生育期水分虧缺和施氮對設(shè)施番茄葉片酶活性和水氮利用效率的影響

李旭峰，馬娟娟，鄭利劍，孫西歡，郭向紅

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

設(shè)施農(nóng)業(yè)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的必由之路，適合在我國年降水量較少、氣候寒冷、日照充足的干旱半干旱地區(qū)發(fā)展[1]。近年來，受經(jīng)濟效益的驅(qū)使，廣大農(nóng)民為了獲得短期的經(jīng)濟效益，通過大量澆水和增施化肥來達到高產(chǎn)目的，這不僅不利于水肥利用率的提高，還使果實品質(zhì)降低，甚至造成土壤環(huán)境污染[2-5]。因此，對作物進行適當?shù)奶澦蜏p施化肥勢在必行。

不同水氮供應(yīng)模式會對植物生長生理和水氮利用產(chǎn)生一定的影響。已有研究表明：輕度水分脅迫可提高西洋參超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)等保護酶的活性，降低丙二醛(MDA)含量，以提高其抗旱性并減弱葉片的受損程度[6]；在水分虧缺條件下，適當增加施氮量亦可提高葉片保護性酶活性[7]。隨著灌水量和施肥量的增大，核桃葉片SPAD值均呈先增大后減小的趨勢[8]。而番茄干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量均隨著灌水量和施肥量的增加呈升高趨勢，適當減小灌水量有利于提高水分利用效率[9]。已有研究大多針對水氮耦合對番茄生長、生理、水氮利用等單一方面或其中兩者的影響[10-12]，而在生育期水分虧缺條件下，施氮量對番茄生長、生理、產(chǎn)量以及水氮利用效率等方面的綜合性研究較少[13]。

本文通過在番茄不同生育期虧水，并在常規(guī)施氮水平的基礎(chǔ)上減少施氮量，探索水氮供應(yīng)對設(shè)施番茄葉片生理、生長及水氮利用等指標的綜合影響，旨在為干旱、半干旱地區(qū)設(shè)施番茄栽培制定科學(xué)合理的灌溉和施氮策略提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機旱作農(nóng)業(yè)研究院河村試驗基地日光溫室(38°05′N，112°90′E，海拔1 248.5 m)，試驗溫室為非加熱型自然通風(fēng)溫室，東西走向(長、寬、高分別為50.4、7.6、4.6 m)。試驗地地勢平坦，土壤為黃土質(zhì)淡褐土，定植前0～15 cm土層土壤容重為1.43 g·cm-3，田間持水量為0.31 cm3·cm-3，pH為8.32，有機質(zhì)為15.32 g·kg-1，全氮為1.12 g·kg-1，堿解氮為52.21 mg·kg-1，全磷為0.65 g·kg-1，全鉀為43.65 g·kg-1。試驗前茬作物為番茄。

1.2 試驗設(shè)計

番茄于2020年5月15日定植，9月18日拉秧，供試品種為‘番茄1702’，生育期劃分為緩苗期(5月15日—5月27日)、苗期(5月28日—6月9日)、開花坐果期(6月10日—8月12日)、成熟期(8月13日—9月18日)。滴灌施肥采用的氮、磷、鉀肥分別為尿素(N≥46.4%)、鈣鎂磷肥(P2O5≥15.0%)、氯化鉀(K2O≥57%)。

表1 試驗方案

本試驗設(shè)計灌水和施氮兩個因素，灌水設(shè)計4個水平，施氮設(shè)計3個水平，試驗處理方案詳見表1。其中

W=(0.9θFc-θv)×Zr×S×0.6

(1)

式中，θFc為田間持水量(cm3·cm-3)，θv為灌水前的土壤含水量(cm3·cm-3)；Zr為計劃濕潤層深度，本文取0.6 m；0.6為濕潤比；S指每個處理的灌水面積為25.2 m2。

W1的灌水下限為田間持水量的60%～65%，W2、W3、W4與W1同時灌水，0.5W表示灌水量減半；施氮水平設(shè)置為200、300、400 kg·hm-2。定植前將氮肥總量的3/5、全部磷肥(200 kg·hm-2)、鉀肥(300 kg·hm-2)和有機肥(20 000 kg·hm-2)作為基肥均勻施入耕作層；在第一穗果實膨大期(7月10日)與第三穗果實膨大期(8月5日)分別追施氮肥總量的1/5。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，共12個處理，每個處理設(shè)3個重復(fù)。定植后地面灌溉定植水20 mm，從苗期開始灌水處理。

1.3 溫室管理與農(nóng)藝措施

溫室共分為14個小區(qū)，小區(qū)長7 m，寬3.6 m，面積為25.2 m2；壟長、寬、高分別為7、0.8、0.1 m，溝寬0.4 m，用于試驗處理的有12個小區(qū)，其他用作保護小區(qū)，每小區(qū)設(shè)3溝3壟，在壟上對番茄進行管理、噴藥、采收等農(nóng)務(wù)。試驗小區(qū)之間0～60 cm土層內(nèi)埋設(shè)塑料薄膜，以防止各處理間水分發(fā)生側(cè)向交換。定植時，番茄幼苗按單穴單株定植在壟兩側(cè)，提前3～4 d鋪設(shè)黑色塑料地膜。全生育期內(nèi)，每株番茄在4穗果后摘心，每穗留5～6個番茄。其他噴藥等措施均按當?shù)爻Ｒ?guī)進行。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 番茄葉片酶活性 在番茄成熟期測定一次新鮮葉片的酶活性，葉片取樣和酶的測定參照李合生[14]方法，SOD活性采用氮藍四唑法測定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定。

1.4.2 葉片SPAD值 從苗期開始每隔15 d測定一次葉片SPAD值，各處理取整齊一致的3個植株樣本，分別對不同節(jié)位葉片SPAD 值采用葉綠素儀(SPAD-502，柯尼卡美能達，日本)測定，將第 5、6 和 7 節(jié)位所測數(shù)據(jù)平均后作為下位葉SPAD 值，第8、9和10節(jié)位所測數(shù)據(jù)平均后作為中位葉SPAD值，第11和12節(jié)位所測數(shù)據(jù)平均后作為上位葉SPAD值。

1.4.3 干物質(zhì)量 在番茄生育期末測定，整根取樣采用挖掘法，開挖范圍是以番茄植株為中心形成的40 cm×40 cm的正方形區(qū)域，挖掘深度為60 cm，以15 cm為一層，取樣后用孔隙直徑為0.5 mm的篩子沖洗，去除植株地上的雜物，放入105℃烘箱中殺青30 min、75℃下烘干至恒重，用精度為0.01 g天平稱重。根冠比=根系干質(zhì)量/地上部分干質(zhì)量。

1.4.4 商品番茄產(chǎn)量及水氮利用效率 商品番茄產(chǎn)量為單果重大于60 g的所有果實質(zhì)量的總和[15],用精度為0.05 kg的電子天平稱取；耗水量采用水量平衡法計算，試驗過程在溫室大棚內(nèi)進行，無降水和地下水補給，灌溉不會產(chǎn)生深層滲漏，故耗水量計算公式如下：

ET=I-ΔW

(2)

式中，ET為番茄耗水量(m3·hm-2);I為番茄灌水量(m3·hm-2)；ΔW為土壤水分變化量(m3·hm-2)。

番茄水分利用效率=商品番茄產(chǎn)量/耗水量；番茄氮肥偏生產(chǎn)力=商品番茄產(chǎn)量/施氮量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分虧缺和施氮對溫室番茄葉片酶活性和MDA含量的影響

2.1.1 SOD活性 SOD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，可以清除植物體內(nèi)自由基并對抗與阻斷因氧自由基對細胞造成的損害，是植物抗逆生理的重要指示[16]。圖1A為不同水氮處理對設(shè)施番茄葉片SOD活性的影響。由圖可知，同一施氮水平下，隨灌水量的減少番茄葉片SOD活性呈先增加后減少的趨勢，且W2水平的SOD活性顯著高于其他灌水水平，較W1水平高13%～34%；在W1、W4灌水水平下，隨著施氮量的減少，SOD活性逐漸減小，而在W2、W3水平下，各施氮水平的SOD活性表現(xiàn)為N2>N1>N3；W2N2處理的SOD活性最大，較W1N1高25.90%。

2.1.2 POD活性 POD活性與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等均有關(guān)，也是植物組織老化的生理指標之一[17]。由圖1B可知，同一施氮水平下，不同灌水水平對POD活性的影響與SOD類似；同一灌水水平下，除W1水平下POD活性隨著施氮量的減小而減小外，其他灌水水平的POD酶活性隨著施氮量的減小呈先增大后減小的趨勢，W2N2處理的POD活性最高為57.67 U·g-1·min-1，較W1N1高71.74%。

2.1.3 MDA含量 MDA是植物在逆境或衰老時發(fā)生膜脂過氧化作用的產(chǎn)物，可直接反映細胞損傷的程度[18]。由圖1C可知同一施氮水平下，隨著灌水水平的降低，MDA含量呈先降低后升高的趨勢，表明在全生育期虧水會產(chǎn)生較多的MDA，使番茄葉片細胞損傷嚴重；在同一灌水水平下，隨著施氮量的減少，MDA含量呈先降低后升高的趨勢，在W1水平下，各施氮水平之間MDA含量差異不顯著，而在W2、W3、W4水平下，N2水平MDA含量顯著小于N1、N3水平，N1與N3水平之間差異不顯著，表明在全生育期充分灌水時，施氮對MDA含量影響不顯著，而減少灌水量時，常規(guī)施氮和減氮50%均會加重葉片的損傷程度，W2N2處理的番茄葉片MDA含量最低，較最高值(W4N3)小23%。

注: 不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 水分虧缺和施氮對溫室番茄SPAD值的影響

2.2.1 不同處理番茄SPAD值的時間動態(tài)變化 葉綠素是植物進行光合作用的必要成分之一，有研究表明植物SPAD與葉綠素含量存在很好的相關(guān)關(guān)系[19]。圖2為不同水氮處理下SPAD平均值隨定植后天數(shù)(DAT)的變化規(guī)律，由圖2可知，在生育前期，各處理間SPAD值差異不顯著，隨著生育期的推進，各處理間差異逐漸加大，且SPAD值先增大后減小，各處理SPAD值在定植后60～75 d 達到最大，從定植后90 d開始降低，這是由于在生育前期番茄葉片較小，進入開花坐果期后葉片逐漸變大，葉綠素含量也增加，生育后期番茄葉片逐漸變黃，葉綠素含量降低。W2N1處理在全生育期SPAD值最高，開花坐果期(DAT=75 d)SPAD值分別是苗期(DAT=15 d)和成熟期(DAT=115 d)的1.67倍和1.27倍。

圖2 番茄SPAD值隨定植后天數(shù)的變化規(guī)律

2.2.2 水分虧缺和施氮對番茄不同葉位SPAD值的影響 圖3為成熟期不同水氮處理下番茄不同葉位SPAD值及其平均值。由圖3可知，當灌水量一定時，隨著施氮量的減小，不同葉位SPAD平均值逐漸減小，在水分比較充足(W1、W2水平)情況下，N1與N2水平差異不顯著，但顯著大于N3水平，而在水分供應(yīng)不充足時(W3、W4水平)，不同施氮水平之間SPAD平均值差異顯著(P<0.05)；在各施氮水平下，隨著灌水量的減少，SPAD平均值呈先增大后減小的趨勢；W2N1處理的番茄SPAD值最大為66.43，較W4N3處理(最小值)高21%。

圖3 不同葉位SPAD值及其平均值

此外，不同處理的中位葉SPAD值分別高于上位葉和下位葉4.72%～14.43%和5.18%～12.82%；中位葉的SPAD值與平均值的變化規(guī)律相似，線性擬合結(jié)果顯示中位葉SPAD值與不同葉位SPAD平均值之間相關(guān)性最強，因此番茄植株的SPAD值可選取中位葉進行測定。中葉位SPAD值與不同葉位SPAD平均值的線性擬合方程為：

y=1.1034x-10.174R2=0.9734

(3)

式中,y為不同葉位SPAD平均值；x為中位葉SPAD值；R2為決定系數(shù)。

2.3 水分虧缺和施氮對溫室番茄干物質(zhì)累積和商品產(chǎn)量的影響

生物量是衡量植物有機物積累、營養(yǎng)成分含量的重要指標之一，表2為不同水氮處理對番茄干物質(zhì)累積和商品產(chǎn)量的影響。由表2可知，在同一施氮水平下，除W1N3和W2N3外，其他處理番茄總干物質(zhì)量隨著灌水量的減少而減小，W1與W2水平差異不顯著，但顯著高于W3、W4水平；在同一灌水水平下，生物量隨著施氮量的降低而減小，N1水平的生物量比N2、N3分別高1.27%～12.83%、3.60%～21.46%。由表2可知，N1水平下根冠比隨著灌水量的減少呈先增大后減小的趨勢，在N2、N3水平下，根冠比隨著灌水量的減少而增加；而根冠比隨著施氮量的降低呈先增大后減小的趨勢，W4N2處理的根冠比最大，W1N1處理最小，W2N2處理的根冠比為0.0312，且果重占比最大為0.36，番茄植株在充分吸收土壤水分和養(yǎng)分的同時也有利于干物質(zhì)向地上部分分配，進而促使營養(yǎng)物質(zhì)向果實轉(zhuǎn)移。商品產(chǎn)量是番茄經(jīng)濟價值的重要組成部分，隨著灌水量和施氮量的減少，番茄商品產(chǎn)量均降低，在W1N1處理下番茄商品產(chǎn)量最高為92.61 t·hm-2，較處理W4N3(最低值)高54%。

表2 不同處理對番茄干物質(zhì)量累積和商品番茄產(chǎn)量的影響

2.4 水分虧缺和施氮對溫室番茄水氮利用效率的影響

圖4為不同處理對番茄耗水量和水氮利用效率的影響。由圖4可知，番茄耗水量隨著灌水量的減少而降低，同一灌溉水平下施氮對耗水量的影響不明顯，W1、W2、W3、W4水平下番茄的平均耗水量分別為275.59、223.23、171.75、134.86 mm。在W1水平下，水分利用率隨著施氮量的減少而降低，在其他施氮、灌水水平下，水分利用率均隨著灌水量、施氮量的減少呈先升高后降低的趨勢，其原因是水分供應(yīng)充足時，減施氮肥的減產(chǎn)效應(yīng)較明顯，W2N2處理水分利用率最高為38.30 kg·m-3，較W1N3處理(最低值)高22.40%，表明番茄苗期適度的虧水和減施25%氮肥有利于番茄對水分的吸收利用。在灌水水平相同情況下，隨著施氮量減小，氮肥偏生產(chǎn)力逐漸升高；在相同施氮量情況下，隨著灌水量的減小，氮肥偏生產(chǎn)力逐漸降低，這是由虧缺灌溉的減產(chǎn)作用所致，W1N3處理氮肥偏生產(chǎn)力最高為405.7 kg·kg-1，較最低值(W4N1)高72.00%。

圖4 不同處理對番茄水氮利用效率的影響

2.5 番茄生長生理指標和水氮利用的主成分分析

通過主成分分析法可將番茄的多個生理、生長指標劃分為少數(shù)幾個綜合指標，進而對設(shè)施番茄的生理特性、生物量和水氮利用效率進行綜合評價，彌補利用單項指標進行評價的不足。主成分分析法通過對數(shù)據(jù)進行標準化和同趨化處理來保證評價指標優(yōu)劣方向的一致[20-21]。

對番茄SOD(X1)、POD(X2)、MDA(X3)、SPAD(X4)、莖葉干重(X5)、果干重(X6)、根干重(X7)、總生物量(X8)、商品產(chǎn)量(X9)、水分利用率(X10)、氮肥偏生產(chǎn)力(X11)等11個指標進行主成分分析，其特征值及累積貢獻率見表3，根據(jù)累積方差貢獻率超過 80%的原則，前兩個主成分的累積貢獻率達到82.842%，具有很好的代表性，可用來代替原來11個變量對番茄生長生理進行評價。通過計算可得前兩個主成分表達式如下：

表3 主成分分析方差解釋

Y1=0.139X1+0.203X2+0.376X3+0.381X4+0.331X5+0.361X6+0.247X7+0.366X8+0.364X9+0.230X10+0.178X11

(4)

Y2=0.528X1+0.475X2+0.034X3-0.041X4-0.225X5-0.117X6+0.169X7-0.188X8-0.217X9+0.477X10-0.299X11

(5)

對第一和第二主成分影響最大的分別是SPAD值和SOD活性。前兩個主成分可作為番茄生長生理的評價指標，利用如下公式計算各處理綜合得分：

Y=0.704Y1+0.296Y2

(6)

表4為各處理綜合得分及排序，由表4可知W2N2處理得分最高。在本試驗條件下番茄植株抗逆性最強，積累了較多的有機物，且水分利用率最高，氮肥偏生產(chǎn)力較高，而W1N1處理并沒有獲得最高的綜合得分，表明在常規(guī)水氮處理下番茄葉片的生理特性、生物量生產(chǎn)和分配以及水氮利用率的綜合效應(yīng)并非最優(yōu)，且其水氮用量較大，不利于節(jié)水減氮。W4N3處理得分最低，表明在全生育期水分虧缺及減氮50%不利于設(shè)施番茄生長。綜上可得，在苗期虧水50%且較常規(guī)施氮量減少25%處理下番茄葉片生理特性、生物量積累和水氮利用的綜合效應(yīng)最優(yōu)。

表4 各處理綜合得分及排序

3 討 論

本研究結(jié)果表明相比于全生育期充分灌水，減少灌水量可提高番茄葉片SOD、POD活性，而降低葉片中MDA含量，W2水平的SOD、POD活性高于其他水平，MDA含量最低；在W1水平下，SOD、POD活性均隨著施氮量的減少而減小，而在W2、W3水平下，兩種酶活性均隨著施氮量的減小呈先增大后減小的趨勢，徐建霞等[16]采用室內(nèi)盆栽試驗研究不同水氮處理對新銀合歡幼苗葉片酶活性的影響，得出與本文類似的結(jié)論，這是由于作物在營養(yǎng)生長階段適當減少水氮用量，使作物對水氮進行虧缺鍛煉，以提高作物生殖生長階段的抗逆性。

本試驗得出同一灌溉水平下，隨著施氮量的減少，葉片SPAD值逐漸減小，這與王忠任等[8]的結(jié)果不同，這可能是由于試驗所設(shè)施氮水平不同所致；石小虎等[22 ]通過在溫室內(nèi)設(shè)置不同水氮處理試驗，得出各處理中位葉SPAD值高于上位葉和下位葉，與本試驗結(jié)果類似，這可能是由于下位葉片被上位葉片遮擋，合成的葉綠素含量較少，而上位葉片是新生葉片，其葉綠素含量也比較少。W2N2處理番茄果重占比最高，其原因可能是適當增加灌水、施氮量可提高番茄光合作用, 而水氮過量供應(yīng)則對光合作用無益[23]。隨著灌水量、施氮量的減少，番茄總干物質(zhì)量及商品產(chǎn)量逐漸減小，而適當節(jié)水減氮(W2N2)有利于番茄水氮利用效率的提高，這與王秀康等[9]得出的結(jié)論一致。

相比于常規(guī)水氮處理，在苗期虧水50%和減氮25%可提高葉片保護酶活性，進而提高設(shè)施番茄抗逆性，在未顯著影響光合作用所需葉綠素的前提下，使光合產(chǎn)物向果實分配，且提高了番茄的水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力，達到了節(jié)水減氮的目的。不同處理下植物可能是通過各種保護性酶及葉綠素合成先影響其光合作用，進而影響干物質(zhì)的積累和分配，不同水氮處理對光合作用的影響以及光合指標與葉片生理指標、生物量、商品番茄產(chǎn)量之間的關(guān)系有待進一步研究。

4 結(jié) 論

1)適當節(jié)水減氮可提高番茄葉片保護酶活性，W2N2處理的SOD、POD活性最高，MDA含量最低，分別為365.88 U·g-1·h-1、57.67 U·g-1·min-1和1.42 umol·g-1；

2)不同處理的中位葉SPAD值與不同葉位SPAD值的平均值呈較強的正相關(guān)關(guān)系，且中位葉SPAD值高于上位葉和下位葉，W2N1處理的SPAD平均值最高為66.43；

3)番茄干物質(zhì)量、商品番茄產(chǎn)量均隨著水氮用量的減少而減小，W1N1處理的番茄生物量及商品番茄產(chǎn)量最大，分別為9 765.12 kg·hm-2和92.61 t·hm-2。W2N2處理水分利用率最高為38.30 kg·m-3，較W1N3處理(最低值)高22.40%；W1N3處理氮肥偏生產(chǎn)力最高為405.7 kg·kg-1，較最低值(W4N1)高72%。

4)對番茄生長生理和水氮利用等指標進行主成分分析，得出W2N2處理的綜合得分及排名最高，表明在苗期虧水50%和減氮25%有利于番茄抗逆性和水氮利用效率的提高，是本試驗條件下最佳的水氮處理。