李歡歡，宋嘉雯,2，孫景生，王景雷，強小嫚，劉 浩*，鄭 明，婁玉軍

（1.中國農業(yè)科學院 農田灌溉研究所/農業(yè)農村部作物需水與調控重點開放實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.塔里木大學 水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300；3.內蒙古自治區(qū)水利事業(yè)發(fā)展中心，呼和浩特 010020）

0 引 言1

【研究意義】番茄因口感好、營養(yǎng)豐富和含有抗氧化物質而備受消費者青睞[1-2]。我國是番茄生產大國，番茄產量從2014 年的5.26×107t 增長至2019年的6.29×107t，提高了19.58%[3]。番茄產量不僅受自身基因調控，還受灌溉、施肥、氣候和農藝措施等因素影響，灌溉和施氮是影響番茄產量最重要的因素。

水、氮是影響作物生長發(fā)育和產量形成的2 個主要限制因子[4]。種植者為獲得高額利潤仍沿用傳統的高水高氮灌溉施氮模式，但過量灌溉和施氮不僅不利于產量和品質的提升，還會導致土壤養(yǎng)分淋失[5-6]、氧化亞氮排放量增加[7]、地下水污染[8-9]等一系列環(huán)境問題。因此，合理的水氮管理是實現資源高效利用的關鍵[10-11]。

【研究進展】灌溉和施氮直接影響土壤中水分和養(yǎng)分狀況，間接影響植株養(yǎng)分變化。番茄50%以上的養(yǎng)分都集于果實[12]，養(yǎng)分吸收狀況決定了果實生長，最終影響產量[13]。以往研究[14-16]表明，番茄產量隨著灌水量和施氮量的增大而增大，超過一定范圍則增幅不大甚至降低。灌溉和施氮可顯著促進果實對氮、鉀的吸收[13]，適量的氮、鉀施用可促進對彼此的吸收，促進果實產量的形成；反之會阻礙產量的形成[17]。

番茄是營養(yǎng)和生殖生長同步進行的作物，各穗層果實被葉片遮蔭的面積和厚度各不相同，導致接收太陽輻射的強度和時長也不同。各穗層果實生長發(fā)育不同步致使植株向各穗層果實轉運的水分和養(yǎng)分也存在差異，成熟果實的水分占鮮質量的89%～95%[18]，養(yǎng)分占整株養(yǎng)分的50%以上[12]。番茄產量由各穗層的坐果數和單果質量構成，因此，果實水分和養(yǎng)分對各穗層產量構成要素必然會產生影響[11,19]。目前，果實養(yǎng)分及產量構成要素在不同果枝間的變化已在蘋果、棗和板栗等果樹方面開展了研究；蘋果和棗的產量構成要素在中部果枝最大；板栗產量構成要素在下部果枝最小，在中部和上部果枝間無顯著差異[20-22]?！厩腥朦c】然而，有關番茄果實養(yǎng)分和產量構成要素的研究大多局限于某一或某幾穗層果實，更多的研究側重于整株養(yǎng)分吸收和產量[11,14,23]，缺乏不同灌水量和施氮量對各穗層果實養(yǎng)分和產量構成要素的影響研究?！緮M解決的關鍵問題】因此，本研究通過溫室滴灌番茄試驗，研究不同水氮供應對番茄各穗層果實含水率、養(yǎng)分和產量構成要素的影響，以期為實現溫室番茄各穗層產量同步提升的水肥管理模式提供技術支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2020 年3—7 月在中國農業(yè)科學院新鄉(xiāng)綜合試驗基地（35°9′N，113°47′E，海拔78.7 m）的溫室中進行，該地區(qū)多年平均降水量為548.3 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 908.7 mm，屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫為14.1 ℃，日照時間為2 398.8 h，無霜期為200.5 d。

溫室坐北朝南，東西走向，地表下沉50 cm，頂部和南側面均覆蓋無滴聚乙烯薄膜，墻體內鑲嵌60 cm 厚度的保溫材料。為保證溫室內夜間溫度，在無滴聚乙烯膜表面覆蓋2.5 cm 厚度的棉被，溫室內的溫濕度由通風口控制。溫室內土壤為粉砂壤土，0～60 cm 土層的土壤體積質量為1.59 g/cm3，田間持水率為23%（質量含水率），番茄移栽前土壤養(yǎng)分狀況如表1 所示。

表1 試驗開始前0～60 cm 土層的土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Soil basic nutrient in 0～60 cm deep before the experiment

1.2 農藝栽培措施

番茄供試品種為火鳳凰，生長發(fā)育至五葉一心時，采用寬窄行種植模式（65 cm×45 cm，株距30 cm），將長勢一致、健康的幼苗移栽至每個小區(qū)。坐5 穗果后留頂葉3～4 片打頂，每穗層留果3～4 個，側枝生長至3～5 cm 時進行移除，進入開花期后每7 天進行1 次噴花，以提高番茄坐果率。其他農藝管理措施在所有處理間均一致。在每穗層90%的果實變紅時開始進行采摘，5 月21 日采摘第1 穗層果實，各穗層果實單獨采摘，每7 天采摘2 次。

1.3 試驗設計

采取裂區(qū)試驗，設計4 個施氮水平（主區(qū)）和3 個灌溉水平（副區(qū)），共12 個處理，每個處理重復3 次。4 個施氮水平分別為 0、150、300、450 kg/hm2（分別記為N0、N1、N2、N3），3 個灌溉水平的灌水定額分別為累積蒸發(fā)量（Epan）的 50%（I1）、70%（I2）和90%（I3），其中Epan為番茄冠層上方20 cm 處的標準蒸發(fā)皿（直徑20 cm，深11 cm）的累積蒸發(fā)量[14]。所有小區(qū)施入等量的磷肥120 kg/hm2（Ca(H2PO4)2·H2O，P2O5比例為14%）和鉀肥300 kg/hm2（K2SO4，K2O 比例為50%）。移栽前，將所有磷肥、40%的氮、鉀肥均勻灑至土壤表層作為底肥，剩余60%分別在各穗層果實膨大期通過灌溉系統隨水追肥。試驗開始后于每日07:00 采用量程為10 mm 的量筒測量前1 天的蒸發(fā)量，測量結束后將蒸發(fā)皿洗凈，并重新注入20 mm 蒸餾水，當Epan達到（20±2）mm 時，所有處理開始灌溉。移栽后，為保證活苗，所有處理灌溉20 mm 活苗水，當0～40 cm 土層的土壤含水率首次下降至田間持水率的65%±5%時，開始進行首次灌溉，試驗結束前7 d 停止灌溉。

1.4 觀測項目與方法

1）灌水定額計算式為：

式中：I為灌水量（m3）；Epan為冠層上方20 cm 處的標準蒸發(fā)皿的累積蒸發(fā)量（mm）；K為標準蒸發(fā)皿累積蒸發(fā)量控制灌溉的百分比（%）；A為控制灌溉小區(qū)面積（m2）。

2）果實含水率（FW）：于果實成熟期在各小區(qū)每個穗層選取4 個大小均勻、無損傷、無病蟲害且色澤一致的新鮮果實，用蒸餾水將每個果實清洗干凈并擦干后測量其鮮質量，首先將新鮮果實放置在105 ℃烘箱中殺青30 min，在75 ℃烘箱中烘干至恒質量，最后用精度為0.01 g 的電子天平測量其干質量，果實含水率的計算式為：

式中：FW為果實含水率（%）；W鮮為果實鮮質量（g）；W干為果實干質量（g）。

3）果實養(yǎng)分：將測量果實含水率對應的果實干物質粉碎后過0.15 mm 篩，測量果實干物質的全氮（TN）和全鉀（TK）量，其中TN 采用AA3 流動分析儀（AA3, Germany）測定，TK 采用火焰光度計法測定，并將干物質水平的氮、鉀量轉化為鮮果水平上的量，新鮮果實全氮量（FTN）和全鉀量（FTK）的計算式為：

式中：FTN和FTK分別為新鮮果實的全氮量和全鉀量（mg/g）。

4）果實坐果數、單果質量和產量：為消除邊際效應，于果實成熟采摘期在每個小區(qū)中間選擇20 株植株，記錄20 株植株每穗層的果實數，每個處理重復3 次，并使用精度為0.01 g 的電子天平稱量每穗層的單個果實質量，對各穗層果實產量進行單獨核算。

1.5 數據處理方法

采用Microsoft Excel 2016 和Origin 2018 軟件對數據進行分析和作圖，采用統計軟件SPSS 17.0 對試驗數據進行方差分析，采用Duncan 新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 灌水量和施氮量對番茄各穗層果實含水率的影響

由圖1（a）可知，番茄不同穗層間果實含水率（FW）存在顯著差異。FW隨穗層增加呈先減小后增大的變化趨勢，其中第4 穗層最大，第5 穗層次之，第2 穗層最小。

圖1 番茄不同穗層間平均果實含水率、全氮量和全鉀量的變化Fig.1 Variation of average fruit water content, total nitrogen and total potassium among trusses for single-plant tomato

灌水量和施氮量對各穗層FW影響的方差分析結果表明（表2），灌水量顯著影響每穗層FW，施氮量僅顯著影響第1 穗層和第3 穗層FW，而灌水量和施氮量的交互作用對各穗層FW均無顯著影響。各穗層FW均隨灌水量增大而增大，與I1 處理相比，I2 處理和I3 處理各穗層FW平均分別提高了0.16%和0.37%。各穗層FW均隨施氮量增大而減小，與N0 處理第1～第5 穗層FW相比，N1 處理的FW分別降低了0.19%、0.09%、0.31%、0.03%和0.05%，N2 處理的FW分別降低了0.25%、0.26%、0.32%、0.08%和0.08%，N3 處理的FW分別降低了0.49%、0.38%、0.42%、0.15%和0.11%，說明增施氮肥對第1～第3 穗層FW影響相對較大，而對第4 穗層和第5 穗層FW影響較小。

表2 不同水氮處理下溫室番茄各穗層果實含水率Table 2 Effects of different water and nitrogen treatments on fruit water content of each truss in greenhouse tomato

2.2 灌水量和施氮量對各穗層果實養(yǎng)分的影響

2.2.1 各穗層果實全氮量（FTN）

FTN隨穗層增加呈先減小后增大的變化規(guī)律（圖1（b）），其中第1 穗層最大，第4 穗層最?。慌c第4 穗層相比，第1、第2、第3 穗層和第5 穗層的FTN分別提高了 28.61%、24.22%、4.33%和23.37%。灌水量、灌水量和施氮量的交互作用對各穗層FTN均未產生顯著影響，施氮量顯著影響各穗層FTN。與N0 處理第1～第5 穗層的FTN相比，N1處理的FTN分別提高了10.31%、10.53%、13.92%、4.94%和4.00%，N2 處理的FTN分別提高了20.62%、16.84%、16.46%、9.88%和10.00%，N3 處理的FTN分別提高了 30.93%、26.32%、29.11%、13.58%和14.00%，說明增施氮肥對第1～第3 穗層FTN的影響大于其對第4 穗層和第5 穗層的影響（表3）。

表3 水氮對溫室番茄各穗果實全氮量（FTN）和全鉀量（FTK）的影響Table 3 Effects of water and nitrogen on the content of fruit total nitrogen and total potassium among trusses in greenhouse tomato

2.2.2 各穗層果實全鉀量（FTK）

FTK隨穗層增加呈先增大后減小的變化規(guī)律（圖1（c）），其中第2穗層最大，第4穗層最小，第1、第2、第3穗層和第5穗層的FTK相比第4穗層分別增加了0.75%、18.57%、4.32%和3.28%。

灌水量、灌水量和施氮量的交互作用對各穗層FTK均未產生顯著影響，施氮量顯著影響各穗層FTK。與N0處理的第1～第5穗層的FTK相比，N1處理的FTK分別提高了6.35%、5.96%、8.33%、4.65%和4.44%，N2處理的FTK分別提高了11.90%、9.93%、9.85%、8.53%和5.93%，N3處理的FTK分別提高了19.05%、13.25%、13.64%、10.08%和8.15%，說明增施氮肥對第1～第3穗層FTK的影響大于對第4穗層和第5穗層的影響。

2.3 灌水量和施氮量對各穗層產量構成要素的影響

2.3.1 各穗層坐果數

番茄不同穗層間坐果數的變化如圖2（a）所示。坐果數隨穗層的增加呈先增大后減小的變化規(guī)律，其中第2 穗層最大，第3 穗層次之，第5 穗層最小。

圖2 單株番茄不同穗層間平均坐果數、單果質量和產量Fig.2 Variation of average fruit-setting number, fruit weight and yield among trusses for single-plant tomato

灌水量和施氮量均極顯著影響各穗層坐果數（除第2 穗層外），灌水量和施氮量的交互作用僅顯著影響第1、第4、第5 穗層的坐果數（表4）。適量增加灌水量有利于提高各穗層坐果數，但灌水量超過70%Epan時的提升幅度不大甚至下降。與I1 處理相比，I2 處理和I3 處理的單株總坐果數分別提高了11.51%和12.23%。適量增施氮肥有利于提高各穗層的坐果數，但施氮量超過150 kg/hm2時，提升幅度較小甚至下降（除第4 穗層外）；與N0 處理比較，N1、N2 處理和N3 處理的單株總坐果數分別提高了15.33%、10.95%和13.87%（表4）。

表4 水氮對單株番茄各穗層坐果數的方差分析Table 4 Variance analysis of water and nitrogen on fruit-setting number per truss of single-plant tomato

2.3.2 各穗層平均單果質量

番茄不同穗層間的平均單果質量存在顯著差異（圖2（b）），其中第2 穗層最大，第1 穗層最小，但第2、第4、第5 穗層的平均單果質量無顯著差異。與第1 穗層相比，第2、第3、第4 穗層和第5 穗層的平均單果質量分別提高了 21.96%、10.50%、18.98%和21.76%。

灌水量、施氮量對各穗層平均單果質量的方差分析表明（表5），灌水量顯著影響各穗層的平均單果質量，施氮量僅顯著影響第1、第3 穗層和第5 穗層平均單果質量，灌水量和施氮量的交互作用僅顯著影響第4 穗層的平均單果質量。同一施氮量下（除N0 處理下的第5 穗層和N1 處理下的第4 穗層外），增加灌水量有利于提高各穗層平均單果質量；與I1 處理相比，I2 處理和I3 處理的單株平均單果質量分別提高了5.05%和12.23%。增施氮肥顯著降低了第1 穗層平均單果質量，提高了第3 穗層和第5 穗層平均單果質量，但無論對于哪一穗層，施氮量超過150 kg/hm2時提高幅度均不大甚至有下降趨勢，且施氮對單株平均單果質量無顯著影響。

2.3.3 各穗層產量

番茄不同穗層間的產量存在顯著差異（圖2（c）和表6），產量隨穗層增加呈先增大后減小的變化趨勢，其中第2 穗層最大，第1 穗層最小。第1～5 穗層產量分別占單株總產量的 13.49%～19.42%、21.43%～27.19%、17.34%～22.83%、17.32%～22.99%和15.12%～19.71%。

表6 水氮對單株番茄各穗層產量的影響Table 6 Effects of water and nitrogen on each truss yield of single-plant-tomato

灌水量、施氮量及灌水量和施氮量的交互作用均極顯著影響各穗層果實產量（P＜0.001）。同一施氮量下，各穗層產量均隨灌水量的增大而增大，與I1 處理相比，I2 處理和I3 處理的單株總產量分別提高了17.53%和25.91%，但I2 處理的單株總產量相比I3 處理的僅降低了6.66%。同一施氮量下，適量施氮有利于提高各穗層產量，但施氮量超過150 kg/hm2時提高幅度較小甚至下降，與N0 處理相比，N1、N2 處理和N3 處理的單株總產量分別提高了13.63%、10.66%和8.42%。

2.3.4 各穗層產量構成要素與產量的關系

番茄各穗層產量構成要素與其對應穗層產量之間的相關分析如圖3 所示。由圖3（a）可知，各穗層產量與坐果數均呈極顯著的正相關。各穗層產量與平均單果質量均呈顯著的正相關（圖3（b））。各穗層坐果數對產量的影響明顯大于平均單果質量的影響。

圖3 單株番茄各穗層產量與坐果數和平均單果質量的相關性Fig.3 Correlation between fruit yield, fruit-setting numbers and average fruit weight for each fruit truss

3 討 論

番茄不同穗層果實生長發(fā)育在時間上的不同步勢必會造成其對水分和養(yǎng)分的吸收存在差異。本研究發(fā)現，果實FTN隨著穗層增加呈先降低后升高的變化趨勢。主要原因如下：一是從庫源理論角度來說，在果實生長發(fā)育過程中，下層（第1、第2 穗層）果實坐果早，中層（第3、第4 穗層）開花坐果時，下層果實正處于快速膨大的生長旺盛階段，強庫有利于吸收更多的養(yǎng)分；二是中層果實含水率顯著高于下層（圖1（a）），果實水分的稀釋作用導致該層果實FTN顯著降低。當頂層（第5 穗層）的果實處于快速膨大期時，植株營養(yǎng)生長已趨于穩(wěn)定，且前3 穗層果實已成熟，第4 穗層果實已趨于成熟，植株吸收的養(yǎng)分主要用于頂層果實的生長，使頂層果實FTN提高。

適量施氮有利于鉀的累積吸收，過量或不足均不利于其對鉀的吸收[12]。由于不同穗層間FTN差異較大，導致各穗層果實對鉀的吸收差異較大。果實全鉀量（FTK）在第2 穗層最大，一方面是第2 穗層FTN較適宜，促進了果實對鉀的吸收，而齊紅巖等[17]和王軍偉等[24]研究表明，適量施氮可以促進果實對鉀的吸收；另一方面是該穗層果實含水率的濃縮作用引起（表2）。盡管第1 穗層果實含水率較小，具有濃縮作用，但該層FTK不是最大的，因FTN過高抑制了果實對鉀的吸收[12]，說明施氮對果實鉀吸收的影響大于果實含水率濃縮作用的影響。中層FTK較小，一方面是果實含水率的稀釋作用引起的（表2）；另一方面是FTN較低（圖1（b））不利于果實對鉀的吸收[12]。頂層FTK較低是果實含水率的稀釋作用和氮過高抑制對鉀的吸收共同影響的。因此，番茄的養(yǎng)分管理與糧食作物“前蓄后轉”的養(yǎng)分調控理念不同[25]，應依據自身長勢、留穗層數及每穗層果實所需養(yǎng)分以“前降中補后降”的追肥管理策略進行，以達到節(jié)肥增效的目的。

減少灌水量使韌皮部汁液向果實的轉運受阻，汁液中溶質濃度增加使通過木質部向果實輸送的水量減小[26]，因此果實含水率隨灌水量的減少而顯著降低，與前人研究結果類似[27]。本研究發(fā)現，灌水量對FTN和FTK無顯著影響，但以往研究結果表明，灌水量顯著影響果實全氮量[9,28]，這與本研究結果不一致。各穗層FTN和FTK隨施氮量增大而顯著增大，可能是增加施氮量促進了番茄根系的生長，使其從土壤中吸收更多的養(yǎng)分[29]，這與湯明堯等[12]的研究結果一致。

番茄不同穗層間坐果數和平均單果質量存在顯著差異，且第2 穗層坐果數和平均單果質量最大，可能是由于該穗層FTN和FTK較大（圖1（c）），二者的協同作用促進了番茄坐果、果實膨大和產量形成。孫紅梅等[30]也認為，合適的氮、鉀濃度可顯著增加番茄坐果和產量；第5 穗層坐果數最少，主要是因為該穗層果實暴露在空氣中的時長和面積增大，且該穗層開花坐果期10:00—16:00 時間段空氣溫度較高，濕度小，高溫低濕引起花蕾灼傷而降低了坐果率[31]。由于第1 穗層果實處于最底層，接收的太陽輻射較弱，光合能力弱[32]，且高氮低鉀不協調的氮、鉀比例不利于果實膨大[30]，使第1 穗層平均單果質量降低，導致產量也降低。今后仍需進一步探究不同追肥模式對番茄各穗層果實產量構成要素的調控機制，以實現各穗層果實產量協同提升的目標。

本研究發(fā)現，適量增加灌水量可提高各穗層坐果數、平均單果質量和產量，但灌水量超過70%Epan各穗層坐果數提高幅度不大甚至降低。Veit-Kohler 等[33]研究表明，增加灌水量可顯著提高坐果數，但對單果質量無顯著影響，這與本研究結果不一致。這可能是前人在果實生長階段實施水分調控，且虧缺灌溉處理的灌水量相比高水處理下降了15.00%。各穗層產量隨灌水量的增大而提高，這與前人[14,34]研究結果一致。適量施氮可顯著提高各穗層坐果數、產量和單株產量，但施氮量超過150 kg/hm2，其提高幅度不大甚至下降。一方面是施氮量超過了植株生長所需的最佳需氮量，破壞了植株重要的酶系統而停止生殖生長[35]；另一方面是施氮量過大導致果實在膨大期落果而降低坐果數[36]，致使產量下降。Loan 等[37]研究表明，適量施氮（低于180 kg/hm2）可提高坐果數，但對單株平均單果質量無顯著影響，與本研究結果類似。但也有研究得出不同結論，如Rashid 等[38]和Ahmad 等[39]研究表明適量增施氮肥可顯著提高單果質量和坐果數，過量施氮反而降低，這與本研究結果不一致，可能是種植密度及留穗層數不同，或是土壤基礎肥力和區(qū)域氣候差異所致。本研究發(fā)現番茄總產量主要受第2 穗層和第3 穗層產量影響，而第1 穗層和第5 穗層產量占總產量比例較小。因此，今后仍需進一步研究不同追施比對番茄各穗層產量形成的影響，明晰不同水氮供應對番茄各穗層果實產量構成要素形成的調控機制。

4 結 論

溫室番茄不同穗層間果實含水率、養(yǎng)分吸收和產量構成要素存在顯著差異，適時適量的灌水施氮對提高溫室番茄各穗層果實養(yǎng)分吸收及產量形成具有重要作用。

增加灌水量顯著提高了各穗層果實含水率、平均單果質量和坐果數，但灌水量超過70%Epan時各穗層坐果數提高幅度不大甚至下降。

增施氮肥顯著降低了各穗層果實含水率，提高了各穗層果實對養(yǎng)分的吸收和坐果數，但施氮量超過150 kg/hm2時各穗層坐果數提高不顯著甚至降低，與N0 處理相比，N1、N2 處理和N3 處理單株總坐果數分別提高了15.33%、10.95%和11.68%。

增加灌水量主要是通過增加單果質量來提高產量，施氮主要是通過調控果實對氮、鉀的吸收影響坐果數進而影響產量。綜合考慮本研究區(qū)域最優(yōu)的水氮管理模式為：施氮量 150 kg/hm2+灌水定額70%Epan。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）