4 个大小均匀、无损伤、无病虫害且色泽一致的新鲜果实，用蒸馏水将每个果实清洗干净并擦干后测量其鲜质量，首先将新鲜果实放置在105 ℃烘箱中杀青30 min，在75 ℃烘箱中烘干至恒质量，最后用精度为0.01 g 的电子天平测量其干质量，果实含水率的计算式为：

式中：FW为果实含水率（%）；W鲜为果实鲜质量（g）；W干为果实干质量（g）。

3）果实养分：将测量果实含水率对应的果实干物质粉碎后过0.15 mm 筛，测量果实干物质的全氮（TN）和全钾（TK）量，其中TN 采用AA3 流动分析仪（AA3, Germany）测定，TK 采用火焰光度计法测定，并将干物质水平的氮、钾量转化为鲜果水平上的量，新鲜果实全氮量（FTN）和全钾量（FTK）的计算式为：

式中：FTN和FTK分别为新鲜果实的全氮量和全钾量（mg/g）。

4）果实坐果数、单果质量和产量：为消除边际效应，于果实成熟采摘期在每个小区中间选择20 株植株，记录20 株植株每穗层的果实数，每个处理重复3 次，并使用精度为0.01 g 的电子天平称量每穗层的单个果实质量，对各穗层果实产量进行单独核算。

1.5 数据处理方法

采用Microsoft Excel 2016 和Origin 2018 软件对数据进行分析和作图，采用统计软件SPSS 17.0 对试验数据进行方差分析，采用Duncan 新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 灌水量和施氮量对番茄各穗层果实含水率的影响

由图1（a）可知，番茄不同穗层间果实含水率（FW）存在显著差异。FW随穗层增加呈先减小后增大的变化趋势，其中第4 穗层最大，第5 穗层次之，第2 穗层最小。

图1 番茄不同穗层间平均果实含水率、全氮量和全钾量的变化Fig.1 Variation of average fruit water content, total nitrogen and total potassium among trusses for single-plant tomato

灌水量和施氮量对各穗层FW影响的方差分析结果表明（表2），灌水量显著影响每穗层FW，施氮量仅显著影响第1 穗层和第3 穗层FW，而灌水量和施氮量的交互作用对各穗层FW均无显著影响。各穗层FW均随灌水量增大而增大，与I1 处理相比，I2 处理和I3 处理各穗层FW平均分别提高了0.16%和0.37%。各穗层FW均随施氮量增大而减小，与N0 处理第1～第5 穗层FW相比，N1 处理的FW分别降低了0.19%、0.09%、0.31%、0.03%和0.05%，N2 处理的FW分别降低了0.25%、0.26%、0.32%、0.08%和0.08%，N3 处理的FW分别降低了0.49%、0.38%、0.42%、0.15%和0.11%，说明增施氮肥对第1～第3 穗层FW影响相对较大，而对第4 穗层和第5 穗层FW影响较小。

表2 不同水氮处理下温室番茄各穗层果实含水率Table 2 Effects of different water and nitrogen treatments on fruit water content of each truss in greenhouse tomato

2.2 灌水量和施氮量对各穗层果实养分的影响

2.2.1 各穗层果实全氮量（FTN）

FTN随穗层增加呈先减小后增大的变化规律（图1（b）），其中第1 穗层最大，第4 穗层最小；与第4 穗层相比，第1、第2、第3 穗层和第5 穗层的FTN分别提高了 28.61%、24.22%、4.33%和23.37%。灌水量、灌水量和施氮量的交互作用对各穗层FTN均未产生显著影响，施氮量显著影响各穗层FTN。与N0 处理第1～第5 穗层的FTN相比，N1处理的FTN分别提高了10.31%、10.53%、13.92%、4.94%和4.00%，N2 处理的FTN分别提高了20.62%、16.84%、16.46%、9.88%和10.00%，N3 处理的FTN分别提高了 30.93%、26.32%、29.11%、13.58%和14.00%，说明增施氮肥对第1～第3 穗层FTN的影响大于其对第4 穗层和第5 穗层的影响（表3）。

表3 水氮对温室番茄各穗果实全氮量（FTN）和全钾量（FTK）的影响Table 3 Effects of water and nitrogen on the content of fruit total nitrogen and total potassium among trusses in greenhouse tomato

2.2.2 各穗层果实全钾量（FTK）

FTK随穗层增加呈先增大后减小的变化规律（图1（c）），其中第2穗层最大，第4穗层最小，第1、第2、第3穗层和第5穗层的FTK相比第4穗层分别增加了0.75%、18.57%、4.32%和3.28%。

灌水量、灌水量和施氮量的交互作用对各穗层FTK均未产生显著影响，施氮量显著影响各穗层FTK。与N0处理的第1～第5穗层的FTK相比，N1处理的FTK分别提高了6.35%、5.96%、8.33%、4.65%和4.44%，N2处理的FTK分别提高了11.90%、9.93%、9.85%、8.53%和5.93%，N3处理的FTK分别提高了19.05%、13.25%、13.64%、10.08%和8.15%，说明增施氮肥对第1～第3穗层FTK的影响大于对第4穗层和第5穗层的影响。

2.3 灌水量和施氮量对各穗层产量构成要素的影响

2.3.1 各穗层坐果数

番茄不同穗层间坐果数的变化如图2（a）所示。坐果数随穗层的增加呈先增大后减小的变化规律，其中第2 穗层最大，第3 穗层次之，第5 穗层最小。

图2 单株番茄不同穗层间平均坐果数、单果质量和产量Fig.2 Variation of average fruit-setting number, fruit weight and yield among trusses for single-plant tomato

灌水量和施氮量均极显著影响各穗层坐果数（除第2 穗层外），灌水量和施氮量的交互作用仅显著影响第1、第4、第5 穗层的坐果数（表4）。适量增加灌水量有利于提高各穗层坐果数，但灌水量超过70%Epan时的提升幅度不大甚至下降。与I1 处理相比，I2 处理和I3 处理的单株总坐果数分别提高了11.51%和12.23%。适量增施氮肥有利于提高各穗层的坐果数，但施氮量超过150 kg/hm2时，提升幅度较小甚至下降（除第4 穗层外）；与N0 处理比较，N1、N2 处理和N3 处理的单株总坐果数分别提高了15.33%、10.95%和13.87%（表4）。

表4 水氮对单株番茄各穗层坐果数的方差分析Table 4 Variance analysis of water and nitrogen on fruit-setting number per truss of single-plant tomato

2.3.2 各穗层平均单果质量

番茄不同穗层间的平均单果质量存在显著差异（图2（b）），其中第2 穗层最大，第1 穗层最小，但第2、第4、第5 穗层的平均单果质量无显著差异。与第1 穗层相比，第2、第3、第4 穗层和第5 穗层的平均单果质量分别提高了 21.96%、10.50%、18.98%和21.76%。

灌水量、施氮量对各穗层平均单果质量的方差分析表明（表5），灌水量显著影响各穗层的平均单果质量，施氮量仅显著影响第1、第3 穗层和第5 穗层平均单果质量，灌水量和施氮量的交互作用仅显著影响第4 穗层的平均单果质量。同一施氮量下（除N0 处理下的第5 穗层和N1 处理下的第4 穗层外），增加灌水量有利于提高各穗层平均单果质量；与I1 处理相比，I2 处理和I3 处理的单株平均单果质量分别提高了5.05%和12.23%。增施氮肥显著降低了第1 穗层平均单果质量，提高了第3 穗层和第5 穗层平均单果质量，但无论对于哪一穗层，施氮量超过150 kg/hm2时提高幅度均不大甚至有下降趋势，且施氮对单株平均单果质量无显著影响。

2.3.3 各穗层产量

番茄不同穗层间的产量存在显著差异（图2（c）和表6），产量随穗层增加呈先增大后减小的变化趋势，其中第2 穗层最大，第1 穗层最小。第1～5 穗层产量分别占单株总产量的 13.49%～19.42%、21.43%～27.19%、17.34%～22.83%、17.32%～22.99%和15.12%～19.71%。

表6 水氮对单株番茄各穗层产量的影响Table 6 Effects of water and nitrogen on each truss yield of single-plant-tomato

灌水量、施氮量及灌水量和施氮量的交互作用均极显著影响各穗层果实产量（P＜0.001）。同一施氮量下，各穗层产量均随灌水量的增大而增大，与I1 处理相比，I2 处理和I3 处理的单株总产量分别提高了17.53%和25.91%，但I2 处理的单株总产量相比I3 处理的仅降低了6.66%。同一施氮量下，适量施氮有利于提高各穗层产量，但施氮量超过150 kg/hm2时提高幅度较小甚至下降，与N0 处理相比，N1、N2 处理和N3 处理的单株总产量分别提高了13.63%、10.66%和8.42%。

2.3.4 各穗层产量构成要素与产量的关系

番茄各穗层产量构成要素与其对应穗层产量之间的相关分析如图3 所示。由图3（a）可知，各穗层产量与坐果数均呈极显著的正相关。各穗层产量与平均单果质量均呈显著的正相关（图3（b））。各穗层坐果数对产量的影响明显大于平均单果质量的影响。

图3 单株番茄各穗层产量与坐果数和平均单果质量的相关性Fig.3 Correlation between fruit yield, fruit-setting numbers and average fruit weight for each fruit truss

3 讨论

番茄不同穗层果实生长发育在时间上的不同步势必会造成其对水分和养分的吸收存在差异。本研究发现，果实FTN随着穗层增加呈先降低后升高的变化趋势。主要原因如下：一是从库源理论角度来说，在果实生长发育过程中，下层（第1、第2 穗层）果实坐果早，中层（第3、第4 穗层）开花坐果时，下层果实正处于快速膨大的生长旺盛阶段，强库有利于吸收更多的养分；二是中层果实含水率显著高于下层（图1（a）），果实水分的稀释作用导致该层果实FTN显著降低。当顶层（第5 穗层）的果实处于快速膨大期时，植株营养生长已趋于稳定，且前3 穗层果实已成熟，第4 穗层果实已趋于成熟，植株吸收的养分主要用于顶层果实的生长，使顶层果实FTN提高。

适量施氮有利于钾的累积吸收，过量或不足均不利于其对钾的吸收[12]。由于不同穗层间FTN差异较大，导致各穗层果实对钾的吸收差异较大。果实全钾量（FTK）在第2 穗层最大，一方面是第2 穗层FTN较适宜，促进了果实对钾的吸收，而齐红岩等[17]和王军伟等[24]研究表明，适量施氮可以促进果实对钾的吸收；另一方面是该穗层果实含水率的浓缩作用引起（表2）。尽管第1 穗层果实含水率较小，具有浓缩作用，但该层FTK不是最大的，因FTN过高抑制了果实对钾的吸收[12]，说明施氮对果实钾吸收的影响大于果实含水率浓缩作用的影响。中层FTK较小，一方面是果实含水率的稀释作用引起的（表2）；另一方面是FTN较低（图1（b））不利于果实对钾的吸收[12]。顶层FTK较低是果实含水率的稀释作用和氮过高抑制对钾的吸收共同影响的。因此，番茄的养分管理与粮食作物“前蓄后转”的养分调控理念不同[25]，应依据自身长势、留穗层数及每穗层果实所需养分以“前降中补后降”的追肥管理策略进行，以达到节肥增效的目的。

减少灌水量使韧皮部汁液向果实的转运受阻，汁液中溶质浓度增加使通过木质部向果实输送的水量减小[26]，因此果实含水率随灌水量的减少而显著降低，与前人研究结果类似[27]。本研究发现，灌水量对FTN和FTK无显著影响，但以往研究结果表明，灌水量显著影响果实全氮量[9,28]，这与本研究结果不一致。各穗层FTN和FTK随施氮量增大而显著增大，可能是增加施氮量促进了番茄根系的生长，使其从土壤中吸收更多的养分[29]，这与汤明尧等[12]的研究结果一致。

番茄不同穗层间坐果数和平均单果质量存在显著差异，且第2 穗层坐果数和平均单果质量最大，可能是由于该穗层FTN和FTK较大（图1（c）），二者的协同作用促进了番茄坐果、果实膨大和产量形成。孙红梅等[30]也认为，合适的氮、钾浓度可显著增加番茄坐果和产量；第5 穗层坐果数最少，主要是因为该穗层果实暴露在空气中的时长和面积增大，且该穗层开花坐果期10:00—16:00 时间段空气温度较高，湿度小，高温低湿引起花蕾灼伤而降低了坐果率[31]。由于第1 穗层果实处于最底层，接收的太阳辐射较弱，光合能力弱[32]，且高氮低钾不协调的氮、钾比例不利于果实膨大[30]，使第1 穗层平均单果质量降低，导致产量也降低。今后仍需进一步探究不同追肥模式对番茄各穗层果实产量构成要素的调控机制，以实现各穗层果实产量协同提升的目标。

本研究发现，适量增加灌水量可提高各穗层坐果数、平均单果质量和产量，但灌水量超过70%Epan各穗层坐果数提高幅度不大甚至降低。Veit-Kohler 等[33]研究表明，增加灌水量可显著提高坐果数，但对单果质量无显著影响，这与本研究结果不一致。这可能是前人在果实生长阶段实施水分调控，且亏缺灌溉处理的灌水量相比高水处理下降了15.00%。各穗层产量随灌水量的增大而提高，这与前人[14,34]研究结果一致。适量施氮可显著提高各穗层坐果数、产量和单株产量，但施氮量超过150 kg/hm2，其提高幅度不大甚至下降。一方面是施氮量超过了植株生长所需的最佳需氮量，破坏了植株重要的酶系统而停止生殖生长[35]；另一方面是施氮量过大导致果实在膨大期落果而降低坐果数[36]，致使产量下降。Loan 等[37]研究表明，适量施氮（低于180 kg/hm2）可提高坐果数，但对单株平均单果质量无显著影响，与本研究结果类似。但也有研究得出不同结论，如Rashid 等[38]和Ahmad 等[39]研究表明适量增施氮肥可显著提高单果质量和坐果数，过量施氮反而降低，这与本研究结果不一致，可能是种植密度及留穗层数不同，或是土壤基础肥力和区域气候差异所致。本研究发现番茄总产量主要受第2 穗层和第3 穗层产量影响，而第1 穗层和第5 穗层产量占总产量比例较小。因此，今后仍需进一步研究不同追施比对番茄各穗层产量形成的影响，明晰不同水氮供应对番茄各穗层果实产量构成要素形成的调控机制。