基质栽培番茄营养液中氮、钾最佳浓度研究

王军伟，黄 科，毛舒香，徐浩然，吴秋云*

（1 湖南农业大学园艺园林学院，湖南长沙 410128；2 农业部园艺作物生物学与种质创制综合性重点实验室，北京 100081）

番茄是目前世界各国设施蔬菜生产中的主要蔬菜之一[1]，由于富含维生素C、维生素E、番茄红素、胡萝卜素、类黄酮等促健康化合物以及钾、磷、镁、钙、钠、铁、锰、铜、碘、硼等元素，营养丰富、风味独特，广受消费者的喜爱。近年来，人们对番茄的品质要求越来越高，而番茄的产量和品质不仅与作物本身的遗传特性有很大的关系，同时还在很大程度上受施肥、栽培措施、水分状况、温度与光照强度等因素的影响，其中以施肥对其产量和品质的影响尤为明显[2-5]。在番茄所需的养分中，氮和钾是需要量最大的必需营养元素，氮、钾的供应水平对番茄的产量和品质有决定性的影响[6-8]。

基质栽培具有增产提质、省水省肥、克服连作障碍等优点，广泛适用于现代温室的园艺作物栽培[9]。在番茄的基质栽培生产中，常配合营养液滴灌，但普遍存在施肥过量和比例失调的问题，极易造成肥料浪费和环境污染，影响番茄的高产优质，因而营养液中合理的氮钾营养供应对番茄的优质高效生产尤为重要。研究表明，增加营养液中钾含量可促进番茄开花和座果及成熟期提前，显著提高单株产量和优品果率，但氮钾互作未达显著水平[10]。王军君等[11]通过雾培番茄，得出当营养液中氮、钾浓度分别为12 和8 mmol/L 时，番茄可获得较高的果实产量、风味品质和抗氧化营养品质。因此，通过调整营养液中氮、钾水平是一种提高番茄产量和品质的简便、可行方式，也是促进肥料的高效利用和减施化肥的有效途径。

为实现番茄的高产、优质、高效、安全生产以及肥料的减施和高效利用，本试验以番茄‘A20’为试材，试验采用氮钾2 因素5 水平响应面中心复合设计 (CCC)，分别测定叶片叶绿素含量和净光合速率，果实可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、Vc 和番茄红素含量，并统计单株产量，分析氮钾营养及互作对番茄植株生长、产量形成和果实品质的影响，筛选最优营养液配方，为我国番茄的高产优质栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2017 年在湖南农业大学园艺园林学院金山基地玻璃温室内进行，以课题组保存的番茄‘A20’为试材。种子经55℃温水浸泡10 min 后浸种6 h，28℃培养箱中催芽。挑选饱满、出芽整齐的种子播于50 孔穴盘中，播种时间为2017 年3 月15 日，待子叶展平后每3 天浇灌1 次1/2 倍Hoagland营养液 (pH 6.3 ± 0.1，EC 1.0～1.2 mS/cm)。

1.2 试验设计

试验采用2 因素5 水平响应面中心复合设计(CCC) (表1)，共16 个处理 (表2)。番茄幼苗长至3 叶1 心时，挑选长势较好且一致的植株移栽于装有7 L 栽培基质的营养钵中，每钵定植1 株，每处理定植8 株，取样时随机选取3 株进行指标测定。栽培基质为沙∶珍珠岩 = 1∶2。当番茄植株长至6～8 片真叶且第一个花序第一朵花开花时进行处理，处理方式为营养液根灌，根据植物生长发育的不同阶段，每3～7 天浇灌1 L 含不同氮钾营养的营养液(其它必需元素的浓度参考Hoagland 营养液配方)，2017 年7 月25 日采样结束。番茄植株调整、病虫害防治根据常规栽培管理方法进行。

表 1 试验因素水平及编码值Table 1 Levels and codes of the experimental factors

1.3 测定项目与方法

选取番茄植株第3 片功能叶片，于晴天上午9:30—11:30 采用LI-6400 便携式光合仪测定净光合速率并取样测定叶绿素含量。待第三穗果成熟后进行取样，并采用四分法，用组织捣碎机将果实打成匀浆后进行品质检测。准确称取一定质量的果实匀浆，分别采用蒽酮比色法和NaOH 滴定法测定果实可溶性糖含量和可滴定酸含量；番茄红素含量参照胡晓波等[12]的方法测定；维生素C 含量采用2，6-二氯靛酚滴定法测定。每次番茄采收时分别称重，计入单株产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0 和Design export 8 软件对数据进行统计分析，采用OriginPro 9.0 完成作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮钾水平对番茄生长和果实品质的影响

2.1.1 产量 氮、钾浓度分别为自变量x1和x2，番茄单株产量为因变量y，运用Design export 8 软件建立产量与氮、钾营养的二次回归模型。回归方程为:y = 2337.13 + 296.26x1+ 145.30x2+ 142.50x1x2-261.50x12- 197.75x22(R2= 0.9198，P ＜ 0.0001)。统计分析表明，氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12、x22) 均对产量的影响极显著 (P ＜ 0.01)，其中一次项为正效应，二次项为负效应，氮 (x1) 为主要影响因子。氮钾互作对产量的影响显著 (P ＜ 0.05)，且为正效应。由图1A可知，当钾浓度 (x2) 固定在零水平时，随着氮浓度(x1) 的增加，产量呈先上升后下降趋势；当氮 (x1) 固定在零水平时，随着钾浓度 (x2) 的增加，产量亦呈先上升后下降趋势。单株产量最大时的氮、钾取值分别为x1= 0.738、x2= 0.633，转化为编码前的水平为N 333 mg/L、K 407 mg/L，其对应的产量的响应值为2492.6 g/株。

2.1.2 叶片叶绿素含量 运用Design export 8 软件建立番茄叶片叶绿素含量与氮、钾水平的二次回归方程为:y = 2.203 + 0.340x1+ 0.0966x2+ 0.144x1x2-0.220x12- 0.132x22(R2= 0.9216，P ＜ 0.0001)。统计分析表明，氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12、x22) 均对叶绿素含量的影响显著 (P ＜ 0.05)，其中一次项为正效应，二次项为负效应，氮素为主要影响因子。氮、钾互作对叶绿素含量的影响显著 (P ＜ 0.05)。由图1B可知，在 -1.414 至1.414 取值范围内，叶绿素含量随氮、钾含量的增加，均呈先上升后下降的趋势；叶绿素含量达到最高时的氮、钾取值分别为x1= 1.088、x2= 0.961，对应的浓度分别为N 374 mg/L 和K 457 mg/L，对应的叶绿素含量的响应值为2.43 mg/g。

2.1.3 叶片净光合速率 运用Design export 8 软件建立番茄叶片净光合速率与氮钾水平的二次回归方程为:y = 18.35 + 2.664x1+ 0.587x2- 0.0729x1x2-1.176x12- 0.486x22(R2= 0.9126，P ＜ 0.0001)。统计分析表明，氮 (x1) 和二次项 (x12) 对净光合速率的影响极显著 (P ＜ 0.01)，氮素为主要影响因子。钾 (x2) 和二次项 (x22) 及氮、钾互作对净光合速率影响不显著(P ＞ 0.05)。由图1C 可知，在 -1.414 至1.414 取值范围内，净光合速率随氮、钾浓度的增加，均呈先上升后下降的趋势；净光合速率达到最高时的氮、钾取值分别为x1= 1.117、x2= 0.522，对应的浓度分别为N 378 mg/L 和K 391 mg/L，对应的净光合速率的响应值为19.99 μmol/(m2·s)。

2.1.4 果实可溶性糖含量 运用Design export 8 软件建立番茄果实可溶性糖与氮钾水平的二次回归方程为:y = 3.216 + 0.235x1+ 0.677x2+ 0.0488x1x2-0.212x12- 0.0555x22(R2= 0.9269，P ＜ 0.0001)。统计分析表明，氮 (x1) 和二次项 (x12) 及钾 (x2) 对可溶性糖含量的影响极显著 (P ＜ 0.01)，其中一次项为正效应，二次项为负效应，钾为主要影响因子。钾营养二次项 (x22) 和氮、钾互作对可溶性糖含量影响不显著 (P ＞0.05)。由图1D 可知，在-1.414 至1.414 取值范围内，可溶性糖含量随氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趋势，随钾 (x2) 的增加呈上升趋势；可溶性糖含量达到最高时的氮、钾取值分别为x1= 0.717、x2= 1.414，对应的浓度分别为N 330 mg/L 和K 525 mg/L，对应的可溶性糖含量的响应值为4.172%。

表 2 响应面设计方案及试验结果Table 2 Program and experimental results of the response surface design

图 1 不同氮、钾供应水平下番茄生长与品质指标Fig. 1 Tomato growth and fruit quality indices under different nitrogen and potassium supplying levels

2.1.5 果实可滴定酸含量 运用Design export 8 软件建立番茄果实可滴定酸含量与氮、钾养分的二次回归方程为:y = 0.1933 - 0.0158x1- 0.0160x2-0.00647x1x2+ 0.0189x12+ 0.0100x22(R2= 0.8507，P ＜0.0001)。统计分析显示，氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项(x12、x22) 对可滴定酸含量影响显著 (P ＜ 0.05)，其中一次项为负效应，二次项为正效应，钾素为主要影响因子。氮、钾互作对可滴定酸含量的影响不显著(P ＞ 0.05)。由图1E 可知，在-1.414 至1.414 取值范围内，可滴定酸含量随氮 (x1)、钾 (x2) 的增加，均呈先下降后上升的趋势；可滴定酸含量达到最低值的氮、钾取值分别为x1= 0.586、x2= 0.994，对应的浓度分别为N 314 mg/L 和K 462 mg/L，对应的可滴定酸含量的响应值为0.181%。

2.1.6 果实糖酸比 运用Design export 8 软件建立番茄果实糖酸比与氮钾水平的二次回归方程为:y =16.78 + 1.996x1+ 4.316x2+ 1.274x1x2- 2.278x12-0.635x22(R2= 0.9155，P ＜ 0.0001)。统计分析表明，氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12) 均显著影响糖酸比 (P ＜0.05)，其中一次项为正效应，二次项为负效应，钾营养为主要影响因子。氮、钾互作和钾二次项 (x22)对糖酸比影响不显著 (P ＞ 0.05)。由图1F 可知，在-1.414 至1.414 取值范围内，糖酸比随氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趋势，随钾 (x2) 的增加呈上升趋势；糖酸比达到最大时的氮、钾取值分别为x1= 0.830、x2= 1.414，对应的浓度分别为N 343.6 mg/L 和K 525 mg/L，对应的糖酸比的响应值为23.19。

2.1.7 果实Vc 含量 运用Design export 8 软件建立番茄果实Vc 含量与氮、钾养分的二次回归方程为:y = 5.092 + 0.464x1+ 1.071x2+ 0.319x1x2- 0.572x12-0.419x22(R2= 0.8914，P ＜ 0.0001)。统计分析表明，氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12、x22) 均显著影响Vc 含量 (P ＜ 0.05)，其中一次项为正效应，二次项为负效应，钾素为主要影响因子。氮、钾互作对Vc 含量影响不显著 (P ＞ 0.05)。由图1G 可知，在-1.414 至1.414 取值范围内，Vc 含量随氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趋势，随钾 (x2) 的增加呈上升趋势；Vc 含量达到最高时的氮、钾取值分别为x1= 0.799、x2=1.414，对应的浓度分别为N 340 mg/L 和K 525 mg/L，对应的Vc 含量的响应值为6.134 mg/100 g。

2.1.8 番茄红素含量 运用Design export 8 软件建立番茄红素与氮钾营养水平的二次回归方程为:y =3.985 + 0.292x1+ 0.475x2- 0.0229x1x2- 0.280x12-0.250x22(R2= 0.9000，P ＜ 0.0001)。统计分析显示，氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12、x22) 均对番茄红素含量的影响极显著 (P ＜ 0.01)，其中一次项为正效应，二次项为负效应，钾营养为主要影响因子。氮钾互作对番茄红素含量影响不显著 (P ＞ 0.05)。由图1H 可知，在-1.414 至1.414 取值范围内，番茄红素含量随氮 (x1)、钾 (x2) 的增加，均呈先上升后下降趋势；番茄红素含量达到最高时的氮、钾取值分别为x1=0.487、x2= 0.885，对应的氮、钾浓度分别为N 302 mg/L 和K 446 mg/L，对应的番茄红素含量的响应值为4.276 mg/100 g。

2.2 氮钾营养配施方案评价

将上述2.1.1～2.1.8 部分所得的氮、钾养分配施方案分别定义为方案1～8，以所建回归方程为基础，分别计算出每种方案所对应的番茄产量、叶绿素含量、净光合速率以及果实可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、Vc、番茄红素含量 (表3)。采用主成分分析法对8 种配施方案进行番茄产量和品质的综合性能评价，结果显示主成分1 和2 的贡献率分别为70.49%和23.61%，累计值达94.10%。其中，主成分1 的主要载荷因子是净光合速率 (0.983)、叶绿素含量 (0.844) 和产量 (0.745)，主成分2 的主要载荷因子是番茄红素含量 (0.946) 和产量 (0.661)。配施方案的综合得分排名显示，方案3 条件下 (N 378 mg/L、K 391 mg/L)，番茄产量和品质的综合性能达到最优，且叶片净光合速率达到最大。

3 讨论

氮素是蔬菜生长发育过程中所必需的大量元素之一，是蔬菜体内蛋白质、核酸、酶、叶绿素、内源激素的重要组分之一[13]。蔬菜叶片的氮素主要用于叶绿体构建，其供应水平对蔬菜叶绿素含量、光合作用以及呼吸速率影响显著，并间接地影响蔬菜的产量和品质。大量的研究表明，增加供氮水平可提高蔬菜产量，改善品质[14-16]，适宜的氮营养可提高蔬菜作物叶绿素含量、净光合速率，促进干物质积累，增加可溶性固形物、蛋白质、维生素C 等营养成分含量[17-18]。过量的氮营养则会导致根系生长受阻，光合作用降低，生育期滞后，降低商品性产量，破坏风味与储藏品质[19]。钾是蔬菜生长发育必不可少的营养元素之一，其参与水分吸收、光合作用、同化运输以及酶活性的激活等生理活动，对作物的产量和品质有着重要影响。研究表明，适当地增加钾供应水平亦可提高蔬菜产量，并改善品质[7,20]。钾供应充足时番茄叶片的叶绿素含量和光合速率可以达到最大值[20-21]，钾浓度的升高明显改善番茄品质[3,22-23]，并且有利于番茄着色[24]。

表 3 基于番茄生长和果实品质的氮钾营养方案综合得分与排名Table 3 The comprehensive score and ranking of nitrogen and potassium based on tomato growth and fruit quality

本试验结果显示，氮、钾供应水平对番茄的生长影响显著，增加营养液中氮、钾含量可提高叶片叶绿素含量、净光合速率和产量。果实品质分析显示，氮、钾营养对番茄品质亦造成显著影响，适度增加营养液中氮、钾浓度可提高果实可溶性糖、维生素C 和番茄红素含量，降低可滴定酸含量。但随着供氮水平的进一步提高，番茄的光合受阻、产量降低、品质下降，这与前人在辣椒[25]、马铃薯[26]、甜瓜[28]、甘蓝[27]上的研究结果相一致。随着供钾水平的提高，番茄产量、番茄红素含量呈先升后降趋势，可滴定酸含量呈先降后升趋势，类似的结果在前人研究中亦有报道[14,29]。因此，盲目追求产量而过量施肥，不仅造成肥料资源的大量浪费，而且影响蔬菜品质。

氮、钾养分在蔬菜的生理代谢过程中存在互作效应，合理的氮、钾供给是实现作物高产优质的前提。本试验结果显示，营养液中氮、钾互作对番茄产量和叶绿素含量影响显著 (P ＜ 0.05)，对净光合速率和果实品质影响不显著 (P ＞ 0.05)。低钾条件下，随氮素增加增产效果不明显，高钾条件下，随氮素增加增产效果明显，表明充足的钾素供给可以促进植株对氮素的吸收与同化，利于产量提高。此外，适量的氮素供应有利于钾素的吸收与利用，促进产量的进一步提高。因此，在蔬菜实际生产中，氮、钾养分应合理配施，充分发挥其互作效应，从而实现高产优质。

运用回归设计理论和响应面方法，采用多元二次回归方程拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，具有试验规模小、信息量大的特点，目前已广泛用于提取与加工工艺的优化，在农业上可用于施肥方案的决策和种植管理技术的优化。通过实测数据建立了氮、钾浓度与番茄产量和果实品质之间的回归方程，方差分析达到显著水平，相关系数较高，可用于预测番茄无土栽培营养液中氮钾营养的最优配施方案，相较于正交设计，具有试验处理少和优化结果精确的优点。本试验结果显示，在氮钾配施方案3 条件下，番茄综合性能 (生长、产量和品质) 达到最优，而此时叶片净光合速率达到最大。一方面，光合作用的增强得益于氮素促进叶绿素合成，钾素增大气孔导度[30]，氮钾配施提高Rubisco 酶活性[31]，最终表现为光合产物的增加和产量的提高；另一方面，氮钾配施提高番茄叶片光合作用的同时，促进光合产物在番茄结果期优先向果实转运，从而加速果实中蔗糖的积累，相似的结果在甘薯[32]中已有报道。

4 结论

氮、钾养分显著影响番茄的光合效率和果实产量及品质。氮素水平主要影响植株的光合效率和番茄产量，钾素水平主要影响果实品质和品相。优质高产需要协调氮、钾供应。在本试验栽培基质和方法条件下，番茄产量和品质综合最优的营养液氮、钾水平分别为378 mg/L、391 mg/L。