張鈞恒，馬樂樂，李建明

（西北農林科技大學園藝學院/農業(yè)部西北設施園藝工程重點實驗室，陜西楊凌712100）

0 引言

【研究意義】目前我國設施蔬菜栽培領域，無機肥（化肥和無機營養(yǎng)液）仍是主要的肥料種類。過度施用無機肥料進行栽培不僅使果實品質降低，同時也導致土壤鹽漬化等一系列生產問題[1]，因此減施化肥成為目前我國農業(yè)領域重大科技問題。設施蔬菜有機基質栽培及水肥一體化技術研究是實現(xiàn)減肥的主要途徑之一。同時，在有機基質袋式栽培條件下，施用有機營養(yǎng)液進行養(yǎng)分補充，可完全取代化學肥料，提高產品品質，從而實現(xiàn)經濟和生態(tài)效益雙豐收，因此，研究全有機營養(yǎng)肥水耦合理論和技術對設施蔬菜栽培實現(xiàn)“零”化肥使用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】前人對化肥為肥料與土壤栽培為方式的肥水耦合效應進行了大量研究[2-7]，李建明課題組前期在有機基質袋式栽培下，補充無機營養(yǎng)液的肥水耦合對番茄、甜瓜產量品質等的影響研究[8-10]，以及不同糞肥浸提液混合的有機營養(yǎng)液配方及其對番茄、甜瓜幼苗和小青菜生長發(fā)育及養(yǎng)分吸收影響方面的研究[11]。【本研究切入點】以往的研究主要集中在無機化肥與水分的耦合效應及其對設施番茄生長發(fā)育、產量及水分利用效率的影響，以及單一類型糞肥浸提液和由不同糞肥浸提液混合的有機營養(yǎng)液對番茄幼苗生長的影響方面[11-16]，而針對番茄整個生育期內全有機肥水耦合效應研究尚未有相關報道?！緮M解決的關鍵問題】本試驗以番茄為試材，綜合肥水耦合與有機營養(yǎng)液配方兩方面，研究全有機營養(yǎng)肥水耦合對番茄光合等生理指標、果實品質、產量以及水分利用效率等的影響，探索番茄全有機營養(yǎng)肥水管理模式，確定有機基質栽培下的有機營養(yǎng)液肥水組合，以期為設施番茄全有機營養(yǎng)生產提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與試驗材料

本試驗分為秋季試驗和春季試驗，分別于2016年8月至12月和2017年3月至7月，在西北農林科技大學園藝學院試驗場的大跨度非對稱大棚內進行。大棚長32 m，跨度17 m，脊高5.2 m。試材為櫻桃番茄（S. lycopersicum var cerasiforme）“千禧”。秋季試驗為初步試驗，春季試驗為重復試驗，下文中如無特別說明，試驗數(shù)據(jù)均為春季試驗。

試驗所用基質是由腐熟牛糞、菇渣和珍珠巖以3∶3∶4的比例混合配制而成[17]?；|理化性質為容重0.366 g·cm-3，持水孔隙45.13%，通氣孔隙23.37%，總孔隙 68.50%，pH 6.93，EC 值 2 230 μs·cm-1，速效氮含量 2 343.51 mg·kg-1，速效磷含量 1 026.66 mg·kg-1，速效鉀含量 2 312.01 mg·kg-1，有機質含量約為 210.54 g·kg-1。

采用基質栽培袋栽培，栽培袋長3 m，寬0.3 m。采用水肥一體化管理，設備為荷蘭HortiMax公司生產的灌溉施肥裝置。

1.2 試驗設計與方法

試驗設置2種有機營養(yǎng)液和1種無機營養(yǎng)液對照：F1（有機營養(yǎng)液配方1）、F2（有機營養(yǎng)液配方2）、F3（日本園試營養(yǎng)液配方）；2個灌水量水平：W1（蹲苗期及陰雨天按ET100%灌溉，其他按ET120%灌溉）、W2（蹲苗期及陰雨天按ET120%灌溉，其他按ET150%灌溉）。按照隨機區(qū)組試驗設計，將營養(yǎng)液配方和灌水量二因素耦合，共得到6個處理（F1W1、F2W1、F3W1、F1W2、F2W2及F3W2），見表1，每個處理3次重復。

ET（日蒸騰蒸發(fā)量）由自動連續(xù)作物耗水記錄儀進行監(jiān)測。該記錄儀本質上是電子秤，在每日灌溉后和次日灌溉前進行稱重記錄，測定基質及番茄植株的總重量變化，得到 ET值。全生育期內不同水平的水分處理見表2。

試驗所用的有機營養(yǎng)液是本課題組試驗篩選的兩種較優(yōu)配方[18]，配方1由腐熟豬糞和牛糞浸提液按4∶1的比例混合并稀釋5.15倍而成，配方2由腐熟豬糞、牛糞和羊糞浸提液按 4∶1∶1混合并稀釋4.31倍而成。3種營養(yǎng)液配方的全氮質量濃度控制相同。不同營養(yǎng)液理化性質及養(yǎng)分含量見表 3。浸提液的制備時，將烘干后的腐熟糞肥與水按 1∶10質量比混合后攪拌，在有氧條件下浸提72 h后取上清液，經過濾分別得到腐熟豬糞、牛糞、羊糞浸提液。全生育期內，不同配方營養(yǎng)液的施用頻率及施用量保持一致。開花坐果期，每4 d施1次營養(yǎng)液，每次每株400 mL。自第一穗果膨大開始，每3 d施1次營養(yǎng)液，每次每株500 mL。

表1 試驗設計處理Table 1 Treatments of experiment design

表2 單株蒸騰蒸發(fā)量及不同水平單株灌水量Table 2 Transpiration and irrigation amount per plant of different levels (mL·d-1)

表3 營養(yǎng)液理化性質及養(yǎng)分含量Table 3 Physical and chemical properties and nutrient content of nutrient solution

秋季試驗于2016年8月6日（幼苗5葉1心）時定植，單干整枝，留6穗果摘心，2016年12月28日拉秧。春季試驗于2017年3月8日定植，2017年7月5日拉秧。栽培袋兩行種植，株距25 cm。每個處理3次重復，小區(qū)面積為15.6 m2（13 m×1.2 m），各小區(qū)定植80株。除灌水量和營養(yǎng)液配方外，其他管理措施均保持相同。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉片光合作用的測定 采用Li-6800便攜式光合儀，于不同生育階段（開花坐果期、果實膨大期、采收期）測量番茄葉片的各項光合指標（光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及胞間二氧化碳濃度）。各小區(qū)取樣 3株，選取其頂部生長點以下第 4片功能葉進行測量。測量時間選擇晴天上午 9：00—11：00。

1.3.2 果實產量和品質的測定 秋季試驗于2016年10月12日開始采摘，至12月28日拉秧結束。春季試驗于2017年4月26日開始采摘，至7月8日拉秧結束。每次采摘時測定小區(qū)產量和單果數(shù)，最后累積計算產量。在第3穗番茄成熟期，分別在各小區(qū)的相同位點取樣，選取大小和色澤基本相同的果實進行品質測定，果實樣品用蒸餾水洗凈后研磨均勻，測定其各項品質指標?？扇苄缘鞍缀坑每捡R斯-G250染色法測定；可溶性糖含量用蒽酮比色法測定；硝酸鹽含量用水楊酸-硫酸法測定；維生素C含量用鉬藍比色法測定；番茄紅素含量依照分光光度計法測定[19]；糖酸比用手持糖酸度儀測定。

1.3.3 灌溉水分利用效率 灌溉水分利用效率（IWUE）是指單位灌水量下作物生產的產量，單位為 kg·m-3。

IWUE=Y/I

式中，Y為產量（kg）；I為灌溉量（m3）。

1.3.4 番茄凈收益 凈收益=產量收益-生產成本，單位為元/株。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS7.05軟件進行方差分析，方法為Duncan新復極差法，用Excel2007進行圖表繪制。

2 結果

2.1 全有機營養(yǎng)肥水耦合對番茄光合特性的影響

不同全有機營養(yǎng)肥水耦合處理對番茄各生育期光合作用有顯著影響。從不同時期看，凈光合速率和蒸騰速率呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，果實膨大期最高，采收期最低；氣孔導度在開花坐果期和果實膨大期變化幅度不大，采收期則明顯降低；各時期番茄葉片的胞間CO2濃度沒有顯著性差異。葉片的光合能力整體上呈先上升后降低的趨勢，在果實膨大期，番茄葉片光合能力最強（表4）。

表4 不同處理對番茄葉片光合特性的影響Table 4 Effects of different treatments on photosynthesis of tomato leaves

果實膨大期，在相同水分條件下，F(xiàn)1和F2對番茄葉片光合速率的影響沒有顯著性差異，均顯著高于 F3，其中 F2W2處理下的光合速率最大，達到29.84 μmol·m-2·s-1，說明與無機營養(yǎng)液處理相比，有機營養(yǎng)液處理可顯著提高葉片的光合速率；在相同營養(yǎng)液條件下，W2處理下的葉片光合速率顯著高于 W1處理，說明W2灌水量可提高葉片光合速率。不同肥水耦合處理對番茄葉片氣孔導度及蒸騰速率的影響規(guī)律與光合速率相似，但是不同肥水耦合處理對番茄葉片胞間CO2濃度的影響沒有顯著性差異。其他時期全有機營養(yǎng)肥水耦合對番茄葉片光合特性的影響與果實膨大期大致相同（表4）。

2.2 全有機營養(yǎng)肥水耦合對番茄果實品質的影響

2.2.1 對果實營養(yǎng)品質的影響 由秋季試驗結果可得，有機營養(yǎng)液處理顯著提高了營養(yǎng)品質指標含量。春季試驗進一步驗證了結果的準確性，從表5可以看出，分別在W1、W2條件下，F(xiàn)1和F2的可溶性蛋白及番茄紅素含量均沒有顯著性差異，且極顯著高于F3，說明在相同水分條件下，與無機營養(yǎng)液處理相比，兩種有機營養(yǎng)液處理對果實中可溶性蛋白及番茄紅素含量有明顯的提高作用；同時，在 F1、F2、F3條件下，W1的可溶性蛋白含量均極顯著高于W2，分別高出47%，27.35%和60.94%，兩者的番茄紅素含量沒有顯著性差異，這表明在相同營養(yǎng)液條件下，同灌水量W1處理相比，灌水量W2處理明顯降低了果實中可溶性蛋白的含量，表現(xiàn)為“稀釋效應”。不同營養(yǎng)液處理對果實中 Vc含量沒有顯著性影響，而不同灌水量處理則極顯著影響了Vc含量。

表5 不同處理對番茄果實品質的影響Table 5 Effects of different treatments on fruit quality of tomato

2.2.2 對果實風味品質的影響 如表5所示，在相同水分條件下，F(xiàn)1和F2的可溶性糖含量及糖酸比均極顯著高于F3，各處理中F2W1的可溶性糖含量最高，為68.24 mg·g-1，糖酸比最高為6.92。說明與無機營養(yǎng)液處理相比，兩種有機營養(yǎng)液處理可明顯提高果實中可溶性糖的含量及糖酸比，從而改善果實風味品質。在相同營養(yǎng)液條件下，隨著灌水量的提高，果實中可溶性糖含量降低，說明過多的灌水量反而不利于可溶性糖的積累，有損果實風味品質。

2.2.3 對硝酸鹽含量的影響 秋季試驗結果表明，灌溉和營養(yǎng)液配方對果實中硝酸鹽含量的影響均達到極顯著水平，且營養(yǎng)液配方大于灌溉，肥水交互的影響達到顯著水平。春季試驗得到相同結果。在相同水分條件下，與無機營養(yǎng)液處理相比，兩種有機營養(yǎng)液處理極顯著降低了果實中硝酸鹽的含量，其中F1W2處理最低，為46.38 mg·kg-1。在相同營養(yǎng)液條件下，W1灌水量處理的硝酸鹽含量極顯著高于W2灌水量處理（表5）。

2.2.4 基于主成分分析的綜合品質評價 對番茄品質進行評價時，單項指標無法作為綜合評價的依據(jù)，因此本研究采用多目標綜合評價方法。選取可溶性蛋白（X1）、維生素C（X2）、可溶性糖（X3）、糖酸比（X4）、番茄紅素（X5）、和硝酸鹽（X6）這6個品質因素作為評價因子，利用DPS數(shù)據(jù)分析軟件進行主成分分析，得到相關矩陣的特征值及特征向量累積貢獻率見表 6。結果顯示，前兩個主成分的累計貢獻率已經達到98.41%，滿足大于85%的條件，說明前兩個主成分可以解釋所有變量的主要信息。

為進一步確定主成分與不同品質因子之間的關系，分析主成分載荷矩陣，由成分矩陣可得，2個主成分表達式為：

綜合評價計算公式如下：

式中，λ1和λ2分別是前兩個主成分的特征根，計算得到不同處理的綜合得分，見表 7?？梢缘贸?，F(xiàn)2W1處理的綜合品質最好，F(xiàn)3W2處理最差。

表6 主要主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率Table 6 Eigen values, contribution proportions and cumulative contribution proportions of main principle component

表7 不同處理的番茄品質綜合評價結果Table 7 Comprehensive evaluation results of different treatments

2.3 全有機營養(yǎng)肥水耦合對產量的影響

由秋季試驗可得，F(xiàn)2W2處理的番茄產量最高，達到8.23 kg·m-2，顯著高于其他處理。春季試驗對產量結果進行了驗證，在W1條件下，F(xiàn)1和F2的產量沒有顯著性差異，且均極顯著高于 F3，分別高出18.20%和22.40%；W2條件下，F(xiàn)1和F2的產量也沒有顯著性差異，且均極顯著高于F3，分別高出8.19%和 9.99%（表 8）。說明在相同水分條件下，與無機營養(yǎng)液處理相比，兩種有機營養(yǎng)液處理對番茄產量有明顯的提高作用，且與灌水量W2處理相比，在灌水量W1處理下有機營養(yǎng)液處理的產量增幅更大。同時，在F1、F2、F3條件下，W2的產量極顯著高于W1，分別高出11.18%、9.15%、21.46%，這表明在相同營養(yǎng)液條件下，同灌水量W1處理相比，灌水量W2處理可明顯提高番茄產量。

表8 不同處理對番茄產量及灌溉水分利用效率的影響Table 8 Effects of different treatments on yield and irrigation water use efficiency of tomato

2.4 全有機營養(yǎng)肥水耦合對灌溉水分利用效率的影響

由秋季試驗數(shù)據(jù)可得，F(xiàn)2W1處理的番茄灌溉水分利用效率最高，為17.26 kg·m-3，除與F1W1無顯著差異外，顯著高于其他處理。春季試驗結果與之一致，在W1條件下，F(xiàn)1和F2的灌溉水分利用效率沒有顯著性差異，且均極顯著高于 F3，分別高出 18.32%和22.45%；W2條件下，F(xiàn)1和F2也沒有顯著性差異，且均極顯著高于F3，分別高出8.29%和10.06%（表8）。說明在相同水分條件下，與無機營養(yǎng)液處理相比，兩種有機營養(yǎng)液處理可明顯提高灌溉水分利用效率，且與W2處理相比，在灌水量W1處理下有機營養(yǎng)液處理對灌溉水分利用效率的提高程度更高。顯而易見，在灌水量相同的情況下，不同營養(yǎng)液配方處理的灌溉水分利用效率取決于其產量。同時，在相同營養(yǎng)液條件下，W1處理的灌溉水分利用效率極顯著高于 W2處理（F3條件下除外，W1和W2處理無顯著性差異）。由此可見，隨著灌水量的增加，產量增高，而水分利用效率降低。

2.5 全有機營養(yǎng)肥水耦合對番茄生產成本及經濟收益的影響

由表9可知，在本試驗番茄生產中，有機營養(yǎng)液的肥料成本低于無機營養(yǎng)液，F(xiàn)2W1處理的總生產成本最低，為每株3.554元。在相同水分條件下，F(xiàn)1和F2處理的番茄凈收益顯著高于 F3，說明與無機營養(yǎng)液對照相比，兩種有機營養(yǎng)液可顯著提高番茄經濟收益；在相同營養(yǎng)液條件下，W2處理的番茄凈收益顯著高于 W1，表明適當提高灌水量可以提高番茄經濟效益；不同肥水處理對番茄的凈收益有顯著的影響，F(xiàn)2W2處理的凈收益最高，為每株5.694元，除與F1W2沒有顯著差異外，顯著高于其他處理。

表9 不同處理對生產成本及經濟收益的影響Table 9 Effects of different treatments on production cost and economic returns (yuan/plant)

3 討論

3.1 全有機營養(yǎng)肥水耦合對番茄光合等生理代謝及產品品質的影響

試驗結果表明，與無機營養(yǎng)液處理相比，有機營養(yǎng)液處理能明顯提高葉片光合能力，同時番茄營養(yǎng)及風味品質指標提高。果實中過多的硝酸鹽不僅危害人體健康，也對生態(tài)環(huán)境構成一定威脅。在農業(yè)生產中，過度施用化學氮肥是導致蔬菜硝酸鹽積累的主要原因之一，而施用有機肥是一項降低蔬菜硝酸鹽積累的有效舉措[20-21]。本試驗結果證明，在基質栽培中，利用有機營養(yǎng)液可以進一步降低果實中亞硝酸含量。馬躍[22]的番茄試驗研究表明，鉀肥施用量與蔬菜硝酸鹽積累有復雜關系，李鳳巧等[23]研究表明，隨著鉀肥施用量的增加，番茄硝酸鹽含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，而本研究中，有機營養(yǎng)液配方中的鉀元素含量顯著高于無機營養(yǎng)液，尤其是有機營養(yǎng)液配方 2，較高的鉀含量使其明顯改善了果實品質，這與前人的研究結果相一致[22-23]。同時，與無機營養(yǎng)液及單一類型糞肥浸提液相比，以多種類型糞肥浸提液混合配制的的有機營養(yǎng)液具有更為合理的銨態(tài)氮比例，可有效抑制根系對硝態(tài)氮的吸收，從而減少果實內硝酸鹽積累。因此，本研究中的有機營養(yǎng)液配方 2是更為科學合理的配比。本研究中，果實中硝酸鹽含量隨著灌水量的增加而明顯降低，表現(xiàn)為“稀釋效應”，說明適度提高灌水量可以有效降低果實硝酸鹽含量，這與陳碧華等[24]的研究結果相一致，而與張軍等[10]的試驗結果不同。

番茄紅素是番茄果實內最重要的生物活性物質，對人體健康十分有益[25]。番茄紅素含量不僅與品種特性有關，還與灌溉施肥等其他因素相關[26-28]。本研究結果表明，有機營養(yǎng)液處理可以提高果實中番茄紅素的含量，從而提高番茄的功效價值，這與牛曉麗等[26]的研究結果相一致。同時，全有機營養(yǎng)肥水耦合對番茄可溶性固形物有顯著影響，有機營養(yǎng)液能明顯促進果實中可溶性糖及可溶性蛋白含量的提高，灌水量對可溶性固形物的影響表現(xiàn)為負效應，這與牛曉麗等[29]的研究結論相同。

綜合分析認為，有機營養(yǎng)液可提高番茄葉片光合能力，一方面是由于有機營養(yǎng)液可以提高栽培基質微生物的含量及活性，改善根系生態(tài)環(huán)境，提高土壤肥力[30]；另一方面也可能是由于有機營養(yǎng)液中富含的某類有機質具有間接調控葉綠素合成的功能。從本試驗的數(shù)據(jù)來看，番茄葉片光合速率越高，則最終產量越高，番茄的光合特性、品質之間存在正相關的關系，光合同化物的積累影響產品品質。

3.2 全有機營養(yǎng)肥水耦合對番茄產量及水分利用效率的影響

試驗結果表明，與無機營養(yǎng)液相比，有機營養(yǎng)液具有明顯的增產效果，這與前人研究結果相一致[31-34]。有機營養(yǎng)液增產的原因可能有以下兩個方面：一是有機營養(yǎng)液能改善根系生態(tài)環(huán)境，促進根系發(fā)育，提高根系吸水能力和葉片光合能力，進而增加同化物的積累量，二是有機質分解產生的有機酸能促進基質中礦質養(yǎng)分的溶解，提高植株對養(yǎng)分的吸收。灌水量W2處理的產量顯著高于灌水量W1處理，說明適當提高灌水量可以提高產量。有機營養(yǎng)液肥水互作對產量的影響達到顯著水平，F(xiàn)2W2處理產量最高。由顯著性檢驗的結果可得，各因素對產量的影響程度表現(xiàn)為灌溉＞營養(yǎng)液配方＞肥水交互，說明在基質袋式栽培條件下，番茄植株對水分的需求更大。不同處理間番茄單果重的差異性跟產量基本一致，且考慮到不同處理間果實數(shù)量基本相同，可知全有機營養(yǎng)肥水耦合是通過改變單果重的方式來影響最終產量的。本文中經濟收益均是根據(jù)當?shù)貦烟曳训钠骄鶅r格進行計算，因此各處理之間的收益情況只是粗略的比較，而在實際生產和銷售過程中農產品的價格高低受自身品質優(yōu)劣及品牌效應等因素的影響。

灌溉水分利用效率是表征作物水分關系及經濟效益的重要因素。本研究顯著性結果表明，灌溉、營養(yǎng)液配方以及肥水交互對灌溉水分利用效率的影響均達到了極顯著水平，且營養(yǎng)液配方＞灌溉＞肥水交互。由試驗結果可知，在相同營養(yǎng)液條件下，隨著灌水量的增加，灌溉水分利用效率越低，說明過高水平的灌水量造成了水資源的浪費，這與張軍等[10]的研究結果一致。在實際生產中，必須綜合考慮產量和灌水量兩個因素，過度缺水會導致產量過低，而過度灌溉則不利于節(jié)水。

在優(yōu)先考慮產量和經濟收益的情況下，F(xiàn)2W2處理是較優(yōu)肥水組合，產量達到8.59 kg·m-2，凈收益每株5.694元；在優(yōu)先考慮果實品質和灌溉水分利用效率的情況下，則F2W1處理是較優(yōu)肥水組合，灌溉水分利用效率達到18.38 kg·m-3。

4 結論

綜合考慮番茄光合、品質、產量、灌溉水分利用效率及經濟收益等因素，F(xiàn)2W1處理為最優(yōu)肥水組合，即蹲苗期及陰雨天按 ET100%灌溉，其他時期按ET120%灌溉，同時按有機營養(yǎng)液配方 2進行追施肥料，實現(xiàn)化肥零使用。該有機基質栽培的有機營養(yǎng)液肥水組合在保證產量的前提下，具有較高的灌溉水分利用效率，且果實品質最優(yōu)，實現(xiàn)了設施番茄全有機營養(yǎng)肥水管理，對設施番茄高效優(yōu)質生產具有一定指導意義。