基于水肥使用效率評價指標的番茄滴灌灌水施肥量優(yōu)化

雷金銀 金建新 桂林國

摘要：為探索寧夏干旱荒漠區(qū)番茄科學合理的滴灌灌水和施肥量，采用L9（34）飽和正交設計方法研究不同養(yǎng)分和灌水量組合對番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥生產(chǎn)效率的影響，并利用空間分析法尋求各指標均達到最優(yōu)時的灌水量和施肥量。結(jié)果表明，在水肥互作影響下，番茄產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，在T6處理時達到最大值110.6 t/hm2。水分利用效率（WUE）和養(yǎng)分生產(chǎn)效率（PFP）隨著施肥量的增加和灌水量的減少，分別表現(xiàn)為增大和減少的變化趨勢，各品質(zhì)指標也表現(xiàn)為不同的水肥互作效應。當番茄各指標為90%的理論最大值時，能形成較為一致的水肥管理制度，番茄整個生育期灌溉量為1 925～2 015 m3/hm2，各養(yǎng)分施肥量N為487.1～504.82 kg/hm2，P2O5為243.56～252.4 kg/hm2，K2O為608.88～631.02 kg/hm2。

關鍵詞：番茄;評價指標;灌水量;施肥量;優(yōu)化

中圖分類號： S275.6;S365 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0129-04

溫室番茄在我國種植面積較大，是我國消費率最高的蔬菜之一，傳統(tǒng)的種植方式和施肥結(jié)構是以產(chǎn)量最大化為最終目標，但是這種施肥方式不僅水肥資源利用效率不高，也帶來了土壤面源污染、土壤質(zhì)量下降等問題。因此，對現(xiàn)有的番茄生產(chǎn)水肥供應模式進行優(yōu)化調(diào)整，從番茄產(chǎn)量和品質(zhì)雙重指標著手，提出產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)的滴灌灌水施肥量，對緩解過量施肥和灌水造成的環(huán)境問題等具有重要的作用，同時也對實現(xiàn)寧夏干旱荒漠區(qū)水肥資源高效配置和生態(tài)灌區(qū)建設具有重要的意義。國內(nèi)外許多學者對番茄節(jié)水高效灌溉制度和生態(tài)環(huán)保施肥模式進行了探索，邢英英等從番茄根系生長、產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率等諸多因素入手，利用多元回歸和空間分析等方法，對其灌水施肥制度進行優(yōu)化研究，提出了番茄水肥調(diào)控效應和科學合理的水肥供應制度[1]。陳碧華等對番茄灌水和施肥進行二因素二次回歸分析，對番茄生長指標、品質(zhì)和產(chǎn)量等不同指標均達到最優(yōu)值時的水肥組合進行探索，提出了最佳灌水量和施肥量組合[2]。賈宋楠等以氮肥為基礎，分別進行了高、中、低和不施肥4個梯度施肥水平試驗，以番茄干物質(zhì)積累、水肥利用和產(chǎn)量等指標作為判別指標，得到番茄總施肥量和生育期內(nèi)施肥配比關系[3]。本研究在諸多學者研究報道的基礎上，對寧夏干旱荒漠區(qū)番茄種植水肥供應量進行優(yōu)化調(diào)整，從番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥生產(chǎn)效率等指標出發(fā)，通過空間分析等方法尋求其指標在最優(yōu)范圍內(nèi)的灌水量和施肥量組合。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016—2017年開展，2年試驗番茄均于2月10日定植，分別于6月8日和6月15日拉秧，采用一壟一帶雙行布置，行距40 cm，株距20 cm，灌水方式統(tǒng)一采用滴灌。試驗以灌水和施肥2個因子作為變量，對照采用李建明等在陜西試驗得到的結(jié)果[4]，即灌溉定額為2 518.74 m3/hm2，施N量為542.58 kg/hm2，施P2O5量206.3 kg/hm2，施K2O量為 940.03 kg/hm2，灌水量和施肥量均設置上下浮動30%作為處理，根據(jù)L9（34）飽和正交設計原理，設置4因素3水平9個處理，另增加對照，共10個滴灌水肥處理，每個小區(qū)25 m2，每個小區(qū)邊緣種植保護行，小區(qū)之間利用深埋的塑料薄膜隔離，隨機區(qū)組排列，每個處理3個重復，磷肥全部采用基施，氮肥和鉀肥以水肥一體化方式進行追肥，其他田間管理均相同（表1）。

1.2 測定方法

1.2.1 產(chǎn)量 在成熟期，番茄按小區(qū)單獨計產(chǎn)，從5月中旬開始收獲直至拉秧完全結(jié)束，每隔7 d將顏色和成熟度一致的番茄采摘計產(chǎn)，計算2年試驗各處理平均產(chǎn)量并換算為標準產(chǎn)量，水分利用效率（WUE）和養(yǎng)分生產(chǎn)效率（PFP）分別用式（1）和式（2）計算：

WUE=Ym/Ia;

（1）

PFP=Ym/Fa。

（2）

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3;Ym為番茄產(chǎn)量，kg/hm2;Ia為總灌溉定額，m3/hm2;PFP為養(yǎng)分生產(chǎn)效率，kg/kg;Fa為總施肥量，kg/hm2。

1.2.2 品質(zhì) 在番茄第3穗果成熟時，每個小區(qū)隨機選擇5顆番茄進行品質(zhì)測定。番茄紅素含量利用高效液相色譜法測定，硝酸鹽含量采用水楊酸-硫酸法，維生素C含量采用光度分析法，可溶性固形物含量和總酸度分別采用折光計法和滴定法，對2年測得的各品質(zhì)指標取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 對番茄產(chǎn)量、WUE和PFP的影響

不同處理水肥耦合作用下對番茄產(chǎn)量的影響較大（表2），除T4和T9處理外其余各處理之間均表現(xiàn)為極顯著性差異（P<0.01），其產(chǎn)量在84.2 ～110.6 t/hm2之間變化，隨著灌水量和施肥量的增加產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，處理T6產(chǎn)量值達到最大，其次為T10處理，產(chǎn)量也達到了1095 t/hm2，T1處理產(chǎn)量最小，為84.2 t/hm2，較T6處理降低23.9%，表明減少施N量會嚴重降低番茄產(chǎn)量，李建明等提出的施肥方案[4]在寧夏干旱荒漠區(qū)仍需要進一步優(yōu)化調(diào)整。

由圖1可見，各處理之間PFP和WUE差異極顯著（P<0.01），其變化范圍分別為47.64～79.39 kg/kg和28.44～60.63 kg/m3。處理T10較T6施肥量增加14.98%，而PFP減小7%，從T10到T7施肥量增加了22.67%，PFP減小35%，表明當灌水量相同時PFP隨著施肥量的增加而減小，并且在超過一定閾值后其下降速率更大，WUE整體上表現(xiàn)為隨著灌水量的增加而下降，T1比T2和T3分別高33.2%和63.2%。在水肥互作影響下，隨著施肥量的增加和灌水量的減少，WUE和PFP分別表現(xiàn)為增大和減少的變化趨勢，即WUE為處理T9最大（60.63 m3/kg），PFP為T6處理最大（79.39 kg/kg），在總施肥量增加、灌水量減少時，與T8相比，T10處理的PFP增加2.89%，而T5處理PFP則下降2472%，WUE則增加35.81%和75.54%。

2.2 對番茄品質(zhì)的影響

灌水和施肥對番茄各品質(zhì)指標均有顯著影響，并且灌水比施肥影響更大（表2）。維生素C、可溶性糖、番茄紅素含量隨著灌水量的增大而減小，隨著施肥量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，可溶性固形物含量隨著灌水量的減小而增大，隨著施肥量的減小而減小，有機酸含量和施肥量正相關，和灌水量之間的關系不顯著。在水肥互作影響下，維生素C含量在T6處理達到最大值，其次為T10，最大值比最小值T3處理高 35.9%，可溶性糖和可溶性固形物含量均為T9最大，其次為T5，兩者之間表現(xiàn)為極顯著性差異（P<0.01）;處理T6番茄紅素含量為43.9 mg/kg，達到最大值，和T5之間差異不顯著;有機酸含量以T5最大，其次為T7和T9;糖酸比以T6最大，其次為T2，且前者比后者高14.4%，兩者呈極顯著差異（P<0.01）。

2.5 水肥耦合對番茄生產(chǎn)的互作效應

表征番茄特性的營養(yǎng)品質(zhì)較多，邢英英等通過層次分析法、客觀熵權法等方法對番茄各品質(zhì)指標進行賦值和權重計算，確定番茄紅素含量和糖酸比在表征番茄營養(yǎng)品質(zhì)中所占的權重較大[1，5]。因此，在分析水肥耦合作用對番茄生產(chǎn)能力影響關系回歸方程中，品質(zhì)因素中選用番茄紅素含量和糖酸比，其次為產(chǎn)量、水分利用效率WUE和養(yǎng)分生產(chǎn)效率PFP，水肥互作對番茄生產(chǎn)要素的回歸方程見表3。

灌水和施肥對番茄各主要產(chǎn)量和品質(zhì)指標均有較大的影響，且往往表現(xiàn)為交互效應，利用MATLAB軟件中最大值求解功能對表3中各回歸方程進行最大值求解，得到各方程中指標取得最大值時的灌水量和施肥量，求解結(jié)果見表4。

由表4可以看出，當施肥量為1 182.23 kg/hm2，灌水量為 3 274.32、2 889.34、3 107.17 m3/hm2時，番茄紅素含量、糖酸比和PFP達到最大值，分別為60.36 mg/kg、14.51、81.61 kg/kg;當灌水量為2 443.58 m3/hm2、施肥總量為 1 663.28 kg/hm2 時，番茄產(chǎn)量達到最大值111.95 t/hm2;WUE取得最大值61.25 kg/hm2時，需要的灌水量和施肥量分別為1 763.12 m3/hm2和1 761.35 kg/hm2，可見表征番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率的篩選指標不能同時達到最優(yōu)化值，因此需要對方程求解得到的各灌水量和施肥量進行進一步優(yōu)化，以使其在各指標同時達到近似優(yōu)化水平時的水肥供應量。利用Origin 8.0繪制灌水和施肥兩因素對表4中各指標的二因素互作效應如圖2所示。

若反映番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率的各指標按理論最大值降低95%和90%的允許范圍，利用空間分析法對各指標對應的灌水量和施肥量范圍進行計算。結(jié)果表明，灌水量介于2 336.98～3 253 m3/hm2時，番茄紅素含量、糖酸比、產(chǎn)量及PFP指標均達到理論最大值的95%以上，但是其WUE為48.3～32.6 kg/m3，較理論最大值下降21.1%～46.8%;另外施肥量在1 448.45～1 925.6 kg/hm2時，產(chǎn)量和WUE達到理論最大值的95%以上，但是要保證番茄紅素含量、糖酸比和PFP在理論最大值的95%以上，施肥量必須小于 1 225.58 kg/hm2。可見要保證番茄各產(chǎn)量、品質(zhì)指標均大于理論最大值的95%以上較為困難，將目標降低到理論最大值的90%時，利用空間分析法對適宜的灌溉量和施肥量進行計算，發(fā)現(xiàn)當灌溉量為1 925～2 015 m3/hm2時，各指標均能達到理論最大值的90%以上，當施肥量為1 339.53～1 388.25 kg/hm2 時，糖酸比、WUE、產(chǎn)量和PFP等4個指標均達到理論最大值的90%以上，但是番茄紅素含量只有當施肥量小于1 309.6 kg/hm2時才能達到上述結(jié)果，在該范圍內(nèi)時，番茄紅素含量較理論最大值下降14.6%～24.3%，基本認為可以接受。

根據(jù)水肥耦合對番茄各產(chǎn)量和品質(zhì)指標交互影響的總量分析，結(jié)合L9（34）飽和正交設計原理，對番茄N、P2O5和K2O的施入量進行估算，得到番茄整個生育期灌溉量為1 925～2 015 m3/hm2，施肥量為1 339.53～1 388.25 kg/hm2，與處理T6較為接近，按照處理T6的各養(yǎng)分比例，對所計算得到的施肥量進行分配，即N ∶ P2O5 ∶ K2O為2 ∶ 1 ∶ 2.5，得到各養(yǎng)分施肥量N為487.1～504.82 kg/hm2，P2O5為243.56～252.4 kg/hm2，K2O為608.88～631.02 kg/hm2。

3 討論與結(jié)論

農(nóng)田水肥管理的目標主要為提高水資源和農(nóng)田養(yǎng)分的利用效率，追求較高的灌溉水利用系數(shù)和養(yǎng)分生產(chǎn)效率是現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的基本要求。農(nóng)田土壤中水分和養(yǎng)分之間相互制約、相互影響，在一定范圍之內(nèi)，增加灌溉水量和養(yǎng)分輸入能較大地提高番茄產(chǎn)量，改善番茄生產(chǎn)品質(zhì)，但是過量的水肥供應不僅造成水肥資源的浪費，而且還會造成產(chǎn)量和品質(zhì)降低，王文娟等通過建立模型，對日光溫室小管出流番茄產(chǎn)量和水分的關系進行了研究，發(fā)現(xiàn)其為單峰偏右函數(shù)，當水分超過一定閾值，其水分貢獻率逐漸降低[6]。吳泳辰等研究表明，適當?shù)乃痔澣辈粫е路旬a(chǎn)量嚴重降低，且對番茄品質(zhì)的提高具有一定的促進作用，同時有助于根系向下生長，吸收深層土壤水分，對提高水分利用效率具有重要的意義[7-8]。

本研究利用飽和正交設計原理，對寧夏中部干旱帶日光溫室番茄生產(chǎn)水肥供應量進行優(yōu)化，提出適宜該地區(qū)及相同生態(tài)區(qū)番茄生產(chǎn)的灌溉定額和施肥量，分析不同水肥處理對番茄產(chǎn)量、WUE、PFP和品質(zhì)指標的耦合作用效應，并用相關學者提出的表征番茄營養(yǎng)品質(zhì)中權重比較大的指標和產(chǎn)量、WUE、PFP與水肥施用量建立了回歸方程，對其進行求解，得到了番茄各指標取得理論最大值時的水肥施用量，但是由于各指標對應的水肥施用量差異較大，因此，通過空間分析法對

各指標為理論最大值的95%和90%時的水肥施用量進行求解和分析，發(fā)現(xiàn)當番茄各指標為90%的理論最大值時，能形成較為一致的水肥管理制度，結(jié)合前人研究結(jié)果，提出番茄整個生育期灌溉量為1 925～2 015 m3/hm2，各養(yǎng)分施肥量N為487.1～504.82 kg/hm2，P2O5為243.56～252.4 kg/hm2，K2O為608.88～631.02 kg/hm2。

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收稿日期：2018-02-17

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2014BAD14B006）。

作者簡介：雷金銀（1980—），男，寧夏西吉人，博士，副研究員，主要從事旱區(qū)農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉研究。E-mail：jinnxnk009@163.com。

通信作者：桂林國，碩士，研究員，主要從事土壤快速培肥和農(nóng)業(yè)節(jié)水研究工作。Tel：（0951）6886763;E-mail：834887265@qq.com。