水肥耦合對加氣滴灌加工番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

王振華，陳瀟潔，呂德生，李文昊，王天宇，魏馳林

·農(nóng)業(yè)水土工程·

水肥耦合對加氣滴灌加工番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

王振華1,2，陳瀟潔1,2，呂德生1，李文昊1,2，王天宇1,2，魏馳林1,2

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832000； 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，石河子 832000）

為探求北疆地區(qū)水肥耦合對加氣灌溉加工番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率的影響，該研究設(shè)置2個灌溉水平分別為4 950和4 050 m3/hm2、4個施氮梯度分別為280、250、220和190 kg/hm2以及2個加氣水平分別為摻氣比例15%和0進行完全組合設(shè)計。結(jié)果表明，加氣灌溉使加工番茄產(chǎn)量顯著提高2.32%～10.02%，灌溉水分利用效率與氮肥偏生產(chǎn)力分別提高6.12%和6.19%。加氣提高了加工番茄可溶性糖、有機酸、維生素C、可溶性固形物含量，基于主成分分析對各品質(zhì)指標(biāo)進行綜合評價，得出最優(yōu)處理為灌水4 050 m3/hm2，施氮250 kg/hm2。研究可為提高新疆加工番茄水肥利用率提供理論依據(jù)。

灌溉；土壤；品質(zhì)控制；產(chǎn)量；加工番茄；加氣灌溉；主成分分析

0 引 言

番茄（），含有豐富的抗氧化物質(zhì)和維生素，是目前世界上種植最廣的蔬菜作物之一。聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)顯示，2017年世界番茄總產(chǎn)量為1.8億t[1]。中國番茄年產(chǎn)量高于5 000萬t，是世界上加工番茄第三種植大國和番茄制品第一出口大國[2]。新疆維吾爾自治區(qū)（簡稱新疆）光熱資源豐富、晝夜溫差大有利于糖分累積，所產(chǎn)加工番茄產(chǎn)量高品質(zhì)優(yōu)，是中國重要的加工番茄生產(chǎn)基地[3]。

水肥利用效率低嚴重限制新疆加工番茄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1996年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團引入膜下滴灌技術(shù)以來，膜下滴灌技術(shù)在新疆已應(yīng)用24 a[4]。膜下滴灌將滴灌技術(shù)與覆膜種植技術(shù)結(jié)合，將灌溉水均勻地分配到土壤中，為作物提供適時適量的水分和養(yǎng)分，新疆種植加工番茄獨特的優(yōu)勢資源結(jié)合膜下滴灌種植模式，使得新疆加工番茄在國際市場極具競爭力[5]。竇允清等[6]研究表明，膜下滴灌水肥一體化技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)肥，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的優(yōu)點。但地膜覆蓋阻礙了土壤CO2的排放，破壞了土壤O2生產(chǎn)和擴散的動態(tài)平衡系統(tǒng)，改變了土壤的水熱條件[7]，加劇了作物根區(qū)缺氧的現(xiàn)象。植物根系需要足夠的氧氣來進行根系呼吸以及維持植物良好的新陳代謝功能[8]。番茄是對土壤氧氣供應(yīng)不足最敏感的作物之一，根區(qū)缺氧會影響根系生長和土壤呼吸，從而減少根系對水分和養(yǎng)分的吸收以及對植物體的營養(yǎng)傳輸[9]。

加氣灌溉利用地下滴灌技術(shù)，通過加氣設(shè)備將氣體或者水氣混合液隨灌溉水輸送至作物的根區(qū)，以滿足作物根系有氧呼吸和土壤微生物對O2的需求[8]。Niu等[10]研究認為在番茄根區(qū)增氧有利于其根際氣體環(huán)境的改善，使番茄根系活力和吸收能力增加。此外，加氣灌溉顯著增加了土壤微生物的豐度和酶活性[11]，改善水肥吸收速率，有利于作物生長，提高產(chǎn)量和品質(zhì)[12]。地下滴灌系統(tǒng)通過文丘里設(shè)備曝氣有成本低、操作簡單的優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于溫室番茄、芹菜、棉花和辣椒。

新疆是中國最大的加工番茄生產(chǎn)基地，2017年加工番茄種植面積為59 000 hm2，產(chǎn)量為6 640 000 t[13]，加工番茄生產(chǎn)能力占全國的90%以上[3]。然而，目前有關(guān)水肥氣一體化灌溉研究較少，相關(guān)的研究也多集中在室內(nèi)溫室探究水氣或水肥耦合對作物生長的影響[14-15]，水肥氣三因素耦合對新疆膜下滴灌加工番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用的影響規(guī)律研究鮮見報道。因此本研究以提高新疆膜下滴灌加工番茄水肥利用效率為目標(biāo)，通過水肥氣三因素耦合試驗探究水肥氣一體化灌溉對新疆加工番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，旨在為建立高產(chǎn)、高效節(jié)水的水肥氣一體化灌溉模式提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5－8月在新疆石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站（86°03′47″E，44°18′28″N）進行。試驗站位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師石河子市西郊石河子大學(xué)農(nóng)試場二連，海拔450 m，年均日照時數(shù)2 950 h，年降水量在220 mm左右。2019年加工番茄種植期間氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。試驗前茬種植作物為玉米，試驗田地下水埋深8 m以下，土壤質(zhì)地為中壤土，<0.01 mm粒徑的土壤物理黏粒含量>21%，0～100 cm土壤年平均容重為1.56 g/cm3，田間持水率（即含水率）為17.98%。

圖1 加工番茄生育期間氣象數(shù)據(jù)

1.2 試驗設(shè)計及試驗材料

供試加工番茄品種為金番3166，購自石河子市143團十連農(nóng)業(yè)科技園，試驗于5月5日進行移苗定植，8月24日進行成熟期采獲，全生育期112 d。種植模式為“1膜2管4行”，覆膜為1.45 m聚乙烯普通塑料地膜；定植前小區(qū)內(nèi)預(yù)設(shè)直徑16 mm，滴頭間距0.3 m的2條以色列耐特菲姆滴灌帶，滴灌帶埋深15 cm，2條滴灌帶間距0.85 m，滴頭設(shè)計流量1.3 L/h，加工番茄種植株距0.35 m，行距0.3 m。

參考當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實踐及其他學(xué)者研究[3,16]，確定加工番茄種植的灌溉、施氮量以及灌溉、施肥次數(shù)（表1）。試驗設(shè)W1（4 950 m3/hm2）和W2（4 050m3/hm2）2個灌溉水平，N1（280 kg/hm2）、N2（250 kg/hm2）、N3（220 kg/hm2）和N4（190 kg/hm2）4個施氮水平，A（加氣灌溉，摻氣比例15%）和C（不加氣灌溉，摻氣比例0）2個加氣水平。共計16個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，試驗小區(qū)面積為18.45 m2（9 m×2.05 m），磷肥和鉀肥統(tǒng)一為150 kg/hm2。試驗設(shè)計如表2所示。其中，試驗肥料依次為尿素CO(NH2)2（N質(zhì)量分數(shù)為46.4%），磷酸一銨NH4H2PO4（P2O5質(zhì)量分數(shù)為60.5%）和氯化鉀KCl（K2O質(zhì)量分數(shù)為57%），試驗小區(qū)的除草、打藥等田間農(nóng)藝管理措施一致。

滴灌加氣施肥設(shè)備主要由蓄水池、水泵、文丘里管、回流管、施肥罐、旋翼式水表及輸水管道系統(tǒng)組成。采用深層地下水進行灌溉，灌溉水礦化度約1.35 g/L。加氣灌溉試驗處理利用文丘里空氣射流器（Mazzei air injector 1078，美國Mazzei Corp 公司）進行加氣，Mazzei1078型文丘里空氣射流器安裝在滴灌系統(tǒng)首部，當(dāng)水流經(jīng)過文丘里射流器時，因涌流作用，橫截面積變小流速上升，因而壓力減小產(chǎn)生負壓，吸入空氣。通過水泵、文丘里空氣射流器、回流管路實現(xiàn)循環(huán)曝氣，制得摻氣比例約為15%的摻氣水[17]。灌溉時，通過調(diào)節(jié)回流管閥門，保證供水壓力為0.1 MPa。每個小區(qū)均設(shè)置旋翼式水表及施肥罐。

表1 加工番茄生育期灌溉制度

表2 試驗設(shè)計

1.3 項目測定與方法

1.3.1生長指標(biāo)及灌溉水分利用效率

1）株高、莖粗測定：分別于苗期、花期、果實膨大一期、果實膨大二期、成熟期對加工番茄的株高、莖粗進行測量，每個小區(qū)隨機選取3株進行標(biāo)記，從植株基部用卷尺測量株高，用游標(biāo)卡尺讀取植株距離表層土2 cm處的莖粗，并取平均值。

2）灌溉水分利用效率（Irrigation Water-Use Efficiency，IWUE，kg/m3）的計算[18]如式（1）所示：

IWUE=/（1）

式中為相應(yīng)處理加工番茄產(chǎn)量，kg/hm2；為相應(yīng)處理灌水量，m3/hm2。

氮肥偏生產(chǎn)力（Nitrogen Partial Factor Productivity，PFPN，kg/kg）的計算[19]如式（2）所示：

PFPN=/（2）

式中為相應(yīng)處理加工番茄產(chǎn)量，kg/hm2；為相應(yīng)處理施氮量，kg/hm2。

1.3.2 產(chǎn)量及品質(zhì)

1）產(chǎn)量測定：在加工番茄成熟期，每個小區(qū)選擇6株長勢均勻的植株測其產(chǎn)量，以單株計，包括單株產(chǎn)量、單果質(zhì)量和果實數(shù)目的記錄。

2）品質(zhì)測定：加工番茄進入成熟收獲期測定單果重使用BWS-SN-30電子計重桌秤（廈門佰倫斯品牌）并進行番茄品質(zhì)的測定，用手持折射儀型號為MASTER-3M（日本愛宕品牌）測定可溶性固形物；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用滴定法測定維生素C含量；采用堿滴定指示劑法測定有機酸含量[20]。

糖酸比（Suagr-acid ratio，SAT）的計算如式（3）所示：

SAT=/（3）

式中為加工番茄可溶性糖含量，%；為加工番茄有機酸含量，%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

各主成分得分和綜合得分的計算[21]如式（4）和式（5）所示

F=1i1+2i2+,…,UX（4）

=11+22+,…,+WF（5）

式中F為第主成分得分；1i,2i, …,U為第主成分的得分系數(shù)；X為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值；表示主成分綜合得分；W為第主成分權(quán)重，即各主成分因子的貢獻率。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進行計算，使用Origin 2017進行作圖，SPSS Statistics 26進行方差分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對加氣滴灌加工番茄生長的影響

2.1.1 株高

不同水肥氣組合方案對滴灌加工番茄株高的影響如圖2所示。隨著時間的推移，不同水肥氣處理下加工番茄株高呈現(xiàn)不同幅度的增長。移植后25～50 d，株高增幅最大，為0.819 cm/d。移植后50～75 d，加工番茄株高日增長量降低，此階段加工番茄的營養(yǎng)生長主要集中在果實部位。移植后110 d，灌水量、施氮量和加氣量對加工番茄株高影響達到極顯著水平（<0.01），加工番茄株高隨著灌水量、施氮量和加氣量的增加而增加。W1水平較W2水平加工番茄株高增加10.43%，N1水平加工番茄株高較N2、N3和N4水平分別增加4.16%、6.90%和12.99%，加氣處理較不加氣處理加工番茄株高增加4.28%。2個灌水量水平下，與不加氣處理相比，加氣W1水平下加工番茄株高增加5.08%，加氣W2水平下加工番茄株高增加3.41%，加氣對高灌水量水平（W1）株高增長率提高更為明顯。4個施氮量處理下，與不加氣處理相比，加氣N1、N2、N3和N4加工番茄株高分別增加了4.66%、4.99%、4.02%和3.39%，N2水平株高增長率最大。以上分析表明，充足的灌水施氮量，有助于加工番茄株高的增長，加氣同樣對加工番茄株高有促進作用。

注：W1和W2分別表示灌水量為4 950和4 050 (m3·hm-2)；N1、N2、N3和N4分別表示施氮量為280、250、220和190 (kg·hm-2)；A表示加氣；C表示不加氣。不同字母表示α=0.05水平下差異顯著。下同。

2.1.2 莖粗

不同水肥氣組合方案對滴灌加工番茄莖粗的影響如圖3所示。

圖3 不同水肥氣處理對加工番茄生育期莖粗的影響

不同水肥氣處理下加工番茄莖粗隨著時間的推移，呈現(xiàn)不同幅度的增長。移植后25～50 d，W1水平下莖粗在N3達到最大，W2水平下莖粗在N2達到最大，且W2水平較W1水平加工番茄莖粗增加3.58%。移植后50～75 d，各處理莖粗增幅最大，為0.097 3 mm/d。移植后110 d，灌水量、施氮量和加氣量對加工番茄莖粗影響達到極顯著水平（<0.01），W2水平較W1水平加工番茄莖粗增加6.43%，灌水量增大反而使加工番茄莖稈變細。W1水平下，N3水平加工番茄莖粗較N1、N2和N4分別增加9.16%、2.85%和6.97%，W2水平下，N2水平加工番茄莖粗較N1、N3和N4分別增加6.37%、2.28%和8.73%，加氣處理較不加氣處理加工番茄莖粗增加3.70%。2個灌水量水平下，與不加氣處理相比，加氣W1水平下加工番茄莖粗增加4.24%，加氣W2水平下加工番茄莖粗增加3.18%，加氣對高灌水量水平（W1）莖粗增長率明顯更大。

2.2 水肥耦合對加氣滴灌加工番茄產(chǎn)量、灌溉水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

不同水肥氣組合方案對滴灌加工番茄產(chǎn)量、灌溉水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響如表3和表4所示。高灌水量提高了加工番茄產(chǎn)量，W1水平較W2水平產(chǎn)量顯著增加2.18%～16.95%（<0.05）。相同灌水量下，隨施氮量增加，加工番茄產(chǎn)量先增加后減小，即施氮量達到一定程度后，作物產(chǎn)量增幅減小。加氣灌溉顯著提高加工番茄產(chǎn)量2.32%～10.02%（<0.05），產(chǎn)量最大值出現(xiàn)在W1N2A處理，其次為W2N2A處理，處理間并無顯著差異（>0.05）。與不加氣處理相比，加氣W1水平下產(chǎn)量增加了6.38%，W2水平下產(chǎn)量增加了5.89%；加氣條件下N1、N2、N3和N4產(chǎn)量較不加氣處理分別增加了3.50%、9.56%、4.92%和6.50%。結(jié)果表明在W2灌水量下，施氮量為N2時，加氣處理對產(chǎn)量的提升最大。

表3 水肥氣耦合對加工番茄產(chǎn)量、灌溉水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

注：同列數(shù)據(jù)不同小寫字母表示=0.05水平存在顯著性差異。下同。

Note: The different letters at same column indicated significant differences at the level of=0.05. The same blow.

表4 水肥氣對加工番茄產(chǎn)量、灌溉水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的三因素方差分析

注：*和**分別表示=0.05和=0.01水平存在顯著性差異，ns表示=0.05水平不存在顯著性差異。下同。

Note: * and ** indicated significant difference at=0.05 and=0.01 levels, respectively, ns indicated no significant difference at=0.05 level. The same below.

高灌水量使加工番茄IWUE減小，PFPN增大，W1水平較W2水平IWUE顯著減小4.31%～16.40%（<0.05），PFPN顯著增加2.18%～16.95%（<0.05）。相同灌水量下，隨施氮量增加，IWUE先增加后減小，PFPN逐漸減小。加氣處理較不加氣處理IWUE和PFPN分別增加6.12%和6.19%。與不加氣處理相比，加氣W1水平下IWUE和PFPN分別增加6.38%和6.51%，加氣W2水平下IWUE和PFPN分別增加5.89%和5.84%，4個施氮量水平中加氣N2水平對IWUE和PFPN提升最大，分別為9.61%和9.55%。

2.3 水肥耦合對加氣滴灌加工番茄果實品質(zhì)的影響

不同水肥氣組合方案對滴灌加工番茄品質(zhì)的影響如表5和表6所示。

表5 水肥氣耦合對加工番茄品質(zhì)的影響

表6 水肥氣對加工番茄品質(zhì)的三因素方差分析

灌水量對加工番茄可溶性糖、有機酸、維生素C（Vitamin C，VC）和可溶性固形物產(chǎn)生極顯著影響（<0.01）。W1水平較W2水平可溶性糖、有機酸、維生素C和可溶性固形物分別下降了5.84%、4.85%、2.50%和3.34%。可溶性糖、維生素C和可溶性固形物含量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，W2N2A處理可溶性糖（6.10%）、維生素C（0.196 6 mg/g）和可溶性固形（6.76%）含量達到最大。有機酸含量隨施氮量增加顯著增大，N1處理較N4處理有機酸增加9.67%。加氣對加工番茄各品質(zhì)指標(biāo)有顯著影響（<0.05），與不加氣灌溉處理相比，加氣灌溉下可溶性糖、有機酸、維生素C和可溶性固形物含量分別增大了1.17%、2.37%、2.42%和4.68%。同時加氣灌溉下加工番茄糖酸比含量顯著降低（<0.05），比不加氣灌溉降低了1.17%。

由于單獨的一項番茄品質(zhì)指標(biāo)并不能全面反映其優(yōu)劣，故需要對番茄各項指標(biāo)進行綜合分析及評價。主成分分析與評價法是一種多元統(tǒng)計方法，通過求解主成分，可以在少損失原有指標(biāo)信息的情況下，實現(xiàn)減少變量個數(shù)與綜合評價的目的，在許多領(lǐng)域的綜合評價中被廣泛應(yīng)用[21]。選取評價變量分別為可溶性糖（1）、有機酸含量（2）、維生素C含量（3）、可溶性固形物（4）、糖酸比（5）5個品質(zhì)指標(biāo)，采用主成分分析法對5個品質(zhì)指標(biāo)進行降維數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析，因子荷載和方差貢獻率如表7所示。

經(jīng)主成分分析提取前2個主成分的特征值>1，累計貢獻率達到87.043%，說明前2個主成分包含了5個指標(biāo)的大部分信息。因此用這2個主成分代替原來的5個指標(biāo)對番茄品質(zhì)進行評價。第一主成分解釋了總變異信息的60.119%，主要反映維生素C（3）、可溶性糖（1）、可溶性固形物（4）、有機酸（2）4個指標(biāo)的影響，第二主成分包含了原始信息的26.924%，主要以糖酸比（5）的影響為主。

結(jié)合式（4）和式（5），計算各主成分得分和綜合得分，并按綜合分值大小進行排序，結(jié)果如表8所示。其中，加工番茄品質(zhì)最好的處理為W2N2A，品質(zhì)最差的處理是W1N4C。不同的灌溉量處理下，W2的綜合得分大于W1，過高的灌水量，不利于加工番茄綜合品質(zhì)的提高。在相同的灌水量處理下，不同施氮量作用下，加工番茄綜合品質(zhì)按大小順序依次為N2、N3、N1和N4，過高、過低的施氮量，均不利于加工番茄綜合品質(zhì)的提高。加氣處理提高了加工番茄品質(zhì)，與不加氣處理相比，加工番茄綜合評價得分均有提高，在W1灌水量處理下，N2與N3施氮量處理綜合得分提升最大。

表7 主成分因子荷載和方差貢獻率

表8 不同處理加工番茄品質(zhì)參數(shù)綜合評價

3 討 論

3.1 水肥耦合對加氣滴灌加工番茄生長的影響

現(xiàn)代化灌溉不僅要求為作物生長提供適時、適量的水分和養(yǎng)分，更要營造水、肥、氣、熱相協(xié)調(diào)的土壤環(huán)境[22]。竇允清等[6]研究表明，膜下滴灌水肥一體化可以將作物所需的水分以及養(yǎng)分輸送至作物根部土壤，根據(jù)作物不同生長階段的需水需肥特性，為作物提供適時適量的水分和養(yǎng)分。本試驗中，隨著灌水量和施氮量的增加，加工番茄株高表現(xiàn)出逐漸增加趨勢，過多的灌水量和施氮量則不利于植株莖粗的增加。適量施用氮肥能促進番茄根系活性及吸水能力[23]，養(yǎng)分溶解水中通過質(zhì)流或擴散達到根系表面，適量的水分有利于加快K+、H2PO4-等離子的擴散過程，促進植物吸收養(yǎng)分，促進植株生長[24]。過低的水肥施用量使得植物生長緩慢，莖稈和葉片營養(yǎng)不足，過量的水肥資源則會導(dǎo)致植物徒長，而使得莖稈變細[25]。

膜下滴灌技術(shù)特點是淺灌、勤灌、濕潤范圍小[4]，灌溉期內(nèi)土壤干濕交替頻繁，土壤水分變化劇烈。Ming等[26]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉使得土壤水分含量增加，但土壤呼吸呈下降趨勢。較高的灌溉水平下，土壤水分過多，降低了土壤中氧氣的擴散速率[27]。氧是細胞線粒體電子傳遞的最終受體，是有氧呼吸中合成腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine Triphosphate，ATP）的必要因素之一[28]。低氧脅迫下根際無氧呼吸增強，呼吸速率下降，產(chǎn)生的能量不足以維持正常生長，長期低氧脅迫下根細胞質(zhì)膜過氧化程度加劇，根系活力下降，抑制植株生長[29]。在灌水過程中通入適量氧氣，淺層土壤溶解氧濃度增大，改善了土壤中氧氣擴散速率和氧化還原電位，能明顯提高土壤通氣性[30]，緩解作物根際環(huán)境缺氧程度，提高根系總表面積及根系活躍吸收面積，顯著提高根系活力[31]。劉義玲等[32]研究表明，根際低氧顯著抑制作物生長，影響作物干物質(zhì)累積，使得作物干物質(zhì)量顯著降低。朱艷等[12]研究發(fā)現(xiàn)，加氣改善了灌溉后作物根系缺氧情況，番茄植株莖粗和葉面積分別顯著增大4.55%和16.21%。本試驗中，加氣灌溉改善了灌溉后作物根系缺氧情況，顯著提高加工番茄株高和莖粗，莖粗增大可以預(yù)防結(jié)果期植株倒伏，避免加工番茄減產(chǎn)，有利于番茄最終產(chǎn)量的增加。加氣灌溉有效改善作物根際土壤通氣性，提高了根系活力以及根系有氧呼吸，促進了根系對養(yǎng)分的吸收利用，葉片光合作用增強，進而促進植物生長。

3.2 水肥耦合對加氣滴灌加工番茄產(chǎn)量和灌溉水分利用效率的影響

合理的肥料施用量、適宜的土壤含水量是保證作物高產(chǎn)的重要因素，本試驗研究結(jié)果表明，增加灌溉量顯著提高了番茄產(chǎn)量，增加了氮肥偏生產(chǎn)力，但降低了水分利用效率，這與邢英英等[33]研究的研究結(jié)果一致。番茄作為淺根作物，根系難以吸收深層水分和養(yǎng)分[34]，姜慧敏等[35]研究表明隨著施氮量的增加，土壤硝態(tài)氮累積量增加，高頻灌溉下土壤氮素淋失加劇，造成土壤肥力下降。同時過量施氮常導(dǎo)致植株徒長，坐果率降低、抗逆性差，易于發(fā)生多種病害，最終影響番茄產(chǎn)量的形成，進而降低水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力[25]。本試驗結(jié)果表明適宜的施氮量可以顯著提高番茄產(chǎn)量，過量的施氮量會降低產(chǎn)量，水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力也顯著降低。

番茄是對氧氣脅迫相對敏感的作物，在田間種植中，常因為灌溉不當(dāng)而使根部區(qū)發(fā)生氧氣脅迫，致使其產(chǎn)量下降[9]。低氧脅迫情況下，根系以及微生物呼吸作用減弱，無氧呼吸酶活性提高，土壤微生物數(shù)量下降，作物呼吸作用以及生長發(fā)育表現(xiàn)異常，導(dǎo)致水分和養(yǎng)分利用效率下降[11]。大量試驗研究表明，根區(qū)通氣可以提高作物產(chǎn)量[8,12]。本試驗中加氣處理較不加氣處理番茄產(chǎn)量顯著增加了6.14%，灌溉水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力顯著提高了6.12%和6.19%。根區(qū)加氣可提高根區(qū)土壤pH值，加速中部土層有機質(zhì)分解，促進土壤速效磷、鉀活化，促進作物對土壤中堿解氮、速效磷、鉀的吸收[36]，提高了作物根系活力，促進了對水肥的吸收利用。肖元松等[37]研究表明，增氧灌溉提高了植物根系總表面積及根系活躍吸收面積，增加根系全氮含量。加氣改善土壤的通氣狀態(tài)，為土壤微生物及根系活動提供適宜氧氣環(huán)境，顯著提高了植物根系活力、根系硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶等氮代謝酶活性，進而葉片光合氮素利用率增加，有效促進植物的代謝和生長，促進植物對氮素的吸收[38]，加強土壤硝化過程，減少氮素流失和提高氮素利用率[39]。

3.3 水肥耦合對加氣滴灌加工番茄果實品質(zhì)的影響

作物品質(zhì)是衡量作物營養(yǎng)的重要指標(biāo)，其含量高低決定作物的營養(yǎng)價值和口感，進而影響作物的商品價值。本試驗研究表明，隨著灌溉量的增加，加工番茄果實中可溶性糖、有機酸、維生素C、可溶性固形物等含量下降。這主要是增加灌水量對番茄各指標(biāo)有稀釋作用，增加灌水量，導(dǎo)致果實含水量增加，從而使品質(zhì)指標(biāo)含量稀釋降低[40]。合理的施氮量可以提高可溶性糖、有機酸、維生素C、可溶性固形物含量，過多的施氮量會降低維生素C和可溶性固形物含量，這與湯明堯[41]研究結(jié)果一致。

根系長期缺氧導(dǎo)致根系對水分的傳導(dǎo)性降低，加速葉綠素降解和降低光合酶活性，抑制植物光合作用，降低果實品質(zhì)[42]。本研究表明，加氣處理較不加氣處理提高了可溶性糖、有機酸、維生素C、可溶性固形物含量，但降低了果實糖酸比，這與溫改娟等[43]研究結(jié)果一致。霍建勇等[44]研究認為，番茄良好的風(fēng)味，必須在較高的含糖量基礎(chǔ)上有合適的糖酸比，即使有合適的糖酸比，糖酸均過低，也會影響番茄口感，因此糖酸比的變化受到可溶性糖和有機酸含量的影響，糖酸比的下降并不意味著番茄口感的下降。但加氣灌溉下番茄維生素C含量的增大，卻是番茄果實品質(zhì)提高的表現(xiàn)[12]。本試驗的維生素C含量增加顯著（<0.05），說明根區(qū)加氣改善了根際氧環(huán)境，保障了植株生理功能的正常運轉(zhuǎn)，對果實品質(zhì)有一定的提升作用。通過采用主成分分析法對5個品質(zhì)指標(biāo)進行降維數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析，加工番茄品質(zhì)最好的處理為W2N2A，適宜的灌水量和施氮量有利于加工番茄品質(zhì)的提升，而加氣灌溉可以在水肥耦合的基礎(chǔ)上明顯的提高加工番茄的果實品質(zhì)。

4 結(jié) 論

本試驗研究了水肥耦合對加氣滴灌加工番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及灌溉水分利用效率的影響，得到以下結(jié)論：

1）灌水量增加提高加工番茄株高、產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力，但減小了作物莖粗和灌溉水分利用效率；隨著施氮量增加，加工番茄莖粗、產(chǎn)量和灌溉水分利用效率先增加后減小，氮肥偏生產(chǎn)力逐漸減小；與不加氣處理相比，加氣處理顯著提高加工番茄株高和莖粗（<0.05），產(chǎn)量顯著增加2.32%～10.02%（<0.05），灌溉水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著提高6.12%和6.19%（<0.05）。

2）加工番茄可溶性糖、維生素C和可溶性固形物隨著施氮量的增加先增加后降低，隨灌水量的增加而減小；加氣處理較不加氣處理增加可溶性糖、有機酸、維生素C、可溶性固形物含量，但降低了果實糖酸比。

3）基于主成分分析，綜合考慮作物株高、莖粗、產(chǎn)量、灌溉水分利用效率（Irrigation Water-Use Efficiency，IWUE）、氮肥偏生產(chǎn)力（Nitrogen Partial Factor Productivity，PFPN）及品質(zhì)，研究認為加氣處理下灌溉定額4 050 m3/hm2，施氮量250kg/hm2為較優(yōu)的滴灌加工番茄水肥氣管理模式。

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Effects of water and fertilizer coupling on the yield and quality of processing tomato under aerated drip irrigation

Wang Zhenhua1,2, Chen Xiaojie1,2, Lyu Desheng1, Li Wenhao1,2, Wang Tianyu1,2, Wei Chilin1,2

(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2. Key Laboratory of Modern Water- Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group, Shihezi 832000, China)

Optimizing water andfertilization management is a critical component for maximizing cropproduction and water-fertilizer use efficiency. Aerated irrigation is widely recognized to improve soil aeration and water productivity. However, information about crop yield and quality of processing tomato responds to water-nitrogen-gas coupling remains unclear. To explore the effects of water and fertilizer coupling under aerated irrigation on yield, quality, and water-fertilizer use efficiency of processing tomato (), and to determine the optimal water-nitrogen rate for improving quality under aerated irrigation, a field experiment was conducted in 2019 at the Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of the Xinjiang Production and Construction Corps at Shihezi University in Xinjiang, China. Two irrigation levels (4 950 and 4 050 m3/hm2), four nitrogen levels (280, 250, 220, and 190 kg/hm2), and two aerated rates (15% and 0) were tested using a completely randomized design. A local processing tomato cultivar, Jinfan 3166, was selected transplanted on May 5thmanually and harvested on August 24th. Subsurface drip irrigation was adopted in this study. Air was injected into a drip line using Mazzei air injector (Mazzei air injector 1078, American), and the aerated rate was approximately 15%. Plant height, stem diameter, yield, water-use efficiency, nitrogen partial factor productivity, and fruit quality parameter of processing tomato were determined. The results showed that irrigation and nitrogen fertilization significantly affected plant height and stem diameter of processing tomato (<0.05). The plant height of processing tomato was greater as the irrigation and nitrogen level increased. However, excessive irrigation and fertilization had a major negative impact on stem diameter. Furthermore, Aerated irrigation enhanced plant height and stem diameter more under higher irrigation levels. Processing tomato yield was greater at a high irrigation level by 2.18% to 16.95% than that in the low irrigation level. Under the same irrigation amount, processing tomato yield increased firstly and then decreased relative to nitrogen levels. Compared to no aerated irrigation, aerated irrigation significantly increased processing tomato yield by 2.32% to 10.02% (<0.05). Compared to low irrigation amount, more irrigation amount significantly decreased irrigation water-use efficiency by 4.31% to 16.40% (<0.05), but increased nitrogen partial factor productivity by 2.18% to 16.95% (<0.05). Under the same irrigation amount, irrigation water-use efficiency first increased and then decreased with the increase of nitrogen levels, and nitrogen partial factor productivity showed a negative correlation with the nitrogen amount. Aerated irrigation enhanced irrigation water-use efficiency and nitrogen partial factor productivity by an average of 6.12% and 6.19%, respectively, comparing to no aerated irrigation. Water-nitrogen-gas coupling had a stronger effect on the quality index of the processing tomato. Compared to low irrigation level, the average soluble sugar, organic acid, Vitamin C, and the soluble solid content was 5.84%, 4.85%, 2.50%, and 3.34% smaller in high irrigation amount. And soluble sugar, Vitamin C, and soluble solid content increased firstly and then decreased with the increase of nitrogen application. Aerated irrigation increased soluble sugar, organic acid, Vitamin C, and soluble solid content of processing tomato significantly (<0.05). Meanwhile, compared to no-aerated irrigation, the ratio of sugar to acid was significantly lower by 1.17% in aerated irrigation (<0.05). The principal component analysis was applied to evaluate and compare the water and nitrogenfertilization management technology with the fruit quality parameter of processing tomato. Two components were extracted from the quality index matrix which the accumulative contribution rate was 87.043%. Based on the principal component analysis, the comprehensive rankings revealed the suitable irrigation amount was 4 050 m3/hm2and the suitable nitrogen amount was 250 kg/hm2under aerated irrigation conditions, which ranked first. Under this pattern, the irrigation water-use efficiency was 46.85 kg/m3,which was significantly higher than other treatments (<0.05). These results could provide theoretical support for improving water-fertilizer use efficiency of processing tomato in Xinjiang.

irrigation; soils; quality control; yield; processing tomato; aerated irrigation; principal component analysis

王振華，陳瀟潔，呂德生，等. 水肥耦合對加氣滴灌加工番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(19)：66-75.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.008 http://www.tcsae.org

Wang Zhenhua, Chen Xiaojie, Lyu Desheng, et al. Effects of water and fertilizer coupling on the yield and quality of processing tomato under aerated drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 66-75. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.008 http://www.tcsae.org

2020-04-08

2020-05-18

國家重點研發(fā)計劃“經(jīng)濟作物水肥一體化技術(shù)模式研究與應(yīng)用”（2017YFD0201506）；兵團科技創(chuàng)新團隊項目（2019CB004）；兵團節(jié)水灌溉試驗計劃項目（BTJSSY-201907）；石河子大學(xué)國際科技合作推進計劃項目（GJHZ201803）

王振華，博士，教授，主要從事干旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。Email: wzh2002027@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.008

S641.2; S275.6

A

1002-6819(2020)-19-0066-10