水肥耦合對滴灌加工番茄生理生長及產量的影響

竇允清 王振華 張金珠

摘要：為探究水肥耦合對新疆地區膜下滴灌加工番茄生長、生理和產量的影響，并綜合評價產量和水肥調控效應，提出滿足高產高效最優的灌溉施肥制度。通過小區試驗，以加工番茄品種3166為試材，根據文獻報道和當地農藝管理方法，設2因素3水平試驗，即3個滴灌水量[高水5 250 m3/hm2（W1）、中水3 938 m3/hm2（W2）、低水2 625 m3/hm2（W3）]和3個施肥水平[高肥（F1）：尿素、磷酸一銨、氯化鉀用量分別為300、225、225 kg/hm2，中肥（F2）：尿素、磷酸一銨、氯化鉀用量分別為225、169、169 kg/hm2，低肥（F3）：尿素、磷酸一銨、氯化鉀用量分別為150、113、113 kg/hm2]，進行完全組合處理設計。試驗結果表明，水肥耦合對加工番茄株高、莖粗、水分利用效率、凈光合速率及產量的影響顯著。在相同的灌水處理下，隨著肥料增施，加工番茄的產量先增高后降低;在相同肥料處理下，隨著灌水量的不斷增加，可以促進產量的增長，最后趨于平穩。隨著灌水量的減少，降低了加工番茄的產量。綜合試驗結果分析，灌溉定額設為3 938 m3/hm2，施肥采用225 kg/hm2尿素、169 kg/hm2磷酸一銨、169 kg/hm2氯化鉀組合時，加工番茄的產量達到174.20 t/hm2，水分利用效率達到26.0 kg/m3，為最優高產高效灌溉施肥組合。

關鍵詞：加工番茄;滴灌;水肥耦合;灌水量;施肥水平;產量;水分利用效率

中圖分類號：S641.206;S641.207 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0124-05

新疆是我國加工番茄制品的主要產區，具有得天獨厚的地理氣候條件和豐富的原料，有著成熟的生產加工企業，結合較低的生產成本，新疆地區加工番茄產量位居世界前三，番茄醬出口量達到全球貿易總量的1/4[1]。長期過量灌水施肥，導致蔬菜品質下降[2]，土壤硝態氮淋失嚴重[3]。因此，科學的水肥管理措施對于西部地區的經濟發展、環境的保護和資源可持續發展都意義深遠。滴灌施肥是將施肥與滴灌相結合的農業創新技術，通過滴灌灌水器不僅將植物所需的水分養分輸送到植物根區，還可以降低水分及肥料的流失，在提高作物的水肥利用效率的同時也顯著提高了作物的產量及品質[4-6]。20世紀以來，我國在對膜下滴灌施肥進行了大面積推廣的基礎上，作物產量及水肥利用效率相比常規灌水施肥提高了20%～30%[7]。同樣的技術可以運用在加工番茄大田試驗上，在這種情況下研究水肥耦合對膜下滴灌加工番茄的產量、品質、光合特性、水分利用效率和生理生長指標的影響，對于制定新疆地區加工番茄節水、節肥、高產、高效的灌溉施肥制度也有重要的實際意義。

近年來，在干旱半干旱地區關于水肥耦合的研究多數集中于玉米[8]、棉花[7]、小麥[9]、大棗[10]、溫室番茄[11]等作物上。由于番茄的蔬菜價值較高，針對番茄的研究基本圍繞溫室番茄展開，邢英英等研究表明，與常規溝灌施肥相比，滴灌施肥增加番茄產量（31.04 t/hm2）、干物質量和總氮吸收量，增幅分別達到47%、54%和82%，同時果實中維生素C含量、水分利用效率（WUE）和氮肥利用率（NUE）分別提高61.8%、46%和77%[11]。膜下滴灌有助于番茄產量、品質及水分利用效率的提高。李建明等研究認為，水肥對光合作用和產量有著顯著影響，水對光合作用的影響大于肥料，對產量的影響小于肥料[12];在一定范圍內，番茄產量隨灌溉上限及施肥定額的增加而增加。李世娟等研究表明，植物對養分的吸收、運輸和利用都依賴于土壤水分，土壤的水分狀況在很大程度上決定著肥料的合理用量[13]。孫文濤等在滴灌條件下水肥耦合對溫室番茄產量效應的研究中表明，灌水量和鉀肥用量的交互作用是影響番茄產量的主要因素，其次是氮肥用量;僅從產量角度分析，以高灌水量、施中等氮肥量、高等鉀肥量為水肥調控的佳最組合[14]。王鵬勃等研究指出，在相同灌水量條件下，番茄果實中硝酸鹽、可溶性蛋白和可滴定酸含量與肥料用量呈正相關;在相同肥料用量下，隨著基質含水量增加，番茄果實中硝酸鹽、可溶性蛋白、還原糖以及可溶性糖含量逐漸降低，番茄紅素含量在中水處理下較高[15]。以上研究表明，目前關于水肥耦合對滴灌條件下番茄的生長、生理、產量及品質等方面開展的研究主要是圍繞溫室番茄展開的，對新疆地區日光條件下大田加工番茄的研究還比較少。因此本試驗試圖研究不同灌水量和施肥量對膜下滴灌加工番茄的生理生長及產量的影響，尋求新疆膜下滴灌加工番茄生產過程中的最優水肥灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 試驗小區概況

試驗于2017年5月1日在現代節水灌溉兵團重點實驗室基地暨石河子大學節水灌溉試驗站進行。試驗站位于石河子市石河子大學農試場（85°59′E，44°19′N，海拔410 m），平均地面坡度為0.6%，屬于溫帶大陸性干旱氣候，無霜期為173 d，年均日照時間為2 900 h，多年平均降水量為210 mm，年均蒸發量為1 660 mm。年平均風速為1.6 m/s，靜風占32%，偏東風占14%，偏西風占17%，偏南風占22%，偏北風占15%。試驗小區面積為0.114 hm2，凈種植面積為0.104 hm2，前茬種植作物為棉花和小麥。作物沿南北方向種植，試驗田地下水埋深8 m以下，物理黏粒含量（粒徑<0.01 mm）大于21%，土壤質地為中壤土，0～60 cm土壤平均容重為1.54 g/cm3。試驗區土壤理化性質狀況如表1所示。

試驗用品種為加工番茄3166，2017年5月3日移苗定植，2017年8月26日收獲。種植方式為當地典型的起壟覆膜栽培模式，一膜兩管四行，膜寬1.45 m，毛管間距70 cm，番茄幼苗按單穴單株定植在壟的兩側，行距35 cm，株距30 cm。選用新疆天業（集團）有限公司生產的單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚 0.30 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量1.8 L/h。滴灌施肥設備主要由水源、水泵、回流管、施肥罐、旋翼式水表和輸配水管道系統等組成。為降低相鄰處理之間水肥相互滲透對試驗的影響，處理之間埋60 cm深的塑料薄膜。所有田地的除草、打藥等田間農藝管理措施一致。加工番茄的膜下滴灌種植模式見圖1。

1.2 試驗方法

加工番茄需要較大的灌水量和施肥量以滿足其生長需求。根據文獻[14-15]和當地農藝管理，了解當地大田加工番茄種植的常規灌水、施肥量情況，設定灌溉定額和施肥2個因素，采用水、肥2因子3水平完全處理。試驗用肥料為尿素[CO（NH2）2，N質量分數為46.4%]、磷酸一銨（NH4H2PO4，P2O5質量分數為60.5%）和氯化鉀（KCl，K2O質量分數為57%）。灌溉定額設高水5 250 m3/hm2（W1）、中水 3 938 m3/hm2（W2）、低水 2 625 m3/hm2（W3）3個水平，施肥采用3個水平[高肥（F1）：尿素、磷酸一銨、氯化鉀用量分別為300、225、225 kg/hm2，中肥（F2）：尿素、磷酸一銨、氯化鉀用量分別為225、169、169 kg/hm2，低肥（F3）：尿素、磷酸一銨、氯化鉀用量分別為150、113、113 kg/hm2]，共9個處理，每個處理設定3個重復。根據加工番茄的生理生長情況，采取少量多次的灌水施肥方式，施肥前將肥料完全溶解于施肥罐中。滴灌灌水量和施肥量分5次施入，每次的施肥量的計算依據小區面積、總施肥量、番茄生育期和施肥次數而定。番茄生育期依次為苗期、開花期、果實膨大一期、果實膨大二期和收獲期。具體試驗灌溉制度見表2。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標 加工番茄共分為5個生育期：苗期（5月 3—31日）、開花期（6月1—19日）、第一果實膨大期（6月20日至7月9日）、第二果實膨大期（7月10—23日）、收獲期（7月24日至8月26日）。在每個生育期末，每小區隨機選擇3株，從植株基部用卷尺測量株高，莖粗用電子游標卡尺測量并采用十字交叉法讀數，取其平均值。

1.3.2 土壤含水率的測定 在加工番茄移栽定植后，在每個生育期末， 在水平方向距離滴灌帶15 cm處和垂直方向采用土鉆取土，取土深度為 100 cm（按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm分層），采用烘干法測定土壤含水率，即土壤含水率=（鮮土質量-干土質量）/干土質量×100%。

1.3.3 光合指標的測定 于2017年8月3日10：00—20：00進行光合指標的測定，采用Li-6400便攜式光合測定儀，測定凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）的日變化。測定在10：00—20：00時間段進行，每隔2 h測定1次。光源采用自然光源，每個處理選取3株加工番茄進行測定，測定前對加工番茄第4層向陽葉片用紅繩標記，并取其平均值。計算水分利用效率WUE，計算公式為：WUE=Pn/Tr。

1.3.4 增產效應的測定 增產效應的測定公式如下：

EI=（YX-YL）/YL[16]。

式中：YX為某水分處理和某肥料處理的產量，kg/hm2;YL為低水低肥料處理的產量，kg/hm2。

1.3.5 30 cm厚土層水分利用效率的測定 水分利用效率即植株每蒸騰消耗1 m3水所生產的果實的質量，土壤含水率用土鉆取土測定，WUE=果實產量/（灌溉前與拉秧后30 cm厚土層土壤含水率均值-定植前30 cm厚土層土壤含水率）×100%。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合對滴灌加工番茄生長指標的影響

水肥耦合對加工番茄生長的株高、莖粗有顯著的影響[17]。經過相關性分析，灌水量對加工番茄株高增長率的影響達到了極顯著水平（P<0.01，F=52.868），對加工番茄莖粗增長率的影響達到了顯著水平（P<0.05，F=3.944）;施肥量對加工番茄株高增長率的影響達到了極顯著水平（P<0.01，F=396.293），施肥量對加工番茄的莖粗增長率的影響不顯著（P>0.05）。水肥耦合作用對加工番茄的株高和莖粗的影響均達到了顯著水平（P<0.05，F=82.968;P<0.05，F=18.212）。由圖2-a可知，在水肥處理情況下，在W1、W2和W3處理中，株高的增長率皆在F2情況下達到最大值，隨著灌水量的減少，在同一肥料F3的處理下，株高的增長率在逐漸降低，且W3F3達到最小值。在不同灌水量和施肥量過渡區W1F3和W2F1，W2F3和W3F1株高的增長率變化沒有相同灌水量下不同施肥量處理的變化大，由此可知灌水量對株高的影響比較大，且灌水量和施肥量共同作用于株高的增長率。

由圖2-b可知，在W1、W2和W3處理下，莖粗的增長率分別在W1F2、W2F2和W3F2處理下達到最大值，隨著灌水量的減少，在同一肥料F3的處理下，莖粗的增長率在逐漸降低，且W3F3處理達到最小值。在不同灌水量和施肥量過渡區，W1F3與W2F1、W2F3與W3F1莖粗的增長率變化沒有W1F2與W1F3、W3F2與W3F3明顯，由此可見灌水量對莖粗的影響較大。在相同的灌水量處理下，莖粗增長率隨著施肥量的增加呈先提高后降低的趨勢;在相同的施肥量下，隨著灌水量的增加，加工番茄的莖粗增長率呈現出不同的變化。由此可知，水肥共同作用于加工番茄的莖粗。

2.2 水肥耦合對加工番茄生理因素的影響

光合效應也是作物生長的重要指標。表3是果實膨大二期灌水后48 h，14：00不同的水肥處理對加工番茄凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度及水分利用效率的影響。在施肥量一定的情況下，灌水量對Pn、Ci和WUE的影響均達到顯著水平（P<0.05），施肥量僅對Pn的影響達到顯著水平（P<0.05），對Tr、Gs、Ci和WUE的影響不顯著。

葉片的光合速率受環境多個因子影響且這些因子相互促進或者抑制，并非是孤立存在的[18]。由表3可知，光合速率受灌水量和施肥量的交互影響。不同的水肥處理的Pn、Tr、Gs和Ci分別介于1.73～11.40 μmol/（m2·s）、1.11～3.30 mmol/（m2·s）、0.04～0.13 mol/（m2·s）和93.0～373.0 μmol/mol之間，Pn、Tr、Gs的最大值皆為W2F3處理，最小值分別在W2F1、W1F3、W1F3;Ci的最大值處理是W2F1，最小值處理是W1F2。各處理的Pn、Tr、Gs和Ci最大值比最小值分別提高了559%、197%、225%和301%。說明加工番茄葉片可以通過調節自身氣孔導度的開放大小來進行光合速率調節，光合速率在一定程度上促進了蒸騰速率和胞間CO2濃度的提高。WUE的較大值依次在W1F2、W3F1、W2F3處理，最小值在W2F1處，可以看出水分利用效率的較大值、最小值都落在了W2處理內，在相關性分析中，灌水量對水分利用效率影響顯著。

2.3 水肥耦合對加工番茄產量的影響

產量作為最重要的經濟指標，在研究加工番茄的水肥耦合中意義重大，與加工番茄的生長、生理特性都存在一定的關系。從圖3可以看出，加工番茄的產量與灌水量和施肥量有著明顯的關系，過高或過低的灌水量，番茄的產量均不能達到最高值。加工番茄的產量介于89.83～174.20 t/hm2之間，W2F2的產量最高，其次是W1F1和W1F2。從節水、節肥、產量多方面考慮，W2F2處理是最優的灌溉施肥方式。W2F2產量比W3F2處理產量增加了93.9%。隨著灌水量的增加，加工番茄的產量從大到小依次是W2、W1、W3，W2處理產量較W1、W3分別提高了4%、55%。在相同的灌水處理下，隨著肥料的增加，加工番茄的產量會有不同的結果。在W2處理下，隨著施肥量的增加，加工番茄產量從大到小的順序為F2、F3、F1。W2F2產量較W2F3、W2F1分別提高了7%、17.8%。在相同肥料的處理下，不同的灌水量對加工番茄產量的影響不同。在F1情況下，W1F1較W2F1、W3F1，產量分別提高了16.5%、53.4%。W2F2較W1F2加工番茄的產量提高了3%，隨著灌水量的增加，對加工番茄的產量有抑制的效果，但效果不明顯。W2F2較W3F2加工番茄的產量提高了94%，隨著灌水量的減少，對加工番茄的產量降低有著明顯影響。

此外，由圖3可見，在水分充足的條件下，高肥和中肥料對產量有影響但不顯著，W1F1、W1F2產量均較高;但肥料較少也直接影響作物的產量，W1F2產量較W1F3增產34.2%。在水資源匱乏的灌溉條件下，W3F1、W3F3較W3F2產量提高25.1%、23.1%，產量受肥料的影響不大。在W2處理下，水肥共同耦合作用于加工番茄的產量。

2.4 水肥耦合對加工番茄30 cm厚土層水分利用效率及增產效應的影響

利用SPSS相關性分析軟件，由表4可知，灌水對加工番茄產量的影響顯著（P<0.05，F=8.940），對灌溉水分利用效率的影響不顯著（P>0.05，F=1.800）;施肥對加工番茄產量和水分利用效率的影響都不顯著（P>0.05，F=0.097;P>0.05，F=0.091）;水肥交互對加工番茄的產量影響極顯著（P<0.01，F=170.876），水肥交互對加工番茄的水分利用效率影響顯著（P<0.05，F=72.546）。

由表4還可知，W2F2產量最高，水分利用效率從高到低依次是W2F1、W3F1、W3F3。最低的是W1F3，最大值處理比最小值提高了129%。由水分利用效率W1F1>W1F3，W2F1>W2F3，W3F1>W3F3可知，當灌溉量一定時，在一定范圍內肥料的增施同時可以提高作物對水分的吸收利用;由W1F2>W1F1，W2F3>W2F2，W3F3>W3F2可知，灌水量一定時，在一定范圍內肥料的增施不利于水分的吸收。同理，W1F2>W2F2，W1F2>W3F2，在一定范圍內灌水量的增加可以提高作物對水分的吸收利用;W3F3>W2F3>W1F3，當施肥量一定時，在一定范圍內灌水量的增加不利于水分的吸收。在一定的范圍內，水肥對產量的影響具有相互促進的關系。合理有效的水肥調控是實現節水、節肥、高產、高效生產的前提和基礎。W3處理下的水分利用效率較高，但產量都較低，W3F2處理增產效應出現負增長，可見灌水量對產量的影響顯著大于施肥量，且灌水量對加工番茄產量的影響顯著（P<0.05，F=8.940）。在W1中，水分利用效率W1F2>W1F1>W1F3，產量W1F1>W1F2>W1F3，由此說明，灌水量一定時，施肥量影響著產量。在W2中，產量W2F2>W2F3>W2F1，由此說明，并不是隨著施肥量的增加產量便增加。在W2F2處理下，灌水量、施肥量、水分利用效率都沒有達到最大值，但是產量、產量增長效應都達到最大值。由此說明，在本試驗條件下，W2F2處理的水肥耦合效果最好，為最優節水、節肥灌溉施肥處理。

3 討論

科學的水肥管理在生產中不僅可以實現低投入、高產出、高品質的目標，還可以節省人力、物力和財力。在作物生育期不同的情況下，作物生長生理情況也受很大影響[18-20]。本研究通過田間試驗，分析了不同的水肥處理對滴灌加工番茄生理生長及產量的影響，為新疆種植加工番茄的節水灌溉技術提供指導。

灌溉量與施肥量對光合作用的影響不同，水分對光合作用的影響高于施肥量[21]，這與本試驗的結果相似。中水低肥處理下光合速率最高，為11.4 μmol/（m2·s），可能是由于適宜的水分環境下有利于提高氣孔導度[20]。過高或者過低的灌水量均不利于葉片進行光合作用，存在明顯的負效應，這與李銀坤等的研究結果[22]一致。光合速率的適當提高有利于產量的增加，進而促進水分利用效率的提高[23]。

水肥互相作用對作物的產量和水分利用效率有顯著影響[24]。趙志華等的研究結果[25]表明，過高或過低的施肥量均不利于植物對水分養分的吸收利用，進而導致減產。“以水促肥、以肥調水”是水肥供應的關鍵，只有合理的水肥配比才能有利于作物生長發育和提高產量[26]。本試驗表明，水肥耦合對加工番茄的株高、莖粗增長率的影響均達顯著水平。灌水量對株高增長率的影響達極顯著水平，對莖粗增長率的影響達顯著水平;施肥量對株高增長率的影響達極顯著水平，對莖粗增長率的影響不顯著，這一結論與劉小剛等對作物小粒咖啡苗木生長的研究結果[27]相似。本研究表明，水肥交互作用下加工番茄的產量達到最優，灌水量和施肥量最高時的產量均沒有達到最優，在不同的水肥條件下，加工番茄的產量表現不同，水分不足時，適當地增加灌水量和施肥量均可提高加工番茄產量，過高的水肥使用量會減少加工番茄的產量，這與田軍倉等學者研究認為的灌水量與施肥量交互作用對產量影響顯著[28-29]有類似結果。由于一些試驗處理方法和測量環境不同、試驗開展年限少、試驗存在隨機性誤差可能導致部分研究結果不太一致，對于確定最優的新疆地區膜下滴灌加工番茄的水肥耦合方法還需要進一步的研究。

4 結論

通過全面考慮水肥協同效應，節水、節肥、增產和新疆的區域特性，把每個影響因素有機結合起來，最終才能實現節水節肥高產高效。本試驗中較優的灌水施肥制度為膜下滴灌條件下中水中肥處理，即灌水量為3 938 m3/hm2，尿素、磷酸一銨、氯化鉀用量分別為225、169、169 kg/hm2，根據加工番茄生育期的不同，苗期、花期、果實膨大一期、二期、收獲期，可按 1 ∶ 1 ∶ 2 ∶ 2 ∶ 2的比例進行灌水和施肥。灌水對加工番茄株高、莖粗增長率的影響分別達到了極顯著、顯著水平;施肥僅對株高增長率的影響達到極顯著水平;水肥耦合株高和莖粗生長的影響均達到了顯著水平。

在施肥一定的情況下，灌水量對Pn、Ci和WUE的影響均達到顯著水平，施肥僅對Pn的影響達到顯著水平。WUE的最大值在W2F1處，可以看出水分利用效率的最大值、最小值都落在了W2處理內，在相關性分析中，灌水量處理對水分利用效率呈現顯著影響。當灌溉量一定時，在一定范圍內肥料或灌水量的增施可以提高作物對水分的吸收利用;當施肥量一定時，在一定范圍內灌水的增加不利于水分的吸收，水肥對產量的影響具有相互促進的關系。

灌水對加工番茄產量的影響顯著，水肥耦合對產量及水分利用效率影響分別達極顯著、顯著水平。在相同的灌水處理下，隨著肥料的增加，產量呈現先增高后降低的趨勢;在相同肥料處理下，隨著灌水量的不斷增加，對加工番茄的產量有先促進后抑制的效果，但效果不明顯;隨著灌水量的減少，對加工番茄的產量降低有著明顯影響。

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