番茄是全世界广为栽培的果菜之一，施用氮肥是提高其产量的重要措施。由于增施氮肥所带来的产量及效益驱动，生产中的氮肥实际投入量远远超出番茄的理论氮素需求。这不仅造成作物农学效率低下及品质难以提升，且易引起土壤次生盐渍化及硝态氮残留等问题。研究表明，应用聚合物包衣类缓释氮肥可提高番茄产量、提升番茄品质，减少土壤氮素残留^{[1, 2]}。由于这类缓释氮肥目前也存在诸如包衣材料降解差及二次环境污染等尚未解决的问题，继续探索更多的氮肥缓释途径对于保障番茄安全高效生产具有重要意义。生物炭是农林废弃物高温热解所产生的一种富炭固体产物，其疏松多孔的结构有助于延缓氮素养分在土壤中的释放，减少氮素损失，具有成为氮肥增效载体的潜力^[3]。将生物炭与氮肥复合制备炭基氮肥成为近年生物炭农用的重要方向，并被证实可明显促进作物生长和增产^{[4, 5, 6, 7, 8]}，更重要的是，炭基氮肥在氮素释放后仍可发挥土壤改良剂的作用。目前为止，相关研究主要集中在常规水量下的禾本科作物，对其在设施番茄应用及在节水水量下的对比研究还较少。

番茄生产在常规灌水模式下存在水资源浪费问题，在番茄产量需求及经济发展等多重压力下，如何在减少灌溉水量的同时不影响番茄生产，成为当前迫切需要解决的问题。氮肥与水分进入作物根际土壤会产生相互协同、叠加及拮抗三种不同方式的耦合效应^[9]。如何最大程度发挥水氮协同效应，有效推进番茄产业的可持续发展值得深入思考。李艳梅等^[2]针对聚合物包衣氮肥的研究表明，包衣尿素纯N用量600 kg·hm^-2情况下，灌水量减少16%对番茄产量的降低不明显且番茄品质得到提升，土壤硝态氮残留量明显增加但仍低于减水前的等氮量普通尿素处理。生物炭与聚合物缓释载体材料性质明显不同，炭基氮肥水氮耦合对番茄生产与环境效应的影响尚不可知。此外，目前有关蔬菜水氮耦合效应的研究多关注产量效应，忽视了作物生理特性的水氮效应。叶片光合作用是估测作物生产能力的主要依据，其变化亦会明显受水氮因子的影响^[10]，摸清其对水氮耦合效应的响应有助于明确产量及品质变化产生的原因，对此进行研究显得尤为重要。

本研究以京郊春茬设施番茄为研究对象，通过田间试验考察两种炭基缓释氮肥（浸泡型和高压型）与两个灌溉水量（常规和低水）相耦合对番茄生产及环境效应的影响，以期为合理应用炭基氮肥及优化番茄水氮管理提供理论依据。

试验于3月至7月在北京市大兴区俊铭城基地日光温室进行。土壤类型为褐土，质地为壤土。播前0~20 cm土层土壤有机质含量15.5 g·kg^-1、全氮含量1.6 g·kg^-1、硝态氮79 mg·kg^-1、速效磷14.9 mg·kg^-1、速效钾175 mg·kg^-1、pH8.28。供试番茄品种为鑫语，于2月28日开始育苗，4月9日移栽定植前施入基肥，7月26日拉秧。每株番茄留果4穗。

试验采用裂区设计。以灌溉量（滴灌模式）为主处理，设置：高水区（4300 m³·hm^-2，CI），低水区（2300 m³·hm^-2，LI）；以施肥为副处理，设置：对照（不施氮肥，CK），普通氮肥（尿素U），浸泡型炭基缓释氮肥（WI），高压型炭基缓释氮肥（HP）。共8个处理，每个处理3次重复。试验小区规格为5 m×10 m，同一灌溉量区内随机排列。小区内采用高畦栽培技术，畦面宽80 cm，双行种植，株距40 cm，行距60 cm。小区之间用塑料薄膜（埋深40 cm）纵向隔开，防止处理之间相互影响。

施肥方法为：基施40%（基施氮肥类型不同，用量相同，均为100 kgN·hm^-2），追施60%（在一穗果和二穗果膨大期分别追施75 kg·hm^-2和75 kg·hm^-2普通氮肥）。所有处理的有机肥均为腐熟牛粪，用量10 t·hm^-2，N、P₂O₅和K₂O的含量分别为0.33%、0.22%和0.15%。所有处理的磷肥用量为200 kg P₂O₅·hm^-2，肥料为过磷酸钙；钾肥用量为218 kg K₂O·hm^-2，肥料为硫酸钾。有机肥和磷肥全部基施（深度为30 cm），钾肥基施40%，追施两次（设施追肥方式，时间同氮肥），每次30%。

制备炭基尿素的原材料生物炭来自修剪树枝及废旧木料，风干后破碎至粒径小于2 mm，放入不锈钢反应釜中进行热处理，在400 ℃保持4 h，冷却后粉碎制得木炭粉。生物炭比表面积为330 m²·g^-1，灰分含量为3.05%，pH7.46，有机碳27.9 g·kg^-1，CEC13.0 cmol·kg^-1，交换钙2360 mg·kg^-1，交换镁741 mg·kg^-1，速效磷238 mg·kg^-1，速效钾1625 mg·kg^-1。

浸泡型炭基尿素：称取等质量的木炭粉和尿素，将尿素溶于蒸馏水中制备成尿素饱和溶液，再加入木炭粉于该尿素溶液中，边加边搅拌，搅拌30 min使其充分混匀，平衡24 h后风干或于60 ℃下加热干燥，粉碎备用，测得含氮量为22.1%。高压型炭基尿素：称取等质量的木炭粉和尿素，搅拌30 min使其充分混匀，分别装入几个1 L大烧杯，经密封处理后置于105 ℃高压锅内压制30 min，取出冷却后粉碎备用，测得含氮量21.5%。

试验采用自压式滴灌系统，每个定植垄上安装两条滴灌管，滴水头间距40 cm，共灌溉6次，灌溉时间为移栽时和移栽后第15、32、52、75、97 d。各小区均以约20 cm宽的田埂隔开，能独立进水和排水。

于番茄座果期晴天上午9：00—11：00，各处理随机选取20片植株叶片，采用便携式叶绿素仪（SPAD-502）测定叶绿素含量，全自动便携式光合仪（LC Pro-SD）测定番茄叶片光合与蒸腾速率，测试部位为番茄自上而下第3或第4复叶上的成熟叶片；采用土壤盐度计（PNT3000）测定距番茄茎基部5 cm处的土壤盐度。盛果期随机选取15个果实样品，用于番茄果径、单果重和品质测定。每次采收时，每个试验小区的番茄果实集中采收分类，用电子台秤称重并记录每个小区的实测产量。于番茄定植前采集基础土壤样品，带回实验室风干，剔除植物碎片和小石砾，磨碎过0.15 mm孔径筛，用于土壤理化性质测定。于番茄成熟收获时采集0~80 cm深度土壤样品（20 cm为一层取样），带回实验室剔除杂物后过2 mm筛，用于土壤硝态氮含量测定。

土壤分析参照文献^[11]：采用电位法测定土壤pH值，重铬酸钾容量法-外加热法测定有机质含量，半微量凯氏法测定全氮含量，酚二磺酸比色法测定硝态氮含量，0.5 mol·L^-1的NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量，1 mol·L^-1中性NH₄OAc浸提-火焰分光光度法测定速效钾含量。果实品质分析参照文献^[12]：采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，比色法测定Vc含量，紫外分光光度法测定硝酸盐含量。

数据整理及作图采用Excel 2007软件完成，统计分析采用SPSS17.0中的单因素方差分析法（One Way Anova），用新复极差法进行多重比较，处理间差异性显著水平定为P＜0.05。

参照张银锁等^[13]的计算方法：氮肥农学效率（NAE）=（施氮区番茄产量-同一灌水区无氮处理番茄产量）（kg·hm^-2）/施氮量（kg·hm^-2）。参照安顺伟等^[14]的计算方法：水分生产效率（WPE）=作物产量（kg·hm^-2）/灌水量（m³·hm^-2）。

表 1显示，减少灌水量后，番茄果径及果重均值分别减小4.58%、8.69%，产量均值降低8.27%；减水引起的U（普通）和HP（高压型）处理产量降幅分别为13%和7.9%，均达统计学显著水平；减水引起的WI处理（浸泡型）产量降幅为2.1%，降幅尚未达统计学显著水平。从表 1可知，相同灌水量处理条件下，三个施氮处理的番茄果径与单果重较不施氮对照增加，在CI和LI水量下（常规灌水和低量灌水）均表现出WI>HP>U的趋势。在CI和LI水量下，施氮处理分别使番茄增产9.1%~46.7%、8.3%~64.1%。WI处理与U相比在CI和LI时分别增产34.5%、51.5%，HP处理与U相比在CI和LI时分别增产9.1%、15.6%，证实等水量下两种炭基氮肥处理的番茄产量高于等氮量U处理，WI型炭基氮肥处理的番茄产量高于等氮量HP型炭基氮肥处理，施用两种炭基氮肥在低量灌水时的增产幅度大于其在常规灌水时的增产幅度。总之，CIWI和LIWI两个组合处理番茄的果径及单果重更大，产量较高。

表 1 不同水氮组合对番茄果径、单果重及产量的影响 Table 1 Coupling effects of water and nitrogen on fruit diameter, weight and yield of tomato

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图 1和图 2显示，减少灌水量后，农学效率与灌溉水生产效率均值提升，WI型炭基氮肥处理的农学效率与灌溉水生产效率提升幅度均达统计学显著水平；HP型炭基氮肥处理的农学效率提升幅度不显著，灌溉水生产效率提升幅度均达统计学显著水平。CI和LI水量下，与普通尿素处理相比，两种炭基尿素处理明显提升了番茄的农学效率与灌溉水生产效率，且表现出WI>HP的趋势，两项指标在WI和HP间的差异均达统计学显著水平。总之，农学效率以LIWI组合最高，CIWI组合次之；灌溉水生产效率以LIWI组合最高，LIHP组合次之。

处理间英文小写字母不同表示处理间差异显著（P ＜0.05），下同 Values followed by different letters mean significant difference between treatments at the 5% level 图 1 不同水氮组合对氮肥农学效率的影响 Figure 1 Coupling effects of water and nitrogen treatments on agronomic efficiency of tomato

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图 2 不同水氮组合对灌溉水生产效率的影响 Figure 2 Coupling effects of water and nitrogen treatments on irrigation productivity of tomato

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由表 2看出，硝酸盐含量介于77.3~91.5 mg·kg^-1之间，整体处于较低水平，均低于茄果类蔬菜硝酸盐限值^[15]。减少灌水量后，番茄可溶糖与V_c含量增加，其中，WI和HP处理的可溶糖含量分别提升0.2%、0.5%，Vc含量分别提升0.6、3.0 mg·kg^-1。说明减少灌水量措施提升了两种炭基尿素处理番茄的可溶糖与Vc含量，且高压型炭基尿素处理的增幅更大。与U相比，WI型和HP型炭基尿素处理在CI水量时的Vc含量分别降低了4.0、4.9 mg·100 g^-1，硝酸盐含量分别显著降低14.2、10.0 mg·kg^-1。说明应用两种炭基尿素在常规灌水时有降低果实Vc含量及硝酸盐累积的趋势。与U相比，WI型和HP型炭基尿素处理在LI水量时的Vc含量分别提升0.9、2.4 mg·100 g^-1，可溶糖含量分别提升0.3%、0.7%。说明应用两种炭基尿素在低量灌水时有增加果实Vc及可溶糖含量的趋势。总之，CIWI和LIWI处理果实的硝酸盐含量偏低，LIHP处理果实的可溶糖与Vc含量偏高。

表 2 不同水氮组合对番茄品质的影响 Table 2 Effects of water and nitrogen combinations on fruit quality of tomato

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从表 3看出，灌水量减少后，番茄植株叶片光合速率和蒸腾速率均值分别降低22%和15%，叶绿素SPAD值降低5.6%，说明减少灌水量降低了叶片的光合与蒸腾作用，并减少了叶绿素合成。从不同尿素处理叶片光合速率随灌水量的变化趋势的比较来看，U、WI和HP处理叶片光合速率分别明显降低了30%、14%和23%。可见，减水措施对普通尿素和两种炭基尿素处理番茄植株叶片光合作用的影响相似，均表现为明显的抑制作用；但又表现出差异，表现为对普通尿素处理的抑制最强，对高压型炭基尿素处理的抑制次之，对浸泡型炭基尿素处理的抑制最弱。从不同尿素处理叶片蒸腾速率随灌水量的变化趋势的比较来看，U处理叶片蒸腾速率明显降低45%，WI和HP处理叶片蒸腾速率分别明显增加42%和14%。可见，减水措施对普通尿素和炭基尿素处理叶片蒸腾作用的影响明显不同，表现为抑制普通尿素处理叶片的蒸腾作用和增强炭基尿素处理叶片的蒸腾作用；同时发现，两种炭基尿素处理叶片蒸腾强度增幅表现出浸泡型明显大于高压型的趋势。

表 3 不同水氮组合对番茄植株叶片光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和叶绿素含量（SPAD）的影响 Table 3 Effects of water and nitrogen combinations on photosynthetic rate（Pn）, transpiration rate（Tr） and chlorophyll content（SPAD） of tomato plant leaves

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表 3显示，CK光合速率小于三个施氮处理，说明施用氮肥增强了叶片光合作用。与U相比，WI和HP处理叶片光合速率在CI灌水量下分别明显增加37%和26%，在LI灌水量下分别明显增加68%和37%。说明常规及低量灌水时，两种炭基尿素与普通尿素处理相比均明显增强了叶片光合作用，浸泡型炭基尿素的增强幅度大于高压型炭基尿素处理。与U相比，WI和HP处理叶片蒸腾速率在CI灌水量下分别明显降低34%、24%，在LI灌水量下分别明显增加69%和56%。说明两种炭基尿素处理对叶片蒸腾强度的影响因灌水量不同而存在明显差异，表现为常规灌水时的明显抑制作用和低量灌水时的明显增强作用，就两种炭基尿素之间的比较来看，浸泡型炭基尿素的调节作用大于高压型炭基尿素。与U相比，WI和HP处理叶片叶绿素SPAD值在CI灌水量下分别明显增加16%和13%，在LI灌水量下分别明显增加14%和10%。说明两个灌水量下，两种炭基尿素明显增加了叶片叶绿素合成，且浸泡型炭基尿素的作用大于高压型炭基尿素。

以上分析表明，应用两种炭基尿素有助于番茄叶片在不同灌水量条件下均维持相对较强的光合作用及适中的蒸腾作用，增强叶片叶绿素合成，浸泡型炭基尿素处理的这种调节作用表现得更为明显，取得了相对较高的叶片叶绿素含量。总之，光合速率以CIWI最高、CIHP和LIWI次之，蒸腾速率则与此相反，叶绿素SPAD值与光合速率呈相似趋势。

由图 3看出：与CI水量相比，LI水量处理的土壤盐度均值增加了6.8%；就不同尿素处理的比较来看，减水措施后，U和HP处理土壤盐度分别明显增加33%和35%，WI处理土壤盐度的增加不明显。说明减少灌水量措施总体上增加了番茄根层土壤盐度，但又因尿素处理不同而异，表现为明显增加了普通尿素和高压型炭基尿素处理土壤盐度，对浸泡型炭基尿素处理土壤盐度的增加不明显。CI水量下，与U相比，WI和HP处理土壤盐度变化不显著；LI水量下，与U相比，WI处理土壤盐度明显降低27%，HP处理土壤盐度增加不明显。说明与普通尿素相比，两种炭基尿素在常规灌水时对土壤盐度的影响不显著，高压型炭基尿素在低量灌水时对土壤盐度的影响不显著，浸泡型炭基尿素在低量灌水时明显降低土壤盐度。

图 3 不同水氮组合对土壤盐度的影响 Figure 3 Effects of water and nitrogen combinations on soil salinity

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表层0~40 cm土壤硝态氮占0~80 cm剖面总量的60%~79%，表明土壤硝态氮主要残留在表层0~40 cm土层。灌水量减少后，0~80 cm剖面由上至下（每20 cm为一层）土壤硝态氮含量均值分别增加了27%、14%、41%和49%，说明减少灌水措施增加了剖面各层土壤硝态氮残留。灌水量减少后，U、WI和HP处理0~80 cm剖面硝态氮总量分别增加了19%、37%和30%，说明减少灌水措施增加两种炭基尿素处理土壤硝态氮残留的幅度大于其增加普通尿素处理土壤硝态氮残留的幅度。就不同施肥处理剖面硝态氮总量比较来看，与U相比，WI处理在CI和LI水量时分别减少了45%和37%，说明浸泡型炭基尿素与普通尿素相比在两个灌水量下均减少了剖面硝态氮总量；与U相比，HP处理在CI水量时的影响不明显，在LI水量时增加了13%，说明高压型炭基尿素与普通尿素相比在常规灌水时的影响不明显，在低量灌水时增加了剖面硝态氮总量（图 4）。总之，浸泡型炭基尿素处理硝态氮残留总量明显低于其他氮肥处理，LIWI组合与CIU组合相比仍有降低，降幅达25%。

图 4 不同水氮组合对土壤硝态氮含量的影响 Figure 4 Effects of water and nitrogen combinations on soil nitrate content

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研究表明，两种炭基尿素与普通尿素处理相比增加了番茄果径、单果重与产量（表 1），提高了番茄农学效率与灌溉水生产效率（图 1和图 2）。这与高海英等^{[5, 6]}、陈琳等^[7]和张雯等^[8]报道的炭基氮肥促进粮食作物增产的结论基本一致。炭基氮肥增产原因主要与其增强叶片光合作用、调控叶片蒸腾强度有关（表 3），也可能与其增加土壤铵根离子持留、减少氮素损失有关^{[16, 17, 18]}。Zeng等^[19]和Li等^[20]报道控制土壤含水量至适宜水平有助于提升果蔬可溶糖与Vc含量，本研究两种炭基尿素在低量灌水条件下提高番茄可溶糖与Vc含量（表 2），可能与其生物炭载体影响土壤持水性能、增强叶片蒸腾强度（表 3）进而增加有机物合成有关。灌水量充足条件下普通氮肥的氮素溶出量较大，易导致作物根系氮素过量吸收及硝酸盐过量累积^[21]，两种炭基尿素与普通尿素相比在常规水量下减少番茄硝酸盐累积可能与炭基尿素延缓氮素释放进而避免根系氮素过快吸收有关，也可能与炭基尿素调控土壤含水量进而抑制叶片蒸腾、避免根系氮素过量吸收有关。在甜茶上的最新研究表明，生物炭促进植物生长与其提高植物叶片光合作用密切相关^[22]。本研究浸泡型炭基尿素处理与高压型炭基尿素处理相比，使番茄叶片维持了相对较高的光合速率和适宜的蒸腾强度，番茄生长状况、产量及品质更优。由此推测，两种炭基尿素在土壤中释放出的生物炭载体数量的差异及由此对番茄叶片光合及蒸腾作用产生的不同影响，可能是两种炭基尿素处理产生差异的重要原因。

灌水量减少后，普通尿素与高压型炭基尿素处理番茄产量显著降低（表 1），与冯胜利等^[23]和Marouelli等^[24]及韩国君等^[25]报道的减少灌水措施引起番茄减产的结论一致。综合本研究试验结果（表 1与表 3）与相关文献认为，减少灌水量措施引起番茄减产的重要原因之一可能是：水分胁迫下番茄叶片发生光抑制，引起叶片光能效率下降及干物质积累降低，进而引起番茄减产。减少灌水量引起的浸泡型炭基尿素处理番茄产量降幅较小，尚未达统计学显著水平，主要在于减少灌水措施对浸泡型炭基尿素处理番茄叶片的光合抑制作用相对较弱，且同时调节番茄叶片蒸腾强度至适中水平，因而该处理番茄叶片在低量灌水时仍然维持了叶绿体结构组分的完整性和功能性，从而维持较高的光合生产能力，有助于为番茄果实形成提供较多的新同化产物（表 1与表 3）。灌水量减少后，两种炭基尿素处理番茄可溶糖含量及高压型炭基尿素处理番茄Vc含量得到明显提升，与番茄叶片蒸腾强度明显增加的趋势一致，由此推测番茄糖分及Vc提升可能与蒸腾运输途径的有机同化产物增加有关。一般情况下，减量灌溉会降低叶片蒸腾作用。但根据郑国琦等^[26]在枸杞上的研究，月灌水定额在0~900 m³·hm^-2范围内变化时，以450 m³·hm^-2处理的叶片蒸腾速率最高；据段爱国等^[27]在树种上的研究，随着干热胁迫程度加深，供试树种蒸腾速率变化表现出增强、减弱和稳定等三种类型。结合已有文献及本研究灌溉水量与叶片蒸腾强度的关系，认为灌水量变化对植物蒸腾作用的影响与灌溉水量上下限值、氮肥类型、植物类型、土壤外源物质等均有关，因此在后期需进一步研究。浸泡型炭基尿素处理番茄农学效率及灌溉水生产效率表现出低量灌水>常规灌水的趋势，结合其生长、品质与产量特征，说明番茄生产中应用浸泡型炭基尿素有助于实现节水、高产与高效的统一。

两种炭基尿素对番茄收获期土壤盐度和硝态氮残留的影响有所不同。与普通尿素相比，浸泡型炭基尿素处理在低量灌水时表现出减轻土壤盐渍化程度的作用（图 3），在常规灌水及低量灌水时表现出减少0~80 cm土层氮素残留的作用（图 4），可以认为浸泡型炭基尿素的氮素供应在时间和空间上与番茄的氮素吸收趋于同步，因而在维持高产出的同时减少了0~80 cm土层氮素残留。高压型炭基尿素处理对盐度无明显影响，但在低量灌水条件下明显增加了0~80 cm土层硝态氮残留，其原因可能是高压工艺制备的炭基尿素对氮素的吸持作用较强，以至出现了在低量灌水时未完全释放及释放滞后的现象，因而在制作工艺及供应数量上仍需进一步调整，选择与番茄养分吸收特征更吻合的高压型炭基氮肥将会进一步降低损失而提高效率。本研究还发现炭基尿素对土壤氮素残留的影响与灌水量有关。高海英等^[5]针对浸泡型木炭基硝酸铵氮肥的研究表明，炭基氮肥处理显著降低了盆栽糜子土壤矿质氮残留，但同时发现炭基氮肥处理显著提高了盆栽小麦土壤矿质氮残留。已有研究得出的不同结论可能与作物类型、氮肥类型、土壤肥力、供水情况或炭基氮肥的制作工艺不同等有关，后期还需增加对比试验做进一步深入研究。低量灌水与常规灌水相比增加了两种炭基尿素处理的土壤硝态氮残留，其原因可能是减少灌水量限制了氮肥氮素释放及土壤剖面的硝态氮迁移^[28]。总体来看，本试验浸泡型木炭基尿素处理土壤硝态氮残留在两个水量下均处于较低水平，说明浸泡型木炭基尿素在减少灌水投入和土壤氮素残留方面具有积极作用。

（1）与常规灌水相比，低量灌水处理抑制了叶片光合作用及叶绿素合成，引起番茄减产。灌水量减少后，普通尿素和高压型炭基尿素处理叶片光合速率降幅较大，减产达显著水平，浸泡型炭基尿素处理叶片光合速率降幅较小，减产幅度未达显著水平；灌水量减少后，两种炭基尿素处理的灌溉水生产效率及浸泡型炭基尿素处理的农学效率提升。减少灌水量措施增强了两种炭基尿素处理叶片的蒸腾作用，提升了番茄果实可溶糖与Vc含量，还明显增加了两种炭基尿素处理0~80 cm土层硝态氮总残留量。

（2）与普通尿素相比，两种炭基尿素起到了增强叶片光合强度、调节叶片蒸腾强度、增加叶片叶绿素SPAD值、果实果径与单果重的作用，浸泡型与高压型炭基尿素产量增幅分别为34.5%~51.5%、9.1%~15.6%，明显提升了番茄农学效率与灌溉水生产效率，浸泡型炭基尿素的作用更明显。两种炭基尿素在常规灌水时降低了果实硝酸盐及Vc含量，在低量灌水时增加了果实可溶糖与Vc含量。应用浸泡型炭基尿素在两个水量下均减少了土壤硝态氮残留，低量灌水时应用高压型炭基尿素有增加土壤硝态氮残留的风险。

（3）综合考虑番茄产量、品质及土壤硝态氮累积，浸泡型炭基尿素与低量灌水组合处理、浸泡型炭基尿素与常规灌水组合处理具有较高的应用价值。