氮、钾用量对机采加工番茄果实成熟、产量及品质的影响

张占琴颉建辉李 艳王建江杨相昆

(1.新疆农垦科学院 作物研究所,新疆石河子 832000;2.谷物品质与遗传改良兵团重点实验室,新疆石河子 832000)

加工番茄是普通番茄中的一种栽培类型,其主要特点是矮化自封顶,花期集中,耐贮藏运输,主要用于制作番茄酱,目前中国已成为世界上最大的加工番茄生产和出口国之一[1-2]。新疆是我国加工番茄主要产区,生产能力占全国的90%以上。随着加工番茄采收机械的引进与发展,近年来新疆地区机械采收面积迅速扩大[3]。机械采收的迅速发展对番茄种植管理提出新的要求,即果实集中成熟度好、果肉厚、硬度高,抗压、耐贮运。

氮、钾是番茄需求量最大的两大元素[4-7],其施用量及时间是影响产量与品质的重要因素。国内对于氮、钾不同施肥量及配比对加工番茄产量和品质影响已有研究报道。新疆地区加工番茄主要采用膜下滴灌种植,滴灌条件下养分吸收及分配规律与浇灌地存在一定差异[8],增施氮、磷、钾肥和配施微肥明显促进番茄生长发育[9]。适当增施氮肥可以提高加工番茄生物量和氮积累量,过量则容易造成贪青晚熟,但也可通过后期合理增减氮肥,调控果实集中成熟度[10-11]。膜下滴灌钾肥的用量和方式对加工番茄产量和品质有显著性影响[12],增施钾肥能提高加工番茄的单株结果数、单果质量和产量,提高经济效益[13]。改善加工番茄品质,提高果实可溶性固形物、番茄红素、果实维生素C、可溶性糖、有机酸含量等[13-14],降低硝酸盐量积累[9],减少果实着色障碍[15-16]。钾肥分别在开花期和结果期滴灌追施50%的经济效益高于其他施用时期[17]。在石河子地区施用氮肥、钾肥对加工番茄均有显著增产作用,氮、钾肥增产率分别为32.8%～51.4%、13.3%～23.0%[18]。

目前,国内对于适合机械采收加工番茄的氮、钾肥用量的系统性研究较少,各地种植户往往根据人工采摘的经验估算,甚至为了追求高产盲目施肥,很难达到果实集中成熟的要求,严重影响经济效益、番茄产量及品质。

本研究开展机采加工番茄不同N、K 配比试验,研究其对产量、果实集中成熟度、商品品质的影响,筛选出最佳施肥组合和施肥时期,以期为机械采收加工番茄高产高效栽培提供理论基础及技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在新疆石河子新疆农垦科学院2轮2号试验地(44.3108°N、85.986°E,海拔460 m)进行,该地区属于典型的干旱气候区,年平均气温7.5～8.2 ℃,日照2 318～2 732 h,无霜期147～191 d,年降雨量180～270 mm,年蒸发量1 000～1 500 mm,≥10 ℃的活动积温3 570～3 729 ℃。试验田土壤质地为粘壤土,耕层(0～30 cm)土壤基本理化性状为:有机质含量23.45 g·kg-1,全盐含量1.18 g·kg-1、全氮含量1.38 g·kg-1,全磷含量1.26 g·kg-1,全钾含量19.6 g·kg-1,碱解氮含量79.2 mg·kg-1,有效磷含量20.0 mg·kg-1、速效钾含量423.4 mg·kg-1。

1.2 试验设计

供试加工番茄品种为‘垦番1503’,为新疆农垦科学院自育品种。在田间进行二因子随机区组试验,设置N、K 两个因素,每个因素设3个水平,其中N 肥用量分别为:114.1 kg·hm-2(N1低)、152.1 kg·hm-2(N2中)、190.1 kg·hm-2(N3高);K2O 肥用量分别为59.1 kg·hm-2(K1低)、118.2 kg·hm-2(K2中)、175.8 kg·hm-2(K3高),共9个水平(N1K1、N1K2、N1K3、N2K1、N2K2、N2K3、N3K1、N3K2、N3K3),所 有 处 理P2O5用量相同,为117.66 kg·hm-2,3次重复,共27个小区,每个小区面积18.4 m2。其中氮肥以尿素(总氮量≥46.4%)、磷酸一铵(含量≥98.5%、N∶P∶K 为12∶61∶0)、磷肥以磷酸一铵、钾肥以硫酸钾(K2O≥50%)施入。

1.3 田间管理

2019-03-23温室播种,播种后即刻滴水,番茄于4月1日出苗,5月8日定植于大田。大田于5月4日机械铺膜,铺膜后滴水保持土壤湿润,方便打孔。5月7日机械打孔,5月8日人工移栽。加工番茄采用膜下滴灌种植,膜宽2.05 m,每膜铺3条滴灌带,种植3 行,平均行距77 cm,株距33 cm,保苗株数39 000株·hm-2。全生育期灌水9次,随水滴肥,每次灌水及施肥量见表1,停水后15 d收获。

表1 不同处理水肥管理措施Table 1 Water and fertilizer management under different treatments

1.4 土壤样品及加工番茄各项指标测定方法

土壤样品测定方法:在加工番茄移栽前和收获后按照梅花形取样法每个处理取5个点,取样深度0～30 cm,将5个点土样混匀后自然阴干,送新疆农业科学院质量标准与检测技术研究所检测。有机质采用重铬酸钾外加热法,全氮采用凯氏定氮法,全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法、全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法、水解性氮采用碱解扩散法,速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,速效钾乙酸铵浸提-火焰光度法,可溶性总盐采用烘干残渣法。

果实红熟率测定:每个处理标记10株植株,自7月26日起,每天记录标记植株的红果数和青果数,计算出果实日红速熟速率。

单果物质积累测定:果实生长发育后期,7月25日、8月1日、8月8日、8月15日取5株样品,全部果实称量计数,计算平均单果质量。品质测定时则是随机摘取20个中上部的果实计算平均单果质量。

小区产量测定:于番茄停水后15 d 实收6.9 m2面积内全部果实,红果、青果、烂果分开计产,分别计算出红果率、青果率、烂果率。

加工番茄品质测定:在小区测产时,随机摘取20个中上部果实粉碎打浆,测定品质性状。番茄固形物含量采用爱拓MASTER 折射仪测定,p H采用美国SpectrumIQ150测定,其他参数(番茄红素、a/b值、叶绿素含量、β-胡萝卜素、L值)采用意大利玛萨莉(maselli)色差仪(LC01)测定。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理加工番茄生育进程的差异

研究表明不同处理加工番茄坐果前生育进程基本一致,即6月5日进入初花期、6月25日进入果实膨大期,此后不同处理生育期逐渐产生差异。7月24日起部分处理果实开始转红,总体趋势为中高施肥处理果实转色较早,低施肥处理果实转色较晚。

2.2 不同N、K 配比土壤养分变化

由表2可知,经过一个种植季节不同处理土壤各项指标均发生变化:土壤p H 由播种前7.92～8.02变为收获后的7.84～7.95,各个处理变化范围为-0.02～0.08。施肥量较高的N2K2、N2K3、N3K2、N3K3处理p H 的变化幅度相对较大。所有处理土壤盐分含量均上升,N2K3上升幅度较大,为0.71‰(由播种前0.86‰上升至收获后1.57‰),其余处理变化幅度较小,为0.19‰～0.32‰。所有处理有机质含量呈上升趋势,N3K3上升幅度较大,为4.76 g·kg-1(由播种前18.64 g·kg-1上升至收获后23.41 g·kg-1),同样施肥量较低的处理有机质上升幅度较小。

表2 不同处理土壤养分变化(¯x±s)Table 2 Soil nutrient under different treatments

土壤中水解性氮没有出现规律性变化,低氮和高氮(N1K1、N1K3、N1K3、N3K1、N3K2、N3K3)水解性氮呈减少趋势,中氮(N2K1、N2K2、N2K3)水解性氮呈上升趋势。土壤中速效磷和速效钾呈上升趋势,N2K3、N3K2上升幅度都较大,速效磷上升幅度为13.46 mg·kg-1(由播种前13.97 mg·kg-1上升到收获后27.43 mg·kg-1)和18.47 mg·kg-1(由播种前7.35 mg·kg-1上升到收获后25.82 mg·kg-1),速效钾上升幅度为85.83 mg·kg-1(播种前466.93 mg·kg-1上升到收获后552.77 mg·kg-1)和92.13 mg·kg-1(播种前465.79 mg·kg-1上升到收获后557.92 mg·kg-1)。土壤中全氮呈增加趋势,全磷和全钾呈下降趋势,全磷的下降趋势较大的是N2K2和N3K3,分别下降0.28 g·kg-1(由播种前1.54 g·kg-1下降到1.26 g·kg-1)和0.33 g·kg-1(播种期前1.62 g·kg-1下降到收获后1.29 g·kg-1)。全钾下降趋势较大的为N3K1和N3K3,分别为28.06 g·kg-1(播种前39.04 g·kg-1下降到收获后10.98 g·kg-1)和35.07 g·kg-1(播种前46.41 g·kg-1下降到收获后11.34 g·kg-1)。

2.3 不同施肥处理果实日红速熟速率的差异

由表3可知,7月31日-8月4日期间N、K用量对果实日红速熟速率影响显著,二者互作对其影响极显著。8月5日-8月9日期间N、K 用量及其互作对果实日红速熟率影响均显著。在7月26日-7月30日和8月10日-8月14日期间N、K 及其互作对果实日红速熟率均无显著影响。比较不同施N、K 用量对果实红熟率的影响可知,7月26日-7月30日期间N1、N2、N3果实日红速熟速率分别为2.60 个·d-1、1.98个·d-1、1.99个·d-1。K1、K2、K3分别为2.51个·d-1、2.21 个·d-1、1.86 个·d-1。7 月31日-8月4日期间N1、N2、N3果实日红速熟速率分 加 为3.15 个·d-1、4.09 个·d-1、4.05个·d-1。K1、K2、K3分别为3.14个·d-1、3.77个·d-1、4.39个·d-1,K1显著低于K2和K3。8月5日-8月9日期间N1、N2、N3果实日红速熟速率分别为10.60 个·d-1、10.26 个·d-1、10.87 个·d-1。K1、K2、K3分 别 为10.40个·d-1、10.87个·d-1、10.46 个·d-1,N3显著高于N2,K2显著低于K1和K3。8月10日-8月14日期间N1、N2、N3果实日红速熟速率为3.70个·d-1、4.39个·d-1、4.65个·d-1。K1、K2、K3分别为4.14个·d-1、3.77个·d-1、4.84个·d-1。

表3 不同N、K 处理对加工番茄果实日红速熟率影响的方差分析Table 3 Variance analysis of effects of different N and K treatments on daily red ripeness rate of processed tomato

由图1可知,7月26日-7月30日期间果实日红速熟速率较缓慢,为1.8～3.07个·d-1,不同处理之间无显著差异,N1K1和N1K2处理相对较快,为2.83个·d-1和3.07个·d-1。在7月31日-8月4日期间果实日红速熟速率开始加快,为2.63～6.2个·d-1,不同处理之间显著差异,此期间N2K2、N2K3、N3K3果实红熟率加快更为明显。8月5日-8月9日期间达到最大值,速率为10.11～11.45个·d-1。从8月10日起果实红熟率开始下降,降为2.06～5.46个·d-1。

图1 不同处理加工番茄果实日红速熟率Fig.1 Daily red ripeness rate of processed tomato under different treatments

由此可见,7月31日-8月9日为果实转色的关键时期,N、K 及其互作对果实的红熟率影响显著,在此期间合理调控N、K 的施用量,促进果实集中成熟,对于提高机采加工番茄产量及收获效率具有重要意义。

2.4 不同N、K 配比对加工番茄单果物质积累的影响

由表4可知,N、K 及其互作对7月25日、8月1日、8月8日、8月15日4个时期的单果质量均影响极显著。7月25日N1、N2、N3单果质量分别为46.43 g、52.25 g、48.84 g。K1、K2、K3分别为47.87 g、49.57 g、50.08 g,不同施N 水平差异显著,K1显 著 低 于K2和K3。8 月1 日N1、N2、N3单果质量为56.33 g、64.38 g、62.38 g,K1、K2、K3分别为56.96 g、62.25 g、63.87 g,不同施N、K 水平差异均显著。8月8日N1、N2、N3单果质量分别为71.64 g、81.93 g、79.34 g,K1、K2、K3分别为72.35 g、79.94 g、80.62 g,不同施N 水平差异显著,K1显著低于K2和K3。8月15日N1、N2、N3单 果 质 量 为74.47 g、84.47 g、81.74 g,K1、K2、K3分别为74.37 g、83.02 g、83.29 g,不同施N 水平差异显著,K1显著低于K2和K3。

表4 不同N、K 处理加工番茄单果物质积累量及方差分析(¯x±s)Table 4 Single fruit mass of processing tomato and variance analysis of different N and K treatments

由图2可知,7月25日果实相对较小,单果质量 为45.45～52.89 g,N1K1、N1K2、N1K3、N3K1处理单果质量为45.45～47.31 g,显著低于其他处理(50.36～52.89 g)。自8月1日果实物质积累对N、K 的用量更为敏感,此时低氮水平的3个处理差异不显著;中氮水平下中、高钾处理显著高于低钾处理;而在高氮水平,低、中、高钾三者差异均显著。8月8日中、高氮水平下,中、高钾处理单果质量显著高于低钾处理。8月15日的变化趋势与8 月8 日类似。比较总体趋势可知,自8月1日起N2K2、N2K3、N3K2、N3K34个处理的单果质量显著高于其他处理,成熟时单果质量 分 别 达 到88.65 g、86.41 g、85.77 g、86.87 g。

图2 不同处理单果物质积累动态Fig.2 Single fruit mass under different treatments

从上述分析可知,不同处理单果物质积累趋势基本相同,物质积累较快的7月25日-8月8日期间,后半段时期与果实日红速熟速率最快的时期基本吻合。与红熟转色不同,N、K 及其互作对各时期果实物质积累均影响显著,可见N、K 的合理配施对果实生长发育至关重要,果实的物质积累最终决定产量的形成,因此本研究结果对大田生产的肥料施用具有指导作用。

2.5 不同N、K 配比对加工番茄产量及产量构成的影响

由表5、6可知,N、K 及其互作对加工番茄单果质量、产量、红果率影响极显著,对收获株数、烂果率影响不显著。N 肥对青果率影响不显著,K肥对其影响极显著,两者互作对青果率及单株果实数影响极显著。比较N1、N2、N3产量及产量构成可知,N1、N2、N3产量分别为14.29×104kg·hm-2、16.21×104kg·hm-2、15.32×104kg·hm-2,不同施N 水平差异显著。K1、K2、K3产量分别为14.29×104kg·hm-2、15.84×104kg·hm-2、15.75×104kg·hm-2,K1显著低于K2、K3。不同N、K 水平单株果实数和收获株数差异均不显著。

表5 2019年不同处理加工番茄产量及产量构成(¯x±s)Table 5 Yield and yield component of processed tomato under different treatments in 2019

由图3～图5可见,N1、N2、N3的红果率分别为89.55%、91.41%、91.05%,N1显著低于N2和N3,青果率和烂果率不同施N 水平无显著差异。K1、K2、K3的 红 果 率 分 别 为88.39%、92.01%、91.62%,K1显著低于K2和K3;青果率分别为9.08%、4.84%、5.89%,K1显著高于K2和K3;不同施K水平烂果率无显著差异。

图3 不同施肥处理红果率的差异Fig.3 Difference of red fruit rate under different fertilization treatments

图4 不同施肥处理青果率的差异Fig.4 Difference of green fruit rate under different fertilization treatments

图5 不同施肥处理烂果率的差异Fig.5 Difference of rotting-pod rate under different fertilization treatments

比较相同施N 肥水平,不同施K 量对番茄产量和红熟率的影响可知:低N 和高N 水平下,不同施K 量加工番茄产量、果实红熟率差异不显著。在中N 水平下不同施K 量对番茄产量及果实红熟率影响均显著。比较相同施K 肥水平,不同施N 量对番茄产量和红熟率的影响可知:在低、中、高钾水平,不同施N 量产量和果实红熟率差异均显著。说明只有在适合的N 肥水平,K 肥肥效才能有效发挥。而N 肥肥效对K 肥的依赖较低。

整体比较不同处理产量及其构成、果实红熟率等综合因素,N2K2、N2K3、N3K2、N3K3产量和红熟率较高,产量分别为:17.09×104kg·hm-2、16.65×104kg·hm-2、16.12×104kg·hm-2、15.85×104kg·hm-2,红熟率分别为:94.09%、93.48%和93.29%、91.93%,这4个处理产量显著高于其他处理。与本文前述的果实红熟率和单果物质积累量显著高于其他处理的结论一致。

机械采收加工番茄要求果实的集中成熟度超过90%,本研究中的6 个处理达到此要求,但N1K1、N1K2产量偏低,而N3K3肥料用量偏大产量、果实红熟率较N2K2、N2K3、N3K2处理低。所以本研究推荐N2K2、N2K3、N3K2肥料用量,各地可具体根据番茄生育进程,可在此范围(N 152.1～190.1 kg·hm-2,P2O5117.66 kg·hm-2、K2O 118.2～175.8 kg·hm-2)内灵活掌握,从经济效益及保护环境角度分析比较,推荐肥料用量为P2O5152.1 kg·hm-2,P2O5117.66 kg·hm-2,K2O 118.2 kg·hm-2。

2.6 不同N、K 配比对加工番茄品质的影响

由表7可知,N、K 及其互作对单果质量、果实可溶性固形物含量、番茄红素影响极显著。K肥及N、K 互作对a/b值影响显著。N、K 互作对叶绿含量影响显著,对β-胡萝卜素影响极显著,N肥对L值影响显著。比较不同施N 和K 水平加工番茄品质性状的差异,N1、N2、N3可溶性固形物含量分别为4.88%、5.21%、5.09%,不同施N水平 差 异 显 著;K1、K2、K3分 别 为4.94%、5.15%、5.09%,K1显著低于K2和K3。N1、N2、N3番茄红素含量分别为19.11 mg·hg-1、20.73 mg·hg-1、20.95 mg·hg-1、K1、K2、K3分别为19.11 mg·hg-1、20.83 mg·hg-1、20.84 mg·hg-1,均表现为低肥水平显著低于中高肥水平。N1、N2、N3的a/b值和β-胡萝卜素无显著差异,K1、K2、K3也是如此。N1、N2、N3叶绿素含量分别为0.49 mg·hg-1、0.54 mg·hg-1、0.53 mg·hg-1,L值分别为:33.12、34.83、34.39,二者表现为N1显著低于N2和N3。K1、K2、K3叶绿素含量和L值均无显著差异。

表6 不同N、K 处理对加工番茄单果成熟影响的方差分析Table 6 Variance analysis of effects of different N and K treatments on fruit maturity of processed tomato

表7 不同处理加工番茄果实品质(¯x±s)Table 7 Fruit quality of processed tomato under different treatments

分析不同处理的品质变化规律,与本文前述研究结果基本一致,即N2K2、N2K3、N3K2、N3K3的单果质量、固形物含量显著高于其他处理、番茄红素含量显著高于N1K1、N1K2、N1K3、N2K1。不同处理单果质量变幅较大,为94.90～105.07 g,其中N2K2、N2K3、N3K2、N3K3单果较重,分别为105.07 g、102.37 g、104.20 g、104.93 g。不同处理固形物含量变幅为4.88%～5.30%,N2K2、N2K3、N3K2、N3K3的果实固形物含量也较高分别为5.37%、5.30%、5.22%、5.10%,果 实 番 茄红素的含量变化趋势类似与固形物;N1K3和N3K2的a/b值显著高于N3K1,其他处理之间差异不显著。叶绿素、β-胡萝卜素、L 值不同处理之间无显著差异。

3 讨论

氮素是植物需求量最大的的营养元素,氮与作物的产量和干物质积累密切相关,对加工番茄产量的贡献也最大[7]。大量研究表明:适量的氮肥能够促进番茄根系发育、提高生物产量、增加氮磷钾养分吸收量、降低脐腐病发生率,而过量施用氮肥则有相反的效果[18-21]。钾肥也是加工番茄需求较大的元素,增施钾肥能够提高单株结果数、单果质量和产量[12]。而氮磷钾配合施用能促进番茄生长发育、提高着色率、增强抗逆性及提高产量。本研究表明,氮肥和钾肥及其互作是对机械采收加工番茄果实红熟速率、集中成熟度构成影响的关键因素,且随着肥料用量的加大,单果质量、红熟率均显著提高。与前人的研究结果一致。同时本研究明确N、K 及其互作对加工番茄果实物质积累和红熟影响的关键时期,对于指导机械采收加工番茄肥料配施具有重要的意义。

果实中番茄红素和可溶性固形物是评定番茄,尤其是加工番茄品质的重要指标[22-23],增施钾可以提高可溶性固形物、还原糖含量,过量施钾会略微降低可溶性固形物、还原糖含量[12,24]。本研究中氮施肥条件下,中等施钾量果实固形物含量和番茄红素含量最高,与前人研究结果一致。同时本研究根据加工番茄果实发育特点及需肥规律,在番茄生长的发育的后期加大钾肥的投入,果实集中成熟度、固形物含量、番茄红素含量均达到较高水平。

近年来,新疆地区机械采收加工番茄面积不断扩大,果实的集中成熟度和商品品质是机械采收关注的热点问题。当果实集中成熟度超过90%时,机采收效率会大幅提升。加工企业对果实品质的要求越来越高,特别是对果实可溶性固形物含量,可溶性固形物含量的高低是影响加工企业成本的重要因素,目前新疆地区交售的原料可溶性固型物含量平均在4.0%～5.0%,与美国加州大面积种植条件下原料可溶性固形物含量平均在5.5%以上还有很大差距。目前国内对于适宜机械采收加工番茄研究工作开展的较少,通过合理的肥料配比及施肥时间的调控,提高果实集中成熟度、提高果实可溶性固形物含量,提高料耗比,为企业降低成本,也是目前加工番茄发展的重要方向。本研究中的6个处理果实集中成熟度超过90%,但N1K1、N1K2处理产量居第4位,产量偏低,而N3K3处理产量居第4 位,肥料用量偏大,经济效益偏低,本研究推荐N2K2、N2K3、N3K2肥料配比在果实集中成熟度、产量、果实可溶性固形物及番茄红素含量均达到较高的水平,可在生产实践中推广应用。

4 结论

经过一个生长季节,不同处理土壤盐分、有机质含量、速效磷和速效钾、全氮呈增加趋势,全磷和全钾含量呈下降趋势,高施处理土样各指标变化幅度略高于较低施处理。

N、K 及其互作通过影响果实物质积累、关键时期的果实红熟速率从而影响果实集中成熟度、产量及品质的形成。本研究筛选出N2K2、N2K3、N3K2产量达到16.12×104kg·hm-2、红熟率超过93.29%、果实可溶性固形物含量高于5.22%、番茄红素含量超过21.38 mg·hg-1,符合机采加工番茄的高产优质水平,对应的肥料配比与施肥时期在机械采收加工番茄生产中推荐使用。