不同密度和氮素水平对设施袋培番茄产量、品质及冠层结构的影响

李树庭，于　捷，岳钉伊，邹志荣

(西北农林科技大学 园艺学院/农业部西北设施园艺重点实验室，陕西杨凌　712100)

不同密度和氮素水平对设施袋培番茄产量、品质及冠层结构的影响

李树庭，于捷，岳钉伊，邹志荣

(西北农林科技大学 园艺学院/农业部西北设施园艺重点实验室，陕西杨凌712100)

摘要探讨密度和氮肥与设施袋培番茄产量、品质及冠层结构的关系。以番茄品种‘惠裕’为试材，设置3个密度水平(常规密度D1:4株/m2、D2:6株/m2、D3:8株/m2)，4个施氮量水平(常规氮肥N1:12 174 mg/株、N2:11 581 mg/株、N3:10 989 mg/株、N4:10 396 mg/株)，共12个处理。结果表明，D1和D2条件下，番茄产量随氮肥的减少而减少，D3条件下，产量则随氮肥的减少呈现先增加后降低的趋势；N1条件下，番茄产量随密度的增加逐渐降低，N2、N3、N4条件下，番茄产量则随密度的增加而增加；番茄果实中可溶性硝酸盐、可溶性蛋白、可溶性糖以及维生素C质量分数在相同密度条件下，均随氮肥的降低而降低；相同氮肥条件下，均随密度的增加而增加；密度相同时，番茄冠层内透光率随施氮量的降低而升高，消光系数则随施氮量的降低而降低；氮肥相同时，随着密度的增加，番茄冠层内透光率呈递减趋势，而消光系数则呈递增趋势。设施袋培番茄选择密度8株/m2、施氮量11 581 mg/株为最优组合。

关键词番茄；密度；氮肥；产量；品质；冠层结构

密度和氮肥对提高作物生产能力、优化株型结构和改善群体冠层结构有着显著的影响[1]。高密度栽培可以缩短番茄生育期，达到高产高收益的目的，合理用氮可使植株生长健壮、株型理想、品质好、产量高[2]。但长期以来，设施蔬菜生产过程中过度地追求高密度、高氮量模式，造成作物徒长，中后期冠层中下部光合有效辐射降低，病害严重，产量下降等严重问题[3-4]。国内外许多学者就氮肥和密度对作物的生长、品质以及冠层结构的影响已经做了相关的研究。如Maddonni等[5]认为合理高效的冠层结构是作物产量形成的基础，袁野等[6]认为充足光照下适当施氮可提高番茄果实果糖质量分数，曹倩等[7]对小麦的研究表明通过氮密互作的途径可以有效地提高产量。有机基质袋式栽培是一种简易的无土栽培，通过营养液供给植物生长所需的水分和养分，实现对栽培密度和氮肥的精确控制。目前，通过控制番茄的留果穗数[3]、叶片修剪[8]等措施协调番茄干物质生产、分配及改善冠层结构也做了相关研究，本试验研究不同密度和氮水平对设施袋培番茄产量、品质及冠层结构的影响，旨在建立设施番茄高产优质高效栽培模式，为设施袋式基质栽培番茄提供理论依据和技术支撑。

1材料与方法

1.1试验地点与材料

试验于2015年3月6日至6月18日在西北农林科技大学园艺场双层膜拱棚内进行。供试番茄品种为‘惠裕’，由杨凌新天地种业提供。将栽培基质菇渣、牛粪、鸡粪按体积比4∶3∶3均匀配制成的复合基质，其基本理化性质：体积质量0.34 g/cm3，总孔隙度75.63%，通气孔隙37.78%，持水孔隙39.36%，pH 6.81，电导率3.87 mS/cm，速效氮2 083.2 mg/kg，速效磷402.65 mg/kg，速效钾3 511.47 mg/kg。基质袋为无土栽培专用袋，试验中共有3种规格，分别为：20 cm×20 cm、20 cm×40 cm、20 cm×60 cm。水肥一体化系统主要由水源、水泵、比例施肥器、储肥桶、PVC主管道、PE毛管、箭式滴头等组成，4头滴箭的总流量为4 L/h。

1.2试验设计

设置密度(D)和单株施氮量(N)双因素处理，设3个密度水平：4株/m2(常规密度D1)、6株/m2(D2)、8株/m2(D3)，密度由株距调节，其对应株距分别为：40 cm、30 cm、20 cm；设4个施氮量水平：12 174 mg/株(常规氮肥N1)、11 581 mg/株(N2)、10 989 mg/株(N3)、10 396 mg/株(N4)。试验采用完全随机区组设计，共12个处理，即D1N1、D1N2、D1N3、D1N4、D2N1、D2N2、D2N3、D2N4、D3N1、D3N2、D3N3、D3N4，每个处理重复3次，共36个小区，小区面积为7.2 m2(1.2 m×6 m)，小区内不同密度水平的栽培株数分别为29株、43株、58株。利用不同规格基质袋进行密度处理，将复合基质装袋，按照规格从小到大依次装入3 kg、6 kg、9 kg，5叶1心时分别定植番茄幼苗1株、2株、3株，大行距均为70 cm，小行距均为50 cm，双行栽培，统一留4穗果打顶，具体密度处理如表1；利用水肥一体化系统进行氮肥处理和日常水分灌溉，每株番茄插入1个滴箭，除氮肥和密度外，其他管理措施同常规栽培。试验根据番茄的生育特点，将整个生育阶段划分为缓苗期(3月6日-3月12日)，苗期(3月13日-3月26日)，开花坐果期(3月27日-4月17日)，果实膨大期(4月18日-5月7日)，采收期(5月8日-6月18日)。

表1　密度处理

试验中D1为设施基质袋培番茄常规密度，而D2和D3是根据D1对应的栽培株距连续增加10 cm确定的。N1是依据日本山崎番茄营养液配方进行确定的，山崎配方氮素浓度为7.7 mmol/L，然后依次递减10%得到N2、N3、N4对应的氮素浓度，再根据预试验中设施基质袋培番茄灌水量计算不同氮素含量的营养液化合物用量，试验从开花坐果期后期(4月11日)开始增施营养液，于采收期结束(6月18日)停止施肥，(不同氮素浓度营养液用量及化合物用量见表2)，再加上复合基质中的速效氮(单位为每3 kg所含毫克数)，则可以确定不同单株施氮量处理水平。

1.3测定项目与方法

1.3.1产量测定采收期对小区产量和果数在每次采摘时均进行测定，最后累积计算产量。

1.3.2品质测定在第2穗番茄成熟期，分别在每个小区的前、中、后3个等距离点取样，然后选择大小和色泽基本一致的果实进行品质测定。硝酸盐采用沸水浸提，紫外分光光度法测定，维生素C用钼蓝比色法测定，可溶性蛋白用考马斯亮蓝-G250染色法测定，可溶性糖用蒽酮比色法测定，可溶性固形物质量分数用RHBO-90型号手持折光仪测定，有机酸质量分数用酸度计测定。

1.3.3番茄冠层结构参数的测定于2015-06-01上午(晴天，采收期)使用美国Li-cor公司生产的LAI-2000冠层分析仪进行冠层结构分析，测定冠层开度[9-10]；使用LI-250A光照度计测定冠层内辐射强度。

据Beer-Lambert定律

I=I0exp (-kLAI)

(1)

(1)式中，I为冠层内辐射强度，I0为冠层顶的太阳辐射强度，LAI为冠层顶到所测层次的累积叶面积指数，k为消光系数，根据(1)式，k可以写成：

定量求得冠层消光系数[11]。

1.4数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和计算；采用SPSS 16.0统计软件进行方差分析，不同处理间的多重比较采用Duncan’s新复极差法；用SigmaPlot 10.0绘图。

2结果与分析

2.1密度和氮肥对番茄产量的影响

番茄产量的方差检验表明密度(D)、氮肥(N)及其交互作用(D×N)都达到极显著水平(P<0.01，结果略)。多重比较结果(表3)显示，D1和

表3　不同密度和氮肥处理下番茄产量的比较

注：同一列数据后不同小写字母表示不同处理之间的差异显著(P<0.05)；*、**分别表示在P<0.05和P<0.01水平差异显著。下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (P<0.05);* and ** mean significant differences at the levels ofP<0.05 andP<0.01,respectively. The same as below.

D2条件下，番茄产量随氮肥的减少而减少，D3条件下，产量则随氮肥的减少呈现先增加后降低的趋势；N1条件下，番茄产量随密度的增加逐渐降低，N2、N3、N4条件下，产量则随密度的增加而增加，说明高密度栽培中常规施氮量不利于产量的增加，适当的降低施氮量则可以实现增产。处理D3N2获得最大产量，为113.71 t/hm2，但与D3N3和D3N4并无显著性差异；处理D1N4产量最低，为61.81 t/hm2，分别比处理D3N3、D3N4降低了44.30%和37.84%。

为了定量分析密度和氮肥对产量的影响，对番茄密度、单株施氮量与产量之间的关系做回归分析，得(2)式：

(2)

式中：y为产量(t/hm2)，x1为密度(株/m2)，x2为施氮量(g/株)。F检验结果表明，式(2)达到极显著水平[F=4.043>F0.01(5，6)=0.059 4]，即上式能够很好地表达产量与密度、单株施氮量之间的关系。将式(2)绘制成密度、氮肥与产量的关系曲面图表达。如图1，密度较低时，番茄产量随氮肥的减少而减少，当密度较高时，番茄产量则随氮肥的降低呈先增高后降低趋势。这与试验结果相符。

图1　密度、氮肥与产量之间的关系

2.2密度和氮肥对番茄品质的影响

2.2.1对番茄硝酸盐质量分数的影响比较不同密度和氮肥处理番茄硝酸盐质量分数的差异(表4)，在相同密度条件下，硝酸盐质量分数随着氮肥的降低而降低，并且降低的趋势非常明显；在相同氮肥条件下，硝酸盐质量分数随着密度的升高仍呈降低趋势，处理D3N4硝酸盐质量分数14.69 mg/kg为最低值。

2.2.2对番茄营养品质的影响由表4可知，在相同密度条件下，番茄果实可溶性蛋白、可溶性糖以及维生素C质量分数都随着单株施氮量的降低而降低；在相同氮肥条件下，随着密度的增大番茄果实中可溶性蛋白、可溶性糖以及维生素C质量分数呈上升趋势，说明降低施氮量不利于番茄果实营养品质成分的形成，高密度栽培有利于番茄果实营养品质成分的积累。处理D3N1获得各项营养品质指标的最大值，分别为：可溶性蛋白质量分数5.69 mg/g、可溶性糖质量分数48.64 mg/g、维生素C质量分数527.07 mg/kg。

表4　不同密度和氮肥处理对番茄品质的影响

2.2.3番茄多项品质指标的隶属函数分析以总隶属函数值为依据，综合评价密度和氮肥处理对番茄果实品质的影响。

隶属函数的计算方法[12]：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

若某一指标与番茄品质呈负相关，可通过反隶属函数计算其品质隶属函数值。

反隶属函数计算方法：

R′(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi为指标测定值，Xmax、Xmin为某一指标的最大值和最小值。

计算不同密度和氮肥处理番茄可溶性蛋白、可溶性糖、维生素C、可溶性固形物质量分数、有机酸质量分数及硝酸盐质量分数6个指标的总隶属函数值，其中硝酸盐质量分数采用反隶属函数公式计算其隶属函数值，结果见表5。总隶属函数值越大，番茄品质越好。处理D3N1、D3N2的总隶属函数值明显高于其他处理，表明这2个处理的番茄果实综合品质明显优于其他处理。

2.3密度和氮肥对番茄冠层结构的影响

2.3.1冠层透光率的变化LAI-2000测得的冠层开度(DIFN)是指无截取散射或探头可视天空部分的比率，与作物群体透光率关系非常密切，相关系数达0.930 8，可以使用冠层开度表示冠层内透光率[9]。不同密度和氮肥对番茄群体不同冠层叶位透光率的影响见表6，随着密度的增大，不同冠层叶位透光率呈现降低的趋势，说明高密度栽培的番茄群体冠层内光能有效辐射量较低，且40 cm以下叶层受光情况较差；密度一定的条件下，随着单株施氮量的降低，透光率在地表、40 cm、80 cm冠层叶位处均表现为逐渐升高的趋势，在120 cm 冠层叶位处无明显变化规律，说明增加单株施氮量不利于提高番茄群体冠层内光能有效辐射量。各处理在不同冠层叶位透光率差异最小的为D3N2，其最大相差值为32.6%，且各冠层叶位之间透光率均大于25%，不同冠层叶位透光率差异最大的为处理D2N1，其最大差异值为48.7%，比D3N2高出16.1%。可见，处理D3N2各冠层叶位光能有效辐射量较为均匀。

表5　不同密度和氮肥处理番茄果实各项品质指标的隶属函数值

注：R1、R2、R3、R4、R5、R6分别表示番茄可溶性蛋白、可溶性糖、维生素C、可溶性固形物、有机酸、硝酸盐质量分数的隶属函数值，R′6表示硝酸盐质量分数的反隶属函数值，S1表示各指标总的隶属函数值。

Note:R1、R2、R3、R4、R5、R6 in the table represent the subordinate function values of mass fraction of soluble protein,soluble sugar,vitamin C,soluble solids mass fraction,organic acid mass fraction,nitrate mass fraction representative,R′6 represents the anti-subordinate function value of nitrate content and S1 represents the sum of R1、R2、R3、R4、R5 and R′6.

表6　不同密度和氮肥水平下番茄群体冠层开度的垂直分布

注：0 cm、40 cm、80 cm、120 cm分别表示冠层叶位距基质袋高度。下同。

Note:0 cm,40 cm,80 cm,120 cm in the table represent the height of canopy of leaf position form substrate bag. The same as below.

2.3.2冠层消光系数的变化消光系数是描述作物群体中叶面积遮荫程度或者消弱辐射(光)程度的参数，其大小反应光照度在垂直方向的衰减情况[10]。表7显示不同密度和氮肥水平下番茄群体冠层内消光系数的垂直分布情况，随着密度的增大，不同冠层叶位的消光系数呈递增趋势，说明在相同氮肥条件下高密度栽培的番茄群体消光系数较大；在密度一定的条件下，随着单株施氮量的降低，不同冠层叶位的消光系数均逐渐降低，说明低施氮量降低番茄群体对光照辐射的削弱能力。对比不同处理不同冠层叶位的消光系数可知，处理D3N2、D3N3、D2N3的消光系数随叶层高度的升高呈逐渐减小的趋势，最大差异值分别为：D3N2 0.453、D3N3 0.409、D2N3 0.318，表明这3个处理冠层上部对光照的削弱能力较弱，冠层内消光系数分布理想。

表7　不同密度和氮肥水平下番茄群体冠层内消光系数的垂直分布

3讨论与结论

已有研究表明，氮肥和密度对产量均有显著作用，在一定范围内是可以相互促进的，因此，生产上可通过氮密互作的途径提高产量并同步建立合理的冠层结构。左青松等[13]研究发现直播油菜通过“减氮增密”栽培措施，可以获得高产，这与本研究结果一致。曹倩等[7]研究表明播种量相同条件下，随施氮量增加，子粒产量均表现为提高的趋势，这与本研究结果相反，可能是因为高密度栽培群体虽然生育前期有较高的生殖器官分配比值，光合物质积累多，但中后期生长受到限制，制约产量的形成[3]；而本试验中适宜的低氮处理起到了调控作物LAI、延长叶片功能期及塑造高效冠层的重要作用[14-15]，但当氮肥降低到一定程度时，由于缺氮影响了植株的正常发育，叶绿素合成受阻，产量不再提高。番茄高密度栽培会引起冠层叶位细胞结构的变化[3]，同时低氮条件也会对番茄氮代谢酶合成和活性造成一定的影响[6]，二者的交互作用又会引发番茄植株的营养胁迫，这是否反映了高密度与低氮量对产量提高和构建合理冠层的真实作用，还有待于进一步研究，可能与密度设置未达到最高水平有关。

本研究中，在相同密度条件下，随着单株施氮量的降低番茄果实中硝酸盐、可溶性蛋白、维生素C以及可溶性糖质量分数逐渐降低，这与邢英英等[16]的研究结果一致；硝酸盐和可溶性蛋白质量分数的降低表现为随着基质中氮肥供给能力的减弱硝酸根离子和组成蛋白质的氨基酸对硝酸盐和可溶性蛋白合成起到抑制作用[17]，而维生素C和可溶性糖质量分数的降低原因有待于进一步明确。任顺荣等[18]研究结果表明，袋培番茄高密度栽培与基质常规栽培和土壤栽培相比可溶性总糖质量分数、可滴定酸、维生素C质量分数均增加，硝酸盐质量分数降低，这与本研究得出的结论相同。雷喜红等[19]的研究结果表明，随着密度的增大维生素C呈显著下降趋势，这与本研究结果相反，其原因有待进一步研究。

透光率、消光系数是作物重要的冠层结构参数，受自身遗传特性与栽培措施的影响[20]。前人在玉米[15]、油菜[13]、棉花[21]等作物上的研究结果相似，密氮互作有助于优化冠层结构，高密度低氮肥群体中下部透光率、消光系数差异较小，有利于作物截获更多的光能；本试验结果表明，密度增大，不同冠层叶位透光率降低、消光系数增大，单株施氮量降低，中下层透光率升高，不同冠层叶位消光系数降低，处理D3N2各冠层叶位透光率差异最小，冠层结构合理，这与前人试验结果相近。低氮肥施用量有利于优化冠层结构参数，其原因可能有以下三方面：一是氮肥的降低改善了个体植株的叶面积和株幅，从而缓解了高密度群体内个体之间的遮蔽作用，二是氮肥的降低在一定程度上改变了番茄叶片的倾斜角度[14]，三是适当的降低氮肥可以影响个体植株的生理代谢过程、延迟叶片的衰老[22]。

综合考虑品质、产量、冠层结构、资源节约及土地利用率等因素，密度8株/m2、施氮量11 581 mg/株为供试条件下最优组合。

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Received 2016-01-03Returned2016-01-27

First authorLI Shuting,male,master student. Research area:physiological ecology of facilities horticulture.E-mail:lishuting.88@163.com

(责任编辑：潘学燕Responsible editor:PAN Xueyan)

Effect of Plant Density and Nitrogen Fertilizer Rate on Yield,Quality and Canopy Structure of Greenhouse Tomato Cultivated on Organic Substrate Bag

LI Shuting,YU Jie,YUE Dingyi and ZOU Zhirong

(Key Laboratory of Protected Horticulture Engineering in Northwest,Ministry of Agriculture,College of Horticulture,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi712100,China)

AbstractThis study aims at discovering the relations of density and nitrogen fertilizer with the yield,quality and canopy structure of tomato cultivated by organic substrate in bag. The experiment had 12 treatments,including three density levels (control treatment,D1,4 plant/m2; D2,6 plant/m2; D3,8 plant/m2) and four nitrogen fertilizer levels (control treatment,N1,12 174 mg/plant; N2,11 581 mg/plant; N3,10 989 mg/plant,N4,10 396 mg/plant). The results indicated that the yield of tomato decreased with the decreasing of nitrogen fertilizer under D1 and D2 levels,while it showed a trend of first increase and then decline under D3 level. Under N1 condition,the tomato yield reduced gradually with the increasing of density levels,but tomato yield consistently increased as the increase of density when nitrogen fertilizer were N2,N3,and N4. The treatment with the same planting density,the mass fraction of nitrate,soluble protein,soluble sugar and vitamin C in tomato fruits all decreased as the decrease of nitrogen fertilizer. At the same nitrogen fertilizer level,increasing in density promoted accumulation of fruit soluble protein,soluble sugar and vitamin C,however,the mass fraction of nitrate showed a trend of decline. Light transmission was enhanced with the decline of nitrogen fertilizer under the same density levels,but the extinction coefficient lowered with the decline of nitrogen fertilizer. At the same level of nitrogen fertilizer,light transmission reduced with the increasing of density,while the extinction coefficient showed a trend of increase. In conclusion,seting of 8 plant/m2 and 11 581 mg/plant is the optimal choice for greenhouse tomato cultivated on organic substrate bag.

Key wordsTomato; Density; Nitrogen fertilizer; Yield; Quality; Canopy structure

收稿日期：2016-01-03修回日期：2016-01-27

基金项目：国家大宗蔬菜产业技术项目(CARS-25-D-02)。

通信作者：邹志荣，男，教授，博士生导师，主要从事设施园艺研究。E-mail:zouzhirong2005@163.com

中图分类号S626.4; S641.2

文献标志码A

文章编号1004-1389(2016)06-0903-09

Foundation itemThe Key Sci-tech Project of National Comprehensive Vegetable Industry(No.CARS-25-D-02). ZOU Zhirong,male,professor,Ph.D’s supervisor.Research area:facilities horticulture. E-mail:zouzhirong2005@163.com

网络出版日期：2016-06-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160601.0919.034.html

第一作者：李树庭，男，硕士研究生，研究方向为设施园艺生理生态。E-mail:lishuting.88@163.com