秸秆隔层及水氮管理对番茄光合特性、产量品质和水氮利用的影响

王如珂 郭相平 曹克文 张秫瑄 黄达

摘要：通过秸秆隔层、灌水上限和施氮量对番茄的光合特性、产量、品质和水氮利用的影响，研究番茄生产中秸秆隔层下适宜的灌水上限和施氮量，寻求节水、节肥、高产优质的秸秆隔层下水氮管理模式。在温室内进行小区试验，设置2个秸秆隔层水平（0、1.6×104 kg/hm2）、2个灌水上限（90%FC、80%FC，FC为田间持水率）、2个施氮水平（225、180 kg/hm2），共8个处理，对番茄光合特性、产量品质等进行监测分析。研究结果，番茄在无秸秆隔层、90%FC灌水上限、225 kg/hm2施氮量下光合指标及产量最高，产量为95.37 kg/hm2;番茄水分利用效率（WUE）和氮肥偏生产力（PFPN）在有秸秆隔层，80%FC灌水上限，180 kg/hm2施氮量条件下最高，为53.66 kg/m3、479.28 kg/kg;番茄综合品质在有秸秆隔层、80%FC灌水上限、225 kg/hm2施氮量條件下最高，且与180 kg/hm2施氮量下无显著差异。研究结果表明，综合考虑产量、品质、水分利用效率、氮肥偏生产力等指标，灌水下限为60%FC时，适宜的灌溉施肥模式为设置秸秆隔层（1.6×104 kg/hm2）、80%FC灌水上限、180 kg/hm2施氮量（P2O5 112.5 kg/hm2，K2O 135 kg/hm2），其经济效益好，能够达到节水、节肥、高产优质的目的。

关键词：番茄;秸秆隔层;光合特性;产量;品质;水氮利用;灌水上限;施氮水平

中图分类号：S641.206;S641.207 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）05-0128-07

收稿日期：2021-10-09

基金项目： 国家重点研发计划（编号：2020YFD0900703）。

作者简介： 王如珂（1996—），男，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事节水灌溉理论研究。E-mail： 6163492@qq.com。

通信作者： 郭相平，教授，博士生导师，主要从事农业水土工程理论研究。E-mail： xpguo@hhu.edu.cn。

将一定厚度的秸秆深埋还田后形成隔离层破坏土壤毛管的连续性，能够抑制土壤水分入渗，增强表层土壤蓄水能力[1]，蔬菜种植结合深埋秸秆措施可有效提高水分利用效率[2-3]，同时减少硝态氮的淋溶损失[4]，减少氮肥施用量。采用秸秆隔层，配合适宜的水肥管理措施，可望达到节水节肥的效果。李建明等研究表明，水肥通过影响作物的光合作用进而对产量与水分利用效率产生影响[5]。袁宇霞等发现，增加施肥量和适当上调灌水下限可以显著提高番茄的光合速率、干物质量和产量，过高反而不利于其生长[6]。邢英英等研究表明，滴灌灌水量和施肥量均对番茄各品质指标有极显著的影响，增大灌水量显著降低番茄维生素C、番茄红素和可溶性糖含量;增大施肥量，番茄品质指标呈先增大后降低的趋势[7-8]。针对滴灌条件下水肥管理对作物生长、产量品质的影响以及盐渍化地区秸秆隔层抑制土表返盐的研究较多，而将铺设秸秆隔层与水肥管理相结合的影响研究目前较为少见。本研究通过设置秸秆隔层及不同水氮管理措施试验，寻求秸秆隔层条件下适宜的水氮管理模式，提高温室番茄水氮利用效率，以期达到节水、节肥、优质高产的目的。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2019年4—7月在河海大学南京市江宁节水园内的温室大棚内进行。试验区位于长江下游，属于亚热带湿润气候，年平均降水量1 021.3 mm，年平均蒸发量900.0 mm，年平均气温15.7 ℃，最热月平均气温28.1 ℃，年无霜期237 d，年平均日照时数2 212.8 h。生育期内大棚内部最高平均气温 42.6 ℃，最低平均气温18.9 ℃，最高与最低相对湿度分别为86.8%、16.7%，日均蒸发量为3.8 mm/d。土壤类型为黏壤土，pH值为7.13，中等肥力，土壤干容重为1.41 g/cm3，饱和含水率与田间持水率分别为43.7%、30.6%，有机质含量为2.40 g/kg，全氮和速效氮含量分别为52.30、32.54 mg/kg，全磷和速效磷的含量分别为24.70、13.54 mg/kg。试验供试番茄品种为合作903，前期育苗在玻璃温室内进行，于2019年4月17日选取长势一致的番茄幼苗定植，三穗果后进行打顶，7月13日拉秧。日常管理依据当地常规进行。秸秆供试品种为南粳2728水稻秸秆，试验前晒干，移苗前埋入土中。

1.2 试验设计

试验设计秸秆隔层（S）、灌溉上限（W）、施氮量（F）3个因素，每个因素设置2个水平，共8个处理，具体设计见表1。

秸秆隔层设置2个水平：无秸秆隔层（S0）、有秸秆隔层（S1），秸秆隔层的埋设秸秆量为1.6×104 kg/hm2，约15 cm的段状，埋设于宽25 cm的垄底，深度20 cm、厚度约5 cm。

灌水上限设置2个水平：90%田间持水率（W1）、80%田间持水率（W2），灌水下限均设定为60%田间持水率，滴灌灌水定额用如下公式计算：

m=0.001γZP（θmax-θmin）。（1）

式中：m为设计净灌水定额，mm;γ为土壤容重，g/cm3;Z为土壤计划湿润层厚度，cm;P为设计土壤湿润比，取60%;θmax、θmin分别为土壤含水率上限、下限质量百分比，%。土壤计划湿润层厚度Z苗期取20 cm，其他时期均取40 cm。

施氮量设置2个水平：N 225 kg/hm2（F1）、N 180 kg/hm2（F2），各处理磷、钾肥量相同，其中，P2O5 1125 kg/hm2，肥料来源为CO（NH2）2、KH2PO4、K2SO4，分3次（5月9日、6月2日、6月22日）均匀融入水中施入。

试验共26条垄，南北2侧第1条垄为保护行，中间24条垄，每条垄长5 m，种植10株番茄，株距为50 cm，行距为50 cm，共8个处理，每个处理3次重复，完全随机排列。移栽前对表层土进行旋耕机翻土。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 光合参数测定

分别于2019年5月30日、6月20日、7月8日晴天09：00—11：00利用 LI-6800 型光合仪（美国LI-COR公司）随机选取每个处理4株对其充足受光、叶位一致的完整功能叶进行测定。为降低环境变化带来的误差，采取“Z”字形测量法，即每重复的每个处理测定1个数据即进入下1个处理，全部处理都测完1次后进入下1次循环，如此依次测完，最后计算各处理平均值。

1.3.2 产量和干物质量测定

产量：自番茄第一穗果成熟后，每隔5 d选择成熟度一致的果实陆续采摘，自来水清洗擦干后称质量，记录各处理分批次的果实鲜质量，至拉秧期结束。干物质量：在最后1次采摘果实时每个处理随机选取4株，将其根、茎、叶、果分开，用清水冲洗并擦拭干净后放入烘箱，105 ℃ 杀青30 min，然后75 ℃烘干至恒质量，冷却后用百分之一电子天平称质量。

1.3.3 品质测定

在果实成熟期，每个处理选择6个成熟度一致的果实（第1穗果和第3穗果各3个）进行品质测定，采用李合生的方法[9]测定番茄品质，取平均值作为最终结果。

果实硬度用GY-4数显水果硬度计测定，浙江托普仪器有限公司生产;果形指数即纵径和横径的比值，用电子游标卡尺测定果实的纵径和横径;可溶性固形物用手持折射仪RHBO-90测定，上海奋业光电仪器设备有限公司生产;有机酸含量用酸碱滴定法测定;可溶性糖含量用硫酸-蒽酮比色法测定;维生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法测定;果实颜色指数用TES-135A物色分析仪测定，台湾泰仕电子工业股份有限公司生产，计算公式为：

TCI=2 000a*L*a*2+b*2。（2）

式中：L*，a*，b* 为颜色参数，L*为黑色到白色（0，+100）的亮度范围，a*为绿色到红色（-100，+100）的范围，b*为蓝色到黄色（-100，+100）的范围。TCI即色光值。

1.3.4 水分利用效率

水分利用效率（WUE）是指作物利用单位灌水量所能生产的作物产量，计算公式为：

WUE=YET。（3）

式中：Y为产量，kg/hm2;ET为生育期内作物耗水量，mm。

1.3.5 氮肥偏生产力

氮肥偏生产力（PFPN）指投入的单位氮肥所生产的作物经济产量，计算公式为：

PFPN=YN。

式中：Y为单位面积上作物经济产量，kg;N为单位面积上氮肥的投入量，kg。

1.4 数据处理

使用Excel进行数据处理;使用SPSS进行方差分析;使用Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对番茄光合特性的影响

从图1可以看出，各处理的4个光合指标均随着生育期的推进呈先上升后下降的趋势;开花坐果期，植株正处于营养生长到生殖生长阶段，光合器官逐步发育和完善，各光合指标逐渐提升;盛果期，植株光合器官发育成熟，处于生殖盛期，各光合指标达到最高值;成熟后期，植株开始衰老，叶片光合能力衰退，各光合指标下降。比较各处理间光合指标差异在不同时期的变化，各处理间净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）在开花坐果期的差异性均小于盛果期和成熟后期，表明随着生育期的推进及试验处理的次数增加，不同处理对植株光合作用影响的累积效应也随之增加。

以盛果期为例，比较不同处理对Pn的影响。以S0F1W1（无秸秆高水高肥）最大，为 21.87 μmol/（m2·s），显著（P<0.05）高于其他处理;以S0F2W2（无秸秆低水低肥）最小，为 14.76 μmol/（m2·s） 显著低于除S0F2W1外的其他处理。

无秸秆隔层S0条件下F1W1处理>F1W2处理>F2W1/F2W2处理（P<;0.05），表明無秸秆隔层下，高水高氮可提高Pn;在水氮不足时，施氮量对Pn的影响高于水分。有秸秆隔层S1下：F1W2/F2W2处理>F1W1/F2W1处理（P<0.05），表明设置秸秆隔层后，低水低氮处理下的Pn反而较高，且水分对Pn的影响高于施氮量。

在高水W1条件下S0F1处理>S1F1处理（P<0.05），S0F2、S1F2处理间差异不显著，表明秸秆隔层结合高灌水上限降低或不增加Pn。在低水W2条件下S0F1/S0F2处理<S1F1/S1F2处理（P<0.05），表明秸秆隔层结合低灌水上限可以提高Pn。综合来看，S0F1W1比S0F2W2处理Pn提高了48.17%，S1F2W2比S0F2W2处理Pn提高了32.66%。

综上分析，设置秸秆隔层后，番茄可在低水、低氮条件下获得较高的光合速率，为提高产量和水肥利用效率提供了物质基础。隔层抑制水分和氮肥淋失可能是主要原因。

不同处理Tr、Ci、Gs变化趋势与Pn呈总体一致。但S1F1W1、S1F2W1处理较S1F1W2、S1F2W2处理，Pn、Tr、Gs显著降低，而Ci无显著降低，表明秸秆隔层结合高灌水上限时，Pn的降低可能主要受非气孔因素限制。

2.2 不同处理对番茄干物质量、产量、水分利用效率和氮肥偏生产力的影响

整个生育期的耗水量情况见表2，秸秆隔层、灌水上限对耗水量影响极显著（P<0.01），施氮量、秸秆隔层与灌水上限的交互作用对耗水量影响显著。在同一灌水上限和秸秆隔层下，施氮量对耗水量无显著影响。与无秸秆隔层相比，有秸秆隔层处理在高水（W1）条件下平均节水7.4%，低水（W2）条件下平均节水5.4%;整个生育期以S1F2W1、S1F2W2处理耗水量最低，比最高耗水量S0F1W1处理分别减少17.3%、18.8%。

施氮量、秸秆隔层与灌水上限的交互作用对植株地上部分干质量影响极显著。S0条件下，高氮（F1）处理地上部分干质量显著高于低氮（F2）处理，高水（W1）处理地上部分干质量高于低水（W2）处理（F1条件下P<0.05）;S1条件下，低水（W2）处理地上部分干质量显著高于高水（W1）处理，F1W2、F2W2处理间无显著差异。所有处理中地上部分干质量以S0F1W1最高，S0F2W2最低。

各处理间产量与地上部分干质量呈线性正相关关系，相关系数r=0.974 7，达极显著水平。秸秆隔层、灌水上限、施氮量、各因素两两之间的交互作用及三者的交互作用均对产量产生显著影响。同一灌水上限下，S0F1处理产量显著高于S0F2处理，而S1处理不同施氮量间无显著差异;同一施氮量下，S0W1处理产量高于S0W2（F1条件下P<0.05），而S1W1处理产量显著低于S1W2处理。所有处理中产量以S0F1W1最高，较最低产量处理S0F2W2高44.6%;S1F1W2、S1F2W2产量次之，较最低产量处理S0F2W2分别高28.3%、30.8%，较最高产量处理S0F1W1分别低12.7%、9.5%。表明在无秸秆隔层下，高水高氮（F1W1）较低水低氮（F2W2）处理增产效应显著;有秸秆隔层低水低氮（S1F2W2）较无秸秆隔层低水低氮（S0F2W2）处理增产效应显著。

除3个因素间的交互作用外，秸秆隔层、灌水上限、施氮量及各因素两两之间的交互作用均对WUE产生极显著影响。S0条件下以F1W1处理WUE最高，S1条件下以W2处理WUE最高且显著高于S0F1W1。

除灌水上限、三因素間的交互作用外，秸秆隔层、施氮量及各因素两两之间的交互作用均对PFPN产生极显著影响。S0条件下以F1W1处理PFPN最高，S1条件下以F2W2处理PFPN最高且显著高于S0F1W1。

综合考虑产量、WUE和PFPN，以S0F1W1、S0F2W2处理最优。

2.3 对番茄品质的影响

2.3.1 储运品质 番茄硬度是与耐贮性密切相关的重要品质性状之一，测定果实采摘初始的硬度，就可以预测在储藏条件下硬度下降的程度，为番茄的储存、运输提供理论依据[10]。从表3可以看出，秸秆隔层、灌水上限对番茄硬度的影响极显著。S0条件下，高水（W1）处理硬度显著低于低水（W2）处理，表明低水胁迫有助于增加果实硬度;与S0处理相比，S1下各处理硬度有所降低（F1条件下P<005，F2条件下P>0.05），表明秸秆隔层的保水效果不利于增加果实硬度。在设置秸秆隔层时，需适当降低灌水上限，以保持较高硬度。

2.3.2 外观品质 颜色指数和果形指数是番茄重要的外观品质。（1）颜色指数。所有处理中，高水（W1）处理颜色指数显著低于低水（W2）处理，表明低水有助于提高颜色指数;在同一施氮量下，有秸秆隔层低水处理（S1W2）与无秸秆隔层低水处理（S0W2）无显著差异。（2）果形指数秸秆隔层、施氮量以及秸秆隔层与灌水上限的交互作用均对果形指数产生显著影响，在S0条件下，高水高氮（F1W1）处理果形指数高于低水低氮（F2W2）处理，而S1条件下表现相反，表明高水高氮（F1W1）有助于提高果实的果形指数，低水低氮（F2W2）时秸秆隔层可提高果形指数。

2.3.3 对番茄营养品质的影响

从表3可以看出，灌水上限、施氮量、灌水上限与秸秆隔层的交互作用均对维生素C含量产生显著影响。在S0条件下，W1处理维生素C含量低于W2处理（F1条件下P<0.05，F2条件下P>0.05），且在低水条件下F1处理显著高于F2处理;S1条件下表现相反，且同一灌水上限下施氮量影响不显著，表明水分作用>氮肥作用， 低水高氮有利于提高维生素C含量，且S1F1W2处理获得最高维生素C含量155.87 mg/100 g。

灌水上限、施氮量均对有机酸含量、可溶性糖含量、可溶性固形物含量、糖酸比产生显著影响（施氮量对糖酸比影响差异不显著）。S0条件下，同一施氮量下高水（W1）处理有机酸含量、可溶性糖含量、可溶性固形物含量、糖酸比均低于低水（W2）处理，其中可溶性糖含量、可溶性固形物含量差异显著，糖酸比在低氮（F2）下差异显著，有机酸含量在同一施氮量下差异不显著;S1条件下，同一施氮量下高水（W1）处理有机酸含量、可溶性糖含量、可溶性固形物含量、糖酸比均高于（W2）处理，其中可溶性糖含量、可溶性固形物含量、糖酸比差异显著，有机酸含量在同一施氮量下差异不显著。所有处理中，有机酸含量、可溶性糖含量、可溶性固形物含量、糖酸比以S0F1W2、S1F1W2、S1F2W2处理最高且处理间无显著性差异（除S0F1W2与S1F1W2处理有机酸差异显著外），S0F2W1、S1F2W1处理最低且处理间无显著差异。

一般认为，高糖含量下的高糖酸比口感较好，因此，秸秆隔离层下的低肥处理有助于提高番茄风味。

3 讨论与结论

秸秆隔层可通过抑制入渗增加上层土壤的含水率，并减少硝态氮深层渗漏[11]。秸秆深埋还能够增加上层土壤有机质，提高土壤肥力，破除土壤板结层，改善土壤结构[12-13]。本试验结果表明，无秸秆隔层下，适当提高灌水上限和施氮量都会显著提高Pn、Tr、Ci、Gs等光合指标;而有秸秆隔层下，高灌水上限会抑制光合作用，低灌水上限有利于光合作用的提高，这是因为秸秆的保水作用使得低水条件下能够提高土壤含水量，且根系由于秸秆阻隔而集中在上层土壤，也使高灌水上限导致土壤含水量过高而对光合作用产生抑制，进而影响干物质累积和经济产量。

关于滴灌水肥对番茄产量的影响，李波等的研究结果表明，开花坐果期灌溉下限取60%FC，结果期灌溉上限取90%FC有利于产量提高，产量最高约达91.7 t/hm2[14]。李波等研究发现，在深埋秸秆（1.5×104 kg/hm2）条件下，当灌水下、上限分别为60%FC、100%FC时番茄获得高产[15]。本研究结果与之有所不同，可能原因是秸秆埋设方式不同。本研究结果表明，无秸秆隔层下，高灌溉上限90%FC和高施氮量（225 kg/hm2）有利于产量的提高，且为所有处理中最高，达95.37 t/hm2;在有秸秆隔层下，低灌水上限能够得到稳定的产量，低施氮量和高施氮量产量分别为86.27、84.65 t/hm2，其施氮量不同对产量影响无显著差异的原因可能是秸秆隔层减少氮肥淋失造成的。因此秸秆隔层技术有助于节水、减施，对环境更为友好。

WUE和PFPN都是决定番茄栽培经济效益的重要指标。本研究结果显示，有无秸秆隔层对番茄耗水量影响显著，各有秸秆隔层处理耗水量均少于无秸秆隔层处理，这与秸秆隔层的保水特性有关。在无秸秆隔层下，提高施氮量能够显著提高WUE，这是因为施氮能够促进根系生长和冠层的发育，使作物可以吸收利用更多的土壤水分[16]，且以S0F1W1处理WUE和PFPN最高，说明合理的水氮配比能够更好地促进作物對肥料的吸收利用。在有秸秆隔层下，秸秆的保水作用使得低灌水上限能够获得较高的WUE和PFPN，而使高灌水上限产生一定程度的渍害而引起减产，导致WUE和PFPN较低。

相关研究表明，适当的水分亏缺可显著提高番茄的口感品质和营养保健品质[17]。本研究结果表明，降低灌水上限和提高施氮量有助于提高番茄的综合品质。无秸秆隔层下，降低灌水上限和提高施氮量有利于提高果实硬度和颜色指数，而提高灌水上限和施氮量有利于提高果实果形指数;而有秸秆隔层下，降低灌水上限有利于提高果实硬度、颜色指数和果形指数，施氮量的影响作用不显著。在所有处理中，降低灌水上限和提高施氮量均有利于果实维生素C、可溶性糖、有机酸、可溶性固形物的积累及糖酸比的提高，且水分作用>氮肥作用。

综上所述：（1）无秸秆隔层下适当提高灌水上限和施氮量，及有秸秆隔层下适当降低灌水上限，均有助于提高番茄产量。在90%FC灌水上限和225 kg/hm2施氮量下，番茄产量最高，达 95.37 kg/hm2，而在80%FC灌水上限和180 kg/hm2施氮量下，通过设置秸秆隔层，产量较无秸秆隔层提高30.79%，达86.27 kg/hm2。

（2）设置秸秆隔层可显著降低植株生育期内耗水量，且在80%FC灌水上限和180 kg/hm2施氮量下WUE和PFPN最高，达53.66 kg/m3、479.28 kg/kg;在无秸秆隔层下，90%FC灌水上限和225 kg/hm2施氮量处理也获得较高的WUE和PFPN，达49.11 kg/m3、42387 kg/kg。

（3）适当的降低灌水上限和提高施氮量有助于提高番茄的综合品质，且水分作用>氮肥作用。所有处理中，以80%FC灌水上限的处理综合品质较高，且S1F1W2、S1F2W2综合品质更优。

（4）综合考虑产量、品质、WUE和PFPN等指标，灌水下限为60%FC时，以设置秸秆隔层（1.6×104 kg/hm2）结合80%FC灌水上限和180 kg/hm2施氮量的处理经济效益最好，能够达到节水、节肥、高产优质的目的。

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