李文玲，孫西歡,2，郭向紅，馬娟娟，石小虎

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引 言

番茄是一種常見的經(jīng)濟(jì)作物，富含人體所需的多種維生素和礦物質(zhì)，具有獨(dú)特風(fēng)味[1]。近年來，我國(guó)番茄種植總面積維持在108～110 萬hm2之間，番茄及其制品的消費(fèi)以年均15%的增長(zhǎng)率快速發(fā)展，市場(chǎng)前景廣闊。但是由于不合理灌溉施肥，不僅造成耕地質(zhì)量下降、水資源浪費(fèi)，也導(dǎo)致番茄產(chǎn)量下降、果實(shí)品質(zhì)不佳[2,3]。因此，進(jìn)一步研究水氮耦合理論和技術(shù)，尋求科學(xué)的灌施模式，對(duì)提高農(nóng)田水氮利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

番茄果實(shí)品質(zhì)主要體現(xiàn)在外觀、口感、營(yíng)養(yǎng)等方面，水分和氮素對(duì)番茄的品質(zhì)影響甚重，目前關(guān)于水分和氮素對(duì)番茄品質(zhì)的影響研究主要集中在灌水量和施氮量等單因素或全生育期水氮耦合方面[4-7]。前人研究得出增大灌水量顯著降低了番茄可溶性糖、有機(jī)酸、VC、番茄紅素和硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，適當(dāng)降低灌水量可改善番茄品質(zhì)，提高可溶性固形物、可溶性糖、VC等的含量[8-12]，但土壤含水率過低時(shí)，植物體內(nèi)合成碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)受到限制，也會(huì)導(dǎo)致果實(shí)品質(zhì)不佳[13]。王雪梅等[9]指出提高氮肥施用量能使有機(jī)酸含量增加，顯著提高可溶性固形物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而降低氮肥施用量能顯著降低番茄硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)。袁麗萍等[14]指出增加施氮量能顯著提高番茄有機(jī)酸含量。前人針對(duì)水氮單因子效應(yīng)和耦合效應(yīng)對(duì)番茄品質(zhì)的影響已做了大量研究，但各個(gè)生育期不同灌水量與施氮量的耦合效應(yīng)對(duì)番茄品質(zhì)的影響鮮有報(bào)道。

由于番茄品質(zhì)是一個(gè)綜合性的概念，各指標(biāo)間彼此相關(guān)，因此單項(xiàng)指標(biāo)不能判定其品質(zhì)優(yōu)劣，需采用綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)番茄的品質(zhì)進(jìn)行整體評(píng)估。主成分分析法是一種綜合評(píng)價(jià)方法，目前已在多領(lǐng)域的綜合評(píng)價(jià)中廣泛應(yīng)用[15-17]。本文通過小區(qū)試驗(yàn)，研究膜下滴灌條件下大棚番茄品質(zhì)對(duì)水氮耦合處理的響應(yīng)，并采用主成分分析法建立番茄綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)模型[18,19]，將番茄品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行量化和評(píng)價(jià)，以獲得使番茄品質(zhì)最優(yōu)的灌施模式，為干旱半干旱區(qū)大棚番茄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2018年5-10月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心陽曲縣河村試驗(yàn)基地進(jìn)行。陽曲縣地處忻州與晉中盆地之脊梁地帶，地理位置為東經(jīng)112°12′～113°09′，北緯37°56′～38°09′112，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔1 248.5 m，年均溫度5～7 ℃，年均降水量459.0 mm，降水集中在6-9月，年均蒸發(fā)1 546.9 mm，全年無霜期約144 d，≥10 ℃的積溫2 840.6 ℃。土壤容重1.43 g/cm3，田間持水率為0.31 cm3/cm3。番茄定植前大棚0～20 cm土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)灌水處理，分別為苗期灌水量較充分灌水減少50%(W1)、苗期與開花期灌水量較充分灌水減少50%(W2)、全生育期灌水量較充分灌水減少50%(W3)、全生育期充分灌水(W4)；3個(gè)施氮處理，分別為200 kg/hm2(N1)、300 kg/hm2(N2)、400 kg/hm2(N3)。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)水平和因素設(shè)計(jì)見表2。

表1 土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil

表2 試驗(yàn)水平和因素設(shè)計(jì)Tab.2 Test level and factor design

注：I為灌水上限為田間持水量的90%的灌水量，mm，I=10(0.9θFc-θv)×Zr×0.6；θFc為田間持水量，cm3/cm3；θv為灌水前的土壤含水量，cm3/cm3；Zr為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，cm，依據(jù)番茄根系生長(zhǎng)，本試驗(yàn)取60 cm；0.6為濕潤(rùn)比。

試驗(yàn)地各小區(qū)均為3.6 m×7 m，首尾設(shè)置保護(hù)行。番茄幼苗按單穴單株定植在壟兩側(cè)，株行距為0.5 m×0.5 m，種植密度為2.5 株/m2。定植前3～4 d鋪設(shè)黑色塑料地膜，整地時(shí)將所有有機(jī)肥、鉀肥、磷肥、鈣鎂硼微量元素(有機(jī)肥20 000 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2、K2O 300 kg/hm2)均勻基施，氮素按試驗(yàn)處理將其3/5作為基肥施入耕作層，在番茄第一穗果實(shí)膨大期、第三穗果實(shí)膨大期分別追施1/5，每次追肥將尿素溶解于施肥罐中隨滴灌帶施入作物根區(qū)。全生育期內(nèi)，每株番茄在5穗果后摘心，每穗留5～6個(gè)番茄，其他噴藥等措施均按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)進(jìn)行。番茄生育期劃分為苗期(2018.06.04-2018.06.23)、開花期(2018.06.23-2018.07.21)、成熟期(2018. 07.21-2018.09.15)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目方法

測(cè)定番茄品質(zhì)取第三穗成熟的新鮮番茄進(jìn)行測(cè)定，可溶性糖采用蒽酮比色法測(cè)定[20]、有機(jī)酸采用氫氧化鈉滴定法測(cè)定[20](以蘋果酸計(jì))、VC含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定[21]、硝酸鹽含量采用硫酸-水楊酸法測(cè)定[22]、番茄紅素采用有機(jī)溶劑萃取法測(cè)定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Office Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，采用SPSS 23.0進(jìn)行方差分析和主成分分析，采用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對(duì)番茄品質(zhì)的影響

2.1.1 不同水氮處理對(duì)番茄可溶性糖含量的影響

可溶性糖是植物組織中能溶于水的糖類，其含量高低直接影響番茄的風(fēng)味和口感。圖1為不同水氮供應(yīng)下的番茄可溶性糖含量。由圖1可知，灌水處理相同時(shí)，施氮量N2處理的可溶性糖含量均達(dá)到最大值，較N1、N3處理平均高20.18%、17.71%；施氮量相同時(shí)，灌水處理為W2時(shí)的可溶性糖含量均為最高，分別為8.27%、9.33%、8.53%，分別較W4高出42.71%、17.26%、23.14%。由于灌水處理和施氮處理可能對(duì)番茄可溶性糖含量存在交互效應(yīng)。因此進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行了雙因素方差分析，如表3所示。經(jīng)方差分析，灌水處理、施氮處理與水氮交互作用對(duì)番茄可溶性糖含量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，表現(xiàn)為灌水處理>施氮處理>水氮交互。各水氮耦合處理下，W2N2處理下可溶性糖含量最高，達(dá)到9.53%，W1N3處理下番茄可溶性糖含量最少，為4.96%。

圖1 不同水氮處理下番茄可溶性糖含量Fig.1 Soluble sugar content under different water and nitrogen treatments

2.1.2 不同水氮處理對(duì)番茄有機(jī)酸含量的影響

果實(shí)中有機(jī)酸是組成果實(shí)品質(zhì)風(fēng)味的重要因素，其含量受諸多因素影響，如光照、溫度、水分、肥料等。由圖2可知，灌水處理為W1、W2和W4時(shí)，施氮量為N3時(shí)的有機(jī)酸含量均達(dá)到最低，平均低于N1、N2的16.73%、14.71%，灌水處理為W3時(shí)，施氮量為N1時(shí)的有機(jī)酸含量最低，平均低于N2、N3的20%、27.27%；施氮量為N1時(shí)，W3處理的有機(jī)酸含量最少，相對(duì)于W4低47.45%；施氮量為N2、N3時(shí)，W2處理的有機(jī)酸含量最少，相對(duì)于W4處理低30.77%、36.36%。對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行的雙因素方差分析，如表3所示。由方差分析知，灌水處理、施氮處理與水氮交互作用對(duì)番茄可溶性糖含量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，表現(xiàn)為灌水處理>施氮處理>水氮交互。各水氮耦合處理下，W4N1處理的番茄有機(jī)酸含量最多，達(dá)到0.25%，W2N3處理下番茄有機(jī)酸含量最少，為0.12%。

圖2 不同水氮處理下番茄有機(jī)酸含量Fig.2 Organic acid content under different water and nitrogen treatments

2.1.3 不同水氮處理對(duì)番茄VC含量的影響

維生素C又稱抗壞血酸，是一種水溶性維生素，具有抗氧化和抗衰老等功能。如圖3所示，灌水處理相同時(shí)，施氮量為N2時(shí)的VC含量均達(dá)到最大，分別較N1、N3高出16.43%、14.35%；施氮量為N1時(shí)，W2處理下的VC含量最多，相對(duì)于W4高出45.46%，施氮量為N2、N3時(shí)，W1處理的VC含量最高，較W4分別高出42.79%、55.27%。對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)一步的雙因素方差分析如表3所示。由方差分析知，灌水處理、施氮處理與水氮交互作用對(duì)番茄VC含量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，且灌水處理>施氮處理>水氮交互。各水氮耦合處理下，W1N2處理的番茄VC含量最多，達(dá)到0.391 8 mg/g，而W4N3處理下番茄VC含量最少，為0.217 3 mg/g。

表3 番茄品質(zhì)指標(biāo)雙因素方差分析Tab.3 Two-way ANOVA of tomato quality indexs

圖3 不同水氮處理下番茄VC含量Fig.3 VC content under different water and nitrogen treatments

2.1.4 不同水氮處理對(duì)番茄紅素含量的影響

番茄紅素主要存在于番茄成熟果實(shí)中，具有較強(qiáng)的抗氧化性及抗癌功效。如圖4所示，灌水處理為W1、W2時(shí)，施氮量為N3時(shí)的番茄紅素含量達(dá)到最大，分別較N1、N2高2.25%、4.75%、1.74%、1.94%，灌水處理為W3、W4時(shí)，施氮量為N1時(shí)的番茄紅素含量最高，分別較N2、N3高1.48%、0.1%、0.52%、0.02%；施氮量相同時(shí)，灌水處理為W4時(shí)的番茄紅素含量均達(dá)到最高。數(shù)據(jù)樣本的雙因素方差分析如表3所示。經(jīng)方差分析，灌水處理對(duì)番茄紅素含量的影響為極顯著(P<0.01)，施氮處理與水氮交互對(duì)番茄紅素含量的影響均不顯著，表現(xiàn)為灌水處理>施氮處理>水氮交互。各水氮耦合處理下，W4N3處理的番茄紅素含量最多，達(dá)42.94 mg/kg，而W1N2處理下番茄紅素含量最少，為35.40 mg/kg。

圖4 不同水氮處理下番茄紅素含量Fig.4 Lycopene content under different water and nitrogen treatments

2.1.5 不同水氮處理對(duì)番茄硝酸鹽含量的影響

硝酸鹽含量是衡量蔬菜品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，蔬菜中的高硝酸鹽含量不僅對(duì)人體存在潛在危害，同時(shí)也降低了果實(shí)品質(zhì)。如圖5所示，灌水處理相同時(shí)，施氮量為N1的硝酸鹽含量均為最低，分別低于N2、N3的20.74%、50.46%、22.89%、25.02%、0.09%、23.97%、27.75%、49.45%；在施氮量為N1與N3的處理下，灌水處理為W4時(shí)，硝酸鹽含量最低，分別為5.03、9.96 mg/kg。在N2處理下，灌水為W1時(shí)，硝酸鹽含量最低，較W4處理低1.632%。數(shù)據(jù)樣本的雙因素方差分析如表3所示。由方差分析可知，灌水處理、施氮處理與水氮交互作用對(duì)番茄硝酸鹽含量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，表現(xiàn)為施氮量>灌水處理>水氮交互。各水氮耦合處理下，W3N3處理的番茄硝酸鹽含量最多，達(dá)到12.69 mg/kg，而W4N1處理下番茄硝酸鹽含量最少，為5.03 mg/kg。

圖5 不同水氮處理下番茄硝酸鹽含量Fig.5 Nitrate content under different water and nitrogen treatments

2.2 番茄品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)

由于番茄品質(zhì)是一個(gè)綜合指標(biāo)，單獨(dú)由其中一項(xiàng)指標(biāo)并不能全面反映其等級(jí)優(yōu)劣，故需要對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析及評(píng)價(jià)。選取評(píng)價(jià)變量分別為可溶性糖(X1)、有機(jī)酸含量(X2)、VC含量(X3)、硝酸鹽含量(X4)、番茄紅素含量(X5)5個(gè)品質(zhì)指標(biāo)，利用SPSS23.0對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，根據(jù)特征值大于1的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各處理主成分進(jìn)行提取，得到評(píng)價(jià)體系的總方差解釋表，見表4。結(jié)果表明，前2個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到71.297%，因此可用這2個(gè)主成分可代替原來的5個(gè)指標(biāo)來對(duì)番茄品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。第1主成分貢獻(xiàn)率達(dá)到40.508%，主要反映可溶性糖(X1)、有機(jī)酸(X2)、VC(X3)、硝酸鹽(X5)4個(gè)指標(biāo)的影響，第2主成分貢獻(xiàn)率為30.789%，主要以番茄紅素(X4)的影響為主。結(jié)合表4與表5計(jì)算，得到主成分得分函數(shù)如下：

F1=0.166x1+0.316x2+0.170x3+0.006x4+0.296x5

(1)

表5 主成分載荷矩陣Tab.5 Component matrix

F2=0.296x1+0.035x2-0.319x3+0.480x4-0.034x5

(2)

以各主成分所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率占全部主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率的比例作為權(quán)重，計(jì)算得到綜合主成分的得分模型：

F=0.222x1+0.195x2-0.041x3+0.211x4+0.153x5

(3)

其中F表示主成分綜合得分，x1、x2、x3、x4、x5表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值，由此計(jì)算得到各處理的綜合主成分得分表，見表6。由表6判定W2N3處理下的綜合品質(zhì)最優(yōu)，W1N1處理下的綜合品質(zhì)最差。

表6 各處理主成分綜合得分及排序結(jié)果Tab.6 comprehensive score and ranking result of principal component under each treatments

3 結(jié) 論

(1)灌水處理、施氮處理和水氮交互作用對(duì)番茄可溶性糖、有機(jī)酸、VC和番茄紅素的影響達(dá)到極顯著水平，灌水處理對(duì)番茄紅素影響極顯著，施氮量及水氮耦合對(duì)番茄紅素影響不顯著。

(2)各處理下，W2N2處理的甜度最高，W2N3處理的酸度最低，W1N2處理的VC含量最高，W4N3處理的番茄紅素含量最高，W4N1處理的硝酸鹽含量最低。苗期與開花期減少灌水量能改善番茄口感，提高番茄營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的含量。采用綜合評(píng)價(jià)方法判斷灌水量與施氮量對(duì)番茄品質(zhì)的影響，得出W1N1處理下的綜合品質(zhì)最差，在W2N3處理下的綜合品質(zhì)最優(yōu)。