水氮耦合对日光温室番茄干物质生产与分配的影响

华北农学报2018，33( 2) : 215-223收稿日期:2017 11 10基金项目:国家自然科学基金重点项目(61233006);山西省煤基重点科技攻关项目( FT201402-05)作者简介:张延平(1991 )，女，河北邯郸人，在读硕士，主要从事蔬菜栽培生理研究。通讯作者:李亚灵(1962 )，女，山西灵石人，教授，博士，博士生导师，主要从事蔬菜栽培生理研究。水氮耦合对日光温室番茄干物质生产与分配的影响张延平，温祥珍，李亚灵，刘 裕，杜莉雯，杨彤雯，赵 敏(山西农业大学 园艺学院，山西太谷 030801)摘要:为了解番茄作物干物质生产和分配规律，并且能通过合理的氮肥施用和灌溉，最大限度地提高作物果实干物质生产和水氮利用效率，以番茄品种红尊贵为材料，研究了氮素和水分耦合的效果。试验将幼苗定植在营养钵(30 cm 28 cm，基质为苔藓泥炭)中，定期浇灌相应的营养液，每个处理种植40 株，重复4 次，共960 株，种植在115 m2的生长室内。试验从2017年4月17日8月3日共进行了109 d，期间每隔10 d取样一次，测定植株的生长状况。结果表明，高氮水平下( N2)植株干物质的生产速率、植株总干物质量和果实干物质量比低氮( N1) 植株分别增加了 21. 15%，2657%，3554%，果实干物质量占植株总干物质量的比例提高了4%，N1 水平下往根系分配的干物质更多。累积施氮量每增加1 g，N2水平下植株增加的干物质分配到果实中的比例比N1增加约824%;灌水量增加，植株生长更好，高水、中水( W3、W2)比低水( W1)植株总干物质增加了23 55%，13 29%，果实干物质分别增加了1975%，16 28%。累积灌水量每增加1 L，植株增加的干物质大约有66% 70%分配到果实中。水氮耦合后高氮高水的N2W3 处理下单株干物质生产最高，与低氮低水的N1W1处理相比，单株总干物质量增加了5724%，单株果实干物质量增加了6158%。在同一氮素水平下，灌水量多氮肥的利用效率高，特别在高氮水平下，N2W3的氮肥利用效率比N2W1增加2858%。在同一水分水平下，施氮量多水分利用效率高，特别是高水处理下，N2W3 的水分利用效率比N1W3 增加33 97%。结论认为，在高氮水平下增加灌水量，或者在高水处理条件下增施氮肥，番茄的干物质生产速率、植株总干物质、果实干物质以及氮素利用效率均增加，水肥在物质生产上具有相互促进作用，在实际生产中，高氮高水组合( N2W3)为最佳选择。关键词:番茄;干物质生产;水氮耦合;氮利用效率;水分利用效率中图分类号:S6265 文献标识码:A 文章编号:1000 7091(2018)02 0215 09doi:107668/hbnxb201802030Effects of Water and Nitrogen Coupling on Dry MatterProduction and Allocation of Tomato in a Solar GreenhouseZHANG Yanping，WEN Xiangzhen，LI Yaling，LIU Yu，DU Liwen，YANG Tongwen，ZHAO Min( College of Horticulture，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China)Abstract:To understand the regulation of crop dry matter production and allocation，and to improve crop drymatter production and water，nitrogen use efficiency by applying the reasonable amount of nitrogen fertilizer and wa-ter irrigation，the pot experiment of nitrogen and water coupling was conducted and tomato cultivar Hongzungui wasselected as the material The 4 leaves seedlings were planted in the nutrition bowls ( Model 30 cm 28 cm，withmoss peat as media) for 6 treatments (2 nitrogen level and 3 irrigation level)，each with 40 pots and replicated 4times for total of 960 plants The experiment was from Apr17 to Aug3，2017 for 109 days Plants samples weretaken every 10 days to measuring the growth status The results showed，compared with the treatment of low nitro-gen ( N1)，it was increased by 2115%，2657% and 3554% of growth rate，plant total dry matter and fruit drymatter under high nitrogen level ( N2)，respectively，and the proportion of fruit dry matter within plant dry matterwas increased by 4% Under the N1 level，more dry matter was distributed to the root section Compared with N1，the proportion of increased dry matter allocated to the fruit in N2 was increased by about 824% with each 1 g in-creased of cumulative nitrogen application The more irrigation，the better for plants grew in this experiment Com-pared with low water level ( W1)，the total dry matter was increased by 2355% and 1329%，fruit dry matter by216 华 北 农 学 报 33 卷1975% and 16 28% in high and medium water irrigation level ( W3，W2)，respectively There were about66% 70% of increased plant dry matter production allocated to the fruit with additional 1 L irrigation amountPlant achieved the highest dry matter accumulation under the treatment N2W3 Compared with N1W1，the total drymatter of per plant and the dry matter of fruit per plant were increased by 5724% and 6158% with N2W3 Un-der the same nitrogen level，the higher the irrigation water，the higher the nitrogen use efficiency was，especially athigh nitrogen level Nitrogen use efficiency in N2W3 increased by 28 58% compared with that of N2W1 Underthe same water level，the higher nitrogen application，the higher the water use efficiency was，especially under highwater treatment The water use efficiency of N2W3 was increased by 3397% compared with that of N1W3 It wasconcluded that once the irrigation water was increased at high nitrogen level，or the nitrogen level was increased athigh water irrigation，the production rate，the total plant dry matter and the fruit dry matter were increased The in-teraction of water irrigation and nitrogen application were promoted each other，and the treatment of N2W3 was sug-gested the best choice in this research rangeKey words:Tomato;Dry matter production;Water and nitrogen coupling;Nitrogen use efficiency;Water use efficiency水资源紧缺和肥料利用效率低是制约作物产量和农业发展的重要因素1。探讨新的节水灌溉技术、提高农业生产中的水分利用效率，是当前农业发展中的首要问题2。通常认为，N素是获得作物高产必不可少的因素3，并且氮肥水平影响作物干物质的积累和分配4，由于土壤有机质的矿化和土壤硝态氮可变的淋溶和反硝化作用，在土壤和品种间的最佳施氮量有很大的不同5，了解作物干物质分配规律、应用正确的施N量、最大限度地提高作物果实干物质分配比例，氮利用效率同样应得到重视。番茄在种植中，具有需水量大，根系发达，吸水能力强等特点6。在供水充足的条件下，给予足够的施氮量，番茄的产量可大幅提升7。但过量的水氮对环境有一定的副作用8，目前，在生产中没有明确的灌溉施肥标准可用来权衡。因此，了解生产中番茄干物质积累与分配，不仅保证了番茄产量，还做到了节水与环保。目前，国内外关于水氮耦合的研究多是在土壤栽培条件下对番茄生长、干物质生产、水肥利用效率等方面的探讨9 11，而对于不同累积施氮、灌水量对番茄干物质生产以及物质分配上缺乏量化研究。基质栽培能够充分发挥作物增产的潜力12，还具有避免土传病害、减轻连作障碍，成本低、易于标准化管理和产品品质好等优点13。本试验旨在探索基质栽培条件下水氮耦合对番茄干物质积累与分配的影响，以更好地指导生产实践。1 材料和方法11 试验材料供试番茄红尊贵品种，是由国外引进的杂交一代新品种(产自西安华番农业发展有限公司)。其属于无限生长型早熟品种，高抗叶霉病、枯萎病、青枯病以及早晚疫病;果型大而周正，红色，肉厚韧性高，极耐长途运输。12 试验地概况试验于2017年4月17 日8 月3 日(共109 d)在山西省太谷县(北纬3725'，东经11225')山西农业大学设施农业工程中心进行，用阳光板搭建了长120 m、宽115 m的生长室(其中，生长室北侧留有1m作为过道以及小区之间留有05 m的过道，实际种植面积115 m2)，生长室顶高2 5 m、墙高2 m，生长室两侧墙体与棚顶之间有大约0 5 m 的通风口，因温度太高，于5 月21 日起用50%的遮阳网进行遮阳。整个生长期，生长室内全天平均温度为26 ，相对湿度为40%(由 HOBO( H08-004 和007 系列，产自美国Onset公司)测定，每10 min记录一次)。13 试验方法试验设置 2 个氮素水平:即低氮( 记作 N1):005 g/(次株)、高氮(记作N2):0 2 g/(次株)，每个氮素水平下设置3 个水分处理:即每次精确灌水分别为低水( W1): 600 mL/株、中水( W2): 750mL/株、高水( W3): 900 mL/株(苗期 W1、W2、W3用量分别为400，500，600 mL/株)，共6 个处理，每个处理种植40 株番茄幼苗，重复4 次(其中1 次重复为计产区)，共计960 株，随机区组排列。试验于4月17日定植，将生长一致的4片叶的幼苗定植在放有防漏袋的黑色营养钵中(30 cm 28 cm)，营养钵中有75 L的苔藓泥炭(产自德国福洛伽公司)基质。由于试验期间要进行定期毁株采样，定植时栽培密度为83株/m2，试验结束时栽培密度为37株/m2，整个试验阶段，栽培密度平均为60株/m2。从定植开始定期浇灌相应浓度的营养液(表1)。全生长期N1、N2总施氮2 期 张延平等: 水氮耦合对日光温室番茄干物质生产与分配的影响 217量分别为155，620 g/株(图1-A)，W1、W2和W3总灌 水量分别为266，325，384 L/株(图1-B)。表1 试验期间浇灌营养液的配方Tab1 The formula of nutrient solution for irrigation during the experiment period mg/(次株)处理 TreatmentCa( NO3)2KNO3NH4NO3KH2PO4MgSO47H2O EC/( mS/cm)N1 177 202 2857 4556 123 108 126N2 177 202 431429 4556 123 155 192注:表中EC值表示电导率值，由便携式电导率仪( HI8733)在给植株浇灌营养液之前进行测定。Note:The EC value indicates the conductivity value，it measured by a portable conductivity meter (HI8733) before watering the nutrient solution to the plant图1 试验期间不同处理累积施氮量和累积灌水量Fig1 Accumulation of nitrogen applied and irrigation water under different treatments during the experiment period14 测定项目及方法定植后，每10 d(最后2次采样间隔时间为15 d)每个处理选取3株长势一致的植株，6个处理3次重复共54株，将植株从营养钵中连同基质和完整的根系取出，用水冲洗干净，并将植株分解，分别测定根、茎、叶、果的鲜物质量;再将它们在105 下杀青20 min，然后在80 下烘干至恒质量，称其干物质量。15 数据分析采用Excel 2003 和SAS软件对数据进行分析。2 结果与分析21 水氮耦合对番茄单株总干物质量与果实干物质量的影响为了研究水氮耦合对番茄植株总干物质量和果实干物质量的影响，以定植后生长天数为横坐标，各个处理单株总干物质量和果实干物质量为纵坐标作折线(图2);添加趋势线得出单株总干物质量和果实干物质量与生长天数之间的生长函数式，其结果列于表2。由图2 和表2 可知，同一氮素水平下，灌水量越大，单株总干物质量生长速率就越大，单株总干物质量、单株果实干物质量以及氮利用效率就越高。同一水分处理下，高氮水平下单株总干物质量生长速率、单株果实干物质量生长速率、单株总干物质量、单株果实干物质量及水分利用效率均高于低氮植株。从氮素利用效率来看，N1 和 N2 水平的氮素利用效率分别为5528 6486 g/g，1690 2173 g/g，N1W3 和N1W2 处理的氮素利用效率较高，显著高于N1W1、N2W1、N2W2、N2W3 处理;在同一氮素水平下，氮素的利用效率随着灌水量的增加而增加，如在 N1 水平下，W2 和 W3 处理氮素利用效率比W1 处理分别增加了13 22%和17 32%，在 N2 水平下，W2 和 W3 处理的氮素利用效率分别增加了1343%和2858%，因此，高氮( N2)水平下，增加灌水量更有利于提高氮的利用效率。水分利用效率为262 394 g/kg，其中，N2W1的每一个点代表9个数值的平均值(每个处理选3株，3次重复)。Each point in Figure represents the average of nine values(3 plants for each treatment，3 replicates)图2 水氮耦合对植株总干物质量和果实干物质量的影响Fig2 Effects of water and nitrogen coupling on totaldry matter of plant and dry matter of fruit218 华 北 农 学 报 33 卷水分利用效率最高，显著高于N1W1、N1W2、N1W3 和N2W3，比N1W1增加了2236%。同一水分处理下，N2水平的水分利用效率显著高于N1水平，且N2水平下低水、中水和高水处理下水的利用效率分别比N1增加了2236%，2282%和3397%，因此，高水处理下，增施氮肥更有利于提高水分利用效率。从单株总干物质量和单株果实干物质量的生长量函数式可知(表2)，各处理的单株总干物质量和单株果实干物质量的生长速率分别为 0 96 143 g/d和068 1 08 g/d，按照试验期间的平均密度6 株/m2计算，换算成单位面积的生长速率平均为5 76 8 58 g/( m2d)，并且 N2W3 植株干物质量的生长速率比 N1W1 增加了48 96%，最终单株总干物质量和果实干物质量分别为 85 68 13472 g和45 21 73 05 g，即植株总干物质量为5 141 8 083 kg/hm2，其中，N2W3 处理效果最好，植株总干物质量和植株果实干物质量分别为13472g/株(808 32 g/m2)和73 05 g/株( 438 30 g/m2)，比N1W1 的单株总干物质量和单株果实干物质量分别增加了5724%和61 58%，N2W2 也比N1W1 分别增加了3873%和5381%，各处理最终果实干物质量占植株总干物质量的比例为 51 59% 5851%，其中，N2W2 所占比例( 58 51%) 最大，比N1W1(5277%)增加了574%。表2 水氮耦合对单株总干物质量、果实干物质量、氮利用效率和水分利用效率的影响Tab2 Effects of water and nitrogen coupling on total dry matter of plant，dry matter of fruit，nitrogen use efficiency，and water use efficiency处理Treatment单株总干物质量生长量函数式Growth of total drymatter per plant单株果实干物质量生长量的函数式Growth of fruit drymatter per plant单株总干物质量/gTotal dry matterper plant单株果实干物质量/gDry matter offruit per plant氮利用效率/( g/g)Nitrogen useefficiency水分利用效率/( g/kg)Water useefficiencyN1 W1 YP=0956 5X 13365( R2=0984 6) YF=0679X 24923( R2=0973 5) 8568d 4521c 5528b 322cdW2 YP=1061 2X 14915( R2=0987 5) YF=0783 9X 2879( R2=0971 6) 9687c 5174bc 6250a 298dW3 YP=1116 2X 14824( R2=0982 1) YF=0770 8X 26946( R2=0952 2) 10054c 5187bc 6486a 262eN2 W1 YP=1092 1X 18248( R2=0987 5) YF=0838 4X 33943( R2=0992 1) 10473c 5910b 1690d 394aW2 YP=12714X 20588( R2=0989 0) YF=1011 3X 39862( R2=0996 7) 11886b 6954a 1917cd 366abW3 YP=1432 8X 2415( R2=0987 0) YF=1078 7X 41803( R2=0994 0) 13472a 7305a 2173c 351bc注:YP代表单株植株总干物质量，YF代表单株果实干物质量，X代表定植后天数，X 前面的系数代表生长速率，氮利用效率 =单株植株总干物质量( g) /单株施氮量( g)，水分利用效率=单株植株总干物质量( g) /单株总灌水量( kg);小写字母表示差异显著( P 0 05)，大写字母表示差异极显著( P 001)。表3 5 同。Note:YPrepresents the total dry matter of per plant，YFrepresents the dry matter of fruit per plant，X indicates days after transplanting，the coefficient infront of X represents the growth rate Nitrogen use efficiency = total dry matter per plant( g) /nitrogen per plant ( g)，water use efficiency = total dry mat-ter per plant ( g) /total water per plant ( kg) Lowercase letters indicate significant differences ( P 005)，capital letters indicate significant differences( P 001) The same as Tab3 5为了更明确地了解单株果实干物质生产与植株总干物质生产之间的关系，将单株植株总干物质量作为横坐标，相应的果实干物质量作为纵坐标，在Excel中作散点图，添加趋势线(图3)，获得二者的线性关系为:YF= 0693 9XP16033( R2=0984 6)。由图3可知，单株果实干物质量和单株植株总干物质量之间有很强的线性关系，坐果后，植株总干物质量每增加1 g，果实干物质量约增加069 g，即植株大约有6934%的干物质被分配到果实中，并且单株植株总干物质量达到2311 g以上，植株开始坐果。为了进一步研究氮素、水分对番茄植株总干物质量和果实干物质量的影响，将同一氮素(或同一水分处理)的植株合并分析，以定植后生长天数为横坐标，单株总干物质量和果实干物质量为纵坐标作折线图(图4)，添加趋势线得到单株总干物质量和果实干物质量与生长天数之间的生长函数式，列于表3。图中共有126 个点，每一个点代表3 个数值的平均值，YF代表单株果实干物质量，XP代表植株总干物质量。A total of 126 points in the figure，each point represents the average ofthree values，YFrepresents dry matter of fruit per plant，and XPrepresentsthe total dry matter per plant图3 果实干物质量与植株总干物质量之间的关系Fig3 Relationship between the fruit drymatter and the plant dry matter2 期 张延平等: 水氮耦合对日光温室番茄干物质生产与分配的影响 219由图4-A可知，60 d 之内不同氮素水平对植株的总干物质量影响不大，60 d 以后差异出现，并逐渐变大。由表3 生长量的函数式可知，单株总干物质量YPN1和YPN2的生长速率大约是1 04，1 26 g/d，N2 比 N1 高21 15%，试验结束时，N2 的单株植株总干物质量(11944 g)比N1(9437 g)高2657%，且差异极显著。就果实的生长来看，定植后约40 d开始有果实出现，前期果实生长差异不大，60 d 后差异逐渐变大，由表3 生长量的函数式可知，单株果实YFN1和YFN2的生长速率分别为074，098 g/d，N2比N1 高31%，N2 的最终果实干物质量( 67 23 g)比N1(4960 g)高3554%，差异显著。由图4-B可知，前40 d单株总干物质量差异不大，40 d以后差异逐渐变大。由表3 生长量的函数式可知，单株植株总干物质量生长速率随着灌水量的增加而增大，YPW2( 1 17 g/d) 和 YPW3( 1 27 g/d)的生长速率分别比 YPW1( 1 02 g/d) 高 14 71%和2451%，试验结束时，W1、W2、W3 单株植株总干物质量分别为95 20，107 87，117 63 g，W2、W3 分别比W1 高13 29%和23 55%。从开始结果( 40 d)到试验结束，果实干物质量大小一直保持 YFW3YFW2 YFW1。果实干物质量生长速率也随着灌水量的增加而增大，YFW1、YFW2、YFW3分别为 0 76，0 90，092 g/d，YFW2、YFW3分别比YFW1高1842%和2105%;图4-A中每一个点代表同一氮素水平下3个水分处理的均值(每个处理选3株，3次重复，共计27个数据的均值);N1和N2干物质量计算方法分别为:(N1W1 +N1W2 +N1W3) /3、(N2W1 +N2W2 +N2W3) /3;图4-B中每一个点代表同一水分处理下2个氮素水平的平均值(每个处理选3株，3次重复，共18个数据的均值)，W1、W2、W3干物质量计算方法分别为:(N1W1 +N2W1) /2、(N1W2 +N2W2) /2、(N1W3 +N2W3) /2。图5 6同。Each point in Fig4-A represents the average of the three water treatments at the same nitrogen level (3 plant for each treatment，3 replicates for a total of27 data)，and the N1 and N2 dry matter are calculated as:( N1W1 + N1W2 + N1W3) /3，( N2W1 + N2W2 + N2W3) /3;Each point in Fig4-B re-presents the average of two nitrogen levels under the same water treatment (3 plant for each treatment，3 replicates for a total of 18 data) The calculationmethods of W1，W2 and W3 dry matter are :( N1W1 + N2W1) /2，( N1W2 + N2W2) /2，( N1W3 + N2W3) /2 The same as Fig5 6图4 氮素水平和水分处理与植株总干物质量和果实干物质量的关系Fig4 The relationship between of nitrogen level and water treatment on total dry matter of plant and dry matter of fruit表3 氮素水平和水分处理与单株植株总干物质量和果实干物质量的关系Tab3 The relationship between of nitrogen level and water treatment on total dry matter of plant and dry matter of fruit处理Treatment单株总干物质量生长量函数式Function formulaof the growth oftotal dry matter per plant单株果实干物质量生长量的函数Function formula ofthe growth of fruitdry matter per plant单株总干物质量/gTotal dry matterper plant单株果实干物质量/gDry matter offruit per plant氮素水平NitrogenN1YPN1=1044 6X 14368( R2=0986 2)YFN1=0744 6X 26886( R2=0970 9)9437Bb 4960Ablevel N2YPN2=1263 9X 2102( R2=0988 0)YFN2=0976 1X 38536( R2=0997 8)11944Aa 6723Aa水分处理WaterW1YPW1=1024 3X 15807( R2=0990 3)YFW1=0758 7X 29433( R2=0993 2)9520Bc 5215Aatreatment W2YPW2=1166 3X 17752( R2=0989 9)YFW2=0897 6X 34326( R2=0991 2)10787Ab 6064AaW3YPW3=1272 2X 19523( R2=0987 6)YFW3=0924 8X 34375( R2=0982 2)11763Aa 6246Aa注:X表示定植后的生长天数，X前面的系数代表生长速率。Note:X indicates days after planting，the coefficient in front of X represents the growth rate220 华 北 农 学 报 33 卷试验结束时，W2(6064 g)、W3(62 46 g)果实干物质量比W1(5215 g)分别高1628%和1975%。22 灌水量和施氮量对单株植株总干物质量和果实干物质量的影响为了研究施氮量和灌水量对单株植株总干物质量和果实干物质量的影响，分别以累积施氮量和累积灌水量为横坐标，单株植株总干物质量和果实干物质量为纵坐标，在Excel 中作散点图(图5)，添加趋势线得出相应的函数式，列于表4，5。图5-A中每个点代表同一氮素水平下3 个水分处理的干物质量的均值(每个处理选3 株，共计9 个数的均值);图5-B中每个点代表低氮和高氮水平下的均值(每个处理选3 株，共计6 个数值的均值)。Each point in Fig5-A represents the average of the three water treatments at the same nitrogen level (3 plants for each treatment，3 replicates for a total of 9 data)，each point in Fig5-B represents the average of two nitrogen levels under the same watertreatment (3 plant for each treatment，3 replicates for a total of 6 data) 图5 不同施氮量和不同灌水量对单株植株总干物质量和果实干物质量的影响Fig5 Effects of different nitrogen application and irrigation water on total dry matter of plant and dry matter of fruit表4 不同施氮量对单株总干物质量和果实干物质量的影响Tab4 Effects of different nitrogen application on total dry matter of plant and dry matter of fruit氮素水平Nitrogen level单株总干物质量与施氮量的函数式Function formula oftotal dry matter per plantand nitrogen application单株果实干物质量与施氮量的函数式Function formula offruit dry matter per plantand nitrogen application氮利用效率/( g/g)Nitrogen useefficiency水分利用效率/( g/kg)Water useefficiencyN1YPN1=85031XN32069( R2=0976 2)YFN1=60277XN38929( R2=0962 4)6088Aa 290AbN2YPN2=25756XN42457( R2=0969 5)YFN2=1974XN54255( R2=0978 0)1926Bb 367Aa注:XN代表单株累积施氮量。Note:XNrepresents the accumulation of nitrogen applied per plant由图5-A和表4 可知，单株累积施氮量XN每增加1 g，植株总干物质量YPN1和YPN2分别增加8503，2576 g，果实干物质量 YFN1和 YFN2分别增加60 28，1974 g，即 XN每增加1 g，N1、N2 植株干物质量分别有70 89%和76 73%分配到果实生产中，N2 比N1 果实分配比例提高了 5 84%，增幅为 8 24%。即累积施氮量每增加1 g，N2 水平下植株增加的干物质量分配到果实中的比例比 N1 增加了8 24%。虽然N2 的氮素利用效率只有 N1 的 1/3，但是 N2水平下植株总干物质量比N1 高26 57%，并且果实干物质量占植株总干物质量的比例高，所以，N2 更有利于植株和果实的生长，并且 N2 水平下水分利用效率也显著高于N1 水平下水分利用效率。由表5 和图5-B可知，单株累积灌水量XW每增加1 L，