炭基尿素与灌水对番茄产量和品质的影响

李艳梅，廖上强，孙焱鑫，杨俊刚

(北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097)

0 引 言

番茄是我国设施蔬菜主栽品种，在增加农业收入及市区蔬菜供应方面发挥着重要的作用，但番茄生产中的水肥管理方式仍然有很大的改进空间。

膜下滴灌和减量灌溉是番茄生产中较为实用的两项节水技术[8,9]。由于生物炭缓释载体材料具有调节土壤水分的作用[10]，因此，滴灌模式下减少灌溉水量对两种不同炭基尿素处理番茄生产有何不同影响是本研究想要解决的第二个问题。

基于以上所述，本研究考察两种炭基尿素与灌水量耦合对设施番茄产量与品质的影响，旨在验证炭基尿素、灌水及二者交互效应对番茄生产的影响，并为设施番茄水肥优化管理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设在房山区窦店镇的泰华卢村蔬菜基地。标准化日光温室中土壤类型为褐土，质地为壤土。试验大棚0～20 cm土壤耕层养分状况：pH 7.47，有机质25.7 g/kg，全氮2.6 g/kg，硝态氮71.7 mg/kg，速效磷162 mg/kg，速效钾370 mg/kg。供试番茄为当地秋冬茬普遍栽培的品种“佳丽F1”。2018年6月27日开始育苗，2018年8月16日移栽定植，2019年1月24日收获。栽培方式均为传统的畦栽，行距60 cm，株距40 cm，过道80 cm，每株留果4穗。

试验采用随机区组设计。灌溉量为主处理，设置两个滴灌水量处理(W1，1 658 m3/hm2；W2，1 365 m3/hm2)。W1和W2的水量差异管理共5次，单次滴水量相同，W1和W2的单次滴水量分别为331.6 m3/hm2和273 m3/hm2。施氮处理为副处理，设置不施氮(CK)、常规尿素(U)、炭基尿素1∶1(生物炭和尿素质量比为1∶1)、炭基尿素2∶1(生物炭和尿素质量比为2∶1)等4个处理。生物炭由树枝和废弃木料通过粉碎、压型，在高温(400 ℃)厌氧条件下通过干馏、分离和提纯等工序制得。炭基尿素采用生物炭和尿素混合高压制得。试验共8个水氮组合处理(见表1)，每个处理重复3次。磷肥(普钙，含P2O512%)和有机肥(腐熟牛粪，N 0.36%、P2O50.22%、K2O 0.11%)全部基施，用量分别为225 kg/hm2和15 t/ha。钾肥(硫酸钾，含K2O 52%)用量375 kg/hm2。氮肥和钾肥均是1/3基施，2/3追施，追施时间一致，分别在一穗果和二穗果膨大期，每次用量1/3。肥料基施的方式为：在表土均匀撒施后，旋耕0～30 cm土层，使肥料养分均匀分布在土层的不同点位。肥料追施的方式为：将肥料投入追肥罐，搅拌溶解后，随滴灌水供应至植株根际区域。试验小区规格1.4 m×7 m，小区之间用塑料薄膜(埋深40 cm)纵向隔开，防止处理之间相互影响。试验区两端设有保护行，与试验区管理相同。

表1 水氮组合试验设计Tab.1 Design of water and nitrogen interaction

1.2 样品采集和测定

番茄采收时，每试验小区的番茄集中采收分类，电子台秤称重后，记录每个小区的产量。参考《土壤农化分析》[11]分析土壤样品：采用酸度计测定pH值，重铬酸钾外加热法测定有机质，H2SO4-H2O2消煮、凯氏定氮仪测定全氮，酚二磺酸比色法测定硝态氮，0.5 mol/L的NaHCO3浸提、钼锑抗比色法测定速效磷，1 mol/L中性NH4OAc浸提、火焰分光光度法测定速效钾。参考《植物生理生化实验原理和技术》[12]分析果实品质：采用蒽酮比色法测定可溶性糖，指示剂滴定法测定可滴定酸，比色法测定VC，紫外分光光度法测定硝酸盐和番茄红素含量。

1.3 数据处理与计算

数据整理采用Excel 2007软件完成。统计分析采用SPSS16.0中双因素重复试验方差分析法(Univariate)。采用Duncan多重比较法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 产 量

产量结果(表2)显示：与CK相比，U处理对番茄产量的影响不明显，B2:1和B1:1处理分别使番茄增产15.9%～26.8%和38.1%～49.1%。减少灌水量后，U、B1:1和B2:1处理番茄产量分别降低8.9%、21%和6.2%。综合比较，HW+B2:1处理的番茄产量最高，LW+B2:1和HW+B1:1处理的产量次之。统计分析表明，氮肥处理对总变异的贡献(F=46.8)大于灌水处理(F=26.2)，氮肥与灌水交互作用对番茄产量的影响不显著(p=0.125)。

表2 炭基尿素和灌水对番茄产量的影响Tab.2 Effect of carbon-based urea and irrigation on tomato yield

2.2 可溶糖含量

与CK相比，U处理的番茄果实可溶糖含量变化不明显，B1:1和B2:1处理的果实可溶糖含量分别增加38%～97%和37%～63%，B1:1和B2:1处理间的差异达显著水平(表3)。灌水量由HW降至LW后，果实可溶糖含量显著降低，U、B1:1和B2:1处理的可溶糖含量分别降低16%、41%和29%。比较发现，HW+B1:1和HW+B2:1处理的可溶糖含量均值最高，LW+B1:1、LW+B2:1处理的可溶糖含量均值次之。统计分析显示，灌水与施氮对番茄可溶糖的影响存在显著的交互作用，各因子对可溶糖差异的贡献为：灌水(F=187)>氮肥(F=120)>氮肥×灌水(F=30.4)。

表3 炭基尿素和灌水对番茄果实可溶糖含量的影响Tab.3 Effect of Carbon-based urea and Irrigation on fruit soluble sugar content of Tomato

2.3 糖酸比

与CK相比，U处理的糖酸比变化不明显，B1:1和B2:1处理的糖酸比分别明显增加2.83～8.76和2.66～7.66个单位(表4)。B1:1和B2:1两个处理的糖酸比差异不明显。减少灌水量降低了果实糖酸比，U、B1:1和B2:1处理的糖酸比分别降低1.34、7.27和6.34个单位。均值显示，HW+B1:1处理的糖酸比最高，HW+B2:1处理的糖酸比次之。灌水与氮肥处理对番茄果实糖酸比的影响存在显著的交互作用，各因子对糖酸比差异的贡献为：灌水(F=200)>氮肥(F=116)>氮肥×灌水(F=27)。

表4 炭基尿素和灌水对番茄果实糖酸比的影响Tab.4 Effect of Carbon-based urea and Irrigation on fruit sugar-to-acid ratio of Tomato

2.4 Vc含量

U处理与CK相比，番茄Vc含量变化不明显，B1:1和B2:1处理番茄的Vc含量分别比CK处理显著增加3.6～4.4和6～11.3个单位，B2:1处理番茄的Vc含量明显高于B1:1处理(表5)。减少灌水量后，U、B1:1和B2:1处理番茄Vc含量分别显著降低19%、12%和29%。组合比较，HW+B2:1处理番茄的Vc含量最高，其次是HW+B1:1处理和LW+B2:1处理。统计分析表明，灌水与氮肥处理对番茄Vc的影响存在显著交互作用，各因子对Vc差异的贡献为：灌水(F=167)>氮肥(F=136)>氮肥×灌水(F=18.3)。

表5 炭基尿素和灌水对番茄果实Vc含量的影响Tab.5 Effect of Carbon-based urea and Irrigation on fruit Vc content of Tomato

2.5 番茄红素含量

与U相比，B1:1和B2:1处理对果实番茄红素含量的影响不明显(表6)。减少灌水量后，U、B1:1和B2:1处理的番茄红素含量分别降低了14%、6%和18%。比较发现，HW+CK处理的番茄红素含量最高，HW+U、HW+B1:1和HW+B2:1处理的番茄红素含量次之。灌水与氮肥对果实番茄红素的影响存在显著的交互作用，但对番茄红素变异的贡献(F=46)明显小于灌水处理(F=368)。

表6 炭基尿素和灌水对番茄果实番茄红素含量的影响Tab.6 Effect of Carbon-based urea and Irrigation on fruit Lycopene content of Tomato

2.6 硝酸盐含量

与U处理相比，B1:1和B2:1处理明显降低了番茄果实中硝酸盐的含量(表7)。减少灌水量后，U、B1:1和B2:1处理果实硝酸盐含量均显著增加，B1:1和B2:1处理的增幅小于U处理。组合比较，HW+B1:1和HW+B2:1处理的番茄果实硝酸盐含量最低。统计分析表明，灌水与氮肥对番茄硝酸盐的影响存在显著的交互作用，各因子在总变异中的贡献为：灌水(F=855)>氮肥(F=17.3)>氮肥×灌水(F=12.3)。

3 讨 论

本研究应用两种炭基尿素起到了明显增加番茄产量的作用(表2)，其原因可能是炭基氮肥的生物炭载体起到了改善土壤物理结构、增加土壤铵态氮含量或增加土壤有效水含量的作用。Steiner等(2008年)[13]发现，生物炭与氮肥混合施用能明显增加萝卜和高粱的产量，原因在于生物炭增加了土壤对铵根离子的持留，减少了氮素的硝化及氨挥发损失。Chen等(2010年)[14]发现，土壤施用生物炭增加了甘蔗产量，原因在于生物炭处理降低了土壤干容重，增加了土壤湿度。本试验土壤全氮含量较高，炭基尿素的生物炭载体可能起到了减少土壤氮素淋溶和挥发损失的作用，此外，本试验两个灌水量均处于相对较低水平，因此生物炭也有可能起到了改善土壤持水性能的作用。本试验B2:1型炭基尿素处理的番茄产量明显高于B1:1型处理，表明增加炭基载体的含量有助于优化炭基尿素产品的缓释性能。增加生物炭投入增加作物产量的结论与黄超等(2011年)[15]在黑麦草上的研究结论不同，引起差异的原因可能主要与生物炭用量有关。

生物炭载体对氮素的缓慢释放可能也是两种炭基尿素改善番茄品质的重要原因。B2:1型和B1:1型炭基尿素对果实可溶糖与Vc的不同影响可能与生物炭用量对土壤含水量的调控有关。Miranda等 (2011年)[16]在培养小麦的土壤中加入生物炭，发现生物炭能促进小麦根系伸长，进而在根际周围持留更多的氮素，并避免根系对氮素的过快吸收。我们推测，炭基尿素持续稳定供应氮素促进了番茄植株对氮素的及时转化利用，因此起到了避免果实过量累积硝酸盐的作用。土壤含水量是影响番茄品质的重要因素。Chen等(2010年)[14]曾报道，生物炭明显增加了土壤含水量，进而增加了甘蔗中糖分的含量。Li等(2012年)[17]研究发现，土壤水分含量过高会降低甜瓜Vc含量。本试验中，B2:1型炭基尿素处理的Vc含量高于B1:1处理，可能与高量生物炭对土壤水分的高效调控有关。

Shock等(2007年)[18]认为，节水农业中控制合适的减水幅度尤为重要。Marouelli等(2007年)[19]、Ertek年(2006a, 2006b)[20,21]和Li等(2012年)[17]等在番茄、茄子及甜瓜上的试验表明，减少灌水降低了作物产量。本试验在番茄上得到了同样的结论。减水降产原因可能是：土壤水分供应不足时，尿素水解生成的氨气不能及时在水中转化为铵根离子，而以硝化作用或氨气挥发的形式损失[22]。Zeng等(2009年)[23]表明，灌水量过低不利于甜瓜可溶性固形物含量的提升。LI等(2012年)[17]证实，缺水太严重会降低甜瓜固形物、可溶糖和Vc含量。本试验两个水量的对比表明减少灌水量降低了番茄的品质(表3)，与前人结论一致。试验结果表明LW灌水量存在供应不足的问题，土壤水分供应不足对养分吸收转化的限制是导致番茄产量品质降低的重要原因。

总之，施氮和灌水是番茄两项重要农艺措施。炭基尿素具有较好的增产提质和节水效应，具有推广价值；灌水量控制需要审慎，尽量接近作物需水阈值，以兼顾节水和生产目标。

4 结 论

(1)B1:1和B2:1型炭基尿素处理分别使番茄增产16%～27%和38%～49%，并显著提升了番茄的可溶糖、糖酸比与Vc含量。减少灌水量降低了施氮处理番茄的产量和品质，应用B1:1和B2:1型炭基尿素有助于降低减水措施对产量的不利影响。炭基尿素表现出增产、提质和节水的作用。

(2)施氮是影响番茄产量的主因子，灌水是影响番茄品质的主因子，水氮交互作用显著影响番茄可溶糖、Vc和硝酸盐含量。综合认为，灌水量1 658 m3/hm2与B2:1或B1:1型炭基尿素的水氮处理为推荐组合处理。