番茄葉片對不同灌溉量的生理響應(yīng)

范勝男，季延海，劉明池，李 偉，梁 浩，武占會，王麗萍

（1.河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院，河北邯鄲 056038；2.北京農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究所，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點實驗室，北京 100097）

0 引言

我國水資源短缺，農(nóng)業(yè)用水十分緊張，降低灌溉量是一種節(jié)水措施，有利于提高農(nóng)業(yè)用水的利用效率[1]。番茄是一種具有特殊口感且營養(yǎng)豐富的蔬菜,也是我國設(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[2]。目前關(guān)于灌溉量影響番茄栽培的研究較多，Nangare[3]的研究表明過量灌溉不僅不會提高番茄的生長和品質(zhì)，還會造成水資源浪費。雷喜紅[4]的研究表明灌溉量為正常灌溉量的80%時，可以提高果實VC和可溶性固形物。說明適度的減少灌溉量可以提高番茄的品質(zhì)和風(fēng)味[5,6]；同時減少灌溉量顯著影響植株的生長發(fā)育和葉片的光合作用，降低干物質(zhì)的積累[7]。有研究表明灌溉量減少，番茄植株凈光合受到抑制，最大光化學(xué)效率降低，抗氧化酶活性升高[8-10]。

在基質(zhì)栽培番茄中探究減少灌溉量后番茄葉片的響應(yīng)已有較多研究，但我國基質(zhì)栽培大多采用營養(yǎng)液外排的開放式栽培模式，不能充分的利用水資源，且造成一定的土壤環(huán)境污染[11]。同時一些有機基質(zhì)穩(wěn)定性較差，含有有機生物殘體，易與營養(yǎng)液反應(yīng)，長期使用會造成養(yǎng)分累積，對作物生長造成危害[12]。因此本研究是在無土栽培模式下，使用理化性質(zhì)相對穩(wěn)定的無機基質(zhì)，同時采用營養(yǎng)液循環(huán)灌溉的封閉式栽培，營養(yǎng)液不外排，精準控制營養(yǎng)液灌溉量。探究不同灌溉量處理下番茄葉片光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉片結(jié)構(gòu)、抗氧化酶系統(tǒng)的變化，揭示相關(guān)生理指標之間的聯(lián)系，為營養(yǎng)液循環(huán)利用模式下無機基質(zhì)栽培番茄科學(xué)的灌溉模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2021年8月至2022年1月在北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心連棟玻璃溫室內(nèi)進行。采用北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心自主研發(fā)的封閉式無機基質(zhì)循環(huán)槽培系統(tǒng)（CN201510214349.X），栽培基質(zhì)為珍珠巖，營養(yǎng)液配方為北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心劉增鑫[13]的地下水改良配方。試驗采用番茄品種為‘瑞粉882’，于2021年8月13日播種，9月17日定植，定植后統(tǒng)一進行水肥管理，單株番茄日營養(yǎng)液灌溉總量為2.0 L，營養(yǎng)液EC值為2.0±0.2，pH值為6.2±0.2。于第一穗果實坐果（12月8日）后進行處理，試驗設(shè)置6個不同營養(yǎng)液灌溉量處理，每株番茄日灌溉總量分別為0.5 L（T1）、0.8 L（T2）、1.1 L（T3）、1.4 L（T4）、1.7 L（T5）、2.0 L（T6），營養(yǎng)液EC值范圍為2.4±0.2，pH值不變。

試驗采用完全隨機設(shè)計，每個處理29個栽培槽，每個栽培槽定植2株番茄，合計58株，營養(yǎng)液采用滴灌，每株番茄對應(yīng)一個滴針，在距離番茄根部5 cm處插入珍珠巖，將營養(yǎng)液直接運輸?shù)礁?。利用控制器，進行自動灌溉，日灌溉次數(shù)為6次，分別為7∶30、9∶30、11∶30、13∶30、15∶30、

17∶00。

1.2 項目測定及方法

1.2.1 生長指標和產(chǎn)量的測定

處理后15 d每個處理選5株用直尺測量株高、葉長葉寬，計算葉面積，游標卡尺測量莖粗。果實成熟后用電子天平稱量單果質(zhì)量計算單株產(chǎn)量。

1.2.2 葉片光合參數(shù)的測定

選擇晴天上午陽光充足時，采用LI-6400XT（美國，LICOR）對番茄葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）進行測定，采用6400-02B紅藍光源，流速500 μmol/s，CO2濃度400±2 μmol/mol，小鋼瓶二氧化碳濃度（Cɑ）為400 μmol/mol，每個處理3次重復(fù)。并計算葉片氣孔限制值Ls和葉片水分利用效率WUE。公式如下：

1.2.3 葉綠素?zé)晒鉁y定

首先把番茄葉片用錫紙包住，然后放于暗環(huán)境中，處30 min后，設(shè)定快門Shutter=1，敏感度Sensitivity=46，光照Act3=0，Act2=10，Act1=56，Super=20，采用Fluor Cam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測定葉片初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、光系統(tǒng)Ⅱ的潛在活性（Fv/Fo）、暗適應(yīng)下最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）。

1.2.4 葉片顯微結(jié)構(gòu)的測定

于晴天上午9∶00-11∶00取番茄葉片葉脈中部左右5 mm×5 mm見方小塊，立即置于FAA固定液中，抽真空固定24 h，經(jīng)脫水、透明、浸蠟、包埋、切片，番紅-固綠染色，于蔡司顯微鏡下觀察并拍照。

1.2.5 葉片抗氧化酶活性測定

超氧化物歧化酶（SOD）活性：用氮藍四唑（NBT）比色法[14]；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法[15]；丙二醛(MDA)含量測定參照的是湯章城TBA(硫代巴比妥酸)顯色法[16]；用索萊寶過氧化氫含量試劑盒測定過氧化氫含量；每個處理3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗測量數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 23.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析，采用Duncan進行差異顯著性分析；使用Microsoft Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉量對番茄生長和產(chǎn)量的影響

由表1可以看出隨著灌溉量的逐漸下降，番茄株高、莖粗、葉片數(shù)和單株產(chǎn)量都呈下降趨勢。T6、T5處理的株高和莖粗無顯著性差異，T6處理株高顯著高于其他處理組16.60%、14.64%、9.60%、6.20%，T5處理莖粗顯著高于T1、T3處理25.19%、14.29%。T4、T5、T6處理葉面積顯著高于T1、T2、T3處理，且T4、T5、T6無顯著性差異。T4處理單株產(chǎn)量最高，與T6、T5處理差異性不顯著，T4處理單株產(chǎn)量顯著高于T1、T2、T3處理18.76%、9.08%、3.39%。由此可以看出減少灌溉量，植株生長和產(chǎn)量都會受到一定的影響。

表1 不同灌溉量對番茄生長和產(chǎn)量的影響Tab.1 Effects of different irrigation amounts on tomato growth and yield

2.2 不同灌溉量對番茄葉片光合參數(shù)的影響

由圖1可知，番茄葉片凈光合速率隨著不同灌溉量處理時間的延長呈下降趨勢，在處理后45 d達到最低，灌溉量越高凈光合速率越大。處理45 d時，T6＞T4＞T5＞T3＞T2＞T1，與T1相比T6增加33.93%。胞間CO2濃度隨著處理時間的延長，T6處理無明顯變化，T4、T5處理逐漸下降，T1、T2、T3處理先下降后上升趨勢，30 d出現(xiàn)拐點，此時T2處理最低，T6處理最高；處理45 d時，灌溉量越高二氧化碳濃度越高，且T6顯著高于T2。氣孔限制值與胞間CO2濃度趨勢相反，隨著處理時間的延長，T1、T2、T3處理葉片氣孔限制值的整體趨勢是先上升后下降，30 d時達到最高，T4、T5處理是逐漸上升。處理15 d時，T1處理氣孔限制值顯著高于T5、T6處理71.43%、81.82%，T5、T6無顯著性差異；處理45 d時，T1處理顯著高于其他處理4.86%、11.30%、16.75%、29.80%、99.56%。隨著處理時間的延長，不同灌溉量處理下水分利用效率變化趨勢不同，處理30d時，T1處理顯著高于T3、T4、T5、T6處理46.72%、85.75%、74.55%、162.42%，T1、T2無顯著性差異，灌溉量越少，葉片的水分利用效率越高。總體上說明相同處理天數(shù)下，灌溉量越高，番茄葉片凈光合速率、胞間CO2濃度越高，氣孔限制值、水分利用率越小，增加灌溉量可以提高番茄葉片凈光合速率和蒸騰速率。

圖1 不同灌溉量對番茄葉片光合參數(shù)的影響Fig.1 Effects of Different Irrigation Amounts on Photosynthetic Parameters of Tomato Leaves

2.3 不同灌溉量對番茄葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

Fv/Fm即PSⅡ反應(yīng)中心光能轉(zhuǎn)化效率，比值越高，光能轉(zhuǎn)化效率越高，當植物受到逆境脅迫時，光能轉(zhuǎn)化效率會降低。由圖2可以看出隨著灌溉量的增加Fv/Fm逐漸增大，不同處理天數(shù)下均在T6處理值最高，T1處理值最低，處理15 d時，T6顯著高于T1處理15.71%；處理45 d時，T1、T2、T3、T4無顯著性差異。qP表示植物吸收的光能中用于光合的那部分能量，其值越高，說明植物光合作用越好。圖2中處理15 d時qP的值隨著灌溉量的上升也呈上升趨勢，在T6處理達到最高，且T6處理顯著高于其他處理；處理45 d時，各處理光化學(xué)淬滅系數(shù)無顯著性差異。NPQ表示植物吸收過量光能時以熱耗散形式消耗的部分能量，植物受到脅迫時NPQ值增加。圖2中處理15 d時，T1處理最高，T6處理最低，T1處理顯著高于T6處理；處理45 d時，T6處理顯著低于其他處理組85.56%、107.78%、66.67%、44.44%、58.59%。由此可以看出灌溉量降低，植物葉片受到脅迫，光能轉(zhuǎn)化率下降，光合能力下降，熱耗散增加。

圖2 不同灌溉量對番茄葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.2 Effects of different irrigation rates on the chlorophyll fluorescence parameters of tomato leaves

2.4 不同灌溉量對番茄葉片顯微結(jié)構(gòu)的影響

由表2可知，不同灌溉量處理，對葉片的顯微結(jié)構(gòu)有一定的影響，隨著灌溉量的減少葉片厚度、上表皮、下表皮呈先升高后降低趨勢。處理45 d時，葉片厚度、上表皮和下表皮厚度低于15 d，均在T4處理下達到最高，說明減少灌溉量可以提高葉片厚度。葉綠體主要存在于柵欄組織中，柵欄組織與海綿組織的比值越高越有利于葉片進行光合作用。處理15 d時，不同灌溉量處理葉片柵欄組織在T4達到最大，顯著高于T1、T2處理51.39%、64.57%，柵海比也是先升高后降低，在T4、T5處理達到最大，且T4、T5處理無顯著性差異；45 d時與T1處理相比，其他處理組葉片柵欄組織厚度分別增加了11.76%、16.92%、56.84%、15.97%、11.09%，T4灌溉量處理下葉片柵欄組織厚度增加最多，且不同灌溉量處理，T4處理下柵海比最高，T1處理最低，T2、T3、T5、T6無顯著性差異。由此可以看出，在一定范圍內(nèi)減少灌溉量可以提高葉片厚度、葉片的柵海比（見圖3）。

圖3 不同灌溉量下番茄葉片顯微結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of tomato leaves under different irrigation rates

表2 不同灌溉量處理對番茄葉片顯微結(jié)構(gòu)的影響Tab.2 Effects of different irrigation treatments on the microstructure of tomato leaves

2.5 不同灌溉量對番茄葉片抗氧化酶活性的影響

當植物受到外界環(huán)境脅迫時，產(chǎn)生大量的活性氧對植物造成一定的損害。SOD、POD是抗氧化酶，可以有效的清除自由基，減緩脅迫對植物造成的傷害。由圖4可以看出，SOD、POD酶活性呈現(xiàn)相同變化趨勢，隨著處理時間的延長酶活性逐漸下降，不同灌溉量處理呈先上升后下降。處理15 d時，SOD酶活性在T3處理達到最高，顯著高于T1、T2處理79.89%、17.78%，同時T2與T4、T5、T6處理組無顯著差異；POD酶活性在T4處理達到最高且高于T1、T6處理105.85%、33.36%，且T1與T2、T5與T6無顯著性差異。

圖4 不同灌溉量對番茄葉片抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of different irrigation rates on the activities of antioxidant enzymes in tomato leaves

2.6 不同灌溉量對番茄葉片過氧化氫含量的影響

由圖5可知，處理45 d各處理H2O2含量均高于處理15 d，處理時間越長，番茄葉片過氧化氫含量越高。處理15 d，隨著灌溉量的增加番茄葉片H2O2含量逐漸下降，T1處理顯著高于其他處理，其他各處理無顯著性差異。在處理第45 d，H2O2含量隨灌溉量增加先下降在上升，在T3處理最低，T1、T2處理過氧化氫含量高于T3處理52.00%、59.20%。

圖5 不同灌溉量對番茄葉片過氧化氫含量的影響Fig.5 Effects of different irrigation rates on the hydrogen peroxide content of tomato leaves

2.7 不同灌溉量對番茄葉片丙二醛含量的影響

由圖6可以看出，丙二醛含量變化趨勢和H2O2含量變化趨勢相似，隨著不同灌溉量處理時間的延長，番茄葉片在處理45 d時丙二醛含量均高于處理15 d。處理15 d時，丙二醛含量隨灌溉量增加呈先下降后上升趨勢，T1處理丙二醛含量最高，T3處理最低，T2、T4、T5處理組無顯著性差異。在處理45 d時，隨著灌溉量的增加番茄葉片丙二醛含量逐漸下降，在T4處理達到最低，且與T5、T6無顯著性差異，與T1處理相比T4處理丙二醛含量降低了20.07%。

圖6 不同灌溉量對番茄葉片丙二醛含量的影響Fig.6 Effects of different irrigation rates on the content of MDA in tomato leaves

3 討論

水是植物進行光合作用的原料之一，灌溉量的多少直接影響植物的光合作用[17]。在番茄[18]、黃瓜[19]、辣椒[20]上的研究表明隨著灌溉量的減少，葉片凈光合、Fv/Fm、qP逐漸下降，NPQ和WUE增加，光化學(xué)淬滅系數(shù)下降，光能傳遞效率降低，原初反應(yīng)受到抑制，造成光能過剩，光合作用下降。光合作用下降有兩種因素導(dǎo)致，當Ci下降，Ls逐漸增加，光合作用降低受氣孔因素影響；反之Ci增加，Ls下降，則是由非氣孔因素導(dǎo)致[21]。艾希珍[22]等認為，當葉片衰老時，光合作用下降主要是由非氣孔因素限制。本試驗結(jié)果表明番茄葉片處理后期，T4、T5灌溉量處理下葉片Pn、Ci下降，Ls增加，說明輕度虧缺灌溉葉片受氣孔因素影響，但是T1、T2、T3處理Ci增加，Ls降低，說明光合作用受非氣孔因素限制，由此可以看出灌溉量過低可能會加速番茄葉片衰老。減少灌溉量會導(dǎo)致葉片Pn、Fv/Fm下降，同時葉片也可以通過提高水分利用效率、增加葉片厚度、提高柵海比來應(yīng)對一定范圍內(nèi)灌溉量下降帶來的損傷[23]。有研究表明適度的減少灌溉量，葉片水分利用效率、葉片厚度和柵海比高于正常灌溉水平[24]。本試驗結(jié)果表明，處理初期T4、T5灌溉量處理不會對凈光合產(chǎn)生很大的影響，葉片可以通過提高葉片的水分利用效率、葉片厚度、柵欄組織厚度、柵海比來適應(yīng)脅迫。處理15 d時，T4、T5、T6處理Pn無顯著性差異，同時T4、T5處理的WUE、葉片厚度、柵海比顯著高于T6處理。但不能簡單的認為灌溉量越少水分利用效率越高越好，T1、T2處理的水分利用率雖高，同時柵海比下降到最低，凈光合速率顯著低于其他處理組，且T1、T2處理非光化學(xué)淬滅系數(shù)高于其他處理組，說明T1、T2灌溉量處理超出植株主動調(diào)節(jié)范圍，葉片結(jié)構(gòu)遭到破壞，植株光合速率受到抑制，與劉洋[25]等研究結(jié)果相似。

隨著灌溉量的減少，對植物造成一定程度上的水分脅迫，植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡被打破，酶活性受到抑制，大量活性氧沒有及時清除，對細胞造成毒害作用[26]。SOD、POD作為主要的抗氧化酶，能夠有效的清除活性氧，減輕營養(yǎng)液灌溉量減少對植物造成的損傷，提高植物的抗旱能力[27]。植物葉片衰老時，SOD酶活性會受到抑制，同時MDA和H2O2的降解能力下降，含量不斷累積[28]。本試驗中，15 d時各處理SOD和POD酶活性高于45 d，且MDA和H2O2含量低于45d，且T3、T4處理酶活性上升，SOD和POD快速清除自由基，分解H2O2，抑制質(zhì)膜過氧化產(chǎn)生的MDA。說明脅迫初期，中度虧缺下番茄葉片自身可以做出適應(yīng)性調(diào)節(jié)，提高番茄葉片的抗旱能力，應(yīng)對逆境帶來的損傷，T1、T2處理酶活性低于T3、T4處理，說明重度虧缺下抑制了抗氧化酶活性。處理45 d時，經(jīng)過長期的水分脅迫，SOD、POD酶活性下降。此時番茄葉片代謝紊亂，活性氧自由基累積過多，導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化，產(chǎn)生大量的MDA，膜系統(tǒng)受到破壞，細胞滲透性增大。T1處理SOD酶活性顯著低于其他處理，說明灌溉量過低時葉片早衰，與侯夢媛[29]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

不同灌溉量處理對番茄葉片影響顯著，隨著灌溉量的下降，株高、莖粗、葉面積和產(chǎn)量逐漸下降；Pn、Fv/Fm和qP下降，NPQ和WUE升高，適度的減少灌溉量，可以增加葉片厚度，提高柵海比和抗氧化酶活性，降低MDA和H2O2含量；超出一定范圍后，葉片變薄，柵海比下降，抗氧化酶活性下降，灌溉量越低，葉片受到的損傷越大。