加氣灌溉及水氮耦合滴灌對加工番茄產量及品質的影響

陳瀟潔， 呂德生， 王振華， 李文昊， 宗睿， 溫越， 鄒杰

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

番茄因其果實加工后的多用途且富含類胡蘿卜素和酚類等抗氧化劑，是世界范圍內種植最廣泛的作物之一[1]。2017年，世界番茄種植面積為500萬hm2，我國番茄種植面積約為110萬hm2，是世界三大番茄主產區之一[2]。新疆光熱資源豐富、晝夜溫差大，有利于加工番茄生長及番茄紅素和可溶性固形物含量的積累，是中國最大的加工番茄生產基地[3]。但由于產業化水平低、水肥管理措施以及品種退化等問題，加工番茄種植面積及番茄品質逐年下降。據統計年鑒數據，2015—2017年新疆加工番茄種植面積由6.94萬hm2減少到5.90萬hm2，產量從76.1萬t減少到66.4萬t[4]。對我國番茄產品國際競爭力的影響因素分析表明，品質是制約我國番茄產品競爭力的主要原因之一[5]。因此保證番茄產量和提高品質是目前加工番茄產業的研究重點。

番茄產量和品質不僅取決于遺傳因素，還極易受水肥、土壤、氣候等環境因素的影響[6]。劉中良等[7]研究表明，適度降低灌水量和施氮量有利于改善番茄品質，提高番茄產量。土壤是農業生產的基本生產資料，而耕作制度不合理、機械碾壓等人為因素極易造成土壤通氣性不足，導致作物出現低氧脅迫[8]。Horchani等[9]研究表明，番茄是對低氧脅迫最敏感的作物之一，土壤通氣性不足導致根系缺氧，從而影響根系發育、限制植株的生長和產量的形成。趙旭等[10]研究表明，5%低氧脅迫就可使得番茄果實可溶性固形物和抗壞血酸分別顯著降低24.7%和32.4%。Bhattarai等[11]研究認為，加氣灌溉能夠有效調節土壤通氣性，當土壤含水率處于田間持水量水平時，加氣灌溉對番茄產量的提升更為顯著。Sang等[12]研究表明，適當的氮肥減量和加氣灌溉相結合，可有效提高作物產量和氮肥利用效率。雷宏軍等[13]研究表明，水肥氣耦合滴灌可提高水、氮利用效率，促進番茄生長，提高番茄產量。

加氣灌溉作為一種新興的節水技術，在地下滴灌的基礎上利用首部加氣設備將水氣混合液和微型氣泡輸送至作物根區土壤[11]，既能滿足作物對水肥需求，又能滿足作物根系有氧呼吸及土壤微生物對氧氣的需求，進而促進作物生長，提高作物產量并改善品質[14]。然而，目前關于加氣灌溉的研究多集中在摻氣水平、灌溉水平和施氮水平提高溫室作物生長和產量等方面[15-16]，有關新疆膜下滴灌加氣灌溉應用研究較少，水、肥、氣三因素耦合效應對作物產量和品質的影響規律尚不明確。因此，本研究采用膜下滴灌模式研究了不同水、肥、氣處理對新疆加工番茄產量和品質的影響，并通過主成分分析法和隸屬函數法對番茄產量和品質進行綜合評價，進而探索加工番茄最優的水、肥、氣處理，以期為新疆水、肥、氣一體化灌溉模式提供理論依據和技術參考。

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節水灌溉試驗站進行。試驗站位于新疆生產建設兵團第八師石河子大學農試場二連(E 86°03′47″，N 44°18′28″，海拔450 m)，年均日照時數2 950 h，年平均降水量210 mm，年平均風速1.5 m·s-1。試驗前茬種植作物為玉米，試驗田地下水埋深8 m以下，土壤質地為中壤土，小于0.01 mm粒徑的土壤物理粘粒含量大于21%，0—100 cm土壤平均容重為1.56 g·cm-3。試驗區土壤理化性質詳見表1。

表1 試驗區土壤理化性質

1.2 試驗設計

試驗選取當地主栽加工番茄品種“金番3166”為研究對象，于2019年5月5日進行移苗定植，2019年8月24日進行成熟期采獲，全生育期112 d。種植方式為當地典型的膜下滴灌一膜兩管四行模式，膜寬1.45 m，番茄幼苗按單株單穴定植，株距0.35 m，行距0.3 m。選用以色列耐特菲姆滴灌帶，滴灌帶埋深15 cm，外徑16 mm，滴頭間距0.3 m，2條滴灌帶間距0.85 m，滴頭設計流量1.3 L·h-1。

試驗設定灌水量、施氮量和摻氣量3個因素。其中，灌水量分別為4 950(W1)和4 050(W2)m3·hm-22個灌溉水平；施氮量分別為280(N1)、250(N2)、220(N3)和190 kg·hm-2(N4)共4個施氮水平，P2O5和K2O用量均為150 kg·hm-2；摻氣量設置為加氣灌溉(A，摻氣比例15%)和不加氣灌溉(C，摻氣比例0%)2個水平。3因素組合設計，共計16個處理(表2)，每個處理3次重復。各處理小區面積均為18.45 m2(9 m×2.05 m)。試驗采用深層地下水進行灌溉，灌溉水礦化度約為1.35 g·L-1，試驗肥料為尿素(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%)。

表2 試驗設計及加工番茄生育期灌溉制度

通過裝在滴灌系統的文丘里計(Mazzei air injector 1078)裝置進行加氣，水泵和回流管路調節文丘里計進出口端壓力，加氣時，保證進水口壓力為0.1 MPa，制得摻氣比例約為15%的摻氣水[16]。滴灌加氣施肥設備主要由蓄水池、水泵、文丘里管、回流管、施肥罐、旋翼式水表及輸水管道系統組成。各小區均設置旋翼式水表及施肥罐。除草、打藥等農藝管理措施與大田生產一致。

1.3 性狀測定與方法

①產量：在加工番茄成熟期，每個小區隨機選擇長勢均勻的植株6株進行產量性狀的測定(以單株計)，包括單株產量、單果質量和單株果實數。

其中，單果重和單株產量使用BWS-SN-30電子計重桌秤測定。

②品質：使用電子游標卡尺測定加工番茄果實的橫徑和縱徑；用MASTER-3 M(日本愛宕品牌)手持折射儀測定可溶性固形物；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[17]。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016對試驗數據進行統計分析，使用Origin 2017進行作圖，采用SPSS Statistics 26進行方差分析、相關分析和主成分分析。

首先對加工番茄產量和品質的9個性狀(單株產量、單株果數、單果重、可溶性糖、有機酸、維生素C、可溶性固形物、橫徑、縱徑)進行相關分析，比較各性狀間的關系。然后，利用主成分分析法將不同水肥氣處理的9個指標降維。最后采用隸屬函數法對16個處理的產量和品質進行綜合評價。

①各主成分得分的計算如式(1)。

Fi=U1iX1+U2iX2+,…,UpiXp

(1)

式中，Fi為第i主成分得分；U1i，U2i,…,Upi為第i主成分的得分系數；②隸屬函數值計算[18]如式(2)。

(2)

式中，Xi為指標測定值，Xmin、Xmax為所有參試材料某一指標的最小值和最大值。

③權重計算如式(3)。

(3)

式中，Wi表示第i個公因子在所有因子中的主要程度，Pi為第i個公因子的貢獻率。

④綜合評價值的計算如式(4)。

(4)

式中，D為綜合評價所得的產量品質綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 不同水肥氣處理對加工番茄產量影響

不同處理對加工番茄單株產量、單株果數和單果重的影響如表3所示。單株產量和單果重隨灌水量的增加而增加，W1水平下，單株產量和單果重較W2水平分別增加8.77%和11.10%。相同灌水量下，隨施氮量增加單株產量和單果重呈先增加后減小趨勢，N2水平的單株產量和單果重較N1、N3和N4分別增加8.91%、2.46%、12.94%和5.38%、6.64%、24.24%。加氣灌溉處理的單株產量和單果重分別較不加氣處理平均顯著提高了6.14%和2.35%。2個灌水處理中，W1條件下加氣灌溉對單株產量和單果重提升幅度最大，分別為6.38%和2.63%。4個施氮量水平中，N2條件下加氣灌溉對單株產量和單果重提升幅度最大，分別為9.56%和2.89%；單株果數隨灌水量的增加而降低。相同灌水量下，單株果數隨施氮量的增加而增加，N4水平下單株果數較N1、N2和N3分別增加13.81%、10.17%和5.72%。加氣灌溉處理的單株果數顯著提高，較不加氣處理平均提高3.67%。

表3 不同處理下加工番茄的單株產量、單株果數及單果重

從表3可以看出，非加氣條件下，W1N3C處理的單株產量最高；而相同施氮量的W2N3C處理產量下降9.74%。但通過加氣處理，W2N3A處理的單株產量較W1N3C僅下降3.03%，表明加氣灌溉可以減弱灌溉量下降對作物產量帶來的負面影響。同時加氣處理下W1N4A處理的單株產量與不加氣W1N3C處理間無顯著差異。即在相同灌水量(W1)下，加氣灌溉N4A處理的單株產量可以達到非加氣灌溉N3C的水平，表明在達到相同單株產量的情況下，加氣灌溉可以減少氮肥的施用量。

2.2 不同水肥氣處理對加工番茄品質的影響

不同處理下加工番茄的品質如表4所示。W2水平下可溶性糖、有機酸、維生素C和可溶性固形物含量較W1水平分別顯著提高了6.20%、5.10%、2.57%和3.46%(P<0.01)，橫徑和縱徑顯著降低了1.85%和2.65%(P<0.01)。可溶性糖、維生素C和可溶性固形物含量隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，N2水平下可溶性糖、維生素C、可溶性固形物含量較N4水平分別顯著提高了4.72%、11.01%和10.60%。

表4 不同處理下加工番茄的品質

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及橫徑和縱徑分別增加了1.17%、2.37%、2.42%、4.68%、1.91%和1.33%。其中，W1灌水量條件下，加氣灌溉使可溶性糖、有機酸、維生素C和可溶性固形物含量及橫徑和縱徑分別提高0.97%、2.33%、2.86%、5.85%、0.97%和1.11%，W2條件下分別增加了1.34%、2.41%、1.99%、3.57%、2.88%和1.54%。4個施氮量水平中，加氣條件下可溶性糖、有機酸和維生素C含量在N3水平時提升最大，增幅分別為1.39%、2.68%和3.35%；可溶性固形物含量及橫徑和縱徑在N2水平時提升最大，增幅分別為8.89%、3.25%和2.31%。由此表明，加氣處理使加工番茄各品質指標均有所提升，但不同灌水量和施氮量水平下，加氣灌溉對各指標的影響存在差異。

2.3 基于加工番茄產量和品質指標對不同水肥氣處理進行綜合評價

對加工番茄各產量和品質指標進行相關分析，結果(表5)表明，9個產量和品質性狀間存在19對顯著或極顯著相關關系。產量性狀中，單株產量與單果重存在極顯著正相關關系，相關系數為0.837，表明單果重對番茄產量有顯著影響。單果重與果實橫徑、縱徑存在極顯著正相關關系，相關系數分別為0.587和0.745，說明番茄橫徑、縱徑的增大有利于單果重的增加。品質性狀中，橫徑與縱徑存在極顯著正相關關系，相關系數為0.944，其他品質性狀間也存在顯著或極顯著正相關關系。另外，單株產量與維生素C、可溶性固形物含量存在顯著正相關關系，與橫徑和縱徑存在極顯著正相關關系。單株果數與單果重存在極顯著負相關關系，與有機酸和縱徑呈顯著負相關。單果重和維生素C含量呈顯著正相關關系。

表5 加工番茄各產量指標和品質指標之間的相關性

對產量(單株產量、單株果數、單果重)和品質(可溶性糖、有機酸、維生素C、可溶性固形物、橫徑、縱徑)指標進行主成分分析，計算因子荷載和方差貢獻率，結果(表6)表明，主成分分析共提取出3個主成分，累計貢獻率達到89.330%。第1主成分特征值為4.239，貢獻率為47.095%，主要包括單果重、維生素C、單株產量、橫徑、縱徑和可溶性固形物等指標；第2主成分特征值為2.584，貢獻率為28.711%，主要包括可溶性糖和有機酸含量；第3主成分特征值為1.217，貢獻率為13.525%，主要受單株果數的影響。

表6 主成分因子荷載和方差貢獻率

由式(1)計算3個主成分的得分函數，如式(5)、式(6)和式(7)所示。

F1=0.425X1+0.399X2+0.383X3+0.380X4+0.358X5+0.342X6+0.122X7+0.207X8-0.256X9

(5)

F2=-0.170X1+0.288X2-0.209X3-0.336X4-0.290X5+0.322X6+0.585X7+0.448X8+0.021X9

(6)

F3=-0.202X1+0.143X2+0.286X3-0.043X4+0.185X5+0.358X6+0.087X7-0.354X8+0.748X9

(7)

由式(2)計算所有指標隸屬函數值；并根據主成分分析結果，分別計算3個主成分所對應的平均隸屬函數值U (X1)、U (X2)和U (X3)。由式(3)計算各因子的權重。經計算，3個主成分的權重分別為0.527、0.321和0.151。利用式(4)計算各處理的綜合評價得分和綜合排名，結果(表7)表明，第1主成分、第2主成分和第3主成分對應的因子得分值中排名第1位的分別是W1N2A、W2N2A和W2N2A處理。綜合評價表明，W2N2A、W1N2A、W2N3A和W2N1A處理的得分排在前4位，均為加氣灌溉處理；W1N1C、W2N4C和W1N4C處理綜合排名在后3位，均為不加氣灌溉處理。相同灌水量下，隨著施氮量的增加綜合得分呈先升高后降低的趨勢；相同施氮量下，高灌水量(W1)處理的綜合得分低于低灌水量(W2)。加氣處理中，低灌水量(W2)下，除W2N4A處理的綜合得分低于W1N4A外，其他施氮量處理均表現為低灌水量處理(W2)下的綜合得分高于高灌水量(W1)。綜合比較，W2N2A處理為最優處理。

表7 不同處理的因子得分值Z(X)、隸屬函數值U(X)及綜合評價值D

3 討論

產量是水、肥、氣、熱、光共同作用于作物的表現[19]。目前農田水肥管理通過協調水肥關系，從而實現節水、提質、增效的目標[20]。水肥通過影響葉片色素、氣孔和非氣孔因素以及葉片中酶活性等多種因素，從而對植物光合作用造成影響，進而影響產量[21]。邢英英等[20]研究表明，灌水量對番茄產量有顯著影響，且產量隨灌水量增大而增加。本研究表明，增加灌溉量能夠顯著提高番茄單株產量和單果重。劉世全等[22]研究表明，灌水量相同時，番茄產量隨施氮量增加先升高后降低；本研究也發現相同灌水量下，加工番茄單株產量和單果重隨施氮量的增加先升高后降低，這可能是由于適宜的增加灌水量和施肥量有利于植物對土壤水分和養分的吸收，促進光合作用及其他生理生化過程[23]，氮肥過多促使營養生長加快并抑制生殖生長，從而導致坐果率降低、產量下降[24]。

品質的改良往往伴隨著產量的降低，Ripoll等[25]研究表明，水分虧缺導致葉片氣孔導度降低，影響植株生長和作物生產力，但有利于果實中抗氧化活性物質和糖分的累積。李紅崢等[26]研究表明，隨著灌水量的減少，番茄外觀品質(單果重、果形指數、橫徑變異系數)降低，但會改善番茄的口感品質(可溶性固形物、糖酸比)。本研究也表明，加工番茄的產量隨灌水量的減少顯著降低，但果實中可溶性糖、有機酸、維生素C和可溶性固形物含量顯著提高，這可能是由于灌水量減少導致用于果皮滲透調節的水分減少，而通過韌皮部進入果實的糖濃度提高，從而提高維生素C、可溶性糖及可溶性固形物含量[27]。劉遷杰等[28]研究發現，隨著施氮量的增加，番茄果實中維生素C、可溶性固形物含量呈先增加后降低趨勢，本研究也得到相似結論，由此表明，適量施用氮肥有助于提高番茄葉片氮代謝酶活性，進而影響果實品質。

土壤水、氣兩相是一對矛盾體，灌溉使得土壤中水分含量增加，而氧氣含量降低[29]。加氣灌溉過程中氣泡自下而上移動，有利于促進根區營養物質、微生物等物質和能量的交換，增強土壤通氣性[30]。朱艷等[31]研究表明，加氣灌溉下土壤氧氣含量顯著提高，能夠有效緩解灌水后根系缺氧狀況，使根區土壤環境明顯改善。雷宏軍等[16]研究表明，加氣灌溉加快了植株根系代謝速率，促進了根系活力，有利于營養離子、水和植物生長素等運輸和儲存，使番茄果實中維生素C和可溶性固形物含量顯著提高。本研究表明，加氣灌溉下加工番茄的產量和品質均顯著提高，綜合評價排名在前4位的均為加氣灌溉處理，表明在水氮耦合的基礎上進行加氣灌溉有效改善了土壤通氣性，進而對番茄產生積極影響，提高產量和品質。另一方面，隨著灌水量的增加，加氣灌溉對產量指標的提升更為顯著，這與Du等[32]研究結果相一致，可能是高灌溉水平下，土壤中氧氣含量和氧氣擴散速率較低，作物產量對加氣灌溉響應更積極。而番茄品質指標則在低灌量時產生積極響應，即隨著灌水量的減小，番茄果實品質顯著提高。加氣灌溉有效改良了番茄果實品質。本研究結果表明，灌水量對果實品質的影響大于加氣處理，而朱艷等[15]研究發現，灌水量對果實品質的影響低于加氣處理，可能是由于試驗的土壤質地和氣候環境存在差異。Du等[32]研究顯示加氣灌溉對產量和品質的提升效果受土壤pH、土壤質地等因素影響。張倩等[33]研究表明，加氣灌溉促進土壤有機質分解及營養物質的轉化，提高了肥料利用效率。Du等[34]研究指出，加氣灌溉提高了植株對氮的吸收利用效率，使更多的氮轉運至果實。本研究發現，灌水量4 050 m3·hm-2、施氮量250 kg·hm2時加氣灌溉處理(W2N2A)產量和品質的綜合評價均最高，相比于其他處理，更好的兼顧了高產、優質的目標，為大田生產提供了理論依據。