抗逆與滲透物質耦合對番茄產量及水分利用的調控及機制探討

李艷梅, 周亞文, 張琳, 廖上強*, 孫焱鑫*

(1.北京市農林科學院植物營養與資源研究所, 北京 100097; 2.河北科技大學環境科學與工程學院, 石家莊 050018)

番茄是我國的設施主栽蔬菜，在國際和國內市場一直備受青睞。在番茄栽培中，春末夏初中午時段，35 ℃亞高溫環境經常出現，并且常伴有強光脅迫，一直是番茄生產的限制因子[1-2]。若能通過噴施外源物質來誘導番茄植株產生逆境耐性，必然能起到改善番茄生產及水分利用的作用。研究發現，噴施含礦質顆粒的懸浮液可通過反射過量的紫外線和紅外線的方式來緩解熱害和輻射損傷[3]。在眾多礦質顆粒物中，鈣和硅的作用不容忽視。鈣不僅是植物生長必需的營養元素，而且在植物響應逆境脅迫信號中起樞紐作用，可通過參與氣孔調節、抗氧化酶活性調控等途徑減輕逆境細胞損傷[4-5]，幾乎所有的植物發育和多種調控過程都需要鈣信號的參與。盡管硅是否是植物生長的必需元素尚存在爭議，但外源硅的添加能改善設施作物生長的結論已有報道[6-7]。

從已有研究來看，外源調控制劑主要以單一制劑為主。近年來，有學者報道水楊酸與殼聚糖復配制劑在棉花抗寒、黃瓜和小白菜抗鹽中具有調節作用[8-10]，水楊酸與α-萘乙酸復配制劑具有提高小麥抗旱的作用[11]，并證實復配制劑在誘導作物抗逆中的作用優于單一制劑。但總體來看，有關復配制劑的研究較少，在大田中的應用也不多。植物逆境響應的一條重要途徑是自身滲透物質含量的提升。脯氨酸(proline, Pro)和甜菜堿(betaine, GB)均屬滲透調節物質，探討其外源添加的調控效應及其與鈣、硅互作效應是值得探索的科學問題。因此，本研究針對設施番茄，設置噴施抗逆物質、滲透物質及其復配混懸液處理，比較不同處理對番茄水分利用、鮮重及養分吸收、抗氧化物酶活性、丙二醛含量及產量的影響，為篩選可用的葉施調理劑及栽培調控策略提供技術指導，為闡明抗逆與滲透物質的耦合效應及調控機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2018年2—7月在北京市大興區長子營鎮小竹樓設施農業示范基地進行。土壤類型為褐土，質地為壤土。種植前耕層土壤有機質含量9.6 g·kg-1、全氮含量0.7 g·kg-1、硝態氮35 g·kg-1、速效磷50 g·kg-1、速效鉀182 g·kg-1。供試番茄品種為‘鑫語’。于3月5日定植，7月20日拉秧。每株番茄留果4穗。番茄生長期間，采用滴灌追肥方式，苗期、開花期和膨果期的土壤含水量均控制在65%～75%，當土壤含水量降至設計下限時，進行灌溉以達到相應的上限含水量。土壤含水量采用TDR100便攜式水分監測儀(北京渠道科學器材有限公司)測定。全生育期累計灌水8次，累計滴灌水量1 656 m3·hm-2。追肥采用水溶肥，營養生長期以高氮水溶肥為主，開花期和膨果期以高氮和高鉀水溶肥交替配合施用。通過土壤含水率、水表和施肥泵精確控制灌水量和施肥量，N、P2O5和K2O分別累計投入207、150和230 kg·hm-2。

試驗采用隨機區組設計。以噴施滲透調節物質為主處理，設置清水(A1)、Pro(A2)和GB(A3)處理；以噴施抗逆物質為副處理，設置清水(B1)、Ca(H2PO4)2(B2)和K4SiO4(B3)處理；共9個處理組合(表1)，每個處理重復3次。每個試驗小區的種植面積為30 m2，起壟雙行種植，壟寬0.8 m，壟間距0.6 m，株距0.3 m，行距0.6 m。種植密度54 000株·hm-2。試驗用源制劑均按照單質1.5 g·L-1的濃度供應，噴施制劑用量1 020 L·hm-2·次-1，在開花盛果期連續噴施3次，兩次間隔時間7 d。

表1 試驗處理Table 1 Experimental designation

1.2 測定指標及方法

于盛果期最后一次噴施處理后1周，在每個小區內隨機選取10棵植株，自上而下取第3或4復葉上的成熟葉片，用于葉綠體色素含量和抗逆指標的檢測。用分光光度計法(752數顯，上海精科)測定葉片葉綠體色素含量[12]。采用硫代巴比妥酸法[13]測定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，氮藍四唑(NBT)光化學還原法[13]測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性。隨機選取15個成熟果實樣品，采用PAL-1水果糖分測定儀(愛拓)測定糖度，蒽酮比色法[12]測定可溶性糖，比色法[12]測定Vc含量。各小區選取5株植株，分別稱量各株的莖、葉和果實鮮重。果實烘干后研磨成粉，測定全氮、全磷、全鉀含量。用H2SO4-H2O2消煮[14]后，用FOSS 2300型凱氏定氮儀(聚創環保)測定全氮含量，用分光光度計法[14](752數顯分光光度計，上海精科)測定全磷含量，用火焰光度計法[12](6400A分光光度計，上海精科)測定全鉀含量。每次采收時，每個小區單獨計產，根據累計果重與占地面積比值計算番茄產量。主要指標計算公式如下。

果實氮/磷/鉀吸收量(kg·hm-2)=果實鮮重(kg·hm-2)×果實氮/磷/鉀含量

水分利用率(kg·m-3)=產量(kg·hm-2)/灌水量(m3·hm-2)

氮肥偏生產力(kg·kg-1)=產量(kg·hm-2)/氮肥投入量(kg·hm-2)

植株及果實含水率=(鮮重-干重)/鮮重×100%

1.3 數據分析

試驗數據分析采用Microsoft excel 2007，差異顯著性分析采用SPSS 16.0軟件中的多重比較法進行。

2 結果與分析

2.1 不同處理對番茄植株鮮重及果實品質的影響

不同處理的番茄植株鮮重及果實品質結果(表2)顯示，與A1B1相比，A2B1和A3B1處理均降低了番茄莖、葉、果和地上總鮮重，A1B3處理對莖、葉、果和地上鮮重的影響不顯著，A1B2處理顯著提高了番茄莖、葉、果和地上總鮮重，分別提高30%、20%、22%和23%。與A1B1相比，8個處理中A1B2、A2B2和A1B3等3個處理均表現出增產效果，其產量增幅分別為14%、10%和3.5%。與A1B1相比，不同滲透物質或抗逆物質的單獨或組合處理均降低了番茄果實的可溶性固形物含量、可溶糖含量和Vc含量。表明噴施外源抗逆物質及滲透物質的處理均不利于番茄果實品質的提高。

表2 不同處理對番茄植株鮮重及果實品質指標的影響Table 2 Effects of different treatments on fresh weight and fruit quality indexes of tomato

2.2 不同處理對番茄肥料利用及水肥利用率的影響

植物養分吸收與其抗逆能力密切相關，張琴[15]和彭劍濤[16]的研究表明，外生菌根提高寄主植物抗逆(干旱、鹽害、病蟲害等)能力，與其改善植物營養狀況有關。不同處理的番茄果實氮磷鉀吸收量及水肥利用率結果(表3)顯示，與A1B1相比，A2B3、A3B1、A3B3處理均顯著降低了果實氮吸收；A2B1、A2B3、A3B1和A3B3處理可顯著降低果實的磷吸收，A3B2顯著增加果實的磷吸收；A2B3、A3B1和A3B3處理顯著降低了果實的鉀吸收，A1B2顯著增加了果實的鉀吸收量。與A1B1相比，A2B1和A3B1處理均顯著降低了番茄的氮肥偏生產力和水分利用率。A1B2和A2B2處理均提高了番茄的水肥生產力，分別使番茄的氮肥偏生產力提高60和44 kg·kg-1；水分利用率提高8 和6 kg·m-3。綜合來看，Ca(H2PO4)2、Ca(H2PO4)2+Pro處理的番茄，果實氮磷鉀吸收有增加趨勢，水分利用率和氮肥偏生產力也顯著提高，表明這兩個處理改善了番茄的養分吸收。

表3 不同處理對番茄水肥利用的影響Table 3 Effects of different treatments on water and fertilizer utilization of tomato

2.3 不同處理對番茄葉片SOD活性及MDA含量的影響

不同處理的番茄葉片SOD活性及MDA含量結果(表4)顯示，與A1B1相比，所有處理均顯著增加了葉片SOD活性；A2B1的MDA含量顯著增加，A2B3的MDA含量增加，但差異不顯著。處理A1B2、A1B3、A2B2、A3B2、A3B3的MDA含量均顯著降低。表明不同抗逆與滲透物質單獨及耦合處理均激活了葉片的SOD活性；Pro及KSiO4+Pro處理對番茄葉片造成傷害，引起膜脂過氧化，及MDA累積量增加；Pro單獨處理的影響尤其明顯；Ca(H2PO4)2單獨處理及其與Pro和GB的耦合處理、KSiO4及其與GB的耦合處理可緩解番茄葉片的膜脂過氧化，降低MDA含量。

表4 不同處理對番茄葉片SOD 活性及MDA含量的影響Table 4 Effects of different treatments on SOD activity and MDA content of tomato leaves

2.4 抗逆物質與滲透調節物質的交互作用分析

二因素分析結果(表5)表明，滲透物質噴施處理對番茄植株和果實各檢測指標影響顯著，抗逆物質噴施處理對果實Vc含量指標外其他指標均存在顯著影響。抗逆物質與滲透物質的交互效應對番茄果鮮重、水肥生產力、果實磷鉀吸收、果實可溶糖含量、果實Vc含量、葉片SOD活性及MDA含量等指標均影響顯著。各因子對果實鮮重(產量)及水肥生產力影響的貢獻度大小表現為：滲透物質>抗逆物質>滲透物質×抗逆物質。

表5 抗逆與滲透物質交互作用對設施番茄生產的影響Table 5 Interactive effects of stress-resistant substances and osmotic regulators on tomato production

2.5 檢測指標的Pearson相關分析

不同測定指標的Pearson相關性分析結果(表6)顯示，番茄產量與水分利用率、果實氮吸收量(0.972)、鉀吸收量(0.963)之間存在顯著的正相關關系，與果實磷吸收量(0.641)、Vc含量(0.563)之間亦存在正相關關系，但均未達到顯著水平，與葉片MDA含量呈負相關關系。果實氮吸收量與果實磷吸收量之間存在顯著的正相關關系(0.709)，與果實鉀吸收量之間存在極顯著的正相關關系(0.980)。果實磷吸收量與果實鉀吸收量間存在顯著的正相關關系(0.778)。果實氮、磷、鉀吸收量與葉片MDA含量之間的相關性雖未達到顯著水平，但可見其負相關關系，說明番茄葉片MDA含量的降低與其果實氮、磷、鉀吸收量升高有關。

表6 番茄檢測指標的Pearson相關分析Table 6 Pearson correlation analysis of measured indexes of tomato

3 討論

本研究表明，噴施Ca(H2PO4)2、Ca(H2PO4)2+Pro懸液具有明顯增加番茄產量與水分利用率的作用，噴施K4SiO4處理的效果次之。噴施Ca(H2PO4)2實現番茄增產的原因可能與膜脂損傷減輕(MDA含量降低)及果實氮磷鉀吸收量的增加有關。這與尹大川等[17]報道的外源鈣處理誘導樟子松SOD活性升高、MDA含量降低和生長改善及王建國等[18]報道的外源鈣處理增加花生氮磷鉀吸收及產量的結論基本一致。證明外源鈣調控對增強作物抗逆性，改善作物生長具有積極作用。本研究發現，K4SiO4處理番茄產量的增加幅度較小。麻云霞等[19]探討了外源硅對酸棗抗旱性的調控作用，發現不同質量濃度的硅對酸棗所受干旱脅迫的緩解程度不同，硅酸鉀質量濃度為0.2～0.6 g·L-1緩解效果較好，過量施硅反而會產生抑制作用。推測后期研究應用中，適當降低硅調控的濃度可能會改善其調控效果。

蘇貝貝等[20]在半夏上應用Pro、范春麗等[21]在石榴上應用GB的研究均發現，滲透調節物質具有降低MDA累積的作用。本研究發現，噴施Pro或GB均增加了葉片MDA含量，并減少了果實氮磷鉀吸收量和產量。研究表明，Pro和GB在低濃度(0.5 g·L-1)應用時，表現出增加葉片SOD活性及降低葉片MDA累積的作用(未發表數據)。因此，推測本研究中Pro和GB噴施處理引起番茄減產的原因，可能也與其應用濃度過高有關。

研究還發現，所有處理中噴施清水的對照處理的番茄果實的糖度、可溶性糖含量和Vc含量最高，噴施外源物質則不同程度地降低了番茄的品質。在本課題組其他試驗中也發現這一現象(未發表數據)。由此推測，噴施外源物質可能在增強番茄抗逆能力的同時，伴隨著番茄品質的降低。抗逆物質(鈣/硅)與滲透調節物質(Pro/GB)對番茄主要指標(果實氮吸收量除外)的影響存在顯著的交互效應。

綜合來看，鈣懸液單獨使用的效果最佳，鈣+脯氨酸懸液次之。因此，對于鈣這類作物必需的中量營養元素，其作物需求的適宜濃度也較高；而硅是否是植物必需元素尚未定論，其作用途徑更側重于化學調控。脯氨酸和甜菜堿這類滲透調節物質都有明顯的濃度效應，其發揮調控效應的適宜濃度閾值偏低。因此，硅在與鈣等濃度應用時，效果相對較差，鈣與等濃度滲透物質耦合應用時，效果不及其單獨施用。本研究表明，兩種含鈣懸液噴施是一項簡便有效實用的技術，能夠實現改善生產及節水的效果，有助于設施番茄可持續生產。