基于綜合生長評價體系的番茄虧缺灌溉制度研究

黃 媛，張鐘莉莉，高欣娜，杜亞茹，武 猛，康藝凡，于景鑫，杜鵬飛，田國英

（1.石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心·河北省都市農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心·石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院，石家莊 050011；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097）

0 引言

河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2020 年蔬菜產(chǎn)量5 198.2 萬t，位居全國第4 位，其中設(shè)施蔬菜產(chǎn)量1 258.2 萬t，占蔬菜總產(chǎn)量24.2%[1]。2020 年河北省農(nóng)業(yè)用水量107.70 億m3，是全省總用水量的58.93%[2]，隨著資源環(huán)境約束日益加劇，農(nóng)業(yè)節(jié)水提質(zhì)增效是河北省農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重中之重[3]，結(jié)合作物需水規(guī)律，制定合理灌溉制度是實現(xiàn)節(jié)水增效的重要途徑之一。

作物調(diào)虧灌溉（Regulated Deficit Irrigation）是以作物與水分關(guān)系為基礎(chǔ)，在作物的某一（些）生長階段有目的地使其產(chǎn)生一定的水分虧缺，而對作物產(chǎn)量無不利影響，從而達(dá)到省水、高產(chǎn)和提高作物水分利用效率的一種灌溉技術(shù)[4]。國內(nèi)外學(xué)者不乏對棉花[5]、小麥[6]、玉米[7]、草莓[8]等作物在不同生育階段開展水分虧缺試驗研究，結(jié)果顯示，適當(dāng)水分脅迫導(dǎo)致作物通過調(diào)整生長速度或形態(tài)對環(huán)境水分做出響應(yīng)，改變養(yǎng)分分配，生殖器官同化反應(yīng)增強，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)和水分利用效率。目前，設(shè)施番茄種植栽培中使用滴灌設(shè)施[9]及土壤水分監(jiān)測設(shè)備已成為重要的節(jié)水灌溉措施，依據(jù)灌水量、灌溉頻次或土壤水分開展節(jié)水灌溉制度研究是國內(nèi)設(shè)施番茄栽培的重要研究方向。其中，李金剛等[10]研究了河套地區(qū)番茄灌溉定額，菅毅[11]、張娜等[12]對番茄適宜的土壤含水量下限進行了研究，李旭峰等人[13]在番茄苗期減少50%灌水量，結(jié)果顯示在保證產(chǎn)量的同時節(jié)約了灌水量18%。劉曉奇等人[14]在番茄第一穗果坐住時（果實直徑1 cm）進行不同程度水分虧缺灌溉處理，結(jié)果顯示中度水分虧缺即60%灌水量可作為日光溫室基質(zhì)栽培高品質(zhì)番茄的灌溉制度。

以往研究結(jié)論往往針對水分虧缺對番茄某類指標(biāo)的影響[15]，未能開展生長、生理、品質(zhì)及水分利用效率指標(biāo)的綜合評價。因此本研究立足河北省設(shè)施番茄節(jié)水生產(chǎn)實際需求，進行虧缺灌溉試驗，構(gòu)建番茄綜合生長評價體系，開展番茄生理、生長、品質(zhì)及水分利用效率的綜合評價，從而獲得高效節(jié)水的設(shè)施番茄滴灌控制制度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

供試材料于2021 年8 月27 日定植，試驗溫室為石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院趙縣農(nóng)業(yè)科技園區(qū)（114°78'E，37°76'N）5號番茄種植大棚，日光溫室為鋼架結(jié)構(gòu)，長90 m、寬8 m、頂高4.5 m，后墻為厚度0.5 m 的磚墻，覆蓋材料為聚乙烯膜，種植面積489 m2。試驗地土質(zhì)為壤土，0～40 cm 深土壤的物理性質(zhì)及養(yǎng)分含量情況見表1。試驗苗材為“盛豐5號”（海澤拉啟明種業(yè)北京有限公司），番茄苗長至5 葉1 心、苗高10～12 cm 進行定植，該品種為有限生長型，中型果，粉紅果色，綜合抗逆性強。

表1 土壤理化性質(zhì)Tab.1 Soil physical and chemical indexes

1.2 試驗設(shè)計

2021 年8 月27 日番茄苗定植，生育期劃分為定植后至緩苗期（2021-08-27 至2021-09-22），開花坐果期（2021-09-23至2021-11-15），成熟期（2021-11-16至2021-12-31），每6 h 測量一次日光溫室空氣溫度、濕度，全生育期日光溫室環(huán)境情況見圖1。灌水濕潤層為深度0～40 cm 土層，定植水灌至田間持水量，開花坐果期開始灌水試驗，試驗設(shè)置5 個處理，分別為0 水、1 水、2 水、3 水、4 水，每次灌水達(dá)濕潤層的田間持水量，試驗處理見表2。

圖1 日光溫室氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Meteorological data of solar greenhouse

表2 試驗處理Tab.2 Experimental treatment

小區(qū)面積25.6 m2，每個處理設(shè)置3次重復(fù)，各小區(qū)之間留2 行保護行。采用高畦單行栽培，畦高20 cm，畦底寬50 cm，畦面寬40 cm，過道寬50 cm，株距33 cm。采用滴灌灌溉，孔距30 cm，1行番茄布置1條滴灌帶。

定植前按照5 000 kg目標(biāo)產(chǎn)量，底肥施用有機肥（活菌數(shù)2 億∕克，有機質(zhì)40%）1 022.49 kg∕hm2，磷酸二銨（氮18%，磷46%）141.1 kg∕hm2，硝酸鉀（鉀52%）274.85 kg∕hm2，史丹利優(yōu)肽氮（氮46%）216.77 kg∕hm2。番茄每穗果膨大至果實橫徑1.5 cm 時進行追肥，全生育期追肥4次，每次追復(fù)合肥（氮13%，磷6%，鉀40%）12.45 kg∕hm2，農(nóng)用硫酸鉀（鉀50%）9.75 kg∕hm2，恩樂施（氮32%） 21.9 kg∕hm2。每次追肥確保各小區(qū)在7 d內(nèi)完成追肥，各小區(qū)總施肥量一致。

1.3 項目測定及方法

1.3.1 用水量與土壤含水量

各小區(qū)分別安裝水表，記錄全生育期灌水量（L），根據(jù)種植密度計算番茄單株耗水量（L∕株）。利用土壤水分多剖面立體監(jiān)測設(shè)備（農(nóng)芯科技，中國）對土壤水分含量（體積含水量）進行測量，設(shè)備埋設(shè)至各小區(qū)南北距離正中部，壟上距番茄植株15 cm 處，對0～20、20～40、40～60、60～80 cm 土層土壤水分含量進行觀測。

1.3.2 作物生理指標(biāo)

采收期選擇5 株長勢較為一致的番茄植株，使用Li-6400便攜式光合測量儀（LI-COR，美國）、TYS-3N 植物氮元素測定儀（托普云農(nóng)，中國）進行凈光合速率[μmol∕(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度[mol∕(m2·s)]、蒸騰速率[mmol∕(m2·s)]、氮含量（mg∕g）、葉綠素（SPAD）的測量，測量對象為生長點向下第3 片完全展開的功能葉，觀測時段為光照條件較好的上午9∶00-12∶00。

1.3.3 作物生長指標(biāo)

采收期選取3株長勢一致的植株，挖取根部并保留地上部完整的莖、葉、果實，分別放入烘箱105 ℃殺青后，85 ℃烘干至恒重，利用精度0.01 g天平稱量根部及地上部干重，計算根冠比、全株生物量（g），根據(jù)種植密度計算單株生物量（kg∕株）。

1.3.4 果實品質(zhì)和產(chǎn)量指標(biāo)

每個處理選取5個大小、硬度一致的果實，采用分光光度計法測量番茄紅素（mg∕100g），2,6-二氯酚靛酚鈉滴定法測量維生素C（mg∕g），酸水解法-萊茵-埃農(nóng)氏法測量可溶性總糖（g∕100g）、NaOH滴定法測量可滴定酸（mg∕100mL）。

每個處理選取5 株采摘一穗果，采用精度0.01 g 天平稱量果實重量（g），計算單穗平均產(chǎn)量（kg∕株）。

1.3.5 水分利用效率指標(biāo)

根據(jù)產(chǎn)量和耗水量計算水分利用效率（WUEy）[16]。

式中：WUEy為產(chǎn)量水分利用效率，kg∕L；Y為單株產(chǎn)量，kg∕株）；ET為單株耗水量，L∕株。

根據(jù)生物量和耗水量計算水分利用效率（WUEb）。

式中：WUEb為生物量水分利用效率，kg∕L；B為單株生物量，kg∕株；ET為單株耗水量，L∕株。

1.4 分析方法

1.4.1 數(shù)據(jù)處理

建立決策矩陣，設(shè)多屬性指標(biāo)決策問題中包含n個評價的相關(guān)指標(biāo)和m個待評方案，其方案集、指標(biāo)集分別為：A=(A1,A2,…,Am)，Β=(B1,B2,…,Bn)，方案A i對指標(biāo)Bj的值記為xij，(i= 1,2,…,m;j= 1,2,…,n)，形成決策矩陣X=(xij)。

對原始矩陣進行歸一化處理。評價指標(biāo)中正向指標(biāo)（指標(biāo)數(shù)值越大越優(yōu)型）按照公式（3）進行歸一化處理，逆向指標(biāo)（指標(biāo)數(shù)值越小越優(yōu)型）按照公式（4）進行逆向化處理。

1.4.2 評價結(jié)構(gòu)

根據(jù)層次分析法（AHP）的形式構(gòu)建番茄綜合生長評價體系[17]（圖2）。圖2 中一級指標(biāo)為生理指標(biāo)（u1）、生長指標(biāo)（u2）、品質(zhì)指標(biāo)（u3）和水分利用效率指標(biāo)（u4），生理指標(biāo)的二級指標(biāo)包括凈光合速率（u5）、氣孔導(dǎo)度（u6）、蒸騰速率（u7）、氮含量（u8）、葉綠素（u9）；生長指標(biāo)包括根冠比（u10）、生物量（u11）；品質(zhì)指標(biāo)包括番茄紅素（u12）、Vc（u13）、總糖（u14）、可滴定酸（u15）；水分利用效率指標(biāo)包括

圖2 番茄綜合生長評價體系Fig.2 Comprehensive growth evaluation system of tomato

WUEy（u16）、WUEb（u17）。

1.4.3 基于熵值法TOPSIS評價法

利用熵權(quán)法計算二級指標(biāo)權(quán)重值[18]。首先計算第j個指標(biāo)中，第i個樣本標(biāo)志值的比重：

計算第j項指標(biāo)的熵值：

根據(jù)指標(biāo)值的差異度劃定權(quán)重：

利用TOPSIS法對二級指標(biāo)進行綜合評價。

將決策矩陣X進行加權(quán)構(gòu)造加權(quán)矩陣：

再從加權(quán)矩陣Sij中選擇指標(biāo)值的最大值和最小值來表示正理想解S+、負(fù)理想解S-，分別計算每個處理中各指標(biāo)與正理距離d+、負(fù)理想距離d-：

最后計算相似貼近度Ci和排名：

1.4.4 模糊Borda評價法

利用模糊Borda 法對一級指標(biāo)的評價值和排名進行組合評價[19]，通過計算各個一級評價指標(biāo)對評價項目得分的隸屬度，即該一級評價決定其得到好的評價結(jié)果的能力。

式中：xij為第i項在第j種方法的得分；μij為第i項在第j種方法下屬于“優(yōu)”的隸屬度。

計算第i項處于h位的模糊頻數(shù)ρhi及模糊頻率Whi：

其中n為一級評價指標(biāo)數(shù)。

將排名名次轉(zhuǎn)化為得分：

其中，Qhi為第i項在h位的得分，q為評價項目總數(shù)。

計算第i項的模糊Borda數(shù)得分。

根據(jù)上述計算方法，得到綜合得分及排名。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2007 軟件進行數(shù)據(jù)整理及圖表繪制，使用Yaahp 10 繪制層次分類圖，使用IBM SPSS Statistics 23進行統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 用水量與土壤含水量

全生育期T1 用水1 443.17 m3∕hm2，T2 用水1 693.46 m3∕hm2，T3 用水2 320.32 m3∕hm2，T4 用水3 439.72 m3∕hm2，T5 用水3 464.98 m3∕hm2。T1 與T2、T3、T4、T5 相比，分別節(jié)水14.78%、37.80%、58.04%、58.35%。

由圖3 可知，T1 定植水占全生育期用水量的93.72%，定植后用水占6.28%，T2 定植水占全生育期用水量的82.31%，定植后用水17.69%，T3 定植水占全生育期用水64.37%，定植后用水35.63%，T4、T5 定植水分別占全生育期用水量的41.32%和40.95%。通過定植水充分灌溉后，T1 除追肥時少量用水，全生育期實現(xiàn)0水種植，大大降低了灌溉用水。

圖3 全生育期定植水和定植后用水比例Fig.3 Proportion of planting water and water after planting in the whole growth period

定植后每10 d 統(tǒng)計不同小區(qū)0～20、20～40、40～60、60～80 cm（對應(yīng)D1、D2、D3、D4）各個深度土壤含水量平均值，對全生育期各深度土壤含水量變異系數(shù)（CV系數(shù)）進行計算，結(jié)果見表3。除T4 小區(qū)外，其他各小區(qū)土壤含水量呈現(xiàn)變異系數(shù)隨土層深度增加而減小的趨勢，即土層越深，土壤水分變化程度越小。各小區(qū)之間呈現(xiàn)隨灌水次數(shù)增加各土層變異系數(shù)逐漸減小的規(guī)律。

表3 全生育期土壤含水量 %Tab.3 Soil water content in the whole growth period

2.2 番茄生理、生長、品質(zhì)、水分利用效率指標(biāo)基本表現(xiàn)

番茄生理、生長、品質(zhì)、水分利用效率指標(biāo)基本表現(xiàn)見表4，經(jīng)方差分析，不同處理下凈光合速率、蒸騰速率、氮值、葉綠素、番茄紅素、維生素C、總糖、可滴定酸差異顯著。番茄紅素、Vc 與灌水量呈正相關(guān)關(guān)系，總糖與灌水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與WUEy、WUEb呈顯著負(fù)相關(guān)。其中T4 在凈光合速率、氮值、葉綠素、生物量、番茄紅素、可滴定酸（數(shù)值越小越優(yōu)）這6 項指標(biāo)中表現(xiàn)最優(yōu)，T1 在根冠比、Vc、總糖、WUEy、WUEb這5項指標(biāo)中表現(xiàn)最優(yōu)，另外T3的氣孔導(dǎo)度值和T2的蒸騰速率值在各組處理中表現(xiàn)最好。

表4 二級指標(biāo)基本表現(xiàn)Tab.4 Basic performance of secondary indicators

指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系見表5，其中凈光合速率和氮值、葉綠素呈顯著正相關(guān)，與WUEy呈顯著負(fù)相關(guān)；氮值與葉綠素呈顯著正相關(guān)；生物量與可滴定酸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；番茄紅素與Vc 呈顯著正相關(guān)，與總糖、WUEy、WUEb呈顯著負(fù)相關(guān)；Vc與WUEy呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與總糖和WUEb呈顯著負(fù)相關(guān)；總糖與WUEy呈正相關(guān)，與WUEb呈顯著正相關(guān)；WUEy與WUEb之間呈正相關(guān)關(guān)系。

表5 二級指標(biāo)Spearman相關(guān)關(guān)系Tab.5 Spearman correlation of secondary index

由指標(biāo)數(shù)據(jù)間的差異性和相關(guān)性可見，二級指標(biāo)之間所反映的數(shù)據(jù)信息既有區(qū)別又有重疊，有必要對番茄生長情況進行多目標(biāo)綜合評價，以確定多目標(biāo)下最優(yōu)處理。

2.3 番茄綜合評價

2.3.1 二級指標(biāo)綜合評價

將可滴定酸進行數(shù)據(jù)的逆向化處理，其他數(shù)據(jù)進行歸一化處理。利用熵值法對二級指標(biāo)進行信息熵和局部權(quán)重計算（表6），其中生理指標(biāo)中凈光合速率占24.92%、氣孔導(dǎo)度占16.46%、蒸騰速率占19.60%、氮值占19.38%、葉綠素值占19.65%；生長指標(biāo)中根冠比占54.57%、生物量占45.43%；果品品質(zhì)指標(biāo)中番茄紅素占37.04%、維生素C 占24.15%、總糖占19.84%、可滴定酸占18.98%；水分利用效率指標(biāo)中WUEy占52.94%、WUEb占47.06%。

表6 熵值法權(quán)重結(jié)果Tab.6 Weight results of entropy method

表7 表明，在生理指標(biāo)評價體系中，T3 的相對接近度0.769 最接近理想解；在生長指標(biāo)評價體系中，T1 的相對接近度0.555最接近理想解；在果品品質(zhì)評價體系中，T5相對接近度0.617，可認(rèn)為是表現(xiàn)最優(yōu)處理；水分利用效率指標(biāo)體系中，T1 即為最優(yōu)處理，其相對接近度為1.000。各個一級指標(biāo)下不同處理的相對接近度可認(rèn)定為評價得分，排序結(jié)果認(rèn)定為排名。由于不同指標(biāo)評價體系下不同處理排名各異，為綜合反映不同灌水制度對番茄的綜合影響，進而利用模糊Borda 評價法綜合利用各個評價體系下的分值與序值信息。

表7 TOPSIS評價法排序結(jié)果Tab.7 TOPSIS evaluation method ranking results

2.3.2 一級指標(biāo)組合評價

利用模糊Borda 評價法對不同處理的生理、生長、品質(zhì)、水分利用效率指標(biāo)的分值與序值信息進行組合評價，結(jié)果見表8，其中T1綜合評分8.87，綜合排名第一。

表8 模糊Borda法綜合評分和排名Tab.8 Fuzzy Borda method comprehensive scoring and ranking

3 討 論

3.1 水分對番茄生理、生長指標(biāo)的影響

水分虧缺對作物的各個生理過程的影響程度和順序不同，其中生長對干旱的反應(yīng)最為敏感，物質(zhì)運輸則最為遲鈍[20]。當(dāng)植物體內(nèi)水分含量下降，葉綠素活性降低，表現(xiàn)為凈光合速率下降，同時水分脅迫導(dǎo)致番茄功能葉氣孔導(dǎo)度顯著降低，作物蒸騰作用下降以減少水分蒸發(fā)[21]。然而土壤水分過高導(dǎo)致土壤通氣性下降，根系呼吸作用受阻，從而抑制了根系水分和養(yǎng)分的吸收[22]。適度的水分虧缺可促進植株的耐旱性增強[23]，導(dǎo)致番茄底部葉片老化，促進頂部功能葉的光合能力，因此適度的土壤水分虧缺不僅不會抑制番茄生長，反而可以促進番茄光合能力增強。

本研究中，0 水灌溉的T1 處理生理指標(biāo)綜合評價排名最低，4 水灌溉的T5 處理排名第4，開花坐果期和成熟期各進行1 次灌水的T3 處理生理指標(biāo)綜合評價最高，由此可見，嚴(yán)重的水分虧缺和土壤水分含量過高都會影響葉片的光合生理功能，適中的灌溉量有利于提高葉片凈光合速率等生理功能。生長指標(biāo)方面，各處理間的根冠比和生物量指標(biāo)并無顯著性差異，0 水灌溉極大促進了番茄根系的生長，綜合評價下T1處理表現(xiàn)最優(yōu)。

3.2 水分對番茄果實品質(zhì)的影響

番茄品質(zhì)指標(biāo)與灌水量呈相關(guān)關(guān)系，且不同灌溉處理下番茄果實番茄紅素、維生素C、總糖、可滴定酸具有顯著性差異，可見灌水量顯著影響番茄品質(zhì)。劉亭亭等人[24]研究顯示番茄從始花結(jié)果期至品質(zhì)形成期，充足的水分可增加番茄紅素含量。哈婷等人[25]研究顯示營養(yǎng)液供液量的增加會降低果實的品質(zhì)，不利于高糖度番茄的生產(chǎn)。安順偉等人[26]研究顯示，番茄果實中可溶性固形物隨灌水量減少而增加。吳泳辰等人[27]研究表明番茄果實中可溶性固形物、Vc 與灌水量顯著負(fù)相關(guān)。本研究，不同灌溉處理下果實的番茄紅素、Vc、總糖、可滴定酸呈現(xiàn)顯著性差異，通過綜合評價發(fā)現(xiàn)T5處理表現(xiàn)最優(yōu)。

3.3 水分對水分利用效率指標(biāo)的影響

番茄坐果期營養(yǎng)生長與生殖生長同時進行，適當(dāng)?shù)乃置{迫有利于營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化，番茄植株處于一定的水分虧缺狀態(tài)，水分利用效率更高[28]。張國新等人[29]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤基質(zhì)勢降低，灌水頻次減少，番茄的水分利用效率明顯提高。張輝等人[30]在探討番茄不同生育時期灌水下限與番茄產(chǎn)量、水分利用效率的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，水分利用效率隨番茄產(chǎn)量增加呈拋物線型變化，產(chǎn)量低于9.69 萬kg∕hm2時，生產(chǎn)單位質(zhì)量番茄用水較少。本研究中，灌水量與水分利用效率指標(biāo)顯著相關(guān)，0 水處理顯著提高WUEy、WUEb，可有效實現(xiàn)設(shè)施番茄生產(chǎn)節(jié)水。

4 結(jié) 論

秋冬茬設(shè)施番茄栽培過程中，將定植水灌至40 cm 深土層田間最大持水量后，除追施水溶肥時少量灌水，開花坐果期至采收期0水處理可以維持植株生長，在番茄綜合生長評價體系中表現(xiàn)最優(yōu)，該灌溉制度有效減少了河北地區(qū)秋冬茬設(shè)施番茄用水量，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效。