不同水分-沸石量-埋深条件下番茄生长特性研究

雷涛 毕远杰 马娟娟 郭向红 吕棚棚 孙西欢 张勇 路明杰

摘 要：以大棚番茄为研究对象，采用正交试验揭示了不同水分、沸石量和埋深条件下番茄生长特性，建立了番茄生长数学模型，对模拟效果进行了分析评价，并进一步阐明了各因素及水平对番茄生长指标的影响。结果表明：不同水分-沸石量-埋深组合条件下番茄株高动态过程均符合S形变化趋势。不同番茄生长数学模型拟合效果表现为Logistic>Gompertz>Mitscherlich>Korf，对番茄生长动态变化过程量化描述宜采用Logistic模型。最大生长量Kmax和生长速率系数b与水分正相关，且与埋深负相关。沸石量增加对Kmax和b影响分别表现为先促后抑和先抑后促。三因素对Kmax和b影响均表现为水分>埋深>沸石量，水分和埋深对Kmax以及水分对b存在显著影响。70%～90%田间持水率+沸石量6 t/hm2+埋深15 cm为适宜番茄生长的最优处理。

关键词：番茄;含水量;沸石;埋深;生长模型

中图分类号：S278

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.031

引用格式：雷涛，毕远杰，马娟娟，等.不同水分-沸石量-埋深条件下番茄生长特性研究[J].人民黄河，2022，44（2）：153-156，160.

Abstract： Orthogonal experiment was used to reveal the dynamic characteristics of tomato growth under different moisture contents， zeolite amounts and buried depths. Some mathematical models were established to simulate the growth process of greenhouse tomato， and the simulation accuracy was analyzed and evaluated. The effect of the factors on the growth parameters of tomato was also revealed. The results show that the dynamic process of tomato plant height under different moisture contents， zeolite amounts and burial depths conforms to S-shaped change trend. The accuracy of models is as follows： Logistic>Gompertz>Mitscherlich>Korf. Logistic model is suitable for the quantitative description of the dynamic growth process of tomato. The maximum growth amount Kmax and the growth rate coefficient b are positively correlated with W， while negatively correlated with H. The effect of increasing zeolite on Kmax is firstly promoted and then inhibited， while opposite trend on b. The effect of three factors on Kmax and b is： W>H>Z. W and H have significant effects on Kmax and W on b （p<0.05）. W70-90F6H15 is the optimal treatment for tomato growth.

Key words： tomato;moisture content;zeolite;buried depth;growth model

1 引 言

番茄是一種种植区域较广、市场需求量大的常见蔬菜，其生长发育与土壤水分条件紧密相关。水分亏缺可能会导致作物光合、蒸腾等生理作用受限，最终引发作物减产甚至死亡[1]。增施沸石可提高土壤保水性能[2]，缓解水分亏缺导致的作物生理胁迫效应，进而改善作物生长及提高水分利用效率[3]。沸石经土壤表面撒施处理与穴施处理会对作物生长、产量及品质存在影响[4]，说明沸石施用时改变埋深可能会对改良效果存在影响。水分、沸石量及埋深相互作用、紧密联系，明确三因素作用效果及最优组合是保证作物茁壮生长和优质高产的关键前提，对于完善沸石保水机理以及指导农业生产具有重要意义。

前人主要揭示了沸石量对番茄幼苗茎粗及叶面积等生长特性的影响[5]以及对番茄生物量和产量的影响[6]，但沸石量对番茄全生育期生长特性影响报道较少。以穴施方式将沸石材料施入土壤，能够有效改善作物对水分吸收利用，进而促进苗株生长发育[7-8]，但现有报道尚未明确沸石埋设深度是否会对作物生长造成影响，有待进一步探究。土壤水分对番茄生长特性影响的报道较多[9-11]，但水分、沸石量、沸石埋深因素对番茄生长特性影响主次顺序尚不明确。Logistic、Gompertz、Mitscherlich和Korf模型是进行作物生长过程模拟研究的重要工具[12]。现有番茄生长过程模拟研究以Logistic模型为主[13-15]，其他3种模型应用相对较少，不同模型对番茄生长动态模拟效果好坏尚不清楚。通过对不同模型效果进行对比分析，可为番茄生长模拟优选更加准确的量化工具。在Logistic模型中，最大生长量Kmax和生长速率系数b是反映作物生长快慢的关键参数。不同水分条件对作物生长参数影响已有相关报道[13，15-16]，但沸石量及其埋深对番茄生长参数影响的报道较少，三因素对番茄生长参数影响主次顺序有待进一步明确。

笔者通过不同水分-沸石量-埋深条件下番茄田间种植试验，探究不同水分、沸石量及沸石埋深对番茄关键生长指标的影响，揭示不同模型对番茄生长过程的模拟效果，以期为番茄田间种植提供理论指导。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

本试验于2019年在山西省农科院河村试验基地进行。试验区年平均降水量为459.0 mm，年均气温5～7 ℃，无霜期约为144 d。土壤质地为沙壤土，密度为1.43 g/cm3，平均田间持水率为0.31 cm3/cm3。土壤pH值为8.43，全氮含量为1.12 g/kg，碱解氮含量为52.21 mg/kg。

2.2 试验设计及测定方法

本研究主要进行水分-沸石量-埋深耦合条件下番茄生长特性试验。其中：水分设3个水平，分别为50%～70%、60%～80%、70%～90%田間持水率（记为W50-70、W60-80、W70-90）;沸石量设3个水平，分别为3、6、9 t/hm2（记为Z3、Z6、Z9）;埋深设3个水平，分别为15、30、45 cm（记为H15、H30、H45）。采用正交试验设计，共9组处理。为避免降雨对试验结果干扰，番茄种植试验安排在50 m×7.6 m温室大棚内进行，并按照当地种植习惯，对番茄进行施肥和管理。番茄采用覆膜起垄模式种植，垄宽80 cm，垄沟宽40 cm，种植行株距为40 cm×50 cm。在生育期内对含水率进行定期观测，采用滴灌方法进行灌水，保证含水率维持在设计水平。在各试验小区之间垂向布设塑料隔水带，避免各处理间的水分干扰。在试验开始后，各处理选取3株样本，定期采用刻度尺对株高进行测定。

2.3 模型建立与参数计算

本文采用logistic（式（1））、Mitscherlich（式（2））、Gompertz（式（3））、Korf（式（4））模型对不同处理的番茄株高动态变化情况进行描述。采用决定系数R2和均方根误差RMSE两项统计学指标对模型精度进行评价，见式（5）和式（6）。

式中：y为番茄株高，cm;t为生长发育天数，d;Kmax为番茄最大生长量，cm;b为番茄生长速率系数;m、p和q为模型系数;WLi为株高预测值，cm;WRi为株高实测值，cm;W为株高实测值的平均值，cm;N为样本数。

2.4 数据处理

采用Microsoft Office 2019软件进行数据处理，结果以三组重复样本均值体现。数据样本统计学分析采用IBM SPSS Statistics 19软件。t配对样本检验中，显著水平为0.05。番茄生长数学模型建立由1stopt 8.0软件完成。数据样本绘图由Origin 2020软件完成。

3 结果与分析

3.1 水分-沸石量-埋深对番茄生长特性的影响

图1为不同处理下番茄生长动态过程。由图1可知，不同水分-沸石-埋深组合处理下番茄株高均表现为缓慢增长、快速线性增长、增速减缓并趋于稳定的变化趋势。总体来看，株高生长过程符合慢—快—慢的S形变化趋势。不同处理下番茄株高表现为W50-70Z9H45

0Z6H30

3.2 不同水分-沸石量-埋深条件下番茄生长模型

根据试验样本数据，不同水分-沸石量-埋深处理下番茄生长动态过程符合S形趋势，可考虑采用常见的Logistic、Gompertz、Mitscherlich和Korf生长数学模型进行量化描述。图2为不同番茄生长数学模型模拟效果。由图2可知，不同番茄生长数学模型对各处理番茄生长过程的模拟效果存在差异。Logistic、Gompertz、Mitscherlich和Korf模型的RMSE值分别为0.665～1.064、1.951～2.828、4.269～6.449和4.625～6.471，R2值分别为0.999 1～0.999 7、0.995 0～0.997 7、0.979 2～0.984 7和0.977 1～0.982 0。模型的RMSE均值大小表现为Korf>Mitscherlich>Gompertz>Logistic，说明Logistic模型预测值的误差最小。模型的R2均值大小表现为Logistic>Gompertz>Mitscherlich>Korf，说明Logistic模型对株高样本拟合程度最好，实测值与预测值一致性最好。综上说明，对番茄动态生长过程量化描述宜采用Logistic模型，这与前人关于番茄叶面积指数[13]、干物质[19]、株高及茎粗[14]动态过程模拟研究结论一致。

3.3 水分-沸石量-埋深对番茄生长参数的影响

在Logistic模型中，Kmax是反映番茄最大生长量的指标，b是反映番茄生长速率的指标。表1为不同水分-沸石量-埋深组合条件下番茄生长指标极差分析结果。由表1可知，各个因素及水平对番茄最大生长量和生长速率系数的影响存在差异性。当水分条件由W50-70增加到W60-80、由W60-80增加到W70-90时，番茄最大生长量Kmax分别增加13.9%和12.7%，生长速率系数b分别增加8.1%和8.9%。由此说明，土壤水分条件与Kmax和b之间均存在显著的正相关性，水分增加有利于提高番茄生长量和生长速率，但含水率越高Kmax增幅越小、b增幅越大，这与杨再强等[16]研究结果具有一定差异性。在前人研究报道中[16]，在50%～90%田间持水率范围内，土壤水分与b负相关，且土壤水分平均增加10%田间持水率会引起Kmax平均增加28.2%，Kmax对水分响应强度明显高于本研究结果，这种研究结果差异可能是土质、作物品种、环境差异等引起的。不同沸石量对Kmax影响表现为Z6>Z9>Z3，对b影响表现为Z9>Z3>Z6，不同沸石处理间Kmax和b差异分别小于1.1%和3.5%，说明增施沸石对株高最大生长量和生长速率具有轻微程度的促进作用，这与平邑甜茶对沸石响应的研究结果相似[20]。由于特殊的孔道结构，沸石如海绵一样，其内部水分可自由释放和重新吸收，而不破坏晶格结构，进而提高土壤保水能力，促进作物对水分的吸收利用，加速作物生长[21]。不同埋深对Kmax和b影响均表现为H15>H30>H45，埋深与Kmax和b之间存在负相关，沸石埋深为15 cm时更有利于促进番茄生长。根据前人研究报道，在深度为0～20 cm土层，根长密度和根重密度等能够反映毛细根数量和水肥吸收能力的指标均达到最大值[22]，可占整个土层根系总体密度的70%左右[18]。因此，相比较中深层（H30～H45）埋施策略，当埋深较浅（H15）时，沸石所固持土壤水分与根系接触面会更大，根系附近含水率更高，根系活力更强，将有助于提高番茄根系生长速率和生长量[23]。

由表1还可知，通过对极差R值比较，得到影响Kmax的因素主次顺序均为W>H>Z，各因素的最优水平分别为W70-90、Z6和H15，则最优组合为W70-90Z6H15。影响b的主次顺序为W>H>Z，各因素的最优水平分别为W70-90、Z9和H15，则最优组合为W70-90Z9H15。由此看出，对参数Kmax和b极差分析所确定的因素最优组合并不完全相同，需要进一步优选。经综合比较两优化组合的结果，两种生长指标均对水分和埋深响应具有较好一致性，可首先确定因素W最优水平为W70-90，因素H最优水平为H15。经计算，不同沸石处理下Kmax和b最大变幅仅相差2.4%，说明Z6与Z9处理对番茄生长指标影响较小，出于节约沸石用量和降低农业生产成本考虑，确定因素Z最优水平为Z6。综上，通过极差分析得出最优因素组合：W70-90Z6H15，即水分范围为70%～90%田间持水率，沸石量6 t/hm2，埋深15 cm。

表2为不同水分-沸石量-埋深组合条件下番茄生长指标方差分析结果。根据方差分析结果可知，水分、沸石量和埋深对Kmax的影响表现为W>H>Z，水分因素对Kmax影响程度分别是沸石量和埋深的481.1倍和7.5倍，水分及埋深对Kmax存在显著影响，合理控制土壤水分及埋深条件对番茄生长极为关键。由表2还可知，水分、沸石量和埋深对b的影响表现为W>H>Z，水分因素对b影响程度分别是沸石量和埋深的25.1倍和7.0倍。沸石量对b影响程度低于水分因素和埋深因素的影响程度。由方差分析结果表明，水分因素对b存在显著影响，沸石量和埋深对b影响未达到显著水平。

4 结 论

（1）不同水分-沸石量-埋深组合条件下番茄株高生长动态过程均符合慢—快—慢的S形变化趋势。水分-沸石量-埋深三因素共同显著影响番茄生长发育过程，W70-90Z6H15处理结果最优，W50-70Z9H45处理结果最差。

（2）不同生长模型对番茄生长动态变化过程模拟效果好坏顺序为Logistic、Gompertz、Mitscherlich、Korf，对番茄生长动态变化过程的量化描述宜采用Logistic模型。

（3）Kmax和b均与水分正相关，且与埋深负相关。沸石量增加对Kmax影响表现为先促后抑，对b影响表现为先抑后促。三因素对Kmax和b影响均表现为W>H>Z，水分和埋深對Kmax及水分对b存在显著影响。W70-90Z6H15为适宜番茄生长的最优处理。

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【責任编辑 许立新】