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灌溉对番茄生长发育、产量和品质影响的研究进展

来源:知实学术 分类:农业论文 发布时间:2020-10-14 浏览:

  摘 要:通过总结灌溉水量、灌溉方式及水质量对番茄生长发育、产量和品质的影响,给出适宜番茄生长及提高番茄品质的条件。在此基础上,进一步分析了现有研究存在的问题,提出今后应着重开展水肥调控根区微环境研究,同时关注土壤理化性质、土壤参数并根据不同地区水资源概况、市场需求来选择番茄在不同生育期的最优灌溉水量、灌溉方式、营养液、调亏程度、水肥处理的最佳调控指标,改善土壤中大量养分流失、土壤贫瘠的现状,旨在为建立完善番茄种植培育体系提供参考并促进土壤与农业可持续发展。

  关键词:番茄;品质;灌溉水质量;灌溉方式;营养液;调亏灌溉;水肥处理

  中图分类号:S641.2 文献标志码:A 文章编号:1673-2871(2020)07-007-07

  《乡村科技》(月刊)创刊于2010年,是由河南省科学技术信息研究院主办的以服务农村、农业、农民为宗旨,以实际、实用、实效为特色,以农村基层政府工作人员、农业科技人员、广大农民和各类农村专业户为读者对象,推广先进适用技术。

  Abstract: This paper summarized the most suitable growing conditions of tomato and its quality improvement. These conditions are concluded by examining the influences ranging from irrigation water quality and quantity, irrigation method, nutrient solution, deficit regulation irrigation and water-fertilizer treatment. Furthermore, In the future, we should focus on the study of water and fertilizer regulation of root microenvironment, and pay attention to soil physical and chemical properties, soil parameters and soil respiration and analysis of existing research problems will contribute to the viewpoint that selection of the most optimized irrigation water quantity, irrigation method, nutrient solution, deficit regulation degree and water-fertilizer treatment of tomato in different growth period are determined by water resources and market demand in different regions. This perspective aims to improve the current situation of nutrient loss and barren land in soil and provide valuable references for the potential development and improvement of tomato cultivation system and promoting the sustainable development of soil and agriculture.

  Key words: Tomato; Quality; Irrigation water quality; Irrigation method; Nutrient solution; Regulated deficit irrigation; Water and fertilizer treatment

  番茄是遍布全世界的重要茄果類蔬菜,在我国全年均有大量栽培,是我国设施栽培最重要的蔬菜品种,其在我国农业经济发展和城乡“菜篮子”供给中占有十分重要的地位。番茄营养丰富,维生素C含量高,其品质是番茄关键的商品属性,受遗传、气候、水质、土壤环境等因素的影响,对番茄价格和农业经济效益起到关键性作用[1]。

  目前,随着现代农业的快速发展,水资源短缺日益严重。番茄种植者为了追求产量,不断增加灌溉量、肥料与农药使用量,会造成资源浪费,威胁农业环境的可持续发展与食品安全;随着番茄产量的增加和人们对食品品质要求的不断提高,评估、鉴别和评定番茄果实品质,选育优质番茄,以及番茄品质基因遗传的研究逐渐成为大众关注的热点。如何协调水资源短缺和农业生产用水量大之间的冲突,如何在节约各项资源的情况下同时保障番茄品质与产量成为了目前亟待解决的问题。

  为满足人们对番茄增产提质的需求,提供适宜的灌溉水量和矿质营养是重要措施,因此笔者分别从番茄灌溉水质水量、灌溉方式、营养液、调亏灌溉及水肥一体化处理对番茄生长发育及品质、产量的影响等方面的研究进展进行了归纳、总结、分析与讨论,提出了栽培番茄中水分管理需解决的问题,并指出今后主要的研究方向。

  1 灌溉水量

  灌溉水量对番茄生长发育及果实品质有着很大影响,如灌溉水量对番茄茎粗有较大影响,且茎粗是番茄增产的一项重要指标,茎秆的粗细决定了产量的高低,茎粗产量高,茎细则产量低[2]。灌溉水量也会对番茄根系的生长量造成影响,而番茄根系垂直分布与水平分布的生长量的比值会对根系发育造成影响。科学的灌水量是获得高产的关键,能够有效促进番茄生长、提高番茄品质和产量。目前许多番茄种植者受传统经验影响,认为灌溉水量越多越好,但这种做法不仅不会提高经济效益还会造成水资源浪费、土壤板结、番茄根系活力降低等现象[3],若要节约水资源且保证番茄增产提质,必须要科学合理地控制灌溉水量。灌水量对番茄生长及产量影响深远[4],灌水量过多或过少都不利于番茄的生长发育以致产量降低[5]。

  1.1 充足灌水量

  灌溉水量对土壤体积含水量有着直接影响,张坤等[6]用不同灌溉量对不同品种的番茄进行灌溉,发现充足灌溉下(100%作物蒸发蒸腾量为灌溉量)‘PT-501Q‘亨氏H1015及‘农番3号叶绿素含量、叶面积、株高及产量均高于中水灌溉(75%作物蒸发蒸腾量为灌溉量)和低水灌溉(50%作物蒸发蒸腾量为灌溉量)。说明充足灌溉有助于作物的生长发育和提高产量,这与吴宣毅等[7]的研究结果一致。冯腾腾等[4]通过对大棚春番茄设置不同的灌水量发现,在充足灌水量下番茄株高与单株总产量最高,过量灌溉下(125%充足灌水量、150%充足灌水量)番茄株高、叶绿素含量与产量逐渐降低,这表明过量灌溉并不利于番茄的生长发育及增产。研究表明,灌溉水量过大会造成番茄根系气孔闭合,不利于根系吸水与发育,番茄叶片萎蔫,叶面积减小,不利于植株进行光合作用,降低番茄干物质量的积累,还阻碍植物体内赤霉素和细胞分裂素合成,乙烯含量增加,使酶保护系统遭受破坏,不利于番茄生长发育,且灌溉水量过大时会将土壤表层植株根系吸收完剩余的硝态氮渗入土壤深层造成淋溶损失和地下水污染。

  果实硬度、可溶性固形物含量、可溶性糖含量、有机酸含量、维生素C含量和番茄红素含量与番茄的品质及口感息息相关,吴泳辰等[8]通过设置充分灌溉、中度调亏及重度调亏3个处理發现,灌水量与番茄果实硬度、维生素C含量、可溶性固形物含量呈负相关。冯腾腾等[4]研究发现,充足灌水量下番茄红素含量、核糖比、有机酸含量、可溶性糖含量均低于非充分灌溉。这说明充分灌溉不利于番茄果实的营养品质与口感,这与龚雪文等[9]的研究结果一致。

  综上,番茄的产量与品质无法同时达到最高,应根据市场不同需求进行选择;同一地区相同灌水量下的不同品种番茄生长指标、品质指标又不尽相同[6],应根据不同品种的特点、不同地点的生态条件以及对品质、产量、水分利用率的要求,对不同品种采取不同的灌溉策略,确定合理的节水灌溉方案。

  1.2 调亏灌溉

  调亏灌溉(RDI)是指在作物适宜的生育阶段实施适度的水分亏缺来调控植物营养生长和生殖生长的速率,达到增产提质的目标[10]。土壤水分过多会降低水分利用效率,严重的水分亏缺将抑制番茄体内蛋白合成[11],造成根系活力下降,从而降低作物的生物量、产量及收获指数;灌溉水量过低也不利于番茄植株的光合作用,降低其净光合速率,而净光合速率对产量有极大的影响,与番茄产量呈正相关,所以灌溉量过低会对番茄产量造成不利影响[7]。适当的生长期内适度的水分亏缺可以节约灌溉用水并提高作物果实品质[12],在一定程度上提高果实商品价值,如周继莹[13]等研究发现,番茄硬度、可溶性糖含量、果形指数及可溶性固形物含量均与灌水量成反比,有机酸含量与灌水量成正比,所以降低灌水量显著提升了番茄外观及口感。

  不同栽培方式、不同区域、不同土壤理化性质、不同水质下实施水分亏缺的生育期不同,灌溉水量也不同[14]。王峰等[15]研究表明,在苗期适当进行水分亏缺处理可以控制幼苗地上部徒长,促进根部生长,有利于作物之后的生长发育。如龚雪文等[9]研究表明,在华北地区日光温室番茄开花坐果期减少水分供应量将会给植株后期的生长发育造成不利影响,但可溶性糖含量、糖酸比和硬度有所提高,在结果期适度水分亏缺,有利于植株生长发育,显著提高了番茄产量和水分利用效率;品质方面,除果实硬度,番茄在成熟采摘期亏水50%可显著提高果实营养品质,全生育期灌水量约为230 mm时达到节水高产和高效的统一,可作为华北地区温室滴灌番茄的经济耗水指标。郑凤杰等[16]研究表明,在河套灌区使用畦灌对加工番茄在全生育期均进行调亏处理时会限制番茄的茎粗茎长,不利于番茄的生长发育,但在坐果期适当进行调亏灌溉可以提高番茄产量,因为此时果实中细胞的数量已确定,所以对产量影响不大,调亏灌溉可以有效改善番茄品质,尤其是番茄硬度。吴泳辰等[8]研究表明,在加工番茄苗期用充分灌溉、中度亏缺和重度亏缺3种灌溉水量处理对番茄产量影响不大,但在番茄开花坐果期、果实膨大期和成熟采收期进行调亏灌溉处理,仅中度亏缺处理对产量影响较大,能获得产量最大值,与各时期均充分灌溉相比,各时期中度调亏的番茄红素较高,番茄果实总酸度与亏水程度成反比,番茄果实中可溶性固形物和维生素C含量均与亏水程度成正比。有研究表明,番茄果实含水量与调亏灌溉程度成反比,与可溶性固形物含量成正比,可滴定酸含量在正常灌溉水量的50%时最高,糖酸比及维生素C含量在重度调亏灌溉的时候最多[17]。

  总之,种植者在生产时应考虑到不同品种的特点,然后根据其地理位置、品种特性、当地的生态环境以及市场对番茄产量、品质和水分利用率等不同需求采取不同的灌溉方式,确定最优灌溉水量,达到节水灌溉与番茄增产提质双丰收。

  综上,灌水量对番茄的生长发育、产量及品质均会造成影响,但是全国针对番茄的灌溉指标研究分布并不全面,中西部居多,沿海地区较少,很多地区没有明确的灌水指标,而且目前研究中未能考虑生理、生化指标,一些影响产量的其他重要指标未能包括进去,还需进一步的研究。

  2 灌溉方式

  我国是缺水国家,2013年农业用水占总用水量的63.4%[18],其中作物生产用水约占农业用水的30% [19]。水资源紧缺与农业生产的矛盾日益严峻,而传统的灌溉方式“大水漫灌和畦灌”会导致土壤板结、土壤盐碱化、有害细菌传播等,这不仅浪费水资源,给作物的生长发育、产量带来不良影响,还降低了农业经济效益。因此,改变传统灌溉方式,建立科学合理的灌溉制度迫在眉睫。

  目前,我国常用的节水灌溉方式有滴灌、喷灌,不同的灌溉方式会对设施土壤理化性质及作物生理生长、产量造成不同影响,因为作物品质与灌水量相关,所以灌溉方式对作物品质影响不显著[20-21]。研究表明,与漫灌和畦灌相比,滴灌和喷灌不仅提高了番茄水分利用率,还能较大程度提高番茄产量,但单果质量差异不大[22-23],因为漫灌和畦灌会使土壤水很快饱和或者过饱和,进而使土体紧实,干密度、体积质量增大,土壤孔隙度减小[24],不利于番茄根系生长及产量增加。从对番茄产量的影响来说,滴灌和喷灌的差异不显著,但从经济效益来看,在充分供水处理条件下采用滴灌的灌溉方式,番茄种植的产量、水分利用效率、经济效益较其他灌溉方式都高[25]。

  番茄的主要根系分布在5~30 cm的土层,膜下暗灌和普通沟灌的方式使多余水分淋出根区,作物无法吸收,造成了水资源的浪费[26],所以这2种灌溉方式下番茄根系吸收的水分无太大区别,其对番茄的品质及产量造成的影响不显著。研究表明,不同灌水方式对番茄土壤养分、电导率及地温造成显著影响,其中膜下滴灌和隔沟交替灌溉不仅保持了番茄品质与产量还降低了土壤硝态氮淋溶,可作为番茄适宜的灌水方式[20]。杨洋等[27]研究表明,滴灌处理之后土壤腐殖质含量高于沟灌、渗灌处理,最大程度提升了土壤肥力水平,有益于番茄养分供应,促进番茄的生长发育。

  3 水质量

  随着水资源枯竭和水质恶化问题日益严重,淡水资源短缺已成为限制农业发展的主要因素。为解决我国农业水资源紧张的现状,一方面要大力发展节水灌溉技术,另一方面则应开发如再生水、微咸水等新的灌溉水源。因非常规水独特的特性必然使大家关注其在农业利用过程中对作物造成不同程度的影响,笔者对再生水及微咸水对番茄生长发育及产量品质的影响做出了总结。

  3.1 再生水灌溉

  再生水是指污水或者雨水经适当处理后,达到水质指标要求并满足某种使用要求,能够利用的、有益的水[28]。再生水总量大、水质稳定、富含氮磷等养分,重金属污染物等毒理指标量低,利用其灌溉既能有效利用污水,还能利用土壤特性净化水质减少农业环境的污染[29]。

  栗岩峰等[30]分别使用再生水与混合水灌溉番茄,发现再生水灌溉可以提高番茄产量及灌溉水分生产率,且再生水灌溉可提高果实的可溶性糖含量和可滴定酸度,有利于改善番茄口感,其对番茄维生素C含量和可溶性固形物含量等营养指标无明显不利影响。王伟娜等[31]通过研究不同水质水量对设施大棚番茄品质及产量的影响得出,使用再生水灌溉的番茄的可溶性蛋白含量大于清水灌溉,使用再生水灌溉未对番茄产量及品质造成不良影响。但也有研究表明,再生水中过高的养分会导致作物减产或品质下降,再生水和自来水混合灌溉的方式更有利于作物的生长发育。如于辉等[32]通过设置再生水、自来水混合比例由1∶0、1∶1至1∶3来灌溉饲用甜高粱,结果发现,再生水所占灌水比例与饲用甜高粱干草产量、粗蛋白质含量呈反比,其对可溶性糖含量无明显影响。但目前再生水灌溉对番茄的生理特性、产量品质,及灌溉对土壤及环境的影响的研究尚不充分,有待进一步的探索。

  3.2 微咸水灌溉

  微咸水(矿化度在2~5 g·L-1)在我国华北、西北及沿海地区分布广泛,且大部分资源尚未开发利用。目前,研究微咸水灌溉对作物的影响越来越受到国内外学者的重视。前人研究表明,干旱地区土壤溶液浓度大,渗透势高,微咸水灌溉可以有效缓解这种状况,而且微咸水灌溉不仅可以提供作物所需水分,还可以通过淋洗减少作物根系部分的盐分,有利于作物的生长发育[33]。微咸水的灌溉水量和灌溉次数均会对土壤积盐造成影响,适当增大灌溉量有利于土壤盐分的淋洗,缓解盐害,促进作物生长。如吴蕴玉等[34]设置不同的盐分浓度(1.0、3.0、5.0 dS·m-1)和灌水量(280、320、360 mm)对番茄进行灌溉,发现低水高盐降低了番茄最大叶面积指数,不利于番茄生长及产量,但提高了番茄果实密度、可溶性固形物含量、总酸含量、维生素C含量及糖酸比,提高了番茄品质,且水盐浓度和灌水量对番茄品质均有显著影响,但其交互作用对番茄品质指标的影响不显著,并提出盐分3.0 dS·m-1、灌水量360 mm为最佳微咸水灌溉方案。吴蕴玉等[34]也通过研究证实微咸水直接灌溉番茄果实会增加果实各部位蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶的活性,促进蔗糖的合成积累;提高转化酶AI、NI活性,并促进蔗糖分解,有助于果实中糖分积累,但果实产量也显著降低。但是微咸水灌溉不当会造成土壤盐渍化或者灌溉和降雨淋洗将土壤中的盐分带入地下水,造成地下水污染,所以在使用微咸水灌溉时不仅要考虑到作物的耐盐性,还要考虑微咸水灌溉对土壤和环境造成的影响。

  目前利用微咸水灌溉主要以直接灌溉、咸淡水混灌和咸淡水轮灌的方式为主[35]。已有的研究结果表明,微咸水通过渗透、盐离子作用以及土壤理化性质的变化影响作物的生长、产量和果实品质,尤其是果实中的糖分含量[36],微咸水中含有大量的盐离子,若灌溉方式不当会增加土壤中的盐分,造成土壤盐渍化,引起作物根区土壤溶液渗透势下降,造成植株吸水困难,严重时可导致植株生理干旱而死亡[37]。研究表明,同一种矿化度的灌溉用水使用不同的灌溉方式会造成不同的灌溉效果[38]。因此要对番茄进行微咸水灌溉研究,达到既能有效利用微咸水,还能保证番茄正常生长,同时提高番茄品质与产量。郭梦吉[39]等试验结果表明,在结果期进行微咸水灌溉处理能促进番茄根部生长,有利于番茄的生长发育;微咸水灌溉对根系的影响主要表现在直径<2 mm的根系上,微咸水灌溉对番茄根系的空间分布基本没有影响。可以应用短期微咸水灌溉和降低微咸水矿化度的灌溉方式,不仅能够节约淡水资源,避免了微咸水直接灌溉对植株生长发育带来的危害,还补充了植物所需的营养元素[35]。

  总之,科学合理的灌溉方式在农业节水灌溉中起到非常重要的作用,应加大推广力度,加快发展科学灌溉体系。目前针对一种灌溉方式对番茄生长、产量和水分利用率影响的研究比较多,但是针对多种灌溉方式对番茄影响的研究较少,应进一步完善番茄生产管理指标。

  3.3 营养液

  适宜的营养液供应量对果实产量和品质均有重要影响,如适宜的营养液可以提高番茄产量,改善果实营养品质,提高番茄果实硬度,有利于番茄果实的贮存和运输,还可改善果实的风味品质,如增加果实挥发性物质,提高特征香气物质含量等[40]。有研究发现,每株番茄在全生育期施加58.5 L营养液时,果实品质最佳[41];番茄果实可溶性糖、番茄红素、维生素C含量随着营养液浓度的增加先增加后降低,当营养液含量为3.593 kg·cm-2时,可有效提高番茄果实硬度、可溶性糖含量、番茄红素含量、维生素C含量、株高和生长速率[42]。研究表明,科学使用配方营养液可促进番茄生长發育、增产提质、提高水肥利用率。番茄温室栽培前期宜采用园试配方营养液,后期宜使用山东番茄的营养配方,这2种营养液相互配合不仅促进番茄生长,还可达到增产提质的效果[43]。在番茄不同生育期施加不同比例的营养液对番茄造成的影响又不尽相同,如坐果后施加合理比例的钾氮营养液可以促进番茄植株的生长,进而使番茄增产提质,促进植物吸收养分及合理分配营养物质。不同的栽培条件下最佳营养液的配比也不相同,如在沙培条件下,综合植株生长发育、果实品质、产量、养分等各项指标,认为mK∶mN=2.1∶1为番茄第一穗果坐果后营养液最适宜的钾氮比;在基质培条件下,营养液K/N比与果实硬度、可溶性固形物含量、可溶性总糖含量及有机酸含量呈现出正相关趋势,提高营养液钾氮比,果实硬度、可溶性固形物含量、可溶性总糖含量及有机酸含量都逐渐增加,当营养液中mK∶mN=2.9∶1时番茄果实品质最佳;当营养液中mK∶mN=2.1∶1时,可在不降低番茄产量的基础上一定程度改善果实品质[44]。

  總之,营养液的添加量并不是越多越好,应针对番茄不同的生长期选择最适宜的营养液及合适的供应量、供应浓度。不同的栽培条件下最适宜的元素配比不同。

  3.4 水肥处理

  将灌溉与施肥结合起来的栽培管理技术称为“水肥一体化”,该技术把施肥装置与微灌系统融为一体,将可溶性固体肥料或液体肥料融入灌溉水,随灌溉系统将肥料均匀、准确地输送到作物根部土壤,该灌溉模式具有高效的节水、节肥、增产等特点,显著提高综合经济效益[45]。相关研究表明,水分利用效率和施肥程度相关,一般来说,合理施肥会促进植株水分利用效率的增加。已有研究表明,合理施肥有利于提高水分利用效率;中水中肥或者低水中肥条件下番茄的综合品质较好,高水高肥反而会造成番茄品质的下降[46]。目前,种植番茄面积非常大且灌水施肥时,大水大肥的现象非常普遍,这种做法超出了作物生长发育的需求,不仅会造成作物减产,而且长期以来会造成土壤盐分积累、酸化、地下水硝酸盐污染,严重影响了土壤的可持续发展,所以完善水肥一体化灌溉施肥制度迫在眉睫[47-49]。

  已有研究表明,不同水肥处理对番茄的生长发育有显著影响。王秀康等[50]研究表明,灌水量与施肥量均对番茄株高产生影响,水肥交互作用对番茄株高可造成明显的影响,整个生育期内,番茄的茎粗与施肥量差异显著。张国红等[51]的研究表明,日光温室种植的番茄,其株高、茎粗、叶片数、叶面积随施肥量的提高逐渐增加。邢英英等[52]的研究表明,番茄产量与根长、根质量、根体积及根表面积均呈现显著的线性正相关关系。因此,适度提高施肥量确实能够促进番茄的生长发育,在一定程度上提高作物产量。不同的水肥处理对番茄的品质和风味影响显著,有研究表明,番茄干物质积累量受施加肥量影响显著[50]。维生素C和番茄红素含量随施肥量的增加而先增加后降低,可溶性糖含量与施肥量呈负相关[52]。周继莹等[13]的研究结果表明,番茄的颜色指数(Color index)与硬度都与灌水量呈负相关,减少灌水量可提高可溶性糖含量、降低有机酸含量。水肥过高并不能达到增产提质的效果,只有施加适宜的水肥量才能提高番茄品质。在日光温室种植番茄模式下,施肥量与维生素C、有机酸、游离氨基酸、硝酸盐含量呈正相关,与可溶性糖含量、糖酸比呈负相关,果实风味变差[51]。

  综上所述,目前我国可参考的水肥指标严重分布不均,西北居多,其余较少,应考虑到不同地区农业生产条件差异,通过试验找到适合当地土壤、气候、作物和栽培季节等特点的水肥一体化灌溉指标,不能为了高产而忽视作物的品质和环境的可持续发展,应采取按需、合理、平衡的施肥灌溉方式。

  4 研究展望

  国内外学者围绕灌溉水质水量、灌溉方式、营养液、调亏灌溉和水肥一体化等单一因素影响下对番茄的生长、生理特性、品质及产量等方面做了大量研究工作,也取得了较大成果,但仍存在以下问题:(1)番茄水肥一体化灌溉施肥制度有待完善,目前研究多偏重于一种灌溉方式下不同水肥水平对番茄产量、品质、水分利用率的影响,而其针对土壤养分状况、土壤呼吸、土壤温度影响的研究较少。在施肥的同时应不仅关注产量,同时注意环境的可持续发展。(2)目前我国针对番茄水肥一体化指标研究分布不均,大多分布在西北地区。(3)目前针对不同栽培方式下灌溉水质水量、营养液、水肥对番茄品质、产量及生理特性的影响的研究较少。(4)在研究番茄水肥一体化指标时未能考虑到水肥互交作用以及土壤水分对番茄根系的调节作用。

  对前人的研究结果进行总结,发现在番茄种植过程中栽培方式、灌溉方式和水肥的研究往往是单独进行的。目前,番茄种植者为了利益最大化,过于注重产量,片面认为灌水和施肥较多产量就会提高,但不合理灌水和施肥不仅会导致水肥利用效率降低,集中降雨期会加重农业面源污染,而且也会引起病虫害增多,最终导致番茄减产和品质降低。一方面没有综合考虑水肥互交作用对土壤环境的影响;另一方面也很少从水肥调控根区微环境的角度出发,研究番茄优质高产的最优水肥模式与抑制番茄病虫害发生的最佳供水供肥供药指标体系。结合以上客观存在的两个问题,建议今后应着重加强以下两方面:(1)当前绝大多数试验研究只是针对一种番茄品种,可以针对同一地区多种番茄品种,明确标明最适宜的栽培方式及水肥用量,建立合理的水肥水平与产量、品质的关系模式,力求在水分利用效率、产量、环境、经济效益等方面达到有机的统一。(2)探索番茄病害与水肥的关系,争取通过控制灌溉量、施肥、施药来减少番茄病害,保护农业生态环境和保障食品品质安全。

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文章名称:灌溉对番茄生长发育、产量和品质影响的研究进展

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