氮、鉀用量對機采加工番茄果實成熟、產量及品質的影響

張占琴頡建輝李 艷王建江楊相昆

(1.新疆農墾科學院 作物研究所,新疆石河子 832000;2.谷物品質與遺傳改良兵團重點實驗室,新疆石河子 832000)

加工番茄是普通番茄中的一種栽培類型,其主要特點是矮化自封頂,花期集中,耐貯藏運輸,主要用于制作番茄醬,目前中國已成為世界上最大的加工番茄生產和出口國之一[1-2]。新疆是我國加工番茄主要產區,生產能力占全國的90%以上。隨著加工番茄采收機械的引進與發展,近年來新疆地區機械采收面積迅速擴大[3]。機械采收的迅速發展對番茄種植管理提出新的要求,即果實集中成熟度好、果肉厚、硬度高,抗壓、耐貯運。

氮、鉀是番茄需求量最大的兩大元素[4-7],其施用量及時間是影響產量與品質的重要因素。國內對于氮、鉀不同施肥量及配比對加工番茄產量和品質影響已有研究報道。新疆地區加工番茄主要采用膜下滴灌種植,滴灌條件下養分吸收及分配規律與澆灌地存在一定差異[8],增施氮、磷、鉀肥和配施微肥明顯促進番茄生長發育[9]。適當增施氮肥可以提高加工番茄生物量和氮積累量,過量則容易造成貪青晚熟,但也可通過后期合理增減氮肥,調控果實集中成熟度[10-11]。膜下滴灌鉀肥的用量和方式對加工番茄產量和品質有顯著性影響[12],增施鉀肥能提高加工番茄的單株結果數、單果質量和產量,提高經濟效益[13]。改善加工番茄品質,提高果實可溶性固形物、番茄紅素、果實維生素C、可溶性糖、有機酸含量等[13-14],降低硝酸鹽量積累[9],減少果實著色障礙[15-16]。鉀肥分別在開花期和結果期滴灌追施50%的經濟效益高于其他施用時期[17]。在石河子地區施用氮肥、鉀肥對加工番茄均有顯著增產作用,氮、鉀肥增產率分別為32.8%～51.4%、13.3%～23.0%[18]。

目前,國內對于適合機械采收加工番茄的氮、鉀肥用量的系統性研究較少,各地種植戶往往根據人工采摘的經驗估算,甚至為了追求高產盲目施肥,很難達到果實集中成熟的要求,嚴重影響經濟效益、番茄產量及品質。

本研究開展機采加工番茄不同N、K 配比試驗,研究其對產量、果實集中成熟度、商品品質的影響,篩選出最佳施肥組合和施肥時期,以期為機械采收加工番茄高產高效栽培提供理論基礎及技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在新疆石河子新疆農墾科學院2輪2號試驗地(44.3108°N、85.986°E,海拔460 m)進行,該地區屬于典型的干旱氣候區,年平均氣溫7.5～8.2 ℃,日照2 318～2 732 h,無霜期147～191 d,年降雨量180～270 mm,年蒸發量1 000～1 500 mm,≥10 ℃的活動積溫3 570～3 729 ℃。試驗田土壤質地為粘壤土,耕層(0～30 cm)土壤基本理化性狀為:有機質含量23.45 g·kg-1,全鹽含量1.18 g·kg-1、全氮含量1.38 g·kg-1,全磷含量1.26 g·kg-1,全鉀含量19.6 g·kg-1,堿解氮含量79.2 mg·kg-1,有效磷含量20.0 mg·kg-1、速效鉀含量423.4 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

供試加工番茄品種為‘墾番1503’,為新疆農墾科學院自育品種。在田間進行二因子隨機區組試驗,設置N、K 兩個因素,每個因素設3個水平,其中N 肥用量分別為:114.1 kg·hm-2(N1低)、152.1 kg·hm-2(N2中)、190.1 kg·hm-2(N3高);K2O 肥用量分別為59.1 kg·hm-2(K1低)、118.2 kg·hm-2(K2中)、175.8 kg·hm-2(K3高),共9個水平(N1K1、N1K2、N1K3、N2K1、N2K2、N2K3、N3K1、N3K2、N3K3),所 有 處 理P2O5用量相同,為117.66 kg·hm-2,3次重復,共27個小區,每個小區面積18.4 m2。其中氮肥以尿素(總氮量≥46.4%)、磷酸一銨(含量≥98.5%、N∶P∶K 為12∶61∶0)、磷肥以磷酸一銨、鉀肥以硫酸鉀(K2O≥50%)施入。

1.3 田間管理

2019-03-23溫室播種,播種后即刻滴水,番茄于4月1日出苗,5月8日定植于大田。大田于5月4日機械鋪膜,鋪膜后滴水保持土壤濕潤,方便打孔。5月7日機械打孔,5月8日人工移栽。加工番茄采用膜下滴灌種植,膜寬2.05 m,每膜鋪3條滴灌帶,種植3 行,平均行距77 cm,株距33 cm,保苗株數39 000株·hm-2。全生育期灌水9次,隨水滴肥,每次灌水及施肥量見表1,停水后15 d收獲。

表1 不同處理水肥管理措施Table 1 Water and fertilizer management under different treatments

1.4 土壤樣品及加工番茄各項指標測定方法

土壤樣品測定方法:在加工番茄移栽前和收獲后按照梅花形取樣法每個處理取5個點,取樣深度0～30 cm,將5個點土樣混勻后自然陰干,送新疆農業科學院質量標準與檢測技術研究所檢測。有機質采用重鉻酸鉀外加熱法,全氮采用凱氏定氮法,全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法、全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法、水解性氮采用堿解擴散法,速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,速效鉀乙酸銨浸提-火焰光度法,可溶性總鹽采用烘干殘渣法。

果實紅熟率測定:每個處理標記10株植株,自7月26日起,每天記錄標記植株的紅果數和青果數,計算出果實日紅速熟速率。

單果物質積累測定:果實生長發育后期,7月25日、8月1日、8月8日、8月15日取5株樣品,全部果實稱量計數,計算平均單果質量。品質測定時則是隨機摘取20個中上部的果實計算平均單果質量。

小區產量測定:于番茄停水后15 d 實收6.9 m2面積內全部果實,紅果、青果、爛果分開計產,分別計算出紅果率、青果率、爛果率。

加工番茄品質測定:在小區測產時,隨機摘取20個中上部果實粉碎打漿,測定品質性狀。番茄固形物含量采用愛拓MASTER 折射儀測定,p H采用美國SpectrumIQ150測定,其他參數(番茄紅素、a/b值、葉綠素含量、β-胡蘿卜素、L值)采用意大利瑪薩莉(maselli)色差儀(LC01)測定。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理加工番茄生育進程的差異

研究表明不同處理加工番茄坐果前生育進程基本一致,即6月5日進入初花期、6月25日進入果實膨大期,此后不同處理生育期逐漸產生差異。7月24日起部分處理果實開始轉紅,總體趨勢為中高施肥處理果實轉色較早,低施肥處理果實轉色較晚。

2.2 不同N、K 配比土壤養分變化

由表2可知,經過一個種植季節不同處理土壤各項指標均發生變化:土壤p H 由播種前7.92～8.02變為收獲后的7.84～7.95,各個處理變化范圍為-0.02～0.08。施肥量較高的N2K2、N2K3、N3K2、N3K3處理p H 的變化幅度相對較大。所有處理土壤鹽分含量均上升,N2K3上升幅度較大,為0.71‰(由播種前0.86‰上升至收獲后1.57‰),其余處理變化幅度較小,為0.19‰～0.32‰。所有處理有機質含量呈上升趨勢,N3K3上升幅度較大,為4.76 g·kg-1(由播種前18.64 g·kg-1上升至收獲后23.41 g·kg-1),同樣施肥量較低的處理有機質上升幅度較小。

表2 不同處理土壤養分變化(ˉx±s)Table 2 Soil nutrient under different treatments

土壤中水解性氮沒有出現規律性變化,低氮和高氮(N1K1、N1K3、N1K3、N3K1、N3K2、N3K3)水解性氮呈減少趨勢,中氮(N2K1、N2K2、N2K3)水解性氮呈上升趨勢。土壤中速效磷和速效鉀呈上升趨勢,N2K3、N3K2上升幅度都較大,速效磷上升幅度為13.46 mg·kg-1(由播種前13.97 mg·kg-1上升到收獲后27.43 mg·kg-1)和18.47 mg·kg-1(由播種前7.35 mg·kg-1上升到收獲后25.82 mg·kg-1),速效鉀上升幅度為85.83 mg·kg-1(播種前466.93 mg·kg-1上升到收獲后552.77 mg·kg-1)和92.13 mg·kg-1(播種前465.79 mg·kg-1上升到收獲后557.92 mg·kg-1)。土壤中全氮呈增加趨勢,全磷和全鉀呈下降趨勢,全磷的下降趨勢較大的是N2K2和N3K3,分別下降0.28 g·kg-1(由播種前1.54 g·kg-1下降到1.26 g·kg-1)和0.33 g·kg-1(播種期前1.62 g·kg-1下降到收獲后1.29 g·kg-1)。全鉀下降趨勢較大的為N3K1和N3K3,分別為28.06 g·kg-1(播種前39.04 g·kg-1下降到收獲后10.98 g·kg-1)和35.07 g·kg-1(播種前46.41 g·kg-1下降到收獲后11.34 g·kg-1)。

2.3 不同施肥處理果實日紅速熟速率的差異

由表3可知,7月31日-8月4日期間N、K用量對果實日紅速熟速率影響顯著,二者互作對其影響極顯著。8月5日-8月9日期間N、K 用量及其互作對果實日紅速熟率影響均顯著。在7月26日-7月30日和8月10日-8月14日期間N、K 及其互作對果實日紅速熟率均無顯著影響。比較不同施N、K 用量對果實紅熟率的影響可知,7月26日-7月30日期間N1、N2、N3果實日紅速熟速率分別為2.60 個·d-1、1.98個·d-1、1.99個·d-1。K1、K2、K3分別為2.51個·d-1、2.21 個·d-1、1.86 個·d-1。7 月31日-8月4日期間N1、N2、N3果實日紅速熟速率分 加 為3.15 個·d-1、4.09 個·d-1、4.05個·d-1。K1、K2、K3分別為3.14個·d-1、3.77個·d-1、4.39個·d-1,K1顯著低于K2和K3。8月5日-8月9日期間N1、N2、N3果實日紅速熟速率分別為10.60 個·d-1、10.26 個·d-1、10.87 個·d-1。K1、K2、K3分 別 為10.40個·d-1、10.87個·d-1、10.46 個·d-1,N3顯著高于N2,K2顯著低于K1和K3。8月10日-8月14日期間N1、N2、N3果實日紅速熟速率為3.70個·d-1、4.39個·d-1、4.65個·d-1。K1、K2、K3分別為4.14個·d-1、3.77個·d-1、4.84個·d-1。

表3 不同N、K 處理對加工番茄果實日紅速熟率影響的方差分析Table 3 Variance analysis of effects of different N and K treatments on daily red ripeness rate of processed tomato

由圖1可知,7月26日-7月30日期間果實日紅速熟速率較緩慢,為1.8～3.07個·d-1,不同處理之間無顯著差異,N1K1和N1K2處理相對較快,為2.83個·d-1和3.07個·d-1。在7月31日-8月4日期間果實日紅速熟速率開始加快,為2.63～6.2個·d-1,不同處理之間顯著差異,此期間N2K2、N2K3、N3K3果實紅熟率加快更為明顯。8月5日-8月9日期間達到最大值,速率為10.11～11.45個·d-1。從8月10日起果實紅熟率開始下降,降為2.06～5.46個·d-1。

圖1 不同處理加工番茄果實日紅速熟率Fig.1 Daily red ripeness rate of processed tomato under different treatments

由此可見,7月31日-8月9日為果實轉色的關鍵時期,N、K 及其互作對果實的紅熟率影響顯著,在此期間合理調控N、K 的施用量,促進果實集中成熟,對于提高機采加工番茄產量及收獲效率具有重要意義。

2.4 不同N、K 配比對加工番茄單果物質積累的影響

由表4可知,N、K 及其互作對7月25日、8月1日、8月8日、8月15日4個時期的單果質量均影響極顯著。7月25日N1、N2、N3單果質量分別為46.43 g、52.25 g、48.84 g。K1、K2、K3分別為47.87 g、49.57 g、50.08 g,不同施N 水平差異顯著,K1顯 著 低 于K2和K3。8 月1 日N1、N2、N3單果質量為56.33 g、64.38 g、62.38 g,K1、K2、K3分別為56.96 g、62.25 g、63.87 g,不同施N、K 水平差異均顯著。8月8日N1、N2、N3單果質量分別為71.64 g、81.93 g、79.34 g,K1、K2、K3分別為72.35 g、79.94 g、80.62 g,不同施N 水平差異顯著,K1顯著低于K2和K3。8月15日N1、N2、N3單 果 質 量 為74.47 g、84.47 g、81.74 g,K1、K2、K3分別為74.37 g、83.02 g、83.29 g,不同施N 水平差異顯著,K1顯著低于K2和K3。

表4 不同N、K 處理加工番茄單果物質積累量及方差分析(ˉx±s)Table 4 Single fruit mass of processing tomato and variance analysis of different N and K treatments

由圖2可知,7月25日果實相對較小,單果質量 為45.45～52.89 g,N1K1、N1K2、N1K3、N3K1處理單果質量為45.45～47.31 g,顯著低于其他處理(50.36～52.89 g)。自8月1日果實物質積累對N、K 的用量更為敏感,此時低氮水平的3個處理差異不顯著;中氮水平下中、高鉀處理顯著高于低鉀處理;而在高氮水平,低、中、高鉀三者差異均顯著。8月8日中、高氮水平下,中、高鉀處理單果質量顯著高于低鉀處理。8月15日的變化趨勢與8 月8 日類似。比較總體趨勢可知,自8月1日起N2K2、N2K3、N3K2、N3K34個處理的單果質量顯著高于其他處理,成熟時單果質量 分 別 達 到88.65 g、86.41 g、85.77 g、86.87 g。

圖2 不同處理單果物質積累動態Fig.2 Single fruit mass under different treatments

從上述分析可知,不同處理單果物質積累趨勢基本相同,物質積累較快的7月25日-8月8日期間,后半段時期與果實日紅速熟速率最快的時期基本吻合。與紅熟轉色不同,N、K 及其互作對各時期果實物質積累均影響顯著,可見N、K 的合理配施對果實生長發育至關重要,果實的物質積累最終決定產量的形成,因此本研究結果對大田生產的肥料施用具有指導作用。

2.5 不同N、K 配比對加工番茄產量及產量構成的影響

由表5、6可知,N、K 及其互作對加工番茄單果質量、產量、紅果率影響極顯著,對收獲株數、爛果率影響不顯著。N 肥對青果率影響不顯著,K肥對其影響極顯著,兩者互作對青果率及單株果實數影響極顯著。比較N1、N2、N3產量及產量構成可知,N1、N2、N3產量分別為14.29×104kg·hm-2、16.21×104kg·hm-2、15.32×104kg·hm-2,不同施N 水平差異顯著。K1、K2、K3產量分別為14.29×104kg·hm-2、15.84×104kg·hm-2、15.75×104kg·hm-2,K1顯著低于K2、K3。不同N、K 水平單株果實數和收獲株數差異均不顯著。

表5 2019年不同處理加工番茄產量及產量構成(ˉx±s)Table 5 Yield and yield component of processed tomato under different treatments in 2019

由圖3～圖5可見,N1、N2、N3的紅果率分別為89.55%、91.41%、91.05%,N1顯著低于N2和N3,青果率和爛果率不同施N 水平無顯著差異。K1、K2、K3的 紅 果 率 分 別 為88.39%、92.01%、91.62%,K1顯著低于K2和K3;青果率分別為9.08%、4.84%、5.89%,K1顯著高于K2和K3;不同施K水平爛果率無顯著差異。

圖3 不同施肥處理紅果率的差異Fig.3 Difference of red fruit rate under different fertilization treatments

圖4 不同施肥處理青果率的差異Fig.4 Difference of green fruit rate under different fertilization treatments

圖5 不同施肥處理爛果率的差異Fig.5 Difference of rotting-pod rate under different fertilization treatments

比較相同施N 肥水平,不同施K 量對番茄產量和紅熟率的影響可知:低N 和高N 水平下,不同施K 量加工番茄產量、果實紅熟率差異不顯著。在中N 水平下不同施K 量對番茄產量及果實紅熟率影響均顯著。比較相同施K 肥水平,不同施N 量對番茄產量和紅熟率的影響可知:在低、中、高鉀水平,不同施N 量產量和果實紅熟率差異均顯著。說明只有在適合的N 肥水平,K 肥肥效才能有效發揮。而N 肥肥效對K 肥的依賴較低。

整體比較不同處理產量及其構成、果實紅熟率等綜合因素,N2K2、N2K3、N3K2、N3K3產量和紅熟率較高,產量分別為:17.09×104kg·hm-2、16.65×104kg·hm-2、16.12×104kg·hm-2、15.85×104kg·hm-2,紅熟率分別為:94.09%、93.48%和93.29%、91.93%,這4個處理產量顯著高于其他處理。與本文前述的果實紅熟率和單果物質積累量顯著高于其他處理的結論一致。

機械采收加工番茄要求果實的集中成熟度超過90%,本研究中的6 個處理達到此要求,但N1K1、N1K2產量偏低,而N3K3肥料用量偏大產量、果實紅熟率較N2K2、N2K3、N3K2處理低。所以本研究推薦N2K2、N2K3、N3K2肥料用量,各地可具體根據番茄生育進程,可在此范圍(N 152.1～190.1 kg·hm-2,P2O5117.66 kg·hm-2、K2O 118.2～175.8 kg·hm-2)內靈活掌握,從經濟效益及保護環境角度分析比較,推薦肥料用量為P2O5152.1 kg·hm-2,P2O5117.66 kg·hm-2,K2O 118.2 kg·hm-2。

2.6 不同N、K 配比對加工番茄品質的影響

由表7可知,N、K 及其互作對單果質量、果實可溶性固形物含量、番茄紅素影響極顯著。K肥及N、K 互作對a/b值影響顯著。N、K 互作對葉綠含量影響顯著,對β-胡蘿卜素影響極顯著,N肥對L值影響顯著。比較不同施N 和K 水平加工番茄品質性狀的差異,N1、N2、N3可溶性固形物含量分別為4.88%、5.21%、5.09%,不同施N水平 差 異 顯 著;K1、K2、K3分 別 為4.94%、5.15%、5.09%,K1顯著低于K2和K3。N1、N2、N3番茄紅素含量分別為19.11 mg·hg-1、20.73 mg·hg-1、20.95 mg·hg-1、K1、K2、K3分別為19.11 mg·hg-1、20.83 mg·hg-1、20.84 mg·hg-1,均表現為低肥水平顯著低于中高肥水平。N1、N2、N3的a/b值和β-胡蘿卜素無顯著差異,K1、K2、K3也是如此。N1、N2、N3葉綠素含量分別為0.49 mg·hg-1、0.54 mg·hg-1、0.53 mg·hg-1,L值分別為:33.12、34.83、34.39,二者表現為N1顯著低于N2和N3。K1、K2、K3葉綠素含量和L值均無顯著差異。

表6 不同N、K 處理對加工番茄單果成熟影響的方差分析Table 6 Variance analysis of effects of different N and K treatments on fruit maturity of processed tomato

表7 不同處理加工番茄果實品質(ˉx±s)Table 7 Fruit quality of processed tomato under different treatments

分析不同處理的品質變化規律,與本文前述研究結果基本一致,即N2K2、N2K3、N3K2、N3K3的單果質量、固形物含量顯著高于其他處理、番茄紅素含量顯著高于N1K1、N1K2、N1K3、N2K1。不同處理單果質量變幅較大,為94.90～105.07 g,其中N2K2、N2K3、N3K2、N3K3單果較重,分別為105.07 g、102.37 g、104.20 g、104.93 g。不同處理固形物含量變幅為4.88%～5.30%,N2K2、N2K3、N3K2、N3K3的果實固形物含量也較高分別為5.37%、5.30%、5.22%、5.10%,果 實 番 茄紅素的含量變化趨勢類似與固形物;N1K3和N3K2的a/b值顯著高于N3K1,其他處理之間差異不顯著。葉綠素、β-胡蘿卜素、L 值不同處理之間無顯著差異。

3 討論

氮素是植物需求量最大的的營養元素,氮與作物的產量和干物質積累密切相關,對加工番茄產量的貢獻也最大[7]。大量研究表明:適量的氮肥能夠促進番茄根系發育、提高生物產量、增加氮磷鉀養分吸收量、降低臍腐病發生率,而過量施用氮肥則有相反的效果[18-21]。鉀肥也是加工番茄需求較大的元素,增施鉀肥能夠提高單株結果數、單果質量和產量[12]。而氮磷鉀配合施用能促進番茄生長發育、提高著色率、增強抗逆性及提高產量。本研究表明,氮肥和鉀肥及其互作是對機械采收加工番茄果實紅熟速率、集中成熟度構成影響的關鍵因素,且隨著肥料用量的加大,單果質量、紅熟率均顯著提高。與前人的研究結果一致。同時本研究明確N、K 及其互作對加工番茄果實物質積累和紅熟影響的關鍵時期,對于指導機械采收加工番茄肥料配施具有重要的意義。

果實中番茄紅素和可溶性固形物是評定番茄,尤其是加工番茄品質的重要指標[22-23],增施鉀可以提高可溶性固形物、還原糖含量,過量施鉀會略微降低可溶性固形物、還原糖含量[12,24]。本研究中氮施肥條件下,中等施鉀量果實固形物含量和番茄紅素含量最高,與前人研究結果一致。同時本研究根據加工番茄果實發育特點及需肥規律,在番茄生長的發育的后期加大鉀肥的投入,果實集中成熟度、固形物含量、番茄紅素含量均達到較高水平。

近年來,新疆地區機械采收加工番茄面積不斷擴大,果實的集中成熟度和商品品質是機械采收關注的熱點問題。當果實集中成熟度超過90%時,機采收效率會大幅提升。加工企業對果實品質的要求越來越高,特別是對果實可溶性固形物含量,可溶性固形物含量的高低是影響加工企業成本的重要因素,目前新疆地區交售的原料可溶性固型物含量平均在4.0%～5.0%,與美國加州大面積種植條件下原料可溶性固形物含量平均在5.5%以上還有很大差距。目前國內對于適宜機械采收加工番茄研究工作開展的較少,通過合理的肥料配比及施肥時間的調控,提高果實集中成熟度、提高果實可溶性固形物含量,提高料耗比,為企業降低成本,也是目前加工番茄發展的重要方向。本研究中的6個處理果實集中成熟度超過90%,但N1K1、N1K2處理產量居第4位,產量偏低,而N3K3處理產量居第4 位,肥料用量偏大,經濟效益偏低,本研究推薦N2K2、N2K3、N3K2肥料配比在果實集中成熟度、產量、果實可溶性固形物及番茄紅素含量均達到較高的水平,可在生產實踐中推廣應用。

4 結論

經過一個生長季節,不同處理土壤鹽分、有機質含量、速效磷和速效鉀、全氮呈增加趨勢,全磷和全鉀含量呈下降趨勢,高施處理土樣各指標變化幅度略高于較低施處理。

N、K 及其互作通過影響果實物質積累、關鍵時期的果實紅熟速率從而影響果實集中成熟度、產量及品質的形成。本研究篩選出N2K2、N2K3、N3K2產量達到16.12×104kg·hm-2、紅熟率超過93.29%、果實可溶性固形物含量高于5.22%、番茄紅素含量超過21.38 mg·hg-1,符合機采加工番茄的高產優質水平,對應的肥料配比與施肥時期在機械采收加工番茄生產中推薦使用。