基于灌水下限和灌水額調控的設施番茄灌溉施肥制度研究

韓瑛祚，趙穎，劉愛群，婁春榮，宮亮，董環*

（1.遼寧省農業科學院 植物營養與環境資源研究所，遼寧 沈陽 110000；2.遼寧省農業科學院 蔬菜所，遼寧 沈陽 110000）

番茄因富含番茄紅素和多種維生素，具有抗衰老、助消化和降低膽固醇等功效且在北方設施反季節栽培中可實現較高的經濟效益，已成為設施栽培主要作物之一。隨著人民生活水平的日益提高，對高品質、好風味的農產品需求的不斷增長，在保障產量的前提下追求高品質、好風味是未來設施生產的發展趨勢。

灌溉施肥是設施番茄生產的重要環節，也是影響番茄產量、品質、風味及水分利用率的重要因素之一。研究表明，灌溉施肥對番茄產量有顯著影響，充分灌溉下增施肥料顯著提高番茄產量，減量灌溉下增施肥料使番茄產量表現明顯的增減規律［1］；灌溉施肥亦顯著影響著番茄品質，雷宏軍等［2］試驗表明，高量灌溉和常規施氮使番茄可溶性固形物、Vc、可溶性蛋白含量等指標顯著提升；灌溉施肥同時影響著灌溉施肥利用率，王遠等［3］研究表明，滴灌施肥可使氮肥利用率由23.92%提高至40.89%。張軍等［4］研究結果表明，水分利用率隨灌溉量的增加呈下降趨勢，合理施肥有利于水分利用率的提高。關于灌溉施肥對番茄產量、品質及水肥利用率影響的研究，前人設計了較多方法，多采用不同施肥定額與不同灌溉總額交互試驗［5-7］，或不同施肥定額與不同灌溉下上限交互試驗［8-10］，試驗灌溉多是同一原則全生育期一以貫之。而番茄實際生產過程中，為了保證產量和提供品質、風味，往往需要生育前期供給充足的水分和養分，以滿足自身物質積累。為了提高番茄果實品質與風味，須在采收前期至采收結束調虧灌溉。在番茄關鍵生育時期調虧灌溉，采用綜合分析法評價節水、節肥、增產、提質、增味等因素，以明確番茄灌溉施肥制度的研究報道較少，本試驗以FDR 土壤水分傳感器反饋和水肥流量精準控制裝備為依托，將番茄生產過程劃分為不同生育時期，在番茄成熟采收期調虧灌溉，研究不同灌溉施肥交互對番茄產量、品質、風味、灌溉水利用率以及肥料偏生產力的影響，并通過TOPSIS 綜合分析法，分析灌溉施肥策略產生的灌溉量、施肥量、番茄產量、番茄品質、番茄風味綜合效應，從而篩選出優化灌溉施肥模式，為區域設施番茄生產灌溉施肥制度建立提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本概況

試驗設置在鐵嶺市鐵嶺縣新臺子鎮，該區介于 東 經123°16′～123°48′，北 緯41°54′～42°11′。地處歐亞大陸東部的中緯地帶，屬北溫帶大陸性季風氣候，月平均氣溫最高24.6 ℃，最低-12.7 ℃，最高氣溫為39.3 ℃，平均年降水量755.4 mm；地勢平坦、開闊，土壤肥沃，適宜單面設施大棚開展冬春茬和秋冬茬果菜生產。

本試驗選擇長×寬為180 m×8 m 地塊開展，試驗地塊土壤為壤質草甸土，理化性質見表1。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Chemical and physical properties of test soil

1.2 試驗材料

試驗番茄品種為‘朗婷兒’，‘綠果肩’，成熟后轉粉紅色，果面光滑亮麗，果臍小，果形正，整齊度好；無限生長型，心室多，無空洞果，耐低溫弱光，耐高溫。

供試肥料為尿素（N：46%）、晶體磷酸二銨（N：18%，P2O5：46%）和 硝 酸 鉀（N：13.8，K2O：46.6%），試驗中所有處理施用肥料均按照尿素、磷酸二銨和硝酸鉀16∶13∶16 比例施用，施肥配方與施肥量見表2。

表2 各生育期施肥配方Table 2 Fertilization formula for each growth period

1.3 試驗設計

所有試驗布置前，布設田間灌溉施肥管網，采用2 寸PE 硬管作為田間管網主管，安裝鞍座與支管連接，采用管徑16 mm，滴頭間距為10 cm，滴速為2 L·h-1的貼片式壓力補償滴灌帶作為支管，安裝滴灌帶時，需確保滴頭對準番茄穴孔（說明：該試驗番茄株距40 cm，滴頭間距10 cm，2 株番茄之間有4 個滴頭，滴灌所形成的水立體易于重疊，確保灌溉水擴散均勻）。

依據公式（1）計算，試驗設3 個灌溉水水平（低水W1單次灌水80 m3·hm-2，即10%飽和灌水量，中水W2單次灌水160 m3·hm-2，即20%飽和灌水量，高水W3單次灌水240 m3·hm-2，即30%飽和灌水量），以田間持水量θ 為基準，從番茄苗期到膨大期采用60%θ 為灌溉下限，番茄著色成熟期采用50%θ 為灌溉下限，設3 個施肥水平，N、P、K 施用配比依據姚曉明得出的最佳配比［11］，（低肥F1總肥量N120-P2O560-K2O 75 kg·hm-2，中 肥F2總 肥 量N 180-P2O590-K2O 112.5 kg·hm-2，高肥F3總肥量N 240-P2O5120-K2O 150 kg·hm-2），加常規灌溉施肥處理F（全生育期均以60%θ 為灌水下限，單次灌 水 額135 m3·hm-2，總 肥 量N180-P2O590-K2O 112.5 kg·hm-2），共10 個處理，試驗設3 次重復（說明：試驗布置前為正常農戶種植田塊，土壤狀態均勻，不會對本試驗產生影響），隨機區組排列，小區面積4.2 m×7 m=29.4 m2，采用大壟雙行栽植，壟長7 m，壟寬1.1 m，過道寬30 cm，定植株距40 cm。2022 年2 月15 日定植，番茄栽培共留5 穗果，每 穗 留4 個 果 實，2022 年7 月20 日 采 收 結 束。生育期劃分參考《中國番茄》對番茄生育期的劃分［12］，即苗期（定植后35 d），果實膨大期（定植后36～80 d），著色成熟期（定植后81 d 至采收結束）。

式中IA 表示飽和灌水量，ISC 表示灌溉面積系數，該試驗中為0.78，根據種植壟面積占種植面積求得，S 表示種植面積，SD 表示濕潤深度，該試驗中為0.3 m（說明：該深度為番茄根系密集分布區，只作為灌溉水量計算使用，本試驗中不考慮灌溉水的滲透規律。每次灌溉后經過3～5 d，水分經擴散，分布較為均勻）。SB 表示土壤容重，θ表示土壤田間持水量。

試驗中，均使用水肥一體機調控灌溉施肥（圖1），其為部分裝備，整個試驗共分5 組，均勻分布于棚室點位，共30 套設備，設備采用FDR 土壤水分傳感器進行水分測定，依據參考文獻并考慮傳感器敏感度，測定耕層10 cm 土壤水分含量［13］（圖2），3 個土壤水分傳感器均值低于灌水下限即開始灌溉。水肥一體機設計4 個通道，1 個灌水通道，另外3 個為注肥通道，所有通道均采用電子流量計監測實時流量，并反饋主機，主機按照試驗處理調控灌溉施肥數量和比例，每次灌溉結束記錄灌溉施肥日期和灌溉施肥量，灌溉水執行情況見表3。

圖1 試驗裝備及場景圖Fig.1 Test equipment and scene diagram

圖2 田間布置示意圖Fig.2 Field layout diagram

表3 各生育期灌溉水上下限Table 3 Irrigation upper and lower limits during each growth period

1.4 測定調查項目與方法

定植前試驗地塊采集0～20 cm 耕層土壤，土壤容重、田間持水量、萎蔫系數，土壤容重和田間持水量采用環刀法測定［14］，萎蔫系數采用壓力膜法測定［15］，常規土壤化學性質采用鮑士旦［16］方法測定，土壤全氮采用開氏法測定，土壤全磷采用高氯酸-硫酸消煮鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀采用NaOH 熔融火焰光度法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定。

第三穗果成熟期，采摘中等成熟度的果實，采用排序法評價果實風味；第三穗果至第四穗果成熟期，分2 次采收果實，混合樣品測定果實維生素C、可溶性糖、可滴定酸、番茄紅素含量，維生素C采用分光光度計法測定［17］，可溶性糖采用蒽酮法測定［18］，可滴定酸采用NaOH 指示劑法測定［19］，番茄紅素采用分光光度計法測定［20］；于收獲期調查番茄果實產量。

果實膨大期末和著色成熟期結束分別采集番茄果實和地上部植株，稱取樣品鮮重，后放入恒溫烘箱105 ℃殺青，65 ℃烘干至恒重，測定果實和植株干重。

1.5 統計分析方法

采用Microsoft Excel 2007 進行數據統計及隸屬函數分析、SPSS22.0 軟件進行方差分析，采用Duncan 法進行樣本間差異顯著性分析，采用Sigma Plot14.0 進行作圖分析，利用DPS9.01 進行TOPSIS 綜合評價分析。

番茄肥料偏生產力（PFP，kg·kg-1）計算公式為：

式中，Y 為番茄產量，F 為肥料施用量。

灌溉水利用率（IWUE，kg·m-3）計算公式為：

式中，Y 為番茄產量，IW 為灌溉水總量。

果實品質綜合評價采用隸屬度函數法：

式中Xi為指標測定值；Xmax和Xmin分別為該指標測定值的最大值和最小值；按照平均權重進行求和，并按最終評判結果排序。品質評價分為3級：0.66～1.00 為高品質（High Quality，HQ），定為I 級；0.34～0.65 為 中 等 品 質（Middle Quality，MQ），定為II 級；0～0.33 為低等品質（Low Quality，LQ），定為III 級。

風味評價采用排序法：

以表4 為例：有3 個評價分組，那么分數最大值為3，但在這里，分數越低代表風味越佳，選擇一定數量的品評人，本研究評價人共10 個，按照評分求和Ti。

表4 品評結果實例表Table 4 Flavor evaluation form for tomato fruits

獲得Ti 值后，參考表5，其中品評員以n 代表，樣品數以t 代表。

查表5 得：n=10，t=3 時，順序合計（Ti）值范圍15～25。判定：A 的Ti=26 在15～25 外，具有顯著差的口感。B 的Ti=13 在15～25 外，具有顯著好的口感。C 的Ti=21 在15～25 內，具有偏向顯著性差的口感。

2 結果與分析

2.1 番茄不同生育時期干物質累積量比較

由圖3A 看出，果實膨大期末W3F3處理果實干物質量最高，W3F3、W3F2、W2F3、W2F2、F 處理果實干物質量均值分別為每株123.31、110.92、116.32、111.83、111.18 g，其差異不顯著，這說明中水、高水與中肥、高肥組合方式有利于番茄膨大期果實干物質累積。與常規灌溉施肥F 處理相比，W1灌溉水平的處理果實干物質量顯著降低，降幅為13.85%～21.23%；著色成熟期末，與常規灌溉施肥F 處理相比，W2F3和W3灌溉水平的處理果實干 物 質 量 差 異 不 顯 著，W2F1、W2F2和W1灌 溉 水 平的處理果實干物質量顯著降低，降幅為11.02%～16.80%。由圖3B 看出，果實膨大期末W3F3處理植株干物質量最高，與常規灌溉施肥F 處理相比，W1F1、W1F2處理植株干物質量顯著降低，降幅為12.29%～17.43%；著色成熟期末W3F3處理植株干物質量最高，與常規灌溉施肥F 處理相比，各處理植株干物質量無顯著差異。

圖3 番茄不同生育期干物質累積量比較Fig.3 Comparison of dry matter accumulation in different growth stages of tomato

2.2 不同處理番茄產量、灌溉水利用率與肥料偏生產力分析

由表6 看見，與常規灌溉施肥F 處理相比，W2F3、W2F2和W3灌溉水平的處理番茄產量差異不顯著，說明果實膨大期是番茄產量形成的關鍵時期，這一時期保證充足的水分和養分，能夠確保該試驗條件的調虧灌溉不減產。W2F1和W1灌溉水平的處理番茄產量顯著降低（P＜0.05），W1灌溉水平的處理產量降幅為14.10%～20.11%；W1、W2灌溉水平的處理顯著降低灌溉水總量，降幅為13.41%～50.75%，其中W1灌溉水平的處理降低灌溉總量更為顯著，降幅為49.79%～50.75%；W1、W2灌溉水平的處理顯著提升灌溉水利用率，提升幅度為12.20%～71.18%，其中W1灌溉水平的處理提升灌溉水利用率更為顯著，提升幅度為62.15%～71.18%；W1F1、W2F1和W3F1處 理 顯 著提高肥料偏生產力，W1F1處理提升肥料偏生產力19.83%，W2F1處理提升肥料偏生產力38.93%，W3F1處理提升肥料偏生產力39.22%。

表6 不同處理番茄產量、灌溉水利用率與肥料偏生產力Table 6 Tomato yield，irrigation water utilization efficiency and fertilizer partial productivity

2.3 不同處理番茄品質隸屬度分析

與常規灌溉施肥F 處理相比，各處理不同程度提高番茄品質指標，各處理大多數顯著提升番茄維生素C、可溶性糖和番茄紅素（P＜0.05），維生素C 提升幅度為8.92%～64.95%，可溶性糖提升幅度為9.28%～62.66%，番茄紅素提升幅度為15.58%～52.88%，其中提升強度有一定規律性，其遞減順序為W1灌溉水平的處理＞W2灌溉水平的處理＞W3灌溉水平的處理，各處理均提升番茄可滴定酸，提升幅度為2.13%～34.04%，其中W1灌溉水平的處理提升效果顯著（P＜0.05）。采用隸屬度函數法對番茄果實品質進行評價顯示，隸屬函數求和從大到小排序為：W1F3＞W1F2＞W1F1＞W2F3＞W2F2＞W3F3＞W3F2＞W2F1＞W3F1＞F，參照定級標準，W1F3、W1F2和W1F1處理形成高品質的番茄，W2F2、W2F3和W3F3處理形成中等品質的番茄，W2F1、W3F2、W3F1和F 處理形成低品質的番茄（表7）。

表7 不同處理番茄品質隸屬度分析Table 7 Analysis of tomato quality subordination degree in different treatments

2.4 不同處理番茄風味排序分析

采用排序法對番茄果實風味進行評價，查表8得：n=10，t=10 時，順序合計（Ti）值范圍32～78。F、W3F1和W3F2處理的Ti 值分別為88、86 和84，在32～78 外且較高，具有顯著差的口感。W2F1、W2F2、W2F3和W3F3處 理 的Ti 值 分 別 為59、46、39和69，在32～78 內，具有偏向顯著性好的口感。W1F1、W1F2和W1F3處 理 的Ti 值 分 別 為28、24 和27，在32～78 外且較低，具有顯著好的口感。

表8 不同處理番茄風味排序分析Table 8 Analysis of tomato flavor ranking in different treatments

表9 灌溉施肥效應綜合分析Table 9 Comprehensive analysis of fertigation effects in different treatments

2.5 灌溉施肥效應綜合分析

采用TOPSIS 分析法對不同灌溉施肥模式主要指標綜合分析，其中施肥總量、灌溉總量和排序法順序和設置為低指標優，產量和隸屬函數值設置為高指標優，5 類指標權重均為1，結果顯示，TOPSIS 綜合排序由前到后 是W1F1＞W1F2＞W1F3＞W2F3＞W2F2＞W2F1＞W3F1＞W3F3＞W3F2＞F。將施肥總量、灌溉總量、產量、隸屬函數求和、排序法-順序與TOPSIS 分析法CI 值線性相關性分析，其中施肥總量與CI 值不相關，其它指標與CI 值顯著相關，R2值分別為0.955、0.824、0.921、0.818，由此推斷，灌溉是影響綜合指標的主要因素（表8）。

3 討論

本試驗中，果實膨大期末，與常規灌溉施肥F處理相比，與F 處理施肥量相同的W1F2處理果實干物質量和植株干物質量均顯著降低，降幅分別為18.09%和17.40%，這與馬俊峰［21］在日光溫室辣椒的試驗結果相近，其試驗的2 個辣椒品種在低灌溉上限條件下，地上地下干物質量均處于較低水平。

本試驗中，著色成熟期末，調虧灌溉的W2F2處理果實干物質量顯著降低，而張澤宇等［22］研究表明，辣椒各生育期調虧灌溉會減少各營養器官干物質量。李明陽等［23］研究表明，地上部分干物質累積量隨著調虧程度的加重而降低。本試驗與后兩者的研究結果基本一致。

與 常 規 灌 溉 施 肥F 處 理 相 比，W1、W2灌 溉 水平的處理顯著降低灌溉總量，降幅為13.41%～50.75%，其中W1灌溉水平的處理降低灌溉總量更為顯著，降幅為49.79%～50.75%；W1、W2灌溉水平的處理顯著提升灌溉水利用率，提升幅度為12.20%～71.18%，其中，W1灌溉水平的處理提升灌溉水利用率更為顯著，提升幅度為62.15%～71.18%；說明降低灌溉上限和生育后期調虧灌溉可以降低灌溉總量和提高灌溉水利用率。而有研究發現，降低灌溉上限和調虧灌溉的確可以在一定程度上降低作物的灌水量和提升水分利用 效 率［24-25］。

灌溉施肥是影響設施果蔬品質的關鍵因素［26-27］。一般情況下，灌溉施肥保持在中低水平下能提高作物品質，超出一定范圍，將降低作物品質。通過調節作物某生育時期灌溉施肥，尤其是調虧灌溉，更有利于品質提升。溫越等［28］試驗表明，在葡萄漿果成熟期調虧灌溉增加果實還原性糖、可溶性固形物、維生素C。畢麗霏等［29］研究表明，適宜的灌水下限更加適合馬鈴薯品質積累。本試驗從著色成熟期開始，各處理調虧灌溉，以50% θ 為灌溉下限，延續之前以單次灌水80、160、240 m3·hm-2為單次灌水額，結果顯示，顯著提高了番茄果實維生素C、可溶性糖和番茄紅素。

4 結論

本試驗設計3 個灌水額和3 個施肥水平。根據作物品質風味形成特性，在番茄著色成熟期調虧灌溉。通過該試驗研究得到以下結論：

（1）W1灌溉水平的處理顯著降低番茄產量，降幅為14.10%～20.11%，W1和W2灌溉水平的處理顯著減少灌溉總量，降幅為13.41%～50.75%，W1灌溉水平的處理顯著提高灌溉水利用率，提升幅度為62.15%～71.18%，F1施肥水平的處理顯著提高肥料偏生產力，提高幅度為19.83%～39.22%。

（2）各處理均顯著提升番茄維生素C、可溶性糖和番茄紅素，隸屬度函數法評價番茄果實品質顯示，W1F3、W1F2和W1F1處理形成高品質的番茄，W2F2、W2F3和W3F3處理形成中等品質的番茄，W2F1、W3F2、W3F1和F 處理形成低品質的番茄?？梢?，低水并成熟期調虧灌溉處理有利于形成高品質番茄，中高水且中低肥處理不利于形成高品質番茄。

（3）采用TOPSIS 法進行綜合分析，排序由前到 后 依 次 為W1F1＞W1F2＞W1F3＞W2F3＞W2F2＞W2F1＞W3F1＞W3F3＞W3F2＞F，可見，該區域早春茬番茄種植，前期灌水下限為60%θ，著色成熟期為灌水下限為50%θ，保持W1灌溉水水平，可以獲得較高的綜合效益。