不同水肥管理对番茄品质和产量的影响

王艳丹，方海东，李建查，张明忠，岳学文，张 雷，潘志贤，李 坤，史亮涛

（1云南省农业科学院热区生态农业研究所，云南元谋651399；2元谋干热河谷植物园，云南元谋651399；3云南省水利水电科学研究院，昆明650228）

0 引言

中国是世界上使用氮肥最多的国家，年施用量几乎占全世界总用量的30%[1]。水资源短缺是世界性的问题，水资源的严重匮乏已经成为制约经济和社会可持续发展的重要因素。在现代农业生产过程中，投入最多的是水分和肥料，合理的灌水施肥不仅可以提高农产品的产量和品质，还可以减少农业生产投入[2]；而不科学的水肥管理模式往往会造成水资源浪费及肥料利用率低下，破坏生态环境的可持续发展。虽然根系吸收水分和养分分别是2个独立的过程，但是由于水分有效性影响着整个土壤微生物、物理以及植物生理过程，使得土壤水分和养分密切而复杂地联系在一起[3]。水分和养分作为作物生长发育的必要因素，对作物的生长作用是既相互促进又相互制约[2，4-8]。水分不足抑制了植物根系的生长，降低了根系的吸收面积和吸收能力，木质部液流粘滞性增大，从而降低了养分的吸收和运输[9]；而施肥能提高土壤水分利用效率和保水力，提供植株更多的有效水[10-11]。合理控制水肥用量，提高农业生产中水分和养分的管理水平，对指导作物的生产具有重要的经济和生态意义。

番茄(Solanum lycopersicum)是一种经济和营养价值高的茄果类蔬菜作物，也是设施蔬菜生产中种植面积和产值最大的作物之一。番茄由于果实采收期较长、产量高以及土壤养分移出量大，需要充足的养分供应，生产中盲目增施化肥以获得高产成为了一种普遍现象[12-13]。番茄实际生产中，合适的水肥用量可以促进番茄生长，从而起到增产的效果，如果控制不好水肥比，可能会造成番茄植株徒长，大大降低番茄产量[14]。当前，水肥耦合的研究主要集中于以番茄产量为目标的水肥耦合研究上[14-15]，以品质尤其是综合品质为目标进行的研究较少[2]。因此，综合研究水、肥对番茄品质和产量的影响，合理降低肥料用量和提高水分、肥料利用率，对番茄的优质高效生产、环境安全及农民增收均具有重要意义。

干热河谷地区水资源严重缺乏，地域和季节分布不均衡，严重制约了地区经济和社会的发展。干旱问题是制约作物生长和产量的主要逆境因素之一。因此，发展节水农业技术研究，不仅能解决水资源短缺的问题，而且是保证农业实现可持续发展的根本出路[9]。而水肥耦合研究一直是节水技术研究的重要方面。重视水肥结合，提高水肥对土壤肥力、作物产量效应，是解决半干旱区种植业持续发展的重要前提和基础[16]。于亚军等[17]认为在建立水肥耦合效应模型时，应当重视选用田间试验。笔者通过大田试验，分析探讨不同水肥耦合模式对番茄的质量和产量的影响，以期为元谋干热河谷地区番茄作物的水、肥精量调控和水肥灌溉制度的优选提供一定借鉴和参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年7—12月在云南省农业科学院热区生态农业研究所灌溉实验平台进行。该试验地位于云南省楚雄彝族自治州元谋县(25°41′30″N，101°52′36″E)，属于典型的南亚热带季风河谷干热气候区，海拔为1169.0 m，年平均降雨量613.8 mm，年平均气温21.9℃。土壤类型为微酸性的燥红土。

供试作物为番茄，选用当地主栽的番茄品种‘拉比’。番茄以露地种植为主，栽培方式为传统的畦栽，每畦2行，行距50 cm，株距40 cm。

1.2 试验设计

本研究采用随机区组裂区试验设计，每个试验区面积为12 m×2.5 m，分别设置3个灌溉梯度，每个灌溉梯度内设置4个氮肥梯度试验，共12个试验处理。小区之间用塑料薄膜纵向隔开，防止处理间肥水侧渗。除氮素处理和灌溉条件不同外，各小区番茄种植的除草、除虫、农药喷施及常规田间管理等措施均相同。

灌溉方式采用滴灌处理，施肥方式为水肥一体化，将每个处理所需肥量准确称量后，溶于水中，通过滴灌管路直接送达番茄根系附近。3种不同灌溉梯度分别为：（1）W1，按农户传统灌溉方式进行灌水，在无降水条件下每隔5天灌水1次，每次灌水2 h；（2）W2，按照土壤墒情监测数据进行灌水，当土壤含水率达田间持水率的55%时进行灌水，灌溉上限为田持的90%；（3）W3，按照土壤墒情监测数据进行灌水，当土壤含水率达田间持水率的70%时进行灌水，灌溉上限为田持的90%。

在整地期施入底肥，追肥在苗期、花期和结果期按一定比例分期施入。各试验处理小区施用的底肥均为复合肥(N:P2O5:K2O=17:17:17)，复合肥施肥量为900 kg/hm2；追肥的氮肥均为尿素，按照尿素梯度施入，纯N量按照46%进行计算。4种不同氮肥梯度分别为：（1）N1，纯氮施入总量为150 kg/hm2；（2）N2，纯氮施入总量为180 kg/hm2；（3）N3，纯氮施入总量为210 kg/hm2；（4）N4，纯氮施入总量为240 kg/hm2。磷肥和钾肥施用量在每个小区均相同，其中磷肥类型为KH2PO4，施P量为150 kg/hm2，钾肥类型为K2SO4（氧化钾含量50%），施K量为150 kg/hm2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 番茄果实品质的测定 在第二穗番茄成熟期，分别在每个小区的前、中、后3个等距离点取样，随机选取大小和色泽基本一致的12个果实进行品质测定。番茄的亮度用感官进行评价。用游标卡尺量取番茄的果实纵径、横径、木栓化和果梗洼大小，参照《番茄种质资源描述规范和数据标准》[18]进行测定。用测糖仪（型号PAL-1，日本ATAGO生产）测定可溶性糖含量，用pH试纸进行pH值速测。

1.3.2 番茄果实产量的测定 2016年10月开始采摘，12月结束。每个试验小区选择4株番茄，从采收初期至采收末期，计算单株产量。通过累积单株产量，计算不同水肥条件下的番茄产量。

1.4 数据处理和统计分析

用SPSS 20.0对不同灌溉条件和氮肥处理下的番茄品质、产量特征进行二因素方差分析，不同处理间的多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 不同水肥管理条件下番茄果实品质的变化

经统计，W1的灌溉定额为4222.95 m3/hm2，W2的灌溉定额为3771.98 m3/hm2，W3的灌溉定额为3224.23 m3/hm2。在W1灌溉条件下，N3施肥量的番茄果横径显著大于N1组(P＜0.05)，其余品质特征氮肥处理间没有显著性差异（P＞0.05，表1）。在W2灌溉条件下，N1施氮量产出的番茄果梗洼显著大于增氮组N2、N3、N4(P＜0.05)，其余品质特征氮肥处理间没有显著性差异（P＞0.05，表1）。在W3灌溉条件下，氮肥施用量的增加对番茄亮度、果实横纵径的商品属性以及木栓化程度、糖度等风味特征均未产生显著的影响（P＞0.05，表1）。

在相同的氮素施用水平下，灌水量的变化不同程度地影响了番茄的品质。N1施氮条件下，随灌水量的增加番茄的亮度显著增加(P＜0.05)，因此为提高番茄的亮度，应当避免低水低肥的使用；N1W2模式下产出的番茄的木栓化程度最小（P＜0.05，表1）。N2施氮条件下，W2灌溉条件下的番茄果纵径显著大于W1和W3模式（P＜0.05，表1）。N3施氮条件下，传统灌溉模式的番茄果横径显著大于节水模式W2(P＜0.05)，与节水模式W3间差异不显著(P＞0.05)；番茄可溶性糖含量随灌水量的减少而增加(P＜0.05，表1)。N4施氮条件下，不同灌溉条件未对番茄的品质产生显著性影响（P＞0.05，表1）。

不同灌溉条件对番茄果实亮度和可溶性糖含量产生显著影响(P＜0.05)，氮肥梯度和水肥交互作用均未对番茄果实商品属性及风味特征性状产生显著影响（P＞0.05，表2）。为提高番茄的外观和口感，主要进行水分因子的调控，由表1可知中等的灌水条件对番茄的品质更有利。

2.2 不同水肥管理条件下番茄果实产量的变化

2.2.1 番茄初次单株产量的变化 在传统高水灌溉模式W1下，不同氮肥施用量显著影响番茄的成熟个数、成熟比例和成熟单果重(P＜0.05)，高水高肥W1N4模式下番茄成熟个数和比例较少，但更有利于产出大果（表3）。在中水灌溉W2模式下，增加氮肥施用量反而减少番茄初次成熟的果实数（P＜0.05，表3）。低灌W3条件下，避免低水低氮水平组合，此时产出的番茄单果最小，造成单株产量（成熟总重）较低（表3）。

表1 不同水肥条件对番茄果实性状的影响

表2 灌溉条件×氮肥添加二因素对番茄质量性状影响的显著性检验（F值）

表3 不同水肥条件对番茄初次单株产量的影响

N1氮素水平时，W2灌水量的果实数、成熟个数、成熟总重和单果重均显著大于W1和W3灌水模式（P＜0.05，表3）。N2氮素水平时，除了单果重差异不显著外(P＞0.05)，其余单株产量指标均是W2大于W1，大于W3（P＜0.05，表3）。N3和N4氮素水平时，W2灌溉梯度下的番茄果实数、成熟个数和成熟总重大于W3，大于W1(P＜0.05)，成熟比例和成熟单果重在不同灌水措施间差异不显著（P＞0.05，表3）。

灌溉管理会对番茄初次形成产量时果实总个数、成熟个数、成熟总重造成极显著影响(P＜0.01)，氮肥添加显著影响成熟比例和成熟单果重（P＜0.05，表4）。说明水分条件主要控制番茄的果实数、成熟个数和产量，而氮肥条件主要控制番茄的果实大小。这在生产实践中非常具有指导意义，农户想要获得更高的产量就需要精准控制灌溉量，想要获得更大的番茄果实就要精准控制化肥施用量。灌溉管理×氮肥添加间的交互作用仍然对番茄初次形成产量特征不产生显著影响（P＞0.05，表4）。

由表3可以看出，中水灌溉W2措施下的番茄果实总数、成熟个数最多，番茄的单果大小比较均匀，单果重约为142.07 g，其产量均比较高；在W2灌水下，增加施氮量并未增加番茄的大小和初产量，反而降低了番茄的果实数，因此N1施氮量即可实现较好的番茄产量。虽然水肥耦合作用没有产生显著效果，但是综合考虑水分和肥料2个因素，W2N1是最佳的水肥组合。

2.2.2 番茄总产量的变化 W1灌溉条件下在不同氮素添加间番茄的第三次产量产生显著差异(P＜0.05)，在高水灌溉条件下应当避免W1N3组合的出现，其总产量最低（表5）。W2灌溉条件下不同氮素添加对番茄的各次产量和总产量均没有产生显著性影响（P＞0.05，表5）。W3灌溉条件下不同氮肥施用量会对番茄第一次产量和总产量有显著影响（P＜0.05，表5）。相较而言，W2灌溉条件下番茄的分次产量和总产量均较高（表5），说明相对适中的灌溉量能够增加番茄的产量，这对番茄生产管理是实用的；但是在中水灌溉的条件下，增加氮肥的施用量并没有造成番茄分次产量和总产量的差异（P＞0.05，表5），考虑食品安全性和生态环保性，应当选择低氮量进行施肥。因此W2N1组合对提高番茄产量最有效。

表4 灌溉条件×氮肥添加二因素对番茄初次单株产量影响的显著性检验（F值）

在相同的氮素添加条件下，比较不同灌溉条件间的番茄产量差异（表5）发现，在N1水平，W2灌水的初次产量显著高于W1和W3(P＜0.05)；在N2水平，W2灌水的初次产量和总产量均显著高于W1和W3(P＜0.05)；在N3和N4水平，番茄节水灌溉组的初次产量、第三次产量和总产量均大于传统灌溉(P＜0.05)。因此在较低施氮量，不同灌水量主要影响番茄的第一次产量，进而影响番茄总产量；而在较高施氮量时，不同灌溉量通过影响番茄第一、第三次产量造成总产量的差异。这种差异说明在番茄种植后期增施氮肥一定程度上可以增加采收末期的产量。

从番茄的采收初期至采收末期的累积产量统计（表5）看出，W1灌溉条件在采收中期产量最高，W2灌溉条件番茄在各时期的采收数量相当，维持在33.17 t/hm2左右，W3灌溉条件主要在采收末期产量最高。说明不同土壤水分含量会对番茄生产的时期造成影响，干燥及较湿的土壤环境会导致番茄生产有一个主产期，并且主产期时间靠后；而相对适中的灌溉量能使番茄产量在每一个时期都保持均衡的水平，使总产量有较大提升。

表5 不同水肥条件对番茄总产量的影响 t/hm2

灌溉条件对番茄第一次、第三次产量和总产量均造成极显著影响(P＜0.01)，施肥梯度对番茄的第三次产量造成显著影响(P＜0.05)，灌溉管理×氮肥添加间的交互作用未对番茄初次形成产量特征产生显著影响（P＞0.05，表6）。灌溉条件主要调控番茄的初次、第三次产量，进而显著影响番茄的总产量；而施肥梯度主要对番茄的第三次产量进行调控。在番茄实际生产中，初次采收前期应当合理调控水分管理，优选中水灌溉模式，采收后期适当增加施肥量一定程度上可以增加第三次产量，最终获得高产。

表6 灌溉条件×氮肥添加二因素对番茄总产量影响的显著性检验（F值）

3 讨论

3.1 不同灌溉条件、不同氮肥处理对番茄品质和产量的影响

干热河谷气候条件下，W1、W2和W33种灌溉条件形成由高到低的灌水梯度，不同灌溉条件对番茄的商品属性、风味特征等产生不同程度的影响（表1）。本研究中，灌水量增加可以提高番茄的亮度（表1），灌溉定额最高的传统灌溉方式，可有效提高番茄光泽度，导致番茄果实更鲜艳，进而提高其商品属性；但传统灌溉方式产出的番茄可溶性糖含量少。综合考虑各品质指标的变化，在传统模式下适当减少灌溉量，选择中等灌水条件，番茄的亮度和可溶性糖含量适中，品质较好。不同水分条件对番茄初次形成产量时的果实数、成熟果实数和初产量影响显著（表4），土壤含水率为田持的55%～90%产出相对较多的果实个数及成熟个数（表3），研究表明在一定时期适度的水分亏缺有助于提高作物产量和水分利用效率[19-21]。并且从番茄的生产时期看，相对适中的灌溉量在每一个采摘时期产量均衡，最终使得总产量最高（表5），总体经济效益增加。因此，元谋干热河谷种植番茄可以在传统灌溉方式加以改进，适当减少灌水量，当土壤含水率达田间持水率的55%～90%时进行灌溉。

不同氮肥梯度未对番茄的品质产生显著影响（表2），但对番茄初产的单果重有显著影响（表4）。在水分充足的传统灌溉方式中，增加氮肥施用量，番茄果实大小明显增加，但是产量不高；中等灌水量产出的番茄大小比较均匀，单果重大于140 g（表3）。中等灌水量在保持土壤含水量为田持的55%～90%的条件下，增加氮肥施用量，并没有造成单果大小的差异（表3），因此从农业种植减肥减药政策的执行角度看，施用较低的150 kg/hm2氮肥，就可以保证番茄单果大小处于中等水平，产量较高。

综合考虑上述灌溉方式和氮肥施用量，在金沙江干热河谷种植番茄，W2N1是最佳的水肥组合，即“保持土壤含水量为田持55%～90%的灌溉方式+150 kg/hm2施氮量”组合。此种条件下番茄品质方面，在保证番茄的亮度和甜度的同时，还有利于减少木栓化的形成；对产量而言，可以产出较多的果实个数及成熟个数，形成的单果大小适中，并且在每一个生产时期的产量相当，从而相应地提高番茄初次产量和总产量。从不同采摘时期看，灌溉条件在初次和第三次产量发挥作用，氮肥在第三次产量时发挥作用（表6）。因此，在番茄采摘初期，农户更应该注意合理调控灌溉量，优选中水灌溉，可以增加番茄的果实数和成熟个数，提高番茄总产量；在番茄采摘后期，控制水分的同时，适当增加追肥量对产量的提升有一定帮助。

3.2 水肥耦合作用对番茄品质和产量的影响

关于水肥耦合对植物品质和产量的影响，前人研究较多，但未有定论。有研究认为高肥高水耦合处理可以提高植物的品质和产量[22-24]；也有研究者认为，中肥中水才是理想的水肥耦合处理模式。因此，在农业实践中，只有合理的水肥耦合模式，才能真正发挥水肥耦合的协同作用，既提高水肥利用率，又保证作物的高产优质[25]。本研究中的灌溉条件×氮肥添加产生的交互作用对番茄的品质（表2）和产量（表4和表6）均无显著性影响(P＞0.05)，即水肥无耦合效应。研究表明，当相对含水量达80%时，肥水交互作用属于顺序加和性类型(sequentalially additive type，SA)[26]，此时水肥2个或2个以上体系的作用既没有相互促进，也没有抑制，简单地等于各自体系效应之和[25]。此外，王新等[27]认为水肥耦合存在阈值反应，高于阈值增产作用不大，而低于阈值增加水肥投入增产效果明显，推测本研究中的水肥耦合效应高于了此阈值。

虽然氮和水之间交互效应不显著，但是从表2、表4和表6不难看出，水分和肥料对番茄的品质和产量影响有很大的差别，水分灌溉管理对番茄果实的品质特征和产量影响较大，起到主导作用，而氮肥的作用较小。这与杜清洁等[2]和陈碧华等[28]的研究结果一致，水分对番茄产量的贡献大于肥料，因为植物对养分的吸收、运输和利用都依赖于土壤水分，土壤的水分状况在很大程度上决定着肥料的合理用量[29]，适当多一些的水分可使元素向根表迁移加快吸收。因此，在水肥相互配合施用的过程中，要适当发挥水分的增产作用，促进水分将肥料直接输送到作物的根部。本试验是在露天进行的灌溉试验，受降雨量和蒸发量影响较大，研究表明降雨量低于200 mm时，作物的生物量主要受水分供应的限制，降雨量在200～400 mm范围内，作物的生物量主要受氮素供应的限制[30]。经统计，番茄种植全期的降雨总量为333.70 mm，而干热河谷地区蒸发量长期大于降雨量，通过径流进入土壤的水分大大减少，因此更易受到水分供应的影响。氮素对番茄的品质没有显著影响（表2），对番茄的果实大小（表4）和采收后期产量（表6）有一定影响，长期以来国内番茄传统生产模式有过量施肥的现象[31]，推测是本区域番茄生产存在氮肥使用过量的情况。每年有大量化肥施入土壤，土壤中氮富余，所以施入不同氮肥后处理间差异不太显著，这也可能是造成水肥耦合效应不显著的原因。

盲目增施化肥以获得高产是农作系统普遍存在的现象，绿色环保理念对以元谋为代表的热区特色农产品的生产提出了更高的“减肥减药”要求，在保证农产品产量和质量的前提下，减少化肥施用量是实现热区绿色农业发展的重要措施。元谋县是著名的“冬早蔬菜之乡”，2015年全县累计发展冬早蔬菜种植1.18万hm2，外销蔬菜首次突破10亿元[32]。元谋是半干旱区，降雨量较少，农作物用水主要来源于灌溉；化肥是一项重要的农业投入品和资源依赖品，在元谋县化肥的使用成本约占农业投入品总成本的40%，降低化肥用量，提高肥料的利用率，可以起到节本增效、农户增收的作用。因此，建议在元谋干热河谷地区选择“保持土壤含水量为田持55%～90%的灌溉方式+150 kg/hm2施氮量”的水肥管理方式，在保证番茄的品质和产量的同时，还节约了农业用水，减少了氮肥使用量。但是，在控氮过程中，其他磷钾等元素均在添加，而各种养分之间存在协同作用对质量和产量影响的机制尚不明确，本研究不能区分氮素对番茄质量和产量的直接作用和氮素与其他养分之间协同作用对番茄质量和产量的间接作用。水肥耦合是一个复杂的机制，产量和质量是物种对环境条件、水肥耦合等多种农作措施综合因素的反映，因此进一步设计控制、半控制试验，对水肥耦合条件下番茄产量和质量影响机制进行研究，提高干热区特色农产品生产的精准施肥管理能力，是未来热区农业发展的努力方向。

4 结论

（1）在传统模式下适当减少灌溉量，选择中等灌水条件，控制土壤含水率为田持的55%～90%，番茄的品质和产量最佳。

（2）增施氮肥并没有显著增加番茄的品质和产量，低施氮量(150 kg/hm2)即可保证番茄具有较好的品质和产量。

（3）W2N1是元谋干热河谷番茄种植的最佳水肥组合，在保证番茄的亮度和甜度的同时，有利于减少木栓化的形成；产出的果实数和成熟果实数较多，单果大小适中，而且每一个生产时期的产量均衡，从而提高了总产量。

（4）水肥的交互效应对番茄的品质和产量未产生明显影响(P＞0.05)，但是水分对番茄品质和产量的影响大于氮肥。

（5）在番茄实际生产中，初次采收前期应当合理调控水分因子，可以增加番茄果实数和成熟个数，提高初产量，分施低肥但在采收后期应适当增加施氮量，可以增加第三次产量。