周振江 牛曉麗 陳 思 代順冬 胡田田*

（1 西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學資源與環(huán)境學院，陜西楊凌 712100）

番茄紅素是植物中所含的一種天然色素，是目前自然界中被發(fā)現(xiàn)的最強抗氧化劑，可以有效防治因衰老、免疫力下降引起的各種疾病，因此受到世界各國專家的關注。番茄是番茄紅素含量很高的蔬菜品種之一，番茄紅素含量的高低對果實的營養(yǎng)價值有著重要的影響。目前，在蔬菜的設施生產(chǎn)中，由于大量施用化肥以及忽視肥料配比所造成的蔬菜品質(zhì)下降及土壤酸化、肥力退化等現(xiàn)象非常普遍，蔬菜的優(yōu)質(zhì)與綠色生產(chǎn)成為研究者們廣為關注的課題。與增光、保溫等技術相比，研究者們對水肥管理技術重視不夠，而且，已有的水肥調(diào)控研究多集中于水肥單因子或不同肥料配比的效果上（Kadam & Sahane，2002；Kannan et al.，2006；Marouelli ＆Silva，2007），綜合考慮灌水量和氮、磷及鉀肥用量4個因素的研究很少。

根系分區(qū)交替灌溉（Alternate Partial Root-zone Irrigation，APRI）是近年來針對世界范圍內(nèi)水資源日益緊缺與水分利用效率較低這一矛盾而提出的一種新的節(jié)水灌溉方法與技術（康紹忠等，1997）。目前關于根系分區(qū)交替灌溉本身對作物生長生理特性及產(chǎn)量與品質(zhì)的研究很多（康紹忠 等，2001；胡笑濤 等，2005；Wakrim et al.，2005），關于局部灌溉條件下水肥供應對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響方面也有報道（農(nóng)夢玲 等，2010）。然而，截至目前，關于根系分區(qū)交替灌溉條件下水肥用量對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響方面尚未見報道。為此，本試驗在分根區(qū)交替灌溉條件下，應用四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設計，研究不同水肥施用水平對番茄（Lycopersicon esculentumMill.）果實番茄紅素含量的影響，通過回歸分析及單因素效應與交互效應分析，定量研究番茄果實中番茄紅素含量對水肥因子的響應關系，以期為分根區(qū)交替灌溉條件下番茄的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2011年5～10月在西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室進行。供試番茄為金棚1號。供試土壤取自西北農(nóng)林科技大學節(jié)水灌溉試驗站大田0～20 cm 耕層土壤。土壤基本理化性狀：田間持水量為24%，有機質(zhì)64.9 g·kg-1，全氮7.8 g·kg-1，全磷3.9 g·kg-1，全鉀10.9 g·kg-1，堿解氮101.08 mg·kg-1，速效磷41.1 mg·kg-1，速效鉀98.20 mg·kg-1。

用高30 cm、直徑30 cm 的鐵皮桶自制分根裝置（中間用帶V 形缺口、高24 cm 的隔板將桶分為相等的兩部分）。桶底部裝河沙1 kg，裝土21 kg，裝土容重1.15 g·cm-3。兩邊分別安裝一支PVC 管用于灌水（長30 cm，直徑2.5 cm）。灌水管用1 mm 直徑紗網(wǎng)纏繞兩層，共打3 排圓孔，PVC 管距桶底部5 cm。2011年5月5日定植番茄幼苗，定植時將番茄幼苗置于隔板V 形缺口的正上方，確保根系分布均勻。定植后立即澆水至田間持水量。待緩苗期過后（緩苗期8 d），當土壤含水量降至65%田間持水量時，開始采用根系分區(qū)交替灌水。番茄保留3 穗果，于盛果期每株采摘紅熟度一致的3個果實進行品質(zhì)分析，將每株所取的果實用榨汁機進行充分混勻。

1.2 試驗設計

試驗設灌水量、施氮量、施磷量和施鉀量4個因素，采用四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設計的1/2實施方案，共23個處理（袁志發(fā)和周靜芋，2000），3次重復。各因素水平及變化間距見表1。

試驗采用恒質(zhì)量法灌水。0 水平灌水處理是指在土壤含水量接近灌水下限（田間持水量的65%）時進行灌水，0 水平灌水量是指由65%θf（田間持水量）灌至85%θf所需水量，其他水平的灌水量根據(jù)0 水平按表1的設計水平進行計算。每次只灌其中一邊，兩邊輪流灌水，各處理灌水時間相同。灌水量周期根據(jù)0 水平處理的土壤含水量確定，一般為2～3 d 1次，整個生育期共灌水41次，各灌水水平處理的累積灌溉量從小到大依次為：6.963、12.673、21.098、29.523、35.233 L。

試驗用氮、磷、鉀肥料分別為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O515%）和硫酸鉀（含K2O 50%）。磷肥一次性基施。氮肥和鉀肥按照基肥追肥比1∶2 施用，追肥分別在第1 穗果膨大期和第2 穗果膨大期進行，兩側根系的追肥量相等，追肥時間相隔1 d，追肥隨灌水施入。

1.3 項目測定

番茄紅素含量采用分光光度計法測定（GB/T 14215，1993）。土壤基本理化性狀采用常規(guī)方法測定（中國科學院南京土壤研究所，1980）。

試驗數(shù)據(jù)用DPS 軟件進行方程擬合，用Excel 及Matlab 軟件對分析結果進行圖表的繪制。

表1 試驗因子水平編碼

2 結果與分析

2.1 番茄紅素含量與灌水量及氮、磷、鉀用量間回歸模型的建立

以四元二次多項式擬合灌水量、施肥量4個水肥因子Xi[-1.682，1.682]和番茄紅素含量Y的關系，并對方程進行方差分析，得到最終的簡化模型如下：

方差分析表明，模型的F回=4.91>F0.01（7，15）=4.142，說明水肥用量與番茄紅素含量的回歸關系達到極顯著水平，能反映番茄紅素的變化情況。根據(jù)方差分析的結果，上述方程中各項回歸系數(shù)的F值依次為F1=2.22，F(xiàn)2=16.38，F(xiàn)3=7.8，F(xiàn)22=2.21，F(xiàn)33=2.39，F(xiàn)14=1.67，F(xiàn)23=1.67〔F0.25（1，15）=1.432；F0.1（1，15）= 3.073；F0.05（1，15）= 4.543；F0.01（1，15）=8.683〕。可見，一次項X2達到極顯著水平，X3達到顯著水平，其他項均達0.25 顯著性水平，表明在試驗條件下，施氮量、施磷量對番茄紅素含量影響較大，灌水量對番茄紅素含量也有一定影響，灌水量與施鉀量、施氮量與施磷量間均對番茄紅素含量有一定的交互作用。

2.2 主因素效應的比較

經(jīng)過無量綱線性編碼代換后，偏回歸系數(shù)已標準化，直接比較其絕對值的大小就可以判斷各試驗因素對番茄紅素含量的影響大小。一次項系數(shù)呈現(xiàn)出從施氮量、施磷量、灌水量到施鉀量依次減小的規(guī)律；施氮量、施磷量的二次項系數(shù)相近，且與一次項系數(shù)同為正值。可見，4個因素對番茄紅素含量的影響大小順序為：施氮量> 施磷量> 灌水量> 施鉀量，其中，施氮量與施磷量均表現(xiàn)為顯著正效應，灌水量表現(xiàn)出顯著負效應，施鉀量對番茄紅素含量沒有顯著影響。

2.3 單一因素對番茄果實中番茄紅素含量的影響

由于試驗設計滿足了正交性，模型中各項偏回歸系數(shù)彼此獨立，因此，可對模型進行降維處理，即固定其他因素為0 水平，得到各因素對于番茄紅素含量的一元二次偏回歸子模型。灌水量：Y1=87-11.58X1；施氮量：Y2=87+31.44X2+10.8X22；施磷量：Y3=87+21.69X3+11.23X32；施鉀量：Y4=87。

由以上模型可繪出單因子與番茄紅素含量的關系，見圖1。

由圖1可知，灌水量與番茄果實中番茄紅素含量的關系為斜率小于0 的直線，說明番茄紅素含量隨灌水量的增加逐漸降低，相對減少灌水量有利于番茄紅素的累積。由圖1還可以看出，番茄紅素含量隨施氮量增加而增加?；貧w方程中，氮肥一次項與二次項系數(shù)分別為31.44、10.8，其中一次項系數(shù)最大且達極顯著水平，說明增大氮肥的施用量，能極顯著提高番茄紅素含量。番茄紅素含量隨施磷量增加呈開口向上拋物線變化，而且，在編碼值大于-1（即磷肥用量大于0.107 g·kg-1）時，增大施磷量對于番茄紅素含量的提高也能起到促進作用。施鉀量的影響有所不同，番茄紅素含量不隨施鉀量變化而變化。

圖1 單因子（Xi）與番茄紅素含量（Y）關系

2.4 兩因素對番茄紅素含量的耦合效應

在本試驗中共有6個交互項因素，比較顯著的交互項有X1X4和X2X3。降維法處理后可以得到如下子模型：

2.4.1 灌水量與施鉀量對番茄紅素含量的耦合效應 由耦合效應子模型（2）可知，灌水量與施鉀量的交互項系數(shù)為-9.29，即二者相互作用會阻礙番茄紅素含量的提高。由圖2可知，當灌水量低于中間水平（W）時，隨著施鉀量的增加番茄紅素含量升高；灌水量高于中間水平時則呈降低趨勢。另外還可以看出，番茄紅素含量僅在施鉀量處于最低水平（0 g·kg-1）時隨灌水量有所增加，其他情況下隨灌水量的增加均呈降低趨勢，且在施鉀量為最高水平（0.84 g·kg-1）時降低幅度最大。當灌水量處于最低水平（0.33 W），且施鉀量處于最高水平時，番茄紅素含量達到最高值132.76 μg·g-1；在灌水量與施鉀量均處于最高水平時，番茄紅素含量達到最小值41.24 μg·g-1，比最高值降低了68.94%。綜合看來，隨著灌水量增加番茄紅素含量減小，灌水量對番茄紅素的影響明顯大于施鉀量，適當減少灌水量、合理配施鉀肥有利于番茄紅素含量的提高。

圖2 灌水量與施鉀量對番茄紅素含量的影響

2.4.2 施氮量與施磷量對番茄紅素含量的耦合效應 從耦合效應的統(tǒng)計參數(shù)來看，隨著施氮量、施磷量的增加，番茄紅素含量都呈增長趨勢；施氮量對番茄紅素的影響大于施磷量（表2）。由耦合效應子模型（3）可知，施氮量與施磷量的交互項系數(shù)為-9.29，說明二者的相互作用會阻礙番茄紅素含量的提高。表2表明，當施磷量不高于中間水平（0.264 g·kg-1）時，隨著施氮量的增加番茄紅素含量呈增加趨勢，其增幅隨施磷量的增加而降低，以施磷量處于低水平時的增幅最大，可達470.10%；當施磷量大于中間水平時，番茄紅素含量隨施氮量的增加先減小后增大。施氮量低于中間水平（0.48 g·kg-1）時，隨施磷量的增加，番茄紅素含量增加；施氮量大于或等于中間水平時，番茄紅素含量則隨施磷量呈開口向上拋物線變化。當?shù)?、磷用量均為最高水平（施N 0.96 g·kg-1，施P2O50.528 g·kg-1）時，番茄紅素含量達最大值212.41 μg·g-1。綜合看來，增施氮、磷肥有利于果實中番茄紅素含量的增加。

表2 施氮量與施磷量對番茄紅素含量的耦合效應 μg·g-1

2.5 模型尋優(yōu)

用Matlab 軟件對模型1 求最大值，得到當Xi分別為-1.682、1.682、1.682、1.682時，即對應的灌水量和N、P、K 實際用量為：0.33 W（從移栽到收獲共計灌水10 962.34 mL）、0.96 g·kg-1、0.528 g·kg-1、0.84 g·kg-1時，番茄紅素含量取得最大值258.17 μg·g-1，將此水肥用量組合帶入擬合的產(chǎn)量模型得到番茄單株產(chǎn)量為1 354.6 g，僅比Xi分別為1、1.682、1.682、0時的番茄最高單株產(chǎn)量1 545.8 g 降低了12.4%，說明在得到最高番茄紅素含量的同時番茄產(chǎn)量也較高，表明在本試驗條件下，減小灌水量同時增大施肥量既可以得到較高的番茄紅素含量，也保證了番茄產(chǎn)量。

3 結論與討論

根系分區(qū)交替灌溉是一種新的節(jié)水灌溉方法，目前的研究主要集中在這種灌溉方式本身對作物生長生理特性及產(chǎn)量與品質(zhì)的影響方面（韓艷麗和康紹忠，2001；畢彥勇 等，2005），關于這種灌溉方式下水肥供應對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響也有報道（薛亮 等，2008），但關于根系分區(qū)交替灌溉條件下水肥用量對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，還鮮見報道。均勻灌水條件下的研究表明，適度水分虧缺會提高番茄果實中番茄紅素的積累（Leskovar et al.，2002），過高或過低的灌溉量都將影響番茄紅素的合成（陳秀香 等，2006）。本試驗表明，根系分區(qū)交替灌溉條件下，灌水量對番茄紅素含量的影響表現(xiàn)為負效應，且灌水量與施鉀量對番茄紅素含量的交互作用均表現(xiàn)為負效應。這與均勻灌水條件下的結果有所不同。原因在于灌水水平的控制或是其他試驗條件不同，還是根系分區(qū)交替灌溉條件下根源信號ABA 等的調(diào)控作用所致，有待進一步深入研究。

在本試驗條件下，單因素與耦合效應分析一致表明，提高氮肥用量能顯著提高番茄紅素含量，這與Flores 等（2004）和王柏柯等（2008）的施用氮肥可以顯著提高果實番茄紅素含量的結論一致，但也有研究表明，不同施氮水平下番茄中番茄紅素含量無顯著差異（Gautier et al.，2009），這可能與不同試驗所控制的施氮量、供試土壤肥力和采用的作物品種等條件不同有關。

本試驗表明，當磷素供應達到一定水平后，增施磷肥也可以顯著提高番茄紅素含量，由施氮量與施磷量的耦合效應分析可知，增施磷肥會顯著提高果實中番茄紅素含量。已有的研究也表明，增施磷肥能有效提高番茄紅素含量（孟凡娟和王富，2001；樊慶魯 等，2009）。加工番茄是喜磷作物，在氮磷配施的情況下，番茄對磷的吸收在全生育期中呈漸次增加趨勢，到后期吸磷量仍較高（肖紀珍和任鳳蘭，1990）。

本試驗發(fā)現(xiàn)，根系分區(qū)交替灌溉條件下，當施氮量、施磷量和灌水量均為中間水平時，番茄中番茄紅素含量不隨施鉀量而變化；當灌水量低于中間水平時，較高水平的施鉀量可以提高番茄紅素含量。均勻灌水條件下的研究表明，合理施用鉀肥可以顯著提高加工番茄果實番茄紅素含量（Lester et al.，2006；張炎 等，2008），番茄果色與果實中鉀的含量顯著相關（Trudel &Ozbun，1971）。這可能與鉀離子通過直接作用于番茄紅素合成過程中的某個基因或酶，或者是通過電子傳導鏈發(fā)揮非直接調(diào)控作用參與類胡蘿卜素的生物合成過程有關（任彥 等，2006）。但也有研究指出，鉀肥供應對番茄紅素含量沒有影響（Flores et al.，2004）。因而，可以認為，施鉀量對番茄中番茄紅素含量的影響與其他因素諸如灌水量及氮、磷肥供應等有密切關系，還需進一步深入研究。

當灌水量、施氮量、施磷量與施鉀量分別為0.33 W（10 962.34 mL）、0.96 g·kg-1、0.528 g·kg-1、0.84 g·kg-1時，番茄紅素含量最高，達258.17 μg·g-1。

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