氮、钾运筹对设施番茄产量、果实硝酸盐含量及土壤硝态氮含量的影响

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　　摘要：施肥影响设施蔬菜的产量、质量安全和土壤环境，因此，开展设施番茄氮肥和钾肥配合施用方案的研究，对区域设施农业优质、高效、健康发展具有重要意义。本研究以番茄新品种辽粉185为试验材料，采用氮、钾2因素4水平完全随机设计，探讨氮钾配合施用对设施番茄产量、果实硝酸盐含量及土壤硝态氮含量的影响。结果表明，果实硝酸盐含量随氮和钾施入水平的提升而增加，土壤硝态氮含量随氮施入水平的提升而增加，随钾施入水平的提升而降低。氮、钾施入水平对番茄产量的影响均为先促進后抑制，通过回归模型获得番茄最高产量的氮、钾推荐施肥量分别为323.6 kg/hm2和377.0 kg/hm’。采用TOPSIS（Technique for order preference by similarity to an ideal solution）法进行综合评价，获得的结果表明，氮是影响番茄产量、质量安全和环境的重要因素，氮投入142.9～285.7kg/hm2可作为区域设施番茄栽培决策施肥的参考区间。
　　关键词：氮;钾;设施番茄;产量;果实硝酸盐;土壤硝态氮
　　中图分类号：S641.2
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4440（2019）02-0378-06
　　设施农业是一种高投入、集约化、高收益的农业生产形式1，在实际生产过程中，往往存在因生产者技术水平低而导致施肥结构不合理，或因盲目追求产量而过量施用肥料的现象，施肥不合理或过量施肥将会带来农业资源浪费，设施土壤次生盐渍化，设施蔬菜产量降低，农产品安全受到威胁，土壤环境污染等诸多问题[23]。因此，既能够改善土壤和水环境，又能保证农产品产量和安全的配方施肥引起了社会的广泛关注[4]。合理施用氮肥、钾肥可保证农作物的产量和品质511。氮肥、钾肥影响蔬菜的质量安全，钾肥影响硝酸盐的运输、吸收和利用，硝酸盐是衡量蔬菜安全的重要指标，而且科学施用氮肥、钾肥将有效避免土壤和地下水硝酸盐超标[12]。关于氮肥、钾肥的单因素或多因素交互作用对番茄产量、果实品质或土壤硝态氮影响的研究较多[13-16]但结合地域气候条件、土壤类型、种植模式，针对地方新品种开展的综合考虑产量、质量安全及土壤污染指标的研究较少。本研究拟在北方典型土壤类型和设施栽培模式下，研究氮（N）、钾（K）对番茄新品种辽粉185产量、果实硝酸盐含量和土壤硝态氮含量的影响，获得氮肥、钾肥对各指标的影响规律，最优推荐施用量及效应综合评价结果，以期为区域番茄优质、高效、健康、可持续生产提供理论依据。
　　 1 材料与方法
　　 1.1 试验地概况
　　试验设置在辽宁省海城市温香镇设施番茄大面积种植区，该地区位于辽东半岛与内陆交汇点，属于温带季风气候，年平均气温8～9℃，全年降水量640～880 mm。受季风影响，降水多集中在夏季，温差较大，四季分明。温香镇位于海城西北部平原区，该地区地势平坦，土壤肥沃，适宜开展设施农业生产，现已拥有设施大棚1200hm2，是鞍山地区最大的农产品产销集散地。番茄是该地区主要种植的蔬菜，超过40.0%的农户春茬种植番茄。本试验所选地块为棚龄5年的设施大棚，有机肥在夏季7-8月施入，每年施用75～105 t/hm2猪粪或牛粪。土壤类型为草甸土，土壤有机质2.980%，全氮0.164%，全磷0.146%，全钾2.560%，速效氮160.00 mg/kg，速效磷212.20 mg/kg，速效钾230.00 mg/kg，pH 6.5。
　　 1.2 试验材料
　　番茄品种为辽粉185，无限生长型粉红果。果实扁圆形，色泽亮丽，有绿果肩，口感好，硬度中等，耐贮运。适宜日光温室冬春茬和春茬种植。
　　供试肥料包括普通尿素（N：46%）、过磷酸钙（P2O5：12%）、硫酸钾（K2O：50%）。
　　 1.3 试验设计
　　试验采用N、K 2因素4水平完全随机设计，共16个处理，3次重复，随机排列，试验小区面积20m2。试验设计方案如表1显示。
　　氮肥和钾肥的20%为基肥，其余为追肥，分3次施入，第1穗果膨大期追施20%，第2穗果膨大期追施30%，第3穗果膨大期追施30%。所有处理的施磷量均为285.71kg/hm，全部作为基肥一次性施入。2017年2月3日定植，番茄栽培共留5穗果，每穗留4个果实，2017年6月27日采收结束。
　　 1.4 测定调查项目与方法
　　第3穗果成熟期到第5穗果成熟期分3次采收果实，混合样品测定果实硝酸盐含量，果实硝酸盐含量测定采用分光光度计法[17]。于收获期调查番茄果实产量，拉秧期采集各处理耕层0～20 cm土壤，测定土壤硝态氮含量。土壤硝态氮含量采用0.01 mol/L
　　 CaCl，溶液浸提，连续流动分析仪（AA3型）测定[18]。
　　 1.5 统计分析方法
　　采用Microsoft Excel 2007、SPSS 22.0软件进行方差分析和回归分析，利用DPS 7.05进行TOPSIS（Technique for order preference by similarity to an ide-alsolution）法综合评价分析，利用Matlab2017b绘制模型。
　　 2 结果与分析
　　 2.1 氮、钾运筹对番茄产量、果实硝酸盐含量及土壤硝态氮含量的影响
　　表2显示，相同氮施入水平下不同钾施入水平间产量差异不显著。相同钾施入水平下，N2的番茄产量显著高于其他N水平的番茄产量（P<0.05），N1、N3和N4水平间番茄产量的差异不显著。
　　相同氮施入水平下不同钾施入水平，果实硝酸盐含量总体随钾施入水平的提升而增加。N1水平下，N1K4处理的番茄果实硝酸盐含量显著高于N1K1和N1K2处理。N2水平下，N2K3和N2K4处理的果实硝酸盐含量显著高于N2K1和N2K2处理。N3水平下，N3K2、N3K3和N3K4处理间的果实硝酸盐含量差异不显著，但皆显著高于N3K1处理。N4水平下，N4K2、N4K3和N4K4处理间的果实硝酸盐含量差异不显著，N4K3和N4K4处理的果实硝酸盐含量显著高于N4K1处理。相同钾施入水平下不同氮施入水平，果实硝酸盐含量总体随氮水平的提升而增加。K1水平下，N3K1和N4K1处理的果实硝酸盐含量显著高于N1K1和N2K1处理。K2水平下，N3K2和N4K2处理的果实硝酸盐含量均较高，二者间差异不显著，但均显著高于其他2个处理。K3水平下，N2K3、N3K3、N4K3处理间的果实硝酸盐含量差异不显著，但皆显著高于N1K3处理。K4水平下，N2K4、N3K4、N4K4处理的果实硝酸盐含量显著高于N1K4处理。 　　相同氮施入水平下不同钾施入水平，土壤硝态氮含量总体随钾施入水平的提升而降低，N3水平下，各处理间差异不显著。相同钾施入水平下不同氮施入水平，土壤硝态氮含量总体随氮施入水平的提升而增加。
　　综合考虑番茄产量、质量安全和环境风险，采用TOPSIS综合评价法对3类指标进行分析，其中产量数据作为高优指标，果实硝酸盐含量和土壤硝态氮含量作为低优指标。根据相对接近度指标得到综合排名，可以看出，1～3名皆出現在N1水平，1～8名主要集中在N1和N2水平，9～16名主要集中在N3和N4水平，14～16名皆出现在N4水平，由此推断，氮是影响综合效益的重要因素，而N1和N2的施氮水平（142.9～285.7 kg/hm2）可以作为区域决策施肥的参考区间。
　　 2.2 各指标的氮、钾回归模型
　　为了深入挖掘氮、钾互作对各指标的作用，对各处理下指标的平均值和肥料施入水平进行回归分析，得出氮、钾交互作用对不同指标影响的模型。回归模型可用于了解自变量（施肥配比）对因变量的影响，估测不同施肥配置条件下，各指标的具体数值，并获得最佳的肥料配置。
　　 2.2.1 番茄产量
　　对各处理产量平均值和各处理氮、钾施入水平进行回归分析，得到氮、钾交互作用下的产量回归模型：
　　公式
　　式中，Ch代表番茄产量（kg），n代表氮施入水平，h代表钾施入水平。对模型（1）进行绘图，得到氮、钾交互作用对番茄产量影响的效果图（图1），氮和钾对番茄产量的效应呈开口向下的曲面。钾对番茄产量的影响是先促进后抑制，氮对番茄产量的影响也是先促进后抑制。通过对回归模型求偏导得到番茄最高产量为105.37 t/hm2，氮和钾最佳施入量分别为N：323.6 kg/hm2，K2O：377.0 kg/hm2
　　 2.2.2 番茄果实硝酸盐含量
　　对各处理下果实硝酸盐含量均值和氮、钾的施入水平进行回归分析，得到氮、钾交互作用下的果实硝酸盐含量回归模型：
　　公式
　　式中，FN表示番茄果实硝酸盐含量（mg/kg），a代表氮施入水平，b代表钾施入水平。对模型（2）进行绘图，得到氮、钾交互作用对番茄果实硝酸盐含量影响的效果图（图2），氮和钾对番茄果实硝酸盐含量的效应呈开口向下的曲面，但曲面较平整。试验施肥范围内，钾和氮对番茄果实硝酸盐含量的影响均为促进作用。通过对回归模型求偏导得到番茄最高果实硝酸盐含量为148.7 mg/kg，氮和钾推荐施入量分别为N：667.1 kg/hm2，K20：765.3 kg/hm2该推荐施肥量已超出试验设计范围，只代表模型推导结果，实际情况需要具体试验来验证。
　　 2.2.3 土壤硝态氮含量
　　对各处理土壤硝态氮含量均值和氮、钾施入水平进行回归分析，得到氮、钾交互作用下的土壤硝态氮含量回归模型：
　　公式
　　式中，TN代表拉秧后耕层土壤硝态氮含量（mg/kg），x代表氮施入水平，y代表钾施入水平。对模型（3）进行绘图，得到氮、钾交互作用对土壤硝态氮含量影响的效果图（图3），氮和钾对土壤硝态氮含量的效应近似平面。钾对土壤硝态氮含量的影响为抑制作用，且随着氮施入量的增加，钾对土壤硝态氮含量的抑制能力变小。氮对土壤硝态氮含量的影响为促进作用。表明，减少氮投入，增加钾投入是降低土壤硝态氮含量的有效途径。
　　 3 讨论
　　产量是与农业生产者效益直接相关的因素，而番茄产量受氮肥、钾肥的直接影响。张恩平等[4]试验结果表明，番茄产量受氮肥影响最为显著，与本试验结果一致。袁亭亭等[13]试验结果表明，在低水平氮、钾条件下，番茄产量随氮、钾施用量的增加而提高，在高水平氮、钾条件下，番茄产量随氮、钾施用量的增加而降低，与本试验模型分析显示的规律一致。但姜慧敏等[12]的试验结果表明，1000kg/hm纯氮和700 kg/hm2纯氮处理下的番茄产量差异不显著，这可能是由试验地基础地力、栽培管理和施肥水平差异引起的。
　　硝酸盐是影响农产品安全的重要指标。世界卫生组织（WHO）和联合国粮农组织（FAO）制订了食品中硝酸盐的限量标准，该标准规定蔬菜中硝酸盐含量小于432.0mg/kg为一级标准，一级标准的蔬菜允许生食，对人们身体健康影响较小[19]。在本试验条件下生产的番茄，其最高硝酸盐含量为140.2mg/kg，模型推导的果实硝酸盐含量为148.7mg/kg，两者皆未超过一级标准，说明，食用本试验中任何配比的肥料所生产的番茄，都不会对人体造成威胁。袁丽萍等[20]的研究结果表明，其他条件相同的情况下，番茄果实硝酸盐含量随施氮量的增加而增加，谢安坤[21]等试验结果表明，纯氮0～767kg/hm2，番茄果实硝酸盐含量随施氮量的增加而增加，这与本试验研究结果相近。多数研究结果表明，农产品中的硝酸盐含量随着施入钾肥的增多而减少[22-25]。而本试验模型分析结果显示，常规施肥条件下，增施钾肥会增加果实硝酸盐含量，这可能是受到土壤肥力、作物类型、品种和氮钾肥施入比例等因素影响所致。
　　大量研究结果表明，耕层土壤硝态氮含量随施氮量的增加而增加[26-28]，本试验模型分析结果也得出同样的规律。施氮并合理配施其他肥料能够不同程度地降低土壤中硝态氮的含量。赵云英等[29]对黄士高原的黑垆土长期定位，试验结果表明，氮与磷或有机肥配施能有效减少土壤剖面中硝态氮的累积。杨莉琳等[30]对太行山山前平原潮褐土进行4年定位试验，发现施钾肥抑制了土壤硝态氮积累。刘德平等[31]在内蒙古河套灌区试验结果表明，适量配施氮肥和钾肥能够降低土壤中硝态氮的残留量。本试验结果表明，在较低氮水平条件下，施用钾肥可以降低土壤硝态氮含量，但在较高氮水平条件下，施用钾肥降低土壤硝态氮含量的能力减弱。
　　本试验进行综合分析所使用的方法为TOPSIS综合评价法，这是一种多目标决策方法，适用于处理多目标决策。目前已有少数研究者将这种方法运用到农业科研的效益评价和方案决策中132341， 　　通过模型分析，氮、钾推荐最高产量施肥量为N：323.6 kg/hm2，K，0：377.0 kg/hm2。方差分析及模型分析结果表明，果实硝酸盐含量随氮、钾水平的提升而增加，土壤硝态氮含量随钾水平的提升而降低，随氮水平的提升而增加。因此，减少氮投入，增加钾投入是降低设施土壤硝态氮含量的有效途径。TOPSIS法综合评价结果表明，氮是影响经济效益、蔬菜质量安全和环境风险的重要因素，氮施入量142.9～285.7 kg/hm2可作为区域决策施肥的参考区间。
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