行距和灌水量對番茄冠層光截獲和光合能力、物質積累及果實品質的影響

常佳悅，馬小龍，吳艷莉，李建明

行距和灌水量對番茄冠層光截獲和光合能力、物質積累及果實品質的影響

常佳悅1，馬小龍1，吳艷莉2，李建明

1西北農林科技大學園藝學院，陜西楊凌 712100；2陜西省延安市黃陵縣農業技術推廣中心，陜西楊凌 712100

【目的】冠層內光合有效輻射和葉片光合生理特性存在較大異質性。探究番茄冠層不同部位葉片光截獲和光合能力對行距和灌水量的響應，研究行距和灌水量對番茄冠層光合生產力的影響，并對果實綜合品質進行分析，為機械化栽培番茄行距和灌水量的設置提供理論依據?！痉椒ā恳苑褳樵嚥?，寬窄行栽培，株距35 cm，小行距40 cm，設置3個大行距水平（70 cm（P1）、120 cm（P2）和170 cm（P3））和兩個灌溉水平（常規灌溉（W1）和輕度虧缺灌溉（W2）），全因子試驗，共6個處理，測定各葉位葉面積和光截獲量，冠層均分為6個部位，測定葉片凈光合速率（photosynthetic rate，Pn）、比葉質量（leaf mass per area，LMA）、葉綠素（Chlorophyll，Chl）及N、P、K含量，并分別以各部位葉面積占全株葉面積的比例或各部位葉片干重占全株葉片干重的比例為權重綜合分析各處理冠層光合能力，通過Pearson相關系數分析各指標相關性，測定地上部干鮮重、單株產量及第二穗果品質，采用PCA法和基于博弈論的組合賦權-TOPSIS法對番茄綜合品質進行評價并排序。【結果】行距增大對冠層葉面積、光截獲和光合能力的影響主要體現在冠層中部和下部。冠層中部葉面積隨行距增大表現為先增加后減少，冠層下部葉面積及冠層中部和下部光截獲均表現為P1到P2顯著增加，P2到P3小幅增加；冠層中部和下部Pn表現為P2較P1提高8.06%—11.32%，P3較P2提高14.25%—24.40%；LMA表現為P2較P1提高1.31%—33.24%，P3較P2提高6.09%—17.86%；Chl含量表現為P2較P1提高3.42%—6.81%，P3較P2提高3.19%—4.96%；N含量表現為P2較P1提高13.89%—34.73%，P3較P2提高2.21%—19.74%；P和K含量無明顯規律。整體來看，Pn、Chl和N含量均隨行距增大而增加，LMA輕度虧缺灌溉下隨行距增大而增加，常規灌溉下表現為P3＞P1＞P2；3種行距水平下，LMA和N含量均表現為常規灌溉高于輕度虧缺灌溉，Pn表現為P1和P3下常規灌溉高于輕度虧缺灌溉，而P2下輕度虧缺灌溉更高，Chl含量表現為P1常規灌溉更高，而P2和P3輕度虧缺灌溉更高。地上部干鮮重，常規灌溉下隨行距增大而增加，輕度虧缺灌溉下隨行距增大而先增加后減少；常規灌溉的地上部干鮮重高于輕度虧缺灌溉。兩種灌溉水平下單株產量均隨行距增大而增加，P1到P2增加幅度較大（常規灌溉和輕度虧缺灌溉下，P2較P1分別增加33.75%和24.32%），P2到P3單株產量僅小幅增加（常規灌溉和輕度虧缺灌溉下，P3較P2分別增加2.87%和4.30%）；常規灌溉單株產量高于輕度虧缺灌溉。增加行距、減少灌水量可以優化果實綜合品質，綜合品質得分前3位為P3W2、P2W2和P3W1。【結論】葉片Pn、LMA、N含量、地上部干鮮重和單株產量為P3W1最大；冠層光截獲量、Chl含量及番茄綜合品質評分為P3W2最高。

番茄；行距；灌水量；光截獲；光合能力；物質積累；綜合品質

0 引言

【研究意義】農業機械化作為農業生產現代化、規?；?、產業化的重要一環，是未來農業的發展方向。目前，制約機械化生產的主要問題是農機農藝融合困難和機械化配套性差，而行距是保證機械田間作業最重要的農藝措施。與正常灌溉方式相比，適度虧缺灌溉已被證明可以在不影響作物產量的基礎上顯著提高作物水分利用效率、改善果實品質。探討行距及灌水量對番茄光合生產力和果實品質的耦合作用，通過行距配置優化挖掘作物自身的光合生產潛力，對響應農業機械化趨勢下番茄行距和灌水量的設置具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】種植密度通過影響冠層結構和植株生理狀況來調控作物的生長發育[1]，可以直接影響作物群體結構，進而對冠層內光照、溫度、濕度等微氣候的形成產生影響[2]，其中對光照分布的影響最顯著，冠層微氣候可以改變植株的光合作用和蒸騰作用等生理過程，影響干物質積累量，并最終影響產量和品質形成[3-4]。合理的種植密度可以維持植株個體和群體間的生長平衡、優化作物空間布局、使冠層光分布更加合理、提高光熱資源利用效率、延長葉片功能期、增加干物質積累量，是目前生產中進一步提高產量的重要途徑[5-7]。JIANG等[8]研究認為，增大種植密度，龍須菜凈光合速率降低；YAO等[9]研究發現，增大栽培行距，棉花冠層中部葉面積比例增大，冠層結構優化，群體光合速率提高；熊淑萍等[10]研究表明，增大行距可以增加小麥冠層中下部光截獲量，從而提高單株和群體光合能力及光能利用效率，小麥生物量和產量增加。光合作用是產量形成的基礎，作物積累的干物質有90%—95%來自光合作用[11-12]，優化作物空間布局，構建理想的群體光合結構，可以充分利用單位土地面積上的光能資源，實現增產提質[10]。灌水量直接影響植株整體的水分狀況，調控氣孔開度，影響光合、蒸騰作用等氣體交換過程，杜兵杰等[13]研究表明，中度水分虧缺（土壤含水量為田間持水量的55%—65%）對番茄生長關鍵期的光合能力和熒光特性影響較小，且顯著提高抗氧化酶活性和水分利用效率，適宜西北地區番茄栽培；DARIVA等[14]研究認為，適度虧缺灌溉可以提高番茄果實紅度、硬度及可溶性固形物和番茄紅素含量?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究中，對于冠層內部光合有效輻射的分析，大都采用多點、定點測量的方法，以點到面，估算整體，對于冠層光合能力的分析，則多以代表性葉位光合能力作為評價標準，但由于番茄冠層內不同部位葉片的光照強度及光合生理特性均存在較大的異質性[14]，定點觀測估算整體將導致偏差較大，結果隨機性增大、準確度下降。通過構建番茄三維冠層結構模型，結合FastTracer光線追蹤軟件，可以實現冠層細化，計算得到植株每個面元所吸收的光合有效輻射，提高結果準確性；將冠層根據所處環境劃分為多個部位，分別測量各部位葉片光合能力，可以細化分析冠層光合情況?！緮M解決的關鍵問題】本研究采用植株三維結構模型與冠層光傳輸模型，實現冠層內葉片光截獲的精確計算，以冠層各部位葉面積或葉片干重占全株葉面積或葉片干重的比例為權重，綜合分析冠層光合能力；并采用AHP法和基于博弈論的組合賦權-TOPSIS法兩種綜合評價方法，分析行距和灌水量對番茄果實綜合品質的影響，為機械化栽培條件下番茄行距和灌水量的設置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年在陜西省楊凌區西北農林科技大學試驗基地塑料大棚內進行，試驗地位于關中平原腹地，平均海拔500 m，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫12—14 ℃，年均日照時數2 163.8 h，降雨主要集中在7—9月，年均降雨量634.97 mm，蒸發量1 400 mm，無霜期約230 d。塑料大棚東西長度100 m，南北跨度17 m，高度6 m。以陜西楊凌主栽番茄品種‘金鵬148’為試驗材料，該品種長勢較強，葉量中，花數多，高抗黃化曲葉病毒，抗根結線蟲。幼苗三葉一心時定植，栽培基質按腐熟牛糞和育苗基質（山東昊喆農業科技有限公司生產）體積配比1﹕3配制而成，定植于高20 cm、直徑32 cm的塑料花盆中，盆內覆黑膜，防止土壤水分蒸發，按常規方法進行管理，留4穗果打頂。

1.2 試驗設計

寬窄行栽培，種植行行距40 cm，株距35 cm，操作行行距作為試驗因子包括3個水平：70 cm（P1）、120 cm（P2）和170 cm（P3），設置2個灌溉水平（W1和W2），具體見表1。每天早上8：00稱重，計算植株單日蒸騰量（ET），通過時間控制器分多次定時灌溉。隨機區組設計，各小區種植8行，每行20株，3次重復。

1.3 指標測定與計算

1.3.1 環境因子 分別采用溫濕度記錄儀MX2301A和光照度記錄儀MX2202測定試驗地中央冠層頂部溫濕度和光合有效輻射（圖1），并利用空氣相對濕度（RH）和氣溫（Ta）數據根據公式（1）計算大棚內飽和水汽壓差（VPD）。

1.3.2 冠層不同部位葉片葉面積及對應光截獲 通過三維數字化方法構建番茄三維冠層結構模型，求得各葉位小葉葉面積，并基于構建的三維冠層模型，利用FastTracer[15-18]光線追蹤軟件計算每個三角面元吸收的光照，累加所有面元光照得到該葉位總光截獲量。具體模型構建與參數設置如下：

番茄三維冠層結構模型的構建遵循從器官、植株到群體的構建過程。首先通過三維數字化儀3Space Fastrak（Polhemus Inc.，Cochester，VT，USA）獲取植株葉片、葉柄、節間等器官端點的三維空間坐標（X、Y、Z），由所有器官的組合即可得到單株冠層結構的空間幾何表達。為了考慮邊際效應，基于構建的單株冠層結構與實際株行距構建6 m×6 m的植株群體[19-20]，計算群體中央植株的光截獲。植株三維冠層結構中假設各器官為基本的幾何圖形，其中節間、葉柄用圓柱體表示，小葉用兩個拼接的三角形表示[21]。為了符合光截獲計算軟件的輸入格式，需要對構建的三維結構模型進行面元化分割，即將所有幾何圖形表示為若干三角形的集合。植株三維結構的可視化以及三角面元的分割均基于模型平臺[22]的PlantGL程序包[23]實現。

以構建的番茄三維冠層結構模型為基礎，可以通過FastTracer光線追蹤軟件實現植株每個面元所吸收的光合有效輻射。FastTracer光線追蹤軟件基于前置光線追蹤算法，可以模擬光線在冠層中的完整傳輸過程，并基于光線在每個面元上的反射、透射以及多重散射過程，計算每個葉片實際吸收的光合光量子通量密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）。軟件主要輸入變量為植株三維冠層結構、葉片光學特性、冠層頂部直射與散射光合有效輻射（PPFD）強度、經緯度、日序數（DOY）等，輸出變量為每個面元實際吸收的直射與散射PPFD。模擬過程分太陽直射光與天空散射光模擬，冠層頂部直射與散射PPFD通過光照探頭直接測得，直射光模擬中太陽的位置根據經緯度、一年中的日序數以及小時進行計算，散射光則方向隨機。分別選取典型晴天與多云天（參數見表2）進行植株光截獲的計算，以1 h為步長，計算植株單日累積光截獲值。

表2 晴天和多云天棚內外光合有效輻射強度和散射光比例

1.3.3 冠層不同部位葉片凈光合速率（photosynthetic rate，Pn） 將植株冠層分為6個部分（圖2），其中S、Z、X分別指冠層上、中、下；W和N分別指植株外側和內測（靠近大行距一側為植株外側，靠近小行距一側為植株內側）。于果實膨大期選一典型晴天用LI-6800便攜式光合儀（美國LI-COR公司）測定冠層各部位葉片Pn，葉室光強設為1 000 μmol·m-2·s-1，二氧化碳濃度設為400 μmol·mol-1，溫度設為25 ℃，濕度設為65%。

1.3.4 冠層不同部位葉片葉綠素（Chlorophyll，Chl）含量 將葉片剪碎、混勻后稱取0.1 g鮮樣，用提取液（丙酮﹕無水乙醇﹕水=9﹕9﹕2）浸泡提取24 h后，分別在紫外分光光度計645和663 nm波長下比色，測定葉片中Chl a和Chl b含量，并計算Chl總含量（Chl a和Chl b含量之和）。

1.3.5 冠層不同部位比葉質量（leaf mass per area，LMA） 分別測量葉片干重和葉面積（去除葉柄），二者比值即為LMA。

1.3.6 冠層不同部位葉片N、P、K含量 將葉片烘干后磨碎，取0.100 g在370 ℃下經濃硫酸消煮至無色透明溶液，消煮過程中每15 min滴入1—2滴H2O2溶液，消煮后分別通過原子吸收分光光度計和火焰光度計測定葉片中N、P、K含量。

SW：上部外側；SN：上部內側；ZW：中部外側；ZN：中部內側；XW：下部外側；XN：下部內側。下同

1.3.7 全株Pn、LMA、Chl及N、P、K含量 Pn和LMA權重為冠層各部位葉面積與全株總葉面積的比值，Chl及N、P、K含量權重為冠層各部位葉片干重與全株葉片干重的比值，冠層各部位指標值乘以權重再求和，得到全株Pn、LMA、Chl及N、P、K含量。

1.3.8 植株地上部干鮮重 果實膨大期各處理選擇4株從莖基部剪斷，稱量地上部莖、葉鮮重，于烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重后稱量干重。

1.3.9 果實產量和品質 各處理選擇10株進行標記，果實成熟即采收，用電子天平稱重，記錄單株產量。番茄第2穗果成熟后取果，進行果實品質測定，包括果形指數（果實縱徑與橫徑的比值，X1）、單果重（電子天平稱重，X2）、果實硬度（果實硬度計測定）、果實含水量（果實鮮重與干重的差值除以果實鮮重，X3）、可溶性固形物含量（RHBO-90型手持折射儀測定，X4）、有機酸含量（NaOH滴定法測定，X5）、固酸比（可溶性固形物含量與有機酸含量的比值，X6）、可溶性蛋白含量（考馬斯亮藍G-250染色法測定，X7）、維生素C含量（鉬藍比色法測定，X8）以及番茄紅素含量（萃取比色法測定，X9）。

選取X1—X9作為評價變量，分別用主成分分析法（PCA）和基于博弈論的組合賦權法-TOPSIS近似理想解法[24]對果實品質進行綜合評價。

①采用隸屬函數法對原始數據進行標準化、同趨化處理

對于高優指標：

對于低優指標：

式中，max：指標最大值，min：指標最小值，ij：原始數據值，ij：ij標準化、同趨化后的值。

②PCA法計算品質綜合得分

用SPSS 25進行主成分分析，構造綜合評價函數[25]，計算各處理綜合得分。

式中，ij：每個主成分中各指標所對應的系數；ij：每個主成分中因子的荷載量，i：每個主成分的特征值。

式中，：各處理綜合得分，：所提取主成分總的特征值之和，i：各主成分得分。

③基于博弈論的組合賦權-TOPSIS法計算品質綜合得分

Ⅰ.AHP法確定各指標主觀權重

通過yaahp6.0軟件運用1—9比例標度法確定屬性指標間的優先級，計算得到各指標主觀權重[26]。

Ⅱ.熵權法確定各指標客觀權重

式中，ij：原始數據標準化、同趨化后的值；ij：第i個處理第j個指標的不確定度；j：第j個指標的信息熵；j：第j個指標的權重。

Ⅲ.博弈論組合賦權法確定各指標組合權重

式中，j：層次分析法得到的各指標權重；j：熵權法得到的各指標權重；j：博弈論組合賦權法得到的各指標最終權重。

Ⅳ.TOPSIS法綜合評價

式中，max和min分別為原始數據標準化、同趨化后的指標最大值和指標最小值；i+和i-分別為各處理到正、負理想解的距離；i為相對貼合度，用來表征各處理的優劣。

1.4 數據分析

通過Excel和SPSS進行數據處理與分析，利用SPSS中的單因素ANOVA檢驗進行顯著性分析，比較各處理間的顯著性，通過一般線性模型進行多因變量方差分析，比較單個因素的主效應以及雙因素交互效應，采用OriginPro 2021進行圖形繪制。

2 結果

2.1 行距和灌水量對番茄葉面積及晴天和多云天冠層光截獲量的影響

葉片光截獲量受葉面積和單位葉面積光截獲能力的影響，葉位自下而上，葉面積和葉片光截獲量均先增大后降低（圖3），晴天和多云天趨勢一致。葉位1 —6為冠層下部（X），7—12為冠層中部（Z），13—19為冠層上部（S），求得各處理冠層S、Z、X葉面積（圖4）和光截獲量（圖5），行距顯著影響冠層葉面積，極顯著影響冠層光截獲量，而灌水量和二者交互作用對冠層葉面積和光截獲量均無顯著影響。

圖3 行距和灌水量對番茄不同葉位葉面積及晴天和多云天葉片光截獲的影響

P3植株葉片數較P1和P2減少，導致冠層上部葉面積減小，冠層中部葉面積隨行距增大先增加后減小，P2和P3分別較P1提高了22.06%和8.57%，冠層下部葉面積隨行距增大而增加，P2和P3分別較P1提高了53.63%和61.30%；隨行距增大，冠層光截獲量增加，P3由于葉片數減少，冠層上部光截獲量增加不明顯，甚至較P2有所降低，但增大行距，可以顯著提高冠層中部和下部光截獲量，從而提高冠層整體光截獲量。以晴天為例，P2和P3冠層中部和下部光截獲量分別較P1提高了46.16%、136.52%和64.35%、263.35%，冠層整體光截獲量P3較P2提高了7.94%，P2較P1提高了30.10%。

2.2 行距和灌水量對番茄冠層不同部位葉片Pn、LMA、Chl及N、P、K含量的影響

行距對葉片Pn、LMA、Chl及N、P、K含量的影響均達到極顯著水平（圖6）；灌水量對葉片Pn、LMA、Chl及N含量影響極顯著，對葉片P和K含量無顯著影響；行距和灌水量的交互作用極顯著影響葉片Pn、Chl、P和K含量，顯著影響葉片N含量，對LMA無顯著影響。

S：上部；Z：中部；X：下部。P：行距，W：灌水量，P*W表示行距和灌水量的交互作用。*：差異顯著（P＜0.05）；**：差異極顯著（P＜0.01），***：差異極顯著（P＜0.001），NS：差異不顯著。下同

圖5 行距和灌水量對晴天和多云天番茄不同冠層光截獲的影響

Pn表現為SN＞SW＞ZW＞ZN＞XW＞XN，不同處理Pn差異主要體現在ZW、ZN、XW和XN，P3較P2分別提高14.25%、18.74%、16.98%和24.40%，P2較P1分別提高8.15%、8.06%、11.20%和11.32%；冠層不同部位間LMA變化趨勢與Pn一致，不同部位常規灌溉LMA較輕度虧缺灌溉提高6.84%—24.45%，隨行距增大，LMA表現為SW和SN先降低后升高，ZW、ZN、XW和XN持續升高，ZW P2較P1略有增加，P3顯著高于P1和P2（分別提高19.40%和17.86%），ZN、XW和XN的P3較P2分別提高8.28%、7.86%和6.09%，P2較P1分別提高14.60%、23.38%和33.24%；冠層不同部位Chl含量表現為S＞Z＞X，W＞N，SN和ZW差異不明顯，ZN和XW差異不明顯，ZW、ZN、XW和XN葉片Chl含量均隨行距增大而增加，P2較P1分別提高3.42%、3.62%、6.81%和4.41%，P3較P2分別提高3.58%、4.96%、3.19%和4.17%；葉片N含量表現為SW≈SN＞ZW＞ZN＞XW＞XN，SW、SN、ZW、ZN、XW和XN葉片N含量P2較P1分別提高21.73%、18.08%、34.73%、26.11%、13.89%和31.89%，P3較P2在ZW、ZN、XW和XN分別提高2.21%、12.83%、19.74%和17.21%，在SW和SN沒有提高或增幅很?。蝗~片P含量表現為X＞Z＞S，葉片K含量表現為Z＞X＞S，隨行距和灌水量變化，冠層各部位未發現明顯規律。

圖6 行距和灌水量對番茄冠層不同部位葉片Pn、LMA、Chl及N、P、K含量的影響

2.3 行距和灌水量對番茄全株Pn、LMA、Chl及N、P、K含量的影響

行距增大，葉片Pn提高（表3），常規灌溉葉片Pn高于輕度虧缺灌溉；常規灌溉下，LMA隨行距增大，而先降低后升高，輕度虧缺灌溉下LMA隨行距增大而增加，常規灌溉LMA高于輕度虧缺灌溉，且差異明顯；葉片Chl含量隨行距增大而增加，P1常規灌溉葉片Chl含量高于輕度虧缺灌溉，但差異較小，P2和P3表現為輕度虧缺灌溉葉片Chl含量更高；行距增大，葉片N含量升高，P1和P2間差異明顯，P2和P3間差異較小，常規灌溉葉片N含量高于輕度虧缺灌溉；葉片P和K含量隨行距增大無明顯變化規律，P1和P2輕度虧缺灌溉高于常規灌溉，P3則相反。總體而言，P3W1葉片Pn、LMA及N、P、K含量最高，P3W2的Chl含量最高。

2.4 葉面積、光截獲量、Pn、LMA、Chl及N含量相關性分析

通過Pearson相關系數分析（圖7）可知，光截獲量、Pn、LMA、Chl和N含量兩兩之間呈顯著正相關，而葉面積除與光截獲量呈顯著正相關外，與其他指標無顯著相關性。

表3 行距和灌水量對番茄全株Pn、LMA、Chl及N、P、K含量的影響

表中數據為“平均值±標準偏差”；同列不同小寫字母表示差異顯著（＜0.05）。下同

The data in the table are “mean ± standard deviation”; Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (＜0.05). The same as below

圖7 葉面積、光截獲量、Pn、LMA、Chl及N含量相關性分析

2.5 行距和灌水量對植株地上部干鮮重的影響

行距顯著影響植株地上部鮮重，極顯著影響干重，灌水量和二者交互作用對植株地上部干鮮重的影響均達到極顯著水平（圖8）。常規灌溉地上部干、鮮重均高于輕度虧缺灌溉，且隨著行距增大，二者之間差異增大，植株地上部鮮重表現為P3W1＞P2W1＞P1W1＞P2W2＞P1W2＞P3W2，地上部干重表現為P3W1＞P2W1＞P1W1＞P2W2＞P3W2＞P1W2，常規灌溉地上部鮮重P2較P1提高11.56%，P3較P2提高13.17%，地上部干重P2較P1提高27.30%，P3較P2提高2.44%。

圖8 行距和灌水量對植株地上部干鮮重的影響

2.6 行距和灌水量對果實產量的影響

行距和灌水量的主效應及二者的交互效應均對單株產量有極顯著影響（圖9）。常規灌溉單株產量顯著高于輕度虧缺灌溉，隨行距增大，單株產量增加，常規灌溉下單株產量P2較P1提高33.75%，P3較P2提高2.87%；輕度虧缺灌溉下單株產量P2較P1提高24.32%，P3較P2提高4.30%。

圖9 行距和灌水量對果實產量的影響

2.7 行距和灌水量對番茄綜合品質的影響

行距對果形指數、果實硬度、單果重、可溶性固形物、有機酸、可溶性蛋白、維生素C、番茄紅素含量的影響達到極顯著水平（表4），對果實含水量和固酸比無顯著影響；灌水量極顯著影響果實硬度、單果重、可溶性固形物含量、有機酸含量、固酸比、可溶性蛋白、維生素C和番茄紅素含量，顯著影響果實含水量，對果形指數無顯著影響；行距和灌水量的交互作用極顯著影響單果重、可溶性固形物、有機酸和可溶性蛋白含量，顯著影響果形指數和固酸比，對果實硬度、果實含水量、維生素C和番茄紅素含量無顯著影響。

隨行距增大，單果重、可溶性固形物和可溶性蛋白含量增大；輕度虧缺灌溉較常規灌溉可以增加果實硬度及可溶性固形物、有機酸、可溶性蛋白、維生素C、番茄紅素含量，但單果重、果實含水量和固酸比降低。

PCA法（表5）和基于博弈論的組合賦權-TOPSIS法分析結果（表6）均表明，增加行距可以優化果實綜合品質，輕度虧缺灌溉較常規灌溉果實綜合品質更優，P3W2番茄綜合品質最好，其次是P2W2。

表4 行距和灌水量對番茄品質的影響

表5 各項指標權重

表6 各處理PCA法和基于博弈論的組合賦權-TOPSIS法綜合得分及排序

3 討論

3.1 行距和灌水量影響番茄冠層不同部位葉片光截獲和光合能力

群體光合生產力是冠層光截獲和葉片光合能力共同作用的結果。番茄冠層不同部位葉片存在較大異質性，本試驗通過植株三維結構模型與冠層光傳輸模型對不同行距和灌水量下番茄冠層光截獲情況進行了模擬，發現冠層整體光截獲量隨行距增大而增加，但隨著行距持續增大，光截獲量增幅減小。增大同等行距，P2較P1冠層光截獲量明顯提高，且群體光能損耗大幅增加，說明P2條件下單株光能利用已基本達到飽和狀態。前人研究得出，光截獲量受群體結構[27]和光環境影響，一定范圍內和葉面積呈正相關，當葉面積超過閾值后，繼續增大葉面積會因葉片間的相互遮擋造成冠層光截獲量減少[28]。因此，可以通過優化群體結構改善冠層光截獲率。從本研究可知，冠層光截獲量的提高包括兩方面原因，葉面積增大和葉片遮擋效應減小，本試驗中，行距由P1增加到P2，葉面積增大20.25%，而由P2增加到P3，葉面積卻降低11.00%。熊淑萍等[10]研究表明，增大行距可以提高小麥冠層中部和下部的光截獲量，本研究同樣證明，葉片間遮擋效應的減小主要表現在冠層中部和下部。

葉片累積光截獲量會影響葉片結構特性、葉綠素含量、氮含量等生理特性，進而影響葉片光合能力[29]，本試驗結果證明，葉片光截獲量與Pn、LMA、Chl和N含量存在顯著正相關，印證了光截獲量作為誘因對葉片光合能力的影響。Pn可以直觀反映葉片光合能力，本試驗中，冠層各部位Pn均隨行距增大而增加，與前人研究結果一致[6]，且Pn的變化趨勢與光截獲量表現出高度一致性，增大行距對冠層Pn的提高主要表現在冠層中部和下部，行距由P2增加到P3時，冠層Pn的增幅小于行距由P1增加到P2時冠層Pn的增幅。王虎兵等[30]研究發現，適當增加灌水量對植株Pn和光合相關指標有提高作用，本研究中，同樣表現為常規灌溉Pn高于輕度虧缺灌溉，說明水分作為光合作用最重要的原料之一，減少供水量會導致植株光合能力降低。LMA與葉齡、葉片生長狀態、葉片單位干物質N、P含量以及葉片最大光合能力等密切相關[30]，是葉片眾多解剖結構特征的綜合體[31]，可以定量反映單位葉面積上光合產物的積累[32]，與植株體內眾多生理反應相關[33]，不同光環境下，葉片LMA發生改變，以平衡植株環境適應性和光能利用率[34-35]。COBLE等[36]研究表明，LMA隨光合有效輻射增加而顯著增大，本研究結果證實，LMA的變化很大程度受葉片光截獲量的影響，行距增大，冠層中部和下部光截獲量明顯增加，Pn增大，單位面積葉片物質積累增多，從而導致LMA增大；GUENDOUZ等[37]研究證明，水分虧缺會導致LMA降低，本研究中常規灌溉較輕度虧缺灌溉冠層各部位LMA均增加，與其研究結果一致。LMA可以反映葉片物質積累和轉移的情況，與葉片細胞壁組分和碳含量呈正相關，虧缺灌溉使葉片水分含量降低，從而導致LMA增加。葉綠素作為光合作用的中心色素分子，具有截獲、吸收、轉化光能的作用[38]，本研究中，冠層自上而下的葉片Chl含量降低，與前人研究結果一致[39]。這是由于葉片衰老過程中，葉綠體結構遭到破壞，器官和組織逐步趨向衰退和死亡，使Chl含量下降，Pn、LMA等也隨之降低；同時，葉片Chl含量和受光程度在一定程度上呈正相關關系，冠層自上而下由于葉片間的遮擋作用，單位面積葉片接受到的光照減少，葉綠素含量也降低，而行距增大，也使葉片Chl含量增加。行距和灌水量的交互作用對葉片Chl含量有極顯著影響，P1常規灌溉葉片Chl含量高于輕度虧缺灌溉，P2和P3則表現為輕度虧缺灌溉葉片的Chl含量更高，與前人研究結果一致[40-42]，但具體影響機制還有待研究，可能與行距和灌水量在葉片蒸騰作用上表現的交互效應有關[43]。氮素是決定光合生產力的關鍵因子，葉片75%的N用于合成葉綠素和形成光合基礎物質，N含量高低標志著葉片光合能力強弱[44]。劉冰等[45]研究表明，不同品種大豆冠層葉片N含量自上而下呈降低趨勢，且冠層上、中、下差異顯著，本研究結果與其一致，葉片N含量隨行距增大而增加，行距和灌水量的交互作用顯著影響葉片N含量，不同行距下常規灌溉和輕度虧缺灌溉表現不一致。但總的來看，常規灌溉葉片N含量較輕度虧缺灌溉更高，與前人研究結果一致[30]，可能是因為水分虧缺導致氮素從基質到葉片的運輸受到影響，從而使葉片N含量降低[46]。

3.2 行距和灌水量影響番茄地上部干鮮重和果實產量、品質

物質積累是植株光合能力的成效，本試驗中，常規灌溉下植株地上部干、鮮重隨行距增大而增加，與張昊等[47]研究結果一致，是由于行距增大導致冠層內光合有效輻射透過率增加，從而引起光合作用等一系列變化，使植株物質積累增多；灌水量極顯著影響植株地上部干、鮮重，常規灌溉地上部干、鮮重顯著高于輕度虧缺灌溉，與AL-HARBI等[48]研究結果一致，同時行距和灌水量存在極顯著交互作用，隨行距增大，常規灌溉和輕度虧缺灌溉間的差異愈大，輕度虧缺灌溉地上部干、鮮重表現為隨行距增大而先增加后減少，可能是由于行距增大導致植株蒸騰作用加強，無效耗水增多，植株對水分虧缺的感應更加明顯。產量表征有效物質積累，本研究中，隨行距增大，單株產量增加，與ISA等[49]研究結果一致，但P1到P2單株產量增幅明顯，P2到P3僅有小幅增加，與葉片光截獲量和光合能力的變化趨勢一致；常規灌溉產量高于輕度虧缺灌溉，表明適宜的灌水量可以提高植株光合能力和促進有效物質積累。吳宣毅等[50]采用改進模糊灰色關聯度法和CRITIC法分析得出，輕度虧缺灌溉有利于提升番茄綜合品質，本研究得出，輕度虧缺灌溉可以提高番茄可溶性固形物、有機酸、可溶性蛋白、維生素C、番茄紅素含量和果實硬度，分別采用PCA法和基于博弈論的組合賦權-TOPSIS法計算番茄品質綜合得分，前三位均為P3W2、P2W2和P3W1，說明增大光合有效輻射和適度虧缺灌溉均有利于番茄果實品質的提高。

4 結論

增大行距主要提高了冠層中部和下部的光截獲，但行距過大會造成光能損耗，對群體光截獲的增效較小，120 cm行距番茄群體光截獲量基本飽和。冠層中部和下部葉片Pn、LMA、Chl和N含量同樣隨行距增大而增加，但170 cm行距較120 cm行距葉片Pn、LMA和Chl含量仍有較大提高；且行距和灌水量之間存在顯著交互作用，不同行距下灌水量對群體光合能力的影響不一致。植株地上部干、鮮重和單株產量受行距、灌水量及二者交互作用的影響，均表現為P3W1最高，P2W1次之，且除地上部鮮重外，二者差異不明顯；果實品質以P3W2最優，P2W2次之。綜合考慮，若以高效高產為栽培目的，則選擇P2W1為栽培模式，若以高效優質為栽培目的，則選擇P3W2為栽培模式。

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CHANG JiaYue1, MA XiaoLong1, WU YanLi2, LI JianMing

1School of Horticulture, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi;2Agricultural Technology Promotion Center, Huangling County, Yan’an City, Shaanxi Province, Yangling 712100, Shaanxi

【Objective】Photosynthetically active radiation and photosynthetic physiological characteristics of leaves within the canopy were heterogeneous. The response to row spacing and irrigation amount of light interception and photosynthetic capacity of leaves in different parts of tomato canopy were explored in this study. The effects of row spacing and irrigation amount on photosynthetic productivity of tomato canopy were studied in detail, and the comprehensive quality of fruit was analyzed, which provided a theoretical basis for the setting of row spacing and irrigation amount in mechanized cultivation of tomato.【Method】Tomato, the test material, was cultivated in a wide and narrow row, with plant spacing of 35 cm. Small row spacing of 40 cm, and three large row spacing levels were set: 70 cm (P1), 120 cm (P2), and 170 cm (P3). Two irrigation levels were set: conventional irrigation (W1) and light deficit irrigation (W2). The experiment was a full factorial experiment with 6 treatments. The leaf area and light interception amount of each leaf position were measured. The canopy was divided into six parts, and the net photosynthetic rate (Pn), leaf mass per area (LMA), chlorophyll (Chl) and N, P, K content were measured. The canopy photosynthetic capacity under each treatment was comprehensively analyzed by taking the proportion of leaf area of each part to that of the whole plant or the proportion of leaf dry weight of each part to that of the whole plant as weights. The correlation of each index was analyzed by the Pearson correlation coefficient. The dry and fresh weight, yield per plant and fruit quality of the second ear were measured. The comprehensive quality of tomato was evaluated and ranked by PCA method and combined weighting-TOPSIS method based on game theory.【Result】The effects of increasing row spacing on canopy leaf area, light interception and photosynthetic capacity were mainly reflected in the middle and lower parts of the canopy. The leaf area in the mid canopy increased first and then decreased with the increase of the row spacing. The leaf area in the lower canopy and the light interception in the mid and lower canopy increased significantly from P1 to P2, but slightly increased from P2 to P3; the Pn in the mid and lower canopy showed that P2 increased by 8.06%-11.32% compared with P1, and P3 increased by 14.25%-24.40% compared with P2; the LMA showed that P2 increased by 1.31%-33.24% compared with P1, and P3 increased by 6.09%-17.86% compared with P2; the Chl content of P2 was 3.42%-6.81% higher than that of P1, and P3 was 3.19%-4.96% higher than that of P2; the N content of P2 was 13.89%-34.73% higher than that of P1, and P3 was 2.21%-19.74% higher than that of P2; the content of P and K had no obvious regularity. On the whole, the content of Pn, Chl and N increased with the increase of row spacing, and the LMA increased with the increase of row spacing under light deficit irrigation and showed P3＞P1＞P2 under conventional irrigation; under three row spacing levels, the LMA and N content under conventional irrigation were higher than those under light deficit irrigation, the Pn under conventional irrigation was higher than that under light deficit irrigation under P1 and P3, while the Pn under light deficiency irrigation was higher under P2; the Chl content under conventional irrigation was higher under P1, while the Chl content under light deficiency irrigation was higher under P2 and P3. With the increase of row spacing, the dry and fresh weight of the aboveground parts increased under conventional irrigation, and increased first and then decreased under light deficit irrigation; the aboveground dry and fresh weight of conventional irrigation was higher than that of light deficit irrigation. The yield per plant increased with the increase of row spacing under the two irrigation levels, and the increase from P1 to P2 was larger (compared with P1, P2 under conventional irrigation and light deficit irrigation increased by 33.75% and 24.32%, respectively.), while the yield per plant increased only slightly from P2 to P3 (compared with P2, P3 increased by 2.87% and 4.30% under conventional irrigation and light deficit irrigation, respectively.); the yield per plant under conventional irrigation was higher than that under light deficit irrigation. Increasing row spacing and reducing irrigation amount could optimize the comprehensive quality of fruit, and the top three comprehensive quality scores were P3W2, P2W2 and P3W1.【Conclusion】P3W1 was the highest in leaf Pn, LMA, N content, aboveground dry and fresh weight and yield per plant, and P3W2 was the highest in canopy light interception, Chl content and comprehensive quality score.

tomato; row spacing; irrigation amount; light interception; photosynthetic capacity; matter accumulation; comprehensive quality

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.009

2022-07-18；

2022-09-29

陜西省技術創新引導專項（基金）（2021QFY08-04）、青海高原有機瓜菜生產關鍵技術研究與示范（2022ZY017）

常佳悅，E-mail：jiayue@nwafu.edu.cn。通信作者李建明，E-mail：lijianming66@163.com

（責任編輯 趙伶俐）