灌溉量對(duì)限根栽培番茄生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響

季延海 李炎艷 武占會(huì) 劉 佳 劉明池

〔1北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，北京 100097；2河北省邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北邯鄲 056001；3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部都市農(nóng)業(yè)（華北）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097〕

番茄是世界上設(shè)施栽培面積最大的蔬菜作物之一，也是我國(guó)設(shè)施蔬菜栽培的主要作物，在蔬菜產(chǎn)業(yè)中具有重要的地位。傳統(tǒng)的大水大肥管理方式，導(dǎo)致了嚴(yán)重的土壤、水污染，連作障礙以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低等問(wèn)題，限制了農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。近年來(lái)，消費(fèi)者對(duì)蔬菜高品質(zhì)、高營(yíng)養(yǎng)等多樣化的需求日益旺盛，而且我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)正處在由數(shù)量型向質(zhì)量型轉(zhuǎn)變的時(shí)期，因此，品質(zhì)栽培將是未來(lái)我國(guó)蔬菜生產(chǎn)的主要方向。

近年來(lái)，世界各國(guó)都在逐漸開(kāi)始進(jìn)行高品質(zhì)蔬菜的生產(chǎn)，以獲得較高附加值（Rouphael et al.，2018）。番茄果實(shí)中糖的種類(lèi)和含量是最重要的品質(zhì)指標(biāo)之一，糖類(lèi)物質(zhì)的累積是一個(gè)重要過(guò)程，是決定番茄感官品質(zhì)的關(guān)鍵因子（Yin et al.，2010；Charles et al.，2016；Schouten et al.，2016；Bianchetti et al.，2017；Li et al.，2017）。日本在無(wú)土栽培番茄生產(chǎn)上，通過(guò)限根栽培和少量多次的灌溉模式，果實(shí)可溶性固形物含量達(dá)到8%～10%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益（束勝 等，2018）。研究表明調(diào)虧灌溉對(duì)番茄果實(shí)生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)和VC含量等均有影響（Bogale et al.，2016）。與充分灌溉相比，在番茄不同生育期進(jìn)行虧缺灌溉均能提高品質(zhì)，尤其是在開(kāi)花期和果實(shí)發(fā)育期采用1/3灌水量，能夠顯著降低作物耗水量，提高綜合品質(zhì)（Wang et al.，2011）。灌溉量減少，植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量均表現(xiàn)下降趨勢(shì)，總灌水量與番茄的單果質(zhì)量和單株產(chǎn)量之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與果實(shí)可溶性糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（劉海濤，2007）。在限根栽培方面，Saito 等（2006）研究表明，限根處理能促進(jìn)作物開(kāi)花，番茄的單果質(zhì)量、果實(shí)風(fēng)味色澤等都有極大的提升。

在土壤栽培中通過(guò)調(diào)虧灌溉、交替灌溉、肥料調(diào)控等方式調(diào)控番茄、草莓品質(zhì)已進(jìn)行了較多研究，但在土壤栽培條件下由于土壤的緩沖性強(qiáng)且植物根系分布廣等問(wèn)題，使得水分調(diào)控非常困難。而無(wú)土栽培脫離了土壤的限制，在有限的基質(zhì)內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，更有利于進(jìn)行水肥的調(diào)控。因此，本試驗(yàn)采用無(wú)土栽培系統(tǒng)，在限根栽培模式下研究調(diào)控灌溉量對(duì)番茄生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響，以期建立易操作、可推廣的番茄品質(zhì)調(diào)控技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年8月至2018年1月在北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心連棟溫室內(nèi)進(jìn)行，番茄品種為荷蘭瑞克斯旺種子公司生產(chǎn)的豐收，2017年8月15日播種，9月12日定植。采用北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心自主研發(fā)的封閉式無(wú)機(jī)基質(zhì)循環(huán)槽培系統(tǒng)（CN201510214349.X），營(yíng)養(yǎng)液配方為北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心劉增鑫（2000）的地下水改良配方。

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，日灌溉量分別為2.0 L（CK）、1.6 L（T1）、1.2 L（T2）、0.8 L（T3）、0.4 L（T4），日灌溉次數(shù)均為5次，除日灌溉量不同外，其余均正常管理。定植后到第1穗果坐果（定植后40 d）期間均按照對(duì)照灌溉量進(jìn)行灌溉，在此之后開(kāi)始進(jìn)行處理，每個(gè)處理為一套單獨(dú)的循環(huán)系統(tǒng)，共20個(gè)栽培槽，合計(jì)40株番茄，即每處理3次重復(fù)，每6個(gè)栽培槽為1個(gè)重復(fù)，每重復(fù)12株，其余2個(gè)栽培槽為保護(hù)行。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

基質(zhì)含水量：分別于定植后41、56、71、83、91、106、121 d最后一次灌溉結(jié)束后2 h取基質(zhì)測(cè)定質(zhì)量，烘干后測(cè)定干質(zhì)量，計(jì)算含水量。每個(gè)處理隨機(jī)從3個(gè)栽培槽取基質(zhì)，3次重復(fù)。

番茄生長(zhǎng)指標(biāo)：定植后65 d，每個(gè)處理隨機(jī)選取2株，使用直尺測(cè)量株高；使用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗；葉片數(shù)直接計(jì)數(shù)。

葉片光合參數(shù)：在定植后82 d（晴天），使用CIRAS-2便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行光合指標(biāo)測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為9：00～11：00，選取從上部數(shù)第4～6片朝向南側(cè)的葉片，每個(gè)處理測(cè)定6株。

蔗糖代謝相關(guān)酶活性的測(cè)定：在第2穗果的不同成熟期分別選取6株，對(duì)所有果實(shí)取樣，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（北京）測(cè)定。每個(gè)處理3次重復(fù)。

番茄果實(shí)品質(zhì)：在第2穗果實(shí)成熟時(shí)（定植后105 d）每個(gè)處理選取6株，摘取所有果實(shí)隨機(jī)分成3份，VC含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定；可溶性固形物含量使用便攜式數(shù)顯糖度計(jì)測(cè)定；可滴定酸含量采用酸堿滴定法測(cè)定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定（鮑士旦，1978）。在第2穗果的不同成熟期分別取樣，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（北京）測(cè)定果實(shí)葡萄糖、果糖、蔗糖含量。

番茄產(chǎn)量：分別在定植后89、105、113、125 d，采收小區(qū)內(nèi)的所有果實(shí)，用電子天平稱(chēng)量單果質(zhì)量和單株產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2010和SPSS 22.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉量對(duì)基質(zhì)含水量的影響

由圖1可以看出，隨著灌溉量的降低，基質(zhì)含水量呈下降趨勢(shì)，定植后41 d，T1～T4各處理基質(zhì)含水量分別為30.00%、27.33%、25.33%、23.67%，較對(duì)照分別降低3.00、5.67、7.67、9.33個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 不同灌溉量對(duì)基質(zhì)含水量的影響

2.2 灌溉量對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響

由表1可知，隨著灌溉量的減少，番茄株高、莖粗、葉片數(shù)均呈下降趨勢(shì)。在定植后65 d，T1～T4處理株高分別較對(duì)照顯著降低7.12%、10.06%、22.82%、28.14%；莖粗分別顯著降低8.13%、14.49%、15.24%、16.57%；葉片數(shù)分別顯著降低21.93%、28.34%、27.81%、24.06%。

表1 不同灌溉量對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響（定植后65 d）

2.3 灌溉量對(duì)番茄葉片光合參數(shù)的影響

在定植后82 d，分別測(cè)定各處理的光合參數(shù)（表2），隨著灌溉量的減少，凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）均呈下降趨勢(shì)，T2、T3、T4處理的Pn和Gs分別比對(duì)照顯著降低了16.26%、25.67%、27.97%和12.50%、15.63%、18.75%，T1處理與對(duì)照差異不顯著。T1～T4處理的Ci和Tr均顯著低于對(duì)照。

2.4 灌溉量對(duì)番茄果實(shí)中蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響

由圖2可知，番茄果實(shí)中中性轉(zhuǎn)化酶（NI）和酸性轉(zhuǎn)化酶（AI）活性在果實(shí)發(fā)育的前、中期（即定植后72 d前）均相對(duì)較低，至果實(shí)完全成熟兩種酶活性達(dá)到最高，果實(shí)中AI活性顯著高于NI。隨著灌溉量的減少，各處理AI和NI活性均顯著提高，且均顯著高于對(duì)照。

表2 不同灌溉量對(duì)番茄葉片光合參數(shù)的影響（定植后82 d）

圖2 不同灌溉量對(duì)番茄果實(shí)蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響

由圖2還可以看出，番茄果實(shí)中蔗糖合成酶（SS）和蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性隨著果實(shí)的成熟呈降低趨勢(shì)，其中SS活性下降幅度較大，SPS活性下降幅度較小，在定植后105 d對(duì)照SS活性和SPS活性分別較定植后65 d降低96.39%和3.20%。隨著灌溉量的減少，各處理SS活性和SPS活性均呈下降的趨勢(shì)。定植后65 d，各處理SS活性均顯著低于對(duì)照，T2～T4處理SPS活性也顯著低于對(duì)照；定植后105 d，各處理SS活性與對(duì)照差異不顯著，SPS活性均顯著低于對(duì)照。

2.5 灌溉量對(duì)番茄品質(zhì)的影響

2.5.1 灌溉量對(duì)番茄果實(shí)中葡萄糖、果糖與蔗糖含量的影響 由圖3可以看出，各處理番茄果實(shí)中葡萄糖、果糖含量隨著果實(shí)的成熟呈增加的趨勢(shì)，蔗糖含量呈降低的趨勢(shì)且在果實(shí)完全成熟時(shí)（定植后105 d）含量接近零。隨著灌溉量的降低，葡萄糖、果糖含量逐漸增加，蔗糖含量逐漸降低。在定植后105 d，T1～T4處理葡萄糖和果糖含量分別比對(duì)照提高36.21%、24.59%、15.78%、7.10%和27.81%、21.31%、14.23%、6.20%。在定植后65 d，T1～T4處理蔗糖含量分別較對(duì)照降低5.84%、13.11%、20.67%、27.72%。

圖3 不同灌溉量對(duì)番茄果實(shí)中葡萄糖、果糖、蔗糖含量的影響

2.5.2 灌溉量對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響 由表3可以看出，隨著灌溉量的減少，VC含量、糖酸比呈先增加后降低的趨勢(shì)，可滴定酸和可溶性糖含量呈持續(xù)增加的趨勢(shì)。T2處理的VC含量最高，顯著高于對(duì)照和其他處理；可滴定酸、可溶性糖含量均以T4處理最高，顯著高于對(duì)照和其他處理；T2和T3處理的糖酸比較高，顯著高于對(duì)照和其他處理。

2.6 灌溉量對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

由表4和圖4可以看出，灌溉量顯著影響番茄的單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量，T1～T4處理單株產(chǎn)量分別比對(duì)照顯著降低11.72%、26.16%、44.47%、50.47%。單果質(zhì)量隨灌溉量的減少呈變小的趨勢(shì)，定植后89 d各處理單果質(zhì)量分別較對(duì)照顯著降低6.29%、10.11%、32.95%、34.69%。各處理單果質(zhì)量在4次采收中均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，對(duì)照及T1～T4處理第4穗果（定植后125 d采收）單果質(zhì)量較第2穗果（定植后105 d采收）分別降低5.16%、6.63%、5.13%、17.23%、14.72%。

表3 不同灌溉量對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響

表4 不同灌溉量對(duì)番茄單果質(zhì)量的影響

2.7 基于熵值模型的灌溉量對(duì)番茄影響的綜合評(píng)價(jià)分析

以株高、單株產(chǎn)量、凈光合速率、可溶性糖、葡萄糖、果糖、糖酸比、VC等8個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用熵權(quán)法和TOPSIS法相結(jié)合（虞娜 等，2012）的方法，對(duì)不同灌溉量對(duì)番茄生長(zhǎng)和品質(zhì)影響效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。經(jīng)計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值Hj=（0.700 6，0.703 9，0.652 9，0.706 9，0.694 4，0.729 4，0.717 6，0.718 7，0.700 0，0.706 1，0.705 2，0.723 4，0.714 5）；評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重w=（0.078 3，0.077 4，0.090 7，0.076 6，0.079 9，0.070 7，0.073 8，0.073 5，0.078 4，0.076 8，0.077 1，0.072 3，0.074 6）。進(jìn)一步計(jì)算各評(píng)價(jià)方案的正理想解和負(fù)理想解的距離，并計(jì)算接近度Ci。各處理的評(píng)價(jià)順序?yàn)椋篢3＞T4＞T1＞T2＞CK，即日灌溉量0.8 L處理組合綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最佳（表5）。

圖4 不同灌溉量對(duì)番茄單株產(chǎn)量的影響

表5 不同灌溉量對(duì)番茄影響的TOPSIS 綜合分析

3 討論

3.1 灌溉量對(duì)番茄生長(zhǎng)和光合作用的影響

營(yíng)養(yǎng)液灌溉量的調(diào)控通過(guò)調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配，從而影響植物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)。本試驗(yàn)中減少營(yíng)養(yǎng)液的灌溉量顯著抑制了番茄的生長(zhǎng)，在定植后65 d，每天灌溉0.4 L的處理，其株高較對(duì)照顯著降低28.14%，葉片數(shù)減少24.06%，莖粗降低16.57%，在番茄（齊紅巖 等，2004）、西瓜（楊小振 等，2014）、草莓（劉明池 等，2001）等已有研究中也表明灌溉量的減少會(huì)顯著影響植株的生長(zhǎng)。本試驗(yàn)中株高和葉片數(shù)隨營(yíng)養(yǎng)液灌溉量的減少呈現(xiàn)較大的降低幅度，而莖粗相對(duì)降低幅度較小，吳宣毅等（2018）在番茄上的研究也表明相較于莖粗，株高對(duì)灌水量的反應(yīng)更為敏感。本試驗(yàn)中除對(duì)照外，不同灌溉量處理間葉片數(shù)差異不顯著，這可能是由于當(dāng)灌溉量減少到一定程度后，主要影響番茄植株的節(jié)間距和葉面積，而對(duì)葉片數(shù)的影響不顯著，李時(shí)雨（2018）的研究也表明黃瓜灌溉量的減少對(duì)總?cè)~片數(shù)的影響不顯著，具體仍需進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

光合作用是植物積累能量和物質(zhì)的基礎(chǔ)，水分是光合作用的重要原料，營(yíng)養(yǎng)液灌溉量的減少會(huì)造成水分的虧缺，進(jìn)而導(dǎo)致植物光合作用減慢，影響光合產(chǎn)物積累（薛惠云 等，2013；李彪 等，2018）。研究表明，灌溉量的減少顯著降低了番茄葉片凈光合速率和蒸騰速率（趙娣 等，2018）；黃瓜水分脅迫下凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度均顯著降低（曲繼松 等，2019）。本試驗(yàn)結(jié)果也表明隨著灌溉量的減少，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均呈下降趨勢(shì)，且灌溉量減少幅度越大，各光合參數(shù)下降幅度越大。研究表明，灌溉量的減少導(dǎo)致光合速率下降主要是受氣孔因素限制，灌溉量的降低引起氣孔導(dǎo)度下降、CO2反應(yīng)受阻，導(dǎo)致葉片光合能力降低（高玉紅 等，2012；于文穎 等，2015），本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。

3.2 灌溉量對(duì)番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

已有研究表明，減少灌溉量能夠提高品質(zhì)，但產(chǎn)量也會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低（Hayata et al.，1998；劉明池 等，2005；姚有華 等，2019），本試驗(yàn)中隨著營(yíng)養(yǎng)液灌溉量的減少，番茄單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量均顯著降低。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在4次果實(shí)采收中對(duì)照單株產(chǎn)量呈增加的趨勢(shì)，灌溉量減少的處理在第4次采收時(shí)產(chǎn)量出現(xiàn)下降。而灌溉量的減少顯著提高了番茄的品質(zhì)，在一定范圍內(nèi)，灌溉量的減少可顯著提高VC含量和糖酸比，超過(guò)一定范圍則呈下降的趨勢(shì)。而可溶性糖和可滴定酸含量則隨灌溉量的減少而增加，這與哈婷等（2017）研究結(jié)果一致。番茄果實(shí)中的糖主要有葡萄糖、果糖、蔗糖，本試驗(yàn)中不同生育階段果實(shí)中的葡萄糖和果糖含量逐漸增加，至完全成熟達(dá)到最大值，而蔗糖含量則呈逐漸下降的趨勢(shì)，至成熟時(shí)達(dá)到最低，這與齊紅巖等（2004）在虧缺灌溉對(duì)番茄生長(zhǎng)影響中的研究結(jié)果一致。灌溉量的減少提高了果實(shí)中的葡萄糖和果糖的含量，降低了蔗糖的含量。蔗糖含量的變化主要受SPS、SS兩種合成酶以及AI、NI兩種分解酶的影響，隨著果實(shí)的成熟合成酶含量逐漸降低，代謝酶的含量逐漸升高；并且灌溉量的減少顯著降低了合成酶的含量，提高了代謝酶的含量，致使成熟果實(shí)中蔗糖含量較低。

3.3 灌溉量調(diào)控番茄品質(zhì)技術(shù)存在的問(wèn)題及應(yīng)用前景

水在植物生長(zhǎng)的不同階段均發(fā)揮著重要的作用，灌溉量的減少會(huì)導(dǎo)致番茄株高、莖粗、光合作用等指標(biāo)的降低，從而導(dǎo)致產(chǎn)量的下降，但同時(shí)也提高了番茄的品質(zhì)，如何解決產(chǎn)量和品質(zhì)的矛盾一直以來(lái)都是學(xué)者們研究的方向。在傳統(tǒng)的土壤栽培中，通過(guò)研究灌溉量減少的范圍、調(diào)控的時(shí)期等內(nèi)容，已初步建立了相關(guān)的技術(shù)點(diǎn)，如在番茄上的研究表明，水分調(diào)虧控制在75%以上能夠提高番茄品質(zhì)（王麗娟 等，2010）；劉明池等（2005）研究表明，為了保證品質(zhì)有一定提高而產(chǎn)量降低又不太多，以膨大期為最佳虧缺時(shí)期。但土壤栽培由于自身緩沖性強(qiáng)，植株根系發(fā)達(dá)，難以進(jìn)行精確的調(diào)控和管理，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中往往由于難以把握調(diào)控的量而導(dǎo)致產(chǎn)量下降嚴(yán)重或者品質(zhì)調(diào)控效果不理想，使得該項(xiàng)技術(shù)并未得到廣泛的推廣應(yīng)用。本試驗(yàn)中無(wú)土栽培技術(shù)的應(yīng)用，解決了土壤栽培中的問(wèn)題，可以對(duì)灌溉量進(jìn)行精確調(diào)控。因此，無(wú)土栽培生產(chǎn)中進(jìn)行品質(zhì)調(diào)控技術(shù)的研究和應(yīng)用將是未來(lái)的方向。在解決產(chǎn)量和品質(zhì)的矛盾中，還可以通過(guò)集成限根栽培技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)液配方調(diào)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和品質(zhì)的平衡。

4 結(jié)論

在無(wú)土栽培中限根栽培模式下，通過(guò)調(diào)控灌溉量能夠提高番茄的可溶性糖、VC、糖酸比等品質(zhì)，但會(huì)對(duì)番茄的生長(zhǎng)、產(chǎn)量等產(chǎn)生影響。利用熵權(quán)法和TOPSIS 法相結(jié)合的方法，綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)得出日灌溉量0.8 L處理組合綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最佳。