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随着我国农业供给侧改革和蔬菜需求量的刚性增长，城郊区的粮田逐渐转换为设施蔬菜地，导致我国设施蔬菜种植面积逐年增加。2017 年，我国设施蔬菜种植面积占蔬菜种植面积的32.3%[1]，到2020 年设施蔬菜种植面积有可能还会增加[2]，逐年增长的设施蔬菜已经成为蔬菜产业当中的主力军。在设施农田管理中长期不合理的水氮管理栽培模式，尤其是高养分投入的种植习惯和种植模式打破养分输入—输出平衡，造成养分盈余，引起了土壤酸化、次生盐渍化、硝酸盐积累及地下水污染等一系列生态环境问题[3-5]。因此，探索新的蔬菜施肥方式成为设施蔬菜可持续发展的重要任务。
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在农业绿色发展[6]和2020 年实现化肥零增长战略的指导下[7]，设施施肥和灌溉方式不断发生变化。鉴于蔬菜根系浅，生长速度快，需水需肥量大等特点，当前设施蔬菜种植中主要采用基肥加追肥（水溶肥）模式，来满足蔬菜不同时期的营养需求[8-9]。周鹂等[10]研究表明，追施水溶肥可以促使叶菜类作物枝叶肥厚宽大，改善瓜果类作物口感和品质，也可及时减轻作物缺素症状。蔡丽环等[11]在番茄试验中发现底肥加水溶肥的施肥模式能明显改善番茄经济性状，增加株高，提高产量。 水肥一体化技术已经成设施蔬菜栽植中最主要的施肥方式[8]，同时以缓控肥替代尿素的底肥施肥方式也开始在设施农业中使用[12-13]。
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控释肥由于其能延缓或控制肥料养分的释放， 使肥料养分释放时间和强度与作物养分吸收规律相同[14-15]，因此，被认为是减少肥料损失、提高肥料利用率的有效措施[16]。黄云等[17]研究发现控释氮肥能控制氮的释放，减少氮素损失，提高氮肥利用率。王晓巍等[18]研究发现控释肥能提高甜瓜叶片的叶绿素含量，改善光合作用，促进氮素的吸收，进一步提高产量和品质。Li等[13]研究发现控释肥能提高番茄产量和品质。当前，控释肥在蔬菜中应用也越来越多，但主要关注点集中在蔬菜产量、品质和土壤中硝酸盐积累等方面，对控释肥影响蔬菜生理生化特征的报道很少，其中提到控释氮肥对植物氮代谢酶活性的影响研究则少有报道，因此需要对其进行深入研究。
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本研究以设施番茄为对象，探索控释氮肥结合水溶肥的养分投入模式对设施番茄生理特征的影响，以期为设施番茄生产中的养分优化管理提供依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验设计
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盆栽试验布置在北京市农林科学院连栋温室， 番茄品种为佳美8 号。土壤选用砂质土，土壤理化性状为：全氮1.00 g/kg，有效磷3.60 mg/kg，速效钾45.70 mg/kg，pH值7.96，有机质17.30 g/kg。试验所用塑料盆长宽高分别为21、26 和33.5 cm，每盆装土10 kg，每盆种植一株番茄，3 月16 日定植，7 月25 日结束。施肥选择基肥加追肥的方式， 其中基肥为尿素和控释氮肥，追肥为水溶肥。基肥和追肥的施肥比例为3∶7，其中追肥分3 次进行（以2∶1∶2 进行追施）。试验设5 个处理，分别为：不施氮对照（仅施磷钾肥，以CK表示），常规施肥（尿素配施水溶肥，以U100 表示），常规总氮减20%（尿素配施水溶肥，以U80 表示），控释肥（控释氮肥配施水溶肥，以PCU100 表示）， 控释肥总氮减20%（控释氮肥配施水溶肥，以PCU80 表示）。除CK外每千克土中施用N 0.12 g、 P2O5 0.11 g和K2O 0.23 g， 氮肥分别为尿素（N 46.20%）和控释氮肥（北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所制备，N 42%，释放期80 d）， 磷肥为过磷酸钙（P2O5 ≥ 12%），钾肥为硫酸钾（K2O ≥ 52%）；水溶肥选用高氮型水溶肥（N-P2O5-K2O：30-10-10）和高钾型水溶肥（N-P2O5-K2O： 15-5-30），第1 次和第3 次追肥选用高氮型水溶肥，第2 次选用高钾型水溶肥，第1 次追肥在番茄一穗开花坐果期进行，第2 次追肥在番茄盛果期， 第3 次在番茄果实膨大期。每个处理设置16 个重复。生长期间每隔4 d浇一次水，苗期每次浇水500 mL，花期和果期每次浇水1 L。5 个处理的磷钾肥用量完全一致，其中CK的磷钾肥全部作底肥基施。
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1.2 样品采集与分析
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叶片采样：第1 次取样在定植之后20 d（苗期），第2 与第3 次取样分别在第1 次追肥后10 d（盛花期）和第3 次追肥后10 d（盛果期）进行。 每次随机取3 株植物。
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生理指标测定：在晴朗的14：30 ～ 16：30（美国CI-340 手持式光合作用仪）测定光合指标， 选择完全展开的新叶片进行测定净光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度和气孔导度。
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叶绿素采用丙酮浸提法进行测定。番茄可溶性糖、可滴定酸、Vc含量分别采用考蒽酮比色法、 酸碱滴定法及2，6-二氯酚靛酚滴定法[19]测定。 番茄叶片硝酸还原酶活性（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）均利用试剂盒（苏州）进行测定。
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产量检测：在果实采收期，选取长势均匀一致的8 株，采收后称重并计算产量。
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1.3 数据处理
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采用Excel 2013、Origin 8.5 软件进行数据处理和图形绘制，所有数据均运用SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析，差异显著性水平为0.05 水平。
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2 结果与分析
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2.1 不同处理对番茄产量和品质的影响
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与CK相比，施肥显著增加了番茄产量（P<0.05），增产幅度在160.88%～ 180.97%之间，但施肥处理间番茄产量没有差异（图1）。与CK相比，各施肥处理的番茄Vc含量显著降低（P<0.05）（表1）。等氮量条件下，控释氮肥较尿素增加了番茄Vc含量，但是差异不明显，U80 处理的番茄Vc含量显著高于U100（P<0.05）；与PCU100 相比， PCU80 也在一定程度上提高了Vc含量，说明降低氮肥用量能提高番茄Vc含量。控释氮肥较尿素能增加番茄水溶性糖含量，但是差异不显著。与CK相比，施肥显著增加了番茄总酸度和硝酸盐含量（P<0.05），其中控释氮肥较尿素更易于提高番茄总酸度，但同时显著降低了番茄的硝酸盐含量。
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图1 不同处理下番茄产量的变化
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注：不同小写字母表示处理之间差异显著（P<0.05），显著性检测只在同一时期内进行，下同。
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注：不同小写字母表示处理之间差异显著（P<0.05），显著性检测只在同一时期内进行，下同。
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2.2 不同处理对番茄光合参数的影响
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控释氮肥处理下番茄净光合速率呈现出苗期> 盛果期> 盛花期的趋势（表2）。在番茄苗期，施肥显著增加了番茄叶片净光合速率和蒸腾速率（P<0.05），其中U80 显著高于其他肥料处理（P<0.05）。U100 与PCU100 处理之间叶片净光合速率、蒸腾速率无显著性差异，而U80 处理显著高于PCU80（P<0.05），U100 处理显著低于 U80（P<0.05）。在番茄盛花期，PCU100 和PCU80 较CK显著增加了叶片净光合速率和蒸腾速率（P<0.05）；而施肥处理下的净光合速率和蒸腾速率没有显著性差异。等氮量条件下，尿素处理下净光合速率略高于控释肥处理。在番茄盛果期， PCU100 处理的番茄叶片净光合速率、蒸腾速率显著高于其他处理（P<0.05）；PCU100、PCU80 处理下叶片净光合速率显著高于U100、U80（P<0.05）， 同时PCU100 显著高于PCU80（P<0.05）。整个生育期内不同处理间胞间二氧化碳浓度和气孔导度没有呈现出一定规律性。
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2.3 不同处理对番茄叶绿素含量的影响
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在番茄生育期内，除了CK和U100，各处理的叶片叶绿素、叶绿素a和叶绿素b含量均呈现出苗期> 盛花期> 盛果期的趋势（表3）。在番茄苗期， PCU100 处理的叶绿素和叶绿素a含量显著高于CK（P<0.05）。在番茄盛花期，施肥处理的叶绿素总量、 叶绿素a和叶绿素b均显著高于CK（P<0.05），其中等氮量条件下控释氮肥又高于尿素。在番茄盛果期，施肥处理的叶绿素总量、叶绿素a和叶绿素b均显著高于CK（P<0.05），施肥处理间差异不明显。
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2.4 番茄叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性
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在番茄苗期和盛花期，处理间番茄叶片硝酸还原酶活性差异不明显（图2）；在番茄盛果期， PCU100 和PCU80 显著高于其他处理（P<0.05）， 其中，PCU100 处理的硝酸还原酶活性最高（P<0.05）。在番茄生长期间，谷氨酰胺合成酶活性整体呈现出盛果期> 盛花期> 苗期的趋势，在同一生育期内，处理间差异不明显（图3）。番茄盛果期叶片谷氨酸合成酶活性明显高于苗期和盛花期， 但不同时期处理间的差异没有规律性（图4）。
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图2 不同处理下番茄叶片硝酸还原酶（NR）活性的变化
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图3 不同处理下番茄叶片谷氨酰胺合成酶（GS）活性的变化
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图4 不同处理下番茄叶片谷氨酸合成酶（GOGAT）活性的变化
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2.5 番茄生理指标与产量、品质之间的关系
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叶绿素含量和产量之间为显著正相关关系（P<0.05）。净光合速率和蒸腾速率之间成显著的正相关关系（P<0.05），NR、GS与净光合速率、蒸腾速率之间存在显著正相关关系（P<0.05），NR与GS之间存在显著的正相关关系（P<0.05）。
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注：生理指标数据都选择盛果期的数据与产量、品质进行相关性分析。* 表示不同指标之间相关显著（P<0.05）；Pn-净光合速率，E-蒸腾速率， NR-硝酸还原酶，GS-谷氨酰胺合成酶，GOGAT-谷氨酸合成酶。
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3 讨论
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3.1 控释氮肥与水溶肥配施对番茄产量和品质的影响
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本研究发现，与常规尿素配施水溶肥相比，控释氮肥配施水溶肥，并没有起到预想的增产效果。 这与李艳梅等[20]关于控释氮肥在番茄上增产的结果不一致，可能原因是试验土壤基础肥力偏低，80 d的控释氮肥释放周期比较长，氮素前期释放少， 造成养分释放与番茄吸收规律不同步；而基肥尿素在苗期快速水解，容易被植物吸收利用，为后期生长打下良好的基础。曹金华等[21]也提出控释氮肥氮素释放速率较慢或者与油菜氮素吸收不能同步， 会影响油菜苗期营养。控释氮肥具有减少氮肥损失、提高利用率等优点，但在肥料品种的选择上应使其养分释放时间和强度与番茄吸收规律一致。本研究选用控释氮肥释放周期80 d，时间较长，再加上试验地肥力较低，因而造成番茄生长受限，影响了产量的形成。
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国内外众多研究均证实蔬菜Vc与硝酸盐含量均受施氮量的影响，合理施氮是提高蔬菜品质的关键[22-23]。本研究发现，与尿素配施水溶肥相比， 控释氮肥配施水溶肥增加了番茄Vc含量，这与王晓巍等[18]关于控释氮肥能提高甜瓜Vc含量的结果一致。由于施氮量与果实硝酸盐含量之间关系呈正相关[24]，控制施氮量是降低蔬菜硝酸盐含量的关键[25]。本研究结果表明，与尿素相比，控释氮肥显著降低了番茄硝酸盐含量，这是由于控释肥可以调控尿素溶出，从而降低土壤中硝态氮含量而降低番茄果实硝酸盐的含量，这与杨俊刚等[26]研究结果一致。
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3.2 控释氮肥与水溶肥配施对番茄生理性状的影响
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氮是构成植物叶绿素、蛋白质、酶的主要元素[27]，氮素变化直接影响植株叶片叶绿素、蛋白质和氮代谢酶的变化。叶绿素是光合作用过程中将光能转化为化学能的关键色素，其含量的高低是衡量叶片光合性能的重要指标[28]。本研究中，施氮处理番茄叶绿素含量显著高于CK，减氮处理对叶绿素含量影响不明显，这可能是由于适宜的施氮量有助于提升植物叶绿素含量，施氮量过高或过低均抑制叶绿素合成[29-30]。这也可以解释本研究为何得出与刘中良等[31]的氮肥减施有利于提高番茄叶片的SPAD值相反的结论。在番茄苗期，尿素处理的净光合速率高于控释氮肥的处理，与吕熙伟[32] 发现番茄定植30 d时尿素处理的光合速率高于控释氮肥处理的结果一致。这是由于前期控释氮肥释放缓慢与番茄前期生长需氮量不匹配，造成叶绿素合成受到一定程度的影响。本研究发现，控释氮肥配施水溶肥在番茄生长后期显著提高净光合速率， 这与黄云等[17]和聂军等[33]的研究结果一致。这可能因为控释氮肥延缓叶片衰老，减慢了叶绿素降解的速度[34]。另外，试验土样基础肥力低，前期土壤含氮量少，从而影响植物酶活性，到盛果期控释氮肥氮素大量释放，土壤含氮量增加，有大量的氮素供植物吸收利用，所以番茄生长后期，硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性逐渐增强。另外，番茄的生理指标与施肥、水分、温度等因素有着复杂的关系，是随条件而改变的，要掌握其内在的规律需做大量深入、细致的研究。
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4 结论
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与不施氮对照相比，施氮显著提高了番茄产量，但施氮处理间番茄产量没有差异；控释氮肥较尿素能改善番茄品质，尤其是显著降低果实硝酸盐含量。
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与尿素配施水溶肥相比，控释氮肥配施水溶肥显著提高番茄盛果期的净光合速率和硝酸还原酶活性。
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番茄产量与叶绿素之间存在着显著的正相关关系，控释氮肥和水溶肥配施通过调控叶绿素、光合作用、氮代谢等来影响番茄生理特征，进而影响产量和品质。
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摘要
探究控释氮肥与水溶肥配施对番茄生理特征的影响,为设施番茄种植过程中合理的氮肥管理提供参考。 采用盆栽试验研究设施番茄产量、品质与生理特征的变化。试验共设 5 个处理,分别为不施氮对照(CK)、常规施肥(尿素 + 水溶肥,U100)、常规总氮减 20%(尿素 + 水溶肥,U80)、控释肥(控释氮肥 + 水溶肥,PCU100) 和控释肥总氮减 20%(控释氮肥 + 水溶肥,PCU80)。结果表明:与 CK 相比,施氮显著增加了番茄产量,但施氮处理间差异不大;与尿素相比,控释氮肥显著降低了番茄硝酸盐含量、盛果期净光合速率和硝酸还原酶活性 (P<0.05)。相比尿素,控释氮肥对谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性影响不明显。综上所述,控释氮肥与水溶肥配施较常规施肥能提高番茄盛果期净光合速率、硝酸还原酶活性,改善番茄品质。控释氮肥与水溶肥配施通过调控叶绿素、光合作用、氮代谢来影响番茄生理特征,进而影响产量和品质。
Abstract
The effect of the combined application of controlled release nitrogen fertilizer and water-soluble fertilizer on the physiological characteristics and quality of tomatoes was explored to provide a reference for reasonable nitrogen fertilizer management in the tomato planting process in greenhouse.Pot experiment was used to study the changes of tomato yield,quality and physiological characteristics.There were 5 treatments in the experiment:no nitrogen control(CK), conventional fertilization(urea+water soluble fertilizer,U100),conventional nitrogen reduction 20%(urea+water soluble fertilizer,U80),controlled-release fertilizer(controlled-release nitrogen+water soluble fertilizer,PCU100)and controlled-release fertilizer nitrogen reduction 20%(controlled-release nitrogen+water soluble fertilizer,PCU 80).The results showed that compared with CK,nitrogen fertilizer application significantly increased tomato yield,but there was no significant difference within N application treatments;compared with urea,controlled release fertilizer significantly reduced nitrate content of tomato,net photosynthetic rate and nitrate reductase activity(P<0.05).Compared with urea,the activities of glutamine synthetase and glutamic acid synthetase were not significantly affected by controlled release fertilizer. In conclusion,the combination of controlled release nitrogen fertilizer and water-soluble fertilizer could improve the net photosynthetic rate,nitrate reductase activity and quality of tomato.The combination of controlled-release nitrogen fertilizer and water-soluble fertilizer affects the physiological characteristics of tomato by regulating chlorophyll,photosynthesis and nitrogen metabolism,and then affects the yield and quality.