不同灌溉施肥模式对温室番茄产量、品质及水肥利用的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

李银坤, 郭文忠, 薛绪掌, 乔晓军, 王利春, 陈红, 赵倩, 陈菲. 不同灌溉施肥模式对温室番茄产量、品质及水肥利用的影响[J]. , 2017, 50(19): 3757-3765 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.19.012
LI YinKun, GUO WenZhong, XUE XuZhang, QIAO XiaoJun, WANG LiChun, CHEN Hong, ZHAO Qian, CHEN Fei. Effects of Different Fertigation Modes on Tomato Yield, Fruit Quality, and Water and Fertilizer Utilization in Greenhouse[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2017, 50(19): 3757-3765 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.19.012

0 引言

【研究意义】番茄是中国设施栽培的主要蔬菜种类之一,其对水肥供应具有较高的敏感性和较大的需求量^[1-2]。合理的水肥管理模式是获得设施蔬菜优质高产的重要保证,而依据农民习惯的水肥管理方式不仅引起了水肥资源的严重浪费及环境污染,且不利于番茄产量的提高和良好品质的形成^[3-5]。滴灌施肥是当今世界公认的一项高效节水节肥的农业技术,而负压灌溉是一种将供水源压力控制为负值的新型灌溉技术,其在促进作物生长、提高产量等方面具有显著的效果。对比研究滴灌与负压灌溉对温室蔬菜产量、品质及水肥利用的影响,对进一步优化温室蔬菜灌溉施肥技术具有重要意义。【前人研究进展】众多研究表明,利用滴灌施肥技术可将水分和肥料直接输送到作物根区土壤,具有改善作物生长环境、降低肥料损失、提高作物产量和品质以及大幅度提高作物水肥利用效率的效果^[6-7]。当前研究有借助于滴灌设施根据作物发育进程供给不同量肥液或营养液的技术,因其更加符合作物生长对水分和养分的需求规律,比常规水肥管理模式具有更高的水肥利用效率和产量效益^[3,7-8]。负压灌溉技术基于负压控制原理建立,通过调节负压灌溉装置中供水吸力的大小能够达到对土壤水分的精确和持续控制,并可根据环境因子和作物需求实现自动灌水^[9-10]。研究认为,负压的供水吸力值与土壤含水量呈反比关系,当供水吸力为-5—-10 kPa时,黏壤土（潮土）的重量含水量可控制在18.1%—22.5%范围内^[10-11]。利用负压进行灌溉,土壤含水量处于非饱和状态,大大降低了因土壤蒸发和地下渗漏等引起的水分损失。与常规漫灌方式相比,利用负压灌溉技术的温室番茄产量增加了8.6%（P<0.05）,水分利用效率提高了11.0%（P<0.05）^[12]。【本研究切入点】目前关于负压灌溉技术在设施作物上的研究,主要是利用其具有供水控水的特征研究作物的水分管理策略,且研究集中于盆栽或无土栽培^[11,13-14]。而基于负压装置的水肥一体化管理在日光温室土壤栽培作物上的研究较少,尤其是与当前普遍应用的滴灌或滴灌施肥技术相比在节水节肥增产效能上的差异尚不明确。【拟解决的关键问题】本试验基于负压供液施肥系统及滴灌施肥系统,研究了不同供液施肥模式对温室番茄产量、品质及水肥利用的影响,以探讨日光温室蔬菜生产合理的灌溉施肥管理模式,并为进一步建立日光温室蔬菜生产科学的灌溉施肥体系提供技术理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验布置在北京市国家精准农业研究示范基地日光温室内,试验期间温室内的年均温度为22.5℃,年均湿度为72.4%。试验前0—20 cm土层有机质含量为23.30 g·kg^-1,全氮为1.57 mg·kg^-1,土壤容重1.39 g·cm^-3,田间持水量26.3%,pH为6.75。试验小区长5.0 m,宽1.4 m,小区之间用PVC板隔离,深度为0.5 m。供试番茄品种为仙客8号,春茬番茄于2014年3月21日定植,2014年7月18日拉秧;秋茬温室番茄2014年8月31日定植,当年12月16日拉秧。栽培方式为畦栽,畦间距0.8 m,每畦栽培番茄2行,行距0.5 m,株距0.35 m。

1.2 试验设计

试验设常规施基肥（CK）、营养液滴灌施肥（DI）和负压供液施肥（NI）3个处理,3次重复。其中处理CK和DI的灌溉方式均为滴灌,试验用滴灌带的壁厚0.4 mm,滴头间距15 cm,流量为1.38 L·h^-1,每试验小区布置2行滴灌带,滴头位于番茄植株附近。利用土钻法4—7 d测定一次0—30 cm土层的土壤含水量,当实测土壤含水量低于田间持水量的70%时,灌水到田间持水量的90%,滴灌水量计算公式为：
D=1000×(θ₁-θ₂)×ρ×H （1）
式中,D为灌水量（mm）,θ₁为田间持水量的90%（g·g^-1）,θ₂为H土层内平均含水量（g·g^-1）,ρ为土壤容重（g·cm^-3）,H为土层深度,本试验中取0.3 m^[15]。处理CK的施肥量根据目标产量法^[16]计算得到,所用肥料均具可溶性,具体为尿素（N,46%）、磷酸二氢铵（P₂O₅,61%）和硫酸钾（K₂O,50%）,其中肥料用量的50%用于基施,剩余肥料溶于水以肥液的形式分4次追施,具体在番茄第一穗果、第二穗果、第三穗果以及第四穗果膨大到乒乓球大小时施用（秋茬番茄留3个穗果,分3次追施）。处理DI和NI均灌溉营养液,具体按照山崎大量元素配方的1S营养液浓度管理^[17]。各处理的灌溉及养分用量如表1所示,其中处理NI的周年灌溉量和养分总投入量（N+P₂O₅+ K₂O）分别为513.6 mm和1 849.1 kg·hm^-2,相比处理CK和DI,周年灌水量分别减少了18.4%和17.2%,养分总投入量分别降低了5.0%和17.2%。
Table 1
表1
表1温室番茄灌溉量及养分用量
Table 1The irrigation amounts and nutrient rates of greenhouse tomato

季节 Season	处理 Treatment	灌溉量 Irrigation (mm)	施肥量 Nutrient rate (kg·hm^-2)
季节 Season	处理 Treatment	灌溉量 Irrigation (mm)	N	P₂O₅	K₂O
春茬 Spring	CK	335.1	403.8	186.2	515.8
	DI	336.6	422.8	159.9	629.6
	NI	298.7	375.3	141.9	558.7
秋茬 Autumn	CK	294.3	306.9	141.5	392.0
	DI	283.5	356.0	134.7	530.2
	NI	214.9	269.7	102.0	401.5

CK: Conventional application of base fertilizer; DI: Drip fertigation; NI: Negative pressure fertigationCK：常规施基肥;DI：滴灌施肥;NI：负压供液施肥

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基于现有的负压灌溉技术构建了负压供液施肥系统,并已获得发明专利授权^[18]。负压供液施肥系统为一个密封系统,单套系统结构组成如图1所示。本试验中每个试验小区使用一套负压供液系统,系统末端连接14个盘式供水器,等间距（35 cm）竖埋于25 cm深土壤中。系统运行后,由于土壤基质势的作用,盘式供水器向土壤中渗水,集气瓶中的水位开始下降,控压管经过集气瓶和支管向盘式供水器供水,由于恒液桶中的浮球装置具有控制水位的作用,当恒液桶水位下降时,阀门打开,供液桶中的水（或营养液）由导管进入恒液桶,这样整个装置就可以正常运作。通过调整负压供液系统中的控压管高度（供液吸力）即可实现对土壤含水量的控制,根据已有研究结果^[12],本试验中日光温室番茄的负压供液吸力设定为-5 kPa。

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图1负压供液系统结构图
-->Fig. 1Structure diagram of the negative pressure fertigation system
-->

1.3 测定项目与方法

1.3.1 番茄生物量在番茄拉秧时取植株样,每处理随机取3株,按根、茎、叶和果实等植株部位在105℃杀青30 min,然后在75℃烘至恒重,测定生物量。
1.3.2 番茄产量和品质用电子天平（精度为0.01 g）统计各小区每次的采摘量,并在试验结束后汇总为各小区产量。在第二穗果收获时,各小区随机选取9个果实,分析果实品质。其中可溶性蛋白质含量用考马斯亮蓝G-250染色法,硝酸盐含量采用硫酸—水杨酸法测定,可溶性糖含量用阿贝折射仪测定。
1.3.3 番茄耗水量及水分利用效率利用水量平衡法计算不同时段内的番茄耗水量,由于试验在日光温室内进行,且试验区地下水位较深,因此不考虑降雨和地下水位补给量的影响;而滴灌和负压供液分属于浅层灌溉和亚表层灌溉,每次灌溉量较少,故地表径流量和深层渗漏量均不予考虑。基于上述分析,由简化的水量平衡方程计算番茄耗水量^[19]：
ET=I-ΔW （2）
式中,ET为作物耗水量（mm）;I为灌水量（mm）;ΔW为试验初期和末期0—100 cm土层水分的变化量（mm）。
在番茄定植前、苗期、开花坐果期、成熟采摘期以及拉秧时,土钻法取0—100 cm土层的土样,每20 cm为一层,烘干法测定土壤含水量。水分利用效率^[20]计算公式为：
WUE=Y/ET （3）
式中,WUE为水分利用效率（kg·m^-3）;Y为番茄产量（kg·hm^-2）。
肥料偏生产力^[3]计算公式为：
PFP=Y/F （4）
式中,PFP为肥料偏生产力（kg·kg^-1）;F为肥料（N+P₂O₅+K₂O）用量（kg·hm^-2）。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2010 软件进行整理分析,SAS 9.1软件进行方差及差异性检验分析,多重比较采用Duncan法（P<0.05）。

2 结果

2.1 不同灌溉施肥模式对土壤含水量的影响

图2为温室番茄0—20 cm土层含水量的周年变化。春茬温室番茄的0—20 cm土层含水量波动变化大,为19.7%—28.6%。其中在春茬番茄的苗期和花期,0—20 cm土层含水量相对稳定,而在番茄坐果至成熟采摘期,处理CK和DI的0—20 cm土层含水量呈显著的先降后升变化,其中的升高幅度分别达23.4%（P<0.05）和29.0%（P<0.05）,而处理NI仅在20.8%—21.3%之间变化（P>0.05）。说明NI处理具有稳定0—20 cm土层含水量的作用。秋茬番茄0—20 cm土层含水量的波动变化相对较小,各处理在21.4%—26.7%浮动,其中NI仅在22.2%—24.0%区间变化。

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图20—20 cm土层含水量动态变化
-->Fig. 2Dynamics of soil water content during tomato growing seasons
-->

从0—20 cm土层含水量周年变化看,NI条件下的0—20 cm土层含水量波动幅度最小,周年变化范围为20.8%—25.0%,低于处理CK的20.1%—28.6%和处理DI的19.7%—28.1%。可见,与滴灌施肥模式相比,负压供液施肥条件下的土壤含水量更加稳定,且不随栽培季节或番茄生育期的变化出现大的波动。

2.2 不同灌溉施肥模式对番茄生物量的影响

春茬和秋茬的番茄生物量变化规律相似（图3）,其中处理NI的最高,其次为处理DI和CK。与处理DI和CK相比,处理NI的春茬番茄生物量分别增加了12.0%和23.3%（P<0.05）,秋茬番茄生物量分别增加了12.9%和23.8%（P<0.05）。可见,基于负压装置的供液模式（NI）相对于滴灌施肥（DI）和CK更有利于提高温室番茄的生物量。

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图3不同灌溉施肥模式下日光温室番茄生物量变化
不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著
-->Fig. 3Changes of greenhouse tomato biomass under different fertigation modes
The different small letters indicate significantly different at the 0.05 level
-->

2.3 不同灌溉施肥模式对温室番茄耗水特征的影响

随着生育期的推进,日光温室番茄的阶段耗水量呈先升高后降低的变化趋势（表2）。春茬番茄坐果期和秋茬番茄花期的耗水量要高于其他生育期,期间的耗水量可占到全生育期耗水量的36.6%—40.5%（春茬）和29.3%—34.4%（秋茬）。而坐果期与花期的耗水量之和所占比例达到61.8%—67.3%（春茬）和57.1%—62.0%（秋茬）。说明坐果期和花期是番茄耗水量最大的阶段,期间水分和养分的充足供给是番茄健康生长的重要保证。
在春茬番茄苗期,处理NI的阶段耗水量显著低于处理CK和DI,降低幅度为25.0%—25.5%（P<0.05）,而在其他生育期的阶段耗水量均无显著性差异（表2）。日光温室番茄周年耗水量为519.2— 595.3 mm,春茬番茄耗水量比秋茬耗水量高8.6%— 31.7%。处理NI的周年耗水量最低,与处理CK 和DI相比,分别降低了12.8%（P<0.05）和12.1%（P<0.05）。而处理CK和DI的周年耗水量并无显著性差异。
Table 2
表2
表2不同灌溉施肥模式对温室番茄耗水量（mm）的影响
Table 2Effects of different fertigation modes on greenhouse tomato water consumption (mm)

季节 Season	处理 Treatment	苗期 Seedling stage	花期 Flowering stage	坐果期 Fruit-set period	采摘期 Picking period	全生育期 Whole growth stages	周年耗水 Annual water consumption
春茬 Spring	CK	59.5±9.53a	78.2±2.25a	113.4±5.45a	58.9±8.24a	310.0±5.78a	—
	DI	59.1±8.04a	82.8±8.41a	118.0±0.58a	60.1±3.48a	319.9±8.83a	—
	NI	44.3±6.39b	79.2±10.2a	119.4±10.9a	52.2±10.1a	295.1±21.4a	—
秋茬 Autumn	CK	39.3±7.20a	94.2±5.79a	82.7±8.07a	69.1±7.99a	285.3±3.38a	595.3±1.67a
	DI	42.6±4.78a	92.9±6.26a	74.4±3.86a	60.5±7.08a	270.5±11.9a	590.4±18.5a
	NI	38.4±1.32a	65.6±3.13b	62.2±2.22a	57.8±1.52a	224.0±6.83b	519.2±21.2b

Different small letters within the same column mean significant at 0.05 levels. The same as blow相同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。下同

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2.4 不同灌溉施肥模式对温室番茄产量及水肥利用的影响

由表3可知,温室番茄单果重和产量的变化规律相似,均以处理NI的最高,而处理CK和DI无显著性差异。与处理CK相比,处理NI在春茬和秋茬的番茄单果重分别增加了13.4%（P<0.05）和5.2%,产量分别增加了7.5%和10.0%。可见,负压供液施肥模式下的温室番茄产量能够得到保证。从水分利用效率的角度分析,处理CK和处理DI并无显著差异,而处理NI与处理CK相比,水分利用效率提高了12.7%—40.1%（P<0.05）,与处理DI相比较,也提高了10.0%—30.3%（P<0.05）。处理NI还具有最高的肥料偏生产力,与处理CK和DI相比,分别提高了10.4%—19.6%和14.5%—42.7%（P<0.05）。由此分析,相对于滴灌施肥模式,负压供液施肥不仅确保了温室番茄高产,而且显著提高了水肥利用效率。
Table 3
表3
表3不同灌溉施肥模式对温室番茄产量及水肥利用效率的影响
Table 3Effects of different fertigation modes on greenhouse tomato yield and water and fertilizer use efficiency

处理 Treatment	单果重 Single fruit weight (g)		产量 Yield (×10⁴kg·hm^-2)		水分利用效率 Water use efficiency (kg·m^-3)		肥料偏生产力 Partial factor productivity of fertilizer (kg·kg^-1)
处理 Treatment	春茬 Spring	秋茬 Autumn	春茬 Spring	秋茬 Autumn	春茬 Spring	秋茬 Autumn	春茬 Spring	秋茬 Autumn
CK	191.7±13.7b	183.6±15.9a	8.89±0.48a	6.28±0.33a	28.7±1.57b	22.0±1.25b	80.4±4.36a	74.7±3.91b
DI	212.7±13.7ab	188.4±13.6a	9.40±0.54a	6.39±0.45a	29.4±0.97b	23.6±1.58b	77.5±4.42a	62.6±4.41c
NI	217.3±6.58a	193.1±15.8a	9.55±0.99a	6.91±0.02a	32.3±1.09a	30.8±0.88a	88.8±9.21a	89.3±0.28a

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2.5 不同灌溉施肥模式对温室番茄品质的影响

硝酸盐含量是评价番茄果实安全的指标,本试验中各处理的番茄果实硝酸盐含量为86.5—140.3 mg·g^-1（表4）,远低于国家对无公害蔬菜安全要求的瓜果类蔬菜硝酸盐含量低于438 mg·kg^-1的标准^[21]。负压供液模式的番茄果实硝酸盐含量低于滴灌施肥模式,与DI相比,处理NI的果实硝酸盐含量降低了21.5%（春茬）和17.3%（秋茬）。可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量是评价番茄果实营养品质的重要指标,其中可溶性糖含量的高低还决定着番茄果实的口味和营养价值。处理NI与处理DI和CK相比较,春茬和秋茬番茄的可溶性蛋白质和可溶性糖含量均无显著差异,其中处理NI的可溶性蛋白质含量比处理CK还提高了4.9%—6.5%。总体而言,负压供液施肥模式（NI）降低了果实硝酸盐含量,保持了果实中的可溶性蛋白质和可溶性糖含量,具有较佳的番茄品质。
Table 4
表4
表4不同灌溉施肥模式对温室番茄品质的影响
Table 4Effects of different fertigation modes on greenhouse tomato quality

处理 Treatment	硝酸盐 Fruit nitrate content (mg·g^-1)		可溶性蛋白质 Soluble protein (mg·kg^-1)		可溶性糖 Soluble sugar (%)
处理 Treatment	春茬 Spring	秋茬 Autumn	春茬 Spring	秋茬 Autumn	春茬 Spring	秋茬 Autumn
CK	118.6±4.38ab	98.9±10.5ab	79.2±1.11a	82.1±3.11a	4.63±0.12b	4.07±0.15b
DI	140.3±17.9a	104.6±10.1a	84.6±3.70a	82.6±2.42a	5.20±0.10a	4.53±0.32a
NI	110.1±9.07b	86.5±3.72b	84.3±4.01a	80.5±6.06a	4.93±0.46ab	4.27±0.155ab

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3 讨论

3.1 负压供液模式下0—20 cm土层含水量变化

日光温室蔬菜生产中的传统水肥管理模式较为粗放,灌水方式多为漫灌和沟灌,肥料则以撒施和沟施为主,灌水和肥料用量大,水肥浪费严重^[3,22]。众多研究表明,滴灌施肥模式在温室作物上具有显著的增产提效作用^[6,23-24]。MAHAJAN等^[7]研究表明,相比传统漫灌施肥,滴灌施肥的温室番茄产量不仅增加了28.4%,且节水46.5%、减施氮量33.3%,水肥利用效率显著提高。但与滴灌等正压灌溉技术不同,负压供液是通过将供水源压力控制为负值进行的灌溉,能够实现植物对水分的连续获取,避免了常规灌溉引起的土壤干湿交替现象,可保证土壤含水量稳定在一定水平^[10-11,25]。从本试验结果看,负压供液吸力为-5 kPa时,温室番茄周年内的0—20 cm土层含水量在20.0%—25.0%区间变化,低于滴灌施肥处理19.7%—28.1%的变化幅度。说明负压供液条件下土壤含水量具有相对的稳定性,且0—20 cm土层水分并不随栽培季节及生育期的变化出现大的波动（图2）。

3.2 负压供液施肥对温室番茄产量及品质的影响

水肥是影响作物生长发育的关键因素,而水肥协同供应是促进植株生长、提高产量、改善品质的关键所在。常规的基追肥方式,肥料的施用相对集中,而单次高量的肥料施用易引起养分的无效淋洗与挥发,降低了水肥对产量的增加效应^[21,26]。本试验条件下,处理DI的生物量和产量均高于处理CK,但并无显著性差异（P>0.05）。可见,与常规施基肥模式相比,滴灌营养液模式并没有引起温室番茄生物量及产量的显著变化。也有研究认为,“少量多次”的水肥施用方式因具有较好的水肥耦合效应,比肥料一次性基施的效果要好^[17]。而处理NI与处理CK相比,温室番茄生物量和产量的增加效应更加明显,其中温室番茄生物量提高幅度在23.0%以上（P<0.05）,番茄单果重最大提高了13.4%（P<0.05）,产量也有7.5%—10.0%的增加。说明负压供液施肥方式在促进番茄植株生长、增加产量等方面的作用明显优于滴灌施肥模式。其原因与负压供液系统能够稳定土壤含水量,继而实现对作物水分和养分的充足供给等因素有关^[11,27]。相关研究表明,耕层土壤水分和养分浓度的稳定是实现作物节水节肥及高产的主要原因^[8,28]。李绍等^[11]研究也表明,负压供液下番茄植株水分的持续稳定供应,增强了番茄叶片中RuBP羧化酶活性,继而提高了番茄植株光合作用潜力和生产潜能。温室番茄果实硝酸盐含量以处理NI最低,与处理DI相比,显著降低了21.5%（春茬）和17.3%（秋茬）。这与NI处理相对较低的养分供给量有关（表1）,其中处理NI的周年养分（N+P₂O₅+K₂O）投入量相比处理CK和DI分别降低了5.0%和17.2%。而处理NI的可溶性糖和可溶性蛋白质含量相比处理CK和DI并无显著性差异,其中处理NI的可溶性蛋白质含量比处理CK还提高了4.9%—6.5%。由此可见,相对于滴灌施肥模式,基于负压装置的供液模式不但降低了总养分投入量,而且在增加番茄产量以及促进良好品质形成等方面具有更佳的效果。

3.3 负压供液模式下的温室番茄耗水及水肥利用效率

本试验中的日光温室番茄阶段耗水量呈先升后降的变化趋势（表2）,这与张友贤等^[29]的研究结果一致。番茄坐果期和花期的耗水量占到全生育期耗水量的57.0%以上,说明这期间水分和养分的充足供给是番茄健康生长的重要保证。负压供液模式在番茄苗期的耗水量小于滴灌施肥模式,其中春茬降低了25.0%—25.5%（P<0.05）,但在其他生育期各处理均未表现出显著差异（表2）。这是因为番茄生育初期（苗期）的土壤蒸发量最大,可占总耗水量的22.8%左右^[30],而负压供液为亚表层灌溉,避免了土壤水分干湿交替现象的存在,大大降低了因渗漏或土表蒸发所引起的水分无效损耗^[10]。从温室番茄周年耗水量看,处理NI的周年耗水量比处理CK和DI分别降低了12.8%（P<0.05）和12.1%（P<0.05）,说明负压供液能够显著降低温室番茄的周年耗水。处理NI的周年灌水量相比处理CK和DI,分别减少了18.4%和17.2%（表1）,是负压供液模式下具有较低周年耗水的主要原因。另外,负压供液系统的供水器位于25 cm深的土层中,水分的消耗主要源自作物生长需求,灌溉水的无效损失量很低,因此能够降低温室番茄的周年耗水,并能显著提高番茄的水肥利用效率（表3）。其中处理NI与处理DI相比,水分利用效率可提高10.0%—30.3%（P<0.05）,肥料偏生产力能够提高14.5%—42.7%（P<0.05）。可见,相对于滴灌施肥模式,负压供应营养液的模式降低了温室番茄周年耗水量,并显著提高了水肥利用效率。

4 结论

本研究表明,负压供液施肥模式下土壤含水量相对稳定,且0—20 cm土层水分不随栽培季节及番茄生育期的变化出现大的波动。与滴灌施肥模式相比,负压供液施肥模式在周年灌水量和总养分（N+P₂O₅+ K₂O）投入量分别减少17.2%—18.4%和5.0%—17.2%的条件下,能够增加生物量、确保番茄产量、改善果实品质,并能显著提高水肥利用效率,为供试条件下水肥一体化管理的最优模式。
The authors have declared that no competing interests exist.