土壤含水量對日光溫室秋冬番茄生長及產(chǎn)量的影響

于錫宏，朱 桐，佟雪姣，張夢瑤，孫 穎，劉雯婷，張 蕊，蔣欣梅

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省高寒地區(qū)設(shè)施園藝重點實驗室，哈爾濱 150030）

土壤含水量在作物栽培生產(chǎn)過程中對提高作物果實品質(zhì)和產(chǎn)量發(fā)揮關(guān)鍵作用[1]，對日光溫室、塑料大棚等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施整體環(huán)境有重要影響[2]。例如，高土壤含水量導(dǎo)致棉花和鴨梨果皮中葉綠素含量降低，影響光合速率[3]；當(dāng)土壤含水量不能滿足日光溫室黃瓜生長的需求下限或超過一定閾值時，其品質(zhì)和產(chǎn)量均會受到影響[4]；李春艷等研究發(fā)現(xiàn)提高大豆花莢期土壤含水量可促進(jìn)根系生長，提高大豆產(chǎn)量，地膜覆蓋降低土壤水分蒸發(fā)[5]。曾秀存等證實地膜覆蓋后可使春油菜出苗期和生殖期提前[6]。塔娜等采用峰擬合法對呼和浩特地區(qū)日光溫室內(nèi)不同含水率下土壤溫度進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤含水率降低可提高溫室內(nèi)土壤平均溫度[7]。番茄（Solanum lycopersicum）是設(shè)施農(nóng)業(yè)主要種植作物之一，普及范圍和銷售規(guī)模均位列我國蔬菜之首[8-9]，應(yīng)用和科研價值較高[10]。目前，關(guān)于土壤含水量影響番茄生長的研究主要集中在越冬、早春、春夏茬番茄生長耗水規(guī)律方面[11-12]，對土壤含水量影響北方地區(qū)秋冬季節(jié)番茄生長和品質(zhì)研究較少，研究結(jié)果存在差異。北方地區(qū)秋冬茬日光溫室番茄栽培時，管理者通常依據(jù)經(jīng)驗實施土壤水分管理，易造成水資源浪費，發(fā)生病蟲害且影響番茄產(chǎn)量與品質(zhì)[13]。隨農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化不斷發(fā)展和我國水資源匱乏問題逐漸突顯，開展優(yōu)質(zhì)高效栽培生產(chǎn)和合理科學(xué)土壤水分調(diào)控管理已成為主要發(fā)展目標(biāo)。

本試驗在裝配式日光溫室中，以不同生育期對土壤水分需求差異較大的番茄作為栽培作物[14]（中果型番茄品種光輝101），設(shè)置三種土壤含水量處理，分析土壤含水量對日光溫室秋冬番茄生長發(fā)育過程中各項指標(biāo)變化的影響，旨在明確土壤含水量對北方地區(qū)秋冬季節(jié)日光溫室內(nèi)番茄生長的影響并選出適宜的土壤水分含量，為高緯高寒地區(qū)日光溫室番茄高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培奠定基礎(chǔ)，為日光溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)施設(shè)備研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

于哈爾濱市香坊區(qū)光明村（北緯45.7°，東經(jīng)126.7°）的裝配式雙膜內(nèi)被節(jié)能日光溫室中開展試驗，溫室長度為42 m，凈跨度8 m，北墻高3.3 m，脊高5.45 m，內(nèi)外透明覆蓋材料均為PO膜，保溫被材料為五層氈一層棉，置于內(nèi)側(cè)棚膜上。墻體保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)總厚度為0.274 m，室內(nèi)到室外依次由石灰板+EPS模塊+混凝土澆筑+EPS模塊+石灰板材料構(gòu)成。圖1所示為試驗日光溫室剖面圖。

圖1 試驗日光溫室剖面圖Fig.1 Section of experimental solar greenhouse

1.2 試驗材料

供試番茄品種為光輝101，購于北京井田農(nóng)業(yè)科技有限公司。番茄于2020年7月12日育苗，溫室內(nèi)整地起壟，壟高20 cm，側(cè)面為梯形，壟面平整，且中心對齊骨架，壟長6.8 m，壟寬65 cm，壟溝35 cm。8月26日雙行錯位定植，南北走向，株行距40 cm×35 cm，灌溉方式為膜下滴灌，整枝方式為單干整枝。

1.3 試驗儀器

采用精創(chuàng)股份有限公司RC-4HC溫度記錄儀記錄土壤溫度數(shù)據(jù)，儀器探頭測溫范圍為-20～40℃，精度為±0.5℃，溫度分辨率0.1℃。

采用昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司JZH-0系列無線傳感器中水分傳感器監(jiān)測溫室土壤水分，測濕量程：0～100%，精度為±3%，分辨率0.1%。

1.4 試驗設(shè)計

待番茄緩苗后于2020年9月14日開展土壤含水量處理試驗，使用環(huán)刀法測定田間最大持水量并設(shè)置3個土壤含水量區(qū)間，分別為田間持水量的50%～65%（W1處理），65%～80%（W2處理）及80%～95%（W3處理），選取試驗溫室東側(cè)9壟，每連續(xù)3壟順序排列作為1個處理的試驗小區(qū)，每個試驗小區(qū)面積為18 m2，不同處理間埋設(shè)苯板進(jìn)行隔斷。利用水分傳感器監(jiān)測各壟下15 cm深度土壤含水量，當(dāng)土壤含水量接近處理水分控制區(qū)間下限時，使用滴灌補充灌溉水至區(qū)間上限，除土壤水分外其他田間管理同常規(guī)方法。

試驗中土壤溫度測點布置如圖2所示，以壟面為水平面，儀器矯正后在各處理小區(qū)中間壟距溫室北墻2.5、5.0、7.5 m分別垂直向下15 cm深度設(shè)置土壤溫度測點，共9個。全程監(jiān)測不同處理土壤含水量和土壤溫度。

圖2 試驗測點布置水平截面圖Fig.2 Horizontal section diagram of experiment point layout

取樣時間：2020年9月21日至2020年10月31日，試驗期間每8 d進(jìn)行一次番茄植株形態(tài)指標(biāo)（株高、莖粗）的測量標(biāo)記和葉綠素含量測定，共6次；每16 d隨機破壞性取樣測定一次根系活力，共3次。

采收時間：10月下旬根據(jù)果實成熟情況采收稱重統(tǒng)計產(chǎn)量并測定果實品質(zhì)指標(biāo)（可溶性糖、番茄紅素、可滴定酸、可溶性蛋白）。

1.5 測定項目

番茄株高使用卷尺測量（株高以莖基部到生長點處高度為準(zhǔn)）；莖粗使用游標(biāo)卡尺測量（以子葉上方1 cm處為準(zhǔn)）；葉綠素含量采用乙醇浸提比色法測定[15]；根系活力采用TTC染色法[15]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[15]；可滴定酸采用堿滴定法測量；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測定[15]；番茄紅素含量采用紫外分光光度法（國標(biāo)法）測定[16]；番茄產(chǎn)量依據(jù)各小區(qū)累積產(chǎn)量折合單產(chǎn)。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2010初步整理數(shù)據(jù)，SPSS 21.0處理軟件作數(shù)據(jù)差異顯著性分析。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度法對不同處理番茄品質(zhì)和產(chǎn)量進(jìn)行多目標(biāo)綜合評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量對日光溫室秋冬番茄植株生長的影響

如圖3所示，土壤含水量對番茄株高、莖粗有顯著影響。隨土壤含水量增加，番茄植株株高不斷增加，莖粗逐漸減小。在不同測量時間，W3處理株高均顯著高于W1和W2處理，但W1和W2處理之間差異不顯著。番茄植株莖粗在不同含水量處理8 d時各處理間無顯著差異，16 d時W1與W2處理差異不顯著，與W3處理間差異顯著，W2與W3處理差異不顯著，24 d時W1與W2處理差異不顯著，與W3處理間差異顯著，W2與W3處理差異顯著，后續(xù)測量時番茄莖粗均表現(xiàn)出W1處理顯著高于W2和W3處理，W2處理顯著高于W3處理。

圖3 土壤含水量對番茄株高和莖粗的影響Fig.3 Effects of soil moisture content on plant height and stem diameter of tomato

2.2 土壤含水量對日光溫室秋冬番茄生理指標(biāo)的影響

從圖4中可看出，不同土壤含水量對番茄根系活力和葉綠素含量均有顯著影響。隨處理天數(shù)增加，相同土壤含水量處理下的番茄植株葉綠素含量和根系活力均表現(xiàn)先升后降趨勢。葉綠素含量和根系活力隨土壤含水量增加均顯著減小。不同測量時間，番茄葉綠素含量和根系活力在不同處理間具有顯著差異，表現(xiàn)為W1處理最高，W2處理次之，W3處理最低。說明土壤含水量增加在一定程度上抑制番茄葉片光合作用和根系吸收營養(yǎng)。

圖4 土壤含水量對番茄根系活力和葉綠素含量的影響Fig.4 Effects of soil moisture content on root activity and chlorophyll content of tomato

2.3 土壤含水量對日光溫室秋冬番茄品質(zhì)及產(chǎn)量的影響

由表1可知，土壤含水量對番茄果實品質(zhì)有顯著影響，不同處理番茄果實中可溶性蛋白、可溶性糖、可滴定酸和番茄紅素含量差異顯著，均表現(xiàn)為W1處理＞W(wǎng)2處理＞W(wǎng)3處理。從產(chǎn)量看，W3處理與W1處理相比增產(chǎn)14.92%，差異顯著，與W2處理相比增產(chǎn)9.94%，差異不顯著?？傮w上，W1處理番茄品質(zhì)好但產(chǎn)量較低，W3處理品質(zhì)較差但產(chǎn)量高，需進(jìn)一步綜合評價各處理品質(zhì)和產(chǎn)量。

表1 土壤含水量對番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of soil moisture content on tomato quality and yield

2.4 番茄品質(zhì)與產(chǎn)量綜合評價

本研究參考灰色關(guān)聯(lián)度法綜合評價不同處理下番茄品質(zhì)與產(chǎn)量，選取各處理指標(biāo)平均值作為原始數(shù)據(jù)，確定最優(yōu)性狀值和無量綱化處理。對于數(shù)值越大越好指標(biāo)（可溶性蛋白、產(chǎn)量、可溶性糖含量），其最優(yōu)性狀值選取本試驗中所測定值上限值；對數(shù)值適中較好指標(biāo)（番茄紅素、可滴定酸含量），其最優(yōu)性狀值選取試驗測定值的適中值，如表2所示。

表2 番茄品質(zhì)和產(chǎn)量多目標(biāo)綜合評價原始數(shù)據(jù)及最佳性狀值Table 2 Raw data and optimal character values of tomato quality and yield

為保證各性狀因素等效和同序性對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，即用最優(yōu)性狀值除各處理數(shù)列中相應(yīng)原始數(shù)據(jù)值，得到表3。

表3 番茄品質(zhì)和產(chǎn)量多指標(biāo)無綱化序列值Table 3 Dimensionless sequence value of multi-target index of tomato quality and yield

無量綱化處理后計算最佳性狀值Ti與表4中各對應(yīng)點Xij絕對差值Δa，Δa=|Xij-Ti|，找出所有絕對差值中最大值（max|Δa|）和最小值（min|Δa|），其中Xij為不同土壤水分處理下番茄果實某一指標(biāo)無綱化序列值；i為不同指標(biāo)，i=1，2，3，4，5；j為不同處理，j=1，2，3。算得min|Δa|=0，max|Δa|=0.36，代入公式（1）中，ρ為分辨系數(shù)，取值范圍為0～1，依生物試驗常規(guī)取0.5，即得到各處理各指標(biāo)對理想指標(biāo)關(guān)聯(lián)度系數(shù)Yij。

表4 番茄品質(zhì)和產(chǎn)量多目標(biāo)指標(biāo)絕對差值Table 4 Absolute difference of multi-objective index of tomato quality and yield

綜合評價判斷的客觀性和科學(xué)性在很大程度上取決于各評判指標(biāo)權(quán)重，故使用公式（2）標(biāo)準(zhǔn)差權(quán)重法計算各指標(biāo)權(quán)重Qi，見表5。根據(jù)公式（3）用表5中各對應(yīng)點Yij與權(quán)重Qi相乘計算得到各處理加權(quán)關(guān)聯(lián)度gj，W1、W2、W3處理加權(quán)關(guān)聯(lián)度四舍五入保留兩位小數(shù)后分別為0.76、0.71、0.50，低水分處理加權(quán)關(guān)聯(lián)度最高，番茄品質(zhì)與產(chǎn)量綜合評價最優(yōu)。

表5 番茄品質(zhì)和產(chǎn)量多目標(biāo)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度及權(quán)重Table 5 Correlation degree and weight of multi-objective index of tomato quality and yield

2.5 土壤含水量對日光溫室秋冬土壤溫度的影響

如圖5所示，以典型晴天天氣為例（10月7日、10月12日、10月15日），全天每2 h分析不同處理土壤溫度，發(fā)現(xiàn)在4:00、10:00和14:00時W1處理顯著高于W3處理，與W2處理差異不顯著。其余時刻W1處理均顯著高于W2和W3處理，W2與W3處理差異不顯著。說明隨土壤含水量增加土壤溫度不斷降低，W3處理中番茄品質(zhì)較W1差，原因可能是土壤含水量較高，顯著降低土壤溫度，不利于番茄果實中營養(yǎng)物質(zhì)積累。

圖5 晴天土壤含水量對土壤溫度晝夜變化的影響Fig.5 Effects of soil moisture content on diurnal variation of soil temperature in sunny days

3 討論與結(jié)論

水分是土壤重要組成，影響土壤物理性質(zhì)，制約土壤養(yǎng)分溶解、遷移和微生物活動，且是作物汲水直接來源和賴以生存基礎(chǔ)[17]。土壤含水量對日光溫室內(nèi)秋冬茬番茄生長、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生的影響較明顯。試驗結(jié)果表明，不同處理間番茄植株株高表現(xiàn)出W3處理顯著高于W2和W1處理，與Agbna[18]等和祁娟霞[19]等研究結(jié)果一致，土壤含水量提高增加番茄株高。但本研究發(fā)現(xiàn)隨土壤含水量提高出現(xiàn)莖粗減小的現(xiàn)象，可能與日光溫室番茄栽培的地理位置和季節(jié)差異有關(guān)。秋冬季節(jié)土壤含水量增加可能在一定程度上導(dǎo)致番茄植株徒長，產(chǎn)生“細(xì)高”問題，盡管植株前期生長速度較快，但會對采收期番茄營養(yǎng)品質(zhì)產(chǎn)生影響。

葉綠素是植物體內(nèi)一種主要光合色素，其含量通常用于評價葉片光合作用強弱和植物生產(chǎn)力等[20]。與日光溫室冬茬番茄在不同含水量土壤中葉綠素變化趨勢相同[21]，本試驗中秋冬季節(jié)番茄葉片葉綠素含量隨土壤水分含量增加逐漸降低，表現(xiàn)低水分處理顯著高于另兩個處理。說明裝配式日光溫室秋冬季節(jié)番茄栽培采取低水分灌溉管理方式，可提高植株生長水平，為植物提供更多能量。

高等植物根系是合成植物所需多種氨基酸和激素重要器官[22]，土壤含水量高時會引起根系活力降低，抑制根系向下生長[23]，土壤含水量低時，根系活力旺盛消耗大量干物質(zhì)影響產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明隨土壤水分含量增加，番茄果實產(chǎn)量不斷提高[24]。W1處理下的番茄果實產(chǎn)量顯著低于W3處理，可能是因W1處理在苗期株高較矮，縱向生長受抑制，結(jié)穗數(shù)量少從而影響產(chǎn)量。但W1處理莖粗較大，將積累貯存在莖中的營養(yǎng)物質(zhì)供給果實，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，所以W1和W2處理產(chǎn)量間差異不顯著，說明裝配式日光溫室秋冬季節(jié)番茄栽培采取低水分灌溉管理方式會對產(chǎn)量造成一定影響。

安順偉等研究發(fā)現(xiàn)隨土壤含水量降低，番茄果實中可滴定酸、可溶性糖等品質(zhì)指標(biāo)均提高[25]。本研究中，番茄果實中可溶性蛋白、可滴定酸和可溶性糖含量均隨土壤含水量提高而減少，番茄紅素作為一種具有抗氧化作用的可食用色素，其含量隨土壤含水量減少而增加，說明秋冬季節(jié)裝配式日光溫室土壤含水量較低時番茄品質(zhì)表現(xiàn)優(yōu)異。

土壤中有機質(zhì)分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等化學(xué)過程和生命活動均伴隨熱量釋放和吸收[17]。土壤含水量增加，土壤液相比例和比熱容提高，土壤降低孔隙率[26]，影響土壤溫度，導(dǎo)致土壤含水量越高而溫度越低[27]。番茄作為喜溫作物，在土壤溫度適宜前提下，土壤含水量低、溫度高可提高秋冬季節(jié)番茄生長品質(zhì)。W1處理15 cm深度土壤溫度顯著高于W2和W3處理，W1處理下番茄品質(zhì)也更佳，說明番茄品質(zhì)的提高不僅因土壤低含水量，還可能與土壤含水量低導(dǎo)致的土壤溫度較高有關(guān)。因此，北方地區(qū)秋冬季節(jié)裝配式日光溫室栽培番茄時，可在田間管理中選擇50%～65%田間持水量控水灌溉。