2016年我国番茄总播种面积136.1万hm2，设施栽培面积为77.8万hm2，占比57.2%，为我国设施栽培播种面积最大的蔬菜之一[1]。设施蔬菜栽培中施肥过量问题突出。据统计，日光温室每年化肥投入量在3 000 kg/hm2以上，氮肥利用率不足25%[2]，未被利用的氮素去向包括土壤残留、淋溶损失和气态损失等[3]。近几年在测土配方施肥、化肥零增长等国家政策支持下，在水溶肥迅速发展的物化产品支撑下，设施蔬菜生产中施肥量有所降低，但施肥过量、不平衡问题仍然突出。石宁等[4]调查指出，2016年山东设施番茄氮磷钾的投入量分别为710，503，755 kg/hm2，不但大大超过了番茄的吸收量，并且氮、磷、钾投入比例也与番茄吸收比例差距甚远。苗艳芳等[5]研究指出，设施番茄氮磷钾的吸收比例为1.00∶0.28∶1.40；刀凤兰等[6]研究指出，峨山县番茄氮、磷、钾的吸收比例为1.00∶0.47∶0.40。另外，苗艳芳等[5]研究表明，每生产1 t番茄，氮素吸收量为3.04～3.11 kg；黄珍发[7]研究发现，秋冬季每生产1 t番茄果实，氮肥施用量为7.79 kg。上述结果局限于番茄整个生育期，缺乏不同生育期番茄对养分的吸收数量与比例的指导。
随着大量元素的施用，中微量元素对作物增产的重要作用逐渐显现。闫波等[8]研究发现，设施番茄缺镁导致产量降低，番茄施用高钾且含微量元素专用肥，表现出产量高、品质优、代谢旺盛等特点[9-10]。微量元素Mn、Zn、B单施或配合施用可使番茄提前开花2～6 d并提高产量，单施增产10%左右，配施增产20%左右[11]。施用Mg、B、Zn、Mo肥均可降低番茄的硝酸盐含量，提高番茄的Vc含量，改善番茄品质[12]。钙、镁、硼肥配合施用，不仅可培肥土壤、提高叶片养分含量及果实养分累积量，也具有提产增质的作用[13]。中微量元素已成为限制作物产量和品质的因素之一[14]。因此，如何进行科学的养分管理(中微量元素与氮磷钾大量元素的平衡)显得尤为重要。当前，对于设施蔬菜营养元素需求研究方面多集中于大量元素，对于微量元素需求特征鲜见报道。
随着农业现代化的发展与国家生态环保的要求，传统的大水大肥的已经严重制约了设施蔬菜绿色可持续发展。当前，设施栽培中智能自动化发展迅速，但在智能化自动施肥中普遍缺少精准的养分管理的策略。本研究通过田间调研的方法，研究了不同生长期设施番茄的大、中、微量元的需求特征，以期为精准施肥提供数据支撑。
1 材料和方法
1.1 研究概况
试验地点位于山东省寿光市(118°51′40″E，36°51′40″N)，属暖温带季风区大陆性气候，年均气温13.2 ℃，年均降水量592.3 mm。
调研地区番茄种植模式为一年两季(冬春季、秋冬季)。冬春季一般从2月开始移栽，6月收获完毕；秋冬季一般从8月下旬开始移栽，次年2月收获完毕。秋冬季随机调研采集了30个日光温室样品，冬春季随机调研采集了15个日光温室样品。全生育期共采集6次样品，分为定植时(第0天)、苗期(定植后30～45 d)、开花结果期(45～70 d)、采摘初期(70～95 d)、采摘后期(95～120 d)、拉秧期(120～150 d)。在采摘期进行采摘计产，并将采摘的成熟果实进行指标测定。
番茄种植过程中，风干鸡粪和稻壳均粉碎后作基肥撒施，除施用上述有机物料做基肥之外，还施用平衡型复合肥(N-P2O5-K2O，15-15-15)1 000 kg/hm2；磷酸二铵500 kg/hm2，灌溉方式采用滴灌模式，生长期间追肥随水追施，追肥类型为平衡型水溶肥和高钾型水溶肥。
本研究中，将番茄的全生育期分为苗期(番茄定植到开始点花，秋冬季为30 d，冬春季为35 d)，开花期(开始点花到打顶，秋冬季为50 d，冬春季为45 d)，成熟采摘期(打顶到拉秧，秋冬季为50 d，冬春季为71 d)3个阶段。
1.2 样品采集与测定
在各生育期，每个供试温室内采集生长均匀的5株番茄植物样，在果实成熟时期，分成熟初期、中期和后期采集成熟果实10～15个。样品采集后烘干，称质量，粉碎。测定指标包括氮、磷、钾、钙、镁、铁、锰、锌、硼、铜、钼含量。植物样品经浓H2SO4-H2O2消煮后，消煮液内全氮、全磷、全钾含量分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度法测定[15]。Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、B、Cu、Mo含量采用干灰化-ICP仪测定。
1.3 数据分析
试验数据采用Excel 2003、SAS和Origin 8.5软件进行处理与统计分析，采用One-way ANOVA进行单因素方差分析，采用Duncan法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 干物质累积量与番茄产量
秋冬季和冬春季番茄产量分别是80.3～110.3 t/hm2，84.9～125.7 t/hm2，两季平均产量为98.7，107.7 t/hm2，与秋冬季相比，冬春季产量有所增加，增产9.1%(图1)。
两季番茄干物质累积量分别是0.1～10.8 t/hm2和0.1～9.3 t/hm2，平均为5.2，4.1 t/hm2，秋冬季干物质累积量明显高于冬春季，增幅达28.8%(图1)。全生育期，番茄干物质量随定植天数逐渐累积，由于冬春季温度较低，其采样时期明显推迟晚于秋冬季。
图1 不同生长季番茄产量和干物质累积量
Fig.1 Tomato yield and dry matter accumulation in the different growing seasons
图2 番茄茎叶和果实中大、中、微量元素含量
Fig.2 The large，medium and trace elements content of tomato stems and fruits
2.2 矿质营养元素含量
整个生育期，番茄茎叶中N、P2O5、K2O、Ca、Mg含量分别是21.2～31.3，7.2～15.4，25.2～49.1，24.3～51.4，6.1～9.4 g/kg，平均分别为23.9，9.5，34.1，39.3，7.0 g/kg。果实内含量分别是19.1～24.3，7.1～12.4，37.2～54.4，2.1～32.3，1.1～6.4 g/kg，平均分别为21.8，9.0，44.3，10.7，3.0 g/kg(图2)。两季番茄茎叶和果实中氮磷钾含量基本相同，果实中Ca、Mg含量较低，仅为茎叶平均含量的27.2%，43.0%。
两季番茄茎叶中Fe、Mn、Zn、B、Cu含量分别是209.0～764.4，66.3～149.6，51.1～319.7，43.4～101.3，23.9～118.5 mg/kg，平均分别为332.4，105.9，94.9，59.8，54.6 mg/kg，果实中含量分别是55.1～240.4，12.2～102.7，20.6～90.4，9.2～55.8，7.4～60.4 mg/kg，平均分别为142.9，39.5，43.6，30.9，22.5 mg/kg(图2)。果实中Fe、Mn、Zn、B、Cu含量明显低于茎叶，仅为茎叶平均含量的43.0%，37.2%，45.9%，51.6%，41.1%。
2.3 矿质营养元素吸收累积动态
秋冬季番茄氮、磷、钾吸收量高于冬春季。全生育期秋冬季N、P2O5、K2O的吸收量分别是252.3，100.8，536.3 kg/hm2，冬春季吸收量分别为284.1，97.1，353.5 kg/hm2(图3)，两季吸收比例分别为1.0∶0.4∶2.1和1.0∶0.3∶1.2。以产量为参比，每生产1 t番茄果实，秋冬季氮、磷(P2O5)、钾(K2O)的吸收量分别为2.5，1.0，5.4 kg，冬春季分别为2.6，0.9，3.3 kg。
冬春季番茄钙、镁吸收量高于秋冬季，全生育期秋冬季番茄Ca、Mg吸收量分别为220.6，44.9 kg/hm2，冬春季吸收量分别为241.3，50.3 kg/hm2，以产量为参比，每生产1 t番茄果实，秋冬季钙、镁吸收量分别为2.3，0.5 kg，冬春季分别为2.2，0.4 kg。
微量元素吸收量顺序为：Fe>Zn>Mn>B>Cu，除Fe以外，秋冬季番茄微量元素吸收量远高于冬春季，全生育期秋冬季Fe、Zn、Mn、B、Cu的吸收量分别为1 810.8，1 243.3，777.1，427.4，337.7 g/hm2，冬春季Fe、Zn、Mn、B、Cu的吸收量分别为2 181.6，445.6，541.5，300.8，181.0 g/hm2。以产量为参比，每生产1 t番茄果实，秋冬季Fe、Zn、Mn、B、Cu吸收量分别为18.0，12.6，7.3，4.3，3.4 kg，冬春季分别为20.3，4.1，5.0，2.8，1.7 kg。
图3 作物养分吸收量随定植天数的动态变化
Fig.3 The dynamic changes of crop nutrient uptakes with the planting days
2.4 矿质营养元素吸收分配规律
大量元素主要以果实携出为主，秋冬季果实N、P2O5、K2O吸收量占总吸收量的比例分别为65.6%，69.3%，80.0%，冬春季为60.2%，70.3%，67.3%，平均比例为62.9%，69.8%，73.7%(表1)。中微量元素以茎叶携出为主，秋冬季果实Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、B、Cu吸收量占总吸收量的比例分别为8.8%，23.3%，25.7%，33.0%，15.4%，32.7%，18.1%，冬春季为8.9%，26.9%，19.3%，37.4%，14.9%，20.2%，32.7%，果实中微量元素平均占比为8.8%，25.1%，22.5%，35.2%，15.2%，26.5%，25.4%(表1)，中微量元素以茎叶携出为主(占比为64.8%～91.2%)。
表1 番茄果实中的养分吸收分配比例
Tab.1 The nutrients uptake ratio of tomato fruit %
指标IndexNP2O5K2OCaMgFeZnMnBCu秋冬季 AW65.6±2.069.3±2.780.0±0.88.8±0.823.3±2.025.7±3.133.0±3.615.4±1.532.7±2.018.1±1.7冬春季 WS60.2±6.170.3±8.767.3±5.88.9±2.026.9±4.219.3±7.637.4±6.614.9±4.020.2±4.232.7±6.3平均 Average62.969.873.78.825.122.535.215.226.525.4
2.5 不同生育期养分的矿质营养元素吸收
秋冬季和冬春季番茄氮磷钾吸收规律相同，苗期、开花期、采摘期氮磷钾的需求比例分别为1.0∶0.5∶1.9，1.0∶0.4∶1.8，1.0∶0.3∶1.7；氮磷钾吸收主要集中在采摘期，苗期、开花期、采摘期的吸收量平均占全生育期吸收量的15.2%，31.2%，53.6%(表2)。中量元素两季吸收规律不同，秋冬季番茄钙镁吸收主要集中在开花期(39.7%)，冬春季集中在采摘期(61.6%)，苗期、开花期、采摘期的吸收量平均占全生育期吸收量的19.8%，32.7%，47.7%。
表2 不同生育期作物大中量元素养分吸收分配
Tab.2 Crop nutrients uptake and distribution of large and medium elements in the different growth stages
季节Season元素Elements吸收量/(kg/hm2) Nutrient uptake吸收速率/(kg/(hm2·d))Uptake rate比例/%Ratio苗期Seedling stage开花期Flowering stage采摘期Picking stage苗期Seedling stage开花期Flowering stage采摘期Picking stage苗期Seedling stage开花期Flowering stage采摘期Picking stage秋冬N53.0±1.9102.0±6.5119.0±7.31.8±0.12.0±0.22.4±0.319.4±0.137.2±0.543.4±1.0AWP2O521.6±1.840.4±4.145.9±0.70.7±0.10.8±0.10.9±0.120.0±0.337.4±0.942.6±1.2K2O79.1±2.6209.8±17.0307.3±8.92.6±0.14.2±0.46.2±0.613.3±0.135.2±0.751.5±1.0Ca59.6±3.889.7±3.677.7±8.82.0±0.11.8±0.21.6±0.526.3±0.239.5±0.334.2±1.1Mg12.5±1.518.4±0.415.4±2.50.4±0.10.4±0.10.3±0.127.0±0.339.8±0.433.2±0.9冬春N20.1±2.966.5±10.1198.0±14.40.6±0.41.5±0.22.8±0.77.1±0.323.4±0.269.5±1.0WSP2O515.8±0.326.1±3.254.4±2.00.5±0.10.6±0.10.8±0.216.4±0.127.1±0.956.5±0.7K2O56.4±5.299.2±3.7217.5±3.31.6±0.42.2±0.63.1±0.515.1±0.526.6±1.058.3±1.1Ca33.2±5.761.8±7.1141.1±10.01.0±0.21.4±0.22.0±0.114.1±0.126.2±0.259.7±1.0Mg5.6±0.612.2±0.530.8±2.50.2±0.10.3±0.10.4±0.111.5±0.225.1±0.363.4±1.2
不同微量元素吸收规律不同，季节之间有所差异(表3)。秋冬季铁硼吸收主要集中在开花期(40.4%)，锰锌吸收集中在采摘期(51.8%)，铜吸收集中在苗期(43.5%)；冬春季铁锰锌硼铜吸收均集中在采摘期(49.3%)。整体来说，苗期、开花期、采摘期的铁锰锌吸收量平均占全生育期吸收量的17.4%，30.1%，50.5%，硼铜吸收量平均占全生育期吸收量的30.1%，36.6%，33.3%，因此,铁锰锌吸收主要集中在采摘期(50.5%)，硼铜吸收集中在开花期(36.6%)。
表3 不同生育期番茄微量元素养分吸收分配
Tab.3 Crop nutrients uptake and distribution of trace elements in the different growth stages
季节Season元素Elements吸收量/(g/hm2)Nutrient uptake吸收速率/(g/(hm2·d))Uptake rate比例/%Ratio苗期Seedling stage开花期Flowering stage采摘期Picking stage苗期Seedling stage开花期Flowering stage采摘期Picking stage苗期Seedling stage开花期Flowering stage采摘期Picking stage秋冬Fe497.0±15.8759.1±16.7672.6±28.516.6±0.515.2±0.913.5±0.625.8±0.639.4±1.534.8±1.0AWMn168.8±4.4311.3±36.0348.8±46.25.6±0.26.2±0.87.0±0.720.4±0.137.6±0.542.0±1.1Zn66.1±14.2370.2±35.1695.2±55.22.2±0.57.4±1.013.9±0.15.8±0.132.7±0.261.5±1.3B97.5±5.3187.5±9.4167.5±20.03.3±0.23.8±0.33.4±0.421.5±0.341.4±0.737.1±0.5Cu147.0±6.6140.2±14.250.6±3.94.9±0.22.8±0.41.0±0.543.5±0.341.5±0.915.0±0.1冬春Fe425.8±17.5636.4±12.01 207.5±10.812.2±0.614.1±0.317.0±0.718.8±0.328.0±0.853.2±1.2WSMn86.0±2.8141.9±5.4295.5±4.82.5±0.13.2±0.34.2±0.116.4±0.227.1±0.356.5±1.0Zn80.3±2.3128.1±9.6258.9±4.52.3±0.62.9±0.73.7±0.517.2±0.327.4±0.455.4±1.1B88.5±5.295.1±3.9107.3±1.82.5±0.12.1±0.51.5±0.130.4±0.532.7±0.636.9±1.2Cu43.3±4.453.1±1.378.0±2.61.2±0.41.2±0.21.1±0.124.8±0.430.5±0.944.7±1.0
3 讨论
作物在不同的生长时期，对于营养元素的需求数量、种类存在着较大的差异，本研究表明，从苗期-采摘期，秋冬季和冬春季番茄茎叶中大中量元素含量变化规律相同，氮磷钾含量呈下降趋势，钙镁含量呈上升趋势，秋冬季微量元素含量逐渐增加，冬春季逐渐减少；番茄果实中大中微量元素含量在采摘初期含量最高，随后逐渐降低。孙慧博等[16]研究表明，桔梗中Ca元素含量从苗期到种子期呈上升趋势，到种子期含量最高，而Mg元素在各器官不同生育期的含量较低。管西林等[17]研究表明，樱桃番茄植株中氮、磷、钾、钙、镁的浓度均呈现逐渐降低趋势，硼、铜、锌浓度呈降低趋势，春茬铁锰浓度在结果期较高，秋冬茬在营养生长期较高。殷秀琴等[18]通过分析红松阔叶混交林凋落叶和土壤中Mn、Cu、Zn等微量元素的动态变化过程发现，年生长周期中，土壤和凋落叶中微量元素含量呈规律性变化，但不同元素间变化趋势不同。
作物生长的不同阶段，不同元素发挥不同的功能作用，在作物中的分配情况也有所差异。本研究发现，氮磷钾主要以果实(62.9%～73.7%)携出为主，中微量元素主要以茎叶(64.8%～91.2%)携出为主。陈瑶[19]研究表明，不同微量元素在番茄各部位中的分配比例不同，最高的是根、叶，其次是茎，最小的是果。汤宏等[20]在夏季辣椒上的研究结果表明，有56.8%～78.0%的N、P、K 分配在果实中。
植物干物质量的累积建立在对营养元素的吸收转化基础上，干物质量与养分吸收量的变化趋势基本相同。刘大会等[21]研究发现，各营养元素吸收量与菊花干物质累积间具有极显著正相关的关系。管西林等[17]研究表明，两茬樱桃番茄形成1 000 kg果实樱桃番茄，植株的N、P、K、Ca、Mg 吸收量分别是4.31，0.68，5.60，0.99，0.48 kg,4.79，0.78，6.43，0.68，0.31 kg。周丽群等[22]在设施栽培条件下每生产1 000 kg普通番茄吸收N 1.77～3.49 kg、P 0.28～0.75 kg、K 1.21～5.57 kg。本研究通过拟合番茄干物质量和养分吸收量随定植天数的动态变化发现，养分吸收量与干物质量累积存在正相关关系，每生产1 t番茄果实，作物的N、P2O5、K2O、Ca、Mg吸收量分别是2.5～2.6，0.9～1.0，3.3～5.4，2.2～2.3，0.4～0.5 kg，Fe、Mn、Zn、B、Cu的吸收量分别为18.0～20.3，5.0～7.3，4.1～12.6，2.8～4.3，1.7～3.4 g。就施肥总量而言，秋冬季微量元素吸收量高于冬春季，所以在实际生产中，要综合考虑季节的温度和光照变化，调整养分管理策略[23]，秋冬季设施番茄管理中要注重铁、锰、锌、硼、铜的补充。
生产实践中，应遵循作物的养分需求规律和生产目标来确定肥料用量和施肥措施。本研究表明，在番茄苗期、开花期、采摘期，作物氮磷钾的需求比例分别为1.0∶0.5∶1.9，1.0∶0.4∶1.8，1.0∶0.3∶1.7；两季作物氮磷钾的吸收主要集中在采摘期，养分吸收量占整个生育期吸收量的53.6%。秋冬季，作物钙镁、铁硼吸收集中在开花期(39.7%，40.4%)，铜吸收集中在苗期(43.5%)；冬春季，中微量元素吸收集中在采摘期(61.6%，49.3%)。就施肥时期而言，根据养分需求规律，除了以营养全面的基肥施用外，在开花结果期要适当提高养分供应量，尤其是秋冬季钙、镁、铁、硼等营养元素的投入，以此来保证果实的形成，更好地促进番茄的生长发育和养分的实时供应[9，24]。
每生产1 t番茄果实，作物的N、P2O5、K2O、Ca、Mg吸收量分别是2.5～2.6 kg，0.9～1.0 kg，3.3～5.4 kg，2.2～2.3 kg，0.4～0.5 kg，Fe、Mn、Zn、B、Cu的吸收量分别为18.0～20.3 g，5.0～7.3 g，4.1～12.6 g，2.8～4.3 g，1.7～3.4 g。氮磷钾主要以番茄果实(62.9%～73.7%)携出为主，中微量元素以番茄茎叶(64.8%～91.2%)携出为主。苗期、开花期、采摘期作物氮磷钾的需求比例分别为1.0∶0.5∶1.9，1.0∶0.4∶1.8，1.0∶0.3∶1.7，作物氮磷钾、钙镁和铁锰锌吸收主要集中在采摘期，吸收比例分别为53.6%，47.7%和50.5%，硼铜吸收集中在开花期(36.6%)。
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