第 30 卷 第 10 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.30 No.10 82 2014 年 5月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2014 水肥耦合對(duì)番茄光合、產(chǎn)量及水分利用效率的影響 李建明，潘銅華，王玲慧，杜清潔，常毅博，張大龍，劉 媛 （西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，楊凌 712100） 摘 要： 為研究大棚膜下滴灌灌溉上限與施肥量耦合對(duì)番茄光合、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，以金鵬 1 號(hào)番茄為試材，按照二元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)原理，建立了光合與產(chǎn)量指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，分析了水肥兩因子的耦合效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所建模型達(dá)到顯著水平；水對(duì)光合的影響大于肥，對(duì)產(chǎn)量的影響小于肥，水肥對(duì)光合和產(chǎn)量的耦合分別存在顯著的負(fù)效應(yīng)和正效應(yīng)；光合速率隨灌溉上限的上升表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，超過一定范圍后開始下降；不論灌溉上限高低，光合速率均隨施肥量的增加表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)緩慢；番茄的產(chǎn)量隨灌溉上限和施肥定額的增加而顯著增加，超過一定范圍后產(chǎn)量逐漸降低。得出合理的灌溉施肥指標(biāo)：灌溉下限為田間持水量的 50%，灌溉上限為田間持水量的 80% 82%，施肥 N 313.75 439.75 kg/hm2、 P2O5156.55 219.19 kg/hm2、 K2O 313.75 439.75 kg/hm2。此時(shí)，番茄的產(chǎn)量達(dá)到 124 t/hm2、水分利用效率達(dá)到 43.2 kg/m3。 關(guān)鍵詞： 光合速率；灌溉；模型；產(chǎn)量；水分利用效率 doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2014.10.010 中圖分類號(hào)： S626.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： A 文章編號(hào) ： 1002-6819(2014)-10-0082-09 李建明， 潘銅華， 王玲慧， 等. 水肥耦合對(duì)番茄光合、 產(chǎn)量及水分利用效率的影響J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014， 30(10)：8290. Li Jianming, Pan Tonghua, Wang Linghui, et al. Effects of water-fertilizer coupling on tomato photosynthesis, yield and water use efficiencyJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(10): 82 90. (in Chinese with English abstract) 0 引 言番茄是目前世界上種植面積最廣、 最受歡迎的蔬菜作物之一1， 其產(chǎn)量的高低受水肥管理影響較大2-4。實(shí)現(xiàn)水肥的合理利用，對(duì)其產(chǎn)量及水肥利用率的提高乃至世界農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均至關(guān)重要1。為此前人對(duì)番茄水肥進(jìn)行了大量研究5-7。周振江等的研究結(jié)果表明，水肥對(duì)光合速率既相互促進(jìn)，又相互制約，存在著顯著的交互作用，合理的水肥管理才能提高葉片的光合速率5。孫文濤等研究表明影響番茄產(chǎn)量的主要因素是灌水量與鉀肥用量的交互作用，其次是氮肥用量，水肥對(duì)番茄產(chǎn)量的影響均呈現(xiàn)開口向下的拋物線形狀6。李波等研究結(jié)果表明，合理的灌溉指標(biāo)有利于番茄的生長(zhǎng)及產(chǎn)量、水分利用率的提高7。然而，前人研究主要局限在灌水定額與施肥量耦合對(duì)產(chǎn)量或生理形態(tài)指標(biāo)里的少量指標(biāo)的影響，或是單一的灌溉下限、施肥量對(duì)作物的影響，而關(guān)于灌溉上限與配比施肥對(duì)光合、產(chǎn)量及水分利用效率等的綜合研究尚收稿日期： 2013-09-23 修訂日期： 2014-04-07 基金項(xiàng)目：國(guó)家“ 863”計(jì)劃項(xiàng)目（ 2011AA100504） ；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（ 2011BAD29B01） 作者簡(jiǎn)介：李建明（ 1966） ，男，陜西洛川人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院 712100。 Email： lijianming66163.com 少5,7-8。且水肥耦合對(duì)水分利用率等的影響研究多集中于糧食作物如小麥、玉米等，而對(duì)番茄等蔬菜作物的水肥耦合綜合研究較少9-11。 本試驗(yàn)探究灌溉上限及施肥量相耦合對(duì)番茄光合、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，旨在揭示作物光合、產(chǎn)量及水分利用效率之間的深刻關(guān)系，為優(yōu)化水肥管理、提高番茄產(chǎn)量及水分利用效率、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效提供理論指導(dǎo)。 1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料 本試驗(yàn)包括初試驗(yàn)與驗(yàn)證試驗(yàn)兩階段，初試驗(yàn)于 2013 年 3 6 月在西北農(nóng)林科技大學(xué)北園藝場(chǎng)塑料大棚內(nèi)進(jìn)行， 驗(yàn)證試驗(yàn)于 2013 年 8 月 5 日至 2013年 11 月 18 日在西北農(nóng)林科技大學(xué)南園藝場(chǎng)塑料大棚內(nèi)采用初試驗(yàn)的最佳水肥量進(jìn)行。經(jīng)測(cè)定，兩棚的土壤理化性質(zhì)相近，供試土壤理化性質(zhì)：土壤容重約 1.34 g/cm3，最大田間持水量約 24.3%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 16.94 g/kg，堿解氮約為 90.76 mg/kg，速效磷約為 180.42 mg/kg， 速效鉀約為 241.27 mg/kg，pH 值約為 6.8。采用 “金鵬 1 號(hào) ”番茄品種，供試肥料為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。為節(jié)省篇幅，下面除特別指出是驗(yàn)證試驗(yàn)外均指初試驗(yàn)，最后再對(duì)兩試驗(yàn)的最終結(jié)果進(jìn)行比較以驗(yàn)證初試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 ·農(nóng)業(yè)水土工程· 第 10 期 李建明等：水肥耦合對(duì)番茄光合、產(chǎn)量及水分利用效率的影響 83 1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)應(yīng)用灌溉上限與施肥定額兩因子，采用二元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，各處理編碼組合及對(duì)應(yīng)值如表 1。試驗(yàn)共設(shè) 16 個(gè)處理， 3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)長(zhǎng) 7 m，寬 1.2 m，栽 25 棵苗子。各小區(qū)之間埋 50 cm 深的塑料薄膜，以防水肥的相互滲透造成對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。初試驗(yàn)番茄于 2013年 3 月 9 日即幼苗生理苗齡 45 d、 五葉一心時(shí)定植，單干整枝， 7 穗果時(shí)摘心，于 2013 年 6 月 20 日拉秧。驗(yàn)證試驗(yàn)于 2013 年 8 月 5 日苗齡 30 d、五葉一心時(shí)定植，與初試驗(yàn)同樣管理， 2013 年 11 月 18日拉秧。定植緩苗 10 d 后，利用以色列 Kibbutz Nahsholim 生產(chǎn)的 MixRite-2054 水肥一體化施肥灌溉系統(tǒng)開始進(jìn)行膜下滴灌水肥處理。設(shè)定各處理灌溉下限均為田間持水量的 50%，灌溉上限分別為田間持水量的 60%、 66%、 80%、 94%、 100%。施肥采用 N P2O5 K2O=2:1:2 的比例（根據(jù)前人試驗(yàn)結(jié)論12及實(shí)際土壤地力狀況等設(shè)定） ，根據(jù)作物的需肥規(guī)律，采取少量多次的原則，除磷肥全部作基肥一次性施入外，氮肥和鉀肥分 5 次等量施入，作基肥施入 1 次，在第 1、 2、 4、 6 穗果膨大期隨水施入各 1 次，施肥前將肥料完全溶解于肥料罐中，通過水肥一體化裝置施入。使用 TDR 環(huán)境水分監(jiān)測(cè)儀（ TDR 300， Spectrum Technologies, lnc.）隨時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分含量，當(dāng)土壤水分降至灌水下限時(shí)，通過公式13M=r× p× s× h× f × (q1q2)/（式中 M為灌水量， m3； r 為土壤容重，為 1.34 g/cm3； p 為土壤濕潤(rùn)比，取 100%； s 為灌水面積， m2； h 為灌水計(jì)劃層（苗期 0.1 m，結(jié)果前期 0.2 m，結(jié)果盛期0.3 m） ； f 為田間持水量，取 24.3%； q1、 q2 分別為灌水相對(duì)田間持水量上限、下限， q2 取 0.5； 為水分利用系數(shù)，取值 100%）補(bǔ)充至相應(yīng)的灌溉上限，測(cè)定每次滴灌時(shí)的滴孔流速與灌水時(shí)間并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)出每個(gè)處理定植后整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的灌水量。 表 1 番茄水肥試驗(yàn)各處理編碼組合及對(duì)應(yīng)灌溉上限和施肥量 Table 1 Coding combination and its corresponding irrigation maximum and fertilizer amount of each treatment in the experiment of water and fertilizer coupling 處理 Treatment 編碼組合 Coding combination 灌溉上限 Irrigation maximum/% 施肥量 Fertilizer amount/(kg·hm-2) 處理 Treatment 編碼組合 Coding combination 灌溉上限 Irrigation maximum/% 施肥量 Fertilizer amount/(kg·hm-2) Q1 (1， 1) 94 550:275:550 Q9 (0， 0) 80 375:187:375 Q2 (1， -1) 94 200:100:200 Q10 (0， 0) 80 375:187:375 Q3 (-1， 1) 66 550:275:550 Q11 (0， 0) 80 375:187:375 Q4 (-1， -1) 66 200:100:200 Q12 (0， 0) 80 375:187:375 Q5 (-1.414， 0) 60 375:187:375 Q13 (0， 0) 80 375:187:375 Q6 (1.414， 0) 100 375:187:375 Q14 (0， 0) 80 375:187:375 Q7 (0， -1.414) 80 125:63:125 Q15 (0， 0) 80 375:187:375 Q8 (0， 1.414) 80 625:313:625 Q16 (0， 0) 80 375:187:375 注：灌溉上限表示占田間持水量的百分比，灌水下限均為田間持水量的 50%。表中施肥量中的 3 個(gè)數(shù)值分別代表各處理每公頃施用 N、 P2O5、 K2O的質(zhì)量。 Note: Irrigation maximum is the percent comparing to the field water capacity, the irrigation lower limits of all treatment are 50% of the field water capacity. The fertilizer amount for each treatment in the table meant the amount of N, P2O5, K2O (kg·hm-2). 1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法 光合速率的測(cè)定：于 2013 年 5 月 30 日上午 09:00 11:00（驗(yàn)證試驗(yàn)光合速率測(cè)定于 2013 年11 月 3 日早上 09:00 至 11:30 進(jìn)行）利用 3 臺(tái)LI-6400 型光合儀 （ Li-6400， LI-COR 生物科學(xué)公司）在每小區(qū)隨機(jī)選取 5 株對(duì)其生長(zhǎng)點(diǎn)下第 7 片功能葉進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)已隨水施肥 4 次， （ 2013 年 5 月 28日進(jìn)行第 3 次施肥） 。測(cè)量環(huán)境：溫室溫度在 2628之間，空氣相對(duì)濕度約為 65%，選擇 LED 光源，光照強(qiáng)度設(shè)定為 800 mol/(m2·s)， CO2濃度等于溫室內(nèi)自然濃度為( 300 320)×10-6。為降低環(huán)境變化帶來的誤差，采取 Z 字形測(cè)量法，即一次重復(fù)的每一個(gè)處理測(cè)定一個(gè)數(shù)據(jù)即進(jìn)入下一處理，全部處理都測(cè)完一次后進(jìn)入下一次循環(huán)，如此依次測(cè)完，最后計(jì)算各小區(qū)平均值。 產(chǎn)量的測(cè)定：自收獲期（ 2013 年 5 月 10 日）開始，每隔 2 天采收一次成熟度一致的番茄，并分別統(tǒng)計(jì)匯總，直至拉秧期（ 2013 年 6 月 20 日）采收結(jié)束。驗(yàn)證試驗(yàn)于 2013 年 10 月 5 日開始收獲，至2013 年 11 月 20 日拉秧結(jié)束。 水分利用效率 WUE 即植株每蒸騰消耗 1 m3水所生產(chǎn)的果實(shí)鮮質(zhì)量，土壤含水率用 TDR 水分監(jiān)測(cè)儀測(cè)得， WUE=果實(shí)產(chǎn)量 /(灌溉量 +拉秧后 30 cm厚土層土壤含水量定植前 30 cm 厚土層土壤含水量)× 100% 1.4 數(shù)據(jù)處理 根據(jù)二元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的原理，采用Excel2003、 DPS7.05 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并建模，利用農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 年 84 Matlab R2013a 及 Excel2003 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖。 2 結(jié)果與分析 2.1 水肥耦合對(duì)番茄葉片光合速率、產(chǎn)量的效應(yīng)分析 2.1.1 葉片光合速率與產(chǎn)量關(guān)于灌水上限及施肥量的回歸模型建立及檢驗(yàn) 通過對(duì)番茄的葉片光合及產(chǎn)量進(jìn)行回歸擬合，建立光合速率、產(chǎn)量與灌水上限及施肥量的回歸模型如式（ 1） 、式（ 2） ： 21212212=14.6 0.55 0.52 1.810.74 0.16Yxxxxxx+光（ 1） 212 12212=7447.3 505.4 623.7 1164.3841.5 24.1Yxxxxxx+ +產(chǎn)（ 2） 式中： Y 光 、 Y 產(chǎn) 分別為葉片的光合速率 （ mol/(m2·s)）及產(chǎn)量（ kg/667 m2）函數(shù)； x1、 x2分別為灌溉上限及施肥量的編碼值（下同） 。 對(duì)式（ 1） 、式（ 2）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其相關(guān)系數(shù) R2分別為 0.93、 0.95，其顯著性結(jié)果及因素互作效果如表 2 所示。由表可知，式（ 1） 、式（ 2）均達(dá)到極顯著水平，表明灌溉上限、施肥量對(duì)番茄葉片光合速率及產(chǎn)量形成具有顯著影響。對(duì)其各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)知，各系數(shù)均達(dá)到顯著或極顯著水平，灌溉上限及施肥量耦合對(duì)光合存在顯著的負(fù)交互效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)量具有顯著的正交互效應(yīng)。 表 2 光合速率及產(chǎn)量模型方差分析 Table 2 Variance and significant analysis of models for photosynthesis rate and yield 光合速率 Photosynthesis rate 產(chǎn)量 Yield 方差來源 Source F 值 F value P 值 P value F 值 F value P 值 P value 模型 Model 18.26 0.0025 7.27 0.001 x16.3215 0.0307 3.4286 0.0138 x25.6293 0.0391 5.222 0.0004 x1267.8318 0.0001 18.1955 0.0001 x2211.5012 0.0069 9.5043 0.0001 x1x26.5 0.0273 3.9 0.0115 殘差 Residual error 2.3 0.156 1.46 0.18 失擬項(xiàng) Lack of fit 0.34 0.79 0.31 0.82 式（ 1） 、式（ 2）一次項(xiàng)系數(shù)的大小及正負(fù)能反映其主效應(yīng)的正負(fù)與大小12，由此可知，灌溉上限和施肥量對(duì)番茄的光合作用及產(chǎn)量均具有顯著的正效應(yīng)，且對(duì)光合作用的影響表現(xiàn)為灌溉上限大于施肥量，而對(duì)產(chǎn)量的影響則是施肥量大于灌溉 上限。 2.1.2 單因素效應(yīng)分析 單因素分析是將分析因素以外的因素固定為中間水平，僅考慮該單一因素對(duì)因變量的影響。分別對(duì)式（ 1） 、式（ 2）進(jìn)行降維處理得到灌溉上限及施肥量對(duì)葉片光合速率的影響模型如式（ 3） 、式（ 4） ，對(duì)產(chǎn)量的影響模型如式（ 5） 、式（ 6） ： 2111=14.6 0.55 1.81Yxx+光（ 3） 2222=14.6 0.52 0.74+光（ 4） 2111=7447.3 505.4 1164.3Yxx+產(chǎn)（ 5） 2222=7447.3 623.7 841.5+產(chǎn)（ 6） 式中：1Y光、2Y光分別表示光合對(duì)灌溉上限及施肥量的單效應(yīng)函數(shù)；1Y產(chǎn)、2Y產(chǎn)則表示產(chǎn)量對(duì)水肥兩因素的單效應(yīng)函數(shù)。 對(duì)上述單因子效應(yīng)模型作圖如圖 1。 a. 光合速率 a. Photosynthesis rate b.產(chǎn)量 b. Yield 圖 1 單因素對(duì)光合速率及產(chǎn)量的影響 Fig.1 Effect of single factor on photosynthesis rate and yield 由圖 1a 可知，當(dāng)施肥量處于中間水平時(shí)，光合速率隨著灌溉上限的上升呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)，當(dāng)灌溉上限編碼值為 0.15（ （ 3）的頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)灌溉上限編碼值）時(shí)光合速率達(dá)到最大，此后隨著灌溉上限的上升而快速降低。當(dāng)灌溉量處于中間水平時(shí)，光合速率隨施肥量的增加先緩慢且較小幅度第 10 期 李建明等：水肥耦合對(duì)番茄光合、產(chǎn)量及水分利用效率的影響 85 的下降后緩慢上升，當(dāng)施肥量編碼值為 0.35 時(shí)光合速率最低，圖 1a 說明灌溉上限和施肥量對(duì)葉片光合速率有一定的負(fù)相關(guān)效應(yīng)。由圖 1b 可知，水肥兩因子中任意一個(gè)因子編碼值為 0 時(shí)，產(chǎn)量均隨另一因子的變化呈現(xiàn)開口向下的拋物線形狀。當(dāng)施肥量處于中間水平時(shí)，灌溉編碼值為 1.414 0.216時(shí)產(chǎn)量隨灌溉上限的上升而增加，當(dāng)灌溉上限編碼值大于 0.216 時(shí)，產(chǎn)量逐漸下降，速度由慢變快，說明過度干旱或過度滯水均會(huì)加劇作物的減產(chǎn)；當(dāng)灌溉上限處于中間水平時(shí)，番茄產(chǎn)量隨施肥量的變化趨勢(shì)跟灌溉上限的大體一致，當(dāng)施肥量編碼值為0.37 時(shí)產(chǎn)量最高，說明在一定范圍內(nèi)施肥量的增加有利于產(chǎn)量的提高，施肥量太少或太多均會(huì)造成減產(chǎn)。圖 1b 也說明了灌溉上限和施肥量對(duì)葉片光合速率有著一定的正交互效應(yīng)。 2.1.3 邊際效應(yīng)分析 分別對(duì)上述單因素效應(yīng)函數(shù)（ 3）（ 6）求導(dǎo)得到番茄光合速率、產(chǎn)量隨灌溉上限及施肥量編碼變化的邊際函數(shù)（ 7）（ 10）如下，并作圖如圖 2所示。 11= 3.62 0.55Yx +光（ 7） 22=1.48 0.52Yx+光（ 8） 11= 2328.6 505.4 +產(chǎn)（ 9） 22=1683 623.7Yx +產(chǎn)（ 10） 式中：1Y光、2Y光表示光合對(duì)灌溉上限及施肥量的邊際函數(shù)；1Y產(chǎn)、2Y產(chǎn)表示產(chǎn)量對(duì)水肥二因素的邊際效應(yīng)函數(shù)。 由圖 2a 可知，番茄葉片邊際光合速率隨灌溉上限及施肥量編碼值的上升呈相反趨勢(shì)。圖上 Y 軸上方表示對(duì)邊際光合速率具有促進(jìn)作用，下方表示對(duì)邊際光合速率具有抑制效果。當(dāng)灌溉上限編碼值為 1.414 0.15 時(shí)，促進(jìn)邊際光合速率的增強(qiáng)，超過該范圍后具有抑制效果。當(dāng)施肥量編碼值為1.414 0.35 時(shí)對(duì)邊際光合速率起抑制作用，在0.35 1.414 時(shí)起促進(jìn)作用。由圖 2b 可知，當(dāng)灌溉上限編碼值為 1.414 0.216 時(shí)，對(duì)邊際產(chǎn)量具 有促進(jìn)作用，超過該范圍后則抑制邊際產(chǎn)量的形成。當(dāng)施肥編碼值為 1.414 0.37 時(shí)，促進(jìn)邊際產(chǎn)量的形成，超過該范圍后效果相反。綜上可知，當(dāng)灌溉上限編碼值為 1.414 0.15，施肥量編碼值為0.35 0.37 時(shí)有利于光合速率的增強(qiáng)和產(chǎn)量的提高。 a.光合速率 a. Photosynthesis rate b.產(chǎn)量 b. Yield 圖 2 光合速率與產(chǎn)量的邊際效應(yīng)分析 Fig.2 Marginal effect of photosynthesis rate and yield 2.1.4 水肥耦合對(duì)番茄葉片光合速率、產(chǎn)量的交互作用分析 葉片的光合速率受環(huán)境多因子的影響，這些因子并不是孤立存在的，它們之間必然存在著某種相互促進(jìn)或相互抑制的關(guān)系5。從圖 3a 可知，光合速率受灌溉上限及施肥量的交互影響。當(dāng)施肥量一定時(shí)，番茄葉片光合速率隨灌溉上限的上升而先上升后下降，變化趨勢(shì)很明顯。當(dāng)灌溉上限編碼值在 0附近時(shí)，光合達(dá)到最高；當(dāng)灌溉上限一定時(shí)，光合速率均隨施肥量的增加呈現(xiàn)緩慢先下降后上升的變化趨勢(shì)。由圖 3b 可知，番茄產(chǎn)量隨灌溉上限及施肥量的耦合效應(yīng)呈開口向下的凸面形狀，灌溉上限、施肥量過高或過低都會(huì)引起產(chǎn)量的降低。當(dāng)灌溉量和施肥量均處于最低水平時(shí)，產(chǎn)量最低。水肥任意一因子處于最高水平時(shí)產(chǎn)量均很低，而當(dāng)兩者均處于平均值附近時(shí)交互效果最顯著，產(chǎn)量最高。當(dāng)施肥量一定時(shí)，番茄產(chǎn)量隨灌溉上限的上升先上升后下降，變化趨勢(shì)很明顯，當(dāng)灌水上限編碼值在 0 附近農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 年 86 時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最高；當(dāng)灌溉上限一定時(shí)，產(chǎn)量隨施 肥量的變化同產(chǎn)量隨灌溉上限的變化趨勢(shì)大體一致。 a.光合速率 a. Photosynthesis rate b.產(chǎn)量 b. Yield 圖 3 灌溉上限及施肥量對(duì)光合速率及產(chǎn)量的耦合效應(yīng) Fig.3 Coupling effect of irrigation and fertilizer on photosynthesis rate and yield 2.2 水肥耦合對(duì)番茄水分利用效率的影響分析 各處理的產(chǎn)量、水分利用效率如表 3。由表可知， Q9 Q16 的產(chǎn)量最高，其次是 Q1 和 Q8， Q5的產(chǎn)量最低。同時(shí) Q9 Q16 的水分利用率也最高，其次是 Q3 和 Q8， Q7 的最低。由水分利用效率 Q1 Q2， Q3 Q4， Q8 Q9 知，當(dāng)灌溉量一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)肥料的增施能提高作物對(duì)水分的吸收利用，肥料太高不利于水分的吸收；同理，由 Q1、Q2 的水分利用率分別低于 Q3、 Q4，且 Q6 的水分利用率小于 Q9 知，當(dāng)施肥量一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)增加灌溉量有利用水分利用率的提高，水分過高反而會(huì)使水分利用率降低。在一定范圍內(nèi)，水肥對(duì)產(chǎn)量的影響具有相互促進(jìn)的關(guān)系，合理有效的水肥調(diào)控措施是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)的前提與重要基礎(chǔ)。 表 3 不同處理的產(chǎn)量及水分利用效率比較 Table 3 Comparison of yield and water utilization efficiency between different treatments 處理 Treatment 產(chǎn)量 Yield/(kg·667 m-2)水分利用效率 Water use efficiency/(kg·m-3) 處理 Treatment 產(chǎn)量 Yield/(kg·667 m-2) 水分利用效率 Water use efficiency/(kg·m-3) Q1 6624 31.2 Q9 7447 42.3 Q2 5548 25.5 Q10 6947 41.2 Q3 5905 35.6 Q11 8297 43.2 Q4 4733 32.1 Q12 7306 42.0 Q5 3970 29.4 Q13 8306 45.0 Q6 5745 25.5 Q14 6989 41.0 Q7 4534 25.1 Q15 7906 43.0 Q8 6473 36.2 Q16 7447 41.4 2.3 水肥耦合對(duì)番茄葉片光合速率、產(chǎn)量、水分利用效率的模擬尋優(yōu)及試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證 將灌水上限及施肥量分別設(shè)為 5 個(gè)水平，通過對(duì)其模擬尋優(yōu)得光合速率最高的灌溉上限、施肥量的編碼組合是（ 0， 1.414） ，說明中水高肥有利于光合速率的提高；得到番茄產(chǎn)量最高的灌溉上限、施肥量的編碼組合是（ 0， 0） ，其產(chǎn)量遠(yuǎn)大于水肥編碼組合為（ 0， 1.414）時(shí)的產(chǎn)量，說明中水中肥有利于產(chǎn)量的提高，中水高肥雖然光合速率最高，但使產(chǎn)量反而有所降低。當(dāng)灌溉上限編碼值為 0 時(shí)，無論施肥量處于何編碼值時(shí)光合速率速率均高于灌溉上限非 0 時(shí)的光合速率，且當(dāng)水分一定時(shí)，光合速率隨施肥量的變化很緩慢，說明當(dāng)灌溉施肥組合為（ 0， 0）時(shí)，產(chǎn)量最高，光合速率也較高。考慮到灌溉上限及施肥量的連續(xù)性，以省水省肥為根本出發(fā)點(diǎn)，以高產(chǎn)為主要目標(biāo)以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，通過計(jì)算機(jī)模擬尋優(yōu)，結(jié)合上述主效應(yīng)分析、單因子效應(yīng)分析結(jié)果及對(duì)光合、產(chǎn)量和水分利用率第 10 期 李建明等：水肥耦合對(duì)番茄光合、產(chǎn)量及水分利用效率的影響 87 的綜合分析，得出合理的灌溉施肥編碼值范圍是（ 0 0.15， 0.35 0.37） ， 即灌溉上限為 80% 82%，施肥量為 N 313.75 439.75 kg/hm2、 P2O5 156.55219.19 kg/hm2、 K2O 313.75 439.75 kg/hm2。 利用上述最優(yōu)水肥量組合進(jìn)行同樣的試驗(yàn)以驗(yàn)證其結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果測(cè)得番茄的光合速率為15.6 mol/(m2·s)，最高產(chǎn)量與水分利用效率分別可達(dá) 121.4 t/hm2、 40.8 kg/m3，與初試驗(yàn)結(jié)果（產(chǎn)量和水分利用效率最高分別達(dá)到 124 t/hm2、 43.2 kg/m3）相比有所降低但差異不顯著，說明初試驗(yàn)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。 3 討 論 水肥通過影響葉片色素9、氣孔或非氣孔因 素14以及葉片中的酶15等多種因素， 從而對(duì)植株的光合作用造成影響，進(jìn)而對(duì)其產(chǎn)量和水分利用率造成影響。灌溉上限與施肥量對(duì)光合作用的影響是不同的，水分對(duì)光合作用的影響重要性顯著高于施肥量5，這與本試驗(yàn)結(jié)果相似。本試驗(yàn)結(jié)果表明，中水高肥處理光合速率最高?？赡苁怯捎谶m宜水分條件下有利于提高氣孔導(dǎo)度，在適宜條件下增施肥料有利于提高葉綠素含量16，或者是中水高肥有利于提高土壤微生物群落多樣性和穩(wěn)定性，利于土壤生態(tài)環(huán)境的改善3，或是由于其有利于降低葉片中的Pro 和 MDA 的含量，從而促進(jìn)了作物的光合作用和蒸騰作用17。水肥處理對(duì)光合作用的影響機(jī)制比較復(fù)雜，有待今后的進(jìn)一步研究。另外，本試驗(yàn)結(jié)果還表明，過高或過低的水分對(duì)光合作用存在著顯著的負(fù)相關(guān)效應(yīng)，均不利于光合速率的提高，這與前人結(jié)果一致18-19，可能是因?yàn)樗趾头柿蠈?duì)于葉綠素的提高具有一定的拮抗作用18，合理的水肥調(diào)控是提高光合指標(biāo)的關(guān)鍵19。 產(chǎn)量與水分利用率是決定番茄栽培經(jīng)濟(jì)效益的首要指標(biāo)，提高產(chǎn)量與水分利用率是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。水肥是影響番茄產(chǎn)量及水分利用率的重要因素，發(fā)揮“以肥調(diào)水”對(duì)于提高作物的產(chǎn)量及水分利用率有極其重要的作用20-21。已有研究表明，施肥對(duì)提高番茄的產(chǎn)量和水分利用率的重要性大于灌溉22。施肥提高作物水分利用率的機(jī)理是由于其促進(jìn)了作物的根系發(fā)育及對(duì)水分的吸收、提高了作物的光合速率23，這在一定程度上解釋了本試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，本試驗(yàn)結(jié)果也在某種程度上驗(yàn)證了“有收無收在于水，多收少收在于肥”這句古諺的合理性。通過通徑分析表明，影響水分利用率最大的是光合作用和蒸騰作用24。當(dāng)灌水量一定時(shí)，水分利用率與產(chǎn)量呈線性相關(guān)。作物產(chǎn)量與光合速率不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是開口向下的二次曲線關(guān)系19，光合速率的適當(dāng)提高有利于產(chǎn)量的增加，進(jìn)而促進(jìn)水分利用率的提高。作物的產(chǎn)量和水分利用率與水分含量呈開口向下的拋物線關(guān)系8，水肥互作對(duì)作物的產(chǎn)量和水分利用率有顯著的影響25，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。本試驗(yàn)結(jié)果還指出，當(dāng)水分一定時(shí)，產(chǎn)量隨肥料的增加呈開口向下的拋物線狀，可能是過低或過高的肥料均不利于植株對(duì)水分的吸收和利用，從而造成減產(chǎn)，這與趙志華等的研究結(jié)果類似26。 李波等7已有研究結(jié)果表明，當(dāng)開花坐過期灌溉下限取 60%田間持水量，結(jié)果期灌溉上限取 90%田間持水量有利于產(chǎn)量與水分利用效率的提高，產(chǎn)量最高約達(dá) 91.7 t/hm2，水分利用效率達(dá)27.51 kg/m3。當(dāng)施 N 409.041 kg/hm2、 K2O 436.563 kg/hm2時(shí)，番茄的產(chǎn)量較高，水分利用率較高，經(jīng)濟(jì)效益最好6。本試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)施肥量為 N 313.75 439.75 kg/hm2、 P2O5156.55 219.19 kg/hm2、 K2O 313.75 439.75 kg/hm2，灌溉下限和上限分別為 50%和 80% 82%時(shí)，經(jīng)換算，產(chǎn)量和水分利用效率最高分別達(dá)到 124 t/hm2、43.2 kg/m3，經(jīng)濟(jì)效益最好。試驗(yàn)結(jié)果與李波等7相近，表明在節(jié)水節(jié)肥的同時(shí)，達(dá)到了高產(chǎn)高效的目的。 此外，本試驗(yàn)采用大棚膜下滴灌，就灌溉上限及 N:P2O5:K2O=2:1:2 施肥兩因素對(duì)番茄葉片光合、產(chǎn)量及水分利用效率的影響進(jìn)行了綜合研究，得出了它們之間的相互影響關(guān)系。而以前的試驗(yàn)多為灌溉定額及普通施肥或配方施肥對(duì)番茄單一或少數(shù)指標(biāo)的影響5,7-8。然而，由于一些處理方法和測(cè)量環(huán)境條件等的不同，可能導(dǎo)致與李波等7的少數(shù)研究結(jié)果不太一致，對(duì)于灌溉上限及定量施肥對(duì)番茄水肥利用效率還有待進(jìn)一步的研究。 4 結(jié) 論 1）建立了灌溉上限及施肥量對(duì)番茄光合與產(chǎn)量影響的模型，兩模型達(dá)到顯著水平， R2分別等于0.93 和 0.95。 對(duì)試驗(yàn)最優(yōu)水肥組合范圍進(jìn)行驗(yàn)證知，結(jié)果具有較高的重現(xiàn)性，表明模型較準(zhǔn)確，能夠?qū)?shí)際生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 2）番茄的光合作用隨灌溉上限的增加而先上升后降低，變化趨勢(shì)較快，隨施肥量的變化趨勢(shì)則相反；灌溉上限對(duì)光合作用的重要性大于肥料，兩者存在顯著的負(fù)交互作用。番茄的產(chǎn)量與水分利用率均隨灌溉上限及施肥量的增加而先上升后下降，施肥量對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響大于灌溉上農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 年 88 限，兩者存在顯著的正交互作用。水肥通過影響作物的光合作用進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量與水分利用率產(chǎn)生影響，它們之間具有相互影響、相互制約的關(guān)系。 3）通過計(jì)算機(jī)模擬尋優(yōu)，得出理想的灌溉施肥方案為：灌溉上限為 80% 82%田間持水量，灌溉下限為 50%田間持水量，施肥量為 N 313.75439.75 kg/hm2， P2O5156.55 219.19 kg/hm2： K2O 313.75 439.75 kg/hm2。在此條件下，番茄的光合速率可達(dá)到 15.6 mol/(m2·s)，產(chǎn)量與水分利用率分別達(dá) 124 t/hm2和 43.2 kg/m3，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)施栽培的高產(chǎn)、高效生產(chǎn)。 參 考 文 獻(xiàn) 1 Hebbar S S, Ramachandrappa B K, Nanjappa H V, et al. Studies on NPK drip fertigation in field grown tomato (Lycopersicon esculentum Mill.)J. European Journal of agronomy, 2004, 21(1): 117 127. 2 樊兆博，劉美菊，張曉曼，等 . 滴灌施肥對(duì)設(shè)施番茄產(chǎn)量和氮素表觀平衡的影響 J. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2011， 17(4)： 970 976. Fan Zhaobo, Liu Meiju, Zhang Xiaoman, et al. Effect of dripper fertigation on tomato yield and apparent N balance in a greenhouseJ. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(4): 970 976. (in Chinese with English abstract) 3 韋澤秀，梁銀麗，山田智，等 . 不同水肥條件下番茄土壤微生物群落多樣性及其與產(chǎn)量品質(zhì)的關(guān)系 J. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)， 2009， 33(3)： 580 586. Wei Zexiu, Liang Yinli, Yamada Satoshi, et al. Relation of soil microbial diversity to tomato yield and quality under different soil water conditions and fertilizationsJ. Chinese Journal of Plant Ecology, 2009, 33(3): 580 586. (in Chinese with English abstract) 4 Baselga Yrisarry J J, Prieto Losada M H, Rodríguez del Rincón A. Response of processing tomato to three different levels of water and nitrogen applicationsJ. Acta Hort, 1993, 335(1): 149 153. 5 周振江，牛曉麗，李瑞，等 . 番茄葉片光合作用對(duì)水肥耦合的響應(yīng) J. 節(jié)水灌溉， 2012(2)： 28 32， 37. Zhou Zhenjiang, Niu Xiaoli, Li Rui, et al. Coupling effects of irrigation and fertilizers on photosynthetic rate of tomato leavesJ. Water Saving Irrigation, 2012(2): 28 32, 37. (in Chinese with English abstract) 6 孫文濤，張玉龍，王思林，等 . 滴灌條件下水肥耦合對(duì)溫室番茄產(chǎn)量效應(yīng)的研究 J. 土壤通報(bào)， 2005， 36(2)：202 205. Sun Wentao, Zhang Yulong, Wang Silin, et al. Coupling effects of water and fertilizer on tomato yield under drip fertilization in greenhouseJ. Chinese Journal of Soil Science, 2005, 36(2): 202 205. (in Chinese with English abstract) 7 李波，任樹梅，楊培嶺，等 . 供水條件對(duì)溫室番茄根系分布及產(chǎn)量影響 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2007， 23(9)：39 44. Li Bo, Ren Shumei, Yang Peiling, et al. Impacts of different water supply on tomato root distribution and yield in greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(9): 39 44. (in Chinese with English abstract) 8 諸葛玉平，張玉龍，張旭東，等 . 塑料大棚滲灌灌水下限對(duì)番茄生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響 J. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2004，15(5)： 767 771. Zhuge Yuping, Zhang Yulong, Zhang Xudong, et al. Effects of lower limit of sub