咸淡水交替灌溉對南疆設施番茄酶活性及產量品質的影響

辛 朗，馬嘉瑩，劉 冉，唐茂淞，蔣 敏，王興鵬

（1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木大學現(xiàn)代農業(yè)工程重點實驗室，新疆阿拉爾 843300）

0 引言

新疆南疆地處內陸極端干旱區(qū)，蒸發(fā)強烈且降水稀少[1,2]，水資源供需矛盾日益尖銳，已成為嚴重制約南疆地區(qū)農業(yè)及經濟社會可持續(xù)發(fā)展的最主要因素。然而，南疆地區(qū)擁有豐富的地下咸水資源[3]，合理利用咸水是解決當前南疆水資源短缺的有效途徑之一。番茄是一種耐鹽能力較強的設施作物，較為適宜咸水灌溉。在南疆地區(qū)開展設施番茄咸水灌溉研究，將為區(qū)域合理發(fā)開利用咸水資源提供借鑒和參考。目前，咸水利用主要有咸水、咸淡水混灌和咸淡水交替灌3種方式[4]，其中混灌和交替灌溉對土壤鹽分積累具有一定的減緩作用而被廣泛采用[5]。有研究表明，咸淡水交替灌溉能夠顯著提高玉米、小麥等作物產量品質[6-8]。在玉米不同生育階段選擇咸淡水按次交替灌溉，能夠提高水分利用效率，緩解土壤鹽漬化，促進玉米產量品質提高[9,10]。咸水礦化度小于3.5 g/L時，采用先咸后淡的灌水方式能夠提高葡萄果實品質，且使土壤積鹽程度最小[11]。當咸水礦化度超過3 g/L時，灌溉會抑制番茄生長，但對產量影響不大[12]。對于礦化度為2～4 g/L的咸水，當灌水定額相同，咸水灌溉在保證番茄產量和水分利用效率的同時可顯著提高果實品質[13]。相較于淡水灌溉處理，咸水灌溉會提高番茄果實可溶性糖含量，但降低了果實淀粉含量和轉化酶活性[14]。在淡水缺乏地區(qū)，咸水資源會作為灌溉補充水源而被加以利用，采用咸水灌溉不僅要考慮作物耐受性，還需關注其對土壤帶來的次生鹽漬化問題，為此，選擇適宜的咸水利用方式就顯得至關重要。本文基于國內學者已有研究基礎，以南疆設施番茄咸水灌溉為研究對象，試驗設置了3種咸淡水交替灌溉方式，探討了不同交替灌溉對南疆設施番茄水鹽脅迫響應及產量品質影響，在確保不發(fā)生土壤次生鹽漬化前提下，初步得到了適宜設施番茄生長需求的咸水灌溉利用方式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在阿拉爾市塔里木大學水利與建筑工程學院試驗基地（北緯40°32′30″、東經81°17′53″，海拔1 020 m）的日光溫室內進行，溫室晝夜溫度分別為（30±2）℃和（28±2）℃，光照強度600 μmol/（m2·s），日照時間14 h/d。本地區(qū)年降水量為40.1～82.5 mm，年蒸發(fā)量高達1 976.6～2 558.9 mm，氣溫在10.8～14.5℃，屬于大陸性極端干旱荒漠氣候，試驗區(qū)地理位置見圖1。試驗區(qū)土壤質地為砂壤土，土壤特性基本參數(shù)見表1。

1.2 試驗設計

番茄品種為“秦嶺蔬越”，2021年3月10日定植，7月10日拉秧，生育階段劃分見表2。灌溉方式為咸淡水交替滴灌，咸水礦化度3.5 g/L（取自當?shù)氐叵滤?，設置W1（淡-咸-咸）、W2（淡-咸-淡）和W3（咸-淡-淡）3個灌溉處理，并以淡水灌溉（CK）對照，每個處理3次重復。

表2 番茄生育期劃分Tab.2 Tomato fertility stage division

番茄種植方式為一壟兩行一帶起壟栽培模式，壟肩寬60 cm，壟高20 cm，壟間距60 cm，株行距30×40 cm，種植模式見圖2。選用滴頭間距30 cm，流量3.0 L/h的內鑲貼片式滴灌帶。番茄灌水定額30 mm，全生育期灌水10次[15]。施肥方式為隨水施肥，開花期和結果期施用高鉀肥（N-P2O5-K2O為12-6-40），其他生育階段以平衡肥為主，施用量45 kg/hm2。田間管理措施與當?shù)厣a實踐保持一致。

圖2 種植模式（單位：cm）Fig.2 Planting pattern

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水鹽測定

在番茄移栽前及各生育階段末，取土測定土壤鹽分值，取樣位置為滴頭正下方，深度為10、20、40、60和80 cm，土樣在105℃烘箱內烘干，取20 g土樣經研磨后過篩，按照水土比5∶1浸提液用電導率儀（DDP-210）測定土壤電導率（EC）。

1.3.2 植株生長指標測定

番茄移栽后，每個試驗處理小區(qū)隨機標記6株長勢一致的樣株，監(jiān)測番茄各生育階段末株高和莖粗。從植株基部用卷尺（0.1 cm）測量株高；莖粗用電子游標卡尺（0.01 mm）測量，用十字交叉法讀數(shù)，取其平均值。

1.3.3 葉片生理指標測定

在番茄開花結果期，每個試驗小區(qū)選取3棵樣株，每個樣株隨機摘取3片葉測定酶活性。其中，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶（CAT）活性用ELISA酶聯(lián)免疫檢測試劑盒測定[16]；丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸測定法[17]；脯氨酸(PRO)含量用酸性茚三酮顯色法測定[18]；可溶性糖(SS)用蒽酮比色法測定[19]；可溶性蛋白(SP)用考馬斯亮藍G-250法測定[19]。

1.3.4 番茄品質及產量

在番茄開花結果盛期（6月29日），每個小區(qū)隨機選擇6個鮮果測定品質?？扇苄怨绦挝镉檬殖终凵鋬x（ATAGO-P32，Japan）測定；還原性糖用斐林試劑法測定[20]；硝酸鹽用硫酸-水楊酸法測定[16]；Vc用二氯酚靛酚滴定法測定[21]。進入番茄采摘期后，間隔2～5 d采收1次，每個小區(qū)按實收果實稱量并計算畝產。

1.3.5 灌溉水利用效率計算

灌溉水利用效率（IWUE）計算公式為[22]：

式中：Y為番茄產量，kg/hm2；I為全生育期內灌溉定額，m3/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2018對數(shù)據(jù)進行整理分析，使用Origin 2018，ChiPlot進行繪圖，利用SPSS 25對數(shù)據(jù)進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 咸淡水交替灌溉對番茄生育期及豎向土壤鹽分動態(tài)變化的影響

由圖3可知，不同咸淡水交替灌溉處理下，隨番茄生育期土壤鹽分含量出現(xiàn)逐漸累積趨勢，苗期土壤鹽分積累程度較低，至收獲期土壤鹽分呈現(xiàn)較大幅度增加。W1、W2處理土壤鹽分以表層積聚為主，隨著土層深度的增加逐漸減小，W3處理土壤鹽分表聚程度較輕，但隨著土層深度的增加鹽分有向下淋洗趨勢，而CK處理在整個番茄生育期土壤鹽分變化不大較為穩(wěn)定。不同的咸淡水交替灌溉方式、灌水次數(shù)均會導致土壤積鹽但程度略有不同，整體表現(xiàn)為W1＞W2＞W3。

圖3 不同咸淡水交替灌溉處理番茄生育期土壤鹽分動態(tài)變化Fig.3 Soil salinity dynamics during tomato fertility in different alternate saline and freshwater irrigation treatments

2.2 咸淡水交替灌溉對番茄葉片滲透物質和酶活性的影響

由表3可知，咸淡水交替灌溉后，W2、W3處理番茄葉片丙二醛（MDA）均高于對照，較CK分別提高26.8%和28.3%，而W1處理與對照處理葉片丙二醛差異性不顯著（P＞0.05）。W1、W2、W3處理番茄葉片脯氨酸較對照處理分別增加175.08%、142.97%和20.9%。W2、W3處理番茄葉片可溶性蛋白較對照分別增加33.73%和75.6%，但W1處理較對照降低26.75%。番茄葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶（CAT）活性較對照均有不同程度提高，其中W2、W3處理各酶活性提高較為明顯，W1處理酶活性變化較小。說明不同咸淡水交替灌溉后，由于土壤鹽分累積程度不同，使得番茄受到鹽分脅迫存在差異，導致葉片內丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶（CAT）對鹽脅迫響應不同。

2.3 咸淡水交替灌溉對設施番茄株高、莖粗的影響

不同咸淡水交替灌溉處理番茄生育期內株高和莖粗變化見圖4。由圖4可知，不同處理番茄全生育期株高和莖粗變化趨勢一致，即生育初期生長緩慢，進入開花期后生長明顯加快，到結果盛期后生長放緩直至停止?？傮w來看，W2和W3處理番茄株高與莖粗較對照處理分別增加1.3%和17.8%、7.5%和28.1%，而W1處理株高較對照處理降低3.5%，莖粗增加1.7%，但差異性不顯著（P＞0.05）。由此說明咸水灌溉在一定程度上會促進番茄的生殖生長。

圖4 各生育期內設施番茄株高和莖粗變化Fig.4 Changes in height and stem thickness of tomato plants in facilities during each reproductive period

2.4 咸淡水交替灌溉對番茄產量品質的影響

由表4可知，不同咸淡水交替灌溉對番茄品質影響的差異性顯著（P＜0.05）。W1、W2和W3處理VC和總酚含量較對照分別提高19.1%和31.6%、21.2%和47.4%、33.3%和52.6%。W2、W3處理番茄可溶性固形物、硝酸鹽較對照分別提高6.8%和5%、17.4%和16.4%，而W1處理較對照降低4.3%和38.6%。W1和W3處理番茄可溶性糖含量較對照降低7.5%和4.6%，但W2處理較對照提高9.5%。W1、W2和W3處理番茄酸含量較對照分別降低28.6%、10%和7.1%。

表4 不同處理下番茄品質指標Tab.4 Quality indicators of tomatoes under different treatments

由圖5可知，W3處理番茄產量較對照增加16.9%，而W1和W2處理較對照產量分別降低26.2%和4.2%，各處理灌溉水生產效率變化與產量變化相對應。綜合考慮咸水灌溉對番茄產量和品質影響得出：W3處理是適宜設施番茄灌溉需求的咸淡水交替灌溉方式。

圖5 番茄產量和灌溉水生產效率Fig.5 Tomato yield and irrigation water production efficiency

2.5 土壤鹽分與番茄葉片酶活性相關性分析

由圖6可知，鹽分脅迫對番茄葉片過氧化氫酶（CAT）及脯氨酸(PRO)的影響較大，二者與土壤鹽分呈現(xiàn)極顯著性正相關（P＜0.01），與葉片可溶性糖（SS）呈顯著性正相關（P＜0.05），但與番茄葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）及丙二醛（MDA）含量相關性不顯著，但不能說明三者不受鹽脅迫影響，只是程度相對較小。而可溶性蛋白（SP）與土壤鹽分呈負相關關系，但顯著性不強，各生理指標之間也存在相關性。

圖6 土壤鹽分與番茄葉片生理指標相關性分析圖Fig.6 Correlation analysis between soil salinity and enzyme activity of tomato leaves

3 討論

咸水灌溉會造成土壤鹽分積聚形成脅迫危害，阻滯作物根系吸水，從而影響作物生長和產量品質[23]。本文分析了咸淡水交替灌溉對設施番茄土壤鹽分動態(tài)、生長及生理指標和產量品質的影響，試驗得出不同咸淡水交替灌溉方式下各土層土壤鹽分積聚程度不同，先淡后咸在番茄后期表現(xiàn)為土壤鹽分積聚明顯，而先咸后淡在番茄生長前期鹽分含量較高，但經過兩次淡水淋洗后，鹽分將被淋洗到60 cm土層以下，降低了對番茄的脅迫危害，這與劉云山等[11]的研究結果相符。對比分析不同咸淡水交替灌溉后，W1（淡咸咸）處理土壤鹽分含量相對最高，W2（淡咸淡）處理次之，W3（咸淡淡）處理土壤鹽分積聚量最小，這與楊培嶺[10]研究結果一致。蘇瑞東等[24]采用先咸后淡的方式對枸杞灌溉試驗得出，經過咸水灌溉后的兩次淡水淋洗，能夠有效降低土壤鹽分脅迫作用，且不會對枸杞產量品質產生影響，這與本文W3處理分析結論相同。相對于直接咸水灌溉，咸淡水輪灌模式能有效緩解鹽分脅迫對棉株根系影響，從而促進棉花生長高產[25]，通過AquaCrop模型模擬結果表明咸淡水輪灌是一種較為高效的咸水利用和提高小麥產量的灌水方式[26]。綜合比較，本試驗W3（咸淡淡）處理番茄可溶性固形物、硝酸鹽、Vc、酸含、總酚及產量均高于其他處理，說明采用咸水灌溉時，應選擇適宜的咸淡水交替灌溉方式，在保證土壤不出現(xiàn)鹽漬化的同時，對番茄產量品質具有促進作用，這與袁成福等[27]采用咸淡水輪灌方式能夠提高作物產量研究結果相似。

受環(huán)境脅迫時作物可通過體內各滲透調節(jié)物質變化維持細胞壓力勢和促進代謝活動，從而保證逆境下作物的正常生長[28]。咸淡水交替灌溉后，番茄葉片滲透調節(jié)物質含量均有不同程度增加，其中W2、W3處理番茄葉片丙二醛（MDA）和可溶性蛋白含量均顯著高于W1處理，而W1處理脯氨酸含量要高于W2、W3處理，說明W1處理番茄氧化脅迫程度較為嚴重，葉片丙二醛和脯氨酸含量較對照提高不顯著，這與張貝貝等[29]認為隨著鹽分含量增加，作物MDA含量呈不明顯增大的結果一致，但與廖扭等[30]研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫造成番茄MDA含量逐漸提高的結果不同，主要原因是番茄品種不同所致，說明品種不同會造成番茄遭受氧化脅迫程度存在差異[31]。由此可知，采用咸淡水交替灌溉的W2（淡咸淡）和W3（咸淡淡）處理番茄自我調節(jié)能力較強。

作物體內保護酶系統(tǒng)在非生物脅迫下會發(fā)揮重要調節(jié)作用，主要通過改變各種保護酶活性來提高自身抗逆性[32]。不同咸淡水交替灌溉處理后，番茄SOD、POD和CAT活性均有不同程度提高，說明鹽脅迫使番茄體內活性氧代謝失調，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等內源活性氧清除劑構成的酶保護系統(tǒng)被激活，以減緩脅迫對番茄造成的危害[33]。W2、W3處理各類酶活性較對照提高明顯，而W1處理酶活性變化較小，總體表現(xiàn)為W3＞W2＞W1。W1處理番茄受到鹽脅迫最強，但酶活性較低原因可能是過量鹽分脅迫引起的離子毒害破壞了酶結構和蛋白質合成[34]。通過相關性分析可知，鹽分脅迫對番茄葉片過氧化氫酶（CAT）及脯氨酸(PRO)的影響較大，土壤鹽分與二者呈現(xiàn)極顯著性正相關，與葉片可溶性糖(SS)呈顯著性正相關，與可溶性蛋白(SP)與土壤鹽分呈負相關關系，但顯著性不強，與上述鹽脅迫下番茄體內酶活性和滲透調節(jié)物質含量變化研究結果一致。

4 結論

（1）W3處理（咸淡淡）對土壤鹽分具有淋洗作用，鹽分表聚程度較輕，隨著土層深度增加鹽分有向下淋洗趨勢。而W2（淡咸淡）和W3（咸淡淡）處理土壤鹽分表聚較為嚴重，鹽分值隨著土層深度增加逐漸減小。

（2）不同咸淡水交替灌溉均會對番茄產生脅迫危害，番茄葉片CAT、SOD和POD等酶活性顯著增強，滲透調節(jié)物質含量增加，提升了番茄抗性。但是由于土壤鹽分累積程度不同，使得番茄受到鹽分脅迫存在一定差異。通過相關性分析可知，鹽分脅迫對番茄葉片過氧化氫酶（CAT）及脯氨酸(PRO)的影響較大，土壤鹽分與二者呈現(xiàn)極顯著性正相關，與葉片可溶性糖(SS)呈顯著性正相關，與可溶性蛋白(SP)與土壤鹽分呈負相關關系，但顯著性不強，

（3）綜合比較分析不同咸淡水交替灌溉處理可知，W3（咸淡淡）處理番茄可溶性固形物、硝酸鹽、Vc、酸含、總酚及產量均高于對照?？蓪3處理作為番茄咸水利用的推薦方式。