灌溉量對限根栽培番茄生長和品質的影響

季延海 李炎艷 武占會 劉 佳 劉明池

〔1北京市農林科學院蔬菜研究中心，北京 100097；2河北省邯鄲市農業科學院，河北邯鄲 056001；3農業農村部都市農業（華北）重點實驗室，北京 100097〕

番茄是世界上設施栽培面積最大的蔬菜作物之一，也是我國設施蔬菜栽培的主要作物，在蔬菜產業中具有重要的地位。傳統的大水大肥管理方式，導致了嚴重的土壤、水污染，連作障礙以及農產品品質降低等問題，限制了農業的健康發展。近年來，消費者對蔬菜高品質、高營養等多樣化的需求日益旺盛，而且我國設施蔬菜生產正處在由數量型向質量型轉變的時期，因此，品質栽培將是未來我國蔬菜生產的主要方向。

近年來，世界各國都在逐漸開始進行高品質蔬菜的生產，以獲得較高附加值（Rouphael et al.，2018）。番茄果實中糖的種類和含量是最重要的品質指標之一，糖類物質的累積是一個重要過程，是決定番茄感官品質的關鍵因子（Yin et al.，2010；Charles et al.，2016；Schouten et al.，2016；Bianchetti et al.，2017；Li et al.，2017）。日本在無土栽培番茄生產上，通過限根栽培和少量多次的灌溉模式，果實可溶性固形物含量達到8%～10%，取得了較好的經濟效益（束勝 等，2018）。研究表明調虧灌溉對番茄果實生長、產量、品質和VC含量等均有影響（Bogale et al.，2016）。與充分灌溉相比，在番茄不同生育期進行虧缺灌溉均能提高品質，尤其是在開花期和果實發育期采用1/3灌水量，能夠顯著降低作物耗水量，提高綜合品質（Wang et al.，2011）。灌溉量減少，植株的生長和產量均表現下降趨勢，總灌水量與番茄的單果質量和單株產量之間均呈極顯著正相關關系，與果實可溶性糖含量呈極顯著負相關關系（劉海濤，2007）。在限根栽培方面，Saito 等（2006）研究表明，限根處理能促進作物開花，番茄的單果質量、果實風味色澤等都有極大的提升。

在土壤栽培中通過調虧灌溉、交替灌溉、肥料調控等方式調控番茄、草莓品質已進行了較多研究，但在土壤栽培條件下由于土壤的緩沖性強且植物根系分布廣等問題，使得水分調控非常困難。而無土栽培脫離了土壤的限制，在有限的基質內進行生產，更有利于進行水肥的調控。因此，本試驗采用無土栽培系統，在限根栽培模式下研究調控灌溉量對番茄生長和品質的影響，以期建立易操作、可推廣的番茄品質調控技術。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017年8月至2018年1月在北京市農林科學院蔬菜研究中心連棟溫室內進行，番茄品種為荷蘭瑞克斯旺種子公司生產的豐收，2017年8月15日播種，9月12日定植。采用北京市農林科學院蔬菜研究中心自主研發的封閉式無機基質循環槽培系統（CN201510214349.X），營養液配方為北京市農林科學院蔬菜研究中心劉增鑫（2000）的地下水改良配方。

試驗設置5個處理，日灌溉量分別為2.0 L（CK）、1.6 L（T1）、1.2 L（T2）、0.8 L（T3）、0.4 L（T4），日灌溉次數均為5次，除日灌溉量不同外，其余均正常管理。定植后到第1穗果坐果（定植后40 d）期間均按照對照灌溉量進行灌溉，在此之后開始進行處理，每個處理為一套單獨的循環系統，共20個栽培槽，合計40株番茄，即每處理3次重復，每6個栽培槽為1個重復，每重復12株，其余2個栽培槽為保護行。

1.2 指標測定

基質含水量：分別于定植后41、56、71、83、91、106、121 d最后一次灌溉結束后2 h取基質測定質量，烘干后測定干質量，計算含水量。每個處理隨機從3個栽培槽取基質，3次重復。

番茄生長指標：定植后65 d，每個處理隨機選取2株，使用直尺測量株高；使用游標卡尺測量莖粗；葉片數直接計數。

葉片光合參數：在定植后82 d（晴天），使用CIRAS-2便攜式光合測定系統進行光合指標測定，測定時間為9：00～11：00，選取從上部數第4～6片朝向南側的葉片，每個處理測定6株。

蔗糖代謝相關酶活性的測定：在第2穗果的不同成熟期分別選取6株，對所有果實取樣，由農業農村部蔬菜品質監督檢驗測試中心（北京）測定。每個處理3次重復。

番茄果實品質：在第2穗果實成熟時（定植后105 d）每個處理選取6株，摘取所有果實隨機分成3份，VC含量采用鉬藍比色法測定；可溶性固形物含量使用便攜式數顯糖度計測定；可滴定酸含量采用酸堿滴定法測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定（鮑士旦，1978）。在第2穗果的不同成熟期分別取樣，由農業農村部蔬菜品質監督檢驗測試中心（北京）測定果實葡萄糖、果糖、蔗糖含量。

番茄產量：分別在定植后89、105、113、125 d，采收小區內的所有果實，用電子天平稱量單果質量和單株產量。

1.3 數據處理

試驗數據使用Excel 2010和SPSS 22.0數據分析軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 灌溉量對基質含水量的影響

由圖1可以看出，隨著灌溉量的降低，基質含水量呈下降趨勢，定植后41 d，T1～T4各處理基質含水量分別為30.00%、27.33%、25.33%、23.67%，較對照分別降低3.00、5.67、7.67、9.33個百分點。

圖1 不同灌溉量對基質含水量的影響

2.2 灌溉量對番茄生長的影響

由表1可知，隨著灌溉量的減少，番茄株高、莖粗、葉片數均呈下降趨勢。在定植后65 d，T1～T4處理株高分別較對照顯著降低7.12%、10.06%、22.82%、28.14%；莖粗分別顯著降低8.13%、14.49%、15.24%、16.57%；葉片數分別顯著降低21.93%、28.34%、27.81%、24.06%。

表1 不同灌溉量對番茄生長的影響（定植后65 d）

2.3 灌溉量對番茄葉片光合參數的影響

在定植后82 d，分別測定各處理的光合參數（表2），隨著灌溉量的減少，凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）均呈下降趨勢，T2、T3、T4處理的Pn和Gs分別比對照顯著降低了16.26%、25.67%、27.97%和12.50%、15.63%、18.75%，T1處理與對照差異不顯著。T1～T4處理的Ci和Tr均顯著低于對照。

2.4 灌溉量對番茄果實中蔗糖代謝相關酶活性的影響

由圖2可知，番茄果實中中性轉化酶（NI）和酸性轉化酶（AI）活性在果實發育的前、中期（即定植后72 d前）均相對較低，至果實完全成熟兩種酶活性達到最高，果實中AI活性顯著高于NI。隨著灌溉量的減少，各處理AI和NI活性均顯著提高，且均顯著高于對照。

表2 不同灌溉量對番茄葉片光合參數的影響（定植后82 d）

圖2 不同灌溉量對番茄果實蔗糖代謝相關酶活性的影響

由圖2還可以看出，番茄果實中蔗糖合成酶（SS）和蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性隨著果實的成熟呈降低趨勢，其中SS活性下降幅度較大，SPS活性下降幅度較小，在定植后105 d對照SS活性和SPS活性分別較定植后65 d降低96.39%和3.20%。隨著灌溉量的減少，各處理SS活性和SPS活性均呈下降的趨勢。定植后65 d，各處理SS活性均顯著低于對照，T2～T4處理SPS活性也顯著低于對照；定植后105 d，各處理SS活性與對照差異不顯著，SPS活性均顯著低于對照。

2.5 灌溉量對番茄品質的影響

2.5.1 灌溉量對番茄果實中葡萄糖、果糖與蔗糖含量的影響 由圖3可以看出，各處理番茄果實中葡萄糖、果糖含量隨著果實的成熟呈增加的趨勢，蔗糖含量呈降低的趨勢且在果實完全成熟時（定植后105 d）含量接近零。隨著灌溉量的降低，葡萄糖、果糖含量逐漸增加，蔗糖含量逐漸降低。在定植后105 d，T1～T4處理葡萄糖和果糖含量分別比對照提高36.21%、24.59%、15.78%、7.10%和27.81%、21.31%、14.23%、6.20%。在定植后65 d，T1～T4處理蔗糖含量分別較對照降低5.84%、13.11%、20.67%、27.72%。

圖3 不同灌溉量對番茄果實中葡萄糖、果糖、蔗糖含量的影響

2.5.2 灌溉量對番茄果實品質的影響 由表3可以看出，隨著灌溉量的減少，VC含量、糖酸比呈先增加后降低的趨勢，可滴定酸和可溶性糖含量呈持續增加的趨勢。T2處理的VC含量最高，顯著高于對照和其他處理；可滴定酸、可溶性糖含量均以T4處理最高，顯著高于對照和其他處理；T2和T3處理的糖酸比較高，顯著高于對照和其他處理。

2.6 灌溉量對番茄產量的影響

由表4和圖4可以看出，灌溉量顯著影響番茄的單株產量和單果質量，T1～T4處理單株產量分別比對照顯著降低11.72%、26.16%、44.47%、50.47%。單果質量隨灌溉量的減少呈變小的趨勢，定植后89 d各處理單果質量分別較對照顯著降低6.29%、10.11%、32.95%、34.69%。各處理單果質量在4次采收中均呈現先增加后降低的趨勢，對照及T1～T4處理第4穗果（定植后125 d采收）單果質量較第2穗果（定植后105 d采收）分別降低5.16%、6.63%、5.13%、17.23%、14.72%。

表3 不同灌溉量對番茄果實品質的影響

表4 不同灌溉量對番茄單果質量的影響

2.7 基于熵值模型的灌溉量對番茄影響的綜合評價分析

以株高、單株產量、凈光合速率、可溶性糖、葡萄糖、果糖、糖酸比、VC等8個參數作為評價指標，利用熵權法和TOPSIS法相結合（虞娜 等，2012）的方法，對不同灌溉量對番茄生長和品質影響效果進行綜合評價。經計算得到評價指標熵值Hj=（0.700 6，0.703 9，0.652 9，0.706 9，0.694 4，0.729 4，0.717 6，0.718 7，0.700 0，0.706 1，0.705 2，0.723 4，0.714 5）；評價指標權重w=（0.078 3，0.077 4，0.090 7，0.076 6，0.079 9，0.070 7，0.073 8，0.073 5，0.078 4，0.076 8，0.077 1，0.072 3，0.074 6）。進一步計算各評價方案的正理想解和負理想解的距離，并計算接近度Ci。各處理的評價順序為：T3＞T4＞T1＞T2＞CK，即日灌溉量0.8 L處理組合綜合評價結果最佳（表5）。

圖4 不同灌溉量對番茄單株產量的影響

表5 不同灌溉量對番茄影響的TOPSIS 綜合分析

3 討論

3.1 灌溉量對番茄生長和光合作用的影響

營養液灌溉量的調控通過調節植物的生長和營養物質的分配，從而影響植物的生長、產量和品質。本試驗中減少營養液的灌溉量顯著抑制了番茄的生長，在定植后65 d，每天灌溉0.4 L的處理，其株高較對照顯著降低28.14%，葉片數減少24.06%，莖粗降低16.57%，在番茄（齊紅巖 等，2004）、西瓜（楊小振 等，2014）、草莓（劉明池 等，2001）等已有研究中也表明灌溉量的減少會顯著影響植株的生長。本試驗中株高和葉片數隨營養液灌溉量的減少呈現較大的降低幅度，而莖粗相對降低幅度較小，吳宣毅等（2018）在番茄上的研究也表明相較于莖粗，株高對灌水量的反應更為敏感。本試驗中除對照外，不同灌溉量處理間葉片數差異不顯著，這可能是由于當灌溉量減少到一定程度后，主要影響番茄植株的節間距和葉面積，而對葉片數的影響不顯著，李時雨（2018）的研究也表明黃瓜灌溉量的減少對總葉片數的影響不顯著，具體仍需進一步進行驗證。

光合作用是植物積累能量和物質的基礎，水分是光合作用的重要原料，營養液灌溉量的減少會造成水分的虧缺，進而導致植物光合作用減慢，影響光合產物積累（薛惠云 等，2013；李彪 等，2018）。研究表明，灌溉量的減少顯著降低了番茄葉片凈光合速率和蒸騰速率（趙娣 等，2018）；黃瓜水分脅迫下凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度均顯著降低（曲繼松 等，2019）。本試驗結果也表明隨著灌溉量的減少，凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均呈下降趨勢，且灌溉量減少幅度越大，各光合參數下降幅度越大。研究表明，灌溉量的減少導致光合速率下降主要是受氣孔因素限制，灌溉量的降低引起氣孔導度下降、CO2反應受阻，導致葉片光合能力降低（高玉紅 等，2012；于文穎 等，2015），本試驗結果與前人研究結果一致。

3.2 灌溉量對番茄品質和產量的影響

已有研究表明，減少灌溉量能夠提高品質，但產量也會出現不同程度的降低（Hayata et al.，1998；劉明池 等，2005；姚有華 等，2019），本試驗中隨著營養液灌溉量的減少，番茄單株產量和單果質量均顯著降低。本試驗還發現，在4次果實采收中對照單株產量呈增加的趨勢，灌溉量減少的處理在第4次采收時產量出現下降。而灌溉量的減少顯著提高了番茄的品質，在一定范圍內，灌溉量的減少可顯著提高VC含量和糖酸比，超過一定范圍則呈下降的趨勢。而可溶性糖和可滴定酸含量則隨灌溉量的減少而增加，這與哈婷等（2017）研究結果一致。番茄果實中的糖主要有葡萄糖、果糖、蔗糖，本試驗中不同生育階段果實中的葡萄糖和果糖含量逐漸增加，至完全成熟達到最大值，而蔗糖含量則呈逐漸下降的趨勢，至成熟時達到最低，這與齊紅巖等（2004）在虧缺灌溉對番茄生長影響中的研究結果一致。灌溉量的減少提高了果實中的葡萄糖和果糖的含量，降低了蔗糖的含量。蔗糖含量的變化主要受SPS、SS兩種合成酶以及AI、NI兩種分解酶的影響，隨著果實的成熟合成酶含量逐漸降低，代謝酶的含量逐漸升高；并且灌溉量的減少顯著降低了合成酶的含量，提高了代謝酶的含量，致使成熟果實中蔗糖含量較低。

3.3 灌溉量調控番茄品質技術存在的問題及應用前景

水在植物生長的不同階段均發揮著重要的作用，灌溉量的減少會導致番茄株高、莖粗、光合作用等指標的降低，從而導致產量的下降，但同時也提高了番茄的品質，如何解決產量和品質的矛盾一直以來都是學者們研究的方向。在傳統的土壤栽培中，通過研究灌溉量減少的范圍、調控的時期等內容，已初步建立了相關的技術點，如在番茄上的研究表明，水分調虧控制在75%以上能夠提高番茄品質（王麗娟 等，2010）；劉明池等（2005）研究表明，為了保證品質有一定提高而產量降低又不太多，以膨大期為最佳虧缺時期。但土壤栽培由于自身緩沖性強，植株根系發達，難以進行精確的調控和管理，在實際生產應用中往往由于難以把握調控的量而導致產量下降嚴重或者品質調控效果不理想，使得該項技術并未得到廣泛的推廣應用。本試驗中無土栽培技術的應用，解決了土壤栽培中的問題，可以對灌溉量進行精確調控。因此，無土栽培生產中進行品質調控技術的研究和應用將是未來的方向。在解決產量和品質的矛盾中，還可以通過集成限根栽培技術、營養液配方調控等技術，實現產量和品質的平衡。

4 結論

在無土栽培中限根栽培模式下，通過調控灌溉量能夠提高番茄的可溶性糖、VC、糖酸比等品質，但會對番茄的生長、產量等產生影響。利用熵權法和TOPSIS 法相結合的方法，綜合分析各項指標得出日灌溉量0.8 L處理組合綜合評價結果最佳。