王雪科 吳春燕 韓瀟怡 靳慧慧 宋春羽 吳俊英
摘要:為探討水肥耦合對(duì)番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,以設(shè)施番茄為研究對(duì)象,采用水肥一體化技術(shù)盆栽栽培,設(shè)置3種單株灌水量水平(W1,60%θF;W2,70%θF;W3,80%θF)與3個(gè)肥料濃度(F1:1/4常規(guī)用肥;F2:1/2常規(guī)用肥;F3:3/4常規(guī)用肥),以常規(guī)灌水施肥處理作為對(duì)照,測(cè)定相關(guān)形態(tài)指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo)及產(chǎn)量。結(jié)果表明,水肥耦合對(duì)日光溫室番茄產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著影響,番茄產(chǎn)量隨肥料用量的增加表現(xiàn)出先增加再減少的趨勢(shì);水分利用效率隨施肥量的增加呈下降趨勢(shì),合理施肥有利于提高水分利用效率;W2F2和W3F3條件下番茄綜合品質(zhì)較高;適當(dāng)降低灌水量有利于番茄品質(zhì)的提高,過(guò)多的水分或肥料均會(huì)造成番茄品質(zhì)下降。綜合考慮品質(zhì)、產(chǎn)量、水分利用效率等因素,長(zhǎng)春地區(qū)日光溫室番茄選擇W2(70%θF)F2(1/2常規(guī)用肥)作為最優(yōu)水肥組合。
關(guān)鍵詞:設(shè)施番茄;水肥一體化;生理指標(biāo);產(chǎn)量;品質(zhì)
中圖分類號(hào):S641.206文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1002-1302(2023)20-0167-05
番茄是全球種植最多的蔬菜之一,據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年全球番茄產(chǎn)量為18 205萬(wàn)t左右,同比增長(zhǎng)0.7%,中國(guó)番茄種植面積約為505.5萬(wàn)hm2,是我國(guó)主要設(shè)施蔬菜栽培種類之一[1]。設(shè)施番茄如何獲得更高的產(chǎn)量和更好的品質(zhì),是種植戶和消費(fèi)者關(guān)心的問(wèn)題,也是相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。但生產(chǎn)上,設(shè)施番茄生產(chǎn)中過(guò)量灌溉施肥現(xiàn)象相當(dāng)普遍[2],這導(dǎo)致了番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的下降。此外,生產(chǎn)實(shí)踐中很少考慮水肥之間的螯合效應(yīng),加上我國(guó)水資源貧乏及用水不合理,更加劇了化肥浪費(fèi)[3]。在這樣的背景下,水肥一體化技術(shù)被引入我國(guó)。水肥一體化是利用管道灌溉系統(tǒng),將肥料溶解在水中,同時(shí)進(jìn)行灌溉與施肥,適時(shí)、適量地滿足農(nóng)作物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求,實(shí)現(xiàn)水肥同步管理和高效利用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)[4]。我國(guó)目前番茄平均單產(chǎn)僅 7 kg/m2,而荷蘭水肥一體化溫室番茄單產(chǎn)高達(dá) 75 kg/m2[5],可以看出我國(guó)與世界先進(jìn)水平還有相當(dāng)差距。
自2008年吉林省政府啟動(dòng)“百萬(wàn)畝棚膜蔬菜建設(shè)工程”以來(lái),截至2020年年末,吉林全省蔬菜類種植規(guī)模已達(dá)到22萬(wàn)hm2,產(chǎn)量1 250萬(wàn)t,設(shè)施園藝棚室面積達(dá)到4.61萬(wàn)hm2,其中標(biāo)準(zhǔn)溫室 0.63萬(wàn)hm2、標(biāo)準(zhǔn)大棚2.57萬(wàn)hm2、簡(jiǎn)易棚室 1.42萬(wàn)hm2,累計(jì)建設(shè)規(guī)模園區(qū)660個(gè)[6]。雖然水肥一體化技術(shù)已在吉林省設(shè)施栽培中有所推廣,但大多數(shù)種植戶仍憑經(jīng)驗(yàn)管理,缺乏理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。本研究以吉林省栽培面積較大的設(shè)施番茄為研究對(duì)象,探討水肥一體化模式下水肥耦合對(duì)溫室番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,旨在為區(qū)域設(shè)施番茄水肥一體化提供合理的水肥方案。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料
試驗(yàn)于2020年4—9月在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院蔬菜基地的五連拱內(nèi)進(jìn)行。采用盆栽試驗(yàn),試驗(yàn)使用盆體積為10.6 L(頂邊直徑27.5 cm,底部直徑 20 cm,深24 cm)。盆栽所用土壤為園土,每盆裝土12.8 kg。盆的底部開(kāi)有小孔,可以自由排水,在試驗(yàn)處理期間,沒(méi)有水從盆中浸出。在番茄幼苗長(zhǎng)至5葉期時(shí)將其移植到盆中,每盆1株。土壤含水量通過(guò)土壤張力計(jì)測(cè)定。盆土最大持水量為34.6%(體積含水量),永久萎蔫點(diǎn)為11.0%。其土壤理化性狀為:有機(jī)質(zhì)含量10.64 g/kg,堿解氮含量 219.48 mg/kg,速效磷含量104.21 mg/kg,速效鉀含量116.62 mg/kg,土壤pH值為7.18。
供試番茄品種為吉粉6號(hào),由吉林省蔬菜花卉科學(xué)研究院提供。試驗(yàn)所用肥料為尿素(總 N≥46.4%)、磷酸二氫鉀(K2O≥34%、P2O5≥52%)和硫酸鉀(K2O≥57.0%)。試驗(yàn)采用水肥一體化系統(tǒng)灌溉施肥,水肥一體化系統(tǒng)主要包括水源、儲(chǔ)水罐、水泵、主管道、毛管、箭式滴頭。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)置3種單株灌水量水平,灌水下限設(shè)W1(60%θF)、W2(70%θF)、W3(80%θF)3個(gè)水平,灌水上限統(tǒng)一設(shè)定為田間持水量θF,當(dāng)土壤含水率降到灌水下限時(shí)進(jìn)行灌水。設(shè)置3個(gè)肥料濃度,分別為F1(1/4常規(guī)用肥)、F2(1/2常規(guī)用肥)、F3(3/4常規(guī)用肥)。采用水肥一體化盆栽試驗(yàn),以常規(guī)灌水施肥處理作為對(duì)照,共10個(gè)處理,3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,試驗(yàn)處理見(jiàn)表1。除水肥外,其他栽培管理措施均一致。
1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法
株高采用卷尺測(cè)定植株從地面第1張子葉到頂部生長(zhǎng)點(diǎn)的高度;莖粗采用游標(biāo)卡尺測(cè)定由下往上第3個(gè)節(jié)位上方1 cm處的直徑。葉面積采用游標(biāo)卡尺測(cè)量所標(biāo)記葉片的長(zhǎng)度和寬度,并根據(jù)回歸模型計(jì)算得到番茄的葉面積[7]。葉面積S=L×D×0.546 8,式中:L指葉片長(zhǎng);D指葉片寬。
果實(shí)成熟后每隔7 d采收1次成熟度一致的番茄,記錄每次番茄單株產(chǎn)量,統(tǒng)計(jì)各盆單株灌溉水量,并最終對(duì)各盆產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。水分利用效率WUE=Y/I,式中:Y代表番茄產(chǎn)量;I代表全生育期的植株灌溉量。
采用手持糖度計(jì)法測(cè)定可溶性固形物含量;采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[8];采用pSH-25型酸度計(jì)測(cè)定有效酸度;采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定維生素C含量[8];采用滴定法測(cè)定可滴定酸含量[8];采用紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽的含量[8];采用水楊酸比色法測(cè)定硝態(tài)氮含量[8];采用丙酮/石油醚提取和紫外分光光度法測(cè)定番茄紅素含量[9]。
1.4 數(shù)據(jù)處理
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行整理,采用SPSS 27統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析與主成分分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 水肥耦合對(duì)番茄植株形態(tài)指標(biāo)的影響
2.1.1 水肥耦合對(duì)番茄株高的影響
由圖1可知,水肥耦合對(duì)番茄株高的影響顯著。當(dāng)灌溉量一定時(shí),植株隨施肥量不同產(chǎn)生不同變化趨勢(shì)。當(dāng)灌溉量為W1、W2時(shí),株高隨施肥量的增加而先升后降,當(dāng)灌溉量為W3時(shí),株高隨施肥量的增加逐步增加。當(dāng)施肥量一定時(shí),植株隨灌溉量不同而產(chǎn)生不同變化趨勢(shì)。當(dāng)施肥量為F1、F2時(shí),株高隨灌溉量的增加而先升后降;當(dāng)施肥量F3時(shí),植株株高隨灌溉量的增加而先降后升,表明適宜的肥料濃度更利于植株株高增長(zhǎng)。W2F2處理株高最高,且與W3F2、W3F3差異顯著,表明過(guò)高的水分或肥料濃度均不利于植株株高增長(zhǎng)。
2.1.2 水肥耦合對(duì)番茄莖粗的影響
由圖2可知,水肥耦合對(duì)番茄莖粗的影響顯著。當(dāng)灌溉量一定時(shí),植株隨施肥量不同產(chǎn)生不同變化趨勢(shì)。當(dāng)灌溉量為W1時(shí),莖粗隨施肥量的增加而先升后降,當(dāng)灌溉量為W2及W3時(shí),莖粗隨施肥量的增加逐步增加。當(dāng)施肥量一定時(shí),植株隨灌溉量不同產(chǎn)生不同變化趨勢(shì)。當(dāng)施肥量為F1時(shí),莖粗在W2時(shí)最高,W3次之,W1最低;當(dāng)施肥量為F2和F3時(shí),植株莖粗隨水分的增加而先升后降,表明W2F3、W2F2更利于植株莖粗的增長(zhǎng)。而W1F1處理莖粗最短且與其他處理均有顯著差異,表明過(guò)低的水分和肥料濃度不利于番茄莖粗的增加。
2.1.3 水肥耦合對(duì)番茄葉面積的影響
由圖3可知,番茄葉面積受水肥耦合影響顯著。當(dāng)灌溉量為W1、W2時(shí),葉面積隨施肥量的增加而先增加再降低,當(dāng)灌溉量為W3時(shí),葉面積隨施肥量的增加逐步增加;而當(dāng)施肥量一定時(shí),葉面積均表現(xiàn)為隨灌溉量的上升而先增加再降低;W2F2處理葉面積最高,W2F3處理次之,兩者無(wú)顯著差異且與其他處理差異顯著,表明適宜灌水量更有利葉面積增加,過(guò)低或過(guò)高灌水量均不利于葉面積增加;W1F1處理與W2F1處理差異顯著且與W3F1處理無(wú)顯著差異,表明適宜施肥量更有利于葉面積增加,過(guò)高或過(guò)低灌水量均不利于葉面積增加。
2.2 水肥耦合對(duì)單株產(chǎn)量與水分利用效率的影響
2.2.1 水肥耦合對(duì)單株產(chǎn)量的影響 單株產(chǎn)量受水肥耦合影響顯著。從表2可知,對(duì)照組產(chǎn)量最低,水肥耦合的番茄單株產(chǎn)量均顯著高于對(duì)照組。W3F2處理單株產(chǎn)量最高,為2.72 kg,高于對(duì)照組42.4%,高于W1F1 16.7%,與W2F3、W3F1、W2F2處理無(wú)顯著性差異。表明當(dāng)灌水量一定時(shí),番茄產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨施肥量的增加而增加,但當(dāng)施肥量增加到一定程度時(shí),番茄產(chǎn)量反而有所下降;處理組中W1F1的單株產(chǎn)量最低,低于W2F1 4.2%,高于對(duì)照組22.0%,與W1F2、W1F3、W2F1、W3F1差異不顯著。表明當(dāng)施肥量一定時(shí),番茄產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨著灌溉量的增加而增加,但當(dāng)灌溉量增加到一定程度后,產(chǎn)量增加效益不明顯;W2F1、W1F1處理的產(chǎn)量相較其他處理組較低且兩者差異不顯著,表明施肥下限對(duì)番茄產(chǎn)量的影響大于灌溉下限。
2.2.2 水肥耦合對(duì)水分利用效率的影響
作物生理學(xué)上一般認(rèn)為水分利用效率即是單位耗水量的作物產(chǎn)量,可以直觀反映植物生產(chǎn)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化效率。如表2所示,水肥耦合對(duì)番茄水分利用效率的影響存在顯著差異??傮w而言,采用水肥一體化處理的水分利用效率均顯著高于對(duì)照組,其中處理組中W3F1水分利用率最高,達(dá)到76.91 kg/m3,比CK高了54.6%,W3F3水分利用效率最低,為 64.17 kg/m3,比CK高了29%。在F1條件下,番茄水分利用效率隨灌溉量的增加而增加,而在F2、F3條件下,番茄水分利用效率隨灌溉量的增加而降低,說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加灌溉量有利于水分利用率的提高,水分過(guò)高反而會(huì)使水分利用率降低。而當(dāng)灌溉量一定時(shí),番茄水分利用效率隨施肥量的增加而降低,表明在一定范圍內(nèi)肥料的增施能提高作物對(duì)水分的吸收利用。
2.3 水肥耦合對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響
2.3.1 對(duì)單一品質(zhì)指標(biāo)的影響
不同處理下番茄果實(shí)品質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。水肥耦合對(duì)番茄各指標(biāo)的影響差異較大。W3F3和W2F2處理可溶性糖含量較其他處理有顯著差異,表明合適的水肥比例有利于提高番茄可溶性糖含量;W1F3、W2F3可溶性酸含量無(wú)顯著差異,與W3F3差異顯著,而W1F3可溶性酸含量最高,W3F1最低,說(shuō)明施肥量一定時(shí),番茄可溶性酸含量隨灌溉量的增加而增加;W3F1糖酸比最高,W1F3糖酸比最低,說(shuō)明灌溉量一定時(shí),施肥量越低時(shí)糖酸比反而越高;維生素C含量表現(xiàn)為CK、W1F1處理較低,W3F2、W2F2處理較高,說(shuō)明傳統(tǒng)大水漫灌過(guò)量施肥與低水低肥均不有利于維生素C的形成,合適的水肥比例更有利于提高番茄維生素C含量;水肥耦合對(duì)番茄紅素的形成具有顯著影響,灌溉量一定時(shí),W1、W2處理番茄紅素含量隨施肥量增加而先增后降,W3處理番茄紅素含量隨施肥量的增加而增加,施肥量一定時(shí),F(xiàn)1、F2處理番茄紅素含量隨灌溉量的增加而先增后降,F(xiàn)3處理則先降后增;而番茄果實(shí)硝酸鹽含量均隨水分的增加而降低,隨施肥量的升高而升高。
2.3.2 對(duì)綜合品質(zhì)的影響
只對(duì)單一指標(biāo)分析很難判斷水肥耦合對(duì)番茄品質(zhì)的影響。為了更全面地反映不同處理對(duì)番茄品質(zhì)的影響,需要結(jié)合各品質(zhì)指標(biāo),對(duì)不同處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),從而得出各品質(zhì)指標(biāo)對(duì)番茄綜合品質(zhì)形成的貢獻(xiàn)度,更好地判斷哪種水肥處理更有利于番茄優(yōu)良品質(zhì)的形成。本試驗(yàn)采用主成分分析法,對(duì)可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比、維生素C含量、番茄紅素含量、硝酸鹽含量、可溶性固形物含量、有效酸度等8項(xiàng)品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,評(píng)價(jià)出相對(duì)較優(yōu)的水肥處理。
首先對(duì)數(shù)據(jù)降維得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù),再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出相關(guān)矩陣的特征值、特征向量和累計(jì)貢獻(xiàn)率(表4),選取特征值>1的作為主成分。
通過(guò)計(jì)算,各品質(zhì)指標(biāo)與前2個(gè)主成分的關(guān)系如下:
第1主成分:
F1=0.421 1X1-0.397 1X2-0.388 8X3+0.359 3X4+0.351 0X5+0.348 4X6+0.300 5X7+0.223 0X8;(1)
第2主成分:
F2=-0.176 8X1+0.265 6X2+0.286 5X3-0.458 0X4+0.404 7X5+0.379 4X6+0.239 6X7+0.491 4X8。(2)
式中:F1、F2分別對(duì)應(yīng)第1、2主成分的得分,X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分別為數(shù)據(jù)消除變量之間量綱關(guān)系后的可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比、維生素C含量、番茄紅素含量、硝酸鹽含量、可溶性固形物含量、有效酸度。
綜合評(píng)價(jià)函數(shù)是以各個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重,即綜合得分:
F=0.786 50F1+0.172 15F2。(3)
將對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化值帶入式(1)和式(2),再將式(1)和式(2)的計(jì)算所得帶入式(3),最后得到水肥供應(yīng)條件下番茄品質(zhì)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)(表5)。綜合評(píng)價(jià)表明,W3F3處理的排名為第1,其次為W2F2。W2F2與W3F3的得分接近,無(wú)顯著差異。
3 討論與結(jié)論
水肥耦合對(duì)番茄植株形態(tài)指標(biāo)影響顯著,適宜的水肥有利于植物莖葉生長(zhǎng),促進(jìn)作物健壯,而灌水量過(guò)高或施肥量過(guò)高均會(huì)抑制作物形態(tài)生長(zhǎng),這與王虎兵等的研究結(jié)果[10]相似。本試驗(yàn)中,當(dāng)施肥水平由F1變?yōu)镕2時(shí),番茄株高、莖粗、葉面積均呈上升趨勢(shì),而在F3水平時(shí),番茄株高、葉面積總體呈降低趨勢(shì),莖粗則繼續(xù)上升。表明在合適的灌溉量范圍內(nèi),番茄株高、葉面積有隨施肥量的升高呈先升高后降低的趨勢(shì),莖粗有隨施肥量的升高而升高的趨勢(shì)。
前人研究表明,水肥耦合顯著影響溫室番茄單株產(chǎn)量與水分利用效率[11-13]。本試驗(yàn)中,水肥耦合的番茄單株產(chǎn)量與水分利用效率均顯著高于對(duì)照組,處理組中水分利用效率最低的W3F3也比CK高了29%。充分體現(xiàn)了水肥一體化相較傳統(tǒng)大水大肥的優(yōu)良節(jié)水能力。番茄單株產(chǎn)量隨施肥量的升高而增加,其中W3F2處理產(chǎn)量較W3F1處理增加了7.09%,但W3F3處理單株產(chǎn)量相比W3F2略有下降。表明過(guò)高的施肥量對(duì)增產(chǎn)幫助有限。邢金金等研究也表明,施肥過(guò)量不利用溫室番茄與西瓜增產(chǎn),而適量施肥不僅可以獲得較高的產(chǎn)量,還能顯著降低氮肥的氣態(tài)損失,提高水肥利用率[14-15]。
在番茄品質(zhì)指標(biāo)中,糖酸比、硝酸鹽、番茄紅素含量一直是人們研究的熱點(diǎn)[16-18]。本試驗(yàn)研究表明,灌溉量一定時(shí),糖酸比隨施肥量的增加而降低,硝酸鹽含量隨施肥量的增加而增加,施肥量一定時(shí),糖酸比隨灌溉量的增加而增加,硝酸鹽含量隨灌溉量的增加而降低;而番茄紅素含量主要表現(xiàn)為在灌溉量一定時(shí),W1、W2處理番茄紅素隨施肥量的增加而先增后降,W3處理番茄紅素隨施肥量的增加而增加,施肥量一定時(shí),F(xiàn)1、F2處理番茄紅素隨灌溉量的增加而先增后降,F(xiàn)3處理番茄紅素隨施肥量的增加而先降后增;本試驗(yàn)條件下,W2F2處理的果實(shí)番茄紅素含量顯著高于W1F3、W2F3處理,且可溶性糖、番茄紅素含量以及糖酸比等指標(biāo)均較高,說(shuō)明W2F2處理具有相對(duì)較優(yōu)的番茄品質(zhì)。對(duì)番茄品質(zhì)進(jìn)行主成分分析的結(jié)果也表明,W3F3、W2F2品質(zhì)最優(yōu)。
水肥一體化條件下,番茄株高有隨施肥量的升高呈先升高后降低的趨勢(shì),莖粗有隨施肥量的升高而升高的趨勢(shì),葉面積有隨灌溉量的上升而先增加再降低的趨勢(shì),合理水肥處理有利于番茄形態(tài)學(xué)建成;番茄產(chǎn)量隨水肥用量的增加而提高,超過(guò)一定范圍后,這種提高效應(yīng)不顯著,甚至表現(xiàn)為一定程度的下降;水分利用效率隨施肥量的增加呈下降趨勢(shì),合理施肥有利于提高水分利用效率;W2F2和W3F3條件下番茄綜合品質(zhì)較高,適當(dāng)降低灌水量有利于番茄品質(zhì)的提高,過(guò)多的水分或肥料均會(huì)造成番茄品質(zhì)下降。
綜合考慮品質(zhì)、產(chǎn)量、水分利用效率、可持續(xù)生產(chǎn)以及環(huán)境友好等因素,在不顯著降低番茄品質(zhì)及產(chǎn)量的情況下,長(zhǎng)春地區(qū)日光溫室番茄選擇W2(70%θF)F2(1/2常規(guī)用肥)作為最優(yōu)水肥組合。
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收稿日期:2022-12-15
基金項(xiàng)目:吉林省科技發(fā)展計(jì)劃(編號(hào):20210202123NC)。
作者簡(jiǎn)介:王雪科(1996—),男,重慶人,碩士研究生,主要從事蔬菜生理及設(shè)施園藝研究。E-mail:1006707043@qq.com。
通信作者:吳春燕,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事設(shè)施蔬菜栽培與育種研究。E-mail:wuchunyan@jlau.edu.cn。