滴灌下氮鹽交互對加工番茄熒光特性及產量品質的影響

張繼峯，王振華，張金珠，竇允清，侯裕生

（1石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832000；2現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子 832000）

0 引言

【研究意義】番茄（Lycopersicon esculentum）原產于南美洲，生長類型分為有限生長、半有限生長和無限生長型，果皮偏薄，可作為鮮果食用。加工番茄（Lycopersicon esculentumMill）的主要特點是矮化自封頂，一般植株高度在30—90 cm之間，花期較為集中，果實多為橢圓形，果皮厚實，耐貯藏運輸，主要用于制作番茄醬[1]。中國目前已經成為世界上最大的加工番茄生產和出口國之一，推進加工番茄商業化已成為中國農民增收的重要產業[2]，截止2014年，中國種植加工番茄的面積已經達到2.14×107hm2[3]。新疆屬于干旱半干旱區典型的荒漠綠洲灌溉農業，太陽輻射量大，日照時間長，降雨少蒸發大，晝夜溫差大，有效積溫高，氣候環境非常利于加工番茄營養和干物質的積累，已經成為中國最大的加工番茄生產基地，加工番茄已成為新疆主要的經濟作物之一。鹽漬化現在已經成為全球糧食安全問題最重要的威脅之一[4]，嚴重抑制了非鹽生植物甚至鹽生植物的生長發育，降低了經濟產量，嚴重阻礙了當地可持續綠洲農業的發展[5-6]。新疆的灌溉區有1/3的土地受到鹽漬化的危害[7]，特別的是新疆擁有著1.1×107hm2的鹽堿荒地，其中包括7.27×106hm2的過度鹽漬化的鹽堿荒地[8]，尤其是新疆當地的降水匱乏，嚴重干旱的氣候環境更加劇了土地鹽漬化的形成[9-10]。【前人研究進展】通過前人的研究可知，鹽分會導致作物養分失衡，阻礙作物對鉀、鈣、鎂等營養物質的吸收，最終降低作物產量[11]，并且會對作物會產生非常嚴重的滲透危害，進而造成作物嚴重的生理干旱現象[12-13]。由于光合作用是作物利用光能合成光合產物最重要的過程[14]，鹽脅迫影響作物的新陳代謝和光合能力，直接影響了作物蛋白質的合成與轉換[15]。研究還發現，隨著土壤中鹽分含量的增大，土壤中的氮素轉化效率會越來越低[16-17]。王麗英等[18]在施氮量與溫室黃瓜番茄產量的研究中發現，高量供氮與傳統供氮會造成作物根層鹽分積累，降低了黃瓜番茄的根干質量，影響其對營養的吸收，因此選擇適宜的施氮量尤為重要。邢英英等[19]在適宜春茬番茄施氮量的研究中得出，滴灌條件下，120 kg·hm-2的施氮量番茄的氮肥利用率最大。徐坤范等[20]的研究發現，黃瓜的品質指標與施氮量存在一定關系。隨著施氮量的增加，黃瓜果實中的可溶性糖和維生素C的含量逐漸降低，可滴定酸和單寧逐漸增加，對黃瓜的風味口感造成一定影響。張鵬等[21]發現，在鹽漬土上種植燕麥，通過適當降低施氮量并不會造成作物產量下降，同時又可以降低土壤次生鹽漬化風險。因此，在鹽漬土上種植作物，合理的施氮量對作物的生長及環境保護有一定的現實意義。PERCIVAL等[22]發現葉綠素熒光動力學對植物耐鹽生理和耐鹽材料的選擇非常重要，通過對作物的光合作用和葉綠素熒光誘導動力學的研究，人們可以從微觀層次更直觀地了解作物光合系統中光能利用效率、吸收率和轉換率。尹海龍等[23]研究氮鹽對甜菜功能影響中發現，在不同程度的鹽分環境下，施氮均能提高甜菜的PSⅡ實際光化學效率ΦPSⅡ、光化學猝滅系數qP等熒光參數，提高了甜菜對鹽漬環境的適應性。【本研究切入點】考慮到作物需要通過追施肥料以補償作物從土壤中帶走的養分，從而保證土壤的可持續利用。通常情況下，不當的施用氮素會限制作物的生長，主要是由于過量的氮素會與作物生長發育至關重要的有機化合物結合，比如蛋白質、激素和核酸等[24]。但對一些脅迫，如熱脅迫和鹽分脅迫等，加入一定量的氮素可很好地維持作物的生長發育[25-26]，適當施氮可提高作物光合能力，增加根重和根長，促進作物生長，提高產量[27]。因此，本研究采用氮鹽兩因素，一是用氮素調和鹽分脅迫，探究其中的相互作用規律；二是為了保證數據結論的可靠，避免單因素造成的局限性[28-29]。【擬解決的關鍵問題】本研究擬通過氮鹽兩因素試驗探尋加工番茄熒光特性在氮鹽交互情況下的變化規律，確定加工品番茄達到最優產量和品質的合理施氮范圍和土壤含鹽量區間，為擴大新疆加工番茄種植面積和鹽堿地種植加工番茄的合理施氮提供理論依據及技術途徑。

1 材料方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017和2018年4—9月在現代節水灌溉兵團重點實驗室基地暨石河子大學節水灌溉試驗站（86°03′47″E，44°18′28″N）進行。試驗站地處中國準噶爾盆地西南緣天山北麓中段，屬于溫帶大陸性氣候，年均日照時間達2 865 h。2017和2018年作物種植月份（5—8月）總降雨量和平均氣溫分別為81.8 mm、30.9℃和137.1 mm和30.0℃（圖1），多年平均降雨量為210 mm，＞10℃積溫為3 463.5 d·℃，＞15℃積溫為2 960.0 d·℃。

1.2 試驗方法

圖1 2017—2018年氣象數據Fig.1 Weather data in 2017 and 2018

本研究選取新疆石河子市加工番茄的主栽品種3166為研究對象，于2017年和2018年的4—9月在石河子大學節水灌溉試驗站開展盆栽試驗，試驗用盆規格為0.60 m×0.55 m×0.45 m（盆頂高×頂部內徑×底部內徑），盆底已打孔，盆與盆之間并排布置，放于已挖好的50 cm深的試驗用坑中。試驗供試土樣分別取自新疆石河子市121團場鹽堿地（土層平均含鹽量質量分數為24.84 g·kg-1，土壤鹽化程度為鹽土，屬氯化物硫酸鹽類）和石河子大學節水灌溉試驗站（土層平均含鹽量質量分數為1.15 g·kg-1，土壤鹽化程度為非鹽化土，類型為壤土），經過自然晾干、碾碎、過篩、去除碎石塊等工序，采用比重法測定土壤顆粒含量，環刀法測定土壤干容重，具體理化性質見表1。將兩份供試土樣按不同比例摻混，配制為各個處理所需的鹽分梯度并均勻裝盆。

表1 土壤的基本理化性質（0—40 cm土層均值）Table 1 Soil physical and chemical properties (0-40 cm average value)

土壤鹽分梯度根據羅家雄[30]的土壤鹽堿分級標準，在2017年設計了4種含鹽量梯度：1.5、4.0、7.0、10.0 g·kg-1（分別為：常土，輕度、中度和重度鹽堿土），經過一年試驗研究，得知10.0 g·kg-1的土壤含鹽量對加工番茄的生長生理指標及產量品質都有嚴重的抑制現象，極不利于加工番茄的種植，同時得出4.0 g·kg-1的處理與對照組相比各指標無顯著差異，為了確定適宜加工番茄種植的土壤含鹽量范圍，所以在2018年試驗設計中去除了10.0 g·kg-1的含鹽量處理，加入了5.0 g·kg-1的處理；2017年氮素共設4個處理，以當地種子培育機構的農藝要求，推薦131 kg·hm-2為對照組（記為N3），通過一年的試驗研究得知在低氮處理下加工番茄對不同的土壤含鹽量的響應存在差異，所以在2018年試驗設計中增加不施氮處理，以進一步分析確定加工番茄對低氮處理的響應情況。

每盆種植加工番茄3株，株距30 cm，每盆均覆膜。試驗用肥料分別為尿素（N：46.4%），磷酸一銨（P2O5：60.5%，N：12.0%）和氯化鉀（K2O：57.0%）。施肥量參照ZHANG等[31]，結合當地種子培育機構的農藝推薦，在整個生育期設計4個尿素水平，分別為：375 kg·hm-2（N：174 kg·hm-2）、300 kg·hm-2（N：139 kg·hm-2）、225 kg·hm-2（N：104 kg·hm-2）和150 kg·hm-2（N：69 kg·hm-2），磷酸一銨和氯化鉀均225 kg·hm-2（其中磷酸一銨中N：27 kg·hm-2），即本試驗共設4個氮素水平N1：201 kg·hm-2，N2：166 kg·hm-2，N3：131 kg·hm-2和N4：96 kg·hm-2（后換算為單盆施氮量以便精確控制及數據分析，以下分析數據均和以單盆施氮量為依據）。灌水量根據HANSON等[32]試驗設計的灌溉量并結合石河子市當地生產實踐，定為：全生育期450 mm，使用醫用輸液管模擬滴頭以精確控制每桶水量，滴頭流量1.8 L·h-1，灌溉用水礦化度為0.78 g·h-1。全生育期灌水9次，施肥8次，肥隨水入，病蟲害防治等其他農藝措施與大田一致。具體試驗設計見表2和表3。

1.3 測試項目及方法

1.3.1 葉綠素熒光參數測定 于2017和2018年5—8月，分別在每個生育期選取已標記的單株功能葉（第三枝從上往下數第三羽狀復葉的中部裂葉），采用PAM-2500便攜式調制葉綠素熒光儀及2030-B葉夾（Walz，Germany）測量其葉綠素熒光參數。為使作物進行完全的暗適應，選擇在太陽未升起前測量葉片在暗適應下PSⅡ反應中心處于完全開放時的最小熒光產量（F0），隨后給一個強閃光（1 200 μmol·m-2·s-1，脈沖時間0.8 s）測得最大熒光產量（Fm），進入白天測量前，先手動輸入葉片相應的Fm和F0，然后在光適應狀態下測定穩定熒光（F’）、光下最大熒光產量（Fm’）和最小熒光產量（F0’），計算PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）、PSⅡ潛在活性（Fv/F0）、光化學猝滅系數（qP）、非光化學猝滅系數（NPQ）、實際光化學效率（ΦPSⅡ）、非光化學淬滅的量子產量Y（NO）等熒光參數[33]。

1.3.2 鮮果產量和品質 加工番茄在進入成熟期后，每7 d人工采收一次，每次采收時，產量指標包括單盆總產量和單株重。

品質指標包括4個指標。可溶性固形物：用手持折射儀（RHBO-90）測定[34]；Vc含量用分光光度計法測定[34]；可溶性糖采用直接滴定法（Lane-Eynon法）[35]；有機酸用酸堿滴定法測定[34]；根據可溶性糖和有機酸含量計算出糖酸比。

表2 2017—2018年灌水施肥試驗設計Table 2 Irrigation and fertilizer design of 2017-2018

表3 土壤含鹽量梯度設計Table 3 Soil salt content gradient design

1.4 數據分析方法

采用IBM SPSS Statistics 22進行兩因素方差分析（Two-way ANOVA），采用Duncan模型進行事后多重比較，以檢驗不同處理間差異的顯著性，當P≤0.05時，則認為處理間存在統計學意義上的顯著差異，運用歸一化法將產量和部分品質數據影射到0—1范圍內進行處理。歸一化轉換函數如下：

式中，x*為函數所得值，min為樣本數據最小值，max為樣本數據最大值。

2 結果

2.1 加工番茄的熒光參數對施氮量和土壤含鹽量的響應

圖2和圖3反映的是2017和2018年加工番茄熒光參數在氮素和土壤含鹽量共同作用下的變化規律。PSⅡ的最大光化學效率Fv/Fm主要受測量儀器影響，本身的光化學效率變化不大，一片健康的葉片經過正規的熒光檢測儀器充分的暗適應后，Fv/Fm值大約在0.8左右。通過2017和2018年的數據圖可以看出Fv/Fm各處理數值差距不大，但總體還是苗期最小，膨大期最大。通過實際光化學效率ΦPSⅡ和非光化學猝滅系數NPQ的3D圖能更好地闡明Fv/Fm的規律。2017和2018年ΦPSⅡ和NPQ的變化規律非常明顯，兩年變化基本一致，全生育期變化也是苗期最小，膨大期最大，成熟期也較小。隨著土壤鹽分含量的增大，各處理的數值顯著降低，鹽分主導程度大于氮素。在低鹽處理（CK和S1），N2處理數值最大，以2017年8月15日為例，ΦPSⅡ和NPQ的最大值分別為0.780和0.974，較最小值N3CK分別高了16.15%和9.44%；在中高鹽處理（S2、S3和SS3），N4處理數值最大，N1和N3處理數值均較小，以2017年8月15日為例，N4S2處理的兩個指標最大，分別為0.591和0.853，較最小值的N1S2分別提高了84.94%和90.15%，2018年的SS2（5 g·kg-1）處理與SS3處理變化情況基本一致。在土壤含鹽量為低鹽情況下，中等偏高的施氮量有利于Fv/Fm、ΦPSⅡ和NPQ的提高，促進加工番茄光合能力，而在中等偏高的土壤含鹽量情況下，低氮處理可以達到彌補過高的鹽分帶來的脅迫危害，雖然無法達到低鹽情況下的最優值，但是差距在縮小，以2017年8月15日ΦPSⅡ值為例，N4S2處理較N2S1處理低了20.77%，同時N4S2處理遠高于正常施氮的N3S2處理，效果還是比較明顯的。

圖2 2017年施氮量和土壤含鹽量對加工番茄熒光參數的影響Fig.2 Effects of nitrogen application rate and soil salinity on the fluorescence parameters of processed tomato in 2017

圖3 2018年施氮量和土壤含鹽量對加工番茄熒光參數的影響及熒光參數間的相互關系Fig.3 Effects of nitrogen application rate and soil salinity on the fluorescence parameters of processed tomato in 2018 and the correlations of the fluorescence parameters

2017和2018兩年的非光化學淬滅的量子產量Y（NO）的變化趨勢與其他指標不同。在土壤低鹽區，苗期的Y（NO）最大，隨著生育時期的推進，Y（NO）數值逐漸變小，但變化趨勢不大；在中高鹽區，Y（NO）隨著生育時期推進逐漸增大，鹽脅迫反而促進了Y（NO）的增長，數值在土壤鹽分最大值處達到最大。在低鹽區，對照處理N3在數值上較其他處理最大，在中高鹽區，高氮處理N1和對照處理N3數值都較大，2018年的試驗規律與2017年一致。通過圖3的熒光參數間的相關性可以得知，Fv/Fm與ΦPSⅡ和NPQ呈線性正相關（R2=0.95和0.97），Fv/Fm與Y（NO）呈線性負相關（R2=0.90），與試驗得出規律一致。

2.2 加工番茄產量和品質對氮素及土壤含鹽量的響應

表4表明，加工番茄的鮮果產量總體趨勢是隨著土壤含鹽量的增大而減少的，鹽分越高，減產越嚴重，以正常施氮處理（N3）為例，2017年S1、S2和S3較CK處理分別增產1.30%、-60.17%和-61.90%，2018年S1、SS2和SS3較CK處理分別增產1.57%、-18.04%和-14.51%；由于存在氮素的交互作用，加工番茄產量并不是完全適用“鹽高產低”的規律。通過表4數據分析可知，在低鹽處理（CK和S1），兩年均是N2處理達到最高產量，N0、N1、N3和N4三者間無顯著性差異（P＞0.05），說明并不是氮素水平越高，越有利于提高加工番茄產量；相比于低鹽處理，高鹽處理（S2、SS2、S3、SS3）對不同氮素水平下加工番茄鮮果產量的響應更成為復雜：在高鹽條件下，加工番茄的鮮果產量在低氮處理（N4）要高于其他施氮處理，在高氮的N1處理產量最低，以2017年N4S3處理為例，其較N1S3、N2S3和N3S3產量分別提高了87.62%、74.34%和123.86%，2018年的N4SS3處理較N0、N1、N2和N3產量分別提高了13.95%、44.97%、31.02%和12.39%，但N0SS3處理的產量并未高于N4SS3處理的，說明在低氮條件下，加工番茄的產量并不是一味的降低，過高的土壤含鹽量可能對加工番茄生長所缺的氮素起到了一定的補充作用，進而提高了加工番茄的產量，但這并不是意味著在土壤含鹽量較高的土地大量的減少氮素的施用可以促進加工番茄的生長，如果氮素施用量過少甚至不施氮素，加工番茄的產量也并不會高于施用一定氮素的產量，要想保證加工番茄的高產，最好還是在土壤處于低鹽區種植。

由表4可知，可溶性固形物、VC、可溶性糖、可滴定酸和糖酸比在不同氮素水平，相同土壤含鹽量水平下，數值間基本無顯著性差異（P＞0.05），這些品質指標受鹽分影響程度較大：可溶性固形物、VC和可溶性糖隨著土壤含鹽量的增大呈先增大后減小的趨勢，2018年由于去除了10 g·kg-1的土壤含鹽量，以上3個指標呈逐漸增大趨勢，最大值基本都出現在S2和SS2處理處；可滴定酸兩年都隨著土壤含鹽量的增大而增大，通過可溶性糖和可滴定酸的計算可知，糖酸比在不同施氮水平下低鹽處理較高鹽處理更高，最大值基本都出現在S1處理，以2017年N2S1為例，分別高于N2CK、N2S2和N2S3處理6.19%、17.04%和101.11%，2018年N2S1較其他3個處理分別提高了3.10%、4.19%和32.29%，說明土壤含鹽量越高，糖酸比越低，加工番茄風味越差。通過雙因素方差分析可知，氮素對加工番茄品質沒有土壤鹽分影響顯著，但對單一因素進行主效應分析可知N和S對加工番茄的品質均有極顯著的影響（P＜0.01），二者交互情況下對加工番茄的品質并沒有達到顯著影響（P＞0.05）。

2.3 加工番茄產量和品質最優區間的確定

可溶性固形物是可溶性糖、有機酸和果膠等多個品質指標共同表現的結果，它是決定番茄果實風味的一個重要指標[36-37]，提高可溶性固形物和可滴定酸的含量可以改善番茄的風味[38]，糖酸比是由可溶性糖和可滴定酸綜合反映的一個果實風味指標，許多研究人員對番茄質量進行研究，強調了果實風味在番茄質量中的重要性[39-44]。所以作者在分析產量和品質指標時選擇了可溶性固形物和糖酸比兩個重要的番茄風味指標。由于鮮果產量、可溶性固形物和糖酸比難以同時達到最大值，且三者具有不同的量綱，無法進行直接分析比較，所以作者先對數據進行了歸一化處理，再進行分析研究，以確定施氮量和土壤含鹽量與加工番茄鮮果產量和品質的關系（圖4），最終尋找出可以使得加工番茄鮮果產量、可溶性固形物和糖酸比均能達到的最優的施氮量和土壤含鹽量區間（圖5）。

圖4是對兩年的產量、可溶性固形物和糖酸比進行歸一化處理后，繪制的指標與施氮量和土壤含鹽量之間的等值線圖。圖4中所有數據均是在[0,1]區間，0最差，1最優，通過將每年的3幅圖進行依次套疊，得到圖5。圖5中隱去了較差的數據點，保留了相對較優的數據，由于對等值線圖進行了相互套疊，較優指標間會存在三者互為相交的點，點和線所圍成的三角區域就是加工番茄產量、可溶性固形物和糖酸比均達到最優值時的施氮量和土壤含鹽量的最合理區間。2017年得出的最優區間為N：2.33—2.84 g/盆，S：4.82—5.58 g·kg-1，2018年的最優區間為N：1.44—4.62 g/盆，S：3.57—4.69 g·kg-1，結合兩年所得區間范圍，最終確定達到相對最優產量和最優品質的合理施氮量和土壤含鹽量范圍為N：2.33—2.84 g/盆，即N：98.12—119.60 kg·hm-2，S：3.57—5.58 g·kg-1。

表4 不同處理加工番茄產量和品質的變化情況Table 4 Changes in yield and quality of tomato treated with different treatments

圖4 2017—2018年加工番茄產量、可溶性固形物和糖酸比歸一化相對值Fig.4 The relative value of processed tomato yield, soluble solids and sugar to acid ratio in 2017-2018

圖5 基于相對最優產和品質的合理施氮和土壤含鹽量區間Fig.5 Rational nitrogen application and soil salt content interval based on relative optimal yield and quality

3 討論

在氮素和土壤鹽分共同作用下，加工番茄的葉綠素熒光參數及產量等多種指標均存在復雜的變化規律。在同等氮素水平下，鹽分對加工番茄的熒光參數與產量指標的促進作用依次為S1處理＞CK處理＞S2（SS2）處理＞S3（SS3）處理，鹽分含量較低的S1處理對加工番茄各指標的影響與對照組間無顯著差異，而當土壤鹽分開始增大，鹽分對加工番茄的影響逐漸明顯，尤其是在土壤鹽分含量達到10.0 g·kg-1時，加工番茄各指標的抑制效果最為顯著，這與曾文治等[45]關于葵花的氮鹽交互研究的規律基本一致，楊鳳軍等[46]在研究番茄幼苗的試驗過程中也有類似的發現。在低鹽區中等偏高的N2處理對加工番茄熒光參數與產量指標的促進作用較其他處理最大，在中高鹽區低氮處理N4對加工番茄熒光參數與產量指標的促進作用較其他處理最大（與對照組差距最小），這是因為在鹽漬化土地上過量的施用氮素會對作物的品質、產量造成不利的影響[47]。

加工番茄的鮮果產量總體是隨著土壤含鹽量的增大而減小的[48]，CAMPOS等[49]在研究加工番茄產量時也得出類似結論。但由于存在氮素的交互作用，并不是所有處理的番茄產量都呈現“鹽高產低”的規律。在以CK和S1處理為代表的低鹽條件下，加工番茄基本都在中等偏高的氮素水平下（N2）達到最大產量，而在高鹽處理條件下，低氮（N4）處理的產量要高于其他施氮處理，由于不施氮的產量并未高于較少量施氮的處理，也就是說，當種植區土壤鹽漬化程度偏低，適當增加氮素施用量可以促進加工番茄的生長；若鹽漬化程度偏高，可以通過減少氮素施用量以保證加工番茄的生長，最大程度的趨近正常水平。

本研究中可溶性固形物、VC、可溶性糖和可滴定酸是隨著土壤含鹽量的增大逐漸增大，在其他的研究中也有類似的規律[50-54]。總可溶性固形物含量與可滴定酸隨著鹽度的增加呈線性增大的規律與CORNISH[55]、PETERSEN等[56]和TUZEL等[57]的研究結論基本一致，CAMPOS等[49]在研究加工番茄品質時也得出土壤鹽分會使產量降低，但可溶性固形物和可滴定酸含量卻增加的類似結論。但本研究發現，可溶性固形物、VC、可溶性糖并不是隨鹽分含量的增加而一直增加的，當鹽分含量達到過高的水平時（10 g·kg-1），這3個指標開始降低，在中等偏高的鹽分水平（7 g·kg-1）處達到最大值。糖酸比是可溶性糖和有機酸的綜合反映指標，最高的糖酸比基本都出現在低鹽（4 g·kg-1）處理，土壤的鹽分含量還是最重要的品質影響因素。通過將加工番茄的鮮果產量和最重要的品質指標進行歸一化和等值線圖的套疊，進而得出能使加工番茄達到最優的鮮果產量、最高的可溶性固形物和糖酸比的最合理的施氮量和土壤含鹽量區間。

4 結論

在氮素和土壤鹽分共同作用下，加工番茄的葉綠素熒光參數及產量受土壤鹽分的主導作用較氮素強，在不同的土壤含鹽量水平下，氮素對加工番茄的影響規律不盡相同。可溶性固形物、VC、可溶性糖和可滴定酸都是隨著土壤含鹽量的增大逐漸增大。在低鹽區中等偏高的施氮處理（166 kg·hm-2）對加工番茄生理與產量指標的促進作用最大；在中高鹽區低氮處理（96 kg·hm-2）對加工番茄生理與產量指標的促進作用最大，使產量最大化。加工番茄達到最優的鮮果產量、最高的可溶性固形物和糖酸比的最合理施氮量和土壤含鹽量區間為N：98.12—119.60 kg·hm-2，S：3.57—5.58 g·kg-1。