综述：番茄加工过程中的氮素管理：概述

《Italian Journal of Agronomy》：Nitrogen management in processing tomato: An overview

氮肥优化管理对加工番茄产量、品质及环境可持续性的影响。通过评估作物氮需求、确定合理施肥率并整合农艺措施，可减少氮素流失并提高利用率。研究综述了氮平衡法、土壤硝酸盐监测、叶绿素计和生物传感器等工具，以及轮作、覆盖作物、有机肥料和微喷灌技术。结论指出，结合精准农业技术、品种改良和系统级管理策略，是实现可持续氮管理的有效途径。

　　氮肥管理在番茄种植中的重要性

氮素是作物生长、高产量和高质量产品生产的关键因素。在农业实践中，氮肥的使用往往被视为一种成本低廉的保险手段，以防止产量下降。然而，这种做法可能导致氮肥施用量超过作物实际需求，从而对环境造成潜在威胁。氮素过量不仅可能导致硝酸盐淋失，还会引起土壤氮积累、N?O排放以及氨气挥发等问题。因此，发展一套综合的氮肥管理策略，以优化氮肥施用、提高作物氮素利用效率（NUE）并减少氮素损失，对于实现可持续农业至关重要。

番茄种植在全球范围内具有重要的经济和农业意义。2022年的数据显示，番茄种植面积约为500万公顷，全球产量达到约3800万吨，其中美国加利福尼亚州贡献了约950万吨，意大利为550万吨，中国为620万吨，西班牙为210万吨。这表明，优化番茄种植中的氮肥施用不仅关系到作物的生长和产量，还对全球农业的可持续发展具有重要意义。由于全球粮食需求的持续增长，预计到2050年，氮素的使用量将翻倍，尤其是在中国这样的农业大国，该国被认为是全球农业土壤气体排放的最大来源之一。因此，开发针对番茄或更广泛的蔬菜种植系统的综合氮肥管理方法，是减少农业活动对环境影响的重要步骤。

在氮肥管理中，作物氮素需求的评估是基础。根据12个田间试验数据，番茄的生长可以分为三个阶段：指数增长期、线性增长期和最终成熟/衰老期。在意大利中部，这三个阶段的平均持续时间分别为4周、7周和4周。在线性增长期（即移栽后4至11周），作物生长速率（CGR）为0.21 Mg ha?1 d?1，氮素吸收速率（NUR）为4.6 kg N ha?1 d?1，而作物吸收了大约80%的总氮需求。这些结果与美国加利福尼亚州的研究相吻合，表明氮素吸收速率在移栽后4周至果实初熟期（约11至12周）达到4.5 kg N ha?1 d?1。因此，了解作物的氮素需求对于制定科学的氮肥施用策略至关重要。

为了更有效地管理氮素，研究者提出了多种方法。氮素平衡方法是其中一种常见手段，它通过计算土壤中的氮素输入（如土壤矿物氮、有机质矿化、灌溉水中的氮素）和输出（如作物吸收、氮素淋失、反硝化、挥发等）来评估氮肥需求。然而，这种方法较为复杂，因此许多研究者开发了简化版本，如Nmin系统、KNS系统和N-expert系统。这些系统基于土壤氮素含量分析，通过预定义的氮素目标值和土壤氮素含量测量，计算出整个生长周期所需的氮肥量。此外，这些系统还考虑了土壤有机质矿化和氮素缓冲机制，以提高氮素利用效率。

另一种方法是监测土壤溶液中的硝酸盐浓度。这种方法在以色列的滴灌作物中得到了应用，通过陶瓷杯采样器提取土壤溶液进行分析。在加利福尼亚州，推荐的硝酸盐浓度高于5 mmol L?1，而在西班牙则建议在10至12 mmol L?1之间。然而，一些研究发现，在非确定性番茄作物中，氮素营养状态与硝酸盐浓度的变化关系不大，这表明需要更多的研究来明确其适用性。

除了直接的氮素监测方法，研究者还探索了非破坏性技术，如叶绿素计和光谱反射传感器。这些设备能够估计叶片中的叶绿素含量，从而间接评估作物的氮素状态。一些研究表明，叶绿素计在某些条件下不如叶片汁液分析准确，因为它受到环境因素的影响。而光谱反射传感器则能够提供更全面的氮素信息，因为它们基于可见光和近红外光的反射特性，能够检测作物氮素含量。此外，生物传感器和纳米传感器也显示出潜力，它们能够提供快速、敏感、连续的现场测量。这些技术通常利用纳米材料（如量子点、碳纳米管、金属纳米颗粒和石墨烯）来增强信号传导和稳定性，从而开发出便携、高效的设备。

动态计算机模拟模型也被用于辅助氮素管理。这些模型能够预测作物在不同气候条件下的生长情况，但由于其复杂性，通常仅适用于演示目的，而难以在农场层面广泛应用。因此，许多研究者开发了用户友好的决策支持系统（DSS），如FERTIRRIGERE V2.11，这是一种基于优化平衡表法的系统，专门用于番茄种植的每日动态滴灌。该系统在意大利托斯卡纳地区的实际应用中，显著提高了氮素和水分的利用效率，而对产量和品质几乎没有影响。其他DSS如GesCoN和CropManage也被开发出来，用于管理开放田间蔬菜作物的灌溉和氮肥施用。

氮素的使用效率和显性回收率是评估氮肥施用效果的重要指标。氮素使用效率（NUE）指的是作物从土壤中吸收氮素并有效利用的能力，而显性回收率（REC）则是评估氮肥施用效果的另一种方法。REC计算公式为REC = (UF - U0) / NF，其中NF是氮肥施用量，UF是施用氮肥后的氮素吸收量，U0是未施用氮肥时的氮素吸收量。研究发现，氮素使用效率和显性回收率受到多种因素的影响，包括作物品种、土壤和气候条件、种植系统（有机或传统）、作物管理（轮作、氮肥施用量、施用方法和时间、水分管理等）、肥料类型（有机、矿物、缓释肥料等）或其他氮素来源（作物残渣、绿肥等）。因此，为了最大化氮素使用效率，需要将这些农业实践综合起来。

轮作、覆盖作物和绿肥是减少氮素淋失和提高土壤肥力的重要手段。这些措施在传统和有机农业系统中都得到了广泛应用。轮作被认为是提高作物系统环境可持续性的关键策略之一，尤其是在氮素管理方面。通过在秋冬季节种植具有较强氮素吸收能力的作物，可以有效减少土壤中残留的氮素，从而降低硝酸盐淋失的风险。此外，交替种植浅根和深根作物，可以提高氮素利用效率。绿肥作物如豆科植物，能够通过生物固氮作用将氮素引入系统，为后续作物提供丰富的氮素来源，从而减少或消除对氮肥的依赖。

在意大利中部的番茄种植中，一些研究比较了纯大麦（B100）和纯三叶草（V100）作为覆盖作物的效果。结果显示，大麦和三叶草的混合种植（B75V25）在提高番茄的氮素营养状态、促进光合结构发育和优化果实成熟度方面表现优异，同时还能保持与矿物肥料相当的产量，并显著降低氮素淋失的风险。然而，这些措施的效果受到种植管理方式的影响，例如播种时间、密度、终止时间等。因此，科学的管理策略对于最大化氮素利用效率和减少环境损失至关重要。

生物刺激剂也是提高氮素利用效率的一种新兴方法。这些物质或微生物能够增强营养效率、非生物胁迫耐受性和作物品质，无论其是否含有营养成分。生物刺激剂包括多种类型，如腐植酸、蛋白质水解物、海藻提取物、壳聚糖、无机化合物、有益真菌和细菌等。在某些条件下，生物刺激剂可以显著提高番茄的产量和品质，尤其是在低氮肥条件下。因此，进一步研究生物刺激剂的作用机制，对于提高氮素利用效率和实现可持续的氮素管理具有重要意义。

总之，番茄种植中的氮肥管理需要综合考虑多种因素，包括作物氮素需求、氮肥施用策略和农业实践。通过科学的氮肥管理方法和综合的农业措施，可以有效减少氮素损失，提高氮素利用效率，同时确保作物的高产和优质。未来的研究应进一步探索生物刺激剂、基因改良和精准农业技术的应用，以推动可持续的番茄种植系统。