不同氮肥用量下设施秋冬茬番茄干物质及氮素的积累动态

高志英，陈梅，樊蕾，杨习文

(1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450002；2.山西运城农业职业技术学院 农林与工程系，山西 运城 044000；3.太原科技大学 化学与生物工程学院，山西 太原 030024)

番茄(Solanum lycopersicum) 是我国各类设施内栽培的主要蔬菜。番茄具有营养生长与生殖生长同时进行的生长特点，对肥料的吸收和消耗量大，合理施肥(尤其是氮肥) 直接关系到其高产优质和养分利用率的高低[1,2]。适度的施氮可提高番茄的产量，果实中可溶性糖含量、Vc含量，降低总酸度[3,4]，若氮肥施用不当会造成番茄营养生长与生殖生长平衡失调[5]，尤其是氮肥施用过量不但不能增产[6]，还会降低番茄的品质[7]，生产成本增加和污染环境[8]。目前对番茄的氮素运筹已开展了较多研究，多集中在对番茄生长发育[9,10]，光合生理特性[11]，干物质分配[12]，营养元素吸收及利用[13～16]，产量及品质[6,7,17]等方面，但对设施番茄干物质及氮素积累的动态变化规律的研究鲜见报道。作物模拟技术可对作物生长过程进行定量描述，作物物质积累量呈“S”型变化[18]，经验性模型大多都采用Logistic方程来模拟物质积累的过程[19]。因此，本研究于2016、2017两年进行小区对比试验，利用Logistic模型深入研究番茄干物质、氮素积累规律对不同施氮水平的响应，旨在明确氮肥与干物质、氮素积累之间的关系，以期为生产实践中设施番茄的科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验分别于2016年和2017年在河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地日光温室内进行。试验地位于东经 113°36'，北纬34°55'，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14 ℃，平均总日照时数2 144 h。试验温室的长度、跨度和高度分别为 78、7.5、3.5 m，温室土壤为壤质潮土，土壤基本营养水平见表1。

表1 不同年份试验土壤营养水平Table 1 Soil nutrient level in the 2016 and 2017

2016年试验于8月17日定植，12月5日收获；2017年试验于8月9日定植，12月2日收获。两年供试番茄品种均为粉贝利。肥料分别为尿素(46% N)、普钙(12% P2O5)和硫酸钾(50% K2O)。

试验设置5个氮肥水平，2016年试验的氮肥处理分别为0、100、200、300、400 kg·hm-2。考虑到减肥增效、养分累积及环境友好，因此在2016年的试验基础上，2017年适当减少了氮肥施用量。2017年试验氮肥处理分别为0、90、180、270、360 kg·hm-2。各处理磷肥、钾肥、和有机肥(腐熟的鸡粪)用量相同，2016年试验用量分别为：175、290、55 000 kg·hm-2。2017年试验用量分别为：150、250、52 000 kg·hm-2。两年试验实施过程中，磷肥和有机肥(腐熟的鸡粪)全部作为基肥一次施入，氮肥和钾肥基施1/2，第一穗果膨大期和第二穗果膨大期分别追施 1/4，施肥的时间和数量见表2。采用传统的垄栽方式，垄长6 m，垄宽1.3 m，株距0.45 m，行距0.5 m，每垄2行，畦间距0.4 m，1垄为一个试验小区，小区面积7.8 m2，每个小区种植30株，每个处理重复3个小区。留4穗果后打顶。试验期间的其他栽培管理措施均按常规方法进行。

表2 生育期内各处理施肥过程Table 2 The process of fertilization in the whole growing period

1.2 测定项目及方法

1.2.1 番茄各器官干物质量与氮素含量测定

两年试验分别于番茄青苗期、开花坐果期、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进行取样。2016年取样时间为定植后15、30、50、70、90、110 d，2017年取样时间为定植后20、35、55、75、95、115 d。每小区均随机选取地上植株3株，将各器官按茎、叶、果分开，置于烘箱中105 ℃杀青30 min，然后于80 ℃下烘干称重，留干样备测。用凯氏定氮法测全氮，并依据公式：单株吸氮总量(g)=植株干质量×植株含氮量(g/g)计算植株氮积累量。

1.2.2 模型拟合及参数计算

参照吴雨珊等[20]方法，采用Logisitc方程对不同氮肥水平下番茄干物质与氮素积累的进程进行拟合，并计算相应的模型参数，进行积累动态分析。方程为：W=K/[1+e(a-bt)]，其中，W为番茄定植t天后的干物质(氮素)积累量；t为番茄定植后天数；K为番茄干物质(氮素)理论最大积累量；a、b为待定系数。

对方程进行一阶和二阶推导，获得相关动态积累参数，具体公式如下：

快速积累开始时间t1=(a-1.317)/b，t1代入方程获得W1；

快速积累结束时间t2=(a+1.317)/b，t2代入方程获得W2；

有效积累期t3=(a+4.595)/b，积累量为W3；

渐增期各公式计算，持续时间T渐=t1-t0(t0为定植日)，积累量为W渐=W1-W0(定植当天的积累量)，平均积累速率V渐=W渐/T渐；

快增期各公式，持续时间T快=t2-t1，积累量为W快=W2-W1, 平均积累速率V快=W快/T快；

缓增期各公式，持续时间T缓=t3-t2，积累量为W缓=W3-W2, 平均积累速率V缓=W缓/T缓；

积累最大速率出现的时间Tmax=a/b；

积累最大速率Vmax=bk/4；

最大速率时的积累量Wmax=K/2。

1.2.3 数据处理

使用Excel 2010进行数据计算整理，SPSS10.0进行显著性分析和Logisitc方程拟合，originpro8进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥水平对番茄植株干物质和氮素积累量的影响

由图1可知，随着生育期的推进，不同施氮量处理的番茄干物质和氮素的积累趋势相同，两者均随生育期的推进而逐渐增强，苗期(2016年：15～30 d、2017年：20～35 d)呈缓慢增加，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)又呈缓慢增加，积累动态均呈S型曲线增长。然而，不同施氮量处理的番茄的总植株干物质量和总氮素积累量有明显差异，随着氮素供应的增加，番茄干物质量和氮素积累量逐渐增加，2016年、2017年当氮素供应分别在300、270 kg·hm-2时，两者积累量达最大，开花坐果期以后，各施肥处理显著高于不施肥处理(P<0.05)。

图1 不同氮肥处理下番茄干物质和氮素积累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质与氮素的积累动态模型

2.2.1 动态模型参数

不同氮肥水平下番茄植株干物质和氮素积累量随生理发育的动态变化均符合 Logistic 曲线模型，且各拟合模型的F检验均达极显著水平，干物质和氮素动态累积模型相关的参数见表3。番茄干物质的积累最大速率Vmax、平均积累速率Vmean及积累速率最大时生长量Wmax均随着施氮量的增加而增加，两年试验中，当施氮量为300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)处理时，干物质的Vmax、Vmean、Wmax最大，Vmax分别为4.99 g·plant-1·d-1和5.65 g·plant-1·d-1，Vmean分别为1.64 g·plant-1·d-1和1.77 g·plant-1·d-1，Wmax分别为78.75 g和84.21 g。氮素积累的Vmax和Vmean在180～400 kg·hm-2范围内高于0～100 kg·hm-2处理。两年试验中干物质的Vmax出现的时间Tmax分别在59～65 d(2016年)，60～65 d(2017年)，而氮素积累的Tmax分别在55～62 d(2016年)，56～62 d(2017年)。氮素积累Tmax在两年试验中均早于干物质的的Tmax，且干物质和氮素的Tmax随着氮肥用量增加而提前，分别在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)处理下出现的最早。

2.2.2 积累速率动态变化特征

对Logistic积累方程进行求导，可得番茄干物质积累及氮素积累的速率方程，如下：

(1)

由表3各模型的参数(K、a、b)分别代入方程(1)，可得到各处理番茄干物质积累速率和氮素积累速率与时间关系的方程，以取样时间为横坐标，可获得不同氮素供应条件下干物质和氮素积累速率动态变化的曲线图。由图2可知，2016年和2017年试验中，番茄干物质积累速率与氮素积累速率在整个生育期均呈单峰曲线变化，且干物质和氮素积累速率在生育早期(2016年：15～30 d；2017年：20～35 d)对氮肥供应水平反应不敏感，而到了生育后期，两者积累速率对氮肥供应水平响应明显，施氮均可提高干物质积累和氮素积累的速率。另外由图2可知，两年试验中，氮素积累速率峰值出现的时间比干物质积累速率出现的峰值早。

2.3 不同氮肥水平下干物质与氮素积累的3个阶段参数

2.3.1 干物质积累阶段

根据Logistic曲线模型可将番茄干物质与氮素积累过程分为渐增期、快增期和缓增期3个阶段(表4)。两年试验结果均呈现干物质积累量在积累的3个阶段随氮肥供应增加呈先增后降的变化，分别在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)时达到最大，干物质积累量在渐增期、快增期和缓增期分别为33.19、96.00、31.71 g和35.53、103.57、33.90 g。积累持续期在2016年、2017年试验中3个阶段分别为48～57 d、16～21 d、20～26 d和50～57 d、15～20 d、19～24 d，即渐增期>缓增期>快增期。而积累平均速度在2016年、2017年两次试验下分别为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>缓增期>渐增期。两年试验下的3个积累阶段，积累平均速率均随氮供应量增加升高，在施氮量分别为300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)时达到最大，继续增加氮肥用量，其反而下降，干物质积累量与积累平均速率在3个阶段呈现了相同变化规律。

表3不同氮肥处理下番茄干物质与氮素积累动态模型参数

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干物质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 氮素积累阶段

由表4可知，在2016年、2017年试验中，各阶段氮素积累持续期均为渐增期>缓增期>快增期，分别为42～51 d、27～34 d、22～28 d和43～52 d、25～32 d、20～26 d；氮素积累量的渐增期、快增期和缓增期分别为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，均表现为快增期>渐增期>缓增期，且在快增期，氮素积累量随氮供应量的增加而增加。氮素积累平均速率在两年试验条件下，均在快增期达最大，分别为0.04～0.08 g·plant-1·d-1(2016年)和0.04～0.10 g·plant-1·d-1(2017年)，均随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，分别在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)达最大。

图2 不同氮肥处理对番茄干物质积累速率与氮素积累速率动态变化的影响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产量的效应分析

2.4.1 番茄产量

由图3可见，两年试验的番茄株果产量均呈现随施肥量的增加而升高，分别在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)时最高。2016年，100、200、300、400 kg·hm-2分别较对照不施氮肥增加34.89%、41.75%、54.30%、40.4%；2017年，90、180、270、360 kg·hm-2分别较对照增加17.57%、32.77%、59.16%、51.08%。方差分析表明，两年的氮肥处理表明，施氮处理显著高于对照处理(P<0.05)。

2.4.2 番茄对氮肥的效应分析

番茄的株果产量对施氮量的响应关系可用一元二次曲线方程进行描述，对拟合的方程求导可得到番茄株果产量的边际产量的变化曲线(图4)，即每增加1 kg·hm-2施氮量番茄株果产量的增加量，从图4可知，随着施氮量的增加，株果产量的边际产量逐渐降低，2016年、2017年试验处理分别在342.11 kg·hm-2和297.62 kg·hm-2时，边际产量为0，此时的施氮量为番茄株果产量最高时的理论施氮量，若继续增加施氮量，边际产量为负，即再继续增加氮肥供应反而使产量减少。

2.4.3 回归分析

对株果产量与干物质，氮素积累因子分别进行逐步回归。经检验，回归方程相关性达到显著水平。由模型可以看出，番茄株果产量与干物质积累的Vmean、T快、W快、W缓均成显著正相关，与T渐成显著负相关；而与氮素积累的Vmean成正相关(表5)。

3 讨论与结论

氮是番茄生长发育的关键因子，参与植株体内各种代谢过程，对设施番茄的生长发育及产量影响较为复杂[21]。已有研究表明，番茄的干物质与氮素生产在一定范围内与施肥量呈正相关[12,22,23]。两年的试验结果表明，不同供氮水平对番茄植株干物质积累与氮累积量影响一致，随着施氮水平增加而增加，在300 kg·hm-2(2016年)、270 kg·hm-2(2017年)时达到最大，继续增施氮肥，积累反而下降，过低或过高的供氮水平，均不利于番茄干物质和氮素的积累。

Logistic模型用作描述作物生长特征在棉花[24]、辣椒[25]、甜瓜[26]、芝麻[27]等经济作物均有报道。本试验两年的结果表明，番茄干物质及氮素积累的Vmax及Vmean分别在0～300 kg·hm-2和0～270 kg·hm-2范围内，随氮肥水平的增加而升高，继续增施氮肥反而不利于积累活动。不同氮肥处理下，氮素Vmax出现的时间早于干物质Vmax出现的时间，两年试验中均早3～4 d，说明干物质的积累是依赖于营养元素的积累。Logistic模型的S曲线积累过程分为渐增期、快增期和缓增期[20]，两年试验处理分别在0～300 kg·hm-2(2016年)和0～270 kg·hm-2(2017年)施肥范围内，3个阶段的干物质及氮素积累量均随氮肥量的增施而增加。干物质及氮素的T渐随施氮量的增加而缩短，即增施氮有利于番茄物质积累进入快增期，并延长了T快。2016年试验显示，干物质及氮素在100、200、300、400 kg·hm-2施肥量下比对照进入快增期提前了3、6、8、8 d和3、5、9、8 d。2017年肥料处理试验下干物质及氮素在90、180、270、360 kg·hm-2氮肥供应量下比对照进入提前了3、5、8、8 d和3、7、9、9 d。两年试验均在高肥处理进入快增期的时间早于低肥处理，分别增施到300 kg·hm-2(2016年)和270 kg·hm-2(2017年)时最早进入快速积累期，说明该施肥处理能够较早建立营养生长与生殖生长体，积累阶段的动态协调性优于其它处理，更有利于干物质的累积与产量形成。吴雨珊等[20]研究大豆的物质积累阶段发现，产量与干物质积累的T快成正相关，而与T渐呈负相关，本研究经回归分析得到相同结论。因此在生产上，合理施用氮肥才能取得较好的经济效益。

表4不同氮肥水平下番茄干物质与氮素积累三个阶段的参数

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

积累阶段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干物质Dry matter氮素Nitrogen渐增期Gradual increase stage快增期Fast increase stage缓增期Slow increase stage渐增期Gradual increase stage快增期Fast increase stage缓增期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

图3 不同施氮处理番茄株果产量Fig.3 The fruits yield per plant of tomato under different nitrogen application rate

图4 氮肥供应量与番茄株产量和边际产量的关系Fig.4 Relationships between fruits weight and marginal yield and nitrogen application rate.

表5 番茄株产量与干物质、氮素积累因子的逐步回归模型Table 5 Stepwise regression between fruits yield and dry matter, nitrogen accumulation factors of tomato

於丽华等研究发现，当季施的大多数氮都会残留在土壤中，使土壤出现养分积累，在不施氮肥的条件下，作物能从土壤中带走前期积累的氮素[28]。本研究条件下，两年试验的番茄株产量分别在300 kg·hm-2(2016年)和270 kg·hm-2(2017年)处理下比对照处理分别增产达54.30%和59.16%，结合氮肥对番茄株产量的效应分析，2016年和2017年设施秋冬茬番茄理论施氮量分别在 342.11 kg·hm-2和297.62 kg·hm-2，说明氮肥的积累效应可以适当减少其施用量而实现增产与稳产，从而促进氮肥减施增效，减少过量氮肥对环境的污染，实现节本增效。