基于水肥使用效率評價指標的番茄滴灌灌水施肥量優化

雷金銀 金建新 桂林國

摘要：為探索寧夏干旱荒漠區番茄科學合理的滴灌灌水和施肥量，采用L9（34）飽和正交設計方法研究不同養分和灌水量組合對番茄產量、品質及水肥生產效率的影響，并利用空間分析法尋求各指標均達到最優時的灌水量和施肥量。結果表明，在水肥互作影響下，番茄產量表現為先增加后減少的趨勢，在T6處理時達到最大值110.6 t/hm2。水分利用效率（WUE）和養分生產效率（PFP）隨著施肥量的增加和灌水量的減少，分別表現為增大和減少的變化趨勢，各品質指標也表現為不同的水肥互作效應。當番茄各指標為90%的理論最大值時，能形成較為一致的水肥管理制度，番茄整個生育期灌溉量為1 925～2 015 m3/hm2，各養分施肥量N為487.1～504.82 kg/hm2，P2O5為243.56～252.4 kg/hm2，K2O為608.88～631.02 kg/hm2。

關鍵詞：番茄;評價指標;灌水量;施肥量;優化

中圖分類號： S275.6;S365 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0129-04

溫室番茄在我國種植面積較大，是我國消費率最高的蔬菜之一，傳統的種植方式和施肥結構是以產量最大化為最終目標，但是這種施肥方式不僅水肥資源利用效率不高，也帶來了土壤面源污染、土壤質量下降等問題。因此，對現有的番茄生產水肥供應模式進行優化調整，從番茄產量和品質雙重指標著手，提出產量高、品質優的滴灌灌水施肥量，對緩解過量施肥和灌水造成的環境問題等具有重要的作用，同時也對實現寧夏干旱荒漠區水肥資源高效配置和生態灌區建設具有重要的意義。國內外許多學者對番茄節水高效灌溉制度和生態環保施肥模式進行了探索，邢英英等從番茄根系生長、產量、品質及水肥利用效率等諸多因素入手，利用多元回歸和空間分析等方法，對其灌水施肥制度進行優化研究，提出了番茄水肥調控效應和科學合理的水肥供應制度[1]。陳碧華等對番茄灌水和施肥進行二因素二次回歸分析，對番茄生長指標、品質和產量等不同指標均達到最優值時的水肥組合進行探索，提出了最佳灌水量和施肥量組合[2]。賈宋楠等以氮肥為基礎，分別進行了高、中、低和不施肥4個梯度施肥水平試驗，以番茄干物質積累、水肥利用和產量等指標作為判別指標，得到番茄總施肥量和生育期內施肥配比關系[3]。本研究在諸多學者研究報道的基礎上，對寧夏干旱荒漠區番茄種植水肥供應量進行優化調整，從番茄產量、品質及水肥生產效率等指標出發，通過空間分析等方法尋求其指標在最優范圍內的灌水量和施肥量組合。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016—2017年開展，2年試驗番茄均于2月10日定植，分別于6月8日和6月15日拉秧，采用一壟一帶雙行布置，行距40 cm，株距20 cm，灌水方式統一采用滴灌。試驗以灌水和施肥2個因子作為變量，對照采用李建明等在陜西試驗得到的結果[4]，即灌溉定額為2 518.74 m3/hm2，施N量為542.58 kg/hm2，施P2O5量206.3 kg/hm2，施K2O量為 940.03 kg/hm2，灌水量和施肥量均設置上下浮動30%作為處理，根據L9（34）飽和正交設計原理，設置4因素3水平9個處理，另增加對照，共10個滴灌水肥處理，每個小區25 m2，每個小區邊緣種植保護行，小區之間利用深埋的塑料薄膜隔離，隨機區組排列，每個處理3個重復，磷肥全部采用基施，氮肥和鉀肥以水肥一體化方式進行追肥，其他田間管理均相同（表1）。

1.2 測定方法

1.2.1 產量 在成熟期，番茄按小區單獨計產，從5月中旬開始收獲直至拉秧完全結束，每隔7 d將顏色和成熟度一致的番茄采摘計產，計算2年試驗各處理平均產量并換算為標準產量，水分利用效率（WUE）和養分生產效率（PFP）分別用式（1）和式（2）計算：

WUE=Ym/Ia;

（1）

PFP=Ym/Fa。

（2）

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3;Ym為番茄產量，kg/hm2;Ia為總灌溉定額，m3/hm2;PFP為養分生產效率，kg/kg;Fa為總施肥量，kg/hm2。

1.2.2 品質 在番茄第3穗果成熟時，每個小區隨機選擇5顆番茄進行品質測定。番茄紅素含量利用高效液相色譜法測定，硝酸鹽含量采用水楊酸-硫酸法，維生素C含量采用光度分析法，可溶性固形物含量和總酸度分別采用折光計法和滴定法，對2年測得的各品質指標取平均值。

2 結果與分析

2.1 對番茄產量、WUE和PFP的影響

不同處理水肥耦合作用下對番茄產量的影響較大（表2），除T4和T9處理外其余各處理之間均表現為極顯著性差異（P<0.01），其產量在84.2 ～110.6 t/hm2之間變化，隨著灌水量和施肥量的增加產量表現為先增加后減小的趨勢，處理T6產量值達到最大，其次為T10處理，產量也達到了1095 t/hm2，T1處理產量最小，為84.2 t/hm2，較T6處理降低23.9%，表明減少施N量會嚴重降低番茄產量，李建明等提出的施肥方案[4]在寧夏干旱荒漠區仍需要進一步優化調整。

由圖1可見，各處理之間PFP和WUE差異極顯著（P<0.01），其變化范圍分別為47.64～79.39 kg/kg和28.44～60.63 kg/m3。處理T10較T6施肥量增加14.98%，而PFP減小7%，從T10到T7施肥量增加了22.67%，PFP減小35%，表明當灌水量相同時PFP隨著施肥量的增加而減小，并且在超過一定閾值后其下降速率更大，WUE整體上表現為隨著灌水量的增加而下降，T1比T2和T3分別高33.2%和63.2%。在水肥互作影響下，隨著施肥量的增加和灌水量的減少，WUE和PFP分別表現為增大和減少的變化趨勢，即WUE為處理T9最大（60.63 m3/kg），PFP為T6處理最大（79.39 kg/kg），在總施肥量增加、灌水量減少時，與T8相比，T10處理的PFP增加2.89%，而T5處理PFP則下降2472%，WUE則增加35.81%和75.54%。

2.2 對番茄品質的影響

灌水和施肥對番茄各品質指標均有顯著影響，并且灌水比施肥影響更大（表2）。維生素C、可溶性糖、番茄紅素含量隨著灌水量的增大而減小，隨著施肥量的增加表現為先增大后減小的趨勢，可溶性固形物含量隨著灌水量的減小而增大，隨著施肥量的減小而減小，有機酸含量和施肥量正相關，和灌水量之間的關系不顯著。在水肥互作影響下，維生素C含量在T6處理達到最大值，其次為T10，最大值比最小值T3處理高 35.9%，可溶性糖和可溶性固形物含量均為T9最大，其次為T5，兩者之間表現為極顯著性差異（P<0.01）;處理T6番茄紅素含量為43.9 mg/kg，達到最大值，和T5之間差異不顯著;有機酸含量以T5最大，其次為T7和T9;糖酸比以T6最大，其次為T2，且前者比后者高14.4%，兩者呈極顯著差異（P<0.01）。

2.5 水肥耦合對番茄生產的互作效應

表征番茄特性的營養品質較多，邢英英等通過層次分析法、客觀熵權法等方法對番茄各品質指標進行賦值和權重計算，確定番茄紅素含量和糖酸比在表征番茄營養品質中所占的權重較大[1，5]。因此，在分析水肥耦合作用對番茄生產能力影響關系回歸方程中，品質因素中選用番茄紅素含量和糖酸比，其次為產量、水分利用效率WUE和養分生產效率PFP，水肥互作對番茄生產要素的回歸方程見表3。

灌水和施肥對番茄各主要產量和品質指標均有較大的影響，且往往表現為交互效應，利用MATLAB軟件中最大值求解功能對表3中各回歸方程進行最大值求解，得到各方程中指標取得最大值時的灌水量和施肥量，求解結果見表4。

由表4可以看出，當施肥量為1 182.23 kg/hm2，灌水量為 3 274.32、2 889.34、3 107.17 m3/hm2時，番茄紅素含量、糖酸比和PFP達到最大值，分別為60.36 mg/kg、14.51、81.61 kg/kg;當灌水量為2 443.58 m3/hm2、施肥總量為 1 663.28 kg/hm2 時，番茄產量達到最大值111.95 t/hm2;WUE取得最大值61.25 kg/hm2時，需要的灌水量和施肥量分別為1 763.12 m3/hm2和1 761.35 kg/hm2，可見表征番茄產量、品質及水肥利用效率的篩選指標不能同時達到最優化值，因此需要對方程求解得到的各灌水量和施肥量進行進一步優化，以使其在各指標同時達到近似優化水平時的水肥供應量。利用Origin 8.0繪制灌水和施肥兩因素對表4中各指標的二因素互作效應如圖2所示。

若反映番茄產量、品質及水肥利用效率的各指標按理論最大值降低95%和90%的允許范圍，利用空間分析法對各指標對應的灌水量和施肥量范圍進行計算。結果表明，灌水量介于2 336.98～3 253 m3/hm2時，番茄紅素含量、糖酸比、產量及PFP指標均達到理論最大值的95%以上，但是其WUE為48.3～32.6 kg/m3，較理論最大值下降21.1%～46.8%;另外施肥量在1 448.45～1 925.6 kg/hm2時，產量和WUE達到理論最大值的95%以上，但是要保證番茄紅素含量、糖酸比和PFP在理論最大值的95%以上，施肥量必須小于 1 225.58 kg/hm2。可見要保證番茄各產量、品質指標均大于理論最大值的95%以上較為困難，將目標降低到理論最大值的90%時，利用空間分析法對適宜的灌溉量和施肥量進行計算，發現當灌溉量為1 925～2 015 m3/hm2時，各指標均能達到理論最大值的90%以上，當施肥量為1 339.53～1 388.25 kg/hm2 時，糖酸比、WUE、產量和PFP等4個指標均達到理論最大值的90%以上，但是番茄紅素含量只有當施肥量小于1 309.6 kg/hm2時才能達到上述結果，在該范圍內時，番茄紅素含量較理論最大值下降14.6%～24.3%，基本認為可以接受。

根據水肥耦合對番茄各產量和品質指標交互影響的總量分析，結合L9（34）飽和正交設計原理，對番茄N、P2O5和K2O的施入量進行估算，得到番茄整個生育期灌溉量為1 925～2 015 m3/hm2，施肥量為1 339.53～1 388.25 kg/hm2，與處理T6較為接近，按照處理T6的各養分比例，對所計算得到的施肥量進行分配，即N ∶ P2O5 ∶ K2O為2 ∶ 1 ∶ 2.5，得到各養分施肥量N為487.1～504.82 kg/hm2，P2O5為243.56～252.4 kg/hm2，K2O為608.88～631.02 kg/hm2。

3 討論與結論

農田水肥管理的目標主要為提高水資源和農田養分的利用效率，追求較高的灌溉水利用系數和養分生產效率是現代高效農業的基本要求。農田土壤中水分和養分之間相互制約、相互影響，在一定范圍之內，增加灌溉水量和養分輸入能較大地提高番茄產量，改善番茄生產品質，但是過量的水肥供應不僅造成水肥資源的浪費，而且還會造成產量和品質降低，王文娟等通過建立模型，對日光溫室小管出流番茄產量和水分的關系進行了研究，發現其為單峰偏右函數，當水分超過一定閾值，其水分貢獻率逐漸降低[6]。吳泳辰等研究表明，適當的水分虧缺不會導致番茄產量嚴重降低，且對番茄品質的提高具有一定的促進作用，同時有助于根系向下生長，吸收深層土壤水分，對提高水分利用效率具有重要的意義[7-8]。

本研究利用飽和正交設計原理，對寧夏中部干旱帶日光溫室番茄生產水肥供應量進行優化，提出適宜該地區及相同生態區番茄生產的灌溉定額和施肥量，分析不同水肥處理對番茄產量、WUE、PFP和品質指標的耦合作用效應，并用相關學者提出的表征番茄營養品質中權重比較大的指標和產量、WUE、PFP與水肥施用量建立了回歸方程，對其進行求解，得到了番茄各指標取得理論最大值時的水肥施用量，但是由于各指標對應的水肥施用量差異較大，因此，通過空間分析法對

各指標為理論最大值的95%和90%時的水肥施用量進行求解和分析，發現當番茄各指標為90%的理論最大值時，能形成較為一致的水肥管理制度，結合前人研究結果，提出番茄整個生育期灌溉量為1 925～2 015 m3/hm2，各養分施肥量N為487.1～504.82 kg/hm2，P2O5為243.56～252.4 kg/hm2，K2O為608.88～631.02 kg/hm2。

參考文獻：

[1]邢英英，張富倉，吳立峰，等. 基于番茄產量品質水肥利用效率確定適宜滴灌灌水施肥量[J]. 農業工程學報，2015，31（增刊1）：110-121.

[2]陳碧華，郜慶爐，孫 麗. 番茄日光溫室膜下滴灌水肥耦合效應研究[J]. 核農學報，2009，23（6）：1082-1086.

[3]賈宋楠，范鳳翠，劉勝堯，等. 施肥量對溫室滴灌番茄干物質累積、產量及水肥利用的影響[J]. 灌溉排水學報，2017，36（5）：21-29.

[4]李建明，潘銅華，王玲慧，等. 水肥耦合對番茄光合、產量及水分利用效率的影響[J]. 農業工程學報，2014，30（10）：82-90.

[5]吳 雪，王坤元，牛曉麗，等. 番茄綜合營養品質指標構建及其對水肥供應的響應[J]. 農業工程學報，2014，31（7）：119-127.

[6]王文娟，王鐵良，李 波，等. 小管出流灌溉方式下日光溫室番茄水分生產函數模型研究[J]. 北方園藝，2012（3）：40-42.

[7]吳泳辰，韓國君，陳年來. 調虧灌溉對加工番茄產量、品質及水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學報，2016，35（7）：104-107.

[8]潘紅霞，付恒陽，王建瑩. 不同水分脅迫和覆蓋方式對番茄產量和水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學報，2016，35（1）：42-46.

收稿日期：2018-02-17

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2014BAD14B006）。

作者簡介：雷金銀（1980—），男，寧夏西吉人，博士，副研究員，主要從事旱區農業和節水灌溉研究。E-mail：jinnxnk009@163.com。

通信作者：桂林國，碩士，研究員，主要從事土壤快速培肥和農業節水研究工作。Tel：（0951）6886763;E-mail：834887265@qq.com。