景 博，刁 明*，張 坤，郭鵬飛，萬(wàn)文亮，牛 寧

（1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.特色果蔬栽培生理與 種質(zhì)資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

加工番茄（Lycopersicon esculentumMill）是普通番茄的一種栽培類型，主要以制作番茄醬為主［1］，近年來(lái)我國(guó)加工番茄產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅次于排名第一的美國(guó)，新疆番茄制品約占全國(guó)產(chǎn)量的 80%～90%，隨著膜下滴灌技術(shù)的應(yīng)用，加工番茄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為新疆的“紅色產(chǎn)業(yè)”。

氮是最重要的營(yíng)養(yǎng)元素，它是組成氨基酸和酶的成分，在細(xì)胞代謝中起著核心作用［2］。隨著人口的增加，人們通過(guò)增加氮肥的施用量來(lái)提高作物產(chǎn)量，以養(yǎng)活更多的人，且預(yù)計(jì)這一現(xiàn)象會(huì)持續(xù)增加。但隨著氮肥利用效率在高氮水平下的下降，大量施用氮肥將不能有效地提高產(chǎn)量［3］，且盲目施氮導(dǎo)致了農(nóng)田土壤的酸化和地下水環(huán)境的污染［4-5］。加工番茄對(duì)水和氮的需求量較高，及時(shí)保持合理的水氮供給是加工番茄高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)［6-7］。如今膜下滴灌技術(shù)發(fā)展迅速，如何結(jié)合膜下滴灌技術(shù)的優(yōu)越 性［8-9］，合理確定加工番茄的施氮量以及施肥方案是當(dāng)前迫切需要研究的課題。

臨界氮濃度是指作物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)獲得最大生物量時(shí)的最小氮濃度值，植株內(nèi)氮濃度值在這個(gè)曲線之下，則土壤供氮成為生物量累積的限制因素之一［10］。Tei等［10］構(gòu)建了加工番茄臨界氮濃度稀釋曲線及氮素吸收模型，基于該模型可以計(jì)算出滿足加工番茄最快生長(zhǎng)的臨界需氮量。Hartz 等［11］與Farneselli等［12］研究表明基于臨界氮濃度稀釋模型，可以對(duì)滴灌加工番茄的供氮狀況是否充足進(jìn)行合理動(dòng)態(tài)診斷。就目前而言，加工番茄臨界氮濃度的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷是基于經(jīng)驗(yàn)施肥比例得出的，而以氮濃度指數(shù)函數(shù)作為施氮依據(jù)的施肥方案還鮮有研究。本試驗(yàn)基于前人臨界氮濃度模 型［13］，根據(jù)干物質(zhì)量推算各生育期的施氮比例，結(jié)合最佳灌水方案［14］，按照施氮量和施氮比例在各生育期追肥，探究在基于臨界氮濃度的氮運(yùn)籌下各生育期對(duì)氮的響應(yīng)，提出優(yōu)化灌水和優(yōu)化施肥相結(jié)合的新疆加工番茄種植方案，為提高氮素的有效利用以及加工番茄的持續(xù)高產(chǎn)提供技術(shù) 支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018～2019年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)的土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 不同年份試驗(yàn)小區(qū)土壤營(yíng)養(yǎng)水平

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為“里格爾 87-5”，用穴盤(pán)育苗，四葉一心時(shí)移栽大田。試驗(yàn)設(shè)置不施氮（N0）、施氮200 kg·hm-2（N1）、施 氮300 kg·hm-2（N2）和施氮400 kg·hm-2（N3）4個(gè)氮運(yùn)籌，小區(qū)面積為7.2 m×12 m，各重復(fù)3次，共12小區(qū)，各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列。根據(jù)加工番茄的氮素吸收模型得出的施氮比例（表2）嚴(yán)格施入尿素。

表2 基于臨界氮濃度獲得的各處理施氮比例（kg·hm-2）

在施氮量 300 kg·hm-2條件下，加工番茄各生長(zhǎng)階段追肥比例是由該生長(zhǎng)階段臨界氮吸收量（Nuptc）所占比例確定，而Nuptc是基于臨界氮濃度稀釋曲線模型所得，其加工番茄“里格爾 87-5”的臨界氮濃度稀釋曲線模型和臨界氮吸收模型［13］可用公式表示：

臨界氮濃度稀釋曲線模型：Nc=4.352DW-0.274

臨界氮吸收模型：Nuptc=43.521DW

式中，Nc為臨界氮濃度值，%；Nuptc為臨界氮吸收量，kg·hm-2；DWmax為加工番茄地上部生物量的最大值。根據(jù)加工番茄干物質(zhì)增長(zhǎng)量獲得Nuptc在各生育期所占比例，即施氮比例。施肥時(shí)將磷肥和鉀肥全部一次性施入土壤做基肥，每公頃施入養(yǎng)分量為P2O5210 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2。試驗(yàn)采取1.2 m膜，一膜兩管，一管一行的種植方式，株距30 cm，行距60 cm，滴頭間距為30 cm。灌水量為75%ET0［14］，通過(guò)水表控制，灌水周期設(shè)定為7～10 d，兩年全生育期總灌水量約為 4 700 m3·hm-2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型

為了進(jìn)一步明確作物的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，Lemaire 等［15］提出了氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI）的概念，可用公式來(lái)表示：

式中，NNI為氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)；Nt為地上部生物量氮濃度的實(shí)測(cè)值，g·（100 g）-1；Nc為根據(jù)臨界氮濃度稀釋曲線模型求得的在相同的地上部生物量時(shí)的氮濃度值，g·（100 g）-1。NNI可以直觀地反映作物體內(nèi)氮素的營(yíng)養(yǎng)狀況，NNI等于1，氮素營(yíng)養(yǎng)狀況最為適宜；NNI大于1，表現(xiàn)為氮素營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩；NNI小于1，表現(xiàn)為氮素營(yíng)養(yǎng)虧缺。

1.3.2 氮素虧缺模型

根據(jù)Greenwood 等［16］、Lemaire等［17］和 Gastal等［18］的試驗(yàn)，可推導(dǎo)出氮素虧缺模型：

式中：Ncna表示臨界氮濃度條件下植株氮積累量，kg·hm-2；DW表示植株地上部干物質(zhì)量，t·hm-2；a、b表示方程參數(shù)，根據(jù)前期試驗(yàn)獲得［13］；Nand為氮積累虧缺值；Nna表示植株在不同施氮量下的實(shí)際氮積累量，kg·hm-2。 若Nand等于0，表示植株體內(nèi)氮素積累達(dá)到最佳水平；若Nand 值大于0，表示植株的氮積累較少，并未達(dá)到最佳狀態(tài)；若Nand小于0，則表示氮積累過(guò)量。

1.3.3 干物質(zhì)量積累與氮濃度測(cè)定

在加工番茄移栽大田后，每隔7～10 d 進(jìn)行破壞性取樣，分器官于105℃ 殺青30 min，烘箱保持 80℃ 烘干至恒重并稱重。將測(cè)定過(guò)干物質(zhì)量的樣品粉碎后，通過(guò)全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定器官氮濃度。各器官氮素含量為器官含氮量與器官干物質(zhì)量的乘積，其單位為 kg·hm-2。所有器官氮素含量相加得地上部植株氮累積量。植株氮濃度為植株氮累積量與植株干物質(zhì)量的比值。

1.3.4 氮素利用效率計(jì)算

依據(jù)銀敏華等［19］的計(jì)算方法，可計(jì)算加工番茄氮肥利用率、氮肥生理利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法為：

式中：RNE表示氮肥利用率，%；AEN表示氮肥農(nóng)學(xué)利用率，kg·kg-1；NPE表示氮肥生理利用率，kg·kg-1；PEP表示氮肥偏生產(chǎn)力，kg·kg-1；CN表示施氮區(qū)植株地上部氮積累量，kg·hm-2；C0表示不施氮區(qū)植株地上部氮積累量，kg·hm-2；YN表示施氮區(qū)植株產(chǎn)量，kg·hm-2；Y0表示不施氮區(qū)植株產(chǎn)量，kg·hm-2；N表示施氮量，kg·hm-2。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析及作圖

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析，Origin 9.0軟件繪 圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮運(yùn)籌對(duì)加工番茄干物質(zhì)及氮濃度的影響

由表3可知，2018和2019年加工番茄地上部生物量隨著施氮量呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。2018年，在開(kāi)花期（定植后40 d）前，地上部干物質(zhì)量表現(xiàn)為N1與N2處理差異不顯著，其他生育階段總的表現(xiàn)為N2與N3處理顯著高于其他處理，且N2與N3處理的地上部干物質(zhì)量在拉秧期前（定植83 d前）差異不顯著；2019年，總的表現(xiàn)為50 d后N2處理的加工番茄地上部干物質(zhì)量顯著大于其他處理。說(shuō)明氮不足與氮過(guò)量均會(huì)影響加工番茄地上部干物質(zhì)量的增長(zhǎng)。

表3 基于臨界氮濃度的施氮對(duì)加工番茄干物質(zhì)的影響

由圖1可知，在基于臨界氮濃度的氮運(yùn)籌下，在同一取樣時(shí)期不同氮處理的地上部生物量中的氮濃度隨著施氮量的增加而增加，且各處理的氮濃度隨著生育期的推進(jìn)呈下降趨勢(shì)。

圖1 基于臨界氮濃度的氮運(yùn)籌對(duì)加工番茄氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.2 氮運(yùn)籌對(duì)加工番茄氮素吸收、分配和利用的影響

由圖2可知，基于臨界氮濃度的不同氮運(yùn)籌會(huì)影響加工番茄對(duì)氮素的吸收和分配。在加工番茄苗期至開(kāi)花期（定植后40 d前），植株對(duì)氮素的吸收比較緩慢，各施氮處理對(duì)氮素的吸收量及吸收速率差異不顯著。在開(kāi)花期以后，兩年試驗(yàn)的氮素吸收速率出現(xiàn)了差異，這可能是由于氣候原因，造成2018年試驗(yàn)的生育期延后造 成的。

圖2 基于臨界氮濃度的施氮量對(duì)加工番茄氮素吸收及分配的影響

2018年，植株對(duì)氮素的吸收速率出現(xiàn)了兩次吸收峰，第一次出現(xiàn)在開(kāi)花至坐果期階段（定植后43 d），在此峰的吸收速率表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0，N0、N1、N2、N3處理的氮素吸收量分別為50.47、81.69、111.89和128.51 kg·hm-2，且 葉 中 占 總吸氮量的65%、66%、63%和63%。第二次峰值出現(xiàn)在加工番茄紅熟期階段，在此峰的吸收速率表 現(xiàn) 為N2>N3>N1>N0，N0、N1、N2、N3處 理的氮素吸收量為116.78、156.96、256.9和240.29 kg·hm-2，且果中占總吸氮量的78%、70%、60%和58%；2019年植株對(duì)氮素的吸收速率只在坐果至紅熟期階段出現(xiàn)了一個(gè)吸收峰，吸收速率表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0，N0、N1、N2、N3處理的氮素吸收量為80.35、119.67、183.12和210.22 kg·hm-2，且葉 中占總吸氮量的41%、35%、31%和46%，果中占總吸氮量的26%、35%、36%和25%。兩年試驗(yàn)在紅熟期以后，植株對(duì)氮素的吸收速率逐漸減小，氮素從莖葉中向果中轉(zhuǎn)移量繼續(xù)增加，莖和葉中的氮占總吸氮量的比例繼續(xù)減小，各處理的吸氮量主要分布在果中，占總吸氮量的53%～77%。

表4為兩年試驗(yàn)所計(jì)算出的不同氮運(yùn)籌下氮素的利用效率，結(jié)果表明，隨著不同氮運(yùn)籌的變化，兩年的氮素利用趨勢(shì)基本一致；兩年的氮肥農(nóng)學(xué)利用率與氮肥利用率均表現(xiàn)為N2顯著大于N1和N3，這主要是因?yàn)镹2處理下的植株在收獲期有較高的氮素積累量和產(chǎn)量；氮肥的生理利用率隨著施氮量的增加而降低，且各處理間差異顯著；2018年氮肥的偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為N1顯著大于N2和N3處理，2019年各處理間差異不顯著。

表4 基于臨界氮濃度的氮運(yùn)籌對(duì)氮素利用效率的影響

2.3 基于臨界氮濃度的氮運(yùn)籌下各生育期適宜施氮量的分析

由圖3可知，在基于臨界氮濃度的氮運(yùn)籌下，兩年度加工番茄氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)（NNI）和氮素虧缺量隨著生育期的推進(jìn)其變化趨勢(shì)基本一致。各處理下的NNI值在0.61～1.27之間波動(dòng)，表現(xiàn)為N0和N1處理始終小于1，N2和N3處理始終大于1，且在各生育期均隨著施氮量的增加而變大；氮虧缺值在-79.2～69.7之間波動(dòng)，在各生育期隨施氮量的增加而減小，且N0和N1處理始終大于0，N2和N3處理始終小于0。

在定植后30 d以前是加工番茄的苗期階段，N1處理的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)最接近1；由氮虧缺模型可以看出，此階段各處理的氮素虧缺量均接近0，說(shuō)明在此階段田間基肥即可滿足加工番茄的生長(zhǎng)。2018和2019年的開(kāi)花期分別為定植后30～44和38～50 d，此階段加工番茄的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)旺盛，植株的需氮量增大，N0和N1處理下的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)NNI與1的差距逐漸增大，且氮虧缺量逐漸增加，N2處理在此階段的營(yíng)養(yǎng)指數(shù)NNI最接近1，且基本沒(méi)有出現(xiàn)氮虧缺。兩年分別從定植后44和50 d以后，植株開(kāi)始坐果，對(duì)氮的需求量也逐漸增加，N2處理的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)始終接近1，氮虧缺量出現(xiàn)高于或者低于實(shí)際氮需求量的兩極分化，N2處理最接近臨界需求量。

圖3 基于臨界氮濃度的氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型和氮素虧缺模型

3 討論

3.1 氮運(yùn)籌對(duì)加工番茄干物質(zhì)及氮濃度的影響

楊慧等［20］對(duì)番茄研究表明，不同施肥水平的番茄總干物質(zhì)量隨生育進(jìn)程的累積動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)“S”型特征，且總干物質(zhì)累積量以中肥處理最高，增肥和減肥均會(huì)抑制干物質(zhì)的增長(zhǎng)；不同水平氮條件下番茄地上部氮濃度值均表現(xiàn)為隨移栽天數(shù)的推移而降低，即其氮濃度值存在稀釋現(xiàn)象，并且在相同的水分條件下，氮濃度值隨施氮量的增加而增大，說(shuō)明施氮可以增大植株對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收。本試驗(yàn)基于臨界氮濃度的追肥方案下，得出在加工番茄坐果期后施氮300 kg·hm-2的條件下，干物質(zhì)積累量高于或顯著高于其他處理，施氮200 kg·hm-2和施氮400 kg·hm-2的處理均會(huì)影響干物質(zhì)的積累。氮濃度在各生育期均表現(xiàn)為隨著施氮量的增加而增大，且均隨定植后天數(shù)而降低。

3.2 氮運(yùn)籌對(duì)加工番茄氮素吸收、分配及利用的影響

作物對(duì)氮素的高效利用與作物自身對(duì)氮素的吸收特性有關(guān)，作物獲取、吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和再分配 NO3-和 NH4+的能力，是影響吸收氮素的主要因素［21-22］。李青軍等［23］研究發(fā)現(xiàn)加工番茄吸收氮素量可達(dá)到273.51 kg·hm-2，氮素最大累積速率和地上部生物量最大累積速率在移栽后6周坐果期至紅熟初期。Blaesing 等［24］研究認(rèn)為高產(chǎn)加工番茄吸收氮素量平均為466 kg·hm-2。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在基于臨界氮濃度的追肥方案下，施氮300 kg·hm-2下的加工番茄植株在拉秧期兩年的氮積累量分別為289.49和263.59 kg·hm-2，且與不施氮和施氮200 kg·hm-2下的植株氮積累量差異顯著，與施氮400 kg·hm-2下的植株氮積累量差異不顯著，說(shuō)明過(guò)量施氮不會(huì)增加加工番茄植株氮素的積累。

湯明堯等［25］研究了氮運(yùn)籌對(duì)加工番茄氮素吸收利用的影響，結(jié)果表明不同的施氮水平會(huì)影響植株對(duì)氮素的吸收積累量及分配，但不影響總的吸收趨勢(shì)，氮素吸收積累動(dòng)態(tài)和干物質(zhì)一樣呈“S”型增長(zhǎng)。還表明各生育期植株對(duì)氮素的吸收速率不同，前期對(duì)氮素吸收較為緩慢，主要分布在葉中，且各處理間的氮吸收量差異不大；盛果期氮素開(kāi)始迅速積累，施氮處理對(duì)氮素的吸收有明顯的影響；成熟期吸氮速率開(kāi)始降低，總吸氮量比例減小，且主要分布在果實(shí)中。本試驗(yàn)結(jié)果與其基本一致，氮素的積累量隨生育期呈先增加后降低趨勢(shì)。在苗期，植株對(duì)氮素吸收量和吸收速率比較小，且主要分布在葉中；在坐果期至紅熟期階段，各處理下的加工番茄對(duì)氮素的吸收速率逐漸增大，氮素吸收量也隨之增加，氮素由營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官中轉(zhuǎn)移，莖葉中的氮占總吸氮量的比例開(kāi)始減小；在拉秧期，加工番茄對(duì)氮的需求量開(kāi)始降低，吸收速率開(kāi)始下降，但不施氮、施氮200 kg·hm-2和施氮300 kg·hm-2的植株氮積累量有增加趨勢(shì)，而施氮400 kg·hm-2抑制了植株對(duì)氮素的吸收。

銀敏華等［19］研究了氮運(yùn)籌對(duì)夏玉米氮素利用的影響，結(jié)果表明不同氮處理下的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率均隨著施氮量的增加而降低，本試驗(yàn)結(jié)果表明，在基于臨界氮濃度的追肥方案下，加工番茄氮肥的生理利用率和氮肥的偏生產(chǎn)力與其變化趨勢(shì)一致，但氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥利用率與其不同，表現(xiàn)為施氮300 kg·hm-2的處理最好，且與其他處理差異 顯著。

3.3 基于臨界氮濃度的氮運(yùn)籌下各生育期適宜施氮量的分析

前人對(duì)玉米［26］、棉花［27］、小麥［28］等作物的氮營(yíng)養(yǎng)診斷進(jìn)行了分析，得出了適宜施氮量。 Erda等［29］研究表明施氮160 kg·hm-2時(shí)，加工番茄吸收氮素量為222 kg·hm-2，且可獲得高產(chǎn)。向友珍等［30］對(duì)日光溫室甜椒進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)診斷，結(jié)果表明灌水量75%ET0和施氮量190 kg·hm-2左右為最佳策略。本試驗(yàn)主要研究基于加工番茄臨界氮濃度的最佳施肥方案，結(jié)果表明，在加工番茄苗期至開(kāi)花期階段，植株對(duì)氮素的需求量較小，可適當(dāng)減少氮素的施用量。結(jié)果表明植株的最佳氮肥施用量為278 kg·hm-2。

4 結(jié)論

新疆滴灌加工番茄的最佳氮肥施用總量為278 kg·hm-2，苗期至開(kāi)花期、開(kāi)花至坐果期、坐果至紅熟期和紅熟至拉秧期施氮比例分別為16%、26%、49%和9%，此施肥方案保證了氮素的充分利用，減少了氮素對(duì)土壤環(huán)境的污染，為加工番茄的持續(xù)高產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。