李旺雄，张 洋，唐中祺，*，郁继华，2

(1.甘肃农业大学 园艺学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070)

近年来，随着我国设施农业的快速发展，设施栽培中土传病害、连作障碍、土壤盐渍化问题日益显著，严重导致蔬菜品质下降和产量降低。同时，设施土壤栽培模式制约了设施蔬菜栽培，改变蔬菜栽培的方式非常重要。基质栽培是一种主要以农作物秸秆和农家畜禽粪便为主要材料，添加蛭石、草炭、河沙等物质，经过发酵腐熟形成基质，用来固定植物根系，并通过形成的基质吸收营养液和氧的一种无土栽培方式。于静湜等研究发现，基质栽培相比土壤栽培更有利于植物生长发育。王启璋等研究发现，与营养液栽培相比，设施大规模生产宜选用基质栽培。另外，基质栽培在调节土壤pH值、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾，防止叶斑病、灰霉病发生方面好于土壤栽培，对于防治根部病虫害、克服连作障碍、提高养分传输效率、增产增效、防止养分流失等方面基质栽培相比土壤栽培有更显著的效果。

番茄(L)是我国设施栽培的主要蔬菜作物之一，含有丰富的糖、酸、蛋白质、维生素C(V)、番茄红素和矿质元素等营养物质，具有抗衰老和健胃消食等作用。相比其他蔬菜生产，番茄具有生长周期长、养分需求量大等特点，在生产中盲目施肥以获得高产成为一种普遍现象。基质栽培作为一种根域限制栽培方式，缓冲能力弱，相比土壤栽培，对水分、养分等方面的栽培管理水平要求较高，尤其在养分施用比例、施用量等方面存在较大盲目性；因此，容易出现蔬菜产品产量和品质难以保证、农业生产成本加大、肥料利用率低等问题。马乐乐等的研究更关注合理施肥对蔬菜产量和品质等的影响。虽然目前对设施蔬菜生产上土壤栽培和基质栽培的比较，以及基质配方的研究较多，但对于基质栽培施肥量的问题研究较少，尤其是设施基质栽培番茄的研究。因此，本研究通过水肥一体化设备配合日光温室进行番茄越冬茬基质栽培，探索有效改善番茄果实品质、增产增效的平衡施肥技术。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄材料品种名184，由沈阳佳和园艺科技有限公司生产。

供试化肥为普通市售磷酸二铵(N含量15.5%、PO含量46%)，硝酸铵钙(N含量15%)，农用硫酸钾(KO含量52%)。

试验基质购于甘肃省绿能瑞奇农业科技股份有限公司，基质体积配比为牛粪∶椰糠∶草炭=1∶2∶2；基质养分含量为：全氮(N)4.15 g·kg、全磷(P)1.062 g·kg、全钾(K)1.68 g·kg、碱解氮52.81 mg·kg、速效磷85.25 mg·kg、速效钾158.44 mg·kg。基质pH值为7.4，电导率(EC)为0.87 mS·cm。

1.2 试验设计

试验在甘肃省榆中县李家庄栖云山国家田园综合体六区2号温室进行，2019年9月15日育苗，11月2日定植，定植前一次性施入有机肥400 kg·667m，并于2020年2月19日开始采收，4月30日采收结束。采用槽式栽培，槽宽0.4 m，槽长9 m，栽培株距0.40 m，行距0.70 m。

按照N、P、K平衡施肥原理设计4个处理，分别为不施肥(CK0)、常规施肥(CK)、平衡施肥1(T1)、平衡施肥2(T2，施肥量较T1减少10%)。T1处理基于理论施肥量每生产1 000 kg番茄需要N 3.5 kg、P 0.9 kg、KO 3.9 kg，设定目标产量5 500 kg，N、P、K理论利用率分别为50%、30%、40%计算得出。T2处理施肥量较T1处理减少10%。常规施肥量为当地农户传统栽培的化肥施用量(每667 m施N 23.7 kg、P 38.4 kg、KO 72.9 kg)。4个处理的具体施肥量见表1。每小区长9 m、宽1.4 m，面积为12.6 m，每处理设置4个重复，试验区面积共计201.6 m。利用水肥一体化设备通过膜下滴灌的方式精确分次将水肥输送至番茄根际区域，田间其他管理与当地农户管理一致。

1.3 测定指标

1.3.1 生长生理指标

待番茄植株生长至盛花期，采取随机标记株取样(每处理标记20株)，株高、茎粗和叶片数每处理随机标记5株进行测定，光合参数选取第3穗果的功能叶测定；根系活力随机选取3株连同根系基质带回实验室测定。

生长指标：于2020年1月5日番茄盛花期，采用游标卡尺和卷尺测定植株的株高、茎粗。

表1 不同处理施肥用量

根系活力：将番茄地下部用清水洗净，称取0.1 g，采用绿化三苯基四氮唑法(TTC法)用分光光度计测定。

光合参数：于晴天09：00至11：00使用CIRAS-2便携式光合作用仪(PP System Inc.，Amesbury，MA 01913，USA)测定各处理植株功能叶的净光合速率(net photosynthetic rate，)、胞间二氧化碳浓度(intercellular COconcentration，)、蒸腾速率(transpiration rate，)、气孔导度(stomatal conductance，)指标。

叶绿素含量采用丙酮浸提法测定。取植株的功能叶片，去除中脉并剪碎，称取混合样品0.2 g置于25 mL试管，加入15 mL体积分数80%丙酮，遮光，每4 h振荡1次，直至叶片变白后在645、663、470 nm测定吸光度(值)，计算其光合色素含量。

叶绿素a(Chla)含量=12.71×-2.59×；

叶绿素b(Chlb)含量=22.88×-4.67×；

叶绿素a+b(Chl a+b)=20.29×+8.04×；

类胡萝卜素(Car)=4.7×-0.27×Chl a+b。

1.3.2 果实外观性状和品质

在番茄成熟期分批采摘，用随机取样的方法取成熟度相近的番茄第3穗果的6颗果实进行测定。

选取果实横径的中央部位，采用GY-4数显式水果硬度计测定果实硬度。使用万分之一电子天平测定番茄果实鲜重。用DGG-9140B型恒温鼓风干燥机(上海森信实验仪器有限公司产品)将番茄烘至质量不变，用万分之一电子天平称量番茄果实干重。使用游标卡尺测量果实横径、纵径。取3个果实的向光面，横纵径交叉部位取样，采用PAL-1手持式折射计测定可溶性固形物含量；取3个果实的四分之一部分，用匀浆机打匀，参照文献[18]的方法，采用2，6-二氯酚靛酚钠法测定维生素C(V)含量，采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量，采用水杨酸法测定硝酸盐含量，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，采用碱液滴定法测定有机酸含量。

1.3.3 矿质元素含量

取成熟度相近的第3穗果的3颗果放入鼓风干燥烘箱，烘至质量不变，用研钵研碎过100目(孔径0.15 mm)的筛子，然后混合装袋备用。称取干样0.5 g倒入耐高温锥形瓶，加入5 mL浓硫酸放置6 h，加入10 mL过氧化氢进行消煮，消煮至锥形瓶溶液澄清后用蒸馏水定容至50 mL容量瓶备用。磷(P)元素采用分光光度法测定；铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)采用原子火焰吸收光度法测定。

1.3.4 产量

待番茄成熟后，共留7穗番茄果实，进行分批次采收，称量并记录每处理标记株的单果重、单株果数；采用随机标记的20株番茄平均产量折合计算每667 m产量。

1.3.5 相关性分析与主成分分析

将番茄品质、矿质元素含量与产量数据导入SIMCA 14.1软件，进行主成分分析；采用IBM SPSS Statistics 20.0软件对16个测定指标进行相关性分析，通过相关系数大小确定各指标间的相关性。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2016软件处理试验数据和作图。使用SPSS 20.0软件的LSD和Duncan’s检验法对有显著性差异(<0.05)的处理进行多重比较，应用相关性分析和主成分分析法对测定指标进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 平衡施肥对番茄植株生长与生理特性的影响

平衡施肥对设施基质栽培番茄植株具有不同程度促生作用(表2)。其中，T1处理对番茄植株具有显著的促生作用，T2处理次之。与CK0和CK相比，T1处理后番茄株高显著增加，分别增加31.53%和9.97%，茎粗增加10.31%和7.90%，叶片数分别增加12.50%和5.19%。4个处理的茎粗差异不显著。另外，平衡施肥可显著提高盛花期植株的根系活力，T1处理盛花期植株根系活力最高，达1.86 mg·g·h，其他3组处理差异不显著。

平衡施肥对设施基质栽培番茄盛花期叶片的光合色素含量有不同程度的提升作用。T1处理的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均最高，分别为2.15、0.39、0.91 mg·g。与CK0和CK相比，T1处理的番茄叶绿素a含量增加了74.79%和67.97%，叶绿素b含量增加了62.50%和105.26%，类胡萝卜素含量增加了71.70%和68.52%(表3)。

同样，平衡施肥对盛花期番茄植株光合作用有显著提升作用(表4)。T1处理的与T2处理相比无显著差异，但显著高于CK0、CK，分别增加了100.63%和58.81%；CK0的显著高于CK、T1、T2处理，T1与T2处理的无显著差异。T1与T2处理的显著大于CK0、CK处理；与CK相比，T1、T2处理的分别提高56.17%和13.96%。平衡施肥对番茄植株影响显著，其中，T1处理的与T2处理无显著差异，但显著大于CK0和CK，分别增加52.57%和25.13%。

2.2 平衡施肥对番茄果实外观性状和品质的影响

平衡施肥对成熟期番茄果实外观品质有不同程度的影响(表5)。其中，T1处理果实硬度最大，且显著高于CK0、CK；单果鲜重T1、T2、CK之间无显著差异，其中，T1处理最大；T1处理的单果干重最大，显著大于CK0和T2处理；各处理的果形指数无显著性差异。

表2 平衡施肥对设施基质栽培番茄植株生长的影响

表3 平衡施肥对设施基质栽培番茄植株光合色素含量的影响

表4 平衡施肥对设施基质栽培番茄光合作用的影响

表5 平衡施肥对设施番茄外观性状的影响

平衡施肥对成熟期番茄果实品质有显著的提升作用。T1与T2处理的可溶性固形物含量差异不显著，分别为6.83%和6.00%，但T1处理显著高于CK0、CK(图1-A)。平衡施肥可有效提升番茄果实的可溶性糖含量，其中，T1处理含量最高，为6.35%，显著高于其他处理(图1-B)。平衡施肥在一定范围内能降低番茄果实可滴定酸含量，T1处理可滴定酸含量最低，为0.7%，显著低于CK0、CK和T2处理(图1-C)。T1处理番茄果实的可溶性蛋白含量为0.17 mg·g，与CK0无显著差异，但显著高于CK和T2处理(图1-D)。CK、T1、T2处理成熟番茄果实的硝酸盐含量无显著差异，均显著高于CK0(图1-E)，与试验设计时氮肥施用量相一致。平衡施肥对成熟期番茄果实的抗氧化物含量有显著提升作用，其中，T1处理的V含量最高，为11.71 mg·kg，T2处理次之(图1-F)。

2.3 平衡施肥对设施基质栽培番茄果实矿质元素的影响

由表6可知，T1处理番茄果实中P和Ca的含量显著高于CK0、CK和T2处理；T1和T2处理的番茄果实Fe含量显著高于CK0、CK；T1处理的番茄果实K含量与CK和T2处理无显著差异，但显著高于CK0；T1处理的番茄果实Mg含量与T2处理差异不显著，但显著高于CK0、CK；CK、T1和T2处理的番茄果实Mn、Zn含量无显著差异；4个处理的Cu含量无显著差异。综上，与CK相比，T1处理能提高番茄果实的P、Fe、Ca、Mg含量。

2.4 平衡施肥对设施基质栽培番茄产量的影响

平衡施肥对设施基质栽培越冬茬番茄有显著的增产作用(表7)，T1和T2处理的产量均显著高于CK0和CK，其中，T1处理的产量为5 333.92 kg·667m，与CK相比，增产15.25%。T1处理的肥料贡献率也最高，达50.00%，T2处理次之，均显著大于CK。T1处理的产值为16 001.76元，显著高于CK和T2处理。

不同处理间没有相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。The bars without the same lowercase letters showed the significant difference(P<0.05).图1 平衡施肥对设施基质栽培番茄品质的影响Fig.1 Effect of balanced fertilization on quality of tomato cultivated in substrate in the greenhouse

表6 平衡施肥对设施基质栽培番茄果实矿质元素的影响

2.5 番茄果实品质、矿质元素与产量的相关性分析

相关性分析结果(表8)表明：(1)单果鲜重与产量呈显著正相关(<0.05)，相关系数为0.955；单果鲜重与品质指标之间也存在相关性，如：单果鲜重与硝酸盐、可滴定酸含量相关系数分别为-0.963(<0.01)、0.999(<0.05)，与矿质元素锰的相关系数为0.952(<0.01)，说明果实内部的硝酸盐含量、可滴定酸和金属Mn元素影响果实的鲜重；(2)果实品质指标数据显示，可溶性固形物含量与硝酸盐、可溶性糖含量呈显著相关(<0.05)，相关系数分别为-0.954、0.989，硝酸盐含量与可滴定酸呈显著相关(<0.05)，相关系数为-0.963，另外，产量与可溶性固形物、可溶性糖和可滴定酸含量呈显著负相关，相关系数分别是-0.977(<0.05)、-0.990(<0.01)、-0.967(<0.05)，与硝酸盐含量呈显著正相关，相关系数为0.965(<0.05)，说明果实品质的指标也是相辅相成影响着果实综合品质；(3)关于矿质元素含量的相关性，数据表明，矿质元素Ca与可溶性固形物含量呈显著正相关，系数为0.993(<0.01)，Mg、Fe、Cu元素含量与V含量显著相关，相关系数分别为0.989、0.982、-0.970，Ca、Fe元素含量与可溶性糖含量显著相关(<0.05)，相关系数分别为0.966、0.953，Zn、P元素与硝酸盐含量显著负相关，相关系数为-0.982、-0.993，说明矿质元素与果实品质之间也有一定的关系。综上，果实的单果鲜重与产量显著相关，品质指标间相互影响，矿质元素含量更是与品质有相关关系。

表7 平衡施肥对番茄产量的影响

表8 平衡施肥条件下设施基质栽培番茄果实品质、矿质元素含量与产量的相关性分析

2.6 平衡施肥对设施基质栽培番茄果实品质综合评价

2.6.1 果实生长与品质的主成分分析

通过对番茄单果鲜重、可溶性固形物含量等16个指标进行主成分分析，得到主成分特征值、贡献率和累积贡献率(表9)。按照累积贡献率大于99%的原则，选择了3个主成分，其中，第一、二、三主成分的特征值分别为12.97、2.57、0.46，分别代表本试验各处理16项产量、品质指标81.05%、16.06%、2.90%的信息，这3个主成分累计贡献率达到100%，说明这3个主成分反映了原始变量100%的信息，因此，提取前3个主成分代替原16个指标。对番茄产量和品质指标评价由最初的16个指标降为3个彼此不相关的主成分，达到了降维的目的。

表9 番茄果实产量与品质指标主成分分析

利用第一、第二、第三主成分制作散点图，结果(图2)显示，16个指标可以较明显地区分为4类：第一类为P、K、Fe、Mn、Zn、Ca、Mg、产量、可溶性糖、单果鲜重、V、可溶性固形物；第二类为硝酸盐、可滴定酸；第三类为可溶性蛋白；第四类为Cu。以上分析结果与16个指标的相关性分析结果基本一致，说明16个指标间存在显著相关性。

2.6.2 果实产量、品质综合评价

经主成分分析可知，前3个主成分的累计方差贡献率达到100%，所以可以使用这3个主成分来构建分析模型。用各指标的主成分载荷值(表10)除以相对应主成分特征值的开平方根，可以获得3个主成分中每个指标所对应的系数，即特征向量值，以特征向量值为权重构建3个主成分的函数表达式：

图2 平衡施肥对设施基质栽培番茄果实生长和品质的主成分分析旋转空间散点图Fig.2 Principal component analysis of growth and quality of tomato fruit by balanced fertilization under the condition of substrate culture

=0.20+0.20+0.22-0.23+0.17+0.19-0.18+0.11+0.25+0.11+0.01+0.09+0.13+0.23+0.21+0.10；

=0.38+0.16-0.37-0.24+0.22+0.38-0.28+0.44+0.22+0.54-0.62+0.32+0.49+0.18+0.09+0.50；

=0.52+0.96+0.06+1.02+0.37+0.58-0.88+0.88+0.45+045-0.22+1.15+0.56+0.68+0.91+0.70。

上述3个函数表达式中：为单果鲜重，为可溶性固形物，为可溶性蛋白，为硝酸盐，为V，为可溶性糖为可滴定酸，为产量，为磷，为钾，为铜，为铁，为锰，为锌，为钙，为镁。以各个成分相对应的方差贡献率作为权重，由主成分得分和对应的权重线性求和即可得到指标的综合评价函数(综合得分：=081+0.16+0.03)，依此计算出4个平衡施肥对设施基质栽培番茄品质的综合得分和排序(表11)，各处理得分表现为：T1>T2>CK>CK0。说明平衡施肥处理(T1)的设施基质栽培番茄生长与品质均最佳，T2处理次之。

3 讨论

本研究设施基质栽培越冬茬番茄经过平衡施肥处理后，番茄的株高、茎粗和叶片数均表现出不同程度的增长，其中，T1平衡施肥处理番茄植株最高，茎杆最为粗壮，叶片数量最多，根系活力最强，这与平衡施肥可提高大棚越冬茬韭菜的茎粗和株高、化肥平衡减施技术对蒜苗根系活力有增强作用的结果相一致。刘金平等研究表明，土壤栽培番茄等比例减量施肥对番茄株高、茎粗都有负面的影响，但通过平衡施肥减量加有机肥，可补偿等比减量施肥带来的损失，本研究结果与此相似。本试验中，T2处理的株高、茎粗、根系活力均高于常规施肥对照，说明根据所需营养进行平衡施肥对番茄植株有显著的促生作用。

表10 番茄果实品质及品质指标3个主成分载荷矩阵

表11 各处理综合得分和排序

叶绿素是植物体光能吸收、传递、转换的物质基础，研究表明，光合色素含量和光合作用呈正相关关系。本试验中，经过平衡施肥处理后可显著提高叶绿素的含量，其中T1处理相较施肥对照处理叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量显著提高，这与陈思等在皂荚上的研究结果相一致。杨建超等发现，甜瓜叶绿素含量随着氮肥的增加呈先增加后降低的趋势，这说明氮肥对叶绿素含量有显著影响；而本试验T1处理的施氮量最大，T2处理次之，常规施肥处理最小，进一步说明本试验设计的施氮量为合理施氮量。光合作用直接影响光合产物，而植物物质积累量取决于植物光合产物的积累。本试验结果表明，平衡施肥对番茄功能叶片光合作用有不同程度提高，进而促进物质积累。其中，T1处理较其他施肥与对照处理净光合速率、气孔导度均显著提高，也验证了叶绿素和类胡萝卜素含量的增加与植株光合作用有关。

果实品质是衡量果实口感、风味、营养价值、经济价值的重要标准。T1处理的果实硬度显著高于常规施肥与不施肥处理。不同肥料配比对番茄果实硬度有积极影响，本试验中平衡施肥也可提高果实硬度，说明通过改变化肥的施用量和配比，可改变果皮中的纤维素和果胶合成，进而使得果皮硬度增加。硝酸盐是重要的蔬菜卫生安全指标，在本研究中发现，T1处理的硝酸盐含量最大，不施肥对照最小。陆文龙等研究表明，硝酸盐含量高主要是由肥料当中的氮素过量引起的；佟容等研究表明，随着施氮量减少硝酸盐含量降低。推断是平衡施肥处理中氮肥含量高，从而提高了番茄果实硝酸盐含量。番茄果实中可溶性固形物、可溶性糖、可溶性蛋白、V、可滴定酸含量是衡量品质优良的重要指标。本试验中，平衡施肥可使可溶性固形物、可溶性糖、可溶性蛋白、V含量均显著提高， T1处理含量最高，同时T1处理可滴定酸含量最低。可溶性蛋白含量的多寡，可代表氮素吸收利用的情况。可滴定酸与可溶性糖含量是糖酸比的重要组成成分，因此适宜的可滴定酸和可溶性糖含量可产生良好的口感，说明平衡施肥可提高果实可溶性固形物、可溶性糖、可溶性蛋白、V含量，改善果实的风味品质，这与张新建等的研究结果相一致。齐振宇等研究表明，采用水肥一体设备配合化肥平衡减施可以改善蒜苗品质。

矿质元素的缺乏会严重影响植物新陈代谢，进而影响生长发育、产量、品质和营养价值，因此，矿质元素对植株整个生育期和果实营养极为重要。T1处理的Mg、Fe和Ca含量同比均最高。Mg元素是植物叶绿素的重要组成成分之一，而Fe元素可影响光合作用当中捕捉光能的器官，影响氧化还原系统与光合磷酸化过程，T1处理Mg、Fe元素含量最高，从另一方面说明T1处理的光合作用更强；T1处理K肥施用量较CK处理减少，但吸收无显著差异，也佐证了Ca对K的吸收有促进作用。T1处理P元素最高，说明适宜的施P量可提高果实中P元素的积累。作为植物生长所需的第4大元素，番茄需Ca量较多。Ca元素缺失易导致植株生理性病害，Ca对N、P、K元素的吸收有促进作用；P元素可促进植株根系生长，但P过量会抑制植株对其他元素的吸收。

平衡施肥对植物的生长、品质、产量和土壤理化性质都有积极影响。李晨曦等、高怀军等、周芳等研究表明，平衡减量施肥技术对烤烟、蓝莓和白术等作物产量有提升效果。本研究中，平衡施肥增加番茄单果鲜重，进而对产量产生了巨大影响，说明合理的化肥施用和配比可显著提高有机物的积累，使单果重量和单株果数增加，进而取得优质高产的效果。结合作物需肥规律合理配施化肥在农业生产中对产量有显著的提高作用，如马忠明等研究表明，有机肥与化肥氮肥减施30%可以使西瓜产量提高5.51%。本研究中，与施肥对照CK相比，平衡施肥T1、T2处理产量显著提高，这与王家宝等在小麦上的研究结果相一致。主成分的综合得分模型结果显示：T1处理的得分最高，其次为T2、CK处理，CK0处理得分最低。

4 结论

平衡施肥配比为N 38.38 kg·667m、PO16.45 kg·667m、KO 53.18 kg·667m时，可显著促进番茄植株的生长，增强叶片光合能力，提高果实产量，改善果实外观性状和营养品质，调节果实矿质元素含量。相关性分析结果表明，番茄的品质、产量等指标之间存在一定的相关性和依存关系。主成分综合得分模型结果显示，T1处理的得分最高，说明该施肥模式可实现肥料资源的合理配置和利用，可以作为设施基质栽培越冬茬番茄较为科学经济的施肥方式。