膜下滴灌条件下不同水氮供应对大棚番茄品质的影响

李文玲，孙西欢,2，郭向红，马娟娟，石小虎

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西 晋中 030619)

0 引 言

番茄是一种常见的经济作物，富含人体所需的多种维生素和矿物质，具有独特风味[1]。近年来，我国番茄种植总面积维持在108～110 万hm2之间，番茄及其制品的消费以年均15%的增长率快速发展，市场前景广阔。但是由于不合理灌溉施肥，不仅造成耕地质量下降、水资源浪费，也导致番茄产量下降、果实品质不佳[2,3]。因此，进一步研究水氮耦合理论和技术，寻求科学的灌施模式，对提高农田水氮利用率，促进农业可持续发展具有重要的现实意义。

番茄果实品质主要体现在外观、口感、营养等方面，水分和氮素对番茄的品质影响甚重，目前关于水分和氮素对番茄品质的影响研究主要集中在灌水量和施氮量等单因素或全生育期水氮耦合方面[4-7]。前人研究得出增大灌水量显著降低了番茄可溶性糖、有机酸、VC、番茄红素和硝酸盐质量分数，适当降低灌水量可改善番茄品质，提高可溶性固形物、可溶性糖、VC等的含量[8-12]，但土壤含水率过低时，植物体内合成碳水化合物等营养物质会受到限制，也会导致果实品质不佳[13]。王雪梅等[9]指出提高氮肥施用量能使有机酸含量增加，显著提高可溶性固形物的质量分数，而降低氮肥施用量能显著降低番茄硝酸盐质量分数。袁丽萍等[14]指出增加施氮量能显著提高番茄有机酸含量。前人针对水氮单因子效应和耦合效应对番茄品质的影响已做了大量研究，但各个生育期不同灌水量与施氮量的耦合效应对番茄品质的影响鲜有报道。

由于番茄品质是一个综合性的概念，各指标间彼此相关，因此单项指标不能判定其品质优劣，需采用综合评价方法对番茄的品质进行整体评估。主成分分析法是一种综合评价方法，目前已在多领域的综合评价中广泛应用[15-17]。本文通过小区试验，研究膜下滴灌条件下大棚番茄品质对水氮耦合处理的响应，并采用主成分分析法建立番茄综合品质评价模型[18,19]，将番茄品质指标进行量化和评价，以获得使番茄品质最优的灌施模式，为干旱半干旱区大棚番茄产业的可持续发展提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2018年5-10月在山西省农业科学院旱地农业研究中心阳曲县河村试验基地进行。阳曲县地处忻州与晋中盆地之脊梁地带，地理位置为东经112°12′～113°09′，北纬37°56′～38°09′112，属温带大陆性季风气候，海拔1 248.5 m，年均温度5～7 ℃，年均降水量459.0 mm，降水集中在6-9月，年均蒸发1 546.9 mm，全年无霜期约144 d，≥10 ℃的积温2 840.6 ℃。土壤容重1.43 g/cm3，田间持水率为0.31 cm3/cm3。番茄定植前大棚0～20 cm土壤理化性质见表1。

1.2 试验设计

本试验设计4个灌水处理，分别为苗期灌水量较充分灌水减少50%(W1)、苗期与开花期灌水量较充分灌水减少50%(W2)、全生育期灌水量较充分灌水减少50%(W3)、全生育期充分灌水(W4)；3个施氮处理，分别为200 kg/hm2(N1)、300 kg/hm2(N2)、400 kg/hm2(N3)。试验采用完全随机区组设计，每个处理重复3次，试验水平和因素设计见表2。

表1 土壤理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of soil

表2 试验水平和因素设计Tab.2 Test level and factor design

注：I为灌水上限为田间持水量的90%的灌水量，mm，I=10(0.9θFc-θv)×Zr×0.6；θFc为田间持水量，cm3/cm3；θv为灌水前的土壤含水量，cm3/cm3；Zr为计划湿润层深度，cm，依据番茄根系生长，本试验取60 cm；0.6为湿润比。

试验地各小区均为3.6 m×7 m，首尾设置保护行。番茄幼苗按单穴单株定植在垄两侧，株行距为0.5 m×0.5 m，种植密度为2.5 株/m2。定植前3～4 d铺设黑色塑料地膜，整地时将所有有机肥、钾肥、磷肥、钙镁硼微量元素(有机肥20 000 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2、K2O 300 kg/hm2)均匀基施，氮素按试验处理将其3/5作为基肥施入耕作层，在番茄第一穗果实膨大期、第三穗果实膨大期分别追施1/5，每次追肥将尿素溶解于施肥罐中随滴灌带施入作物根区。全生育期内，每株番茄在5穗果后摘心，每穗留5～6个番茄，其他喷药等措施均按当地常规进行。番茄生育期划分为苗期(2018.06.04-2018.06.23)、开花期(2018.06.23-2018.07.21)、成熟期(2018. 07.21-2018.09.15)。

1.3 测定项目方法

测定番茄品质取第三穗成熟的新鲜番茄进行测定，可溶性糖采用蒽酮比色法测定[20]、有机酸采用氢氧化钠滴定法测定[20](以苹果酸计)、VC含量采用钼蓝比色法测定[21]、硝酸盐含量采用硫酸-水杨酸法测定[22]、番茄红素采用有机溶剂萃取法测定[23]。

1.4 数据统计分析

采用Office Excel 2013对数据进行计算处理，采用SPSS 23.0进行方差分析和主成分分析，采用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对番茄品质的影响

2.1.1 不同水氮处理对番茄可溶性糖含量的影响

可溶性糖是植物组织中能溶于水的糖类，其含量高低直接影响番茄的风味和口感。图1为不同水氮供应下的番茄可溶性糖含量。由图1可知，灌水处理相同时，施氮量N2处理的可溶性糖含量均达到最大值，较N1、N3处理平均高20.18%、17.71%；施氮量相同时，灌水处理为W2时的可溶性糖含量均为最高，分别为8.27%、9.33%、8.53%，分别较W4高出42.71%、17.26%、23.14%。由于灌水处理和施氮处理可能对番茄可溶性糖含量存在交互效应。因此进一步对数据样本进行了双因素方差分析，如表3所示。经方差分析，灌水处理、施氮处理与水氮交互作用对番茄可溶性糖含量的影响均达到极显著水平(P<0.01)，表现为灌水处理>施氮处理>水氮交互。各水氮耦合处理下，W2N2处理下可溶性糖含量最高，达到9.53%，W1N3处理下番茄可溶性糖含量最少，为4.96%。

图1 不同水氮处理下番茄可溶性糖含量Fig.1 Soluble sugar content under different water and nitrogen treatments

2.1.2 不同水氮处理对番茄有机酸含量的影响

果实中有机酸是组成果实品质风味的重要因素，其含量受诸多因素影响，如光照、温度、水分、肥料等。由图2可知，灌水处理为W1、W2和W4时，施氮量为N3时的有机酸含量均达到最低，平均低于N1、N2的16.73%、14.71%，灌水处理为W3时，施氮量为N1时的有机酸含量最低，平均低于N2、N3的20%、27.27%；施氮量为N1时，W3处理的有机酸含量最少，相对于W4低47.45%；施氮量为N2、N3时，W2处理的有机酸含量最少，相对于W4处理低30.77%、36.36%。对数据样本进行的双因素方差分析，如表3所示。由方差分析知，灌水处理、施氮处理与水氮交互作用对番茄可溶性糖含量的影响均达到极显著水平(P<0.01)，表现为灌水处理>施氮处理>水氮交互。各水氮耦合处理下，W4N1处理的番茄有机酸含量最多，达到0.25%，W2N3处理下番茄有机酸含量最少，为0.12%。

图2 不同水氮处理下番茄有机酸含量Fig.2 Organic acid content under different water and nitrogen treatments

2.1.3 不同水氮处理对番茄VC含量的影响

维生素C又称抗坏血酸，是一种水溶性维生素，具有抗氧化和抗衰老等功能。如图3所示，灌水处理相同时，施氮量为N2时的VC含量均达到最大，分别较N1、N3高出16.43%、14.35%；施氮量为N1时，W2处理下的VC含量最多，相对于W4高出45.46%，施氮量为N2、N3时，W1处理的VC含量最高，较W4分别高出42.79%、55.27%。对数据样本进一步的双因素方差分析如表3所示。由方差分析知，灌水处理、施氮处理与水氮交互作用对番茄VC含量的影响均达到极显著水平(P<0.01)，且灌水处理>施氮处理>水氮交互。各水氮耦合处理下，W1N2处理的番茄VC含量最多，达到0.391 8 mg/g，而W4N3处理下番茄VC含量最少，为0.217 3 mg/g。

表3 番茄品质指标双因素方差分析Tab.3 Two-way ANOVA of tomato quality indexs

图3 不同水氮处理下番茄VC含量Fig.3 VC content under different water and nitrogen treatments

2.1.4 不同水氮处理对番茄红素含量的影响

番茄红素主要存在于番茄成熟果实中，具有较强的抗氧化性及抗癌功效。如图4所示，灌水处理为W1、W2时，施氮量为N3时的番茄红素含量达到最大，分别较N1、N2高2.25%、4.75%、1.74%、1.94%，灌水处理为W3、W4时，施氮量为N1时的番茄红素含量最高，分别较N2、N3高1.48%、0.1%、0.52%、0.02%；施氮量相同时，灌水处理为W4时的番茄红素含量均达到最高。数据样本的双因素方差分析如表3所示。经方差分析，灌水处理对番茄红素含量的影响为极显著(P<0.01)，施氮处理与水氮交互对番茄红素含量的影响均不显著，表现为灌水处理>施氮处理>水氮交互。各水氮耦合处理下，W4N3处理的番茄红素含量最多，达42.94 mg/kg，而W1N2处理下番茄红素含量最少，为35.40 mg/kg。

图4 不同水氮处理下番茄红素含量Fig.4 Lycopene content under different water and nitrogen treatments

2.1.5 不同水氮处理对番茄硝酸盐含量的影响

硝酸盐含量是衡量蔬菜品质的重要指标之一，蔬菜中的高硝酸盐含量不仅对人体存在潜在危害，同时也降低了果实品质。如图5所示，灌水处理相同时，施氮量为N1的硝酸盐含量均为最低，分别低于N2、N3的20.74%、50.46%、22.89%、25.02%、0.09%、23.97%、27.75%、49.45%；在施氮量为N1与N3的处理下，灌水处理为W4时，硝酸盐含量最低，分别为5.03、9.96 mg/kg。在N2处理下，灌水为W1时，硝酸盐含量最低，较W4处理低1.632%。数据样本的双因素方差分析如表3所示。由方差分析可知，灌水处理、施氮处理与水氮交互作用对番茄硝酸盐含量的影响均达到极显著水平(P<0.01)，表现为施氮量>灌水处理>水氮交互。各水氮耦合处理下，W3N3处理的番茄硝酸盐含量最多，达到12.69 mg/kg，而W4N1处理下番茄硝酸盐含量最少，为5.03 mg/kg。

图5 不同水氮处理下番茄硝酸盐含量Fig.5 Nitrate content under different water and nitrogen treatments

2.2 番茄品质的综合评价

由于番茄品质是一个综合指标，单独由其中一项指标并不能全面反映其等级优劣，故需要对各项指标进行综合分析及评价。选取评价变量分别为可溶性糖(X1)、有机酸含量(X2)、VC含量(X3)、硝酸盐含量(X4)、番茄红素含量(X5)5个品质指标，利用SPSS23.0对标准化后的数据进行主成分分析，根据特征值大于1的标准对各处理主成分进行提取，得到评价体系的总方差解释表，见表4。结果表明，前2个主成分累积贡献率达到71.297%，因此可用这2个主成分可代替原来的5个指标来对番茄品质进行评价。第1主成分贡献率达到40.508%，主要反映可溶性糖(X1)、有机酸(X2)、VC(X3)、硝酸盐(X5)4个指标的影响，第2主成分贡献率为30.789%，主要以番茄红素(X4)的影响为主。结合表4与表5计算，得到主成分得分函数如下：

F1=0.166x1+0.316x2+0.170x3+0.006x4+0.296x5

(1)

表5 主成分载荷矩阵Tab.5 Component matrix

F2=0.296x1+0.035x2-0.319x3+0.480x4-0.034x5

(2)

以各主成分所对应的贡献率占全部主成分的累计贡献率的比例作为权重，计算得到综合主成分的得分模型：

F=0.222x1+0.195x2-0.041x3+0.211x4+0.153x5

(3)

其中F表示主成分综合得分，x1、x2、x3、x4、x5表示经标准化处理后的数值，由此计算得到各处理的综合主成分得分表，见表6。由表6判定W2N3处理下的综合品质最优，W1N1处理下的综合品质最差。

表6 各处理主成分综合得分及排序结果Tab.6 comprehensive score and ranking result of principal component under each treatments

3 结 论

(1)灌水处理、施氮处理和水氮交互作用对番茄可溶性糖、有机酸、VC和番茄红素的影响达到极显著水平，灌水处理对番茄红素影响极显著，施氮量及水氮耦合对番茄红素影响不显著。

(2)各处理下，W2N2处理的甜度最高，W2N3处理的酸度最低，W1N2处理的VC含量最高，W4N3处理的番茄红素含量最高，W4N1处理的硝酸盐含量最低。苗期与开花期减少灌水量能改善番茄口感，提高番茄营养指标的含量。采用综合评价方法判断灌水量与施氮量对番茄品质的影响，得出W1N1处理下的综合品质最差，在W2N3处理下的综合品质最优。