高志英，陳梅，樊蕾，楊習文

(1.河南農業(yè)大學 農學院，河南 鄭州 450002；2.山西運城農業(yè)職業(yè)技術學院 農林與工程系，山西 運城 044000；3.太原科技大學 化學與生物工程學院，山西 太原 030024)

番茄(Solanum lycopersicum) 是我國各類設施內栽培的主要蔬菜。番茄具有營養(yǎng)生長與生殖生長同時進行的生長特點，對肥料的吸收和消耗量大，合理施肥(尤其是氮肥) 直接關系到其高產優(yōu)質和養(yǎng)分利用率的高低[1,2]。適度的施氮可提高番茄的產量，果實中可溶性糖含量、Vc含量，降低總酸度[3,4]，若氮肥施用不當會造成番茄營養(yǎng)生長與生殖生長平衡失調[5]，尤其是氮肥施用過量不但不能增產[6]，還會降低番茄的品質[7]，生產成本增加和污染環(huán)境[8]。目前對番茄的氮素運籌已開展了較多研究，多集中在對番茄生長發(fā)育[9,10]，光合生理特性[11]，干物質分配[12]，營養(yǎng)元素吸收及利用[13～16]，產量及品質[6,7,17]等方面，但對設施番茄干物質及氮素積累的動態(tài)變化規(guī)律的研究鮮見報道。作物模擬技術可對作物生長過程進行定量描述，作物物質積累量呈“S”型變化[18]，經(jīng)驗性模型大多都采用Logistic方程來模擬物質積累的過程[19]。因此，本研究于2016、2017兩年進行小區(qū)對比試驗，利用Logistic模型深入研究番茄干物質、氮素積累規(guī)律對不同施氮水平的響應，旨在明確氮肥與干物質、氮素積累之間的關系，以期為生產實踐中設施番茄的科學施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗分別于2016年和2017年在河南省農業(yè)科學院現(xiàn)代農業(yè)科技試驗示范基地日光溫室內進行。試驗地位于東經(jīng) 113°36'，北緯34°55'，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫14 ℃，平均總日照時數(shù)2 144 h。試驗溫室的長度、跨度和高度分別為 78、7.5、3.5 m，溫室土壤為壤質潮土，土壤基本營養(yǎng)水平見表1。

表1 不同年份試驗土壤營養(yǎng)水平Table 1 Soil nutrient level in the 2016 and 2017

2016年試驗于8月17日定植，12月5日收獲；2017年試驗于8月9日定植，12月2日收獲。兩年供試番茄品種均為粉貝利。肥料分別為尿素(46% N)、普鈣(12% P2O5)和硫酸鉀(50% K2O)。

試驗設置5個氮肥水平，2016年試驗的氮肥處理分別為0、100、200、300、400 kg·hm-2?？紤]到減肥增效、養(yǎng)分累積及環(huán)境友好，因此在2016年的試驗基礎上，2017年適當減少了氮肥施用量。2017年試驗氮肥處理分別為0、90、180、270、360 kg·hm-2。各處理磷肥、鉀肥、和有機肥(腐熟的雞糞)用量相同，2016年試驗用量分別為：175、290、55 000 kg·hm-2。2017年試驗用量分別為：150、250、52 000 kg·hm-2。兩年試驗實施過程中，磷肥和有機肥(腐熟的雞糞)全部作為基肥一次施入，氮肥和鉀肥基施1/2，第一穗果膨大期和第二穗果膨大期分別追施 1/4，施肥的時間和數(shù)量見表2。采用傳統(tǒng)的壟栽方式，壟長6 m，壟寬1.3 m，株距0.45 m，行距0.5 m，每壟2行，畦間距0.4 m，1壟為一個試驗小區(qū)，小區(qū)面積7.8 m2，每個小區(qū)種植30株，每個處理重復3個小區(qū)。留4穗果后打頂。試驗期間的其他栽培管理措施均按常規(guī)方法進行。

表2 生育期內各處理施肥過程Table 2 The process of fertilization in the whole growing period

1.2 測定項目及方法

1.2.1 番茄各器官干物質量與氮素含量測定

兩年試驗分別于番茄青苗期、開花坐果期、第一穗果膨大期、第二穗果膨大期、第三穗果膨大期和第四穗果膨大期進行取樣。2016年取樣時間為定植后15、30、50、70、90、110 d，2017年取樣時間為定植后20、35、55、75、95、115 d。每小區(qū)均隨機選取地上植株3株，將各器官按莖、葉、果分開，置于烘箱中105 ℃殺青30 min，然后于80 ℃下烘干稱重，留干樣備測。用凱氏定氮法測全氮，并依據(jù)公式：單株吸氮總量(g)=植株干質量×植株含氮量(g/g)計算植株氮積累量。

1.2.2 模型擬合及參數(shù)計算

參照吳雨珊等[20]方法，采用Logisitc方程對不同氮肥水平下番茄干物質與氮素積累的進程進行擬合，并計算相應的模型參數(shù)，進行積累動態(tài)分析。方程為：W=K/[1+e(a-bt)]，其中，W為番茄定植t天后的干物質(氮素)積累量；t為番茄定植后天數(shù)；K為番茄干物質(氮素)理論最大積累量；a、b為待定系數(shù)。

對方程進行一階和二階推導，獲得相關動態(tài)積累參數(shù)，具體公式如下：

快速積累開始時間t1=(a-1.317)/b，t1代入方程獲得W1；

快速積累結束時間t2=(a+1.317)/b，t2代入方程獲得W2；

有效積累期t3=(a+4.595)/b，積累量為W3；

漸增期各公式計算，持續(xù)時間T漸=t1-t0(t0為定植日)，積累量為W漸=W1-W0(定植當天的積累量)，平均積累速率V漸=W漸/T漸；

快增期各公式，持續(xù)時間T快=t2-t1，積累量為W快=W2-W1, 平均積累速率V快=W快/T快；

緩增期各公式，持續(xù)時間T緩=t3-t2，積累量為W緩=W3-W2, 平均積累速率V緩=W緩/T緩；

積累最大速率出現(xiàn)的時間Tmax=a/b；

積累最大速率Vmax=bk/4；

最大速率時的積累量Wmax=K/2。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010進行數(shù)據(jù)計算整理，SPSS10.0進行顯著性分析和Logisitc方程擬合，originpro8進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥水平對番茄植株干物質和氮素積累量的影響

由圖1可知，隨著生育期的推進，不同施氮量處理的番茄干物質和氮素的積累趨勢相同，兩者均隨生育期的推進而逐漸增強，苗期(2016年：15～30 d、2017年：20～35 d)呈緩慢增加，盛果前期(2016年：30～70 d、2017a：35～75 d)快速增加，到了盛果后期(2016年：70～110 d、2017年：75～115 d)又呈緩慢增加，積累動態(tài)均呈S型曲線增長。然而，不同施氮量處理的番茄的總植株干物質量和總氮素積累量有明顯差異，隨著氮素供應的增加，番茄干物質量和氮素積累量逐漸增加，2016年、2017年當?shù)毓謩e在300、270 kg·hm-2時，兩者積累量達最大，開花坐果期以后，各施肥處理顯著高于不施肥處理(P<0.05)。

圖1 不同氮肥處理下番茄干物質和氮素積累Fig.1 Dry matter and nitrogen accumulation amount under different nitrogen application rate

2.2 不同氮肥水平下植株干物質與氮素的積累動態(tài)模型

2.2.1 動態(tài)模型參數(shù)

不同氮肥水平下番茄植株干物質和氮素積累量隨生理發(fā)育的動態(tài)變化均符合 Logistic 曲線模型，且各擬合模型的F檢驗均達極顯著水平，干物質和氮素動態(tài)累積模型相關的參數(shù)見表3。番茄干物質的積累最大速率Vmax、平均積累速率Vmean及積累速率最大時生長量Wmax均隨著施氮量的增加而增加，兩年試驗中，當施氮量為300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)處理時，干物質的Vmax、Vmean、Wmax最大，Vmax分別為4.99 g·plant-1·d-1和5.65 g·plant-1·d-1，Vmean分別為1.64 g·plant-1·d-1和1.77 g·plant-1·d-1，Wmax分別為78.75 g和84.21 g。氮素積累的Vmax和Vmean在180～400 kg·hm-2范圍內高于0～100 kg·hm-2處理。兩年試驗中干物質的Vmax出現(xiàn)的時間Tmax分別在59～65 d(2016年)，60～65 d(2017年)，而氮素積累的Tmax分別在55～62 d(2016年)，56～62 d(2017年)。氮素積累Tmax在兩年試驗中均早于干物質的的Tmax，且干物質和氮素的Tmax隨著氮肥用量增加而提前，分別在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)處理下出現(xiàn)的最早。

2.2.2 積累速率動態(tài)變化特征

對Logistic積累方程進行求導，可得番茄干物質積累及氮素積累的速率方程，如下：

(1)

由表3各模型的參數(shù)(K、a、b)分別代入方程(1)，可得到各處理番茄干物質積累速率和氮素積累速率與時間關系的方程，以取樣時間為橫坐標，可獲得不同氮素供應條件下干物質和氮素積累速率動態(tài)變化的曲線圖。由圖2可知，2016年和2017年試驗中，番茄干物質積累速率與氮素積累速率在整個生育期均呈單峰曲線變化，且干物質和氮素積累速率在生育早期(2016年：15～30 d；2017年：20～35 d)對氮肥供應水平反應不敏感，而到了生育后期，兩者積累速率對氮肥供應水平響應明顯，施氮均可提高干物質積累和氮素積累的速率。另外由圖2可知，兩年試驗中，氮素積累速率峰值出現(xiàn)的時間比干物質積累速率出現(xiàn)的峰值早。

2.3 不同氮肥水平下干物質與氮素積累的3個階段參數(shù)

2.3.1 干物質積累階段

根據(jù)Logistic曲線模型可將番茄干物質與氮素積累過程分為漸增期、快增期和緩增期3個階段(表4)。兩年試驗結果均呈現(xiàn)干物質積累量在積累的3個階段隨氮肥供應增加呈先增后降的變化，分別在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)時達到最大，干物質積累量在漸增期、快增期和緩增期分別為33.19、96.00、31.71 g和35.53、103.57、33.90 g。積累持續(xù)期在2016年、2017年試驗中3個階段分別為48～57 d、16～21 d、20～26 d和50～57 d、15～20 d、19～24 d，即漸增期>緩增期>快增期。而積累平均速度在2016年、2017年兩次試驗下分別為0.28～0.68 g·plant-1·d-1、2.73～4.58 g·plant-1·d-1、0.74～1.23 g·plant-1·d-1和0.34～0.71 g·plant-1·d-1、3.73～5.28 g·plant-1·d-1、0.97～1.39 g·plant-1·d-1，即快增期>緩增期>漸增期。兩年試驗下的3個積累階段，積累平均速率均隨氮供應量增加升高，在施氮量分別為300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)時達到最大，繼續(xù)增加氮肥用量，其反而下降，干物質積累量與積累平均速率在3個階段呈現(xiàn)了相同變化規(guī)律。

表3不同氮肥處理下番茄干物質與氮素積累動態(tài)模型參數(shù)

Table3 Characteristic parameters of dry matter accumulation and nitrogen accumulation of tomato under different nitrogen application rate

年份Year施氮量/kg·hm-2N application rateKabR2Vmax/g·plant-1·d-1Tmax/dVmean/g·plant-1·d-1Wmax/g干物質Dry matter氮素Nitro-gen075.0510.480.160.99??3.02650.7937.53100109.619.240.150.97??4.08621.1754.812016200125.728.520.140.91??4.46601.3562.86300157.497.470.130.99??4.99591.6478.75400155.667.320.120.99??4.82591.6077.83091.74 11.16 0.17 0.95??3.94650.9945.8790112.62 10.09 0.16 0.97??4.51631.2256.312017180141.91 8.86 0.14 0.89??5.07621.4970.96270168.41 8.06 0.13 0.99??5.65601.7784.21360160.53 8.24 0.14 0.96??5.51601.7080.2701.557.400.120.93??0.05620.020.781002.316.420.110.95??0.06600.021.1620162003.116.010.100.95??0.08580.031.563003.605.560.100.96??0.09550.041.804003.575.330.100.97??0.09560.031.7901.508.290.130.98??0.05620.020.75902.467.510.130.92??0.08600.031.2320171803.096.420.110.95??0.09570.031.552703.996.130.110.98??0.11560.042.003604.025.740.100.98??0.10560.042.01

注：**P<0.01.

Note:**P<0.01.

2.3.2 氮素積累階段

由表4可知，在2016年、2017年試驗中，各階段氮素積累持續(xù)期均為漸增期>緩增期>快增期，分別為42～51 d、27～34 d、22～28 d和43～52 d、25～32 d、20～26 d；氮素積累量的漸增期、快增期和緩增期分別為0.33～0.75 g、0.87～2.05 g、0.31～0.73 g和0.32～0.84 g、0.81～2.41 g、0.30～0.81 g，均表現(xiàn)為快增期>漸增期>緩增期，且在快增期，氮素積累量隨氮供應量的增加而增加。氮素積累平均速率在兩年試驗條件下，均在快增期達最大，分別為0.04～0.08 g·plant-1·d-1(2016年)和0.04～0.10 g·plant-1·d-1(2017年)，均隨著施氮量的增加呈先升后降的趨勢，分別在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)達最大。

圖2 不同氮肥處理對番茄干物質積累速率與氮素積累速率動態(tài)變化的影響Fig.2 Effects of different nitrogen application rates on the curve of dry matter accumulation rate and nitrogen accumulation rate of tomato in different growth stage

2.4 不同氮肥水平番茄植株產量的效應分析

2.4.1 番茄產量

由圖3可見，兩年試驗的番茄株果產量均呈現(xiàn)隨施肥量的增加而升高，分別在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)時最高。2016年，100、200、300、400 kg·hm-2分別較對照不施氮肥增加34.89%、41.75%、54.30%、40.4%；2017年，90、180、270、360 kg·hm-2分別較對照增加17.57%、32.77%、59.16%、51.08%。方差分析表明，兩年的氮肥處理表明，施氮處理顯著高于對照處理(P<0.05)。

2.4.2 番茄對氮肥的效應分析

番茄的株果產量對施氮量的響應關系可用一元二次曲線方程進行描述，對擬合的方程求導可得到番茄株果產量的邊際產量的變化曲線(圖4)，即每增加1 kg·hm-2施氮量番茄株果產量的增加量，從圖4可知，隨著施氮量的增加，株果產量的邊際產量逐漸降低，2016年、2017年試驗處理分別在342.11 kg·hm-2和297.62 kg·hm-2時，邊際產量為0，此時的施氮量為番茄株果產量最高時的理論施氮量，若繼續(xù)增加施氮量，邊際產量為負，即再繼續(xù)增加氮肥供應反而使產量減少。

2.4.3 回歸分析

對株果產量與干物質，氮素積累因子分別進行逐步回歸。經(jīng)檢驗，回歸方程相關性達到顯著水平。由模型可以看出，番茄株果產量與干物質積累的Vmean、T快、W快、W緩均成顯著正相關，與T漸成顯著負相關；而與氮素積累的Vmean成正相關(表5)。

3 討論與結論

氮是番茄生長發(fā)育的關鍵因子，參與植株體內各種代謝過程，對設施番茄的生長發(fā)育及產量影響較為復雜[21]。已有研究表明，番茄的干物質與氮素生產在一定范圍內與施肥量呈正相關[12,22,23]。兩年的試驗結果表明，不同供氮水平對番茄植株干物質積累與氮累積量影響一致，隨著施氮水平增加而增加，在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)時達到最大，繼續(xù)增施氮肥，積累反而下降，過低或過高的供氮水平，均不利于番茄干物質和氮素的積累。

Logistic模型用作描述作物生長特征在棉花[24]、辣椒[25]、甜瓜[26]、芝麻[27]等經(jīng)濟作物均有報道。本試驗兩年的結果表明，番茄干物質及氮素積累的Vmax及Vmean分別在0～300 kg·hm-2和0～270 kg·hm-2范圍內，隨氮肥水平的增加而升高，繼續(xù)增施氮肥反而不利于積累活動。不同氮肥處理下，氮素Vmax出現(xiàn)的時間早于干物質Vmax出現(xiàn)的時間，兩年試驗中均早3～4 d，說明干物質的積累是依賴于營養(yǎng)元素的積累。Logistic模型的S曲線積累過程分為漸增期、快增期和緩增期[20]，兩年試驗處理分別在0～300 kg·hm-2(2016年)和0～270 kg·hm-2(2017年)施肥范圍內，3個階段的干物質及氮素積累量均隨氮肥量的增施而增加。干物質及氮素的T漸隨施氮量的增加而縮短，即增施氮有利于番茄物質積累進入快增期，并延長了T快。2016年試驗顯示，干物質及氮素在100、200、300、400 kg·hm-2施肥量下比對照進入快增期提前了3、6、8、8 d和3、5、9、8 d。2017年肥料處理試驗下干物質及氮素在90、180、270、360 kg·hm-2氮肥供應量下比對照進入提前了3、5、8、8 d和3、7、9、9 d。兩年試驗均在高肥處理進入快增期的時間早于低肥處理，分別增施到300 kg·hm-2(2016年)和270 kg·hm-2(2017年)時最早進入快速積累期，說明該施肥處理能夠較早建立營養(yǎng)生長與生殖生長體，積累階段的動態(tài)協(xié)調性優(yōu)于其它處理，更有利于干物質的累積與產量形成。吳雨珊等[20]研究大豆的物質積累階段發(fā)現(xiàn)，產量與干物質積累的T快成正相關，而與T漸呈負相關，本研究經(jīng)回歸分析得到相同結論。因此在生產上，合理施用氮肥才能取得較好的經(jīng)濟效益。

表4不同氮肥水平下番茄干物質與氮素積累三個階段的參數(shù)

Table4 Parameters of dry matter and nitrogen accumulation under different nitrogen application rate at three stages of tamato

積累階段Stages of accumulation施氮量/kg·hm-2N application rateT/dW/gV/g·plant-1·d-1施氮量/kg·hm-2N application rateT/dW/gV/g·plant-1·d-1干物質Dry matter氮素Nitrogen漸增期Gradual increase stage快增期Fast increase stage緩增期Slow increase stage漸增期Gradual increase stage快增期Fast increase stage緩增期Slow increase stage05715.860.2805719.390.341005323.150.44905523.790.432005126.540.521805329.970.573004933.190.682705035.530.714004832.790.683605033.880.6701644.602.7301557.193.731001867.303.81901668.824.192001975.764.081801888.274.793002196.004.5827020103.575.284002195.164.523601999.665.2002015.110.7401918.470.971002222.071.00902022.671.112002325.311.101802328.571.243002631.711.232702433.901.394002631.341.193602432.321.350510.330.010520.320.01100480.480.0190490.520.01200450.650.01180450.650.01300420.750.02270440.830.02400420.740.02360430.840.020220.870.040200.810.04100251.300.0590211.430.07200251.800.07180231.800.08300262.000.08270242.380.10400282.050.07360262.410.090270.310.010250.300.01100310.460.0290260.500.02200320.630.02180290.620.02300320.730.02270300.800.03400340.720.02360320.810.03

圖3 不同施氮處理番茄株果產量Fig.3 The fruits yield per plant of tomato under different nitrogen application rate

圖4 氮肥供應量與番茄株產量和邊際產量的關系Fig.4 Relationships between fruits weight and marginal yield and nitrogen application rate.

表5 番茄株產量與干物質、氮素積累因子的逐步回歸模型Table 5 Stepwise regression between fruits yield and dry matter, nitrogen accumulation factors of tomato

於麗華等研究發(fā)現(xiàn)，當季施的大多數(shù)氮都會殘留在土壤中，使土壤出現(xiàn)養(yǎng)分積累，在不施氮肥的條件下，作物能從土壤中帶走前期積累的氮素[28]。本研究條件下，兩年試驗的番茄株產量分別在300 kg·hm-2(2016年)和270 kg·hm-2(2017年)處理下比對照處理分別增產達54.30%和59.16%，結合氮肥對番茄株產量的效應分析，2016年和2017年設施秋冬茬番茄理論施氮量分別在 342.11 kg·hm-2和297.62 kg·hm-2，說明氮肥的積累效應可以適當減少其施用量而實現(xiàn)增產與穩(wěn)產，從而促進氮肥減施增效，減少過量氮肥對環(huán)境的污染，實現(xiàn)節(jié)本增效。