水肥耦合对日光温室番茄产量和品质的影响

王雪科　吴春燕　韩潇怡　靳慧慧　宋春羽　吴俊英

摘要：为探讨水肥耦合对番茄产量和品质的影响，以设施番茄为研究对象，采用水肥一体化技术盆栽栽培，设置3种单株灌水量水平（W1，60%θF；W2，70%θF；W3，80%θF）与3个肥料浓度（F1：1/4常规用肥；F2：1/2常规用肥；F3：3/4常规用肥），以常规灌水施肥处理作为对照，测定相关形态指标、品质指标及产量。结果表明，水肥耦合对日光温室番茄产量和品质具有显著影响，番茄产量随肥料用量的增加表现出先增加再减少的趋势；水分利用效率随施肥量的增加呈下降趋势，合理施肥有利于提高水分利用效率；W2F2和W3F3条件下番茄综合品质较高；适当降低灌水量有利于番茄品质的提高，过多的水分或肥料均会造成番茄品质下降。综合考虑品质、产量、水分利用效率等因素，长春地区日光温室番茄选择W2（70%θF）F2（1/2常规用肥）作为最优水肥组合。

关键词：设施番茄；水肥一体化；生理指标；产量；品质

中图分类号：S641.206文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）20-0167-05

番茄是全球种植最多的蔬菜之一，据统计，2020年全球番茄产量为18 205万t左右，同比增长0.7%，中国番茄种植面积约为505.5万hm2，是我国主要设施蔬菜栽培种类之一［1］。设施番茄如何获得更高的产量和更好的品质，是种植户和消费者关心的问题，也是相关学者研究的热点。但生产上，设施番茄生产中过量灌溉施肥现象相当普遍［2］，这导致了番茄产量和品质的下降。此外，生产实践中很少考虑水肥之间的螯合效应，加上我国水资源贫乏及用水不合理，更加剧了化肥浪费［3］。在这样的背景下，水肥一体化技术被引入我国。水肥一体化是利用管道灌溉系统，将肥料溶解在水中，同时进行灌溉与施肥，适时、适量地满足农作物对水分和养分的需求，实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术［4］。我国目前番茄平均单产仅 7 kg/m2，而荷兰水肥一体化温室番茄单产高达 75 kg/m2［5］，可以看出我国与世界先进水平还有相当差距。

自2008年吉林省政府启动“百万亩棚膜蔬菜建设工程”以来，截至2020年年末，吉林全省蔬菜类种植规模已达到22万hm2，产量1 250万t，设施园艺棚室面积达到4.61万hm2，其中标准温室 0.63万hm2、标准大棚2.57万hm2、简易棚室 1.42万hm2，累计建设规模园区660个［6］。虽然水肥一体化技术已在吉林省设施栽培中有所推广，但大多数种植户仍凭经验管理，缺乏理论指导和技术支持。本研究以吉林省栽培面积较大的设施番茄为研究对象，探讨水肥一体化模式下水肥耦合对温室番茄产量和品质的影响，旨在为区域设施番茄水肥一体化提供合理的水肥方案。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2020年4—9月在吉林农业大学园艺学院蔬菜基地的五连拱内进行。采用盆栽试验，试验使用盆体积为10.6 L（顶边直径27.5 cm，底部直径 20 cm，深24 cm）。盆栽所用土壤为园土，每盆装土12.8 kg。盆的底部开有小孔，可以自由排水，在试验处理期间，没有水从盆中浸出。在番茄幼苗长至5叶期时将其移植到盆中，每盆1株。土壤含水量通过土壤张力计测定。盆土最大持水量为34.6％（体积含水量），永久萎蔫点为11.0％。其土壤理化性状为：有机质含量10.64 g/kg，碱解氮含量 219.48 mg/kg，速效磷含量104.21 mg/kg，速效钾含量116.62 mg/kg，土壤pH值为7.18。

供试番茄品种为吉粉6号，由吉林省蔬菜花卉科学研究院提供。试验所用肥料为尿素（总 N≥46.4%）、磷酸二氢钾（K2O≥34%、P2O5≥52%）和硫酸钾（K2O≥57.0%）。试验采用水肥一体化系统灌溉施肥，水肥一体化系统主要包括水源、储水罐、水泵、主管道、毛管、箭式滴头。

1.2 试验设计

试验设置3种单株灌水量水平，灌水下限设W1（60%θF）、W2（70%θF）、W3（80%θF）3个水平，灌水上限统一设定为田间持水量θF，当土壤含水率降到灌水下限时进行灌水。设置3个肥料浓度，分别为F1（1/4常规用肥）、F2（1/2常规用肥）、F3（3/4常规用肥）。采用水肥一体化盆栽试验，以常规灌水施肥处理作为对照，共10个处理，3次重复，随机区组排列，试验处理见表1。除水肥外，其他栽培管理措施均一致。

1.3 测定项目与方法

株高采用卷尺测定植株从地面第1张子叶到顶部生长点的高度；茎粗采用游标卡尺测定由下往上第3个节位上方1 cm处的直径。叶面积采用游标卡尺测量所标记叶片的长度和宽度，并根据回归模型计算得到番茄的葉面积［7］。叶面积S=L×D×0.546 8，式中：L指叶片长；D指叶片宽。

果实成熟后每隔7 d采收1次成熟度一致的番茄，记录每次番茄单株产量，统计各盆单株灌溉水量，并最终对各盆产量进行统计汇总。水分利用效率WUE=Y/I，式中：Y代表番茄产量；I代表全生育期的植株灌溉量。

采用手持糖度计法测定可溶性固形物含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量［8］；采用pSH-25型酸度计测定有效酸度；采用钼蓝比色法测定维生素C含量［8］；采用滴定法测定可滴定酸含量［8］；采用紫外分光光度法测定硝酸盐的含量［8］；采用水杨酸比色法测定硝态氮含量［8］；采用丙酮/石油醚提取和紫外分光光度法测定番茄红素含量［9］。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行整理，采用SPSS 27统计软件进行方差分析与主成分分析。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对番茄植株形态指标的影响

2.1.1 水肥耦合对番茄株高的影响

由图1可知，水肥耦合对番茄株高的影响显著。当灌溉量一定时，植株随施肥量不同产生不同变化趋势。当灌溉量为W1、W2时，株高随施肥量的增加而先升后降，当灌溉量为W3时，株高随施肥量的增加逐步增加。当施肥量一定时，植株随灌溉量不同而产生不同变化趋势。当施肥量为F1、F2时，株高随灌溉量的增加而先升后降；当施肥量F3时，植株株高随灌溉量的增加而先降后升，表明适宜的肥料浓度更利于植株株高增长。W2F2处理株高最高，且与W3F2、W3F3差异显著，表明过高的水分或肥料浓度均不利于植株株高增长。

2.1.2 水肥耦合对番茄茎粗的影响

由图2可知，水肥耦合对番茄茎粗的影响显著。当灌溉量一定时，植株随施肥量不同产生不同变化趋势。当灌溉量为W1时，茎粗随施肥量的增加而先升后降，当灌溉量为W2及W3时，茎粗随施肥量的增加逐步增加。当施肥量一定时，植株随灌溉量不同产生不同变化趋势。当施肥量为F1时，茎粗在W2时最高，W3次之，W1最低；当施肥量为F2和F3时，植株茎粗随水分的增加而先升后降，表明W2F3、W2F2更利于植株茎粗的增长。而W1F1处理茎粗最短且与其他处理均有显著差异，表明过低的水分和肥料浓度不利于番茄茎粗的增加。

2.1.3 水肥耦合对番茄叶面积的影响

由图3可知，番茄叶面积受水肥耦合影响显著。当灌溉量为W1、W2时，叶面积随施肥量的增加而先增加再降低，当灌溉量为W3时，叶面积随施肥量的增加逐步增加；而当施肥量一定时，叶面积均表现为随灌溉量的上升而先增加再降低；W2F2处理叶面积最高，W2F3处理次之，两者无显著差异且与其他处理差异显著，表明适宜灌水量更有利叶面积增加，过低或过高灌水量均不利于叶面积增加；W1F1处理与W2F1处理差异显著且与W3F1处理无显著差异，表明适宜施肥量更有利于叶面积增加，过高或过低灌水量均不利于叶面积增加。

2.2 水肥耦合对单株产量与水分利用效率的影响

2.2.1 水肥耦合对单株产量的影响 单株产量受水肥耦合影响显著。从表2可知，对照组产量最低，水肥耦合的番茄单株产量均显著高于对照组。W3F2处理单株产量最高，为2.72 kg，高于对照组42.4%，高于W1F1 16.7%，与W2F3、W3F1、W2F2处理无显著性差异。表明当灌水量一定时，番茄产量在一定范围内随施肥量的增加而增加，但当施肥量增加到一定程度时，番茄产量反而有所下降；处理组中W1F1的单株产量最低，低于W2F1 4.2%，高于对照组22.0%，与W1F2、W1F3、W2F1、W3F1差异不显著。表明当施肥量一定时，番茄产量在一定范围内随着灌溉量的增加而增加，但当灌溉量增加到一定程度后，产量增加效益不明显；W2F1、W1F1处理的产量相较其他处理组较低且两者差异不显著，表明施肥下限对番茄产量的影响大于灌溉下限。

2.2.2 水肥耦合对水分利用效率的影响

作物生理学上一般认为水分利用效率即是单位耗水量的作物产量，可以直观反映植物生产过程的能量转化效率。如表2所示，水肥耦合对番茄水分利用效率的影响存在显著差异。总体而言，采用水肥一体化处理的水分利用效率均显著高于对照组，其中处理组中W3F1水分利用率最高，达到76.91 kg/m3，比CK高了54.6%，W3F3水分利用效率最低，为 64.17 kg/m3，比CK高了29%。在F1条件下，番茄水分利用效率随灌溉量的增加而增加，而在F2、F3条件下，番茄水分利用效率随灌溉量的增加而降低，说明在一定范围内增加灌溉量有利于水分利用率的提高，水分过高反而会使水分利用率降低。而当灌溉量一定时，番茄水分利用效率随施肥量的增加而降低，表明在一定范围内肥料的增施能提高作物对水分的吸收利用。

2.3 水肥耦合对果实品质的影响

2.3.1 对单一品质指标的影响

不同處理下番茄果实品质的各项指标如表3所示。水肥耦合对番茄各指标的影响差异较大。W3F3和W2F2处理可溶性糖含量较其他处理有显著差异，表明合适的水肥比例有利于提高番茄可溶性糖含量；W1F3、W2F3可溶性酸含量无显著差异，与W3F3差异显著，而W1F3可溶性酸含量最高，W3F1最低，说明施肥量一定时，番茄可溶性酸含量随灌溉量的增加而增加；W3F1糖酸比最高，W1F3糖酸比最低，说明灌溉量一定时，施肥量越低时糖酸比反而越高；维生素C含量表现为CK、W1F1处理较低，W3F2、W2F2处理较高，说明传统大水漫灌过量施肥与低水低肥均不有利于维生素C的形成，合适的水肥比例更有利于提高番茄维生素C含量；水肥耦合对番茄红素的形成具有显著影响，灌溉量一定时，W1、W2处理番茄红素含量随施肥量增加而先增后降，W3处理番茄红素含量随施肥量的增加而增加，施肥量一定时，F1、F2处理番茄红素含量随灌溉量的增加而先增后降，F3处理则先降后增；而番茄果实硝酸盐含量均随水分的增加而降低，随施肥量的升高而升高。

2.3.2 对综合品质的影响

只对单一指标分析很难判断水肥耦合对番茄品质的影响。为了更全面地反映不同处理对番茄品质的影响，需要结合各品质指标，对不同处理进行综合评价，从而得出各品质指标对番茄综合品质形成的贡献度，更好地判断哪种水肥处理更有利于番茄优良品质的形成。本试验采用主成分分析法，对可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比、维生素C含量、番茄红素含量、硝酸盐含量、可溶性固形物含量、有效酸度等8项品质相关指标进行综合分析，评价出相对较优的水肥处理。

首先对数据降维得到标准化数据，再对标准化数据进行分析，得出相关矩阵的特征值、特征向量和累计贡献率（表4），选取特征值>1的作为主成分。

通过计算，各品质指标与前2个主成分的关系如下：

第1主成分：

F1=0.421 1X1-0.397 1X2-0.388 8X3+0.359 3X4+0.351 0X5+0.348 4X6+0.300 5X7+0.223 0X8；（1）

第2主成分：

F2=-0.176 8X1+0.265 6X2+0.286 5X3-0.458 0X4+0.404 7X5+0.379 4X6+0.239 6X7+0.491 4X8。（2）

式中：F1、F2分别对应第1、2主成分的得分，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分别为数据消除变量之间量纲关系后的可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比、维生素C含量、番茄红素含量、硝酸盐含量、可溶性固形物含量、有效酸度。

综合评价函数是以各个主成分对应的方差贡献率作为权重，即综合得分：

F=0.786 50F1+0.172 15F2。（3）

将对应的标准化值带入式（1）和式（2），再将式（1）和式（2）的计算所得带入式（3），最后得到水肥供应条件下番茄品质指标的综合评价（表5）。综合评价表明，W3F3处理的排名为第1，其次为W2F2。W2F2与W3F3的得分接近，无显著差异。

3 讨论与结论

水肥耦合对番茄植株形态指标影响显著，适宜的水肥有利于植物茎叶生长，促进作物健壮，而灌水量过高或施肥量过高均会抑制作物形态生长，这与王虎兵等的研究结果［10］相似。本试验中，当施肥水平由F1变为F2时，番茄株高、茎粗、叶面积均呈上升趋势，而在F3水平时，番茄株高、叶面积总体呈降低趋势，茎粗则继续上升。表明在合适的灌溉量范围内，番茄株高、叶面积有随施肥量的升高呈先升高后降低的趋势，茎粗有随施肥量的升高而升高的趋势。

前人研究表明，水肥耦合显著影响温室番茄单株产量与水分利用效率［11-13］。本试验中，水肥耦合的番茄单株产量与水分利用效率均显著高于对照组，处理组中水分利用效率最低的W3F3也比CK高了29%。充分体现了水肥一体化相较传统大水大肥的优良节水能力。番茄单株产量随施肥量的升高而增加，其中W3F2处理产量较W3F1处理增加了7.09%，但W3F3处理单株产量相比W3F2略有下降。表明过高的施肥量对增产帮助有限。邢金金等研究也表明，施肥过量不利用温室番茄与西瓜增产，而适量施肥不仅可以获得较高的产量，还能显著降低氮肥的气态损失，提高水肥利用率［14-15］。

在番茄品质指标中，糖酸比、硝酸盐、番茄红素含量一直是人们研究的热点［16-18］。本试验研究表明，灌溉量一定时，糖酸比随施肥量的增加而降低，硝酸盐含量随施肥量的增加而增加，施肥量一定时，糖酸比随灌溉量的增加而增加，硝酸盐含量随灌溉量的增加而降低；而番茄红素含量主要表现为在灌溉量一定时，W1、W2处理番茄红素随施肥量的增加而先增后降，W3处理番茄红素随施肥量的增加而增加，施肥量一定时，F1、F2处理番茄红素随灌溉量的增加而先增后降，F3处理番茄红素随施肥量的增加而先降后增；本试验条件下，W2F2处理的果实番茄红素含量显著高于W1F3、W2F3处理，且可溶性糖、番茄红素含量以及糖酸比等指标均较高，说明W2F2处理具有相对较优的番茄品质。对番茄品质进行主成分分析的结果也表明，W3F3、W2F2品质最优。

水肥一体化条件下，番茄株高有随施肥量的升高呈先升高后降低的趋势，茎粗有随施肥量的升高而升高的趋势，叶面积有随灌溉量的上升而先增加再降低的趋势，合理水肥处理有利于番茄形态学建成；番茄产量随水肥用量的增加而提高，超过一定范围后，这种提高效应不显著，甚至表现为一定程度的下降；水分利用效率随施肥量的增加呈下降趋势，合理施肥有利于提高水分利用效率；W2F2和W3F3条件下番茄综合品质较高，适当降低灌水量有利于番茄品质的提高，过多的水分或肥料均会造成番茄品质下降。

综合考虑品质、产量、水分利用效率、可持续生产以及环境友好等因素，在不显著降低番茄品质及产量的情况下，长春地区日光温室番茄选择W2（70%θF）F2（1/2常规用肥）作为最优水肥组合。

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收稿日期：2022-12-15

基金项目：吉林省科技发展计划（编号：20210202123NC）。

作者简介：王雪科（1996—），男，重庆人，硕士研究生，主要从事蔬菜生理及设施园艺研究。E-mail：1006707043@qq.com。

通信作者：吴春燕，博士，副教授，硕士生导师，主要从事设施蔬菜栽培与育种研究。E-mail：wuchunyan@jlau.edu.cn。