水肥对番茄产量、品质和水分利用率的影响及综合评价

张　军，李建明，张中典，黄红荣，潘铜华，范　洁

(西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100)



水肥对番茄产量、品质和水分利用率的影响及综合评价

张军，李建明，张中典，黄红荣，潘铜华，范洁

(西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100)

[摘要]【目的】 优化设施番茄水肥一体化灌溉施肥制度。【方法】 以“金棚1号”番茄为试材，在2013年研究总结的水肥总量(灌水量2 518.74 m3/hm2，N 542.58 kg/hm2，P2O5 206.30 kg/hm2，K2O 940.03 kg/hm2)基础上，上下浮动30%后，设置T1(中水中肥)、T2(中水低肥)、T3(中水高肥)、T4(低水中肥)、T5(高水中肥)5个处理，以传统沟灌为对照，在滴灌条件下研究不同水肥对番茄产量、品质和水分利用效率的影响，并用模糊综合评价方法，通过赋予客观权重和主观权重后得到综合权重，对不同水肥处理下番茄综合品质、产量和水分利用效率进行综合评价。【结果】 试验结果表明：在一定范围内番茄产量随水肥用量的增加先增高后降低；水分利用效率随灌水量的增加呈下降趋势，合理施肥有利于水分利用效率的提高；中水中肥和低水中肥条件下番茄综合品质较好，水分或肥料过多均会造成番茄品质下降；T1处理的综合表现最优，产量最高，为130.80 t/hm2，品质较好，水分利用率较高，为51.90 kg/m3；与沟灌对照(产量115.40 t/hm2，水分利用效率23.46 kg/m3)相比，T1处理产量、水分利用效率分别提高了13.34%，121.23%。【结论】 利用综合评价法得出的设施番茄水肥一体化最优水肥用量为灌水量2 518.74 m3/hm2，N 542.58 kg/hm2，P2O5 206.30 kg/hm2，K2O 940.03 kg/hm2。

[关键词]水肥一体化；番茄产量；番茄品质；水分利用效率；综合评价法

水肥是影响作物生长发育的两大重要因素,也是最易控制的因素。目前，大多设施蔬菜灌溉与施肥仍沿用露地蔬菜“大水大肥”的粗放管理模式，这不但对作物生长发育不利，还会引起水肥资源浪费和环境污染[1-2]。水肥一体化技术是通过滴灌系统将灌溉与施肥相结合，作物在吸收水分的同时吸收养分，具有高效利用、节约成本、改善土壤微生态环境等优点，是当前条件下优化设施蔬菜生产的重要技术[2]。不同水肥对番茄产量、品质和水分利用效率等方面均有影响，只根据某一指标来确定作物水肥一体化管理制度显然不够全面，因此需要采取综合评价方法对多个指标信息进行加工和提炼，从多方面进行决策[3-4]。

2013年，李建明等[5]研究了灌溉上限与施肥量耦合对大棚番茄产量及水分利用等方面的影响，并据此总结出一套设施番茄土壤栽培水肥一体化管理制度，这对温室番茄的生产具有指导意义。为验证该制度，本试验在此基础上设置了不同水肥水平，以传统沟灌为对照，从产量、品质和水分利用等方面进行分析，并对不同处理进行综合评价，以期为优化大棚番茄水肥一体化管理制度提供补充。

1材料与方法

1.1试验场地与材料

试验于2014年3月至7月在西北农林科技大学北校区园艺场的塑料大棚内进行。试验土壤体积质量1.36 g/cm3，田间最大持水量24.5%，有机质含量15.84 g/kg，碱解氮86.56 mg/kg，速效磷150.52 mg/kg，速效钾240.18 mg/kg，pH值7.2。供试番茄品种为“金棚1号”，试验所用肥料为尿素(总N≥46.4%)、过磷酸钙(P2O5≥16%)和硫酸钾(K2O≥57.0%)。

1.2试验设计与方法

以灌水量和施肥量为试验因子，采用滴灌与传统沟灌2种灌溉方式，以传统沟灌作为对照。根据2013年研究总结的水肥一体化管理制度(表1)，以其水肥总量(灌水量2 518.74 m3/hm2，N 542.58 kg/hm2，P2O5206.30 kg/hm2，K2O 940.03 kg/hm2)为基准，上下浮动30%后将水、肥分别设低、中、高3个水平，并将各水平按标准进行组合，得到5个滴灌水肥处理，各处理水肥用量如表2所示。

表 1　2013年总结的番茄不同时期水肥一体化管理制度Table 1　Integrated water and fertilizer management for tomato in different periods in 2013

注：磷肥P2O5用量为206.30 kg/hm2，作基肥施入，氮肥和钾肥随水施入。

Note:P2O5amount of 206.30 kg/hm2was applied as base fertilizer.Nitrogen and potassium fertilizers are applied with watering.

表 2　本试验中的番茄水肥处理方案Table 2　Water and fertilizer treatment schemes for tomato in this experiment

注：磷肥作基肥施入，氮肥和钾肥随水施入。

Note:Phosphorous P2O5is applied as base fertilizer,nitrogen and potassium fertilizer are applied with watering.

每个处理设3次重复，随机区组排列。试验小区长5 m，宽1.2 m，3月21日定植，7月20日拉秧。番茄株距30 cm，行距60 cm，小区边缘设保护行，相邻小区间用塑料薄膜将土壤隔开，防止处理间水肥通过土壤相互渗透。畦上覆膜，采用膜下滴灌及水肥一体化管理模式，除过磷酸钙作为基肥一次施入外，其余肥料均按少量多次的原则随水施入，具体水肥管理如表1所示，沟灌水肥同常规管理方法。各处理除水肥用量不同外，其余农艺措施均相同。

1.3测定项目及方法

番茄产量按小区统计，自2014-06-10开始采收至7月20日结束，每隔5 d对成熟度一致的果实进行采收并称质量。第2穗果成熟时，在每小区随机选取3个成熟度相同的番茄用于品质测定，其中可溶性酸用酸度计测定，可溶性固形物用折光仪测定；测定其他品质指标时，先将番茄用蒸馏水洗净，再用组织捣碎机研磨均匀，果实可溶性糖含量采用蒽酮比色法，VC含量采用钼蓝比色法，硝酸盐含量采用水杨酸-硫酸法[6]，番茄红素含量采用分光光度计法，糖酸比=可溶性糖/可滴定酸。本试验中的水分利用效率(WUE)为灌溉水利用效率[7]：

WUE=Y/I。

式中:Y为各处理番茄的总产量，kg；I为生育期内灌水量，m3。

1.4综合评价方法

1.4.1模糊综合评价方法[8]设有n个待评价方案，每个方案有m个评价指标，则构建有n个方案、m个评价指标的评价特征值矩阵：

X=(xij)。

(1)

式中:xij为方案j指标i的特征值(i=1,2, …,m；j=1,2, …,n)。

在实际决策中，将番茄各评价指标分为越大越优型和越小越优型两类，各类指标对优的相对隶属度计算公式如下。

越大越优型：

rij=(xij-xi min)/(xi max-xi min)。

(2)

越小越优型：

rij=(xi max-xij)/(xi max-xi min)。

(3)

式中:rij为方案j中指标i的特征值对优的相对隶属度；xi min表示方案集中指标i的最小特征值；xi max表示方案集中指标i的最大特征值。

根据式(2)和式(3)将评价指标特征值矩阵X归一化处理，消除各指标量纲不同带来的影响，得到各评价指标对优的相对隶属度矩阵：

R=(rij)。

(4)

假设评价指标的综合权向量(W)为W=(w1,w2,…,wm)T,满足0≤wi≤1。

根据加权广义欧式权距离与最小二乘法准则可得方案j的相对优属度uj为:

(5)

0

1.4.2权重的确定构建n个可行方案m个评价指标的特征矩阵Y=(yij),其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。应用式(2)和式(3)将评价指标特征值矩阵归一化处理得矩阵B=(bij)，bij为方案j中指标i的特征值对优的相对隶属度。

根据熵的定义，确定评价指标i的熵值Hi为：

(6)

(7)

式中:0≤Hi≤1,为使lnfij有意义,假定fij=0时,fijlnfij=0 ；i=1,2,…,m；j=1，2,…,n。

利用熵值计算评价指标i的熵权wei：

(8)

采用熵权与主观权重相结合计算评价指标i的综合权重wi：

(9)

式中：wsi为评价指标i的主观权重。

由于番茄品质包含多项指标，在综合评价时，首先对各处理的品质进行综合评价，再利用各处理的综合品质、产量和水分利用效率3个指标进行最终评价[9]。

1.5数据处理

采用Excel及DPS软件对数据进行方差分析及图表制作，采用Duncan’s新复极差法进行方差分析。

2结果与分析

2.1不同水肥对番茄产量的影响

从表3可以看出，从灌溉方式上看，除了T4处理外，采用滴灌的番茄产量均高于传统沟灌CK，且T1、T3、T5处理的产量与CK的差异达到显著水平。从滴灌的5个处理看，T1处理产量最高，T4处理最低， T1处理与T3处理的产量差异不显著，但二者均显著高于T2处理，说明在灌水量相同的条件下，在一定范围内随着施肥量的增加，番茄产量有所提高，但当施肥量增加到一定程度时，这种正效应会逐渐消失，甚至表现为一定程度的下降；T1、T4、T5处理番茄产量依次为T1>T5>T4，且三者之间差异均达到显著水平，表明在施肥量相同的条件下，在一定范围内，随着灌溉量的增加，番茄产量显著提高，当灌溉量增加到一定程度后，产量增加效益不明显，甚至出现下降趋势；T2、T4处理的产量均较低，说明灌溉施肥下限对番茄产量的形成具有较大影响，尤其T4处理的产量显著低于T2处理，说明灌水量过低比施肥不足导致的减产程度更加严重。T1、T3、T5处理间差异小于T1、T4、T5处理间差异，表明灌溉量对番茄产量形成的影响要大于施肥量。

2.2不同水肥对番茄水分利用率的影响

如表3所示，不同处理对番茄水分利用效率的影响存在明显差异。总体而言，采用滴灌方式5个处理的水分利用效率均显著高于沟灌处理，其中T4处理水分利用率最高，达到53.70 kg/m3，CK最低，只有23.46 kg/m3，仅为T4处理的43.69%。与T1处理相比，CK多消耗2 401.20 m3/hm2水，但产量反而降低了15.4 t/hm2，说明传统大水漫灌的生产方式不仅对水资源造成了极大的浪费，而且也不能提高产量。T4处理的产量虽最低，但水分利用效率却最高，说明产量越高并不一定水分利用效率也越高，所以在实际生产中应该根据作物需求进行合理灌溉，既不能造成水分的严重浪费，也不能因为水分不足而造成产量大幅下降。此外，合理的施肥有助于产量提高，增加了单位灌水量所生产的产量，即提高了水分利用效率。

表 3　不同水肥处理对番茄产量和水分利用效率的影响Table 3　Effect of different water and fertilizer treatments on yield and water use efficiency of tomato

注：同列数据后标不同小写字母表示0.05水平时差异显著；下表同。

Note:Different small letters in each column mean significant difference atP=0.05.The same below.

2.3不同水肥对番茄品质的影响

2.3.1对单一品质指标的影响不同处理下番茄果实品质的各项指标如表4所示。表4结果表明，不同水肥对番茄各指标的影响差异较大。T5和CK处理可溶性固形物含量较其他处理有所提高，表明增加灌溉量有利于提高番茄可溶性固形物含量；可溶性酸含量的变化规律不明显，T2处理较低，说明较低肥料用量会使番茄果实的可溶性酸含量降低；可溶性糖含量随着施肥量的增加而增大，随着灌溉量的增加先升高后降低，沟灌可溶性糖含量最低；高水处理的糖酸比较低；VC含量表现为低水处理较高，高肥处理较低；水肥对番茄红素的影响具有显著差异，随着灌溉量增加，番茄红素含量显著降低，以中肥处理较高，肥料过高或过低都会使番茄红素不同程度降低；硝酸盐含量也随不同水肥水平表现出显著差异，主要随施肥量的降低而降低，同时灌水量过高或过低都会使番茄果实中硝酸盐含量有所升高。

表 4　不同水肥处理对番茄单一品质指标的影响Table 4　Effect of different water and fertilizer treatments on single quality index of tomato

2.3.2对综合品质的影响只从单一指标进行分析很难判断不同水肥对番茄品质形成的影响，为了更全面地反映各处理对番茄品质的影响，需要将单一品质指标结合起来，对不同处理进行综合评价，从而得到各处理对番茄综合品质的影响，更好地判断哪种水肥处理更有利于形成较好的番茄品质。

选择可溶性固形物、可溶性酸、可溶性糖、糖酸比、Vc含量、番茄红素含量、硝酸盐含量等7项品质指标对各处理进行综合评价。首先用6个处理测得7项单一指标形成评价特征值矩阵，利用式(2)和(3)对评价特征值矩阵进行归一化处理(除硝酸盐含量为越小越优型指标外，其余6个指标均为越大越优型)，得到各评价指标对优的相对隶属度矩阵；利用式(6)和(7)计算各指标的熵值，再利用式(8)求得各指标的熵权(客观权重)，同时将主观权重与客观权重进行线性组合，利用式(9)确定各指标的综合权重。在确定主观权重时，参照文献[10]中所确定的专家权重，适当降低可溶性酸、糖酸比等指标所占权重，适当提高Vc、番茄红素等指标权重，最终确定各指标所占权重如表5所示。

利用式(5)计算各处理的相对优属度uj值，根据uj值的大小对各处理进行排序如表6所示，各处理uj值大小为T1>T4>T2>T5>CK>T3，表明T1处理番茄综合品质最好，但其uj值与T4处理十分接近，说明中水中肥和低水中肥有利于提高番茄品质；T3处理品质最差，T5、CK处理的uj值较低，说明肥料或水分过高均会降低番茄果实品质。

表 5　番茄单一品质指标所占权重Table 5　Weight of single quality index of tomato

表 6　不同水肥处理番茄的综合品质排序Table 6　Rank of integrated quality of tomato in different water and fertilizer treatments

2.4番茄产量、品质和水分利用效率的综合评价

通过上述分析可以看出，不同水肥组合对番茄的产量、品质和水分利用效率的影响均有差异，而产量、品质和水分利用效率分别反映了不同灌溉施肥处理所产生的经济效益、营养效益和节水效益，因此结合产量、品质和水分利用效率对各处理进行综合评价是比较科学的。

由于番茄品质有多项指标，为了使评价结果更加合理，选择品质综合评价优属度参与最终评价，具体方法与综合品质相同。由表7可以看出，利用熵权法计算出的客观权重为：产量0.307 9，综合品质 0.382 5，水分利用效率0.309 7，三者相差不大，但笔者认为这与实际情况不完全符合，结合实际情况，确定主观权重排序为产量>综合品质>水分利用效率，再将主观权重与客观权重进行线性组合，最终确定各评价指标的综合权重为产量(0.465 5)>综合品质(0.347 1)>水分利用效率(0.187 4)。而由表8可以看出，T1处理的综合评价优属度得分最高，CK得分最低，表明采用滴灌方式的水肥一体化栽培模式所产生的综合效益均优于沟灌；比较T1、T2、T3处理可知，在水分相同的条件下，随着肥料用量的增加，综合得分呈先升高后降低趋势；比较T1、T4、T5处理可知，在施肥量相同的情况下，综合得分同样表现为先升高后降低，说明水肥用量过多或过少都会造成综合效益的降低，只有水肥用量均保持在适宜水平才会获得较高的综合效益。从表8还可以看出，在5个滴灌处理中，T4、T5处理得分较低，为水分最多和最少的处理，说明灌溉量对综合效益的影响较大。

表 7　不同水肥处理番茄综合评价指标所占权重Table 7　Index weight of different water and fertilizer treatments for comprehensive evaluation of tomato

表 8　不同水肥处理番茄综合效益排序Table 8　Rank of comprehensive benefits of different water and fertilizer treatments of tomato

3讨论

水肥是影响作物产量形成的关键因素，水分与养分共同影响着植物的生长发育[11]。本试验结果表明，灌水和施肥量均过低会导致番茄产量减少，过高对产量没有显著的提高，反而会出现一定程度的降低，只有灌水和施肥量保持在适宜水平才能获得较高产量，这与前人的研究结果[5,12-15]一致。韦泽秀等[16]研究表明，随灌水量的增加土壤微生物多样性先增加后降低，说明适当的水分处理有助于土壤微生物多样性形成，从而形成良好的土壤环境，有利于促进植物根系的生长和养分吸收。同时，本试验水肥一体化栽培管理模式下的番茄产量总体上均高于传统沟灌，与樊兆博等[17]的研究结果一致，这可能是由于肥料溶于水中，通过滴灌系统渗入根系周围，使作物主要根系区的土壤始终保持在最佳含水量和最优养分状态，更有利于作物对水肥的吸收和利用[18]。

在番茄众多品质指标中，硝酸盐含量一直是人们关注的热点。本试验研究表明，硝酸盐含量主要随施肥量的降低而降低，灌水量过高或过低都会使番茄果实中的硝酸盐含量有所升高。但陈碧华等[19]研究表明，边际硝酸盐含量随灌水量增加呈减少趋势，这与本试验结果有所差异。此外，本试验对各处理下番茄果实品质进行了综合评价，表明低水中肥和中水中肥有利于提高番茄品质，与吴雪等[10]的结果相近。但有关水肥与番茄品质的研究结果存在较大差异，仍有待更进一步的探索。

水分利用效率表征作物产量与耗水量的关系，是研究作物生长与水分关系的重要参数[20]。本试验结果表明，水肥一体化管理模式下的水分利用效率均显著高于沟灌，充分体现了水肥一体化体系有较好的节水效果，也反映了传统漫灌方式对水资源的极大浪费。同时本研究发现，产量越高，其水分利用效率不一定越高。张辉等[21]研究表明，番茄水分利用效率随其产量增加而呈抛物线型变化。本试验T4处理水分利用效率最高，但其产量在所有处理中最低，这可能是由于其灌水量较低，番茄植株受到了一定程度干旱胁迫，所以水分利用效率并不一定越高越好。在实际生产中，应当结合产量与灌水量，考虑综合效益，既不能由于缺水造成作物大量减产，又不能因灌水过多造成水分的严重浪费。

确定各评价指标所占权重是综合评价的重要环节，主观赋值法较接近实际，但忽视了指标之间的相互联系，缺少科学依据；客观赋值法具有较强的理论基础，但缺少主观灵活性[22]。虞娜等[23]利用基于熵权的TOPSIS模型对保护地番茄水肥效应进行了评价，但其确定各指标权重时仅利用熵权系数法，使获得结果与实际情况有一定偏差，如产量所占权重仅为0.025 7， 较其他指标明显偏小。本研究在确定权重时采用熵权法与主观赋值法相结合，既考虑了各项指标所提供的信息量，又兼顾了评测者的主观看法和实际情况，使评价结果更加科学、可靠。

4结论

1) 番茄水肥一体化栽培管理模式明显优于传统沟灌。水肥一体化条件下最优处理番茄产量高出沟灌15.4 t/hm2，综合品质优属度为沟灌的2.1倍，水分利用效率为沟灌的2.21倍，灌水量减少 2 401.20 m3/hm2，节约了48.81%用水。

2)水肥一体化条件下，番茄产量随水肥用量的增加而提高，超过一定范围后，这种提高效应不显著，甚至表现为一定程度的下降；中水中肥和低水中肥条件下番茄综合品质较高，适当降低灌水量有利于番茄品质的提高，过多的水分或肥料均会造成番茄品质下降；水分利用效率随灌水量的增加呈下降趋势，合理施肥有利于水分利用效率的提高。

3)利用综合评价法从番茄产量、品质和水分利用效率3方面对各水肥处理进行综合评价可知，最佳用水量为2 518.74 m3/hm2，施肥量为N 542.58 kg/hm2、P2O5206.30 kg/hm2、K2O 940.03 kg/hm2，其综合评价优属度值为0.999 7，高于其他处理，表明这种水肥一体化管理制度是合理、可靠的。

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DOI：网络出版时间:2016-06-0816:2110.13207/j.cnki.jnwafu.2016.07.030

[收稿日期]2014-12-31

[基金项目]国家科技支撑计划项目(2014BAD14B06)；国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD29B01)

[作者简介]张军(1990-)，男，重庆万州人，在读硕士，主要从事设施园艺研究。E-mail:wszjunjun@163.com [通信作者]李建明(1966-)，男，陕西洛川人，教授，博士，博士生导师，主要从事设施园艺研究。E-mail:lijianming66@163.com

[中图分类号]S641.2

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)07-0215-08

Effect of water and fertilizer on yield,quality and water use efficiency of tomato

ZHANG Jun,LI Jianming,ZHANG Zhongdian,HUANG Hongrong,PAN Tonghua,FAN Jie

(CollegeofHorticulture,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract:【Objective】 This study aimed to optimize integrated water and fertilizer management system for tomatoes.【Method】 “Jinpeng No.1” tomato was used as test materials.On the basic irrigation and fertilizing total amounts (irrigation 2 518.74 m3/hm2,N 542.58 kg/hm2,P2O5 206.30 kg/hm2,and K2O 940.03 kg/hm2),5 treatments including T1 (middle water and middle fertilizer),T2 (middle water and low fertilizer),T3 (middle water and high fertilizer),T4 (low water and middle fertilizer),and T5 (high water and middle fertilizer) were set with 30% increase or decrease in irrigation and fertilizing amount.Using furrow irrigation as control,the influence of different irrigation and fertilizer on yield,quality and water use efficiency of tomato was investigated.Fuzzy comprehensive evaluation method was also used to comprehensively evaluate quality,yield and water use efficiency with the integration of objective and subjective weights.【Result】 Tomato yield increased firstly and then decreased with the increase of irrigation and fertilizer amounts.With the increase of irrigation,water use efficiency decreased,and reasonable fertilization was beneficial to the increase of the water use efficiency.The comprehensive quality of tomato was high with middle water and middle fertilizer or low water and middle fertilizer,while too much of water and fertilizer caused the decrease of quality of tomato.The general performance of T1 was best with highest yield of 130.80 t/hm2,good quality,and high water use efficiency of 51.90 kg/m3.Comparing with furrow irrigation,the yield and water use efficiency of T1 increased by 13.34% and 121.23%.【Conclusion】 The optimal irrigation and fertilizing amounts for tomatoes under the integrated water and fertilizer management were irrigation 2 518.74 m3/hm2,N 542.58 kg/hm2,P2O5 206.30 kg/hm2,and K2O 940.03 kg/hm2.

Key words:integrated water and fertilizer management;yield of tomato;quality of tomato;water use efficiency;comprehensive evaluation method

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160608.1621.060.html