控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄生长_果实产量及品质的影响_张强

网络出版时间：2014-10-10 10:06
网络出版地址：/kcms/doi/10.13287/j.1001-9332.20141010.011.html
控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄生长、果实产量及品质的影响*
张强1徐飞1, 2王荣富2束良佐1**刘瑞1张德雨1
（1淮北师范大学生命科学学院/资源植物生物学安徽省重点实验室，安徽淮北235000；2安徽农业大学生命
科学学院, 合肥230036）
摘要以高产大果型西红柿品种中研988为材料,采用分根培养的方法,研究了控制性分根交替灌溉(APRI)
条件下不同氮素形态(硝态氮、铵态氮)对番茄生长、产量及果实品质的影响.结果表明:同一灌溉方式或下限处
理下,铵态氮对番茄植株前期生长有利,而硝态氮促进番茄植株后期生长,并促进果实产量增加.在APRI同一灌
水下限下,硝态氮处理可提高果实维生素C含量及糖酸比,提高营养品质.同一氮素形态供应下,APRI番茄株高
和叶面积均小于正常灌溉(CK),但灌水下限为60%田间持水量(θf)的APRI处理番茄茎粗在生长后期有所增加.
在同一氮素形态下,与CK相比,APRI各处理的产量均下降,其中灌水下限在40%θf的APRI处理产量下降了
22.4%～26.3%;而灌水下限在60%θf的APRI处理仅下降了5.3%～5.4%,下降幅度相对较小,而品质显著提高,
并具有明显的节水效果.因此,控制灌水下限在60%θf、供应硝态氮的APRI处理为番茄高产、优质、节水的最
佳处理.
关键词氮形态交替灌溉番茄产量品质
中图分类号Q945.79文献标识码A
Effects of nitrogen forms on the growth, yield and fruit quality of tomato under controlled alternate partial
root zone irrigation. ZHANG Qiang1, XU Fei1,2, WANG Rong-fu1, SHU Liang-zuo1, LIU Rui1, ZHANG De-yu1
(1School of Life Sciences, Huaibei Normal University/Key Laboratory of Plant Resources and Biology of Anhui
Province, Huaibei 235000, Anhui,China; 2School of Life Sciences, Anhui Agricultural University, Hefei 230036,
China)
Abstract: The effects of nitrogen (N) forms (ammonium-N and nitrate-N) on the growth, yield and fruit quality of
tomato plants (cv. Zhongyan 988) under controlled alternate partial root zone irrigation (APRI) were examined in a
split-root experiment. Under the same irrigation mode and/or controlled soil water limitation treatment, ammonium-N
promoted plant growth at the early stage, while nitrate-N improved plant growth and development at the later stage
leading to higher biomass accumulation and fruit yield at harvest. Under APRI and the same soil water conditions,
plants of the nitrate-N treatment improved the content of vitamin C and the ratio of soluble sugar to organic acid and
thus facilitated fruit quality when compared with those of the ammonium-N treatment. Plant height and leaf area
under APRI treatment were lower compared with conventional irrigation (CK) under the same N form, but the stem
diameter under APRI treatment with 60%θf(field water capacity, θf) soil moisture showed a slight increase at the late
growth stage. Under the same N form, fruit yield was significantly lower in APRI treatment than that of the CK.
Compared with the CK, fruit yield decreased by 22.4%-26.3% under the APRI treatment with 40%θf soil moisture.
Under 60%θf soil moisture, the APRI treatment significantly improved fruit quality and water-use efficiency
compared with the CK regardless small reduction (5.3%-5.4%) in fruit yield. The experimental results suggested that
the APRI treatment with the lower limitation of soil moisture controlled at 60%θf and nitrate-N supply would be the
optimal option in terms of sustainable use of water resources and fertilizer.
Key words: nitrogen form; alternate partial root zone irrigation; tomato; fruit yield; fruit quality.
*国家自然科学基金面上项目(31071868)、教育部高校留学回国人员科研项目和资源植物生物学安徽省重点实
验室项目(ZYZWSW2014004)资助.
**通讯作者. E-mail: shulz69@
2014-02-26收稿，2014-09-15接受.
伴随世界范围内水资源的日益紧缺与农业灌溉用水利用效率较低的矛盾不断激化，作物产量和水分利用效率的同步提高已成为当今节水农业所追求的一个主要目标[1]。

在节水的前提
下，国内外开发了多种灌溉技术，其中根系分区交替灌溉是一种切实可行的节水灌溉技术[2-3]。

康绍忠等[4]在国内外研究与实践的基础上，进一步系统地提出控制性分根交替灌溉的农田节水
新概念，并且在理论和应用方面开展了系统而深入的研究[4-5]。

关于控制性分根交替灌溉已经
在许多作物上做了大量研究[4-6]，结果表明，控制性分根交替灌溉能够控制植物的营养生长，
显著降低蒸腾，能够达到不牺牲光合产物积累和产量而大幅度提高作物水分利用效率的目的。

在农业生产上，灌溉的同时往往追施氮肥。

氮素是作物生长发育所必需的营养元素，能够显
著影响作物生长，不同氮素形态对植物生长发育和抗旱性有不同影响[7-8]。

目前，关于控制性
分根交替灌溉下水氮互作的研究已越来越受到关注[9-11]，而在交替根区灌溉方式下，如何合理
施肥和设置灌溉下限，从而提高资源利用效率和作物产量则成为水肥耦合研究的热点[12]。

番
茄（Lycopersicon esculentum）是我国设施栽培的主要蔬菜品种之一，在番茄的设施栽培中，
土壤水分和施肥管理是其高产栽培的关键技术环节。

因此，本研究采用水肥需求量较大的番茄作为研究材料，通过盆栽分根试验的方式，研究控制性分根区交替灌溉方式下氮形态对番茄生长、产量及品质的影响，以期探索番茄高产、优质、高效的水氮组合，为交替根区灌溉下水肥高效利用提供理论依据和指导。

1 材料与方法
1.1试验材料与试验方法
试验于2012年在安徽省淮北市杜集区滂汪无公害蔬菜基地设施大棚内进行。

试验采用盆栽的方式，选用口径30cm、高27cm的白色塑料花盆。

用塑料薄膜在花盆正中间隔开形成大小一致的两个区室，每个区室装入4.89kg的风干土壤，即每盆装风干土壤9.78kg。

土壤取自淮北市郊一无公害蔬菜基地，土壤铵态氮6.80mg·kg-1、硝态氮18.37 mg·kg-1、全氮417.89 mg·kg-1、全磷521.36 mg·kg-1、全钾376.21 mg·kg-1、容重1.35g·cm-3、有机质14.14g·kg-1、田间持水量21.9%。

capacity (θf) in the two compartments
X60土壤供应硝态氮、干燥侧水分下限达到60%θf时对该侧根室进行灌溉
Nitrate N was supplied.The water-stressed compartment was irrigated when its lower limit of soil moisture reached to 60%θf
X40土壤供应硝态氮、干燥侧水分下限达到40%θf时对该侧根室进行灌溉
Nitrate N was supplied.The water-stressed compartment was irrigated when its lower limit of soil moisture reached to 40%θf
CKA 土壤供应铵态氮、两侧正常灌溉(90%θf)
Ammonium N was supplied. Normal irrigation:To keep soil moisture at 90% field water capacity (θf) in the two compartments
A60土壤供应铵态氮、干燥侧水分下限达到60%θf时对该侧根室进行灌溉Ammonium N was supplied.The water-stressed compartment was irrigated when its lower limit of soil moisture reached to 60%θf
A40土壤供应铵态氮、干燥侧水分下限达到40%θf时对该侧根室进行灌溉Ammonium N was supplied.The water-stressed compartment was irrigated when its lower limit of soil moisture reached to 40%θf
1.2测定项目及方法
1.2.1形态指标的测定株高：用卷尺测量茎基部到苗顶的长度。

茎粗：离地面1cm处用数显游标卡尺测量，精度0.01mm。

叶面积：收苗前从植株的上中下不同部位选取若干叶片用EPSON 扫描仪（Epson Perfection V700 Photo, Epson, 日本）扫描，并用Win FOLIA REG 标准版叶面积分析软件（Regent Instruments, Inc., Quebec, 加拿大）计算叶面积，之后烘干称量，得出叶面积与干质量的比例，收苗时测其全部叶片质量，并依此求出整株叶面积。

1.2.2叶片光合指标的测定随机选取新完全充分展开的叶片，用Li-6400光合仪(Li-cor, 美国)在晴天9：00—11：00测定光合速率等光合指标。

每个叶片等待读数稳定之后读取4～6个数据，取其平均数代表该叶片光合参数，包括净光合速率（P n）、气孔导度（g s）、蒸腾速率（T r）等指标。

1.2.3叶片生理指标的测定选择植株完全展开的新成熟叶片测定生理指标。

叶绿素(Chl)含量直接用便携式叶绿素测定仪（SPAD，日本）测定，叶片水势（ψLeaf）用压力室仪（SEC-3005，美国）测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[13]测定。

1.2.4
持糖量计2,6-二氯1.3
A）比较2
2.1
由图
图1控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄叶片水势(ψLeaf)的影响
Fig.1 Effects of nitrogen forms on leaf water potential (ψLeaf) of tomato under controlled partial root-zone irrigation.不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) Different small letters meant significant difference at 0.05 level among treatments.下同The same below.
2.2控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄叶片丙二醛（MDA）和叶绿素（Chl）含量的影响
由图2可见，同一灌溉处理下，前期硝态氮供应的植株叶片MDA含量显著高于铵态氮处理；但是到中期时，铵态氮处理的植株MDA含量高于硝态氮处理；至生长后期，两种氮形态处理的MDA含量均降低。

交替灌溉处理的植株叶片MDA含量均高于正常灌溉处理，并且随着灌溉下限的降低，植株叶片MDA含量显著升高。

硝态氮供应的番茄植株Chl含量随着生长过程呈现先增加后降低的规律，而铵态氮供应
的植株Chl含量在后期显著下降（图2）。

在同一灌溉处理下，前期铵态氮处理Chl含量相对较高，但随着植株的生长，硝态氮处理植株Chl含量逐渐超过铵态氮处理。

正常灌溉下Chl 含量与水分下限控制在60%θf的交替灌溉处理没有显著差异，但都显著高于水分下限控制在40%θf的交替灌溉处理。

图2控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄叶片丙二醛（MDA）和叶绿素(Chl)含量的影响
Fig.2 Effects of nitrogen forms on malondialdehyde (MDA) and chlorophyll (Chl) contents of tomato leaves under controlled partial root-zone irrigation.
2.3控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄株高、茎粗和叶面积的影响
由图3可见，番茄株高在前期-中期增长较快，而后增长有所减缓。

灌溉处理和氮形态对番茄全生育期内的株高都会产生明显的影响。

在番茄生长前期，同一灌溉处理下铵态氮供应的植株株高高于硝态氮处理，不同灌溉处理间只有水分下限控制在40%θf的交替灌溉处理株高显著下降。

但随着番茄的生长，在中期和后期，同一灌溉处理下硝态氮供应的植株株高都超过了铵态氮处理；交替根区灌溉显著降低了植株株高，在低水分下限下株高下降更明显。

在植株生长后期，两个水分控制下限下，硝态氮处理株高分别下降5.3%、14.4%，铵态氮处理分别下降6.7%、15.5%。

番茄叶面积的变化与株高对不同水氮处理的响应一致（图3），只是在生长前期不同灌溉处理已经显著影响了叶面积，并且在后期两个交替灌溉下限下硝态氮处理的植株叶面积分别下降了15.5%、43.6%，铵态氮处理分别下降了12.9%、37.1%。

这说明叶面积对灌溉处理比株高变化更敏感。

植株茎粗在前期的变化规律与株高表现一致（图3），而在中期仅水分下限控制在40%θf 的交替灌溉处理显著低于其他水分处理。

在后期茎粗表现为水分下限控制在60%θf的交替灌溉处理有增粗的趋势，并在硝态氮供应下显著高于其他两个水分处理。

在中期和后期硝态氮处理的植株茎粗都高于相应水分下的铵态氮处理。

表明适当的水分控制可以促进植株的茎粗增长。

图3控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄叶片株高、茎粗和叶面积的影响
Fig.3Effects of nitrogen forms on plant height, stem thickness and leaf area of tomato under controlled partial root-zone irrigation.
2.4控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄叶片光合作用的影响
从图4可以看出，植株的P n 在前期、中期较高，后期明显降低。

同一灌溉处理下，在植株生长前期，铵态氮处理的植株P n 超过硝态氮处理，至生长中期、后期，硝态氮处理的植株P n 超过铵态氮处理。

同一氮形态不同灌溉处理之间，正常灌溉与水分下限控制在60%θf 的交替灌溉处理番茄植株P n 差异不显著，但两者都显著高于水分下限控制在40%θf 的交替灌溉处理，说明当交替灌溉下限设置适当时不会影响P n ，而设置过低时会导致P n 显著下降。

T r 对水氮耦合的响应与P n 有类似的规律（图4），但是在生长后期T r 下降幅度小于P n 。

在同一灌溉处理铵态氮供应下，前期植株g s 高于硝态氮供应的植株（图5）
，而在中期低于硝态氮供应的植株，且不同灌溉处理之间差异基本都达到显著水平。

到后期正常灌溉下铵态氮供应的植株g s 显著低于硝态氮供应的植株，交替灌溉下g s 在不同氮形态处理间差异不显著，而水分下限控制在40%θf 时g s 显著降低。

图4控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄叶片光合速率(P n )、蒸腾速率(T r )和气孔导度(g s )的影响
Fig.4Effects of nitrogen forms on net photosynthesis rate (P n ), transpiration rate (T r ) and stomatal conductance (g s ) of tomato leaves under controlled partial root-zone irrigation.
2.5控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄果实产量和品质的影响
由于前期番茄处于营养生长阶段，没有果实，因此果实产量从中期开始比较。

在中期，不同灌溉处理已显著影响果实产量，并随交替灌溉及其水分下限的降低产量显著下降，硝态氮供应下番茄产量高于相应铵态氮供应植株（图5）。

后期的产量规律与中期相似，但是各处理产量大幅度提高。

硝态氮供应下正常灌溉的植株产量最高，达到每株3.77kg ，水分下限控制在60%θf 时达到每株3.56kg ，仅下降了5.4%，而控制下限在40%θf 时仅每株2.78 kg ，下降了26.3%；铵态氮供应下，60%θf 、40%θf 控制下限下产量分别下降了5.3%、22.4%。

同一灌溉处理不同氮形态之间比较，CKX 、X 60、X 40比CKA 、A 60、A 40分别高19.5%、19.3%、15.4%，平均高18.1%。

由此可见，水分下限控制在60%θf 的交替灌溉处理能够大幅度节水，且对产量影响较小，而40%θf 虽然能够节水，但是产量下降幅度较大。

40
CKA A60 A406.86±0.24b
6.93±0.17b
7.51±0.19a
15.10±0.69e
17.45±0.82d
21.10±1.18c
6.12±0.28c
6.76±0.30b
7.52±0.32a
0.44±0.02a
0.37±0.02b
0.36±0.02b
13.77±0.15e
18.21±0.26d
20.95±0.21b
50.64±4.10e
58.01±4.12d
69.30±4.02c
同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) Different small letters in the same column meant significant difference at 0.05 level among treatments.
2.6 控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄瞬间水分利用效率(IWUE)的影响
从图6可以看出，番茄的IWUE在前期、中期较高，后期明显降低。

同一灌溉处理下，在植株生长的前期和中期，铵态氮处理的植株IWUE超过硝态氮处理的植株，至生长后期，硝态氮处理的植株IWUE超过铵态氮处理的植株。

同一氮素形态不同灌溉处理之间，前期水分下限控制在60%θf和40%θf的植株IWUE差异不显著，但两者都显著高于正常灌溉处理；中期水分下限控制在40%θf的植株IWUE显著高于水分下限控制在60%θf的处理，两者都显
著高于正常灌溉处理；而后期水分下限控制在60%θf处理的植株IWUE显著高于水分下限控制在40%θf的处理，两者都显著高于正常灌溉处理。

图6控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄瞬时水分利用效率(IWUE)的影响
Fig.6Effects of nitrogen forms on instantaneous water use efficiency (IWUE) of tomato under controlled partial root-zone irrigation.
3讨论
3.1 控制性分根交替灌溉对番茄产量与品质的影响
本研究发现，同一氮形态下，交替灌溉各处理的产量尽管低于正常灌溉，但与灌水下限40%θf的交替灌溉相比，灌水下限60%θf的交替灌溉处理产量降幅并不大，仅比正常灌溉下降了5.3~5.4%（图5）。

灌水下限60%θf的交替灌溉处理的产量降幅较低，与该处理对番茄植株的P n影响较小而显著影响其g s并降低T r有关，这与其他研究者进行控制性分根交替灌溉时较低的灌水下限处理使园艺作物、玉米作物的g s降低的结果相似[16-18]。

这主要是因为交替灌溉时，干燥一侧根系受到干旱胁迫后产生的脱落酸（ABA）可随蒸腾流运至地上部分，促使气孔关闭。

而部分气孔关闭有利于减少g s，降低奢侈蒸腾，同时g s的降低在一定范围内对P n影响不大，因而导致叶片水分利用效率大幅度提高。

上述试验结果同时也表明，在农业生产实践中进行交替灌溉时需要设置合理的灌水下限，才能达到节水稳产的目的，这与其他研究者的研究结论一致。

如刘贤赵等[19]在研究根系分区交替灌溉不同灌水上下限对茄子生长与产量的影响时发现，设置合理的灌水下限（50%θf）的交替灌溉处理灌水利用效率比常规灌溉提高了43.4%，产量增加10.8%；而过低的土壤含水率灌水下限会使产量降低。

胡笑涛等[20]研究也发现，控制性分根交替灌溉在适宜的水分条件下能够大大降低番茄耗水强度，使耗水过程趋于平缓，有利于控制植株长势、壮大茎杆直径，在番茄产量无显著下降的情况下可实现节水46.5%。

交替灌溉处理能提高番茄果实Vc含量、可溶性糖含量和果实硬度，降低有机酸含量，其变化幅度与水分供给水平密切相关，这与前人的研究结果[21-22]基本一致。

其原因可能是：水分胁迫能够提高可溶性酸性转化酶和细胞壁转化酶的活性，增加转化酶含量，从而导致己糖和蔗糖等可溶性糖含量的提高[21]。

糖酸比决定番茄风味品质[22]，本试验表明，交替灌溉处理能提高番茄果实糖酸比，降低有机酸，果实风味品质得以改善。

此外，在本试验中，在同一氮形态下，水分下限控制在40%θf的交替灌溉处理的Vc含量和果实可溶性糖含量最高，果实有机酸含量最低，这表明灌水量的减少有利于果实品质的提高。

产量是衡量灌溉水分调控效果的一项重要指标，也是种植者直接关心的问题[23]，而且评价某一灌水处理的优劣，不能仅从果实品质高低来衡量。

所以，尽管40%θf的灌水下限有利于果实品质的显著提高，但是由于其导致番茄减产22.4%~26.3%，因此并不是一个最佳的灌水下限选择。

3.2控制性分根交替灌溉下氮形态对番茄生长、产量与品质的影响
铵态氮与硝态氮对植株生长产生的效应明显不同[8,24]。

本研究发现，在番茄生长发育的前期阶段，无论是正常灌溉还是分根交替灌溉条件下，铵态氮处理的植株各形态指标均超过了硝态氮处理（图3），表明铵态氮在番茄生长发育的前期阶段具有促进幼苗生长的效应，这与王海红等[25]的研究结果基本一致。

铵态氮增大了叶绿体的体积，从而增加了叶绿素含量[26]；植株体内铵态氮含量的增加，提高了叶绿素合成前体谷氨酸或α-酮戊二酸的含量，促进了叶绿素的合成[27]。

此外，铵态氮进入植物体后，还可以促进以光合作用关键酶Rubisco为主的可溶
性蛋白质的合成[25]，提高Rubisco的含量或活性，即提高Rubisco的羧化能力从而增强作物的光合作用[8]。

而在番茄生长发育过程的中后期阶段，无论是正常灌溉还是控制性分根交替灌溉条件下，硝态氮处理的植株各形态指标都超过了铵态氮处理（图3），这可能是由于铵态氮处理的植株在后期叶绿素含量下降、光合能力与转化效率降低所致[28]。

有研究表明，当铵态氮作为唯一氮源长期供应时，在叶片中积累过多铵离子会导致中毒，植物表现出明显的胁迫症状：叶片和根系生长受阻，同时干物质累积也减少[29]。

Knight等[30]发现，土壤中的硝态氮比铵态氮更有益于马铃薯的产量和多数品质特性。

本研究也发现，硝态氮供应下番茄的产量高于相应铵态氮处理（图5），而且当交替灌溉水分下限控制在60%θf时，硝态氮供应显著提高了番茄叶片的水分利用效率（图6）。

番茄是一种对硝态氮反应良好的作物，施用硝态氮不但能提高其产量，也能改善其品质（表2）。

光合作用是作物最基本的生理过程之一，作物产量的提高都是通过各种农事活动直接或间接的改善作物的光合能力来实现的[31]。

在番茄生长的中后期，同一灌溉处理下硝态氮处理的植株光合速率超过了铵态氮处理，从而导致产量比相应的铵态氮处理高。

本试验中充分灌溉条件下，硝态氮处理的番茄果实Vc含量和硝酸盐含量均显著高于铵态氮处理，而硝态氮处理的糖酸比显著低于铵态氮处理；但在交替灌溉条件下，硝态氮处理的番茄果实Vc含量、糖酸比、硝酸盐含量均显著高于铵态氮处理（表2）。

交替灌溉条件下硝态氮处理能够提高番茄果实风味品质，这可能是由于交替灌溉条件下水氮耦合效应所致，有待深入研究。

施用硝态氮容易增加硝酸盐的积累，但在本研究中，尽管硝态氮处理提高了番茄果实硝酸盐含量，但是均低于我国制定的一级标准(98mg·kg-1)规定的限量，在食用安全范围内。

4 结论
进行交替灌溉时需要设置合理的灌水下限才能达到节水稳产的目的。

在同一形态氮肥供应下，与正常灌溉相比，灌水下限为40%θf的交替灌水处理番茄产量下降了22.4%～26.3%；而灌水下限为60%θf的交替灌水处理番茄产量下降幅度并不大，仅比正常灌溉下降了5.3%～5.4%。

交替灌溉可以明显改善番茄果实的主要品质，与正常灌溉相比，交替灌溉可提高番茄果实Vc含量、可溶性糖含量、硬度和糖酸比，减少有机酸含量，其变化幅度与水分供给水平密切相关。

同一灌溉方式或灌水下限处理下，铵态氮处理对番茄植株前期的生长发育有利，而硝态氮处理则对番茄植株中后期的生长发育有利；交替灌溉下硝态氮处理的番茄果实Vc含量、糖酸比、硝酸盐含量均显著高于铵态氮处理，可明显提高番茄果实风味品质。

综合考虑产量、水分利用效率和品质，灌水下限控制在60%θf、供应硝态氮的交替灌溉处理为番茄高产、优质、节水的最佳处理。

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作者简介张强，男，1976年生，博士，副教授。

主要从事植物生理生态科研与教学工作。

E-mail: zhangq@
责任编辑张凤丽。