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第 38 卷 第 2 期 农 业 工 程 学 报 Vol 38 No 2 2022 年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2022 95 水肥耦合对基质栽培番茄产量及品质的影响 赵文举 1 马 锋 1 曹 伟 1 马芳芳 1 韩 丽 2 1 兰州理工大学能源与动力工程学院 兰州 730050 2 兰州新区现代农业科技开发有限责任公司 兰州 730300 摘 要 为有效提高农业废弃物的利用率 将堆肥 秸秆等农业废弃物和黏土等拌制成一种抗旱促根的基质 研究水肥 耦合效应对 爱吉 3041 供试基质栽培番茄的株高 茎粗 产量 品质 水分利用效率 Water Use Efficiency WUE 及肥料偏生产力 Partial Factor Productivity of Fertilizer PFP 的影响 以当地实际生产水肥施用量作为对照组 CK 设 置 9 组基质水肥耦合处理 3 组滴灌水量 W1 100 ET 0 ET 0 为参考作物蒸发蒸腾量 W2 80 ET 0 W3 60 ET 0 和 3 组施肥 N P 2 O 5 K 2 O 水平 F1 240 115 137 kg hm 2 F2 180 88 121 2 kg hm 2 F3 112 50 82 kg hm 2 共 10 组 耦合处理 建立番茄产量 WUE PFP 及果实综合品质的多目标优化模型 采用遗传算法多目标优化法寻找模型的 Pareto 最优解 结果表明 与 CK 相比 基质对番茄的株高 茎粗 根系发育 产量 品质 WUE 和 PFP 等影响显著 可有效 改善果蔬品质 W3F1 处理下番茄风味品质及产量最佳 利益比率值最小 基 于遗传算法多目标优化法表明基质栽培番 茄的最佳灌溉施肥处理为 W3F2 以期为农业废弃物高效利用及高品质果蔬的水肥科学管理提供理论依据 关键词 水分 秸秆 番茄 产量 品质 多目标寻优 基质栽培 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 02 011 中图分类号 S641 2 S275 6 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2022 02 0095 07 赵文举 马锋 曹伟 等 水肥耦合对基质栽培番茄产量及品质的影响 J 农业工程学报 2022 38 2 95 101 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 02 011 http www tcsae org Zhao Wenju Ma Feng Cao Wei et al Effects of water and fertilizer coupling on the yield and quality of tomatoes J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 2 95 101 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 02 011 http www tcsae org 0 引 言 中国农业废弃物产量巨大 每年产生畜禽粪便高达 38 亿 t 农作物秸秆约 9 亿 t 尾菜约 2 6 亿 t 1 农业废 弃物的处理不当及利用效率低会对农业生态系统和环境 造成破坏 农业面源污染更为突出 2 资源化利用农作物 秸秆和畜禽粪便等农业废弃物是世界面临的重大挑战 提出合理利用农业废弃物的方法 是实现农业废弃物的 可持续生产的重要途径 3 Shao 等 4 5 研究发现秸秆 有 机肥等农业废弃物增加了番茄产量和土壤总碳 有机碳 和碳氮比 增加土壤通气性 可作为番茄可持续生产的 肥料供应 Zhao 等 6 将农业废弃物堆肥 秸秆和黏土等 拌制成一种抗旱促根的基质栽培 具有节水保肥能力 可为植物提供良好的生长环境 是提高农业废弃物利用 率的可行途径之一 番茄是世界上种植最广 产量最高的农作物之一 其 水肥需求量大 不合理灌溉与过量施肥会导致栽培环境恶 化 7 8 因此 高效利用水肥对制定高产优质的番茄管理 制度和农业可持续发展至关重要 9 国内外学者对此问题 开展了大量研究 王振华等 10 研究得出合理施肥可显著提 高番茄产量 过量施肥会使产量降低 水分利用率及肥料 收稿日期 2021 12 03 修订日期 2022 01 05 基金项目 国家自然科学基金 51869010 甘肃省重点研发计划项目 20YF8ND141 作者简介 赵文举 教授 博士生导师 研究方向为寒旱区生态水利 Email wenjuzhao 偏生产力也显著下降 番茄产量与水肥施用量呈正相关 超过一定范围后呈负相关 番茄的产量逐渐变低 李建明 等 11 研究认为 水肥调控对番茄产量与水分利用率影响显 著 随灌溉施肥量的增加产量与水分利用率呈先上升后下 降的趋势 施肥量与灌溉量存在显著的正交互作用且施肥 量对产量和水分利用效率的影响大于灌溉量 合理的灌溉 施肥量 可有效提高番茄产量 水分利用效率和肥料偏生 产力 邢英英等 12 研究指出 番茄对氮 磷 钾的吸收效 率受灌溉量和施肥量显著影响 随施肥量增加氮素利用效 率降低 随灌溉量增加氮和磷素利用效率减小 少量多 次 的灌溉施肥模式可显著提高养分利用率 Wang 等 13 14 研究表明 灌溉量和施肥量及其交互作用对根系特性显著 影响 番茄产量 干物质产量和氮吸收量的影响随着根系 特性的变化而显著变化 目前关于水肥研究集中于灌溉方式及灌溉施肥制 度 大多通过农作物单一因素产量 品质或水分利用效 率等来寻求最佳处理 在合理解决农业废弃物的基础上 尤其通过基质栽培 水肥三因素耦合试验探究基质栽培 对番茄生长 产量 品质 水分利用率及肥料偏生产力 的影响规律研究较少 为此 本研究利用秸秆 有机肥 等农业废弃物和黏土按照比例压制成基质 探究基质栽 培番茄的最优水肥耦合方案 以番茄产量 水分利用效 率 Water Use Efficiency WUE 肥料偏生产力 Partial Factor Productivity of Fertilizer PFP 及果实风味品质为 目的 建立多目标优化模型 基于遗传算法多目标优化 模型得到基质栽培番茄的优化水肥处理 以期为农业废 农业工程学报 http www tcsae org 2022 年 96 弃物高效利用及番茄 高品质 生产的水肥一体化耦合 方案提供科学依据 1 材料与方法 1 1 试验区概况 试验区域位于兰州新区 属温带半干旱大陆性气候 年平均气温 6 9 年平均降水量为 300 350 mm 试验 于 2020 年 7 11 月在兰州新区农业现代示范园区 东经 103 42 北纬 36 32 内进行 供试番茄为 爱吉 3041 采用水肥一体化滴灌系统进行调控 将黄土 有机肥及 秸秆等农业废弃物拌制成基质 其基本理化性质为 pH 值为 6 2 电导率 EC 30 4 S cm 全氮 2 462 g kg 全 磷 3 264 g kg 全钾 1 622 g kg 1 2 试验设计 以灌溉量和施肥量为试验因素 参考作物蒸发蒸腾 量 ET 0 和施用 N P 2 O 5 K 2 O 肥料的用量不同 以当地 实际生产无基质水肥组合作为对照组 CK 基于不同基质 设置 9 组水肥耦合处理 3 个灌溉量 3 个施肥水平 试 验处理组描述见表 1 共 10 组处理 各处理 3 个重复 处理中的氮磷钾配比依托于其他学者 12 15 得出的研究结 果 采用凹槽覆膜种植模式 将番茄移栽至基质内 随 机排列 各小区种植 15 株 行距 50 cm 株距 35cm 依 据番茄的生育期进行阶段性划分 通过水肥一体系统分 6 次将 N 2 P 2 O 5 K 2 O 等肥施入 依次为定植 7 18 30d 第一穗果实膨大期 定植后 49 d 第二穗果实膨大期 定植后 56d 和第三穗果实膨大期 定植后 70 d 试 验布置图见图 1 表 1 试验处理描述 Table 1 Description of experimental processing 处理 Treatments 灌溉水平 Irrigation level 施 N P 2 O 5 K 2 O 肥量 N P 2 O 5 K 2 O fertilizer application rate kg hm 2 W1F1 100 ET 0 240 115 137 W1F2 100 ET 0 180 88 121 2 W1F3 100 ET 0 112 50 82 W2F1 80 ET 0 240 115 137 W2F2 80 ET 0 180 88 121 2 W2F3 80 ET 0 112 50 82 W3F1 60 ET 0 240 115 137 W3F2 60 ET 0 180 88 121 2 W3F3 60 ET 0 112 50 82 CK 80 ET 0 240 115 137 图 1 试验布置图 Fig 1 Test layout 1 3 测定内容及方法 1 3 1 作物生长测定 株高 茎粗分别用卷尺及游标卡尺测定每个试验区 内标记的 6 株代表性植株 根系测定 在番茄各个生育期末进行根系采集 不同水 肥处理随机选取 3 株代表性植株 采用挖掘法将番茄根系完 整取出 用清水清洗根系土壤 利用 Canon MF4320 4350 型扫描仪对根系进行扫描 利用 Win RHIZO Pro 根系分析软 件进行处理 得到番茄根系特性的各项参数 总根长 总根 表面积 总根体积 称其鲜质量 放入烘箱 105 杀青 30 min 然后 75 烘干至恒质量 测其干质量 1 3 2 产量测定 从果实成熟开始 每隔 3 4 d 采摘一次 每个小区 选 3 个重复组 每个重复随机标记 6 株代表性植株 收 获时分别测定各小区产量 1 3 3 水分利用率和肥料偏生产力计算 水分利用率 Water Use Efficiency WUE kg m 3 WUE Y ET 1 式中 Y 为番茄产量 kg hm 2 ET 为各个时期番茄的耗水 量 mm 肥料偏生产力 Partial Factor Productivity of Fertilizer PFP kg kg PFP Y F 2 式中 F 投入肥料总质量 kg hm 2 1 3 4 品质测定 在番茄果实成熟期时 采摘第一穗果实和第三穗果 实并分别进行品质测定 16 17 每个试验小区取 3 个重复 每组重复选取 5 颗成熟度一致的代表性番茄果实 将第 一穗果实和第三穗果实品质的平均值作为基质栽培番茄 的最终品质 用硬度计可测定硬度 采用 WAY 2S 型阿 贝折射仪测定溶性固形物 用蒽酮比色法测定可溶性总 糖 用酸碱滴定法测定有机酸含量 1 3 5 VIKOR 法综合评价 VIKOK 法是由 Opricovic 提出的一种多属性决策中 最佳化妥协解方法 采用了 Lp metric 发展而来的聚合函 数 据各备选方案的评估值与理想方案的接近程度来排 列方案之间的优先顺序 其最大特色就是最大化群体效 益和最小反对意见的个别遗憾 所以其妥协解可被决策 者接受 18 19 计算方法如下 1 归一化指标 V ij 2 1 ij ij m ij i a V a 3 式中 m 个评价对象 a ij 表示第 i 个处理的第 j 个处理 2 根据规范后的决策矩阵 计算各个指标的正理想 解 R 和负理想解 R 其中 R max i1 max i2 max ij 4 R min i1 min i2 min ij 5 3 计算各处理到正理想解和负理想解的距离比值 S i jij iij jj RV SW RR 6 第 2 期 赵文举等 水肥耦合对基质栽培番茄产量及品质的影响 97 max jij iij jj RV RW RR 7 式中 V ij 表示指标归一化后的结果 W ij 表示决策者对准则 相对重要性的权重 j R 和 j R 分别为 V ij 中每列的最大值 和最小值 4 计算利益比率 Q i 1 ii i s sRR Qv V s 8 式中 Q i 表示各处理的利益比率 Q i 值越小则表明方案越 优 V 为 大多数准则 策略的决策机制系数 S 值和 S 值分别是 S 值的最小值或最大值 1 3 6 多目标遗传算法 NSGA NSGA 算法是带有精英保留策略的快速非支配和 基于 Pareto 最优解的多目标优化算法 通过拥挤度来度 量系统元素分布的情况 从而选择出分布均匀 获得信 息最多的基因 具体分为 6 个步骤 种群初始化 非支 配排序 拥挤距离的计算 选择 交叉与变异和重组与 选择 20 1 4 数据处理 用 Microsoft Excel 2020 进行数据计算 利用 SPSS 16 0进行方差分析 用 DPS建立回归方程 采用 MATLAB 2020b 对回归方程进行多目标遗传算法 NSGA 寻优 用 Origin 2018 作图 2 结果与分析 2 1 水肥调控对基质栽培番茄株高和茎粗的影响 基质栽培番茄的株高及茎粗受不同的灌溉施肥量影 响显著 如图 2 所示 随着不同生育期的改变基质栽培 番茄株高 茎粗呈现不同幅度的增长 花期和果实膨大 期内 F1 条件下 番茄株高随灌溉量的增加先上升后下 降 相同灌溉施肥水平下 与 CK 相比番茄株高 茎粗分 别增加了 14 21 37 8 成熟期内 F1 F2 条件下 番茄茎粗随灌溉量的增大而先减小后增大 即施肥量达 到一定程度后 可促进作物株高茎粗 方差分析结果表 明 灌溉量和施肥量对番茄株高 茎粗均有显著性影响 且交互影响作用下对株高影响更为显著 而对茎粗无显 著性影响 如图 2 所示 成熟期内 在相同灌溉施肥条 件下 W2F1 比 CK 的株高上升了 16 3 茎粗上升了 24 2 以上分析表明 充足的灌水施肥量 有助于番茄 株高 茎粗的增长 基质栽培技术同样对番茄株高 茎 粗有促进作用 2 2 水肥调控对基质栽培番茄根系的影响 由表 2 可见 基质栽培番茄的根系特性 根质量 总根长 总根表面积 总根体积 受水肥调控呈现显著 影响 P 0 01 在相同灌溉条件下 施肥量增加 根质 量呈先增后减的趋势 F1 水平下 各灌溉处理根质量无 明显差异 F2 水平下 灌溉量减小 根质量降低较为显 著 下降 25 0 F3 水平下 W1 W2 产量相较于 W3 高出 9 55 总根体积随施肥量的增加呈下降趋势 在 W2 水平下 总根长随灌溉量的增长呈先增大后减小的 趋势 F2 F1 F3 F2 显著高于 F1 和 F3 a 株高 a Plant height b 茎粗 b Stem diameter o 注 W1 W2 和 W3 分别表示灌水量为 100 ET 0 80 ET 0 和 60 100 ET 0 F1 F2 和 F3 分别代表施 N P 2 O 5 K 2 O 量为 240 115 137 80 88 121 2 112 50 82 kg hm 2 不同小写字母表示在 0 05 水平下各处理间存在显著性 差异 Note W1 W2 and W3 represented the irrigation amount were 100 ET 0 80 ET 0 and 60 ET0 respectively F1 F2 and F3 represent the N P 2 O 5 K 2 O application rates of 240 115 137 80 88 121 2 112 50 82 kg hm 2 respectively the different lowercase letters show significant differences at 0 05 level in different treatments 图 2 水肥调控下基质栽培单株番茄株高及茎粗 Fig 2 Plant height and stem diameter of tomato per plant in substrate culture under water and fertilizer regulation 总根表面积和总根体积施肥量和灌溉量等单因素影 响十分显著 如表 2 所示 在 W1 W2 水平下 总根表 面积随施肥量的增加先增大后减小 W1F2 处理根质量 346 9 kg hm 2 和总根表面积 215 8 cm 2 最大 W2F2 处理总根长 896 4 cm 最大 W1F1 处理总根体积 20 3 cm 3 最大 相同水肥处理下 W2F1 与 CK 相 比根质量 总根长 总根表面积分别上升了 36 0 6 27 3 94 结果表明在施肥量为 F2 灌溉量在 W1 W2 时 基质栽培处理对番茄根系发育影响最大 2 3 水肥调控作对基质栽培番茄品质的影响 水肥调控对基质栽培番茄可溶性固形物 可溶性糖 可滴定酸和糖酸比的影响显著 如表 3 所示 在相同的灌 溉量下 F1 与 F3 之间的可溶性固体物差异显著 施肥量对 可溶性糖 可滴定酸和糖酸比则无显著影响 在相同的施 肥条件下 随着灌溉量的增加 可溶性固形物和可溶性糖 农业工程学报 http www tcsae org 2022 年 98 F2 除外 呈下降的趋势 可滴定酸 F2 除外 呈先上升 后下降的趋势 糖酸比在 W1和 W3之间差异显著 P 0 05 F2 水平下 W1 水平与 W2 水平相比 可溶性糖和可滴定 酸分别下降了 6 54 8 62 总体看来 W3F2 处理可溶 性糖 6 03 可滴定酸 0 67 含量最大 W3F1 可溶 性固形物含量最大 12 78 相同水肥处理下 基质栽 培处理 W2F1 较没有基质栽培处理 CK 可溶性固形物 可 溶性糖及可滴定酸分别上升了 14 3 12 5 18 2 表 2 不同水肥调控处理番茄整根特征参数 Table 2 Characteristic parameters of tomato whole root under different water and fertilizer treatments 灌溉水平 Irrigation level 施肥水平 Fertilizer level 根质量 Root weight kg hm 2 总根长 Total root length cm 总根表面积 Total root surface area cm 2 总根体积 Total root volume cm 3 产量 Yield t hm 2 F1 274 3b 846 9ab 191 6b 20 3a 25 8a F2 346 9a 781 6bc 215 8a 19 4b 23 2b W1 F3 219 5c 711 3cdef 176 4bcde 16 7b 17 2def F1 253 5b 732 6cde 179 2bcd 14 9cde 20 3b F2 332 2a 896 4a 189 4bc 16 3bc 18 7cd W2 F3 190 3c 701 7def 170 6de 13 7ef 17 2def F1 201 5cd 747 9cd 192 4b 16bc 17 5de F2 180 4d 743 1cde 175 3bcde 15 1bcde 16 0def W3 F3 196 5cd 693 5def 162 2de 14 4def 15 7ef CK 186 4d 689 4de 172 4cde 16 5b 15 4e 显著性检验 P 值 P value of significance test 灌溉水平 Irrigation 0 0 003 0 002 0 0 施肥水平 Fertilization 0 032 0 014 0 007 0 007 0 031 灌溉水平 施肥水平 Irrigation Fertilization 0 0 0 0 29 0 0 05 注 不同小写字表示在同列数据中 0 05 水平下存在显著性差异 下同 Note Different lowercase letters indicate significant differences at 0 05 level in the same column The following is the same 表 3 不同水肥调控对番茄可溶性固形物 可溶性糖 可滴定 酸及糖酸比的影响 Table 3 Effects of different water and fertilizer regulation on soluble solids soluble sugar titratable acid and sugar acid ratio of tomato 灌溉水平 Irrigation level 施肥水平 Fertilizer level 可溶性固形物 Dissolved solid 可溶性糖 Soluble sugar 可滴定酸 Titratable acid 糖酸比 Sugaracid ratio F1 12 61ab 4 98bc 0 62abc 8 14c F2 12 43bcd 5 05bc 0 63abc 8 08c W1 F3 12 12e 4 49e 0 56bc 8 08c F1 12 69ab 5 30b 0 65ab 8 24c F2 12 51abc 4 74cd 0 58abc 8 28c W2 F3 12 19de 5 38b 0 67a 8 11c F1 12 78a 5 32b 0 59abc 9 02ab F2 12 59ab 6 03a 0 67a 9 06ab W3 F3 12 28cde 5 85a 0 61abc 9 63a CK 11 1f 4 71cd 0 55c 8 68bc 2 4 基于 VIKOR 法评价基质栽培番茄品质及产量 利用 VIKOR法将基质栽培番茄果实品质和产量进行 归一化处理 得到各处理的品质及产量的利益比率 Q i 值 如表 4 所示 各处理的利益比率 Q i 值越小 说明该处理 综合品质及产量越好 相同灌溉水平下 增加施肥量 Q i 值呈减小的趋势 相同施肥条件下 增加随灌溉量 Q i 值 呈下降的趋势 在 F3 水平下 随着灌溉量的增加 Q i 值呈 增加的趋势 相同水肥处理下 W2F1 处理的 Q i 值为 0 359 CK 处 Q i 值最大 水肥调控为 W3F1 处理组 Q i 值 最低为 0 147 W3F2 0 357 次之 不同的灌溉量下 W1 的利益比率 Q i 值均大于 W3 过高的灌水量 会使得 基质栽培番茄品质降低 表 4 基于 VIKOR 法的各处理番茄品质 产量评价及利益比率 Q i 排序 Table 4 Evaluation of tomato quality yield and interest ratio Q i ranking based on VIKOR method 处理 Treatments 可溶性 固形物 Dissolved solid 可溶 性糖 Soluble sugar 可滴 定酸 Titratable acid 糖酸比 Sugaracid ratio 产量 Yield t hm 2 S R Q i Q i 排序 Sort of Q i W1F1 0 323 0 302 0 319 0 301 0 430 0 432 0 192 0 525 6 W1F2 0 319 0 307 0 324 0 299 0 386 0 486 0 200 0 665 8 W1F3 0 311 0 273 0 288 0 299 0 287 0 827 0 200 0 945 9 W2F1 0 325 0 322 0 335 0 305 0 338 0 424 0 179 0 359 3 W2F2 0 321 0 288 0 299 0 306 0 312 0 660 0 174 0 489 4 W2F3 0 312 0 327 0 345 0 300 0 287 0 516 0 196 0 642 7 W3F1 0 328 0 323 0 304 0 334 0 292 0 464 0 160 0 147 1 W3F2 0 323 0 366 0 345 0 335 0 267 0 285 0 189 0 357 2 W3F3 0 315 0 355 0 314 0 356 0 262 0 377 0 194 0 505 5 CK 0 284 0 286 0 283 0 321 0 257 0 894 0 200 1 000 10 R 0 328 0 366 0 345 0 356 0 43 R 0 284 0 273 0 283 0 299 0 257 注 R R 分别为正理想解和负理想解 S 表示各处理与正理想解比值之和 R 表示各处理与正理想解比值的最大值 Note R and R are divided into positive ideal solution and negative ideal solution S represents the sum of the distance ratio of positive ideal solution to positive ideal solution and R represents the maximum distance ratio of positive ideal solution to positive ideal solution 2 5 水肥调控与产量 水分利用率 糖酸比和肥料偏生 产力的关系 以水肥使用量为自变量 产量 水分利用率 糖酸 比和肥料偏生产力为因变量 进行回归分析 表明水肥 使用量对各因素的影响均达到显著 P 0 05 决定系数 均在 0 94 以上 回归关系显著 根据上述方程建立多目标优化问题模型 设定灌溉 量的上下限分别为 W1 W3 处理 施肥量的上下限为分 别为 F1 F3 处理 利用 MATLAB 2020b 进行 GSNA 第 2 期 赵文举等 水肥耦合对基质栽培番茄产量及品质的影响 99 算法得到该模型的 pareto 解 界定种群数目大小为 100 突变强度为 0 002 交叉概率为 0 7 突变概率为 0 1 最 大遗传代数取 600 得到 pareto 解 最优产量为 25 85 t hm 2 最优水分利用效率为 13 77 最优糖酸比 为 9 51 取得最优 pareto 解的最佳灌溉施肥处理为 W3F2 表 5 水肥调控与产量 水分利用率 糖酸比和肥料偏生产力 之间的回归关系 Table 5 Regression relationship between water and fertilizer regulation and yield water use efficiency sugar acid ratio and partial fertilizer productivity 因变量 Response variable 回归方程 Regression equation R 2 P 产量 Yield Y 1 30 04 0 156 F 0 04W 0 000 3F 2 0 003 FW 0 972 0 015 水分利用效率 Water use efficiency Y 2 32 047 0 202 F 0 018W 0 000 4F 2 0 001FW 0 969 0 017 糖酸比 Sugar acid ratio Y 3 20 545 9 0 115 1F 0 008 7W 0 000 3F 2 0 942 0 022 肥料偏生产力 Partial factor productivity of fertilizer Y 4 240 342 9 1 993 F 0 074 W 0 005 F 2 0 000 5FW 0 000 04W 2 0 986 0 005 注 W F 分别为灌溉量 施肥量 Note W and F are irrigation amount and fertilization amount respectively 3 讨 论 合理调控水肥用量是促进作物生长及根系发育的主 要因素 李振华等 10 21 研究发现灌溉量和施肥量对番茄株 高影响极显著 适宜的水肥调控通过渗透调节和抗氧化 能力 从而促进叶面积的增加 根系生长发育并增强作 物对水分和养分的吸收 利于番茄生长 过多的灌溉量 和施肥量不利于番茄生长发育 本研究也得到相似的结 论 适宜的水肥用量可以保证作物根系的发育环境 提 高作物产量 Chen 等 22 23 研究发现不同的灌溉量和施肥 量会引起根系吸收效率的差异 影响作物根系发育 根 系与土壤的接触面积 进而影响番茄产量 本研究结果 表明 中等施肥水平 灌溉量在 W1 W2 时 基质栽培 处理对番茄根系发育影响最大 这与 Mahajan 等 24 得到 中等灌溉水平下 施加高肥可促进根系生长 提高番茄 产量的研究结果相同 Hu 等 25 研究发现灌溉量可以改善 根系生长包括根系干重和根系长度密度 从而提高了水 和氮的利用效率 另外 施肥量可以促进作物根系生长 和冠层发育 使作物吸收利用较多的土壤水分 提高水 分利用效率 26 27 番茄风味品质及产量是直接反映经济效益的指标 运用算法对果实风味品质进行综合性的科学评价 Kumar 等 28 使用 VIOKR 法以多准则排序指标给出理想解 为特 定区域选择最佳的可再生能源替代方案 王振华等 10 研 究发现 低水处理下施肥量施氮 250 kg hm 2 可获得最佳 番茄品质 在本研究通过 VIKOR 法对基质栽培番茄风味 品质及产量指标进行评价 得到了低水高肥 W3F1 的 Q 值最低 低中施肥 W2F2 次之 与李振华等 10 29 的 结果略有不同 这可能是由于基质栽培具有保水节肥的优 势 改善了番茄根系环境 对果实品质有一定的提升作用 科学水肥调控就是达到水肥最优时 实现高品质农 业生产 宋健等 30 基于 AquaCrop 构建了作物生长模型 运用多目标遗传算法 NSGA 并利用功效系数法 对优化结果进行决策 为非充分灌溉的干旱区条件下制 定合理灌溉制度 屈锋等 31 运用了遗传算法对作物产量 品质进行寻优 验证了遗传算法解决作物水肥处理的可 靠性和优越性 番茄产量 品质和肥料偏生产力等指标 受多种因素影响 因此 本研究结合多元回归分析方法 和遗传算法多目标优化法 建立灌溉和施肥管理方式对 产量 品质 水分利用率和肥料偏生产力回归模型 并 利用 GSNA 算法进行多目标寻优 得到最优灌溉和施 肥处理 W3F2 基质栽培技术既能节水省肥 增产提质 又可提高 农业废弃物资源高效利用 为解决农业面源污染 助力 农业生产绿色化 推进作物生产工厂化和降低碳排放提 供有效途径 未来利用西北地区丰富的土地资源 大力 发展光伏 基质栽培农业 将设施农业转变为自然农业 使传统农业焕发出新的生命力 4 结 论 1 各生育期内 番茄茎粗 株高受灌溉施肥量影响 显著 增加施肥量 提高番茄株高茎粗 但不利于番茄 根系生长 成熟期内 相同水肥处理下 与 CK 相比 基 质栽培处理提高了番茄株高茎粗 上升了 16 3 24 2 促进了根系发育状况 根质量 根长 根表面积分别增 加了 36 0 6 27 3 94 根系发育状况良好 为农 业废弃物高效利用提供科学参考 2 运用 VIKOR 法对基质栽培番茄风味品质综合评 价的基础上 以水肥使用量为自变量 结合产量 水分 利用效率和肥料偏生产力建立了多元回归模型 利用多 目标遗传算法 GSNA 对模型进行寻优 得到了最 佳的灌溉量和施肥量管理耦合处理为灌溉量 60 ET 0 施 N P 2 O 5 K 2 O 肥量 180 88 121 2kg hm 2 最优产量为 25 85 t hm 2 最优水分利用效率为 13 77 最优糖酸比 为 9 51 利益比率为 0 357 为番茄 高品质 生产提供 依据 参 考 文 献 1 沈玉君 李冉 孟海波 等 国内外堆肥标准分析及其对 中国的借鉴启示 J 农业工程学报 2019 35 12 265 271 Shen Yujun Li Ran Meng Haibo et al Analysis of composting standards at home and abroad and its enlightenment to China J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2019 35 12 265 271 in Chinese with English abstract 2 展晓莹 张爱平 张晴雯 农业绿色高质量发展期面源污 染治理的思考与实践 J 农业工程学报 2020 36 20 1 7 Zhan Xiaoying Zhang Aiping Zhang Qingwen Controlling agricultural non 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