郑健，朱传远，齐兴贇，魏佳芳，杨少鸿，孙强

不同生育阶段水/沼液一体化灌溉对番茄生长及产量和品质的影响

郑健1,2,3，朱传远1,2,3，齐兴贇1,2,3，魏佳芳1，杨少鸿1,2,3，孙强1,2,3

（1.兰州理工大学 能源与动力工程学院，兰州 730050；2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，兰州 730050；3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心，兰州 730050）

【目的】探究在番茄不同生育阶段施加沼液对其产生的影响，优化西北地区温室番茄水/沼液一体化灌溉模式。【方法】采用沼液浓度1∶4的溶液（沼液∶水，体积比）分别在番茄的苗期（P1处理）、开花作果期（P2处理）、果实膨大期（P3处理）和果实成熟期（P4处理）施用，并设置了不施用沼液的对照（CK），共5个处理，并在番茄不同生育阶段中测定了相关的生长生理及果实营养品质指标，分析番茄植株生长和糖分积累动态过程及产量品质在不同生育时期对水肥的响应。【结果】不同沼液处理均能促进番茄的生长以及干物质、产量和品质的形成；P2处理最有利于番茄叶面积的生长，P3处理次之，分别较CK增加了48.32%和36.89%；P3处理更有利于果实干物质积累，较CK增加了47.18%；可溶性糖、可滴定酸、糖酸比和硬度以P3处理最优，维生素C和可溶性固形物以P2处理最优。【结论】基于TOPSIS法的综合效益评价结果表明番茄的果实膨大期为产量品质形成的关键阶段，应当适度增加水肥的投入；果实成熟期的番茄对水肥的响应不明显，P4处理（1∶4，沼液∶水，体积比）水肥调控，可获得最适宜番茄吸收利用的水肥灌溉方案。

番茄；沼液；生育阶段；层次分析法；熵权法；TOPSIS

0 引言

【研究意义】中国是世界上番茄种植面积最大，产量最多的国家，年产番茄约5 500万t，占蔬菜总量的7%左右，种植面积约为24.67万hm2[1]。近年来，随着人们生活水平的日益提高，对番茄的品质提出了更高的要求，使得通过农业生产管理措施的改善，获得兼具高产且品质优良的番茄就显得尤为重要[2]。

【研究进展】水分和养分对作物生长及产量品质的形成作用并不是孤立的，二者之间是相互作用、相互影响[3-4]，水是养分向根系迁移的介质，作物生长发育所需要的水分和养分都是通过根系从土壤中吸收，根系对水分和养分汲取量取决于作物生长时期[5]。合理的养分投入可以促进作物根系生长发育，扩大作物获取水分和养分的土壤空间，提高作物根系的活性。因此，通过水肥的调控，可以对作物生长、产量和品质的形成产生一定影响[6-8]。目前现有的研究多集中于水和化肥协同对作物生长、产量和品质的影响[9-10]，而且化肥长期施用会引起土壤板结和酸化[11]，因此，近年来国内外的众多研究学者和政府机构都建议在肥料的施用中采用有机肥来替代化肥[12-13]。沼液作为沼气生产的副产物，富含大量的水解酶（纤维素酶、淀粉酶等）、有机物、无机盐类（铵盐、磷酸盐等）以及大量的营养元素（N、P、K等），有助于促进作物生长发育。沼液相比于化肥更容易被作物吸收利用，被认为是一种高效有机肥，广泛地应用于农业生产中[14-15]。沼液具有高水低肥的特性，不科学的施用会产生作物产量品质下降、土壤退化和地下水污染等问题[16-17]。因此，有必要开展沼液施用模式研究。

合理水肥利用模式的获得，要求不仅要从产量或某项单一品质指标考虑，更要从产量、品质、水肥利用效率等多指标进行综合分析[18]。目前，AHP法、熵权法和TOPSIS法相互结合在工程、经济以及农业领域都已经成功应用[19-21]。如高金花等[22]采用AHP-熵权法对农业节水技术综合效益评价；邵毅明等[23]基于熵权法和TOPSIS法的短时交通流预测模型性能综合评价；张桂莲等[24]基于“TOPSIS-AHP”模型的城市绿化生态技术集成方案优选。

【切入点】将AHP法和熵权法相结合确定指标权重，并采用TOPSIS评价方法来探究番茄不同生育时期水肥施加量对番茄生长状况及产量和品质的研究还较少。【拟解决的问题】为此，设计沼液质量浓度（1∶4，沼液∶水，体积比）在番茄不同生育时期进行施用，分析番茄的叶面积、干物质量、产量和品质的响应规律。同时建立综合评价指标体系，采用AHP法和熵权法确定评价指标的权重，通过TOPSIS评价方法获得综合评价指标评价排序和函数变幅值，为番茄水/沼液一体化技术模式的推广及应用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在甘肃省兰州市魏岭乡狗牙村的设施蔬菜水肥一体化示范点的温室大棚进行（北纬36°2′23"，东经103°42′39"）。试验区域海拔1 861.3 m，日照充足，干旱少雨，属温带大陆性气候，年平均气温10.5 ℃，无霜期150 d左右，年平均降水量352 mm，且多集中在夏、秋二季，年平均蒸发量1 175.0 mm。

1.2 试验材料

供试番茄品种为中研958F1。试验于2018年3月19日定植，定植时番茄幼苗为三叶一心，定植后每株灌溉2 000 mL保苗水，7月21日拉秧结束试验。番茄各生育时期的取样时间分别于苗期（4月18日）、开花作果期（5月14日）、果实膨大期（6月7日）、果实成熟期（7月21日）进行取样，测定番茄生理生长指标及产量品质指标。沼液是兰州市花庄镇荷斯坦奶牛养殖中心沼气池正常发酵，理化性质稳定，沼液从正常产气的沼气池抽出，经曝气静置2个月，待其理化性质稳定后，采用4层纱布过滤备用。沼液养分量：全氮1.148 g/L，全磷0.571 g/L，有机质10.31 g/L。试验温室内土壤黏粒、砂粒和粉粒质量分数分别为40.12%、38.62%、21.26%。种植前测得0～60 cm深度土壤养分状况为：有机质9.16 g/kg，全氮0.612 g/kg，全磷1.573 g/kg。1 m土体土壤平均体积质量1.34 g/kg，田间持水率为23.25%（质量含水率），0～60 cm土壤平均含水率为15.35%。

1.3 试验设计与布置

温室大棚长67 m，宽8.4 m，高4 m，小区间掩埋1 m深的塑料膜做防渗隔离，防止各小区水肥相互渗透，影响试验结果。小区采用当地典型的沟垄覆膜种植模式，单垄种植，垄宽30 cm，行距60 cm，株距60 cm，每个处理定植11株。试验设置5个处理（CK、P1、P2、P3、P4处理），每个处理重复3次，随机区组排列。CK为对照，番茄全生育期采用纯水灌溉；P1—P4处理分别在番茄的苗期、开花作果期、果实膨大期和果实成熟期施用1∶4的沼液（沼液∶水，体积比），具体试验方案如表1所示。灌溉量计算为[25]：=××，其中为作物-蒸发皿系数，本试验取0.6；为小区控制面积，本试验取30 cm×60 cm，为20 cm标准蒸发皿2次灌水间隔的累计蒸发量，蒸发皿放置在与作物冠层同高的位置。灌溉方式为穴孔灌溉[26]，穴孔布置在沿垄方向番茄植株二侧，距离植株均为8 cm处，灌溉频次设置为2 d/次，施沼频次为4 d/次，间隔灌溉清水（图1）。

表1 试验设计

图1 试验装置及土壤剖面探测设备

1.4 测定项目与方法

土壤体积质量和孔隙度[27]用环刀法测定，环刀规格为（内径50 mm，高51 mm）；土壤含水率采用土壤水分廓线仪（Diviner2000）测定，深度为60 cm，4 d测1次；同时，在番茄各生育阶段用土钻取土，土样采用烘干法测定，每个生育阶段1～2次；指示剂测定方法：可溶性固形物用WAY-2S型阿贝折射仪测定。采用钼蓝比色法[28]测定维生素C。采用蒽酮比色法[29]测定可溶性总糖。用0.1 mol/L的NaoH滴定法[30]测定可滴定酸酸度。各处理在不同的生育期内施用纯沼液量及水量见表2。

表2 试验在各生育期单株纯沼液施用量

注 表内数值为番茄单株纯沼液施用量，括号中的数值为单株纯水施用量。

试验结束时，叶面积采用图像法[31-33]测定，收集番茄叶片样本，从中获取图像，采用边缘检测对图像的叶片截面进行识别。干物质采用烘干法测定，每个生育阶段各取样4次，分别测定植株根、茎、叶、果干物质量。根系干质量和地上部分干质量测定时，先将取样的番茄植株从茎基部剪下，获得完整的冠部，然后将植物地上各部分分开，擦拭表面尘污后立即称其鲜质量，根系取样面积为植株周围30 cm×60 cm（其中沿垄方向植株两侧距离30 cm，垂直垄向植株两侧距离15 cm），取样深度60 cm，然后将其浸泡在盆中，到土体变得松散时冲洗根系，采用吸水纸吸干根系表面水分后测定其鲜质量，自然风干后和地上各部分分别放入信封内，在105 ℃干燥杀青30 min，并在75 ℃下干燥至恒质量，用1/100电子天平称取干质量。

测定各试验处理果实总产量，取算数平均值作为单株产量计算值。采用Excel 2010软件进行基于熵权法的各评价指标权重计算，以及基于TOPSIS法的综合评价指标评价排序和函数变幅值计算；采用SPSS 22.0软件对试验数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 叶面积响应规律

图2为沼液生育期调控对番茄叶面积的影响。从图2可以看出，各处理叶面积在全生育期均呈先增大后减小的变化趋势，在果实膨大期叶面积达到最大值；苗期采用沼液灌溉的P1处理，其叶面积明显高于其他各处理，分别比CK、P2、P3处理和P4处理高15.56%、15.24%、15.74%和16.09%，其他处理之间叶面积无明显差异；开花作果期采用沼液灌溉处理的P2处理，叶面积大幅提升，为各处理最高，分别比CK、P1、P3处理和P4处理高50.75%、10.02%、49.93%和48.96%，P1处理因在苗期采用沼液灌溉处理，与P2处理之间差异较小；果实膨大期P2处理叶面积为各处理最高，P3处理叶面积增幅最大，达到100.88%；果实成熟期除P4处理外各处理叶面积较果实膨大期均出现了下降，CK、P1、P2处理和P3处理分别下降了1.14%、5.23%、4.06%和6.06%。说明不同生育阶段进行水/沼液一体化灌溉会对番茄叶面积产生明显差异，在开花坐果期进行水/沼液一体化灌溉最有利于番茄叶面积的增加。

图2 沼液不同生育期调控对番茄叶面积的影响

2.2 干物质响应规律

从表3可以看出，不同处理番茄的总干物质积累量表现为P3处理>P2处理>P1处理>P4处理>CK，P3、P2、P1和P4处理较CK分别增加了47.18%、39.22%、17.67%、17.32%；果实的干物质积累量/总干物质积累量的大小表现为P3处理>P1处理>P4处理>P2处理>CK，P3、P1、P4、P2处理和CK果实干物质积累量占总干物质量占比分别为68.68%、67.30%、65.07%、64.51%、60.06%。表明番茄的干物质主要体现在果实。从各处理总干物质量、果实的干物质量以及果实干物质积累量占总干物质量占比来看，P3处理最高，达到406.69、279.32 g和68.68%，P2处理次之分别为384.70、248.17 g和67.30%。说明果实膨大期和开花作果期是番茄干物质形成的关键生育阶段，充分的水肥供应可以显著提高番茄的产量和干物质的形成。

表3 沼液不同生育时期调控对番茄干物质量影响

注 同列不同字母表示<0.05水平下差异显著（Duncan检验），下同。

2.3 产量品质

图3为在不同生育期施用沼液对番茄产量的影响。番茄产量从第1穗果实成熟到第5穗成熟，数据统计至第5穗果实成熟采摘结束。从图3可以看出，CK最低，P3处理最高。在整个生育期内，番茄产量排序为P3处理>P2处理>P4处理>P1处理>CK，各沼液处理比CK分别高22.57%、16.25%、11.06%和4.97%。不同生育期水肥供应对番茄产量影响差异不同。不同生育期施用沼液产量差异性排序为：果实膨大期>开花作果期>果实成熟期>苗期。苗期水肥供应对番茄产量影响最小，开花作果期、果实膨大期和果实成熟期水肥供应对番茄产量影响显著，果实膨大期水肥供应对番茄产量影响最为显著。

图3 各处理单株产量

番茄品质性状包括商品品质、感官品质和营养品质3个主要方面[34]，能反映番茄的质地、外观、口感的指标称为番茄的品质指标，可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、维生素C、可溶性固形物、硬度、番茄红素、有机酸等都属于番茄品质指标；本研究选取可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、维生素C、可溶性固形物、硬度作为品质指标进行对比分析，其中，糖酸比是衡量番茄风味的品质指标[35]；维生素C被认为是衡量番茄的营养品质的指标；而番茄果实硬度小不利于运输，容易裂果，不但会造成经济损失而且会影响番茄的风味和营养价值[36]。表4是沼液在番茄不同生育期调控对番茄品质的影响，从表4可以看出，可溶性糖以CK最低，以P3处理最高，P3处理较CK增加了55.83%，P1处理和P4处理无显著性差异（>0.05），分别较CK增长了34.97%、33.06%；可滴定酸以P3处理最高，CK最低，较CK增长了17.10%；糖酸比以CK最低，P3处理最高，P3处理较CK增加了33.02%；维生素C以CK最低，P2处理最高，较CK增加了24.42%；可溶性固形物以CK最低，P2处理最高，较CK增加了30.0%；硬度以CK最低，P3处理最高，较CK增加了48.73%。与CK相比，沼液在番茄不同生育阶段进行水肥供应调控，可溶性糖、糖酸比、维生素C、可溶性固形物、硬度均有提升。

表4 沼液不同生育期调控对番茄品质的影响

2.4 综合评价模型的建立

采用层次分析法（AHP），选取叶面积、干物质量、产量、可滴定酸、糖酸比、可溶性固形物、硬度、维生素C、可溶性糖9项指标构建了评价指标体系（表5）。

2.5 番茄单一指标权重的确定

1）AHP法番茄单一营养生长指标权重的确定。层次分析法（AHP）是一种定性和定量相结合的分析方法，根据番茄单一指标间的层次关系，构建的具有不完全层次关系的营养生长指标体系（表5），然后采用L-A-Medal比率标度法[37]，通过因素两两之间比较来构建判断矩阵，从而计算各层次相应指标的局部权重和最终权重（表5），最后采用yaahp软件进行分析。

2）基于熵权法番茄单一营养生长指标权重的确定。用番茄单一营养生长指标构造指标矩阵，建立基于熵权的多目标决策评价指标体系，采用熵权法（EWM）[38]计算各项评价指标的客观权重（表6，具体计算方法参见文献[39]）。从表6可以看出，番茄各单一营养生长指标对不同生育阶段水肥供应处理所确定的权重排序为，叶面积>可溶性糖>总干物质量>硬度>可溶性固形物>糖酸比>维生素C>产量>可滴定酸。由各指标权重可知，与生理生长相比，营养品质指标总体略高，叶面积最大，可滴定酸最小。

表5 判断矩阵和层次分析法AHP权重计算结果

注W表示相应元素对目标层的重要性权值，为局部权重，W1和W2以此类推；ω表示层相应元素对总目标的最终重要性权值，ω1和ω2以此类推。

表6 基于熵权法确定番茄单一营养生长指标的权重

3）番茄单一营养生长指标的最终权重。为了准确客观地评价各指标的重要性，有必要进行权重的集化，将指标的主观（AHP法）和客观（熵权法，EWM）的权重值进行融合，确定番茄单一营养生长指标的最终权重（表7）。

式中：ω和θ分别利用AHP法和熵权法确定的第个评价指标权重。

表7 基于层次分析法和熵权法番茄单一营养生长指标的最终权重

2.6 基于TOPSIS方法的番茄综合效益评价

TOPSIS根据最靠近最优解和最远离最劣解的原则来进行排序[40]。基于熵权法的TOPSIS法综合评价[41]指标及其排序如表8所示，从总体评价排序可以看出，P3处理贴近度最高，P2处理次之，说明在番茄果实膨大期和开花作果期施加养分，可使果实产量和品质达到最优水平。同时也表明番茄全生育期中果实膨大期水肥需求最大，在此时期施加水肥可以获得较高的番茄产量，并兼具较好的品质。

表8 TOPSIS法综合评价指标及其排序

3 讨论

叶面积和干物质量是反映植物生理生化指标、衡量植物有机物积累、营养成分多寡、作物栽培技术等方面的重要指标，对于深入研究光合效率、蒸腾速率和逆境胁迫等生理指标有重要意义[42]。本研究中番茄不同生育阶段施用沼液处理与CK相比均可提高番茄的单株叶面积和干物质积累量，但不同生育阶段施用沼液对番茄干物质积累量和叶面积的影响存在差异，番茄膨大期施用沼液的P3处理，干物质积累量和叶面积均为各处理最高，开花坐果期施用沼液的P2处理次之，苗期施加沼液的P1处理和果实成熟期施加沼液的P4处理对番茄叶面积影响不大。说明番茄叶面积和干物质形成的主要阶段在开花坐果期和果实膨大期。分析上述规律产生的主要原因是番茄苗期主要以营养生长为主，根茎叶干物质积累速率相对较快，在该阶段施加沼液主要用于番茄的茎叶生长，在番茄以生殖生长为主的阶段（开花坐果期、果实膨大期和果实成熟期）中存在养分供给不足，使得最终干物质质量较低。果实成熟期的中后期，番茄营养生长迅速减弱，大量叶面出现萎蔫、脱落，营养物质主要集中于果实中各物质的形成，同时P4处理仅在果实成熟期施用沼液，而番茄产量的形成关键在果实膨大期，使得该处理叶面积和干物质量均较低。王萍[43]在番茄不同生育阶段采用不同营养液浓度调控番茄干物质量的研究中也获得了相应的结果。作物不同生育期采用不同水肥施用模式有不同的增产效果[44]。本研究中施用沼液各处理番茄产量情况为：P3处理>P2处理>P4处理>P1处理，在果实膨大期施用沼液的P3处理最高，在开花坐果期施用沼液的P2处理次之，在苗期施用沼液的P1处理最低。进一步验证了作物产量形成的敏感阶段为开花坐果期和果实膨大期，同时也说明作物不同生育阶段施肥不但会影响作物产量的形成，而且还会对作物果实品质指标产生影响[45-47]。

从番茄品质指标来看，在番茄不同生育期施加沼液，可溶性糖、糖酸比、维生素C、可溶性固形物、硬度较CK均有所改善。P3处理的可溶性糖、可滴定酸、糖酸比和硬度指标均为各处理最高，而维生素C和可溶性固形物指标为P2处理最好，P3处理次之。说明对番茄品质指标影响最显著的生育阶段在番茄的开花坐果期和果实膨大期。初步分析主要原因为，开花坐果期和果实膨大期是番茄主要的生殖生长阶段，作物汲取的大部分养分集中于作物生殖器官的生长繁育，使得在这2个生育阶段进行水肥调控时，对作物产量的形成和品质指标的改善都产生了显著影响。张瑜等[48]对不同施氮量对油桃产量和品质的影响研究，以及韩启厚等[49]对不同生育时期施钾对番茄生长发育及蔗糖代谢调控的研究均获得了近似的研究结果。本试验将AHP法和熵权法相结合确定指标权重，并采用TOPSIS评价方法来探究番茄不同生育时期水肥施加量对番茄生长状况及产量和品质进行评价，可为提高番茄不同生育阶段营养生长提供科学依据，使在合理有效的施用沼液资源的同时减少化肥施用量。

4 结论

1）番茄叶面积和干物质积累量的大小受沼液施用影响显著，各沼液处理较CK均有所提高；最大值出现在P2处理和P3处理的果实膨大期为10 654.5 cm2/株和406.69 g/株。

2）不同生育期水肥供应对番茄产量影响存在差异；苗期和果实成熟期施用沼液随番茄产量影响较小，影响最大的生育期为果实膨大期，其次为开花坐果期。实际生产中可以按此规律调整生育期内施肥量的分配。

3）沼液在番茄不同生育阶段进行水肥供应调控，可溶性糖、糖酸比、维生素C、可溶性固形物、硬度均有所提升；可溶性糖、可滴定酸、糖酸比和硬度以果实膨大期施用沼液最优，维生素C和可溶性固形物以开花作果期施用沼液最优；果实膨大期是影响番茄综合营养品质的主要时期，其次是开花作果期。

4）基于TOPSIS法的番茄综合效益评价指标优属度排序为：果实膨大期>开花作果期>苗期>成熟期，表明番茄的果实膨大期是番茄生长和产量品质形成的关键阶段，应当适当增加水肥的投入。果实成熟期，番茄生长和营养品质基本完成，对水肥的响应不明显，在进行（1∶4，沼液∶水，体积比）水肥调控，可获得最适宜番茄吸收利用的水肥灌溉方案。

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The Effects of Irrigation with Diluted Biogas Slurry on Growth, Yield and Fruit Quality of Tomato

ZHENG Jian1,2,3, ZHU Chuanyuan1,2,3, QI Xingyun1,2,3, WEI Jiafang1, YANG Shaohong1,2,3, SUN Qiang1,2,3

(1.College of Energy & Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China;2.Key Laboratory of the System Biomass Energy and Solar Energy Complementary Energy System, Lanzhou 730050, China;3.Western energy and Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

【Objective】Irrigation is an environment-friendly way to treat liquid wastes of biogas digesters, but how to reduce its detrimental impact on soils and improve the use of its nutrients is critical to its sustainable application in agricultural production. The purpose of this paper is to study the impact of irrigation with diluted biogas slurry on growth, yield and fruit quality of tomato.【Method】The experiment was conducted in a greenhouse. Biogas slurry was diluted by freshwater at volumetric ratio of 1/4; it was then used to irrigate the crop at one of the following growth stages: seedling stage (P1), blooming and fruiting stage (P2), fruit expansion stage (P3) and fruit ripening stage (P4). Irrigation with freshwater was taken as the control (CK). For each treatment, we measured the growth physiology, nutritional quality of the fruits, as well as sugar accumulation.【Result】Irrigation with the diluted biogas slurry promoted growth, dry matter accumulation, yield and fruit quality of the tomato. Compared to P0, P2 and P3 increased the leaf area index by 48.32% and 36.89%, respectively, P3 accumulated more than 47.18% of the dry fruit-biomass. In addition, P3 also increased soluble sugar, titratable acid, sugar-to-acid ratio in the fruit, as well as fruit hardness most; and P2 improved vitamin C and soluble solids most significantly, compared to P0. Comprehensive benefit evaluation shows that fruit expansion was the key period for yield formation and fruit quality, keeping soil water and nutrients sufficient in which is hence essential. During the fruit ripening stage, the crop did not respond to irrigation and fertilization as noticeably as it did in other growing stages.【Conclusion】The optimal irrigation for greenhouse tomato is to dilute the biogas slurry with freshwater at 1∶4 volumetric ratio, and irrigate the crop at the fruit ripening stage.

tomato; biogas slurry; growth stage; analytic hierarchy process; entropy method; TOPSIS

1672 - 3317（2022）05 - 0064 - 08

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021164

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2021-04-20

国家自然科学基金项目（51969012）；杨凌示范区产学研用协同创新重大项目计划项目（2018CXY-14）；兰州理工大学红柳一流学科建设计划项目（0807J1）；甘肃省高等学校产业支撑引导项目（2019C-13）

郑健（1981-），男，甘肃会宁人。副教授，硕士生导师，博士，主要从事农业水土工程方面的研究。E-mail: zhj16822@126.com

责任编辑：白芳芳