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基质栽培番茄营养液中氮、钾最佳浓度研究

王军伟 黄科 毛舒香 徐浩然 吴秋云

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基质栽培番茄营养液中氮、钾最佳浓度研究

    作者简介: 王军伟E-mail:JunweiWang87@126.com;
    通讯作者: 吴秋云, E-mail:qiuyunhk@hotmail.com
  • 基金项目: 农业部园艺作物生物学与种质创制综合性重点实验室开放基金(IVF201703)。

Optimum levels of nitrogen and potassium in the irrigation water for best growth and quality of tomato in soilless culture

    Corresponding author: WU Qiu-yun, E-mail:qiuyunhk@hotmail.com
  • 摘要: 【目的】合理的氮、钾养分供给是提高番茄生长及果实品质的重要措施,本文研究了滴灌营养液中不同的氮、钾养分供给水平对基质栽培番茄生长及果实品质的影响,为优化基质栽培番茄的营养液配方,确定最佳的氮、钾养分浓度,实现养分供给的精量化管理提供科学依据。【方法】以沙∶珍珠岩比例为1∶2配置栽培基质,用于温室中番茄栽培,以番茄‘A20’为试材,进行了水培试验。采用2因素 (氮、钾) 5水平响应面中心复合设计,滴灌营养液中氮浓度的基础值为244 mg/L,试验设计步长为120 mg/L;钾浓度的基础值为313 mg/L,试验设计步长为150 mg/L。调查了番茄叶片叶绿素含量、净光合速率、单株产量、果实可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比、维生素C含量和番茄红素含量。【结果】随着滴管液中氮浓度从74 mg/L增加到414 mg/L,番茄产量、叶片叶绿素含量、叶片净光合速率、果实可溶性糖含量、糖酸比、番茄红素含量和果实维生素C含量均呈先增后减的趋势。随着营养液中钾浓度从101 mg/L增加到525 mg/L,果实可溶性糖含量、糖酸比和维生素C含量持续增加,番茄产量、叶绿素含量、净光合速率、番茄红素含量均先增后减。此外,通过建立各指标与氮钾二因子的二次回归方程发现,氮素是叶绿素含量、净光合速率和单株产量的主要影响因子,钾素是果实可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、维生素C和番茄红素含量的主要影响因子。氮、钾互作显著影响番茄产量和叶片叶绿素含量;充足的钾营养供给可以促进植株对氮素的吸收与同化,提高叶片叶绿素含量,利于产量提高;适量的氮素供应有利于钾素的吸收与利用,促进产量的进一步提高。采用主成分分析方法对8种配施方案下番茄产量和品质的综合性能进行评价,结果显示营养液中氮、钾浓度分别为N 378 mg/L、K 391 mg/L时为最优配方方案,且番茄叶片净光合速率达到最大值。【结论】在沙子和珍珠岩1∶2 (v∶v) 为基质的番茄无土栽培条件下,滴灌营养液中氮、钾浓度分别为N 378 mg/L和K 391 mg/L时,番茄产量和品质的综合性能达到最优,该方案可在生产实践中为基质栽培番茄营养液精确管理提供一定的借鉴意义。
  • 图 1  不同氮、钾供应水平下番茄生长与品质指标

    Figure 1.  Tomato growth and fruit quality indices under different nitrogen and potassium supplying levels

    表 1  试验因素水平及编码值

    Table 1.  Levels and codes of the experimental factors

    编码CodeN (mg/L)K (mg/L)
    r = 1.414414525
    1364463
    0244313
    –1124163
    r = –1.414 74101
    j120150
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    表 2  响应面设计方案及试验结果

    Table 2.  Program and experimental results of the response surface design

    处理
    Treatment
    氮水平
    N level
    (x1)
    钾水平
    K level
    (x2)
    氮营养
    Nitrogen
    (mg/L)
    钾营养
    Potassium
    (mg/L)
    单株产量
    Yield
    (g/plant)
    叶绿素含量
    Chlorophyll content
    (mg/g)
    净光合速率
    Net Pn
    [μmol/(m2·s)]
    可溶性糖
    Soluble sugar
    (%)
    可滴定酸
    Titratable acid
    (%)
    糖酸比
    Sugar-acid ratio
    维生素C
    Vitamin C
    (mg/100 g)
    番茄红素
    Lycopene
    (mg/100 g)
    111 3644632589 ± 102.02.29 ± 0.3219.06 ± 0.633.94 ± 0.150.183 ± 0.01421.65 ± 0.776.23 ± 0.323.99 ± 0.54
    21–1 3641631901 ± 73.01.87 ± 0.1418.88 ± 1.552.57 ± 0.270.224 ± 0.01311.41 ± 0.533.60 ± 0.133.23 ± 0.13
    3–1 1 1244631551 ± 73.71.41 ± 0.1914.32 ± 1.013.30 ± 0.360.239 ± 0.02113.80 ± 0.694.07 ± 0.463.61 ± 0.27
    4–1 –1 1241631433 ± 82.51.56 ± 0.1313.84 ± 0.702.12 ± 0.110.254 ± 0.0438.65 ± 0.922.72 ± 0.202.77 ± 0.11
    5 –1.4140 743131518 ± 118.91.29 ± 0.1212.08 ± 0.542.48 ± 0.220.243 ± 0.03110.31 ± 0.443.65 ± 0.332.95 ± 0.42
    6 1.4140 4143132129 ± 82.52.37 ± 0.1620.24 ± 1.213.03 ± 0.270.214 ± 0.00814.10 ± 0.764.13 ± 0.114.01 ± 0.33
    70 –1.4142441011825 ± 68.11.83 ± 0.1216.11 ± 0.942.06 ± 0.190.236 ± 0.0208.72 ± 0.312.57 ± 0.332.76 ± 0.23
    80 1.4142445252077 ± 67.52.19 ± 0.1318.97 ± 0.404.09 ± 0.270.185 ± 0.01522.26 ± 1.385.82 ± 0.484.32 ± 0.23
    900 2443132247 ± 85.82.35 ± 0.2718.48 ± 1.123.02 ± 0.080.200 ± 0.01615.32 ± 1.435.63 ± 0.414.17 ± 0.09
    1000 2443132484 ± 118.02.16 ± 0.0918.07 ± 1.403.14 ± 0.070.207 ± 0.01815.38 ± 1.285.40 ± 0.253.79 ± 0.31
    1100 2443132257 ± 103.72.29 ± 0.1917.55 ± 0.403.42 ± 0.250.180 ± 0.02019.16 ± 0.805.13 ± 0.173.88 ± 0.15
    1200 2443132262 ± 95.82.34 ± 0.1917.99 ± 0.923.57 ± 0.410.198 ± 0.01618.04 ± 1.384.36 ± 0.363.88 ± 0.27
    1300 2443132453 ± 89.02.12 ± 0.1219.17 ± 1.873.05 ± 0.250.172 ± 0.00917.71 ± 0.954.73 ± 0.403.87 ± 0.26
    1400 2443132405 ± 88.62.14 ± 0.2118.17 ± 0.952.97 ± 0.310.199 ± 0.01114.85 ± 0.775.14 ± 0.174.34 ± 0.34
    1500 2443132387 ± 114.92.14 ± 0.1919.93 ± 1.073.35 ± 0.180.204 ± 0.01316.51 ± 1.015.07 ± 0.194.13 ± 0.22
    1600 2443132202 ± 99.82.09 ± 0.1517.43 ± 1.173.22 ± 0.220.187 ± 0.01017.24 ± 1.135.28 ± 0.163.82 ± 0.13
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    表 3  基于番茄生长和果实品质的氮钾营养方案综合得分与排名

    Table 3.  The comprehensive score and ranking of nitrogen and potassium based on tomato growth and fruit quality

    编号
    Code
    组合水平 (mg/L)
    Combination level
    产量
    Yield
    (g/plant)
    叶绿素含量
    Chl. content
    (mg/L)
    净光合速率
    Net Pn
    [μmol/(m2·s)]
    可溶性糖
    Soluble sugar
    (%)
    可滴定酸
    Titratable acid
    (%)
    糖酸比
    Sugar-acid
    ratio
    Vc
    (mg/100 g)
    番茄红素
    Lycopene
    (mg/100 g)
    主成分1
    Principal
    component 1
    主成分2
    Principal
    component 2
    综合得分
    Comprehensive
    score
    排名
    Ranking
    NK
    1333407 2492.62.4119.823.7020.18320.085.7834.2401.9631.4041.7152
    23744572455.92.4319.893.8680.18621.145.8964.1771.858–0.474 1.1983
    33783912446.82.4119.993.5770.19018.995.5284.1313.963–1.631 2.4081
    43305252369.72.3519.444.1720.18223.166.1304.203–2.653 –0.780 –2.055 8
    53144622453.02.3819.573.9280.18121.576.0054.274–0.783 1.600–0.174 5
    63445252380.22.3819.524.1690.18323.196.1344.184–2.010 –1.013 –1.656 6
    73395252378.02.3719.504.1700.18323.196.1344.190–2.180 –0.926 –1.755 7
    8302445 2468.72.3819.613.8620.18121.155.9534.276–0.157 1.8200.3194
    注(Note):组合水平编号依次为产量、叶绿素含量、净光合速率、可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、Vc 和番茄红素达到最高值 (最低值) 时计算的营养液中氮、钾浓度 The combination codes represent the calculated N and K levels in the irrigation water with the highest (lowest) yield, chlorophyll content, Net Pn, soluble sugar, titratable acid, sugar to acid ratio, Vc and lycopene content.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-04
  • 网络出版日期:  2019-11-11
  • 刊出日期:  2019-11-01

基质栽培番茄营养液中氮、钾最佳浓度研究

    作者简介:王军伟E-mail:JunweiWang87@126.com
    通讯作者: 吴秋云, qiuyunhk@hotmail.com
  • 1. 湖南农业大学园艺园林学院,湖南长沙 410128
  • 2. 农业部园艺作物生物学与种质创制综合性重点实验室,北京 100081
  • 基金项目: 农业部园艺作物生物学与种质创制综合性重点实验室开放基金(IVF201703)。
  • 摘要: 【目的】合理的氮、钾养分供给是提高番茄生长及果实品质的重要措施,本文研究了滴灌营养液中不同的氮、钾养分供给水平对基质栽培番茄生长及果实品质的影响,为优化基质栽培番茄的营养液配方,确定最佳的氮、钾养分浓度,实现养分供给的精量化管理提供科学依据。【方法】以沙∶珍珠岩比例为1∶2配置栽培基质,用于温室中番茄栽培,以番茄‘A20’为试材,进行了水培试验。采用2因素 (氮、钾) 5水平响应面中心复合设计,滴灌营养液中氮浓度的基础值为244 mg/L,试验设计步长为120 mg/L;钾浓度的基础值为313 mg/L,试验设计步长为150 mg/L。调查了番茄叶片叶绿素含量、净光合速率、单株产量、果实可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比、维生素C含量和番茄红素含量。【结果】随着滴管液中氮浓度从74 mg/L增加到414 mg/L,番茄产量、叶片叶绿素含量、叶片净光合速率、果实可溶性糖含量、糖酸比、番茄红素含量和果实维生素C含量均呈先增后减的趋势。随着营养液中钾浓度从101 mg/L增加到525 mg/L,果实可溶性糖含量、糖酸比和维生素C含量持续增加,番茄产量、叶绿素含量、净光合速率、番茄红素含量均先增后减。此外,通过建立各指标与氮钾二因子的二次回归方程发现,氮素是叶绿素含量、净光合速率和单株产量的主要影响因子,钾素是果实可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、维生素C和番茄红素含量的主要影响因子。氮、钾互作显著影响番茄产量和叶片叶绿素含量;充足的钾营养供给可以促进植株对氮素的吸收与同化,提高叶片叶绿素含量,利于产量提高;适量的氮素供应有利于钾素的吸收与利用,促进产量的进一步提高。采用主成分分析方法对8种配施方案下番茄产量和品质的综合性能进行评价,结果显示营养液中氮、钾浓度分别为N 378 mg/L、K 391 mg/L时为最优配方方案,且番茄叶片净光合速率达到最大值。【结论】在沙子和珍珠岩1∶2 (v∶v) 为基质的番茄无土栽培条件下,滴灌营养液中氮、钾浓度分别为N 378 mg/L和K 391 mg/L时,番茄产量和品质的综合性能达到最优,该方案可在生产实践中为基质栽培番茄营养液精确管理提供一定的借鉴意义。

    English Abstract

    • 番茄是目前世界各国设施蔬菜生产中的主要蔬菜之一[1],由于富含维生素C、维生素E、番茄红素、胡萝卜素、类黄酮等促健康化合物以及钾、磷、镁、钙、钠、铁、锰、铜、碘、硼等元素,营养丰富、风味独特,广受消费者的喜爱。近年来,人们对番茄的品质要求越来越高,而番茄的产量和品质不仅与作物本身的遗传特性有很大的关系,同时还在很大程度上受施肥、栽培措施、水分状况、温度与光照强度等因素的影响,其中以施肥对其产量和品质的影响尤为明显[2-5]。在番茄所需的养分中,氮和钾是需要量最大的必需营养元素,氮、钾的供应水平对番茄的产量和品质有决定性的影响[6-8]

      基质栽培具有增产提质、省水省肥、克服连作障碍等优点,广泛适用于现代温室的园艺作物栽培[9]。在番茄的基质栽培生产中,常配合营养液滴灌,但普遍存在施肥过量和比例失调的问题,极易造成肥料浪费和环境污染,影响番茄的高产优质,因而营养液中合理的氮钾营养供应对番茄的优质高效生产尤为重要。研究表明,增加营养液中钾含量可促进番茄开花和座果及成熟期提前,显著提高单株产量和优品果率,但氮钾互作未达显著水平[10]。王军君等[11]通过雾培番茄,得出当营养液中氮、钾浓度分别为12和8 mmol/L时,番茄可获得较高的果实产量、风味品质和抗氧化营养品质。因此,通过调整营养液中氮、钾水平是一种提高番茄产量和品质的简便、可行方式,也是促进肥料的高效利用和减施化肥的有效途径。

      为实现番茄的高产、优质、高效、安全生产以及肥料的减施和高效利用,本试验以番茄‘A20’为试材,试验采用氮钾2因素5水平响应面中心复合设计 (CCC),分别测定叶片叶绿素含量和净光合速率,果实可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、Vc和番茄红素含量,并统计单株产量,分析氮钾营养及互作对番茄植株生长、产量形成和果实品质的影响,筛选最优营养液配方,为我国番茄的高产优质栽培提供理论依据。

      • 试验于2017年在湖南农业大学园艺园林学院金山基地玻璃温室内进行,以课题组保存的番茄‘A20’为试材。种子经55℃温水浸泡10 min后浸种6 h,28℃培养箱中催芽。挑选饱满、出芽整齐的种子播于50孔穴盘中,播种时间为2017年3月15日,待子叶展平后每3天浇灌1次1/2倍Hoagland营养液 (pH 6.3 ± 0.1,EC 1.0~1.2 mS/cm)。

      • 试验采用2因素5水平响应面中心复合设计 (CCC) (表1),共16个处理 (表2)。番茄幼苗长至3叶1心时,挑选长势较好且一致的植株移栽于装有7 L栽培基质的营养钵中,每钵定植1株,每处理定植8株,取样时随机选取3株进行指标测定。栽培基质为沙∶珍珠岩 = 1∶2。当番茄植株长至6~8片真叶且第一个花序第一朵花开花时进行处理,处理方式为营养液根灌,根据植物生长发育的不同阶段,每3~7天浇灌1 L含不同氮钾营养的营养液 (其它必需元素的浓度参考Hoagland营养液配方),2017年7月25日采样结束。番茄植株调整、病虫害防治根据常规栽培管理方法进行。

        表 1  试验因素水平及编码值

        Table 1.  Levels and codes of the experimental factors

        编码CodeN (mg/L)K (mg/L)
        r = 1.414414525
        1364463
        0244313
        –1124163
        r = –1.414 74101
        j120150

        表 2  响应面设计方案及试验结果

        Table 2.  Program and experimental results of the response surface design

        处理
        Treatment
        氮水平
        N level
        (x1)
        钾水平
        K level
        (x2)
        氮营养
        Nitrogen
        (mg/L)
        钾营养
        Potassium
        (mg/L)
        单株产量
        Yield
        (g/plant)
        叶绿素含量
        Chlorophyll content
        (mg/g)
        净光合速率
        Net Pn
        [μmol/(m2·s)]
        可溶性糖
        Soluble sugar
        (%)
        可滴定酸
        Titratable acid
        (%)
        糖酸比
        Sugar-acid ratio
        维生素C
        Vitamin C
        (mg/100 g)
        番茄红素
        Lycopene
        (mg/100 g)
        111 3644632589 ± 102.02.29 ± 0.3219.06 ± 0.633.94 ± 0.150.183 ± 0.01421.65 ± 0.776.23 ± 0.323.99 ± 0.54
        21–1 3641631901 ± 73.01.87 ± 0.1418.88 ± 1.552.57 ± 0.270.224 ± 0.01311.41 ± 0.533.60 ± 0.133.23 ± 0.13
        3–1 1 1244631551 ± 73.71.41 ± 0.1914.32 ± 1.013.30 ± 0.360.239 ± 0.02113.80 ± 0.694.07 ± 0.463.61 ± 0.27
        4–1 –1 1241631433 ± 82.51.56 ± 0.1313.84 ± 0.702.12 ± 0.110.254 ± 0.0438.65 ± 0.922.72 ± 0.202.77 ± 0.11
        5 –1.4140 743131518 ± 118.91.29 ± 0.1212.08 ± 0.542.48 ± 0.220.243 ± 0.03110.31 ± 0.443.65 ± 0.332.95 ± 0.42
        6 1.4140 4143132129 ± 82.52.37 ± 0.1620.24 ± 1.213.03 ± 0.270.214 ± 0.00814.10 ± 0.764.13 ± 0.114.01 ± 0.33
        70 –1.4142441011825 ± 68.11.83 ± 0.1216.11 ± 0.942.06 ± 0.190.236 ± 0.0208.72 ± 0.312.57 ± 0.332.76 ± 0.23
        80 1.4142445252077 ± 67.52.19 ± 0.1318.97 ± 0.404.09 ± 0.270.185 ± 0.01522.26 ± 1.385.82 ± 0.484.32 ± 0.23
        900 2443132247 ± 85.82.35 ± 0.2718.48 ± 1.123.02 ± 0.080.200 ± 0.01615.32 ± 1.435.63 ± 0.414.17 ± 0.09
        1000 2443132484 ± 118.02.16 ± 0.0918.07 ± 1.403.14 ± 0.070.207 ± 0.01815.38 ± 1.285.40 ± 0.253.79 ± 0.31
        1100 2443132257 ± 103.72.29 ± 0.1917.55 ± 0.403.42 ± 0.250.180 ± 0.02019.16 ± 0.805.13 ± 0.173.88 ± 0.15
        1200 2443132262 ± 95.82.34 ± 0.1917.99 ± 0.923.57 ± 0.410.198 ± 0.01618.04 ± 1.384.36 ± 0.363.88 ± 0.27
        1300 2443132453 ± 89.02.12 ± 0.1219.17 ± 1.873.05 ± 0.250.172 ± 0.00917.71 ± 0.954.73 ± 0.403.87 ± 0.26
        1400 2443132405 ± 88.62.14 ± 0.2118.17 ± 0.952.97 ± 0.310.199 ± 0.01114.85 ± 0.775.14 ± 0.174.34 ± 0.34
        1500 2443132387 ± 114.92.14 ± 0.1919.93 ± 1.073.35 ± 0.180.204 ± 0.01316.51 ± 1.015.07 ± 0.194.13 ± 0.22
        1600 2443132202 ± 99.82.09 ± 0.1517.43 ± 1.173.22 ± 0.220.187 ± 0.01017.24 ± 1.135.28 ± 0.163.82 ± 0.13
      • 选取番茄植株第3片功能叶片,于晴天上午9:30—11:30采用LI-6400便携式光合仪测定净光合速率并取样测定叶绿素含量。待第三穗果成熟后进行取样,并采用四分法,用组织捣碎机将果实打成匀浆后进行品质检测。准确称取一定质量的果实匀浆,分别采用蒽酮比色法和NaOH滴定法测定果实可溶性糖含量和可滴定酸含量;番茄红素含量参照胡晓波等[12]的方法测定;维生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定。每次番茄采收时分别称重,计入单株产量。

      • 采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0和Design export 8软件对数据进行统计分析,采用OriginPro 9.0完成作图。

      • 氮、钾浓度分别为自变量x1x2,番茄单株产量为因变量y,运用Design export 8软件建立产量与氮、钾营养的二次回归模型。回归方程为:y = 2337.13 + 296.26x1 + 145.30x2 + 142.50x1x2 − 261.50x12 − 197.75x22 (R2 = 0.9198,P < 0.0001)。统计分析表明,氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12x22) 均对产量的影响极显著 (P < 0.01),其中一次项为正效应,二次项为负效应,氮 (x1) 为主要影响因子。氮钾互作对产量的影响显著 (P < 0.05),且为正效应。由图1A可知,当钾浓度 (x2) 固定在零水平时,随着氮浓度 (x1) 的增加,产量呈先上升后下降趋势;当氮 (x1) 固定在零水平时,随着钾浓度 (x2) 的增加,产量亦呈先上升后下降趋势。单株产量最大时的氮、钾取值分别为x1 = 0.738、x2 = 0.633,转化为编码前的水平为N 333 mg/L、K 407 mg/L,其对应的产量的响应值为2492.6 g/株。

        图  1  不同氮、钾供应水平下番茄生长与品质指标

        Figure 1.  Tomato growth and fruit quality indices under different nitrogen and potassium supplying levels

      • 运用Design export 8软件建立番茄叶片叶绿素含量与氮、钾水平的二次回归方程为:y = 2.203 + 0.340x1 + 0.0966x2 + 0.144x1x2 – 0.220x12 – 0.132x22 (R2 = 0.9216,P < 0.0001)。统计分析表明,氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12x22) 均对叶绿素含量的影响显著 (P < 0.05),其中一次项为正效应,二次项为负效应,氮素为主要影响因子。氮、钾互作对叶绿素含量的影响显著 (P < 0.05)。由图1B可知,在 –1.414至1.414取值范围内,叶绿素含量随氮、钾含量的增加,均呈先上升后下降的趋势;叶绿素含量达到最高时的氮、钾取值分别为x1 = 1.088、x2 = 0.961,对应的浓度分别为N 374 mg/L和K 457 mg/L,对应的叶绿素含量的响应值为2.43 mg/g。

      • 运用Design export 8软件建立番茄叶片净光合速率与氮钾水平的二次回归方程为:y = 18.35 + 2.664x1 + 0.587x2 − 0.0729x1x2 − 1.176x12 − 0.486x22 (R2 = 0.9126,P < 0.0001)。统计分析表明,氮 (x1) 和二次项 (x12) 对净光合速率的影响极显著 (P < 0.01),氮素为主要影响因子。钾 (x2) 和二次项 (x22) 及氮、钾互作对净光合速率影响不显著 (P > 0.05)。由图1C可知,在 –1.414至1.414取值范围内,净光合速率随氮、钾浓度的增加,均呈先上升后下降的趋势;净光合速率达到最高时的氮、钾取值分别为x1 = 1.117、x2 = 0.522,对应的浓度分别为N 378 mg/L和K 391 mg/L,对应的净光合速率的响应值为19.99 μmol/(m2·s)。

      • 运用Design export 8软件建立番茄果实可溶性糖与氮钾水平的二次回归方程为:y = 3.216 + 0.235x1 + 0.677x2 + 0.0488x1x2 − 0.212x12 − 0.0555x22 (R2 = 0.9269,P < 0.0001)。统计分析表明,氮 (x1) 和二次项 (x12) 及钾 (x2) 对可溶性糖含量的影响极显著 (P < 0.01),其中一次项为正效应,二次项为负效应,钾为主要影响因子。钾营养二次项 (x22) 和氮、钾互作对可溶性糖含量影响不显著 (P > 0.05)。由图1D可知,在–1.414至1.414取值范围内,可溶性糖含量随氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趋势,随钾 (x2) 的增加呈上升趋势;可溶性糖含量达到最高时的氮、钾取值分别为x1 = 0.717、x2 = 1.414,对应的浓度分别为N 330 mg/L和K 525 mg/L,对应的可溶性糖含量的响应值为4.172%。

      • 运用Design export 8软件建立番茄果实可滴定酸含量与氮、钾养分的二次回归方程为:y = 0.1933 − 0.0158x1 − 0.0160x2 −0.00647x1x2 + 0.0189x12 + 0.0100x22 (R2 = 0.8507,P < 0.0001)。统计分析显示,氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12x22) 对可滴定酸含量影响显著 (P < 0.05),其中一次项为负效应,二次项为正效应,钾素为主要影响因子。氮、钾互作对可滴定酸含量的影响不显著 (P > 0.05)。由图1E可知,在–1.414至1.414取值范围内,可滴定酸含量随氮 (x1)、钾 (x2) 的增加,均呈先下降后上升的趋势;可滴定酸含量达到最低值的氮、钾取值分别为x1 = 0.586、x2 = 0.994,对应的浓度分别为N 314 mg/L和K 462 mg/L,对应的可滴定酸含量的响应值为0.181%。

      • 运用Design export 8软件建立番茄果实糖酸比与氮钾水平的二次回归方程为:y = 16.78 + 1.996x1 + 4.316x2 + 1.274x1x2 – 2.278x12 − 0.635x22 (R2 = 0.9155,P < 0.0001)。统计分析表明,氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12) 均显著影响糖酸比 (P < 0.05),其中一次项为正效应,二次项为负效应,钾营养为主要影响因子。氮、钾互作和钾二次项 (x22) 对糖酸比影响不显著 (P > 0.05)。由图1F可知,在–1.414至1.414取值范围内,糖酸比随氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趋势,随钾 (x2) 的增加呈上升趋势;糖酸比达到最大时的氮、钾取值分别为x1 = 0.830、x2 = 1.414,对应的浓度分别为N 343.6 mg/L和K 525 mg/L,对应的糖酸比的响应值为23.19。

      • 运用Design export 8软件建立番茄果实Vc含量与氮、钾养分的二次回归方程为:y = 5.092 + 0.464x1 + 1.071x2 + 0.319x1x2 − 0.572x12 − 0.419x22 (R2 = 0.8914,P < 0.0001)。统计分析表明,氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12x22) 均显著影响Vc含量 (P < 0.05),其中一次项为正效应,二次项为负效应,钾素为主要影响因子。氮、钾互作对Vc含量影响不显著 (P > 0.05)。由图1G可知,在–1.414至1.414取值范围内,Vc含量随氮 (x1) 的增加呈先上升后下降趋势,随钾 (x2) 的增加呈上升趋势;Vc含量达到最高时的氮、钾取值分别为x1 = 0.799、x2 = 1.414,对应的浓度分别为N 340 mg/L和K 525 mg/L,对应的Vc含量的响应值为6.134 mg/100 g。

      • 运用Design export 8软件建立番茄红素与氮钾营养水平的二次回归方程为:y = 3.985 + 0.292x1 + 0.475x2 − 0.0229x1x2 − 0.280x12 − 0.250x22 (R2 = 0.9000,P < 0.0001)。统计分析显示,氮 (x1)、钾 (x2) 及二次项 (x12x22) 均对番茄红素含量的影响极显著 (P < 0.01),其中一次项为正效应,二次项为负效应,钾营养为主要影响因子。氮钾互作对番茄红素含量影响不显著 (P > 0.05)。由图1H可知,在–1.414至1.414取值范围内,番茄红素含量随氮 (x1)、钾 (x2) 的增加,均呈先上升后下降趋势;番茄红素含量达到最高时的氮、钾取值分别为x1 = 0.487、x2 = 0.885,对应的氮、钾浓度分别为N 302 mg/L和K 446 mg/L,对应的番茄红素含量的响应值为4.276 mg/100 g。

      • 将上述2.1.1~2.1.8部分所得的氮、钾养分配施方案分别定义为方案1~8,以所建回归方程为基础,分别计算出每种方案所对应的番茄产量、叶绿素含量、净光合速率以及果实可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、Vc、番茄红素含量 (表3)。采用主成分分析法对8种配施方案进行番茄产量和品质的综合性能评价,结果显示主成分1和2的贡献率分别为70.49%和23.61%,累计值达94.10%。其中,主成分1的主要载荷因子是净光合速率 (0.983)、叶绿素含量 (0.844) 和产量 (0.745),主成分2的主要载荷因子是番茄红素含量 (0.946) 和产量 (0.661)。配施方案的综合得分排名显示,方案3条件下 (N 378 mg/L、K 391 mg/L),番茄产量和品质的综合性能达到最优,且叶片净光合速率达到最大。

        表 3  基于番茄生长和果实品质的氮钾营养方案综合得分与排名

        Table 3.  The comprehensive score and ranking of nitrogen and potassium based on tomato growth and fruit quality

        编号
        Code
        组合水平 (mg/L)
        Combination level
        产量
        Yield
        (g/plant)
        叶绿素含量
        Chl. content
        (mg/L)
        净光合速率
        Net Pn
        [μmol/(m2·s)]
        可溶性糖
        Soluble sugar
        (%)
        可滴定酸
        Titratable acid
        (%)
        糖酸比
        Sugar-acid
        ratio
        Vc
        (mg/100 g)
        番茄红素
        Lycopene
        (mg/100 g)
        主成分1
        Principal
        component 1
        主成分2
        Principal
        component 2
        综合得分
        Comprehensive
        score
        排名
        Ranking
        NK
        1333407 2492.62.4119.823.7020.18320.085.7834.2401.9631.4041.7152
        23744572455.92.4319.893.8680.18621.145.8964.1771.858–0.474 1.1983
        33783912446.82.4119.993.5770.19018.995.5284.1313.963–1.631 2.4081
        43305252369.72.3519.444.1720.18223.166.1304.203–2.653 –0.780 –2.055 8
        53144622453.02.3819.573.9280.18121.576.0054.274–0.783 1.600–0.174 5
        63445252380.22.3819.524.1690.18323.196.1344.184–2.010 –1.013 –1.656 6
        73395252378.02.3719.504.1700.18323.196.1344.190–2.180 –0.926 –1.755 7
        8302445 2468.72.3819.613.8620.18121.155.9534.276–0.157 1.8200.3194
        注(Note):组合水平编号依次为产量、叶绿素含量、净光合速率、可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、Vc 和番茄红素达到最高值 (最低值) 时计算的营养液中氮、钾浓度 The combination codes represent the calculated N and K levels in the irrigation water with the highest (lowest) yield, chlorophyll content, Net Pn, soluble sugar, titratable acid, sugar to acid ratio, Vc and lycopene content.
      • 氮素是蔬菜生长发育过程中所必需的大量元素之一,是蔬菜体内蛋白质、核酸、酶、叶绿素、内源激素的重要组分之一[13]。蔬菜叶片的氮素主要用于叶绿体构建,其供应水平对蔬菜叶绿素含量、光合作用以及呼吸速率影响显著,并间接地影响蔬菜的产量和品质。大量的研究表明,增加供氮水平可提高蔬菜产量,改善品质[14-16],适宜的氮营养可提高蔬菜作物叶绿素含量、净光合速率,促进干物质积累,增加可溶性固形物、蛋白质、维生素C等营养成分含量[17-18]。过量的氮营养则会导致根系生长受阻,光合作用降低,生育期滞后,降低商品性产量,破坏风味与储藏品质[19]。钾是蔬菜生长发育必不可少的营养元素之一,其参与水分吸收、光合作用、同化运输以及酶活性的激活等生理活动,对作物的产量和品质有着重要影响。研究表明,适当地增加钾供应水平亦可提高蔬菜产量,并改善品质[7, 20]。钾供应充足时番茄叶片的叶绿素含量和光合速率可以达到最大值[20-21],钾浓度的升高明显改善番茄品质[3, 22-23],并且有利于番茄着色[24]

        本试验结果显示,氮、钾供应水平对番茄的生长影响显著,增加营养液中氮、钾含量可提高叶片叶绿素含量、净光合速率和产量。果实品质分析显示,氮、钾营养对番茄品质亦造成显著影响,适度增加营养液中氮、钾浓度可提高果实可溶性糖、维生素C和番茄红素含量,降低可滴定酸含量。但随着供氮水平的进一步提高,番茄的光合受阻、产量降低、品质下降,这与前人在辣椒[25]、马铃薯[26]、甜瓜[28]、甘蓝[27]上的研究结果相一致。随着供钾水平的提高,番茄产量、番茄红素含量呈先升后降趋势,可滴定酸含量呈先降后升趋势,类似的结果在前人研究中亦有报道[14, 29]。因此,盲目追求产量而过量施肥,不仅造成肥料资源的大量浪费,而且影响蔬菜品质。

        氮、钾养分在蔬菜的生理代谢过程中存在互作效应,合理的氮、钾供给是实现作物高产优质的前提。本试验结果显示,营养液中氮、钾互作对番茄产量和叶绿素含量影响显著 (P < 0.05),对净光合速率和果实品质影响不显著 (P > 0.05)。低钾条件下,随氮素增加增产效果不明显,高钾条件下,随氮素增加增产效果明显,表明充足的钾素供给可以促进植株对氮素的吸收与同化,利于产量提高。此外,适量的氮素供应有利于钾素的吸收与利用,促进产量的进一步提高。因此,在蔬菜实际生产中,氮、钾养分应合理配施,充分发挥其互作效应,从而实现高产优质。

        运用回归设计理论和响应面方法,采用多元二次回归方程拟合因素与响应值之间的函数关系,通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数,具有试验规模小、信息量大的特点,目前已广泛用于提取与加工工艺的优化,在农业上可用于施肥方案的决策和种植管理技术的优化。通过实测数据建立了氮、钾浓度与番茄产量和果实品质之间的回归方程,方差分析达到显著水平,相关系数较高,可用于预测番茄无土栽培营养液中氮钾营养的最优配施方案,相较于正交设计,具有试验处理少和优化结果精确的优点。本试验结果显示,在氮钾配施方案3条件下,番茄综合性能 (生长、产量和品质) 达到最优,而此时叶片净光合速率达到最大。一方面,光合作用的增强得益于氮素促进叶绿素合成,钾素增大气孔导度[30],氮钾配施提高Rubisco酶活性[31],最终表现为光合产物的增加和产量的提高;另一方面,氮钾配施提高番茄叶片光合作用的同时,促进光合产物在番茄结果期优先向果实转运,从而加速果实中蔗糖的积累,相似的结果在甘薯[32]中已有报道。

      • 氮、钾养分显著影响番茄的光合效率和果实产量及品质。氮素水平主要影响植株的光合效率和番茄产量,钾素水平主要影响果实品质和品相。优质高产需要协调氮、钾供应。在本试验栽培基质和方法条件下,番茄产量和品质综合最优的营养液氮、钾水平分别为378 mg/L、391 mg/L。

    参考文献 (32)

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