水肥耦合對蛭石為主復合基質栽培番茄產量、水分利用效率及品質的影響

祝洋 劉志應 李新苗 王楠 張娟

摘要： 為充分提高新疆產蛭石的利用率，將蛭石與黃沙、菇渣混合，研究不同水肥處理對基質栽培番茄單果質量、產量、果實品質及水分利用效率的影響。以雙贏先鋒番茄為試材，在以蛭石為主的混合基質栽培模式下，以灌水量、施氮量、施磷量、施鉀量4個因子為試驗因子，采用4因素5水平二次正交旋轉組合設計的二分之一執行，設置18組水肥耦合處理、5組灌水量（分別是田間持水量的66%、70.8%、78%、85.2%和90%），分析各因子耦合效應，進行產量及品質綜合評價。結果表明：水氮耦合對水分利用效率有正效應，過高或過低的灌水和施氮不能使水分利用效率提高；水肥耦合對產量和品質均有顯著影響，W18處理產量最高，為147.69 t/hm2，比試驗各處理平均水平增長了50.38%；單株果數與產量的相關性要大于單果質量與產量的相關性；在一定程度減少灌溉的前提下，提高氮肥和鉀肥的用量能提高番茄可溶性蛋白質、番茄紅素、可溶性固形物的含量，適當提高磷肥的施用可以提升植株維生素C、可溶性糖的含量。對番茄產量、單果質量和果實品質進行綜合評價，得出最優的處理是W6，即灌水量為70.8%的田間持水量，施肥量為N 496 kg/hm2、P2O5 99 kg/hm2、K2O 454 kg/hm2。本研究可為充分利用新疆產蛭石及番茄高效優質栽培水肥科學管理提供理論依據。

關鍵詞： 水肥耦合；番茄；水分利用效率；產量；果實品質；蛭石

中圖分類號：S641.204 ?文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）02-0144-08

蛭石以良好的透氣性和吸水性在無土栽培中有很大作用。我國蛭石資源較為豐富，新疆尉犁和河北靈壽是我國蛭石的兩大主產區［1-2］。前人在蔬菜的無土栽培上，對基質配方進行篩選，楊玉波等用蛭石、沙子、珍珠巖、棉籽皮＋營養液栽培番茄，結果表明蛭石加營養液下的番茄長勢、產量和品質最好［3］；徐誠等以純蛭石作為對照，分別在蛭石中添加不同體積的廢棄物爐渣和菇渣進行基質復配，得出了黃瓜育苗基質的最佳配方［2］。

番茄是茄科番茄屬一年生或多年生草本植物，是世界上廣泛栽培的蔬菜作物，在我國南北方廣泛栽培。國內外研究表明，水肥兩因素對番茄產量和品質有較大影響［4-5］。水肥耦合是研究水肥關系，以達到更經濟有效地利用水分和養分目的的一項重要技術［6］。有關水肥耦合對番茄的影響，前人已做過大量研究，杜清潔等研究了在滴灌條件下水肥耦合對番茄產量和品質的影響，建立數學模型確定最優灌水和施肥量［7］。前人研究均普遍認為大水大肥的灌溉施肥模式不僅難以達到高產效果，而且會降低番茄果實品質，增加果實硝酸鹽含量，多余的肥料會危害土壤，污染地下水［8-9］。產量與水分利用率是決定番茄栽培經濟效益的首要指標，提高產量與水分利用率是實現高產高效的基礎。李建明等認為番茄的產量隨灌溉上限和施肥定額的增加而顯著增加，超過一定范圍后產量逐漸降低［10］。

有大量研究表明，灌水量和施肥量在一定范圍內對作物產量有促進作用，超出此范圍，水肥則會對產量產生負效應［11］。胡曉輝等認為在同一灌溉水平下，適量地增加肥料施用量可以提高灌溉水分利用效率，而施肥量過量則會降低灌溉水分利用效率［12］；而王艷丹等認為減少灌溉用水會提高水分利用效率［13］。在水肥耦合的研究方面，杜清潔、李建明、楊振華等已做過大量研究［7，10，14］，不過在以蛭石為主復合基質栽培下，研究水肥耦合對基質栽培番茄的產量、水分利用效率及品質上的報道還較為少見。本試驗要解決的是如何在有效利用水資源的基礎上，通過合理施肥對番茄產量和品質進行提升，使作物達到高產優質，為番茄在以蛭石為主復合基質栽培下提出理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2022年3—8月在塔里木大學園藝試驗站6號日光溫室內進行。試驗溫室坐北朝南，長 21 m，跨度8 m，脊高3.2 m。試驗地地處暖溫帶（40°32′40″N，81°17′24″E），海拔984.31 m，年平均太陽總輻射量559.65～612.39 kJ/cm2，年平均日照時數2 855～2 967 h，溫室氣溫12～36 ℃。

供試番茄品種為雙贏先鋒，幼苗購自阿拉爾市鑫辰果蔬農民合作社，采用基質栽培。所用基質為蛭石、黃沙、菇渣（體積比為2 ∶ 1 ∶ 1），分別購自阿克蘇市西大橋保溫材料廠、9團沙場、10團溫室基地蘑菇溫室?；|基本理化性質為：pH值6.9、電導率1 614 μS/cm、速效氮含量52.85 mg/kg、速效磷含量 140.64 ?mg/kg、速效鉀含量607.04 mg/kg。

試驗所用肥料均購自阿拉爾市海潮農資市場。其中尿素（N：45%），美豐化工有限公司生產，磷酸二氫鉀（P2O5：52%，K2O：34%），四川德天虹化工有限公司生產，硫酸鉀（K2O：53.8%），國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司生產。

1.2 試驗設計

試驗設置灌水量、氮、磷、鉀4個試驗因子。灌水量為灌溉下限（基質田間持水量的60%）至灌溉上限（田間持水量的90%）之間的5個水平，分別為T1（66%）、T2（70.8%）、T3（78%）、T4（85.2%）、T5（90%）。氮、磷、鉀分別設置5個水平（表1），施氮量、施磷量、施鉀量均為施肥肥料中實際養分的含量，采用4因素5水平二次正交旋轉組合設計的二分之一執行（表2）。設3次重復，每次重復18個處理組合，3月20日定植并灌水緩苗10 d，3月31日開始水肥處理，6月17日第1穗果成熟開始采樣，并測果實產量，3～5 d采收一批成熟番茄，采收期至8月28日拉秧結束。

1.3 測定項目

1.3.1 灌水量的測定

當基質水分降至灌水下限時，通過公式（1）計算各處理的灌水量［15］。

M=r×p×s×h×θf×（q1-q2）/η。 ?（1）

式中：M為灌水量，m3；r為基質容重，0.72 g/cm3；p為土壤濕潤比，取100%；s為灌水面積，為5.92 m2；h為灌水計劃濕潤層，取0.25 m；θf為田間持水量，為58.91%；q1為田間持水量上限，取田間持水率的90%；q2為田間持水量下限，取田間持水率的60%；η為水分利用系數，滴灌取0.9。

1.3.2 單果質量的測定

單果質量用百分之一電子天平測量。

1.3.3 產量的測定

公頃產量由小區產量折算，小區產量為單株產量與小區番茄株數的乘積。

1.3.4 水分利用效率的計算

水分利用效率（WUE）=Y/M，式中Y表示產量，單位 kg/hm2；M表示總灌水量，單位m3/hm2。

1.3.5 果實品質的測定

在第3穗果成熟時，選取9個大小一致的果實進行品質測定?？扇苄缘鞍缀坎捎每捡R斯亮藍G-250法測定；可溶性糖含量測定使用蒽酮比色法；維生素C含量使用鉬藍比色法測定；有機酸采用滴定法測定；番茄紅素采用二氯甲烷的正己烷法測定；可溶性固形物含量使用數字糖度計（TD-45型）測定；硬度使用硬度計測定［16］。糖酸比為可溶性糖含量和有機酸含量的比值［17］。

1.4 數據處理

試驗數據用Excel 2019整理，使用DPS 7.05進行方差分析和多重比較；用Excel 2019和Origin 2022制表和制圖。

2 結果與分析

2.1 不同水肥耦合對基質栽培番茄水分利用效率的影響

以水分利用效率為因變量，灌水量、施氮量、施鉀量和施磷量為自變量，使用DPS 7.05進行回歸擬合，建立水分利用效率回歸模型，對方程進行方差分析，P=0.005 5，R=0.994 7，說明方程擬合效果好，得到模型：

Y=22.920 0-0.304 8X1+3.537 0X2- 2.137 9X3-2.448 0X4+2.203 9X1X2+2.443 5X1X3+ 2.673 1X1X4-1.013 0X2X3-0.913 7X2X4+ 0.837 6X3X4-0.449 7X21- 0.874 0X22-0.743 0X23-0.571 0X24。 （2）

式中：Y為水分利用效率，X1、X2、X3、X4分別代表灌水量、施氮量、施磷量和施鉀量的水平編碼值。

2.1.1 水分利用效率單因素效應分析

為分析單因素對水分利用效率的影響，對回歸模型進行降維處理，得到一元線性回歸模型：

灌水量：Y=22.920 0-0.304 8X1-0.449 7X21； （3）

施氮量：Y=22.920 0+3.536 9X2-0.874 0X22； （4）

施磷量：Y=22.920 0-2.137 9X3-0.743 0X23； （5）

施鉀量：Y=22.920 0-2.448 0X4-0.571 0X24。 （6）

以公式（3）～公式（6）4個方程作出單因素與水分利用的關系圖，如圖1所示，灌水量（X1）的效應與水分利用效率的關系呈現先增大后減小的趨勢；施氮量的效應與水分利用效率的關系為逐漸增大，當施氮量（X2）到達一定值時（X2=0.247）增長逐漸放緩；施磷量（X3）和施鉀量（X4）與水分利用效率的關系為負相關，隨著施磷量、施鉀量的增大，水分利用效率逐漸降低。

2.1.2 水分利用效率的水肥耦合效應分析

水氮之間存在耦合效應（R2=0.75，P<0.01），水磷之間和水鉀之間關系均不顯著（P>0.05）。以水氮2個因素耦合對水分利用效率的影響，得出回歸方程：

Y=23.032 1+3.252 8X1+0.803 7X2+0.200 0X1X2-0.346 3X21-0.592 8X22。 （7）

水氮耦合的系數為0.20，對水分利用效率有正效應，說明水氮互作能提高水分利用效率。如圖2所示，灌水量（X1）和施氮量（X2）過高或過低均不利于水分利用效率的提高，在灌水量編碼值為0.336、施氮量編碼值為0條件下，水分利用效率達到最大值，為22.98 kg/m3。

2.2 不同水肥處理對番茄產量的影響

2.2.1 不同水肥耦合對番茄基質栽培單果質量和單株果數的影響

由圖3和圖4可知，水肥耦合處理對單果質量和單株果數產生顯著性影響。單株果數最大的是W17處理，達到了13.71個/株，是最低值的2.3倍；最小的是W9處理，為5.97個/株。單果質量最大的是W5處理，達到了174.11 g，是最低的1.62倍；最小的是W11處理，為107.52 g。各處理單株果數由大到小排列為W17>W18>W11>W1>W16>W7>W10>W2>W8>W15>W14>W4>W12>W13>W3>W6>W5>W9；單果質量由大到小排列為W5>W6>W15>W13>W1>W2>W3>W14>W18>W12>W17>W16>W9>W4>W8>W7>W10>W11。以上分析結果表明：中等水平的灌水量和施氮量，單株果數最大，在低水和高肥下，單株果數處于較低值；在較低灌水量和較高施氮量下，單果質量達到最大，施低水平的氮會顯著降低單果質量。

2.2.2 不同水肥耦合處理對番茄產量的影響

由圖5可知，在水肥耦合效應下，各處理之間的產量存在顯著性差異。W18處理的折合產量最大，達到了147.69 t/hm2，是最低值的2.6倍；W9處理的產量 最低，為56.79 t/hm2。產量由高到低依次為W18>W17>W1>W15>W6>W2>W16>W11>W5>W14>W10>W13>W7>W12>W3>W8>W4> W9。以上結果表明：施中等水平的水肥有利于產量的提升，高水高氮和低水低氮均使產量下降。

2.2.3 單株果數、單果質量與產量的關系

對單株果數、單果質量和產量之間進行相關和偏相關分析，當|r|r0.01時，為極顯著水平。從表3左下角的相關系數得出，單株果數與產量之間呈極顯著正相關，說明單株果數越多，產量就越大；從右上角的偏相關系數得出，單果質量與單株果數存在極顯著負相關，單株果數越大，單果質量就越低。

由圖6和圖7可知，在水肥耦合處理下，單株果數極顯著影響了番茄單株產量（P<0.01），而單果質量對番茄單株產量的影響不顯著（P>0.05）。單株果數和番茄單株產量的相關性（r2=0.560）大于單果質量和番茄單株產量的相關性（r2=0.057）。

2.3 不同水肥處理對番茄品質的影響

由表4可知，不同處理間，番茄維生素C含量存在顯著性差異，維生素C含量最高的是W3處理，達到了37.42 mg/100 g；維生素C含量最低的是W10處理，為18.35 mg/100 g。維生素C含量受灌水量和施磷量影響較大，維生素C含量隨著灌水量和施磷量的升高先升高后降低，說明過高或過低的灌水量都會使維生素C含量顯著降低；而施氮量和施鉀量對維生素C含量影響不顯著。W3的維生素C含量最高顯著高于其他處理。說明在較低的施氮量和施鉀量下，適量提高灌水量和施磷量有利于維生素C含量的提升。

由表4可知，不同水肥耦合處理間，番茄可溶性蛋白含量呈顯著差異，可溶性蛋白含量最高的是W6處理，達到了0.25 mg/100 g；可溶性蛋白含量最低的是W9處理，為0.08 mg/100 g。在一定的水分下，可溶性蛋白含量隨著施氮量的升高而升高；在一定的施氮量下，蛋白質含量隨著灌水量的提升而下降。

由表4可知，不同處理間的番茄紅素含量存在顯著差異，W6處理的番茄紅素含量最高，達到了 159.58 ?mg/kg，與其他處理存在顯著差異；番茄紅素含量最低的是W3處理，為57.59 mg/kg。缺氮、缺鉀均會導致番茄紅素含量降低［18］，在相同水分條件下，番茄紅素含量隨著施肥量的增加先增加后減少，施氮、鉀的用量對番茄紅素含量影響最大，而一定程度的缺水灌溉下有利于番茄紅素的積累。

由表4可以看出，不同的水肥處理間，番茄有機酸含量存在顯著差異。有機酸含量最高的是W8處理，為0.55％；有機酸含量最低的是W1處理，為0.21％。有機酸含量隨著灌水量的升高而降低，兩者呈現負相關。隨著施肥量的升高而降低，在低水低肥下達到最高值。

由表4可知，W6處理的可溶性固形物含量最大，達到了6.49%，顯著高于其他處理；W11處理的可溶性固形物含量最低，為4.27％，除了與W3、W10處理無顯著差異外，均顯著低于其他處理?？扇苄怨绦挝锖侩S著灌水量的增加呈減少的趨勢，隨著氮、鉀肥的增加呈現先升高后下降的趨勢，施磷量對番茄可溶性固形物的含量無顯著性影響。

根據表4可知，不同水肥處理間可溶性糖含量達到了顯著水平。番茄可溶性糖含量最高的是W6處理，達到了4.23%，顯著高于其他處理；最低的是W10處理，可溶性糖含量為1.61%。在同一灌水量下 ，可溶性糖含量隨著施肥量的增多而降低；在同一施肥量下，番茄可溶糖含量隨著灌水量的增加反而減少。W6處理的可溶性糖含量最高，說明在較低的灌水量、較低的施磷量下，施較高的氮肥和施較高的鉀肥能讓番茄的可溶性糖含量達到最大。

根據表4可知，各處理間的硝酸鹽含量差異顯著。 W12處理的硝酸鹽含量最高，達到了48.74 μg/g， 與除了W9處理外的其他處理呈顯著性差異；W10處理的硝酸鹽含量最低，為4.12 μg/g。 灌水量、施氮量和施鉀量顯著影響硝酸鹽含量，施磷肥對硝酸鹽含量的影響不顯著，氮肥用量與硝酸鹽含量呈正相關，灌水量與硝酸鹽含量呈負相關。

根據表4可知，不同處理番茄的糖酸比之間存在顯著性差異。糖酸比最高的是W1處理，達到了16.33，顯著高于除了W16、W2處理之外的其他處理；糖酸比最低的是W9處理，為3.93。 ?番茄糖酸比隨著灌水量的增加先升高再降低，說明過高或過低的灌水量都會使糖酸比降低。在相同灌水量下，糖酸比隨著施肥量的增加而增加，施磷量和施鉀量對糖酸比影響顯著，施氮量對其影響不顯著。W1 處理的糖酸比最大，說明在較高的灌水量下，施較高的氮、磷、鉀肥能顯著提高番茄的糖酸比。

2.4 不同水肥耦合處理下番茄產量及果實品質綜合評價

從表5中可知，前5個主因子的累計貢獻率達到了87%（>85%），可以反映出全部指標87%的信息，所以選擇前5個主因子對番茄產量與品質進性綜合評價。對指標進行因子分析，得到因子載荷矩陣，載荷值越接近1或越接近-1越能反映因子變量。

對番茄各項指標進行綜合評價得出各指標得分，在水肥耦合處理下，W6處理的綜合得分最高，排在第1位（表6），說明W6處理番茄產量與果實品質綜合表現最好，所以較低的灌水量、較高的施氮量、較低的施磷量、較高的施鉀量效果最好，即灌水量為田間持水量的70.8%、施氮量496 kg/hm2、施磷量 99 kg/hm2、施鉀量454 kg/hm2。

3 討論與結論

3.1 不同水肥耦合處理對番茄水分利用效率的影響

水分利用效率是植物產出與耗水量的比值，是評價作物生長適宜度的綜合指標［19］。研究結果表明，在同一灌水量下，水分利用效率隨著施氮量增加，呈現先上升后下降的趨勢。說明在一定范圍內，灌水量與施氮量具有耦合正效應，施氮量過高則不利于水分利用效率的提高。本研究中，在同一施氮量下，中等水平的灌水量的水分利用效率最大，過高或過低的灌水量均會降低水分利用效率，這與李建明和張智等的研究結果［10，20］一致。

3.2 不同水肥耦合處理對番茄產量的影響

番茄產量和品質是衡量其經濟效益的主要組成部分［21］。本研究結果表明，在中等水平灌水量下，施加中等肥料的產量最大，在相同灌水量下施較高氮肥比施較低的氮肥產量高，氮肥對產量的影響比磷、鉀肥對產量的影響大，這與李邵的研究結果［22］相同?？傮w來看，施肥量的影響大于灌水量，這與王鵬勃等的試驗結果［23］不同，可能是本試驗所采用的基質為黃沙、蛭石和菇渣，營養含量較為不足。前人的研究結果表明土壤肥力缺乏時，施肥效果較明顯；土壤肥力充足時，灌水效果較明顯［24］。在高水平施氮量和高水平灌水量下，產量未明顯提高，反而會造成水資源和肥料的浪費，這與張燕的研究結果［25］相同。在中等水平灌水量和中等施肥量下，單株果數達到最大；在低灌水量和較低灌水量下，單株果數較低。在對產量的影響上，單株果數與產量的相關性大于單果質量與產量的相關性，這與邢英英的研究結果［26］相同。在較低灌水量下，施較高的氮肥能有效提高單果質量，磷、鉀肥對單果質量的影響不顯著；高灌水量和低施氮量都會降低單果質量。

3.3 不同水肥耦合處理對番茄果實品質的影響

果實品質是重要指標，直接反映了其經濟效益和受歡迎程度［27-28］。在較低的灌水量下，施較高的氮肥、較低的磷肥和較高的鉀肥，能提高番茄可溶性蛋白、番茄紅素、可溶性固形物、可溶性糖的含量；而在高的灌水量下，維生素C、可溶性蛋白、可溶性糖、硝酸鹽含量均顯著降低，表現為“稀釋效應”，與潘曉瑩等的研究結果［6］是一致的。硝酸鹽含量主要受灌水量和施氮量的影響，在同一灌水量下，硝酸鹽含量隨著氮肥的施用量而升高，在高氮肥下，硝酸鹽含量達到最高，過高的硝酸鹽攝入量會危害人體健康［29］。過高的灌水量和過高的施肥量都不能提高果實品質［30］，反而會降低水分利用效率，造成水資源的浪費。一定程度的缺水灌溉有利于番茄紅素、可溶性固形物含量等果實品質指標的提高，這與陳思等的研究結果［31］一致。施較高水平磷肥有利于提升果實維生素C、可溶性糖的含量，增強光合作用，提高開花、坐果率。番茄對鉀肥的需求較大，缺鉀會導致番茄紅素含量降低，適當提高鉀肥的用量，能促進可溶性糖含量的提升和降低硝酸鹽的含量。

3.4 結論

綜上所述，經綜合評價，W6處理是最佳的水肥耦合處理，即在70.8%的田間持水量下，施N 496 kg/hm2、P2O5 99 kg/hm2、K2O 454 kg/hm2時，產量為147.69 t/hm2，單果質量為0.17 kg，水分利用效率為28.35 kg/m3。在以蛭石為主復合黃沙、菇渣基質栽培模式下，可有效提升番茄的產量和品質，這樣既能節省生產成本，還能保護生態環境。

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收 稿日期：2023-02-09

基金項目：新疆生產建設兵團科技攻關項目（編號：2018BB046）。

作者簡介：祝 洋（1996—），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為設施農業。E-mail：zy17837193466@163.com。

通信作者：張 娟，副教授，碩士生導師，主要從事設施果蔬高效栽培及環境調控研究。E-mail：50237606@qq.com。