基于灌水下限和灌水额调控的设施番茄灌溉施肥制度研究

韩瑛祚，赵颖，刘爱群，娄春荣，宫亮，董环*

（1.辽宁省农业科学院 植物营养与环境资源研究所，辽宁 沈阳 110000；2.辽宁省农业科学院 蔬菜所，辽宁 沈阳 110000）

番茄因富含番茄红素和多种维生素，具有抗衰老、助消化和降低胆固醇等功效且在北方设施反季节栽培中可实现较高的经济效益，已成为设施栽培主要作物之一。随着人民生活水平的日益提高，对高品质、好风味的农产品需求的不断增长，在保障产量的前提下追求高品质、好风味是未来设施生产的发展趋势。

灌溉施肥是设施番茄生产的重要环节，也是影响番茄产量、品质、风味及水分利用率的重要因素之一。研究表明，灌溉施肥对番茄产量有显著影响，充分灌溉下增施肥料显著提高番茄产量，减量灌溉下增施肥料使番茄产量表现明显的增减规律［1］；灌溉施肥亦显著影响着番茄品质，雷宏军等［2］试验表明，高量灌溉和常规施氮使番茄可溶性固形物、Vc、可溶性蛋白含量等指标显著提升；灌溉施肥同时影响着灌溉施肥利用率，王远等［3］研究表明，滴灌施肥可使氮肥利用率由23.92%提高至40.89%。张军等［4］研究结果表明，水分利用率随灌溉量的增加呈下降趋势，合理施肥有利于水分利用率的提高。关于灌溉施肥对番茄产量、品质及水肥利用率影响的研究，前人设计了较多方法，多采用不同施肥定额与不同灌溉总额交互试验［5-7］，或不同施肥定额与不同灌溉下上限交互试验［8-10］，试验灌溉多是同一原则全生育期一以贯之。而番茄实际生产过程中，为了保证产量和提供品质、风味，往往需要生育前期供给充足的水分和养分，以满足自身物质积累。为了提高番茄果实品质与风味，须在采收前期至采收结束调亏灌溉。在番茄关键生育时期调亏灌溉，采用综合分析法评价节水、节肥、增产、提质、增味等因素，以明确番茄灌溉施肥制度的研究报道较少，本试验以FDR 土壤水分传感器反馈和水肥流量精准控制装备为依托，将番茄生产过程划分为不同生育时期，在番茄成熟采收期调亏灌溉，研究不同灌溉施肥交互对番茄产量、品质、风味、灌溉水利用率以及肥料偏生产力的影响，并通过TOPSIS 综合分析法，分析灌溉施肥策略产生的灌溉量、施肥量、番茄产量、番茄品质、番茄风味综合效应，从而筛选出优化灌溉施肥模式，为区域设施番茄生产灌溉施肥制度建立提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

试验设置在铁岭市铁岭县新台子镇，该区介于 东 经123°16′～123°48′，北 纬41°54′～42°11′。地处欧亚大陆东部的中纬地带，属北温带大陆性季风气候，月平均气温最高24.6 ℃，最低-12.7 ℃，最高气温为39.3 ℃，平均年降水量755.4 mm；地势平坦、开阔，土壤肥沃，适宜单面设施大棚开展冬春茬和秋冬茬果菜生产。

本试验选择长×宽为180 m×8 m 地块开展，试验地块土壤为壤质草甸土，理化性质见表1。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Chemical and physical properties of test soil

1.2 试验材料

试验番茄品种为‘朗婷儿’，‘绿果肩’，成熟后转粉红色，果面光滑亮丽，果脐小，果形正，整齐度好；无限生长型，心室多，无空洞果，耐低温弱光，耐高温。

供试肥料为尿素（N：46%）、晶体磷酸二铵（N：18%，P2O5：46%）和 硝 酸 钾（N：13.8，K2O：46.6%），试验中所有处理施用肥料均按照尿素、磷酸二铵和硝酸钾16∶13∶16 比例施用，施肥配方与施肥量见表2。

表2 各生育期施肥配方Table 2 Fertilization formula for each growth period

1.3 试验设计

所有试验布置前，布设田间灌溉施肥管网，采用2 寸PE 硬管作为田间管网主管，安装鞍座与支管连接，采用管径16 mm，滴头间距为10 cm，滴速为2 L·h-1的贴片式压力补偿滴灌带作为支管，安装滴灌带时，需确保滴头对准番茄穴孔（说明：该试验番茄株距40 cm，滴头间距10 cm，2 株番茄之间有4 个滴头，滴灌所形成的水立体易于重叠，确保灌溉水扩散均匀）。

依据公式（1）计算，试验设3 个灌溉水水平（低水W1单次灌水80 m3·hm-2，即10%饱和灌水量，中水W2单次灌水160 m3·hm-2，即20%饱和灌水量，高水W3单次灌水240 m3·hm-2，即30%饱和灌水量），以田间持水量θ 为基准，从番茄苗期到膨大期采用60%θ 为灌溉下限，番茄着色成熟期采用50%θ 为灌溉下限，设3 个施肥水平，N、P、K 施用配比依据姚晓明得出的最佳配比［11］，（低肥F1总肥量N120-P2O560-K2O 75 kg·hm-2，中 肥F2总 肥 量N 180-P2O590-K2O 112.5 kg·hm-2，高肥F3总肥量N 240-P2O5120-K2O 150 kg·hm-2），加常规灌溉施肥处理F（全生育期均以60%θ 为灌水下限，单次灌 水 额135 m3·hm-2，总 肥 量N180-P2O590-K2O 112.5 kg·hm-2），共10 个处理，试验设3 次重复（说明：试验布置前为正常农户种植田块，土壤状态均匀，不会对本试验产生影响），随机区组排列，小区面积4.2 m×7 m=29.4 m2，采用大垄双行栽植，垄长7 m，垄宽1.1 m，过道宽30 cm，定植株距40 cm。2022 年2 月15 日定植，番茄栽培共留5 穗果，每 穗 留4 个 果 实，2022 年7 月20 日 采 收 结 束。生育期划分参考《中国番茄》对番茄生育期的划分［12］，即苗期（定植后35 d），果实膨大期（定植后36～80 d），着色成熟期（定植后81 d 至采收结束）。

式中IA 表示饱和灌水量，ISC 表示灌溉面积系数，该试验中为0.78，根据种植垄面积占种植面积求得，S 表示种植面积，SD 表示湿润深度，该试验中为0.3 m（说明：该深度为番茄根系密集分布区，只作为灌溉水量计算使用，本试验中不考虑灌溉水的渗透规律。每次灌溉后经过3～5 d，水分经扩散，分布较为均匀）。SB 表示土壤容重，θ表示土壤田间持水量。

试验中，均使用水肥一体机调控灌溉施肥（图1），其为部分装备，整个试验共分5 组，均匀分布于棚室点位，共30 套设备，设备采用FDR 土壤水分传感器进行水分测定，依据参考文献并考虑传感器敏感度，测定耕层10 cm 土壤水分含量［13］（图2），3 个土壤水分传感器均值低于灌水下限即开始灌溉。水肥一体机设计4 个通道，1 个灌水通道，另外3 个为注肥通道，所有通道均采用电子流量计监测实时流量，并反馈主机，主机按照试验处理调控灌溉施肥数量和比例，每次灌溉结束记录灌溉施肥日期和灌溉施肥量，灌溉水执行情况见表3。

图1 试验装备及场景图Fig.1 Test equipment and scene diagram

图2 田间布置示意图Fig.2 Field layout diagram

表3 各生育期灌溉水上下限Table 3 Irrigation upper and lower limits during each growth period

1.4 测定调查项目与方法

定植前试验地块采集0～20 cm 耕层土壤，土壤容重、田间持水量、萎蔫系数，土壤容重和田间持水量采用环刀法测定［14］，萎蔫系数采用压力膜法测定［15］，常规土壤化学性质采用鲍士旦［16］方法测定，土壤全氮采用开氏法测定，土壤全磷采用高氯酸-硫酸消煮钼锑抗比色法测定，土壤全钾采用NaOH 熔融火焰光度法测定，土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定。

第三穗果成熟期，采摘中等成熟度的果实，采用排序法评价果实风味；第三穗果至第四穗果成熟期，分2 次采收果实，混合样品测定果实维生素C、可溶性糖、可滴定酸、番茄红素含量，维生素C采用分光光度计法测定［17］，可溶性糖采用蒽酮法测定［18］，可滴定酸采用NaOH 指示剂法测定［19］，番茄红素采用分光光度计法测定［20］；于收获期调查番茄果实产量。

果实膨大期末和着色成熟期结束分别采集番茄果实和地上部植株，称取样品鲜重，后放入恒温烘箱105 ℃杀青，65 ℃烘干至恒重，测定果实和植株干重。

1.5 统计分析方法

采用Microsoft Excel 2007 进行数据统计及隶属函数分析、SPSS22.0 软件进行方差分析，采用Duncan 法进行样本间差异显著性分析，采用Sigma Plot14.0 进行作图分析，利用DPS9.01 进行TOPSIS 综合评价分析。

番茄肥料偏生产力（PFP，kg·kg-1）计算公式为：

式中，Y 为番茄产量，F 为肥料施用量。

灌溉水利用率（IWUE，kg·m-3）计算公式为：

式中，Y 为番茄产量，IW 为灌溉水总量。

果实品质综合评价采用隶属度函数法：

式中Xi为指标测定值；Xmax和Xmin分别为该指标测定值的最大值和最小值；按照平均权重进行求和，并按最终评判结果排序。品质评价分为3级：0.66～1.00 为高品质（High Quality，HQ），定为I 级；0.34～0.65 为 中 等 品 质（Middle Quality，MQ），定为II 级；0～0.33 为低等品质（Low Quality，LQ），定为III 级。

风味评价采用排序法：

以表4 为例：有3 个评价分组，那么分数最大值为3，但在这里，分数越低代表风味越佳，选择一定数量的品评人，本研究评价人共10 个，按照评分求和Ti。

表4 品评结果实例表Table 4 Flavor evaluation form for tomato fruits

获得Ti 值后，参考表5，其中品评员以n 代表，样品数以t 代表。

查表5 得：n=10，t=3 时，顺序合计（Ti）值范围15～25。判定：A 的Ti=26 在15～25 外，具有显著差的口感。B 的Ti=13 在15～25 外，具有显著好的口感。C 的Ti=21 在15～25 内，具有偏向显著性差的口感。

2 结果与分析

2.1 番茄不同生育时期干物质累积量比较

由图3A 看出，果实膨大期末W3F3处理果实干物质量最高，W3F3、W3F2、W2F3、W2F2、F 处理果实干物质量均值分别为每株123.31、110.92、116.32、111.83、111.18 g，其差异不显著，这说明中水、高水与中肥、高肥组合方式有利于番茄膨大期果实干物质累积。与常规灌溉施肥F 处理相比，W1灌溉水平的处理果实干物质量显著降低，降幅为13.85%～21.23%；着色成熟期末，与常规灌溉施肥F 处理相比，W2F3和W3灌溉水平的处理果实干 物 质 量 差 异 不 显 著，W2F1、W2F2和W1灌 溉 水 平的处理果实干物质量显著降低，降幅为11.02%～16.80%。由图3B 看出，果实膨大期末W3F3处理植株干物质量最高，与常规灌溉施肥F 处理相比，W1F1、W1F2处理植株干物质量显著降低，降幅为12.29%～17.43%；着色成熟期末W3F3处理植株干物质量最高，与常规灌溉施肥F 处理相比，各处理植株干物质量无显著差异。

图3 番茄不同生育期干物质累积量比较Fig.3 Comparison of dry matter accumulation in different growth stages of tomato

2.2 不同处理番茄产量、灌溉水利用率与肥料偏生产力分析

由表6 看见，与常规灌溉施肥F 处理相比，W2F3、W2F2和W3灌溉水平的处理番茄产量差异不显著，说明果实膨大期是番茄产量形成的关键时期，这一时期保证充足的水分和养分，能够确保该试验条件的调亏灌溉不减产。W2F1和W1灌溉水平的处理番茄产量显著降低（P＜0.05），W1灌溉水平的处理产量降幅为14.10%～20.11%；W1、W2灌溉水平的处理显著降低灌溉水总量，降幅为13.41%～50.75%，其中W1灌溉水平的处理降低灌溉总量更为显著，降幅为49.79%～50.75%；W1、W2灌溉水平的处理显著提升灌溉水利用率，提升幅度为12.20%～71.18%，其中W1灌溉水平的处理提升灌溉水利用率更为显著，提升幅度为62.15%～71.18%；W1F1、W2F1和W3F1处 理 显 著提高肥料偏生产力，W1F1处理提升肥料偏生产力19.83%，W2F1处理提升肥料偏生产力38.93%，W3F1处理提升肥料偏生产力39.22%。

表6 不同处理番茄产量、灌溉水利用率与肥料偏生产力Table 6 Tomato yield，irrigation water utilization efficiency and fertilizer partial productivity

2.3 不同处理番茄品质隶属度分析

与常规灌溉施肥F 处理相比，各处理不同程度提高番茄品质指标，各处理大多数显著提升番茄维生素C、可溶性糖和番茄红素（P＜0.05），维生素C 提升幅度为8.92%～64.95%，可溶性糖提升幅度为9.28%～62.66%，番茄红素提升幅度为15.58%～52.88%，其中提升强度有一定规律性，其递减顺序为W1灌溉水平的处理＞W2灌溉水平的处理＞W3灌溉水平的处理，各处理均提升番茄可滴定酸，提升幅度为2.13%～34.04%，其中W1灌溉水平的处理提升效果显著（P＜0.05）。采用隶属度函数法对番茄果实品质进行评价显示，隶属函数求和从大到小排序为：W1F3＞W1F2＞W1F1＞W2F3＞W2F2＞W3F3＞W3F2＞W2F1＞W3F1＞F，参照定级标准，W1F3、W1F2和W1F1处理形成高品质的番茄，W2F2、W2F3和W3F3处理形成中等品质的番茄，W2F1、W3F2、W3F1和F 处理形成低品质的番茄（表7）。

表7 不同处理番茄品质隶属度分析Table 7 Analysis of tomato quality subordination degree in different treatments

2.4 不同处理番茄风味排序分析

采用排序法对番茄果实风味进行评价，查表8得：n=10，t=10 时，顺序合计（Ti）值范围32～78。F、W3F1和W3F2处理的Ti 值分别为88、86 和84，在32～78 外且较高，具有显著差的口感。W2F1、W2F2、W2F3和W3F3处 理 的Ti 值 分 别 为59、46、39和69，在32～78 内，具有偏向显著性好的口感。W1F1、W1F2和W1F3处 理 的Ti 值 分 别 为28、24 和27，在32～78 外且较低，具有显著好的口感。

表8 不同处理番茄风味排序分析Table 8 Analysis of tomato flavor ranking in different treatments

表9 灌溉施肥效应综合分析Table 9 Comprehensive analysis of fertigation effects in different treatments

2.5 灌溉施肥效应综合分析

采用TOPSIS 分析法对不同灌溉施肥模式主要指标综合分析，其中施肥总量、灌溉总量和排序法顺序和设置为低指标优，产量和隶属函数值设置为高指标优，5 类指标权重均为1，结果显示，TOPSIS 综合排序由前到后 是W1F1＞W1F2＞W1F3＞W2F3＞W2F2＞W2F1＞W3F1＞W3F3＞W3F2＞F。将施肥总量、灌溉总量、产量、隶属函数求和、排序法-顺序与TOPSIS 分析法CI 值线性相关性分析，其中施肥总量与CI 值不相关，其它指标与CI 值显著相关，R2值分别为0.955、0.824、0.921、0.818，由此推断，灌溉是影响综合指标的主要因素（表8）。

3 讨论

本试验中，果实膨大期末，与常规灌溉施肥F处理相比，与F 处理施肥量相同的W1F2处理果实干物质量和植株干物质量均显著降低，降幅分别为18.09%和17.40%，这与马俊峰［21］在日光温室辣椒的试验结果相近，其试验的2 个辣椒品种在低灌溉上限条件下，地上地下干物质量均处于较低水平。

本试验中，着色成熟期末，调亏灌溉的W2F2处理果实干物质量显著降低，而张泽宇等［22］研究表明，辣椒各生育期调亏灌溉会减少各营养器官干物质量。李明阳等［23］研究表明，地上部分干物质累积量随着调亏程度的加重而降低。本试验与后两者的研究结果基本一致。

与 常 规 灌 溉 施 肥F 处 理 相 比，W1、W2灌 溉 水平的处理显著降低灌溉总量，降幅为13.41%～50.75%，其中W1灌溉水平的处理降低灌溉总量更为显著，降幅为49.79%～50.75%；W1、W2灌溉水平的处理显著提升灌溉水利用率，提升幅度为12.20%～71.18%，其中，W1灌溉水平的处理提升灌溉水利用率更为显著，提升幅度为62.15%～71.18%；说明降低灌溉上限和生育后期调亏灌溉可以降低灌溉总量和提高灌溉水利用率。而有研究发现，降低灌溉上限和调亏灌溉的确可以在一定程度上降低作物的灌水量和提升水分利用 效 率［24-25］。

灌溉施肥是影响设施果蔬品质的关键因素［26-27］。一般情况下，灌溉施肥保持在中低水平下能提高作物品质，超出一定范围，将降低作物品质。通过调节作物某生育时期灌溉施肥，尤其是调亏灌溉，更有利于品质提升。温越等［28］试验表明，在葡萄浆果成熟期调亏灌溉增加果实还原性糖、可溶性固形物、维生素C。毕丽霏等［29］研究表明，适宜的灌水下限更加适合马铃薯品质积累。本试验从着色成熟期开始，各处理调亏灌溉，以50% θ 为灌溉下限，延续之前以单次灌水80、160、240 m3·hm-2为单次灌水额，结果显示，显著提高了番茄果实维生素C、可溶性糖和番茄红素。

4 结论

本试验设计3 个灌水额和3 个施肥水平。根据作物品质风味形成特性，在番茄着色成熟期调亏灌溉。通过该试验研究得到以下结论：

（1）W1灌溉水平的处理显著降低番茄产量，降幅为14.10%～20.11%，W1和W2灌溉水平的处理显著减少灌溉总量，降幅为13.41%～50.75%，W1灌溉水平的处理显著提高灌溉水利用率，提升幅度为62.15%～71.18%，F1施肥水平的处理显著提高肥料偏生产力，提高幅度为19.83%～39.22%。

（2）各处理均显著提升番茄维生素C、可溶性糖和番茄红素，隶属度函数法评价番茄果实品质显示，W1F3、W1F2和W1F1处理形成高品质的番茄，W2F2、W2F3和W3F3处理形成中等品质的番茄，W2F1、W3F2、W3F1和F 处理形成低品质的番茄。可见，低水并成熟期调亏灌溉处理有利于形成高品质番茄，中高水且中低肥处理不利于形成高品质番茄。

（3）采用TOPSIS 法进行综合分析，排序由前到 后 依 次 为W1F1＞W1F2＞W1F3＞W2F3＞W2F2＞W2F1＞W3F1＞W3F3＞W3F2＞F，可见，该区域早春茬番茄种植，前期灌水下限为60%θ，着色成熟期为灌水下限为50%θ，保持W1灌溉水水平，可以获得较高的综合效益。