不同水肥管理對番茄品質和產量的影響

王艷丹，方海東，李建查，張明忠，岳學文，張 雷，潘志賢，李 坤，史亮濤

（1云南省農業科學院熱區生態農業研究所，云南元謀651399；2元謀干熱河谷植物園，云南元謀651399；3云南省水利水電科學研究院，昆明650228）

0 引言

中國是世界上使用氮肥最多的國家，年施用量幾乎占全世界總用量的30%[1]。水資源短缺是世界性的問題，水資源的嚴重匱乏已經成為制約經濟和社會可持續發展的重要因素。在現代農業生產過程中，投入最多的是水分和肥料，合理的灌水施肥不僅可以提高農產品的產量和品質，還可以減少農業生產投入[2]；而不科學的水肥管理模式往往會造成水資源浪費及肥料利用率低下，破壞生態環境的可持續發展。雖然根系吸收水分和養分分別是2個獨立的過程，但是由于水分有效性影響著整個土壤微生物、物理以及植物生理過程，使得土壤水分和養分密切而復雜地聯系在一起[3]。水分和養分作為作物生長發育的必要因素，對作物的生長作用是既相互促進又相互制約[2，4-8]。水分不足抑制了植物根系的生長，降低了根系的吸收面積和吸收能力，木質部液流粘滯性增大，從而降低了養分的吸收和運輸[9]；而施肥能提高土壤水分利用效率和保水力，提供植株更多的有效水[10-11]。合理控制水肥用量，提高農業生產中水分和養分的管理水平，對指導作物的生產具有重要的經濟和生態意義。

番茄(Solanum lycopersicum)是一種經濟和營養價值高的茄果類蔬菜作物，也是設施蔬菜生產中種植面積和產值最大的作物之一。番茄由于果實采收期較長、產量高以及土壤養分移出量大，需要充足的養分供應，生產中盲目增施化肥以獲得高產成為了一種普遍現象[12-13]。番茄實際生產中，合適的水肥用量可以促進番茄生長，從而起到增產的效果，如果控制不好水肥比，可能會造成番茄植株徒長，大大降低番茄產量[14]。當前，水肥耦合的研究主要集中于以番茄產量為目標的水肥耦合研究上[14-15]，以品質尤其是綜合品質為目標進行的研究較少[2]。因此，綜合研究水、肥對番茄品質和產量的影響，合理降低肥料用量和提高水分、肥料利用率，對番茄的優質高效生產、環境安全及農民增收均具有重要意義。

干熱河谷地區水資源嚴重缺乏，地域和季節分布不均衡，嚴重制約了地區經濟和社會的發展。干旱問題是制約作物生長和產量的主要逆境因素之一。因此，發展節水農業技術研究，不僅能解決水資源短缺的問題，而且是保證農業實現可持續發展的根本出路[9]。而水肥耦合研究一直是節水技術研究的重要方面。重視水肥結合，提高水肥對土壤肥力、作物產量效應，是解決半干旱區種植業持續發展的重要前提和基礎[16]。于亞軍等[17]認為在建立水肥耦合效應模型時，應當重視選用田間試驗。筆者通過大田試驗，分析探討不同水肥耦合模式對番茄的質量和產量的影響，以期為元謀干熱河谷地區番茄作物的水、肥精量調控和水肥灌溉制度的優選提供一定借鑒和參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年7—12月在云南省農業科學院熱區生態農業研究所灌溉實驗平臺進行。該試驗地位于云南省楚雄彝族自治州元謀縣(25°41′30″N，101°52′36″E)，屬于典型的南亞熱帶季風河谷干熱氣候區，海拔為1169.0 m，年平均降雨量613.8 mm，年平均氣溫21.9℃。土壤類型為微酸性的燥紅土。

供試作物為番茄，選用當地主栽的番茄品種‘拉比’。番茄以露地種植為主，栽培方式為傳統的畦栽，每畦2行，行距50 cm，株距40 cm。

1.2 試驗設計

本研究采用隨機區組裂區試驗設計，每個試驗區面積為12 m×2.5 m，分別設置3個灌溉梯度，每個灌溉梯度內設置4個氮肥梯度試驗，共12個試驗處理。小區之間用塑料薄膜縱向隔開，防止處理間肥水側滲。除氮素處理和灌溉條件不同外，各小區番茄種植的除草、除蟲、農藥噴施及常規田間管理等措施均相同。

灌溉方式采用滴灌處理，施肥方式為水肥一體化，將每個處理所需肥量準確稱量后，溶于水中，通過滴灌管路直接送達番茄根系附近。3種不同灌溉梯度分別為：（1）W1，按農戶傳統灌溉方式進行灌水，在無降水條件下每隔5天灌水1次，每次灌水2 h；（2）W2，按照土壤墑情監測數據進行灌水，當土壤含水率達田間持水率的55%時進行灌水，灌溉上限為田持的90%；（3）W3，按照土壤墑情監測數據進行灌水，當土壤含水率達田間持水率的70%時進行灌水，灌溉上限為田持的90%。

在整地期施入底肥，追肥在苗期、花期和結果期按一定比例分期施入。各試驗處理小區施用的底肥均為復合肥(N:P2O5:K2O=17:17:17)，復合肥施肥量為900 kg/hm2；追肥的氮肥均為尿素，按照尿素梯度施入，純N量按照46%進行計算。4種不同氮肥梯度分別為：（1）N1，純氮施入總量為150 kg/hm2；（2）N2，純氮施入總量為180 kg/hm2；（3）N3，純氮施入總量為210 kg/hm2；（4）N4，純氮施入總量為240 kg/hm2。磷肥和鉀肥施用量在每個小區均相同，其中磷肥類型為KH2PO4，施P量為150 kg/hm2，鉀肥類型為K2SO4（氧化鉀含量50%），施K量為150 kg/hm2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 番茄果實品質的測定 在第二穗番茄成熟期，分別在每個小區的前、中、后3個等距離點取樣，隨機選取大小和色澤基本一致的12個果實進行品質測定。番茄的亮度用感官進行評價。用游標卡尺量取番茄的果實縱徑、橫徑、木栓化和果梗洼大小，參照《番茄種質資源描述規范和數據標準》[18]進行測定。用測糖儀（型號PAL-1，日本ATAGO生產）測定可溶性糖含量，用pH試紙進行pH值速測。

1.3.2 番茄果實產量的測定 2016年10月開始采摘，12月結束。每個試驗小區選擇4株番茄，從采收初期至采收末期，計算單株產量。通過累積單株產量，計算不同水肥條件下的番茄產量。

1.4 數據處理和統計分析

用SPSS 20.0對不同灌溉條件和氮肥處理下的番茄品質、產量特征進行二因素方差分析，不同處理間的多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 不同水肥管理條件下番茄果實品質的變化

經統計，W1的灌溉定額為4222.95 m3/hm2，W2的灌溉定額為3771.98 m3/hm2，W3的灌溉定額為3224.23 m3/hm2。在W1灌溉條件下，N3施肥量的番茄果橫徑顯著大于N1組(P＜0.05)，其余品質特征氮肥處理間沒有顯著性差異（P＞0.05，表1）。在W2灌溉條件下，N1施氮量產出的番茄果梗洼顯著大于增氮組N2、N3、N4(P＜0.05)，其余品質特征氮肥處理間沒有顯著性差異（P＞0.05，表1）。在W3灌溉條件下，氮肥施用量的增加對番茄亮度、果實橫縱徑的商品屬性以及木栓化程度、糖度等風味特征均未產生顯著的影響（P＞0.05，表1）。

在相同的氮素施用水平下，灌水量的變化不同程度地影響了番茄的品質。N1施氮條件下，隨灌水量的增加番茄的亮度顯著增加(P＜0.05)，因此為提高番茄的亮度，應當避免低水低肥的使用；N1W2模式下產出的番茄的木栓化程度最小（P＜0.05，表1）。N2施氮條件下，W2灌溉條件下的番茄果縱徑顯著大于W1和W3模式（P＜0.05，表1）。N3施氮條件下，傳統灌溉模式的番茄果橫徑顯著大于節水模式W2(P＜0.05)，與節水模式W3間差異不顯著(P＞0.05)；番茄可溶性糖含量隨灌水量的減少而增加(P＜0.05，表1)。N4施氮條件下，不同灌溉條件未對番茄的品質產生顯著性影響（P＞0.05，表1）。

不同灌溉條件對番茄果實亮度和可溶性糖含量產生顯著影響(P＜0.05)，氮肥梯度和水肥交互作用均未對番茄果實商品屬性及風味特征性狀產生顯著影響（P＞0.05，表2）。為提高番茄的外觀和口感，主要進行水分因子的調控，由表1可知中等的灌水條件對番茄的品質更有利。

2.2 不同水肥管理條件下番茄果實產量的變化

2.2.1 番茄初次單株產量的變化 在傳統高水灌溉模式W1下，不同氮肥施用量顯著影響番茄的成熟個數、成熟比例和成熟單果重(P＜0.05)，高水高肥W1N4模式下番茄成熟個數和比例較少，但更有利于產出大果（表3）。在中水灌溉W2模式下，增加氮肥施用量反而減少番茄初次成熟的果實數（P＜0.05，表3）。低灌W3條件下，避免低水低氮水平組合，此時產出的番茄單果最小，造成單株產量（成熟總重）較低（表3）。

表1 不同水肥條件對番茄果實性狀的影響

表2 灌溉條件×氮肥添加二因素對番茄質量性狀影響的顯著性檢驗（F值）

表3 不同水肥條件對番茄初次單株產量的影響

N1氮素水平時，W2灌水量的果實數、成熟個數、成熟總重和單果重均顯著大于W1和W3灌水模式（P＜0.05，表3）。N2氮素水平時，除了單果重差異不顯著外(P＞0.05)，其余單株產量指標均是W2大于W1，大于W3（P＜0.05，表3）。N3和N4氮素水平時，W2灌溉梯度下的番茄果實數、成熟個數和成熟總重大于W3，大于W1(P＜0.05)，成熟比例和成熟單果重在不同灌水措施間差異不顯著（P＞0.05，表3）。

灌溉管理會對番茄初次形成產量時果實總個數、成熟個數、成熟總重造成極顯著影響(P＜0.01)，氮肥添加顯著影響成熟比例和成熟單果重（P＜0.05，表4）。說明水分條件主要控制番茄的果實數、成熟個數和產量，而氮肥條件主要控制番茄的果實大小。這在生產實踐中非常具有指導意義，農戶想要獲得更高的產量就需要精準控制灌溉量，想要獲得更大的番茄果實就要精準控制化肥施用量。灌溉管理×氮肥添加間的交互作用仍然對番茄初次形成產量特征不產生顯著影響（P＞0.05，表4）。

由表3可以看出，中水灌溉W2措施下的番茄果實總數、成熟個數最多，番茄的單果大小比較均勻，單果重約為142.07 g，其產量均比較高；在W2灌水下，增加施氮量并未增加番茄的大小和初產量，反而降低了番茄的果實數，因此N1施氮量即可實現較好的番茄產量。雖然水肥耦合作用沒有產生顯著效果，但是綜合考慮水分和肥料2個因素，W2N1是最佳的水肥組合。

2.2.2 番茄總產量的變化 W1灌溉條件下在不同氮素添加間番茄的第三次產量產生顯著差異(P＜0.05)，在高水灌溉條件下應當避免W1N3組合的出現，其總產量最低（表5）。W2灌溉條件下不同氮素添加對番茄的各次產量和總產量均沒有產生顯著性影響（P＞0.05，表5）。W3灌溉條件下不同氮肥施用量會對番茄第一次產量和總產量有顯著影響（P＜0.05，表5）。相較而言，W2灌溉條件下番茄的分次產量和總產量均較高（表5），說明相對適中的灌溉量能夠增加番茄的產量，這對番茄生產管理是實用的；但是在中水灌溉的條件下，增加氮肥的施用量并沒有造成番茄分次產量和總產量的差異（P＞0.05，表5），考慮食品安全性和生態環保性，應當選擇低氮量進行施肥。因此W2N1組合對提高番茄產量最有效。

表4 灌溉條件×氮肥添加二因素對番茄初次單株產量影響的顯著性檢驗（F值）

在相同的氮素添加條件下，比較不同灌溉條件間的番茄產量差異（表5）發現，在N1水平，W2灌水的初次產量顯著高于W1和W3(P＜0.05)；在N2水平，W2灌水的初次產量和總產量均顯著高于W1和W3(P＜0.05)；在N3和N4水平，番茄節水灌溉組的初次產量、第三次產量和總產量均大于傳統灌溉(P＜0.05)。因此在較低施氮量，不同灌水量主要影響番茄的第一次產量，進而影響番茄總產量；而在較高施氮量時，不同灌溉量通過影響番茄第一、第三次產量造成總產量的差異。這種差異說明在番茄種植后期增施氮肥一定程度上可以增加采收末期的產量。

從番茄的采收初期至采收末期的累積產量統計（表5）看出，W1灌溉條件在采收中期產量最高，W2灌溉條件番茄在各時期的采收數量相當，維持在33.17 t/hm2左右，W3灌溉條件主要在采收末期產量最高。說明不同土壤水分含量會對番茄生產的時期造成影響，干燥及較濕的土壤環境會導致番茄生產有一個主產期，并且主產期時間靠后；而相對適中的灌溉量能使番茄產量在每一個時期都保持均衡的水平，使總產量有較大提升。

表5 不同水肥條件對番茄總產量的影響 t/hm2

灌溉條件對番茄第一次、第三次產量和總產量均造成極顯著影響(P＜0.01)，施肥梯度對番茄的第三次產量造成顯著影響(P＜0.05)，灌溉管理×氮肥添加間的交互作用未對番茄初次形成產量特征產生顯著影響（P＞0.05，表6）。灌溉條件主要調控番茄的初次、第三次產量，進而顯著影響番茄的總產量；而施肥梯度主要對番茄的第三次產量進行調控。在番茄實際生產中，初次采收前期應當合理調控水分管理，優選中水灌溉模式，采收后期適當增加施肥量一定程度上可以增加第三次產量，最終獲得高產。

表6 灌溉條件×氮肥添加二因素對番茄總產量影響的顯著性檢驗（F值）

3 討論

3.1 不同灌溉條件、不同氮肥處理對番茄品質和產量的影響

干熱河谷氣候條件下，W1、W2和W33種灌溉條件形成由高到低的灌水梯度，不同灌溉條件對番茄的商品屬性、風味特征等產生不同程度的影響（表1）。本研究中，灌水量增加可以提高番茄的亮度（表1），灌溉定額最高的傳統灌溉方式，可有效提高番茄光澤度，導致番茄果實更鮮艷，進而提高其商品屬性；但傳統灌溉方式產出的番茄可溶性糖含量少。綜合考慮各品質指標的變化，在傳統模式下適當減少灌溉量，選擇中等灌水條件，番茄的亮度和可溶性糖含量適中，品質較好。不同水分條件對番茄初次形成產量時的果實數、成熟果實數和初產量影響顯著（表4），土壤含水率為田持的55%～90%產出相對較多的果實個數及成熟個數（表3），研究表明在一定時期適度的水分虧缺有助于提高作物產量和水分利用效率[19-21]。并且從番茄的生產時期看，相對適中的灌溉量在每一個采摘時期產量均衡，最終使得總產量最高（表5），總體經濟效益增加。因此，元謀干熱河谷種植番茄可以在傳統灌溉方式加以改進，適當減少灌水量，當土壤含水率達田間持水率的55%～90%時進行灌溉。

不同氮肥梯度未對番茄的品質產生顯著影響（表2），但對番茄初產的單果重有顯著影響（表4）。在水分充足的傳統灌溉方式中，增加氮肥施用量，番茄果實大小明顯增加，但是產量不高；中等灌水量產出的番茄大小比較均勻，單果重大于140 g（表3）。中等灌水量在保持土壤含水量為田持的55%～90%的條件下，增加氮肥施用量，并沒有造成單果大小的差異（表3），因此從農業種植減肥減藥政策的執行角度看，施用較低的150 kg/hm2氮肥，就可以保證番茄單果大小處于中等水平，產量較高。

綜合考慮上述灌溉方式和氮肥施用量，在金沙江干熱河谷種植番茄，W2N1是最佳的水肥組合，即“保持土壤含水量為田持55%～90%的灌溉方式+150 kg/hm2施氮量”組合。此種條件下番茄品質方面，在保證番茄的亮度和甜度的同時，還有利于減少木栓化的形成；對產量而言，可以產出較多的果實個數及成熟個數，形成的單果大小適中，并且在每一個生產時期的產量相當，從而相應地提高番茄初次產量和總產量。從不同采摘時期看，灌溉條件在初次和第三次產量發揮作用，氮肥在第三次產量時發揮作用（表6）。因此，在番茄采摘初期，農戶更應該注意合理調控灌溉量，優選中水灌溉，可以增加番茄的果實數和成熟個數，提高番茄總產量；在番茄采摘后期，控制水分的同時，適當增加追肥量對產量的提升有一定幫助。

3.2 水肥耦合作用對番茄品質和產量的影響

關于水肥耦合對植物品質和產量的影響，前人研究較多，但未有定論。有研究認為高肥高水耦合處理可以提高植物的品質和產量[22-24]；也有研究者認為，中肥中水才是理想的水肥耦合處理模式。因此，在農業實踐中，只有合理的水肥耦合模式，才能真正發揮水肥耦合的協同作用，既提高水肥利用率，又保證作物的高產優質[25]。本研究中的灌溉條件×氮肥添加產生的交互作用對番茄的品質（表2）和產量（表4和表6）均無顯著性影響(P＞0.05)，即水肥無耦合效應。研究表明，當相對含水量達80%時，肥水交互作用屬于順序加和性類型(sequentalially additive type，SA)[26]，此時水肥2個或2個以上體系的作用既沒有相互促進，也沒有抑制，簡單地等于各自體系效應之和[25]。此外，王新等[27]認為水肥耦合存在閾值反應，高于閾值增產作用不大，而低于閾值增加水肥投入增產效果明顯，推測本研究中的水肥耦合效應高于了此閾值。

雖然氮和水之間交互效應不顯著，但是從表2、表4和表6不難看出，水分和肥料對番茄的品質和產量影響有很大的差別，水分灌溉管理對番茄果實的品質特征和產量影響較大，起到主導作用，而氮肥的作用較小。這與杜清潔等[2]和陳碧華等[28]的研究結果一致，水分對番茄產量的貢獻大于肥料，因為植物對養分的吸收、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[29]，適當多一些的水分可使元素向根表遷移加快吸收。因此，在水肥相互配合施用的過程中，要適當發揮水分的增產作用，促進水分將肥料直接輸送到作物的根部。本試驗是在露天進行的灌溉試驗，受降雨量和蒸發量影響較大，研究表明降雨量低于200 mm時，作物的生物量主要受水分供應的限制，降雨量在200～400 mm范圍內，作物的生物量主要受氮素供應的限制[30]。經統計，番茄種植全期的降雨總量為333.70 mm，而干熱河谷地區蒸發量長期大于降雨量，通過徑流進入土壤的水分大大減少，因此更易受到水分供應的影響。氮素對番茄的品質沒有顯著影響（表2），對番茄的果實大小（表4）和采收后期產量（表6）有一定影響，長期以來國內番茄傳統生產模式有過量施肥的現象[31]，推測是本區域番茄生產存在氮肥使用過量的情況。每年有大量化肥施入土壤，土壤中氮富余，所以施入不同氮肥后處理間差異不太顯著，這也可能是造成水肥耦合效應不顯著的原因。

盲目增施化肥以獲得高產是農作系統普遍存在的現象，綠色環保理念對以元謀為代表的熱區特色農產品的生產提出了更高的“減肥減藥”要求，在保證農產品產量和質量的前提下，減少化肥施用量是實現熱區綠色農業發展的重要措施。元謀縣是著名的“冬早蔬菜之鄉”，2015年全縣累計發展冬早蔬菜種植1.18萬hm2，外銷蔬菜首次突破10億元[32]。元謀是半干旱區，降雨量較少，農作物用水主要來源于灌溉；化肥是一項重要的農業投入品和資源依賴品，在元謀縣化肥的使用成本約占農業投入品總成本的40%，降低化肥用量，提高肥料的利用率，可以起到節本增效、農戶增收的作用。因此，建議在元謀干熱河谷地區選擇“保持土壤含水量為田持55%～90%的灌溉方式+150 kg/hm2施氮量”的水肥管理方式，在保證番茄的品質和產量的同時，還節約了農業用水，減少了氮肥使用量。但是，在控氮過程中，其他磷鉀等元素均在添加，而各種養分之間存在協同作用對質量和產量影響的機制尚不明確，本研究不能區分氮素對番茄質量和產量的直接作用和氮素與其他養分之間協同作用對番茄質量和產量的間接作用。水肥耦合是一個復雜的機制，產量和質量是物種對環境條件、水肥耦合等多種農作措施綜合因素的反映，因此進一步設計控制、半控制試驗，對水肥耦合條件下番茄產量和質量影響機制進行研究，提高干熱區特色農產品生產的精準施肥管理能力，是未來熱區農業發展的努力方向。

4 結論

（1）在傳統模式下適當減少灌溉量，選擇中等灌水條件，控制土壤含水率為田持的55%～90%，番茄的品質和產量最佳。

（2）增施氮肥并沒有顯著增加番茄的品質和產量，低施氮量(150 kg/hm2)即可保證番茄具有較好的品質和產量。

（3）W2N1是元謀干熱河谷番茄種植的最佳水肥組合，在保證番茄的亮度和甜度的同時，有利于減少木栓化的形成；產出的果實數和成熟果實數較多，單果大小適中，而且每一個生產時期的產量均衡，從而提高了總產量。

（4）水肥的交互效應對番茄的品質和產量未產生明顯影響(P＞0.05)，但是水分對番茄品質和產量的影響大于氮肥。

（5）在番茄實際生產中，初次采收前期應當合理調控水分因子，可以增加番茄果實數和成熟個數，提高初產量，分施低肥但在采收后期應適當增加施氮量，可以增加第三次產量。