水肥耦合对蛭石为主复合基质栽培番茄产量、水分利用效率及品质的影响

祝洋 刘志应 李新苗 王楠 张娟

摘要： 为充分提高新疆产蛭石的利用率，将蛭石与黄沙、菇渣混合，研究不同水肥处理对基质栽培番茄单果质量、产量、果实品质及水分利用效率的影响。以双赢先锋番茄为试材，在以蛭石为主的混合基质栽培模式下，以灌水量、施氮量、施磷量、施钾量4个因子为试验因子，采用4因素5水平二次正交旋转组合设计的二分之一执行，设置18组水肥耦合处理、5组灌水量（分别是田间持水量的66%、70.8%、78%、85.2%和90%），分析各因子耦合效应，进行产量及品质综合评价。结果表明：水氮耦合对水分利用效率有正效应，过高或过低的灌水和施氮不能使水分利用效率提高；水肥耦合对产量和品质均有显著影响，W18处理产量最高，为147.69 t/hm2，比试验各处理平均水平增长了50.38%；单株果数与产量的相关性要大于单果质量与产量的相关性；在一定程度减少灌溉的前提下，提高氮肥和钾肥的用量能提高番茄可溶性蛋白质、番茄红素、可溶性固形物的含量，适当提高磷肥的施用可以提升植株维生素C、可溶性糖的含量。对番茄产量、单果质量和果实品质进行综合评价，得出最优的处理是W6，即灌水量为70.8%的田间持水量，施肥量为N 496 kg/hm2、P2O5 99 kg/hm2、K2O 454 kg/hm2。本研究可为充分利用新疆产蛭石及番茄高效优质栽培水肥科学管理提供理论依据。

关键词： 水肥耦合；番茄；水分利用效率；产量；果实品质；蛭石

中图分类号：S641.204  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）02-0144-08

蛭石以良好的透气性和吸水性在无土栽培中有很大作用。我国蛭石资源较为丰富，新疆尉犁和河北灵寿是我国蛭石的两大主产区［1-2］。前人在蔬菜的无土栽培上，对基质配方进行筛选，杨玉波等用蛭石、沙子、珍珠岩、棉籽皮＋营养液栽培番茄，结果表明蛭石加营养液下的番茄长势、产量和品质最好［3］；徐诚等以纯蛭石作为对照，分别在蛭石中添加不同体积的废弃物炉渣和菇渣进行基质复配，得出了黄瓜育苗基质的最佳配方［2］。

番茄是茄科番茄属一年生或多年生草本植物，是世界上广泛栽培的蔬菜作物，在我国南北方广泛栽培。国内外研究表明，水肥两因素对番茄产量和品质有较大影响［4-5］。水肥耦合是研究水肥关系，以达到更经济有效地利用水分和养分目的的一项重要技术［6］。有关水肥耦合对番茄的影响，前人已做过大量研究，杜清洁等研究了在滴灌条件下水肥耦合对番茄产量和品质的影响，建立数学模型确定最优灌水和施肥量［7］。前人研究均普遍认为大水大肥的灌溉施肥模式不仅难以达到高产效果，而且会降低番茄果实品质，增加果实硝酸盐含量，多余的肥料会危害土壤，污染地下水［8-9］。产量与水分利用率是决定番茄栽培经济效益的首要指标，提高产量与水分利用率是实现高产高效的基础。李建明等认为番茄的产量随灌溉上限和施肥定额的增加而显著增加，超过一定范围后产量逐渐降低［10］。

有大量研究表明，灌水量和施肥量在一定范围内对作物产量有促进作用，超出此范围，水肥则会对产量产生负效应［11］。胡晓辉等认为在同一灌溉水平下，适量地增加肥料施用量可以提高灌溉水分利用效率，而施肥量过量则会降低灌溉水分利用效率［12］；而王艳丹等认为减少灌溉用水会提高水分利用效率［13］。在水肥耦合的研究方面，杜清洁、李建明、杨振华等已做过大量研究［7，10，14］，不过在以蛭石为主复合基质栽培下，研究水肥耦合对基质栽培番茄的产量、水分利用效率及品质上的报道还较为少见。本试验要解决的是如何在有效利用水资源的基础上，通过合理施肥对番茄产量和品质进行提升，使作物达到高产优质，为番茄在以蛭石为主复合基质栽培下提出理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022年3—8月在塔里木大学园艺试验站6号日光温室内进行。试验温室坐北朝南，长 21 m，跨度8 m，脊高3.2 m。试验地地处暖温带（40°32′40″N，81°17′24″E），海拔984.31 m，年平均太阳总辐射量559.65～612.39 kJ/cm2，年平均日照时数2 855～2 967 h，温室气温12～36 ℃。

供试番茄品种为双赢先锋，幼苗购自阿拉尔市鑫辰果蔬农民合作社，采用基质栽培。所用基质为蛭石、黄沙、菇渣（体积比为2 ∶ 1 ∶ 1），分别购自阿克苏市西大桥保温材料厂、9团沙场、10团温室基地蘑菇温室。基質基本理化性质为：pH值6.9、电导率1 614 μS/cm、速效氮含量52.85 mg/kg、速效磷含量 140.64  mg/kg、速效钾含量607.04 mg/kg。

试验所用肥料均购自阿拉尔市海潮农资市场。其中尿素（N：45%），美丰化工有限公司生产，磷酸二氢钾（P2O5：52%，K2O：34%），四川德天虹化工有限公司生产，硫酸钾（K2O：53.8%），国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司生产。

1.2 试验设计

试验设置灌水量、氮、磷、钾4个试验因子。灌水量为灌溉下限（基质田间持水量的60%）至灌溉上限（田间持水量的90%）之间的5个水平，分别为T1（66%）、T2（70.8%）、T3（78%）、T4（85.2%）、T5（90%）。氮、磷、钾分别设置5个水平（表1），施氮量、施磷量、施钾量均为施肥肥料中实际养分的含量，采用4因素5水平二次正交旋转组合设计的二分之一执行（表2）。设3次重复，每次重复18个处理组合，3月20日定植并灌水缓苗10 d，3月31日开始水肥处理，6月17日第1穗果成熟开始采样，并测果实产量，3～5 d采收一批成熟番茄，采收期至8月28日拉秧结束。

1.3 测定项目

1.3.1 灌水量的测定

当基质水分降至灌水下限时，通过公式（1）计算各处理的灌水量［15］。

M=r×p×s×h×θf×（q1-q2）/η。  （1）

式中：M为灌水量，m3；r为基质容重，0.72 g/cm3；p为土壤湿润比，取100%；s为灌水面积，为5.92 m2；h为灌水计划湿润层，取0.25 m；θf为田间持水量，为58.91%；q1为田间持水量上限，取田间持水率的90%；q2为田间持水量下限，取田间持水率的60%；η为水分利用系数，滴灌取0.9。

1.3.2 单果质量的测定

单果质量用百分之一电子天平测量。

1.3.3 产量的测定

公顷产量由小区产量折算，小区产量为单株产量与小区番茄株数的乘积。

1.3.4 水分利用效率的计算

水分利用效率（WUE）=Y/M，式中Y表示产量，单位 kg/hm2；M表示总灌水量，单位m3/hm2。

1.3.5 果实品质的测定

在第3穗果成熟时，选取9个大小一致的果实进行品质测定。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定；可溶性糖含量测定使用蒽酮比色法；维生素C含量使用钼蓝比色法测定；有机酸采用滴定法测定；番茄红素采用二氯甲烷的正己烷法测定；可溶性固形物含量使用数字糖度计（TD-45型）测定；硬度使用硬度计测定［16］。糖酸比为可溶性糖含量和有机酸含量的比值［17］。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2019整理，使用DPS 7.05进行方差分析和多重比较；用Excel 2019和Origin 2022制表和制图。

2 结果与分析

2.1 不同水肥耦合对基质栽培番茄水分利用效率的影响

以水分利用效率为因变量，灌水量、施氮量、施钾量和施磷量为自变量，使用DPS 7.05进行回归拟合，建立水分利用效率回归模型，对方程进行方差分析，P=0.005 5，R=0.994 7，说明方程拟合效果好，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为水分利用效率，X1、X2、X3、X4分别代表灌水量、施氮量、施磷量和施钾量的水平编码值。

2.1.1 水分利用效率单因素效应分析

为分析单因素对水分利用效率的影响，对回归模型进行降维处理，得到一元线性回归模型：

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）

施钾量：Y=22.920 0-2.448 0X4-0.571 0X24。 （6）

以公式（3）～公式（6）4个方程作出单因素与水分利用的关系图，如图1所示，灌水量（X1）的效应与水分利用效率的关系呈现先增大后减小的趋势；施氮量的效应与水分利用效率的关系为逐渐增大，当施氮量（X2）到达一定值时（X2=0.247）增长逐渐放缓；施磷量（X3）和施钾量（X4）与水分利用效率的关系为负相关，随着施磷量、施钾量的增大，水分利用效率逐渐降低。

2.1.2 水分利用效率的水肥耦合效应分析

水氮之间存在耦合效应（R2=0.75，P<0.01），水磷之间和水钾之间關系均不显著（P>0.05）。以水氮2个因素耦合对水分利用效率的影响，得出回归方程：

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

水氮耦合的系数为0.20，对水分利用效率有正效应，说明水氮互作能提高水分利用效率。如图2所示，灌水量（X1）和施氮量（X2）过高或过低均不利于水分利用效率的提高，在灌水量编码值为0.336、施氮量编码值为0条件下，水分利用效率达到最大值，为22.98 kg/m3。

2.2 不同水肥处理对番茄产量的影响

2.2.1 不同水肥耦合对番茄基质栽培单果质量和单株果数的影响

由图3和图4可知，水肥耦合处理对单果质量和单株果数产生显著性影响。单株果数最大的是W17处理，达到了13.71个/株，是最低值的2.3倍；最小的是W9处理，为5.97个/株。单果质量最大的是W5处理，达到了174.11 g，是最低的1.62倍；最小的是W11处理，为107.52 g。各处理单株果数由大到小排列为W17>W18>W11>W1>W16>W7>W10>W2>W8>W15>W14>W4>W12>W13>W3>W6>W5>W9；单果质量由大到小排列为W5>W6>W15>W13>W1>W2>W3>W14>W18>W12>W17>W16>W9>W4>W8>W7>W10>W11。以上分析结果表明：中等水平的灌水量和施氮量，单株果数最大，在低水和高肥下，单株果数处于较低值；在较低灌水量和较高施氮量下，单果质量达到最大，施低水平的氮会显著降低单果质量。

2.2.2 不同水肥耦合处理对番茄产量的影响

由图5可知，在水肥耦合效应下，各处理之间的产量存在显著性差异。W18处理的折合产量最大，达到了147.69 t/hm2，是最低值的2.6倍；W9处理的产量 最低，为56.79 t/hm2。产量由高到低依次为W18>W17>W1>W15>W6>W2>W16>W11>W5>W14>W10>W13>W7>W12>W3>W8>W4> W9。以上结果表明：施中等水平的水肥有利于产量的提升，高水高氮和低水低氮均使产量下降。

2.2.3 单株果数、单果质量与产量的关系

对单株果数、单果质量和产量之间进行相关和偏相关分析，当|r|r0.01时，为极显著水平。从表3左下角的相关系数得出，单株果数与产量之间呈极显著正相关，说明单株果数越多，产量就越大；从右上角的偏相关系数得出，单果质量与单株果数存在极显著负相关，单株果数越大，单果质量就越低。

由图6和图7可知，在水肥耦合处理下，单株果数极显著影响了番茄单株产量（P<0.01），而单果质量对番茄单株产量的影响不显著（P>0.05）。单株果数和番茄单株产量的相关性（r2=0.560）大于单果质量和番茄单株产量的相关性（r2=0.057）。

2.3 不同水肥处理对番茄品质的影响

由表4可知，不同处理间，番茄维生素C含量存在显著性差异，维生素C含量最高的是W3处理，达到了37.42 mg/100 g；维生素C含量最低的是W10处理，为18.35 mg/100 g。维生素C含量受灌水量和施磷量影响较大，维生素C含量随着灌水量和施磷量的升高先升高后降低，说明过高或过低的灌水量都会使维生素C含量显著降低；而施氮量和施钾量对维生素C含量影响不显著。W3的维生素C含量最高显著高于其他处理。说明在较低的施氮量和施钾量下，适量提高灌水量和施磷量有利于维生素C含量的提升。

由表4可知，不同水肥耦合处理间，番茄可溶性蛋白含量呈显著差异，可溶性蛋白含量最高的是W6处理，达到了0.25 mg/100 g；可溶性蛋白含量最低的是W9处理，为0.08 mg/100 g。在一定的水分下，可溶性蛋白含量随着施氮量的升高而升高；在一定的施氮量下，蛋白质含量随着灌水量的提升而下降。

由表4可知，不同处理间的番茄红素含量存在显著差异，W6处理的番茄红素含量最高，达到了 159.58  mg/kg，与其他处理存在显著差异；番茄红素含量最低的是W3处理，为57.59 mg/kg。缺氮、缺钾均会导致番茄红素含量降低［18］，在相同水分条件下，番茄红素含量随着施肥量的增加先增加后减少，施氮、钾的用量对番茄红素含量影响最大，而一定程度的缺水灌溉下有利于番茄红素的积累。

由表4可以看出，不同的水肥处理间，番茄有机酸含量存在显著差异。有机酸含量最高的是W8处理，为0.55％；有机酸含量最低的是W1处理，为0.21％。有机酸含量随着灌水量的升高而降低，两者呈现负相关。随着施肥量的升高而降低，在低水低肥下达到最高值。

由表4可知，W6处理的可溶性固形物含量最大，达到了6.49%，显著高于其他处理；W11处理的可溶性固形物含量最低，为4.27％，除了与W3、W10处理无显著差异外，均显著低于其他处理。可溶性固形物含量随着灌水量的增加呈减少的趋势，随着氮、钾肥的增加呈现先升高后下降的趋势，施磷量对番茄可溶性固形物的含量无显著性影响。

根据表4可知，不同水肥处理间可溶性糖含量达到了显著水平。番茄可溶性糖含量最高的是W6处理，达到了4.23%，显著高于其他处理；最低的是W10处理，可溶性糖含量为1.61%。在同一灌水量下 ，可溶性糖含量随着施肥量的增多而降低；在同一施肥量下，番茄可溶糖含量随着灌水量的增加反而减少。W6处理的可溶性糖含量最高，说明在较低的灌水量、较低的施磷量下，施较高的氮肥和施较高的钾肥能让番茄的可溶性糖含量達到最大。

根据表4可知，各处理间的硝酸盐含量差异显著。 W12处理的硝酸盐含量最高，达到了48.74 μg/g， 与除了W9处理外的其他处理呈显著性差异；W10处理的硝酸盐含量最低，为4.12 μg/g。 灌水量、施氮量和施钾量显著影响硝酸盐含量，施磷肥对硝酸盐含量的影响不显著，氮肥用量与硝酸盐含量呈正相关，灌水量与硝酸盐含量呈负相关。

根据表4可知，不同处理番茄的糖酸比之间存在显著性差异。糖酸比最高的是W1处理，达到了16.33，显著高于除了W16、W2处理之外的其他处理；糖酸比最低的是W9处理，为3.93。  番茄糖酸比随着灌水量的增加先升高再降低，说明过高或过低的灌水量都会使糖酸比降低。在相同灌水量下，糖酸比随着施肥量的增加而增加，施磷量和施钾量对糖酸比影响显著，施氮量对其影响不显著。W1 处理的糖酸比最大，说明在较高的灌水量下，施较高的氮、磷、钾肥能显著提高番茄的糖酸比。

2.4 不同水肥耦合处理下番茄产量及果实品质综合评价

从表5中可知，前5个主因子的累计贡献率达到了87%（>85%），可以反映出全部指标87%的信息，所以选择前5个主因子对番茄产量与品质进性综合评价。对指标进行因子分析，得到因子载荷矩阵，载荷值越接近1或越接近-1越能反映因子变量。

对番茄各项指标进行综合评价得出各指标得分，在水肥耦合处理下，W6处理的综合得分最高，排在第1位（表6），说明W6处理番茄产量与果实品质综合表现最好，所以较低的灌水量、较高的施氮量、较低的施磷量、较高的施钾量效果最好，即灌水量为田间持水量的70.8%、施氮量496 kg/hm2、施磷量 99 kg/hm2、施钾量454 kg/hm2。

3 讨论与结论

3.1 不同水肥耦合处理对番茄水分利用效率的影响

水分利用效率是植物产出与耗水量的比值，是评价作物生长适宜度的综合指标［19］。研究结果表明，在同一灌水量下，水分利用效率随着施氮量增加，呈现先上升后下降的趋势。说明在一定范围内，灌水量与施氮量具有耦合正效应，施氮量过高则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，过高或过低的灌水量均会降低水分利用效率，这与李建明和张智等的研究结果［10，20］一致。

3.2 不同水肥耦合处理对番茄产量的影响

番茄产量和品质是衡量其经济效益的主要组成部分［21］。本研究结果表明，在中等水平灌水量下，施加中等肥料的产量最大，在相同灌水量下施较高氮肥比施较低的氮肥产量高，氮肥对产量的影响比磷、钾肥对产量的影响大，这与李邵的研究结果［22］相同。总体来看，施肥量的影响大于灌水量，这与王鹏勃等的试验结果［23］不同，可能是本试验所采用的基质为黄沙、蛭石和菇渣，营养含量较为不足。前人的研究结果表明土壤肥力缺乏时，施肥效果较明显；土壤肥力充足时，灌水效果较明显［24］。在高水平施氮量和高水平灌水量下，产量未明显提高，反而会造成水资源和肥料的浪费，这与张燕的研究结果［25］相同。在中等水平灌水量和中等施肥量下，单株果数达到最大；在低灌水量和较低灌水量下，单株果数较低。在对产量的影响上，单株果数与产量的相关性大于单果质量与产量的相关性，这与邢英英的研究结果［26］相同。在较低灌水量下，施较高的氮肥能有效提高单果质量，磷、钾肥对单果质量的影响不显著；高灌水量和低施氮量都会降低单果质量。

3.3 不同水肥耦合处理对番茄果实品质的影响

果实品质是重要指标，直接反映了其经济效益和受欢迎程度［27-28］。在较低的灌水量下，施较高的氮肥、较低的磷肥和较高的钾肥，能提高番茄可溶性蛋白、番茄红素、可溶性固形物、可溶性糖的含量；而在高的灌水量下，维生素C、可溶性蛋白、可溶性糖、硝酸盐含量均显著降低，表现为“稀释效应”，与潘晓莹等的研究结果［6］是一致的。硝酸盐含量主要受灌水量和施氮量的影响，在同一灌水量下，硝酸盐含量随着氮肥的施用量而升高，在高氮肥下，硝酸盐含量达到最高，过高的硝酸盐摄入量会危害人体健康［29］。过高的灌水量和过高的施肥量都不能提高果实品质［30］，反而会降低水分利用效率，造成水资源的浪费。一定程度的缺水灌溉有利于番茄红素、可溶性固形物含量等果实品质指标的提高，这与陈思等的研究结果［31］一致。施较高水平磷肥有利于提升果实维生素C、可溶性糖的含量，增强光合作用，提高开花、坐果率。番茄对钾肥的需求较大，缺钾会导致番茄红素含量降低，适当提高钾肥的用量，能促进可溶性糖含量的提升和降低硝酸盐的含量。

3.4 结论

综上所述，经综合评价，W6处理是最佳的水肥耦合处理，即在70.8%的田间持水量下，施N 496 kg/hm2、P2O5 99 kg/hm2、K2O 454 kg/hm2时，产量为147.69 t/hm2，单果质量为0.17 kg，水分利用效率为28.35 kg/m3。在以蛭石为主复合黄沙、菇渣基质栽培模式下，可有效提升番茄的产量和品质，这样既能节省生产成本，还能保护生态环境。

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收 稿日期：2023-02-09

基金项目：新疆生产建设兵团科技攻关项目（编号：2018BB046）。

作者简介：祝 洋（1996—），男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为设施农业。E-mail：zy17837193466@163.com。

通信作者：張 娟，副教授，硕士生导师，主要从事设施果蔬高效栽培及环境调控研究。E-mail：50237606@qq.com。