根系分區交替灌溉條件下水肥供應對番茄果實硝酸鹽含量的影響

周振江，牛曉麗，李 瑞，胡田田，*

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100;2.西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100)

近年來，在蔬菜消費中人們越來越注重其品質與安全，蔬菜的優質與安全生產成為研究者們關注的課題。研究表明，人體攝入的硝酸鹽大部分來自蔬菜，約占70%—80%［1］。硝酸鹽含量是影響蔬菜品質的一個重要指標。目前，由于過量灌水、施肥以及化肥的不合理施用導致的蔬菜硝酸鹽含量增加、品質下降以及土壤酸化、肥力退化等現象非常普遍，科學、合理的水肥管理技術是保證蔬菜優質、高效、安全生產的關鍵。自20世紀90年代以來，研究者就如何降低蔬菜硝酸鹽含量等方面做了較為深入的研究。然而，已有的研究大多集中于水肥單因子或不同肥料配比的效果上［2-4］，綜合考慮灌水量和氮、磷、鉀、有機肥用量5個因素的研究，還鮮見報道。

根系分區交替灌溉是近年來針對世界范圍內水資源日益緊缺與水分利用效率較低這一矛盾而提出的一種新的節水灌溉方法與技術［5］。目前關于根系分區交替灌溉本身對作物對生長生理特性及產量與品質的研究很多［6-7］，關于局部灌溉條件下水肥供應對農作物產量的影響方面也有報道［8］，然而截至目前，關于根系分區交替灌溉條件下水肥用量對農產品品質的影響方面，尚未見報道。因此，本文在分根區交替灌溉條件下，應用五元二次正交旋轉組合設計，研究不同水肥施用水平對番茄果實硝酸鹽含量的影響，通過回歸分析、單因素效應及交互效應分析，定量研究番茄果實硝酸鹽含量對水肥因子的響應關系，以期為分根區交替灌溉條件下番茄的優質、安全生產提供理論與現實依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2010年5—10月在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室進行。供試番茄為毛粉802，用高30 cm、直徑30 cm的鐵皮桶自制分根裝置(中間用帶V形缺口、高24 cm的隔板將桶分為相等的兩部分)。桶底部裝河沙1 kg，裝土21 kg，裝土容重1.30 g/cm3。兩邊分別安裝一支PVC管用于灌水(長30 cm，直徑2.5 cm)。灌水管外層用1 mm直徑紗網纏繞兩層，共打3排圓孔，PVC管距桶底部5 cm。

供試土壤取自西北農林科技大學節水灌溉試驗站大田0—20 cm耕層土壤，土壤基本理化性狀為，土壤干容重為1.30 g/cm3，土壤有機質16.09 g/kg，全氮0.85 g/kg，全磷0.68 g/kg，堿解氮50.5 mg/kg，速效磷14.73 mg/kg，速效鉀140.47 mg/kg，田間持水量為24%。

2010年6月5日移栽定植，定植時將番茄幼苗置于隔板V形缺口的正上方，確保根系分布均勻。定植后立即澆水至田間持水量θf。緩苗期為8 d，待緩苗期過后，當土壤含水量降至65%田間持水量時，開始采用根系分區交替灌水。于盛果期采收兩顆紅熟度相同的果實進行品質測定。

1.2 試驗方案

試驗設灌水量、施氮量、施磷量、施鉀量和有機肥用量5個因素，采用五元二次正交旋轉組合設計的1/2實施方案［9］，共36個處理，3次重復。為節省篇幅，略去詳細的試驗方案，僅將各因素具體的上下水平及變化間距列于表1。

表1 試驗因子水平編碼表Table 1 The codes and levels of experimental factors

試驗所用氮、磷、鉀肥料分別為尿素(含純N為46%)，過磷酸鈣(含P2O5為15%)和硫酸鉀(含K2O為50%)，有機肥料為腐熟的牛糞(全氮、全磷、全鉀含量分別為3.17、3.16、2.12 g/kg)。有機肥和磷肥一次性基施，氮肥和鉀肥按照基追比1∶2施用，追肥分別在第1穗果膨大期和第2穗果膨大期進行，追肥方法為穴施。

1.3 測定項目及方法

番茄果實中硝酸鹽含量采用水楊酸-硫酸法［10］測定。

1.4 數據處理

試驗數據用DPS軟件進行番茄果實硝酸鹽含量與各水肥因子用量間的關系模擬，用Excel及Matlab軟件對分析結果進行圖表的處理。

2 結果與分析

2.1 番茄果實硝酸鹽含量與灌水量以及氮、磷、鉀和有機肥用量間的關系

以五元二次多項式擬合灌水、施肥5個因子Xi的編碼值(取值范圍為［-2，2］)和番茄果實中硝酸鹽含量Y的關系，并對方程進行方差分析，剔除不顯著項，得到最終的簡化模型如下:

方差分析表明，F回=4.91＞F0.01(14，21)=3.07，各項回歸系數的F值依次為F1=8.83，F3=1.65，F5=7.67，F11=12.37，F22=2.21，F33=10.82，F14=4.83，F15=8.99，F23=2.10，F24=2.34，F35=4.82(F0.25(1，21)=1.40;F0.1(1，21)=2.96;F0.05(1，21)=4.32;F0.01(1，21)=8.02)。可見，水肥因子與果實硝酸鹽含量的回歸關系達到極顯著水平，能反映番茄果實硝酸鹽含量隨灌水量和氮、磷、鉀及有機肥用量的變化情況，可以用來進行果實硝酸鹽含量的預測。

2.2 水肥各單一因素對番茄果實硝酸鹽含量的影響

由于試驗設計滿足了正交性，模型中各項偏回歸系數彼此獨立，因此可對模型進行降維處理，即固定其它因素為0水平，得到水肥用量各因素對于番茄硝酸鹽含量的一元二次偏回歸子模型如下:

由以上模型可繪出水肥用量單一因子與番茄硝酸鹽含量的關系，見圖1所示。

圖1 水肥單因子(Xi)與番茄硝酸鹽含量的關系Fig.1 Relationship between single factor and nitrate content in tomato

圖1表明，番茄果實硝酸鹽含量隨灌水量增加而降低，之后又逐漸增加，番茄最低硝酸鹽含量的灌水量編碼值為-0.49，當灌水量大于或小于此值時都將導致番茄硝酸鹽含量升高，說明只有在適量灌水條件下才能有效降低番茄硝酸鹽含量。圖1還表明，隨著施氮量、施磷量的增加，番茄中硝酸鹽含量均呈現先增加后降低的趨勢;隨有機肥用量增加，番茄中硝酸鹽含量逐漸增加。與這四個因子不同，番茄果實中的硝酸鹽含量不隨鉀肥用量而變化。

2.3 水肥兩兩因素對番茄果實硝酸鹽含量的耦合效應

番茄果實硝酸鹽含量受到多因素的影響，任何單因素的影響都不是孤立存在的。在多因素試驗中，只有對因子間的交互作用進行分析才能揭示事物本身內在的聯系。在本試驗中，一共有10個交互項因素，比較顯著的交互項有:X1X4、X1X5、X2X3、X2X4、X3X5。其中 X1X5達到極顯著水平，X1X4、X3X5達顯著水平，其它均為較顯著水平。降維法處理后可以得到如下子模型:

2.3.1 灌水量與施鉀量對番茄果實硝酸鹽含量的耦合效應

灌水量和施鉀量的交互項系數為-0.79，二者間存在負的交互效應。從表2可以看出，不論施鉀量如何變化，果實硝酸鹽含量均隨灌水量呈先減小后增加變化趨勢，而且其平均值相同。施鉀量的情況則不同:當灌水量高于中水平(W)時，果實硝酸鹽含量隨著施鉀量的增加而減小;等于中水平時，不隨施鉀量而變化;低于中水平時，隨施鉀量增加而增大。表明灌水量較高的條件下增施鉀肥有利于降低硝酸鹽含量，而灌水量比較低的條件下施用鉀肥的作用相反。

表2 灌水量與施鉀量的耦合效應Table 2 Coupling effect of irrigation amount and potassium fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.2 灌水量與有機肥用量對番茄果實硝酸鹽含量的耦合效應

灌水量與有機肥用量對番茄果實硝酸鹽含量的交互項系數為-1.08(式(1))，其交互作用最大，且為負效應，表明二者間的相互作用可抑制番茄硝酸鹽累積。從圖2可以看出，當灌水量大于中水平時，番茄硝酸鹽含量隨著有機肥用量的增加而減少，其它灌水量時，趨勢相反。當有機肥用量為低水平時，番茄硝酸鹽含量隨灌水量增大而增加;隨有機肥用量的增大，硝酸鹽含量隨灌水量的變化趨勢是，先降低后增加，且最低硝酸鹽含量的灌水量隨有機肥用量增加而增大。有機肥用量為低水平(不施有機肥)、灌水量為低水平(1/3W)和高水平(5/3W)時分別有最低、最高硝酸鹽含量，分別為:11.85和24.01 mg/kg。可見，較高灌水水平下提高有機肥用量有利于降低番茄果實硝酸鹽含量。

2.3.3 施氮量與施磷量對番茄果實硝酸鹽含量的耦合效應

施氮量與施磷量對番茄果實硝酸鹽含量的耦合效應關系如圖3所示，為上凸曲面，表明當其它因子為中水平時硝酸鹽含量隨著施氮量、施磷量均呈拋物線狀變化，即隨施氮量、施磷量的變化呈現先增加后降低的變化趨勢。二者間的交互項系數為+0.52，即施氮量和施磷量間存在正交互作用，二者相互作用促進番茄果實硝酸鹽積累。硝酸鹽含量最大值在施氮量、施磷量處于中水平(0.240、0.132 g/kg)附近時達到。當施磷量處于高水平(0.264 g/kg)時有最低硝酸鹽含量，其平均值為11.09 mg/kg;當施氮量與施磷量分別為低水平(不施氮)和高水平時有最低硝酸鹽含量8.25 mg/kg。可見，適當增加磷肥用量、降低氮肥用量有利于降低番茄果實硝酸鹽含量。

圖2 灌水量和有機肥用量對番茄硝酸鹽含量的影響Fig.2 Effect of irrigation and organic fertilizer amount on nitrate content in tomato

圖3 施氮量和施磷量對番茄硝酸鹽含量的影響Fig.3 Effect of nitrogen and phosphorus fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.4 施氮量與施鉀量對番茄果實硝酸鹽含量的耦合效應

施氮量與施鉀量對番茄果實硝酸鹽含量的交互作用項系數為-0.55(式(1))，二者間的相互作用可以抑制番茄果實中硝酸鹽的累積。當鉀肥用量一定時，隨著施氮量增加，番茄果實硝酸鹽含量先增加后減小(表3)。當施氮量為中水平時，硝酸鹽含量不隨施鉀量變化;當施氮量低于中水平時，隨著施鉀量的增大硝酸鹽含量逐漸增加;當施氮量高于中水平時，隨著施鉀量的增大硝酸鹽含量逐漸下降。從表3還可以看出，當施氮量、施鉀量同時處于高水平或低水平時有最低硝酸鹽含量12.25 mg/kg，對應的N、K2O實際施用量為0、0 g/kg或者0.480、0.420 g/kg。可見，施氮量較高時，增施鉀肥有助于降低番茄果實中硝酸鹽含量。

表3 施氮量與施鉀量的耦合效應Table 3 Coupling effect of nitrogen and potassium fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.5 施磷量與有機肥用量對番茄果實硝酸鹽含量的耦合效應

施磷量與有機肥用量對番茄果實硝酸鹽含量的交互作用項系數為+0.79(式(1))，表現出顯著的正交互作用，二者間的耦合效應如表4所示。可以看出，不施磷肥時，隨有機肥用量增大，番茄果實硝酸鹽含量逐漸降低，變異系數為8.99%;對增施磷肥的各個水平，硝酸鹽含量隨有機肥用量的增加均呈增大趨勢，而且，增加的幅度隨磷肥用量明顯增大。各有機肥用量條件下，番茄果實硝酸鹽含量隨施磷量的變化趨勢，均呈現出先增加后減小的趨勢，所不同的是最大硝酸鹽含量的施磷水平隨有機肥用量而增大，且硝酸鹽含量的絕對值也增大。以不施有機肥且磷肥施用量最高時的硝酸鹽含量最低，為7.05 mg/kg，較不施磷肥且有機肥用量最大時的11.85 mg/kg降低了40.5%。可見，適當增加磷肥用量、降低有機肥用量有利于顯著降低番茄果實硝酸鹽的累積。

表4 施磷量與有機肥用量的耦合效應Table 4 Coupling effect of phosphorus and manure fertilizer level on nitrate content in tomato

3 討論

根系分區交替灌溉是一種新的節水灌溉方法，目前的研究主要集中在這種灌溉方式本身對作物對生長生理特性及產量與品質的影響方面，關于這種灌溉方式下水肥供應對農作物產量的影響方面也有一些報道，但關于根系分區交替灌溉條件下水肥用量對農產品品質的影響方面，還鮮見報道。本研究表明，根系分區交替灌溉條件下，番茄果實硝酸鹽含量隨灌水量先減小后增加。原因可能在于，一方面，干旱條件下，植物體內硝酸還原酶(NR)合成受阻，分解加快，含量下降，活性降低，導致NO-3累積增加［11］;同時，干旱條件下土壤通氣良好，有利于硝化作用的進行，提高了土壤中NO-3可供應量。另一方面，當灌水量增加導致土壤含水率增大時，盡管土壤NO因為淋失機會增多其含量可能減小［12］，但本試驗中最大土壤含水率控制在田間持水量，其淋失的可能性很小。而且，質流是土壤NO向根表遷移、從而被根系吸收的主要方式［13-14］，灌水量增加必然加快了NO在土壤中的遷移，有利于植物對NO的吸收。同時，土壤含水率增大導致的根系缺氧也會引起植物體內硝酸還原酶活性下降［15］，從而導致NO在作物體內的累積。關于灌水量對番茄硝酸鹽累積的影響及其機理，尚需進一步深入研究。

本研究發現，根系分區交替灌溉條件下，隨施氮量的增加，番茄果實硝酸鹽呈現先增大后減小的變化趨勢。均勻灌水條件下的研究也表明，在一定范圍內，番茄果實硝酸鹽含量隨施氮量增加先增加而后下降［16］，番茄果實硝酸鹽含量不受氮肥品種和用量的影響或者影響甚微［17-18］。這與前人關于葉菜類的研究結果［19-20］矛盾。原因可能在于，茄果類蔬菜富集硝酸鹽的能力較弱［17-18］，而且，果實中的硝酸還原酶活性不隨施氮量的變化而變化，其果實硝酸鹽含量隨施氮量變化不顯著［17］。除了氮肥用量與形態、施肥方式以外，番茄硝酸鹽的積累可能與番茄果實自身對NO的吸收同化等有密切關系，其機理有待進一步深入研究。

本試驗條件下，番茄果實硝酸鹽含量與水肥用量的回歸模型中，施鉀量的一次及二次項皆不顯著，番茄果實中的硝酸鹽含量不隨鉀肥用量而變化。但增施鉀肥，可以通過與施氮量間的負交互效應達到降低番茄果實硝酸鹽含量的效果(表2，表3)，這與秦松等［21］均勻灌水條件下施用鉀肥可抑制番茄果實中高量氮肥造成的硝酸鹽過多累積的結論一致。原因可能在于，鉀在氮素代謝中起重要作用，高氮水平時，鉀能更好地促使NO同化，促進氮素轉化為氨基酸和蛋白質，從而減少硝酸鹽在果實內的累積［21］。

應用Matlab軟件對回歸模型求得番茄果實硝酸鹽含量最大值為28.52 mg/kg，該值低于國家標準600 mg/kg［3］，這與番茄屬于茄果類蔬菜，為低硝酸鹽積累的蔬菜有關，同時也說明分根區交替灌溉不會造成番茄果實硝酸鹽含量偏高。

4 結論

本研究通過盆栽試驗，采用五元二次正交旋轉組合設計，研究了根系分區交替灌溉條件下灌水量和氮、磷、鉀、有機肥用量五因子對番茄果實硝酸鹽含量的影響，通過分析得到如下主要結論:

(1)本試驗條件下，灌水量對番茄果實硝酸鹽含量具有重要影響，中等灌水量有利于降低硝酸鹽在番茄果實內的積累;灌水量與施鉀量、灌水量與有機肥量對番茄果實硝酸鹽累積具有負的交互作用，適量灌水及水肥的合理搭配均可以有效降低果實硝酸鹽含量，特別是當灌水量較高時，提高鉀肥與有機肥的用量，其效果更為顯著。

(2)隨有機肥用量的增大，番茄果實硝酸鹽含量呈線性增加趨勢;隨施氮量和施磷量的增加，番茄果實硝酸鹽含量呈先增大后降低的變化規律;施磷量與有機肥用量、施磷量與施氮量對番茄果實硝酸鹽含量表現為正交互效應，鉀肥可以通過與灌水量和施氮量間的負交互效應達到降低番茄果實中硝酸鹽含量的效果。

致謝:西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室為本試驗提供了諸多先進儀器，特此致謝。

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