周振江，牛曉麗，李 瑞，胡田田，*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100)

近年來，在蔬菜消費(fèi)中人們?cè)絹碓阶⒅仄淦焚|(zhì)與安全，蔬菜的優(yōu)質(zhì)與安全生產(chǎn)成為研究者們關(guān)注的課題。研究表明，人體攝入的硝酸鹽大部分來自蔬菜，約占70%—80%［1］。硝酸鹽含量是影響蔬菜品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，由于過量灌水、施肥以及化肥的不合理施用導(dǎo)致的蔬菜硝酸鹽含量增加、品質(zhì)下降以及土壤酸化、肥力退化等現(xiàn)象非常普遍，科學(xué)、合理的水肥管理技術(shù)是保證蔬菜優(yōu)質(zhì)、高效、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。自20世紀(jì)90年代以來，研究者就如何降低蔬菜硝酸鹽含量等方面做了較為深入的研究。然而，已有的研究大多集中于水肥單因子或不同肥料配比的效果上［2-4］，綜合考慮灌水量和氮、磷、鉀、有機(jī)肥用量5個(gè)因素的研究，還鮮見報(bào)道。

根系分區(qū)交替灌溉是近年來針對(duì)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(shù)［5］。目前關(guān)于根系分區(qū)交替灌溉本身對(duì)作物對(duì)生長(zhǎng)生理特性及產(chǎn)量與品質(zhì)的研究很多［6-7］，關(guān)于局部灌溉條件下水肥供應(yīng)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響方面也有報(bào)道［8］，然而截至目前，關(guān)于根系分區(qū)交替灌溉條件下水肥用量對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響方面，尚未見報(bào)道。因此，本文在分根區(qū)交替灌溉條件下，應(yīng)用五元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，研究不同水肥施用水平對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的影響，通過回歸分析、單因素效應(yīng)及交互效應(yīng)分析，定量研究番茄果實(shí)硝酸鹽含量對(duì)水肥因子的響應(yīng)關(guān)系，以期為分根區(qū)交替灌溉條件下番茄的優(yōu)質(zhì)、安全生產(chǎn)提供理論與現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2010年5—10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試番茄為毛粉802，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1.30 g/cm3。兩邊分別安裝一支PVC管用于灌水(長(zhǎng)30 cm，直徑2.5 cm)。灌水管外層用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。

供試土壤取自西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站大田0—20 cm耕層土壤，土壤基本理化性狀為，土壤干容重為1.30 g/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)16.09 g/kg，全氮0.85 g/kg，全磷0.68 g/kg，堿解氮50.5 mg/kg，速效磷14.73 mg/kg，速效鉀140.47 mg/kg，田間持水量為24%。

2010年6月5日移栽定植，定植時(shí)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θf。緩苗期為8 d，待緩苗期過后，當(dāng)土壤含水量降至65%田間持水量時(shí)，開始采用根系分區(qū)交替灌水。于盛果期采收兩顆紅熟度相同的果實(shí)進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)灌水量、施氮量、施磷量、施鉀量和有機(jī)肥用量5個(gè)因素，采用五元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的1/2實(shí)施方案［9］，共36個(gè)處理，3次重復(fù)。為節(jié)省篇幅，略去詳細(xì)的試驗(yàn)方案，僅將各因素具體的上下水平及變化間距列于表1。

表1 試驗(yàn)因子水平編碼表Table 1 The codes and levels of experimental factors

試驗(yàn)所用氮、磷、鉀肥料分別為尿素(含純N為46%)，過磷酸鈣(含P2O5為15%)和硫酸鉀(含K2O為50%)，有機(jī)肥料為腐熟的牛糞(全氮、全磷、全鉀含量分別為3.17、3.16、2.12 g/kg)。有機(jī)肥和磷肥一次性基施，氮肥和鉀肥按照基追比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(jìn)行，追肥方法為穴施。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

番茄果實(shí)中硝酸鹽含量采用水楊酸-硫酸法［10］測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用DPS軟件進(jìn)行番茄果實(shí)硝酸鹽含量與各水肥因子用量間的關(guān)系模擬，用Excel及Matlab軟件對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行圖表的處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄果實(shí)硝酸鹽含量與灌水量以及氮、磷、鉀和有機(jī)肥用量間的關(guān)系

以五元二次多項(xiàng)式擬合灌水、施肥5個(gè)因子Xi的編碼值(取值范圍為［-2，2］)和番茄果實(shí)中硝酸鹽含量Y的關(guān)系，并對(duì)方程進(jìn)行方差分析，剔除不顯著項(xiàng)，得到最終的簡(jiǎn)化模型如下:

方差分析表明，F(xiàn)回=4.91＞F0.01(14，21)=3.07，各項(xiàng)回歸系數(shù)的F值依次為F1=8.83，F(xiàn)3=1.65，F(xiàn)5=7.67，F(xiàn)11=12.37，F(xiàn)22=2.21，F(xiàn)33=10.82，F(xiàn)14=4.83，F(xiàn)15=8.99，F(xiàn)23=2.10，F(xiàn)24=2.34，F(xiàn)35=4.82(F0.25(1，21)=1.40;F0.1(1，21)=2.96;F0.05(1，21)=4.32;F0.01(1，21)=8.02)。可見，水肥因子與果實(shí)硝酸鹽含量的回歸關(guān)系達(dá)到極顯著水平，能反映番茄果實(shí)硝酸鹽含量隨灌水量和氮、磷、鉀及有機(jī)肥用量的變化情況，可以用來進(jìn)行果實(shí)硝酸鹽含量的預(yù)測(cè)。

2.2 水肥各單一因素對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的影響

由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足了正交性，模型中各項(xiàng)偏回歸系數(shù)彼此獨(dú)立，因此可對(duì)模型進(jìn)行降維處理，即固定其它因素為0水平，得到水肥用量各因素對(duì)于番茄硝酸鹽含量的一元二次偏回歸子模型如下:

由以上模型可繪出水肥用量單一因子與番茄硝酸鹽含量的關(guān)系，見圖1所示。

圖1 水肥單因子(Xi)與番茄硝酸鹽含量的關(guān)系Fig.1 Relationship between single factor and nitrate content in tomato

圖1表明，番茄果實(shí)硝酸鹽含量隨灌水量增加而降低，之后又逐漸增加，番茄最低硝酸鹽含量的灌水量編碼值為-0.49，當(dāng)灌水量大于或小于此值時(shí)都將導(dǎo)致番茄硝酸鹽含量升高，說明只有在適量灌水條件下才能有效降低番茄硝酸鹽含量。圖1還表明，隨著施氮量、施磷量的增加，番茄中硝酸鹽含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì);隨有機(jī)肥用量增加，番茄中硝酸鹽含量逐漸增加。與這四個(gè)因子不同，番茄果實(shí)中的硝酸鹽含量不隨鉀肥用量而變化。

2.3 水肥兩兩因素對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的耦合效應(yīng)

番茄果實(shí)硝酸鹽含量受到多因素的影響，任何單因素的影響都不是孤立存在的。在多因素試驗(yàn)中，只有對(duì)因子間的交互作用進(jìn)行分析才能揭示事物本身內(nèi)在的聯(lián)系。在本試驗(yàn)中，一共有10個(gè)交互項(xiàng)因素，比較顯著的交互項(xiàng)有:X1X4、X1X5、X2X3、X2X4、X3X5。其中 X1X5達(dá)到極顯著水平，X1X4、X3X5達(dá)顯著水平，其它均為較顯著水平。降維法處理后可以得到如下子模型:

2.3.1 灌水量與施鉀量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的耦合效應(yīng)

灌水量和施鉀量的交互項(xiàng)系數(shù)為-0.79，二者間存在負(fù)的交互效應(yīng)。從表2可以看出，不論施鉀量如何變化，果實(shí)硝酸鹽含量均隨灌水量呈先減小后增加變化趨勢(shì)，而且其平均值相同。施鉀量的情況則不同:當(dāng)灌水量高于中水平(W)時(shí)，果實(shí)硝酸鹽含量隨著施鉀量的增加而減小;等于中水平時(shí)，不隨施鉀量而變化;低于中水平時(shí)，隨施鉀量增加而增大。表明灌水量較高的條件下增施鉀肥有利于降低硝酸鹽含量，而灌水量比較低的條件下施用鉀肥的作用相反。

表2 灌水量與施鉀量的耦合效應(yīng)Table 2 Coupling effect of irrigation amount and potassium fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.2 灌水量與有機(jī)肥用量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的耦合效應(yīng)

灌水量與有機(jī)肥用量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的交互項(xiàng)系數(shù)為-1.08(式(1))，其交互作用最大，且為負(fù)效應(yīng)，表明二者間的相互作用可抑制番茄硝酸鹽累積。從圖2可以看出，當(dāng)灌水量大于中水平時(shí)，番茄硝酸鹽含量隨著有機(jī)肥用量的增加而減少，其它灌水量時(shí)，趨勢(shì)相反。當(dāng)有機(jī)肥用量為低水平時(shí)，番茄硝酸鹽含量隨灌水量增大而增加;隨有機(jī)肥用量的增大，硝酸鹽含量隨灌水量的變化趨勢(shì)是，先降低后增加，且最低硝酸鹽含量的灌水量隨有機(jī)肥用量增加而增大。有機(jī)肥用量為低水平(不施有機(jī)肥)、灌水量為低水平(1/3W)和高水平(5/3W)時(shí)分別有最低、最高硝酸鹽含量，分別為:11.85和24.01 mg/kg。可見，較高灌水水平下提高有機(jī)肥用量有利于降低番茄果實(shí)硝酸鹽含量。

2.3.3 施氮量與施磷量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的耦合效應(yīng)

施氮量與施磷量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的耦合效應(yīng)關(guān)系如圖3所示，為上凸曲面，表明當(dāng)其它因子為中水平時(shí)硝酸鹽含量隨著施氮量、施磷量均呈拋物線狀變化，即隨施氮量、施磷量的變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。二者間的交互項(xiàng)系數(shù)為+0.52，即施氮量和施磷量間存在正交互作用，二者相互作用促進(jìn)番茄果實(shí)硝酸鹽積累。硝酸鹽含量最大值在施氮量、施磷量處于中水平(0.240、0.132 g/kg)附近時(shí)達(dá)到。當(dāng)施磷量處于高水平(0.264 g/kg)時(shí)有最低硝酸鹽含量，其平均值為11.09 mg/kg;當(dāng)施氮量與施磷量分別為低水平(不施氮)和高水平時(shí)有最低硝酸鹽含量8.25 mg/kg?？梢姡m當(dāng)增加磷肥用量、降低氮肥用量有利于降低番茄果實(shí)硝酸鹽含量。

圖2 灌水量和有機(jī)肥用量對(duì)番茄硝酸鹽含量的影響Fig.2 Effect of irrigation and organic fertilizer amount on nitrate content in tomato

圖3 施氮量和施磷量對(duì)番茄硝酸鹽含量的影響Fig.3 Effect of nitrogen and phosphorus fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.4 施氮量與施鉀量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的耦合效應(yīng)

施氮量與施鉀量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的交互作用項(xiàng)系數(shù)為-0.55(式(1))，二者間的相互作用可以抑制番茄果實(shí)中硝酸鹽的累積。當(dāng)鉀肥用量一定時(shí)，隨著施氮量增加，番茄果實(shí)硝酸鹽含量先增加后減小(表3)。當(dāng)施氮量為中水平時(shí)，硝酸鹽含量不隨施鉀量變化;當(dāng)施氮量低于中水平時(shí)，隨著施鉀量的增大硝酸鹽含量逐漸增加;當(dāng)施氮量高于中水平時(shí)，隨著施鉀量的增大硝酸鹽含量逐漸下降。從表3還可以看出，當(dāng)施氮量、施鉀量同時(shí)處于高水平或低水平時(shí)有最低硝酸鹽含量12.25 mg/kg，對(duì)應(yīng)的N、K2O實(shí)際施用量為0、0 g/kg或者0.480、0.420 g/kg。可見，施氮量較高時(shí)，增施鉀肥有助于降低番茄果實(shí)中硝酸鹽含量。

表3 施氮量與施鉀量的耦合效應(yīng)Table 3 Coupling effect of nitrogen and potassium fertilizer level on nitrate content in tomato

2.3.5 施磷量與有機(jī)肥用量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的耦合效應(yīng)

施磷量與有機(jī)肥用量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的交互作用項(xiàng)系數(shù)為+0.79(式(1))，表現(xiàn)出顯著的正交互作用，二者間的耦合效應(yīng)如表4所示?？梢钥闯?，不施磷肥時(shí)，隨有機(jī)肥用量增大，番茄果實(shí)硝酸鹽含量逐漸降低，變異系數(shù)為8.99%;對(duì)增施磷肥的各個(gè)水平，硝酸鹽含量隨有機(jī)肥用量的增加均呈增大趨勢(shì)，而且，增加的幅度隨磷肥用量明顯增大。各有機(jī)肥用量條件下，番茄果實(shí)硝酸鹽含量隨施磷量的變化趨勢(shì)，均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，所不同的是最大硝酸鹽含量的施磷水平隨有機(jī)肥用量而增大，且硝酸鹽含量的絕對(duì)值也增大。以不施有機(jī)肥且磷肥施用量最高時(shí)的硝酸鹽含量最低，為7.05 mg/kg，較不施磷肥且有機(jī)肥用量最大時(shí)的11.85 mg/kg降低了40.5%?？梢姡m當(dāng)增加磷肥用量、降低有機(jī)肥用量有利于顯著降低番茄果實(shí)硝酸鹽的累積。

表4 施磷量與有機(jī)肥用量的耦合效應(yīng)Table 4 Coupling effect of phosphorus and manure fertilizer level on nitrate content in tomato

3 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(duì)作物對(duì)生長(zhǎng)生理特性及產(chǎn)量與品質(zhì)的影響方面，關(guān)于這種灌溉方式下水肥供應(yīng)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響方面也有一些報(bào)道，但關(guān)于根系分區(qū)交替灌溉條件下水肥用量對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響方面，還鮮見報(bào)道。本研究表明，根系分區(qū)交替灌溉條件下，番茄果實(shí)硝酸鹽含量隨灌水量先減小后增加。原因可能在于，一方面，干旱條件下，植物體內(nèi)硝酸還原酶(NR)合成受阻，分解加快，含量下降，活性降低，導(dǎo)致NO-3累積增加［11］;同時(shí)，干旱條件下土壤通氣良好，有利于硝化作用的進(jìn)行，提高了土壤中NO-3可供應(yīng)量。另一方面，當(dāng)灌水量增加導(dǎo)致土壤含水率增大時(shí)，盡管土壤NO因?yàn)榱苁C(jī)會(huì)增多其含量可能減?。?2］，但本試驗(yàn)中最大土壤含水率控制在田間持水量，其淋失的可能性很小。而且，質(zhì)流是土壤NO向根表遷移、從而被根系吸收的主要方式［13-14］，灌水量增加必然加快了NO在土壤中的遷移，有利于植物對(duì)NO的吸收。同時(shí)，土壤含水率增大導(dǎo)致的根系缺氧也會(huì)引起植物體內(nèi)硝酸還原酶活性下降［15］，從而導(dǎo)致NO在作物體內(nèi)的累積。關(guān)于灌水量對(duì)番茄硝酸鹽累積的影響及其機(jī)理，尚需進(jìn)一步深入研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，根系分區(qū)交替灌溉條件下，隨施氮量的增加，番茄果實(shí)硝酸鹽呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。均勻灌水條件下的研究也表明，在一定范圍內(nèi)，番茄果實(shí)硝酸鹽含量隨施氮量增加先增加而后下降［16］，番茄果實(shí)硝酸鹽含量不受氮肥品種和用量的影響或者影響甚微［17-18］。這與前人關(guān)于葉菜類的研究結(jié)果［19-20］矛盾。原因可能在于，茄果類蔬菜富集硝酸鹽的能力較弱［17-18］，而且，果實(shí)中的硝酸還原酶活性不隨施氮量的變化而變化，其果實(shí)硝酸鹽含量隨施氮量變化不顯著［17］。除了氮肥用量與形態(tài)、施肥方式以外，番茄硝酸鹽的積累可能與番茄果實(shí)自身對(duì)NO的吸收同化等有密切關(guān)系，其機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

本試驗(yàn)條件下，番茄果實(shí)硝酸鹽含量與水肥用量的回歸模型中，施鉀量的一次及二次項(xiàng)皆不顯著，番茄果實(shí)中的硝酸鹽含量不隨鉀肥用量而變化。但增施鉀肥，可以通過與施氮量間的負(fù)交互效應(yīng)達(dá)到降低番茄果實(shí)硝酸鹽含量的效果(表2，表3)，這與秦松等［21］均勻灌水條件下施用鉀肥可抑制番茄果實(shí)中高量氮肥造成的硝酸鹽過多累積的結(jié)論一致。原因可能在于，鉀在氮素代謝中起重要作用，高氮水平時(shí)，鉀能更好地促使NO同化，促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)化為氨基酸和蛋白質(zhì)，從而減少硝酸鹽在果實(shí)內(nèi)的累積［21］。

應(yīng)用Matlab軟件對(duì)回歸模型求得番茄果實(shí)硝酸鹽含量最大值為28.52 mg/kg，該值低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)600 mg/kg［3］，這與番茄屬于茄果類蔬菜，為低硝酸鹽積累的蔬菜有關(guān)，同時(shí)也說明分根區(qū)交替灌溉不會(huì)造成番茄果實(shí)硝酸鹽含量偏高。

4 結(jié)論

本研究通過盆栽試驗(yàn)，采用五元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，研究了根系分區(qū)交替灌溉條件下灌水量和氮、磷、鉀、有機(jī)肥用量五因子對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量的影響，通過分析得到如下主要結(jié)論:

(1)本試驗(yàn)條件下，灌水量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量具有重要影響，中等灌水量有利于降低硝酸鹽在番茄果實(shí)內(nèi)的積累;灌水量與施鉀量、灌水量與有機(jī)肥量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽累積具有負(fù)的交互作用，適量灌水及水肥的合理搭配均可以有效降低果實(shí)硝酸鹽含量，特別是當(dāng)灌水量較高時(shí)，提高鉀肥與有機(jī)肥的用量，其效果更為顯著。

(2)隨有機(jī)肥用量的增大，番茄果實(shí)硝酸鹽含量呈線性增加趨勢(shì);隨施氮量和施磷量的增加，番茄果實(shí)硝酸鹽含量呈先增大后降低的變化規(guī)律;施磷量與有機(jī)肥用量、施磷量與施氮量對(duì)番茄果實(shí)硝酸鹽含量表現(xiàn)為正交互效應(yīng)，鉀肥可以通過與灌水量和施氮量間的負(fù)交互效應(yīng)達(dá)到降低番茄果實(shí)中硝酸鹽含量的效果。

致謝:西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本試驗(yàn)提供了諸多先進(jìn)儀器，特此致謝。

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