水氮耦合對設施櫻桃番茄全生育期生長發育及產量品質的影響

摘要：為明確水氮耦合對設施櫻桃番茄生長發育、產量及品質的影響，同時為設施番茄水氮管理提供科學依據，設置4個灌溉處理，在5個生育期（緩苗期、發育期、開花期、結果前期和結果后期），維持不同的土壤含水量：W1（80%-80%-80%-80%-80%）、W2（70%-70%-60%-70%-80%）、W3（60%-60%-60%-70%-70%）、W4（45%-50%-60%-60%-70%），同時設置3個氮肥施用水平：N1（300 kg/hm²）、N2（240 kg/hm²）、N3（180 kg/hm²），觀測不同水氮耦合對設施櫻桃番茄的影響。結果表明，不同灌溉和施氮的處理對番茄的產量和品質影響顯著，且灌溉因素大于施氮因素，適當缺水灌溉可在不顯著降低番茄產量的同時提高番茄品質。結構方程模型的結果表明，總灌溉量與株高、莖粗和產量均呈極顯著正相關（Plt;0.001）；施氮量與莖粗呈顯著負相關（Plt;0.05），與甜度呈顯著正相關，與產量呈極顯著正相關。根據試驗結果，構建針對櫻桃番茄產量及甜度的水氮耦合模型。模型模擬的結果表明，總灌溉量、施氮量為69.08 L和300 kg/hm²時，櫻桃番茄產量達到最大（2.77 kg）；總灌溉量、施氮量為41.08 L和225 kg/hm²時，櫻桃番茄甜度達到最大（7.67）。構建的水氮耦合模型可為設施櫻桃番茄的管理提供科學的水氮配方，并為未來設施櫻桃番茄的水肥一體化應用提供數據基礎。

關鍵詞：櫻桃番茄；水氮耦合；設施栽培；光合作用；結構方程模型

中圖分類號：S641.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553（2024）12-0200-08收稿日期：2023年6月12日

修回日期：2023年8月24日

*基金項目：江蘇省重點研發計劃項目（BE2021379）

第一作者：劉楊，男，1986年生，江西宜春人，博士，副研究員；研究方向為智慧農業和土壤碳氮循環。E-mail：liuyang@jaas.ac.cn

通訊作者：任妮，女，1983年生，山東萊州人，博士，研究員；研究方向為大數據分析和知識組織。E-mail：rn@jaas.ac.cn

Effects of irrigation and nitrogen coupling on growth， yield and quality of cherry tomato under greenhouse cultivation during the whole growth period

Liu Yang^{1， 2}， Xia Hao^{1， 2}， Li Yuan¹， Ren Ni¹

（1. Institute of Agricultural Information， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Intelligent Agricultural Technology （Yangtze River Delta）， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China; 2. School of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract： In order to reveal the comprehensive influence of irrigation and nitrogen fertilization coupling on the growth， yield and quality of cherry tomatoes in the greenhouse， and to provide scientific basis for irrigation and nitrogen management of cherry tomatoes in the greenhouse， four irrigation treatments were set up to maintain different soil water content in five growth stages （such as slow seedling stage， development stage， flowering stage， early bearing stage and late bearing stage） as follows： W1 （80%-80%-80%-80%-80%）， W2 （70%-70%-60%-70%-80%）， W3（60%-60%-60%-70%-70%）， and W4 （45%-50%-60%-60%-70%） （at the same time， three nitrogen fertilizer levels were applied at N1 （300 kg/hm²）， N2 （240 kg/hm²）， and N3 （180 kg/hm²）， respectively， to observe the effects of different water and nitrogen coupling on cherry tomato. The experiment results showed that different irrigation and nitrogen application treatments had significant effects on tomato yield and quality， with irrigation having a greater impact than nitrogen fertilizer application. Appropriate deficit irrigation could improve tomato quality without significantly reducing tomato yield. The results of structural equation model simulation analysis showed that the total irrigation was highly significantly positively correlated with plant height， stem diameter and yield of cherry tomato（Plt;0.001）， nitrogen application was significantly negatively correlated with stem diameter（Plt;0.05）， significantly positively correlated with sweetness and highly significantly positively correlated with yield of cherry tomato. An irrigation-nitrogen coupling model was established based on the results of the present study， aiming at the yield and quality of cherry tomato. The model shows that the cherry tomato yield will reach maximum （2.77 kg/plant）， when total irrigation reaches 69.08 L and nitrogen fertilizer application reaches 300 kg/hm². The Brix of cherry tomato will reach maximum （7.67）， when total irrigation reaches 41.08 L and nitrogen fertilizer application reaches 225 kg/hm². The model of the present study can offer a scientific irrigation-nitrogen recipe， and provide data support for future fertigation application to cherry tomato management under greenhouse cultivation.

Keywords： cherry tomato; irrigation and nitrogen coupling; greenhouse cultivation; photosynthesis; structural equation model

0 引言

櫻桃番茄因具有高可溶性固形物和獨特的風味，深受市場歡迎^［1］。隨著生活水平的不斷提高，消費者對櫻桃番茄的品質提出了更高的需求，櫻桃番茄的栽培也從單一追求產量轉為兼顧產量和品質。溫室栽培技術可實現反季節，甚至周年生產，可顯著提高番茄生產的經濟效益^［2］，因此，近年來中國溫室栽培面積快速增加，其中，設施番茄種植面積約為867 khm^2［3］。溫室生產條件下，灌溉和氮肥施用是影響櫻桃番茄生長、產量和品質的重要因子^［4］。合理的水氮管理是櫻桃番茄優質高產的重要保證，但目前，設施番茄生產過程中，不合理的水氮管理普遍存在，特別是過量灌溉和投入氮肥，不僅增加生產成本，也易導致土壤板結、鹽漬化、加劇土傳病害等環境問題，降低作物品質及水氮利用效率^［5-8］。因此，優化設施番茄的水氮管理，對提升番茄的產量和品質及保護環境有重要作用。

Coyago-Cruz等^［9］的研究表明，適當的缺水灌溉會導致櫻桃番茄的產量下降，但可減少85%的灌溉用水，且能提高番茄可溶性糖和類胡蘿卜素的含量。韓雪等^［10］研究表明，施氮量過高不能顯著提高溫室番茄的產量。而適當的施氮量不僅能獲得較高番茄產量^［11］，還能顯著降低氮肥的氣態損失^［12］，從而提高氮肥利用效率^［13］。但前人研究往往單獨關注灌溉或者氮肥對作物產量和品質的影響^［14-17］，水氮耦合的研究相對較少。此外，已有的水氮耦合研究，多關注單個生育時期或最終產量^［18-20］，針對設施櫻桃番茄全生育期的研究還少見報道。

以設施櫻桃番茄為對象，通過設置不同灌溉和氮肥梯度，探索水氮耦合對設施櫻桃番茄全生育期的生長發育及產量品質的影響，通過構建水氮耦合模型，進一步優化設施櫻桃番茄的生產，并為未來設施櫻桃番茄水肥一體化提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

采用盆栽試驗，選用的種植盆直徑為40 cm，高度為40 cm。每桶裝土約50 kg。供試土樣土壤基本性質為pH 8.58、全氮0.095%、有機質1.53%、有效磷27.21 mg/kg、速效鉀170 mg/kg、全磷0.785 g/kg、全鉀17.14 g/kg。櫻桃番茄的品種為金陵美玉，于2019年8月21日播種，2019年9月17日移栽，移栽后每盆灌溉10 L水。設施番茄生育階段分為5個時期：緩苗期、發育期、開花期、結果前期和結果后期。根據前人試驗經驗，參考設施櫻桃番茄種植方法^［21-23］，試驗設置4個水分處理W1、W2、W3、W4，每個水分處理下各生育階段水分控制下限及灌溉量見表1；設置3個氮肥施用水平（以尿素的形式），分別為300 kg/hm²（N1，常規設施番茄栽培氮肥施用量）、240 kg/hm²（N2）、180 kg/hm²（N3）。水氮互作分別設置W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3、W4N1、W4N2、W4N3的處理。設置水分處理為W1但不施氮的處理作為對照CK。共13個處理，每個處理重復3次。

氮肥選用尿素，磷肥選用過磷酸鈣，鉀肥選用硫酸鉀。每個處理在不同時期的氮肥施用情況見表2。每個處理磷肥（P₂O₅）和鉀肥（K₂O）的施用量均為180 kg/hm²和400 kg/hm²。其中，基肥施用70%磷肥和30%鉀肥，開花期施用30%磷肥和30%鉀肥，第一序果和第三序果分別施用30%和10%鉀肥。所有處理的其他管理措施參考當地常見的設施櫻桃番茄種植。當番茄果實紅色達到80%時開始采摘，每周采摘2次，到2020年2月26日完成全部收獲。試驗時間從移栽到試驗結束共162天。

1.2 數據采集及分析方法

使用卷尺測量植株基部到生長點的高度作為株高，用軟尺從植株第一片真葉的下部節間位置最粗處測得周長為莖粗；使用CIRAS-3便攜式光合儀分別于開花期（2019年10月13日）及結果前期（2019年11月10日）測定番茄葉片的凈光合速率（Pn）；使用便攜式葉綠素儀SPAD-502測定葉片葉綠素相對含量（SPAD）；根據成熟情況分批采收果實，記錄果數及果重，選取成熟度一致的番茄，測定甜度、還原型VC和可溶性糖含量。每次灌溉量均記錄并進行匯總，櫻桃番茄各生育期灌溉量及總灌溉量見表3。采用SPSS 26.0對數據進行分析，選擇Duncan法進行處理間的差異顯著性檢驗。采用Amos 26.0進行結構方程模型分析。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對設施櫻桃番茄莖稈的影響

株高、莖粗是反映植株生長發育的重要指標。由表4可知，從緩苗期到發育期所有處理下株高呈均勻增長趨勢，差異不顯著。進入開花期后，不同處理間差異顯著。W1N1處理下的株高最高，其次為W3N1、W1N2，而W4N2株高最低。表明高水氮投入下，櫻桃番茄植株長勢良好。由表5可知，不同處理下櫻桃番茄植株莖粗增長趨勢較為一致。高灌溉量處理下的莖粗普遍大于低灌溉量的處理。到生長后期W1N3莖粗最大，收獲期最大值為5.4 cm。表明高灌溉量有利于莖粗增加。

2.2 不同水氮處理對設施櫻桃番茄葉片的影響

櫻桃番茄開始結果時定期測量SPAD，由表6可知，各處理下SPAD變化趨勢基本一致，且在整個測量周期中CK處理下SPAD均較低。高氮肥施用水平處理下的SPAD普遍高于低氮肥施用水平的處理，結果前期W1N1、W3N1等處理下的SPAD較高，至結果后期，W3N1處理下的SPAD最高，表明在該生育期，高施氮量有利于SPAD的提高。

在開花期和結果前期對設施櫻桃番茄葉片的凈光合速率（Pn）進行測定，如圖1所示。

Pn在開花期與結果前期有較大的差異。在開花期，高氮肥施用水平處理下的Pn較高，而在結果前期，低氮肥施用水平處理下的Pn較高，表明開花期高施氮量有利于提高Pn。

2.3 不同水氮處理對設施櫻桃番茄產量的影響

在番茄成熟時，對成熟果實進行分批采收，最終獲取各處理下的產量情況。由表7可知，W1N1處理下果數最多，CK處理下的平均果數最少，且除W4N2、W3N2、W3N3、W4N3處理外，其余水氮處理果數均顯著高于CK（Plt;0.05）。在同一氮肥施用水平下，隨著灌溉量的降低，櫻桃番茄果數呈減少的趨勢，在同一灌溉量下，隨著施氮量的減少，果數也呈減少趨勢。

不同處理下總產量的結果顯示， W1N1、W1N3、W1N2處理下的總產量顯著大于CK（Plt;0.05），W2N2、W2N3處理下產量略大于CK。其余處理均小于CK，其中W4N3處理下產量最低。由于CK處理下的果數最少，營養物質集中于少數果實，故其平均單果重量最大；而除CK外，W1N2處理下平均單果重量最大，其次為W1N3、W1N1。分析表明，灌溉是影響果數、產量及單果重量的主要原因。

2.4 不同水氮處理對設施櫻桃番茄品質的影響

不同水氮處理對櫻桃番茄品質的影響表明，W2N3處理下的可溶性糖含量最高，W1N1、W1N2、W3N2處理下的可溶性糖含量僅為CK的63.1%、66.5%、76.8%。在N1氮肥施用水平下，隨著灌溉量的降低，可溶性糖含量逐漸增加；在N2和N3氮肥施用水平下，隨著灌溉量的降低，可溶性糖含量均呈現先增加后降低的趨勢。從不同灌溉水平分析，在W1與W2處理下，隨著施氮量的降低，可溶性糖均增加；在W3處理下，隨著施氮量的降低，可溶性糖先降低后增加；但在W4處理下，隨著施氮量的降低，可溶性糖一直降低（表8）。以上結果表明，灌溉量較低的條件下，增加施氮量可以增加櫻桃番茄可溶性糖形成，灌溉量較高的條件下，降低施氮量可提高櫻桃番茄的可溶性糖含量。

與CK相比，其他水氮處理下還原型VC值均較低。灌溉量較高時，高施氮量可以增加櫻桃番茄還原型VC含量，而灌溉量較低時，低施氮量能增加櫻桃番茄還原型VC含量。

除高灌溉量處理（W1）外，其余處理下的甜度均顯著高于CK（Plt;0.05），其中甜度最高為7.70（W4N3）。在N1與N3氮肥施用水平下，隨著灌溉量降低，甜度逐漸增加。而在N2氮肥施用水平下，隨著灌溉量的降低，甜度先增加后降低。這表明灌溉量和施氮量降低有利于甜度提高。

3 討論

3.1 水氮耦合對設施櫻桃番茄生長發育的影響

株高、莖粗、SPAD值及Pn是反映植物生長發育情況最直觀的指標。試驗中，不同水氮耦合處理對以上指標均有顯著影響。結果表明，隨施氮量的增加，番茄的株高呈上升趨勢，這與張燕等^［24］的結果一致。李耀霞等^［25］研究表明，隨灌溉量和施肥量的增加，番茄莖粗無明顯變化，而本試驗發現施氮量對莖粗的影響并不顯著，但灌溉對番茄莖粗影響顯著。Agbna等^［26］研究表明，土壤含水量的提高可增加番茄株高，而在本研究中，株高在高氮肥施用水平下（N1、N2），隨灌溉量的增加呈先升高后降低的趨勢，但在低氮肥施用水平下（N3），株高隨灌溉量的增加持續上升。

SPAD值可以反映番茄葉片的葉綠素情況^［27］。本研究的結果表明，整個結果過程中，水分虧缺不利于SPAD值的增長，這與張新燕等^［28］研究的結果一致，即適宜的灌溉和施肥有利于SPAD值提高，過高或過低都會影響葉綠素水平。

光合作用是櫻桃番茄生長發育的物質基礎。且不同生育期，櫻桃番茄受水氮耦合處理的影響差異明顯。王如珂等^［29］研究發現，適當提高灌溉上限和施氮量都會顯著提高 Pn等光合指標。適量施用氮肥可以提高植物葉片氣孔的氣體交換能力，進而對凈光合速率的提高產生幫助^［30］。本研究在開花期的監測表明，在同一灌溉量下，隨著施氮量的增加，Pn也隨之上升，這表明增加施氮量會使光合速率增強；而在結果前期，高施氮量反而會抑制Pn的提高，這可能是由于當施氮量超過植物所需后，植物光合能力減弱^［31］。

3.2 設施櫻桃番茄產量和品質的影響因子

作物的產量是衡量水氮耦合效應最直接的目標^［32］。合理的水氮投入可以明顯提高番茄的產量。已有研究表明，灌溉和施氮對番茄的產量影響顯著，且灌溉因素大于施氮因素^［28］。本研究的結果顯示，W1N1、W1N3、W1N2、W2N2處理下產量明顯大于CK，W1N2處理下平均單果重最大，表明灌溉量是影響產量及平均單果重的主要原因。此外，試驗結果也表明，櫻桃番茄果實數量隨施氮量和灌溉量的降低呈現降低的趨勢，而平均單果重卻隨施氮量的降低呈先增加后降低的趨勢，表明施氮量和灌溉量主要通過影響果實個數，進而影響產量。

針對櫻桃番茄的品質，已有研究表明，適當的缺水灌溉可提高番茄的口感及營養^［33］。本研究結果也表明，櫻桃番茄果實甜度隨施氮量和灌溉量的降低而增加，可溶性糖含量隨施氮量的降低而升高。在灌溉量較低的情況下，施氮可以增加櫻桃番茄可溶性糖的形成，減少還原型VC含量；在灌溉量較高時，低施氮量有利于提高可溶性糖含量，減少還原型VC含量。于錫宏^［34］、Parisi^［35］等研究也指出，過量的水氮投入會降低番茄果實中可溶性蛋白、可溶性糖、可滴定酸、番茄紅素及VC含量。因此，需要探索合理的水氮施用量，以優化設施櫻桃番茄的品質。

為定量化研究水氮耦合對設施櫻桃番茄生長發育指標及產量、品質的影響，使用結構方程模型來分析總灌溉量和施氮量與株高、莖粗、產量、甜度等多個因子之間的因果關系。圖2顯示，結構方程模型擬合指數在可接受的范圍內^［36］：假設檢驗P值為0.398，大于0.05；模型適配度指數GFI為0.953，大于0.9；漸進殘差均方和平方根RMSEA為0.000，小于0.05。以上結果表明，總灌溉量與株高、莖粗和產量均呈極顯著正相關（Plt;0.001），與甜度呈負相關，但相關性并不顯著（Pgt;0.05）;施氮量與莖粗呈顯著負相關（Plt;0.05），與產量呈極顯著正相關（Plt;0.001），與甜度呈顯著正相關，與株高呈正相關，但相關性并不顯著。株高與產量及甜度呈負相關，莖粗與產量呈正相關，與甜度呈極顯著正相關（Plt;0.001），此外，產量與甜度間呈負相關。

3.3 基于水氮耦合的設施櫻桃番茄產量及品質模型

利用水氮—產量試驗數據及水氮—甜度試驗數據，采用多元回歸分析，得到總灌溉量和施氮量對櫻桃番茄產量及甜度的回歸方程。

Y₁=-4.972 8+2.155 5×10^-5N+0.213 8I-3.401 9×10^-6N²+5.815 8×10^-5NI-0.001 7I² R²=0.975 （1）

Y₂=9.468 8+0.021 9N-0.126 2I-

3.224 9×10^-5N²-1.788 3×10^-4NI-

0.001 0I² R²=0.908 （2）

式中：Y₁——產量，kg；

Y₂——甜度；

N——施氮量，kg/hm²；

I——總灌溉量，L。

圖3（a）為水氮耦合作用對設施櫻桃番茄產量的影響擬合圖，在高施氮量、高灌溉量的情況下番茄產量最高，但是在灌溉量較低的情況下，增加施氮量并不能顯著提高番茄產量，而總灌溉量與產量呈現極顯著相關關系（Plt;0.001）。當產量最大值為2.77 kg時，總灌溉量、施氮量依次為69.08 L、300 kg/hm²。

圖3（b）為水氮耦合作用對設施櫻桃番茄甜度的影響擬合圖，櫻桃番茄在中低灌溉量及施氮量的情況下甜度較高，這可能是櫻桃番茄對水分脅迫的一種響應。當甜度最大值為7.67時，總灌溉量、施氮量依次為41.08 L、225 kg/hm²。本研究構建的基于水氮耦合的設施櫻桃番茄產量及品質模型，可為未來設施櫻桃番茄水肥一體化管控提供數據基礎。

4 結論

1）通過設置不同梯度的水氮耦合處理，探索水氮耦合對設施櫻桃番茄的生長發育及產量品質的影響，結果表明，水氮耦合對設施櫻桃番茄的莖稈和葉片均有顯著影響，且與植株所處的生育期密切相關。灌溉和施氮對番茄的產量影響顯著，且灌溉的影響大于施氮。適當缺水灌溉可在不顯著降低番茄產量的同時，提高番茄的品質。而在番茄不缺氮的條件下過量施肥，無法進一步提高番茄的產量和品質。

2）結構方程模型分析結果表明，總灌溉量與株高、莖粗和產量均呈極顯著正相關，施氮量與莖粗呈顯著負相關，與甜度呈顯著正相關，與產量呈極顯著正相關。采用多元二次多項式回歸方程，探索櫻桃番茄產量及甜度最優時的灌溉量和施氮量。

參 考 文 獻

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