第 38 卷 第 2 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 38 No 2 2022 年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2022 95 水肥耦合對(duì)基質(zhì)栽培番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響 趙文舉 1 馬 鋒 1 曹 偉 1 馬芳芳 1 韓 麗 2 1 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 蘭州 730050 2 蘭州新區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責(zé)任公司 蘭州 730300 摘 要 為有效提高農(nóng)業(yè)廢棄物的利用率 將堆肥 秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物和黏土等拌制成一種抗旱促根的基質(zhì) 研究水肥 耦合效應(yīng)對(duì) 愛吉 3041 供試基質(zhì)栽培番茄的株高 莖粗 產(chǎn)量 品質(zhì) 水分利用效率 Water Use Efficiency WUE 及肥料偏生產(chǎn)力 Partial Factor Productivity of Fertilizer PFP 的影響 以當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)水肥施用量作為對(duì)照組 CK 設(shè) 置 9 組基質(zhì)水肥耦合處理 3 組滴灌水量 W1 100 ET 0 ET 0 為參考作物蒸發(fā)蒸騰量 W2 80 ET 0 W3 60 ET 0 和 3 組施肥 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 組 耦合處理 建立番茄產(chǎn)量 WUE PFP 及果實(shí)綜合品質(zhì)的多目標(biāo)優(yōu)化模型 采用遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化法尋找模型的 Pareto 最優(yōu)解 結(jié)果表明 與 CK 相比 基質(zhì)對(duì)番茄的株高 莖粗 根系發(fā)育 產(chǎn)量 品質(zhì) WUE 和 PFP 等影響顯著 可有效 改善果蔬品質(zhì) W3F1 處理下番茄風(fēng)味品質(zhì)及產(chǎn)量最佳 利益比率值最小 基 于遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化法表明基質(zhì)栽培番 茄的最佳灌溉施肥處理為 W3F2 以期為農(nóng)業(yè)廢棄物高效利用及高品質(zhì)果蔬的水肥科學(xué)管理提供理論依據(jù) 關(guān)鍵詞 水分 秸稈 番茄 產(chǎn)量 品質(zhì) 多目標(biāo)尋優(yōu) 基質(zhì)栽培 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 02 011 中圖分類號(hào) S641 2 S275 6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2022 02 0095 07 趙文舉 馬鋒 曹偉 等 水肥耦合對(duì)基質(zhì)栽培番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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 中國農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量巨大 每年產(chǎn)生畜禽糞便高達(dá) 38 億 t 農(nóng)作物秸稈約 9 億 t 尾菜約 2 6 億 t 1 農(nóng)業(yè)廢 棄物的處理不當(dāng)及利用效率低會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境 造成破壞 農(nóng)業(yè)面源污染更為突出 2 資源化利用農(nóng)作物 秸稈和畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物是世界面臨的重大挑戰(zhàn) 提出合理利用農(nóng)業(yè)廢棄物的方法 是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的 可持續(xù)生產(chǎn)的重要途徑 3 Shao 等 4 5 研究發(fā)現(xiàn)秸稈 有 機(jī)肥等農(nóng)業(yè)廢棄物增加了番茄產(chǎn)量和土壤總碳 有機(jī)碳 和碳氮比 增加土壤通氣性 可作為番茄可持續(xù)生產(chǎn)的 肥料供應(yīng) Zhao 等 6 將農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥 秸稈和黏土等 拌制成一種抗旱促根的基質(zhì)栽培 具有節(jié)水保肥能力 可為植物提供良好的生長環(huán)境 是提高農(nóng)業(yè)廢棄物利用 率的可行途徑之一 番茄是世界上種植最廣 產(chǎn)量最高的農(nóng)作物之一 其 水肥需求量大 不合理灌溉與過量施肥會(huì)導(dǎo)致栽培環(huán)境惡 化 7 8 因此 高效利用水肥對(duì)制定高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的番茄管理 制度和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要 9 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問題 開展了大量研究 王振華等 10 研究得出合理施肥可顯著提 高番茄產(chǎn)量 過量施肥會(huì)使產(chǎn)量降低 水分利用率及肥料 收稿日期 2021 12 03 修訂日期 2022 01 05 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金 51869010 甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 20YF8ND141 作者簡介 趙文舉 教授 博士生導(dǎo)師 研究方向?yàn)楹祬^(qū)生態(tài)水利 Email wenjuzhao 偏生產(chǎn)力也顯著下降 番茄產(chǎn)量與水肥施用量呈正相關(guān) 超過一定范圍后呈負(fù)相關(guān) 番茄的產(chǎn)量逐漸變低 李建明 等 11 研究認(rèn)為 水肥調(diào)控對(duì)番茄產(chǎn)量與水分利用率影響顯 著 隨灌溉施肥量的增加產(chǎn)量與水分利用率呈先上升后下 降的趨勢(shì) 施肥量與灌溉量存在顯著的正交互作用且施肥 量對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響大于灌溉量 合理的灌溉 施肥量 可有效提高番茄產(chǎn)量 水分利用效率和肥料偏生 產(chǎn)力 邢英英等 12 研究指出 番茄對(duì)氮 磷 鉀的吸收效 率受灌溉量和施肥量顯著影響 隨施肥量增加氮素利用效 率降低 隨灌溉量增加氮和磷素利用效率減小 少量多 次 的灌溉施肥模式可顯著提高養(yǎng)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對(duì)根系特性顯著 影響 番茄產(chǎn)量 干物質(zhì)產(chǎn)量和氮吸收量的影響隨著根系 特性的變化而顯著變化 目前關(guān)于水肥研究集中于灌溉方式及灌溉施肥制 度 大多通過農(nóng)作物單一因素產(chǎn)量 品質(zhì)或水分利用效 率等來尋求最佳處理 在合理解決農(nóng)業(yè)廢棄物的基礎(chǔ)上 尤其通過基質(zhì)栽培 水肥三因素耦合試驗(yàn)探究基質(zhì)栽培 對(duì)番茄生長 產(chǎn)量 品質(zhì) 水分利用率及肥料偏生產(chǎn)力 的影響規(guī)律研究較少 為此 本研究利用秸稈 有機(jī)肥 等農(nóng)業(yè)廢棄物和黏土按照比例壓制成基質(zhì) 探究基質(zhì)栽 培番茄的最優(yōu)水肥耦合方案 以番茄產(chǎn)量 水分利用效 率 Water Use Efficiency WUE 肥料偏生產(chǎn)力 Partial Factor Productivity of Fertilizer PFP 及果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)為 目的 建立多目標(biāo)優(yōu)化模型 基于遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化 模型得到基質(zhì)栽培番茄的優(yōu)化水肥處理 以期為農(nóng)業(yè)廢 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022 年 96 棄物高效利用及番茄 高品質(zhì) 生產(chǎn)的水肥一體化耦合 方案提供科學(xué)依據(jù) 1 材料與方法 1 1 試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)區(qū)域位于蘭州新區(qū) 屬溫帶半干旱大陸性氣候 年平均氣溫 6 9 年平均降水量為 300 350 mm 試驗(yàn) 于 2020 年 7 11 月在蘭州新區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代示范園區(qū) 東經(jīng) 103 42 北緯 36 32 內(nèi)進(jìn)行 供試番茄為 愛吉 3041 采用水肥一體化滴灌系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控 將黃土 有機(jī)肥及 秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物拌制成基質(zhì) 其基本理化性質(zhì)為 pH 值為 6 2 電導(dǎo)率 EC 30 4 S cm 全氮 2 462 g kg 全 磷 3 264 g kg 全鉀 1 622 g kg 1 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以灌溉量和施肥量為試驗(yàn)因素 參考作物蒸發(fā)蒸騰 量 ET 0 和施用 N P 2 O 5 K 2 O 肥料的用量不同 以當(dāng)?shù)?實(shí)際生產(chǎn)無基質(zhì)水肥組合作為對(duì)照組 CK 基于不同基質(zhì) 設(shè)置 9 組水肥耦合處理 3 個(gè)灌溉量 3 個(gè)施肥水平 試 驗(yàn)處理組描述見表 1 共 10 組處理 各處理 3 個(gè)重復(fù) 處理中的氮磷鉀配比依托于其他學(xué)者 12 15 得出的研究結(jié) 果 采用凹槽覆膜種植模式 將番茄移栽至基質(zhì)內(nèi) 隨 機(jī)排列 各小區(qū)種植 15 株 行距 50 cm 株距 35cm 依 據(jù)番茄的生育期進(jìn)行階段性劃分 通過水肥一體系統(tǒng)分 6 次將 N 2 P 2 O 5 K 2 O 等肥施入 依次為定植 7 18 30d 第一穗果實(shí)膨大期 定植后 49 d 第二穗果實(shí)膨大期 定植后 56d 和第三穗果實(shí)膨大期 定植后 70 d 試 驗(yàn)布置圖見圖 1 表 1 試驗(yàn)處理描述 Table 1 Description of experimental processing 處理 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 圖 1 試驗(yàn)布置圖 Fig 1 Test layout 1 3 測(cè)定內(nèi)容及方法 1 3 1 作物生長測(cè)定 株高 莖粗分別用卷尺及游標(biāo)卡尺測(cè)定每個(gè)試驗(yàn)區(qū) 內(nèi)標(biāo)記的 6 株代表性植株 根系測(cè)定 在番茄各個(gè)生育期末進(jìn)行根系采集 不同水 肥處理隨機(jī)選取 3 株代表性植株 采用挖掘法將番茄根系完 整取出 用清水清洗根系土壤 利用 Canon MF4320 4350 型掃描儀對(duì)根系進(jìn)行掃描 利用 Win RHIZO Pro 根系分析軟 件進(jìn)行處理 得到番茄根系特性的各項(xiàng)參數(shù) 總根長 總根 表面積 總根體積 稱其鮮質(zhì)量 放入烘箱 105 殺青 30 min 然后 75 烘干至恒質(zhì)量 測(cè)其干質(zhì)量 1 3 2 產(chǎn)量測(cè)定 從果實(shí)成熟開始 每隔 3 4 d 采摘一次 每個(gè)小區(qū) 選 3 個(gè)重復(fù)組 每個(gè)重復(fù)隨機(jī)標(biāo)記 6 株代表性植株 收 獲時(shí)分別測(cè)定各小區(qū)產(chǎn)量 1 3 3 水分利用率和肥料偏生產(chǎn)力計(jì)算 水分利用率 Water Use Efficiency WUE kg m 3 WUE Y ET 1 式中 Y 為番茄產(chǎn)量 kg hm 2 ET 為各個(gè)時(shí)期番茄的耗水 量 mm 肥料偏生產(chǎn)力 Partial Factor Productivity of Fertilizer PFP kg kg PFP Y F 2 式中 F 投入肥料總質(zhì)量 kg hm 2 1 3 4 品質(zhì)測(cè)定 在番茄果實(shí)成熟期時(shí) 采摘第一穗果實(shí)和第三穗果 實(shí)并分別進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定 16 17 每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)取 3 個(gè)重復(fù) 每組重復(fù)選取 5 顆成熟度一致的代表性番茄果實(shí) 將第 一穗果實(shí)和第三穗果實(shí)品質(zhì)的平均值作為基質(zhì)栽培番茄 的最終品質(zhì) 用硬度計(jì)可測(cè)定硬度 采用 WAY 2S 型阿 貝折射儀測(cè)定溶性固形物 用蒽酮比色法測(cè)定可溶性總 糖 用酸堿滴定法測(cè)定有機(jī)酸含量 1 3 5 VIKOR 法綜合評(píng)價(jià) VIKOK 法是由 Opricovic 提出的一種多屬性決策中 最佳化妥協(xié)解方法 采用了 Lp metric 發(fā)展而來的聚合函 數(shù) 據(jù)各備選方案的評(píng)估值與理想方案的接近程度來排 列方案之間的優(yōu)先順序 其最大特色就是最大化群體效 益和最小反對(duì)意見的個(gè)別遺憾 所以其妥協(xié)解可被決策 者接受 18 19 計(jì)算方法如下 1 歸一化指標(biāo) V ij 2 1 ij ij m ij i a V a 3 式中 m 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象 a ij 表示第 i 個(gè)處理的第 j 個(gè)處理 2 根據(jù)規(guī)范后的決策矩陣 計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的正理想 解 R 和負(fù)理想解 R 其中 R max i1 max i2 max ij 4 R min i1 min i2 min ij 5 3 計(jì)算各處理到正理想解和負(fù)理想解的距離比值 S i jij iij jj RV SW RR 6 第 2 期 趙文舉等 水肥耦合對(duì)基質(zhì)栽培番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響 97 max jij iij jj RV RW RR 7 式中 V ij 表示指標(biāo)歸一化后的結(jié)果 W ij 表示決策者對(duì)準(zhǔn)則 相對(duì)重要性的權(quán)重 j R 和 j R 分別為 V ij 中每列的最大值 和最小值 4 計(jì)算利益比率 Q i 1 ii i s sRR Qv V s 8 式中 Q i 表示各處理的利益比率 Q i 值越小則表明方案越 優(yōu) V 為 大多數(shù)準(zhǔn)則 策略的決策機(jī)制系數(shù) S 值和 S 值分別是 S 值的最小值或最大值 1 3 6 多目標(biāo)遺傳算法 NSGA NSGA 算法是帶有精英保留策略的快速非支配和 基于 Pareto 最優(yōu)解的多目標(biāo)優(yōu)化算法 通過擁擠度來度 量系統(tǒng)元素分布的情況 從而選擇出分布均勻 獲得信 息最多的基因 具體分為 6 個(gè)步驟 種群初始化 非支 配排序 擁擠距離的計(jì)算 選擇 交叉與變異和重組與 選擇 20 1 4 數(shù)據(jù)處理 用 Microsoft Excel 2020 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算 利用 SPSS 16 0進(jìn)行方差分析 用 DPS建立回歸方程 采用 MATLAB 2020b 對(duì)回歸方程進(jìn)行多目標(biāo)遺傳算法 NSGA 尋優(yōu) 用 Origin 2018 作圖 2 結(jié)果與分析 2 1 水肥調(diào)控對(duì)基質(zhì)栽培番茄株高和莖粗的影響 基質(zhì)栽培番茄的株高及莖粗受不同的灌溉施肥量影 響顯著 如圖 2 所示 隨著不同生育期的改變基質(zhì)栽培 番茄株高 莖粗呈現(xiàn)不同幅度的增長 花期和果實(shí)膨大 期內(nèi) F1 條件下 番茄株高隨灌溉量的增加先上升后下 降 相同灌溉施肥水平下 與 CK 相比番茄株高 莖粗分 別增加了 14 21 37 8 成熟期內(nèi) F1 F2 條件下 番茄莖粗隨灌溉量的增大而先減小后增大 即施肥量達(dá) 到一定程度后 可促進(jìn)作物株高莖粗 方差分析結(jié)果表 明 灌溉量和施肥量對(duì)番茄株高 莖粗均有顯著性影響 且交互影響作用下對(duì)株高影響更為顯著 而對(duì)莖粗無顯 著性影響 如圖 2 所示 成熟期內(nèi) 在相同灌溉施肥條 件下 W2F1 比 CK 的株高上升了 16 3 莖粗上升了 24 2 以上分析表明 充足的灌水施肥量 有助于番茄 株高 莖粗的增長 基質(zhì)栽培技術(shù)同樣對(duì)番茄株高 莖 粗有促進(jìn)作用 2 2 水肥調(diào)控對(duì)基質(zhì)栽培番茄根系的影響 由表 2 可見 基質(zhì)栽培番茄的根系特性 根質(zhì)量 總根長 總根表面積 總根體積 受水肥調(diào)控呈現(xiàn)顯著 影響 P 0 01 在相同灌溉條件下 施肥量增加 根質(zhì) 量呈先增后減的趨勢(shì) F1 水平下 各灌溉處理根質(zhì)量無 明顯差異 F2 水平下 灌溉量減小 根質(zhì)量降低較為顯 著 下降 25 0 F3 水平下 W1 W2 產(chǎn)量相較于 W3 高出 9 55 總根體積隨施肥量的增加呈下降趨勢(shì) 在 W2 水平下 總根長隨灌溉量的增長呈先增大后減小的 趨勢(shì) F2 F1 F3 F2 顯著高于 F1 和 F3 a 株高 a Plant height b 莖粗 b Stem diameter o 注 W1 W2 和 W3 分別表示灌水量為 100 ET 0 80 ET 0 和 60 100 ET 0 F1 F2 和 F3 分別代表施 N P 2 O 5 K 2 O 量為 240 115 137 80 88 121 2 112 50 82 kg hm 2 不同小寫字母表示在 0 05 水平下各處理間存在顯著性 差異 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 圖 2 水肥調(diào)控下基質(zhì)栽培單株番茄株高及莖粗 Fig 2 Plant height and stem diameter of tomato per plant in substrate culture under water and fertilizer regulation 總根表面積和總根體積施肥量和灌溉量等單因素影 響十分顯著 如表 2 所示 在 W1 W2 水平下 總根表 面積隨施肥量的增加先增大后減小 W1F2 處理根質(zhì)量 346 9 kg hm 2 和總根表面積 215 8 cm 2 最大 W2F2 處理總根長 896 4 cm 最大 W1F1 處理總根體積 20 3 cm 3 最大 相同水肥處理下 W2F1 與 CK 相 比根質(zhì)量 總根長 總根表面積分別上升了 36 0 6 27 3 94 結(jié)果表明在施肥量為 F2 灌溉量在 W1 W2 時(shí) 基質(zhì)栽培處理對(duì)番茄根系發(fā)育影響最大 2 3 水肥調(diào)控作對(duì)基質(zhì)栽培番茄品質(zhì)的影響 水肥調(diào)控對(duì)基質(zhì)栽培番茄可溶性固形物 可溶性糖 可滴定酸和糖酸比的影響顯著 如表 3 所示 在相同的灌 溉量下 F1 與 F3 之間的可溶性固體物差異顯著 施肥量對(duì) 可溶性糖 可滴定酸和糖酸比則無顯著影響 在相同的施 肥條件下 隨著灌溉量的增加 可溶性固形物和可溶性糖 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022 年 98 F2 除外 呈下降的趨勢(shì) 可滴定酸 F2 除外 呈先上升 后下降的趨勢(shì) 糖酸比在 W1和 W3之間差異顯著 P 0 05 F2 水平下 W1 水平與 W2 水平相比 可溶性糖和可滴定 酸分別下降了 6 54 8 62 總體看來 W3F2 處理可溶 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 相同水肥處理下 基質(zhì)栽 培處理 W2F1 較沒有基質(zhì)栽培處理 CK 可溶性固形物 可 溶性糖及可滴定酸分別上升了 14 3 12 5 18 2 表 2 不同水肥調(diào)控處理番茄整根特征參數(shù) 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 根質(zhì)量 Root weight kg hm 2 總根長 Total root length cm 總根表面積 Total root surface area cm 2 總根體積 Total root volume cm 3 產(chǎn)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 顯著性檢驗(yàn) 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 不同小寫字表示在同列數(shù)據(jù)中 0 05 水平下存在顯著性差異 下同 Note Different lowercase letters indicate significant differences at 0 05 level in the same column The following is the same 表 3 不同水肥調(diào)控對(duì)番茄可溶性固形物 可溶性糖 可滴定 酸及糖酸比的影響 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 法評(píng)價(jià)基質(zhì)栽培番茄品質(zhì)及產(chǎn)量 利用 VIKOR法將基質(zhì)栽培番茄果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量進(jìn)行 歸一化處理 得到各處理的品質(zhì)及產(chǎn)量的利益比率 Q i 值 如表 4 所示 各處理的利益比率 Q i 值越小 說明該處理 綜合品質(zhì)及產(chǎn)量越好 相同灌溉水平下 增加施肥量 Q i 值呈減小的趨勢(shì) 相同施肥條件下 增加隨灌溉量 Q i 值 呈下降的趨勢(shì) 在 F3 水平下 隨著灌溉量的增加 Q i 值呈 增加的趨勢(shì) 相同水肥處理下 W2F1 處理的 Q i 值為 0 359 CK 處 Q i 值最大 水肥調(diào)控為 W3F1 處理組 Q i 值 最低為 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 過高的灌水量 會(huì)使得 基質(zhì)栽培番茄品質(zhì)降低 表 4 基于 VIKOR 法的各處理番茄品質(zhì) 產(chǎn)量評(píng)價(jià)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 處理 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 產(chǎn)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 分別為正理想解和負(fù)理想解 S 表示各處理與正理想解比值之和 R 表示各處理與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 水肥調(diào)控與產(chǎn)量 水分利用率 糖酸比和肥料偏生 產(chǎn)力的關(guān)系 以水肥使用量為自變量 產(chǎn)量 水分利用率 糖酸 比和肥料偏生產(chǎn)力為因變量 進(jìn)行回歸分析 表明水肥 使用量對(duì)各因素的影響均達(dá)到顯著 P 0 05 決定系數(shù) 均在 0 94 以上 回歸關(guān)系顯著 根據(jù)上述方程建立多目標(biāo)優(yōu)化問題模型 設(shè)定灌溉 量的上下限分別為 W1 W3 處理 施肥量的上下限為分 別為 F1 F3 處理 利用 MATLAB 2020b 進(jìn)行 GSNA 第 2 期 趙文舉等 水肥耦合對(duì)基質(zhì)栽培番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響 99 算法得到該模型的 pareto 解 界定種群數(shù)目大小為 100 突變強(qiáng)度為 0 002 交叉概率為 0 7 突變概率為 0 1 最 大遺傳代數(shù)取 600 得到 pareto 解 最優(yōu)產(chǎn)量為 25 85 t hm 2 最優(yōu)水分利用效率為 13 77 最優(yōu)糖酸比 為 9 51 取得最優(yōu) pareto 解的最佳灌溉施肥處理為 W3F2 表 5 水肥調(diào)控與產(chǎn)量 水分利用率 糖酸比和肥料偏生產(chǎn)力 之間的回歸關(guān)系 Table 5 Regression relationship between water and fertilizer regulation and yield water use efficiency sugar acid ratio and partial fertilizer productivity 因變量 Response variable 回歸方程 Regression equation R 2 P 產(chǎn)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 肥料偏生產(chǎn)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 分別為灌溉量 施肥量 Note W and F are irrigation amount and fertilization amount respectively 3 討 論 合理調(diào)控水肥用量是促進(jìn)作物生長及根系發(fā)育的主 要因素 李振華等 10 21 研究發(fā)現(xiàn)灌溉量和施肥量對(duì)番茄株 高影響極顯著 適宜的水肥調(diào)控通過滲透調(diào)節(jié)和抗氧化 能力 從而促進(jìn)葉面積的增加 根系生長發(fā)育并增強(qiáng)作 物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收 利于番茄生長 過多的灌溉量 和施肥量不利于番茄生長發(fā)育 本研究也得到相似的結(jié) 論 適宜的水肥用量可以保證作物根系的發(fā)育環(huán)境 提 高作物產(chǎn)量 Chen 等 22 23 研究發(fā)現(xiàn)不同的灌溉量和施肥 量會(huì)引起根系吸收效率的差異 影響作物根系發(fā)育 根 系與土壤的接觸面積 進(jìn)而影響番茄產(chǎn)量 本研究結(jié)果 表明 中等施肥水平 灌溉量在 W1 W2 時(shí) 基質(zhì)栽培 處理對(duì)番茄根系發(fā)育影響最大 這與 Mahajan 等 24 得到 中等灌溉水平下 施加高肥可促進(jìn)根系生長 提高番茄 產(chǎn)量的研究結(jié)果相同 Hu 等 25 研究發(fā)現(xiàn)灌溉量可以改善 根系生長包括根系干重和根系長度密度 從而提高了水 和氮的利用效率 另外 施肥量可以促進(jìn)作物根系生長 和冠層發(fā)育 使作物吸收利用較多的土壤水分 提高水 分利用效率 26 27 番茄風(fēng)味品質(zhì)及產(chǎn)量是直接反映經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo) 運(yùn)用算法對(duì)果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)進(jìn)行綜合性的科學(xué)評(píng)價(jià) Kumar 等 28 使用 VIOKR 法以多準(zhǔn)則排序指標(biāo)給出理想解 為特 定區(qū)域選擇最佳的可再生能源替代方案 王振華等 10 研 究發(fā)現(xiàn) 低水處理下施肥量施氮 250 kg hm 2 可獲得最佳 番茄品質(zhì) 在本研究通過 VIKOR 法對(duì)基質(zhì)栽培番茄風(fēng)味 品質(zhì)及產(chǎn)量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià) 得到了低水高肥 W3F1 的 Q 值最低 低中施肥 W2F2 次之 與李振華等 10 29 的 結(jié)果略有不同 這可能是由于基質(zhì)栽培具有保水節(jié)肥的優(yōu) 勢(shì) 改善了番茄根系環(huán)境 對(duì)果實(shí)品質(zhì)有一定的提升作用 科學(xué)水肥調(diào)控就是達(dá)到水肥最優(yōu)時(shí) 實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)農(nóng) 業(yè)生產(chǎn) 宋健等 30 基于 AquaCrop 構(gòu)建了作物生長模型 運(yùn)用多目標(biāo)遺傳算法 NSGA 并利用功效系數(shù)法 對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行決策 為非充分灌溉的干旱區(qū)條件下制 定合理灌溉制度 屈鋒等 31 運(yùn)用了遺傳算法對(duì)作物產(chǎn)量 品質(zhì)進(jìn)行尋優(yōu) 驗(yàn)證了遺傳算法解決作物水肥處理的可 靠性和優(yōu)越性 番茄產(chǎn)量 品質(zhì)和肥料偏生產(chǎn)力等指標(biāo) 受多種因素影響 因此 本研究結(jié)合多元回歸分析方法 和遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化法 建立灌溉和施肥管理方式對(duì) 產(chǎn)量 品質(zhì) 水分利用率和肥料偏生產(chǎn)力回歸模型 并 利用 GSNA 算法進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu) 得到最優(yōu)灌溉和施 肥處理 W3F2 基質(zhì)栽培技術(shù)既能節(jié)水省肥 增產(chǎn)提質(zhì) 又可提高 農(nóng)業(yè)廢棄物資源高效利用 為解決農(nóng)業(yè)面源污染 助力 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色化 推進(jìn)作物生產(chǎn)工廠化和降低碳排放提 供有效途徑 未來利用西北地區(qū)豐富的土地資源 大力 發(fā)展光伏 基質(zhì)栽培農(nóng)業(yè) 將設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀晦r(nóng)業(yè) 使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)煥發(fā)出新的生命力 4 結(jié) 論 1 各生育期內(nèi) 番茄莖粗 株高受灌溉施肥量影響 顯著 增加施肥量 提高番茄株高莖粗 但不利于番茄 根系生長 成熟期內(nèi) 相同水肥處理下 與 CK 相比 基 質(zhì)栽培處理提高了番茄株高莖粗 上升了 16 3 24 2 促進(jìn)了根系發(fā)育狀況 根質(zhì)量 根長 根表面積分別增 加了 36 0 6 27 3 94 根系發(fā)育狀況良好 為農(nóng) 業(yè)廢棄物高效利用提供科學(xué)參考 2 運(yùn)用 VIKOR 法對(duì)基質(zhì)栽培番茄風(fēng)味品質(zhì)綜合評(píng) 價(jià)的基礎(chǔ)上 以水肥使用量為自變量 結(jié)合產(chǎn)量 水分 利用效率和肥料偏生產(chǎn)力建立了多元回歸模型 利用多 目標(biāo)遺傳算法 GSNA 對(duì)模型進(jìn)行尋優(yōu) 得到了最 佳的灌溉量和施肥量管理耦合處理為灌溉量 60 ET 0 施 N P 2 O 5 K 2 O 肥量 180 88 121 2kg hm 2 最優(yōu)產(chǎn)量為 25 85 t hm 2 最優(yōu)水分利用效率為 13 77 最優(yōu)糖酸比 為 9 51 利益比率為 0 357 為番茄 高品質(zhì) 生產(chǎn)提供 依據(jù) 參 考 文 獻(xiàn) 1 沈玉君 李冉 孟海波 等 國內(nèi)外堆肥標(biāo)準(zhǔn)分析及其對(duì) 中國的借鑒啟示 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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 展曉瑩 張愛平 張晴雯 農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展期面源污 染治理的思考與實(shí)踐 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 20 1 7 Zhan Xiaoying Zhang Aiping Zhang Qingwen Controlling agricultural non point source pollution Thinking and practice in the era of agricultural green high quality development J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 20 1 7 in Chinese with English abstract 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022 年 100 3 Guan D Zhang Y Al Kaisi M M et al Tillage practices effect on root distribution and water use efficiency of winter wheat under rain fed condition in the North China Plain J Soil and Tillage Research 2015 146 286 295 4 Shao Y Chen J Wang L et al Effects of fermented organic fertilizer application on soil N 2 O emission under the vegetable rotation in polyhouse J Environmental Research 2021 200 11149 5 Guo X Liu H Zhang J The role of biochar in organic waste composting and soil improvement A review J Waste Management 2020 102 884 899 6 Zhao W Ji H Wang Z et al Drought and promoting root ecological raising module and manufacturing method AU 2020104391 P 2021 03 18 7 Li C Xiong Y Qu Z et al Impact of biochar addition on soil properties and water fertiliz