灌溉模式对封闭式无机基质槽培番茄产量和品质的影响研究

李炎艳，季延海，武占会，刘明池，王宝驹，王丽萍

（1.河北省邯郸市农业科学院，河北 邯郸 056001； 2.北京市农林科学院 蔬菜研究中心，北京100097；3.河北工程大学 园林与生态工程学院，河北 邯郸 056038；4.农业农村部都市农业华北重点实验室，北京 100097）

番茄，是茄科番茄属一年生或多年生草本植物，是设施蔬菜栽培的主要作物。水分对番茄的产量和品质有重要的影响，适度的水分亏缺，番茄产量下降但品质提高，充足的水分灌溉，番茄品质降低但产量增加，因此，科学合理的供液量和供液频率即节约了水资源又实现了番茄生产的优质高效。

灌溉模式在多种作物上已有较多研究，如在番茄、小麦—玉米、辣椒［1-3］等作物上已筛选出适宜的供液量；在供液频率上对甜瓜、番茄、黄瓜［4-6］等进行了研究。已有研究表明，合理的灌溉模式能够促进根系生长，提高产量，改善果实品质等，曹晨星［7］研究表明在潮汐灌溉中随着灌溉间隔时间的缩短生菜产量、品质呈先上升后下降趋势，郭文忠等［8］研究指出高频率灌溉显著增加黄瓜的株高、产量。无土栽培中不同的基质类型其灌溉模式又不尽相同。在椰糠基质栽培中，延长灌溉间隔时间，减少灌溉次数，使单次灌溉量增加，可以提高黄瓜产量和水分利用效率［9］；而在岩棉栽培中，缩短灌溉间隔时间，增加灌溉次数，使单次灌溉量减少，得出了适宜的番茄营养液膜灌溉模式［10］。因此，无土栽培中不同的栽培模式、不同的基质类型会影响灌溉模式。

珍珠岩由于其良好的通气透水性，一般作为复配基质使用，但由于珍珠岩的通气透水性和无机的特性,在已有的研究中也有将珍珠岩单独作为栽培基质的研究和应用［11］。本研究所使用的封闭式无机基质槽培系统已获得国家发明专利（专利号CN104839001A）［12］。该系统使用珍珠岩作为基质，通过对栽培槽的独特设计和灌溉模式的制定，实现了营养液的循环利用和高产高效栽培。

本研究主要针对北京市农林科学院蔬菜研究中心自主研发的封闭式生态槽循环供液的无土栽培系统。试验以番茄为材料，在适宜珍珠岩粒径配比基质基础上，研究不同供液量和供液频率对番茄生长、光合、产量及品质的影响，选出合理的供液量和供液次数，为番茄的节水高效生产提供理论依据，为该系统的精确化应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年2月至2019年5月在北京市农林科学院蔬菜研究中心连栋温室进行，供试品种为荷兰瑞克斯旺种子种苗集团公司生产的‘丰收’无限生长型红果番茄，采用蔬菜研究中心自主研究开发的封闭式无机基质槽培系统，番茄营养液配方为蔬菜研究中心刘增鑫［13］地下水改良配方。

1.2 试验方法

番茄于六叶一心时定植，每个栽培槽中定植2株，株距40 cm，小行距30 cm，大行距150 cm。试验期间于7：00—17：00供液，营养液pH稳定范围在6.2±0.2，EC的范围在2.3±0.3，其他栽培管理方式按日常田间管理进行。

试验设计：基质选用筛选出的珍珠岩最佳粒径配比。设3个不同供液量处理（用字母A表示），即每天每株供液1 L（A1）、2 L（A2）、3 L（A3），3个不同供液频率处理（用字母B表示），即3次/d (B3)、5次/d (B5)、7次/d (B7)，试验采用完全交互设计（见表1、2），共9个不同处理，每个处理3次重复。

表1 试验处理设置Table 1 Treatment settings of experiment

表2 不同供液时间点Table 2 Different time points of solution supply

1.3 测定项目及方法

1.3.1 番茄植株形态指标测定 番茄形态指标采用定株测量法，从定植0 d开始，以后每隔10 d在每处理中选定长势相似的12株，对其进行株高、茎粗、叶片数的测定。株高用卷尺测量从植株根茎部至植株顶端生长点之间的距离；茎粗用游标卡尺在子叶和第一片真叶之间测定取值［14］；叶片数为植株完全展开叶片数，新叶按展开叶长大于2 cm计为一片叶。

1.3.2 番茄果实品质指标测定 选取各处理成熟度一致的果实，每个处理重复3次。果实品质测定：维生素 C的测定采用2，6-二氯酚靛酚钠滴定法；可溶性糖的测定采用硫酸-蒽酮比色法；可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝法；可滴定酸采用氢氧化钠滴定法［15］。

1.3.3 番茄植株生物量指标测定 根茎叶干鲜重：在试验开花前、开花坐果时、拉秧前，每处理选取植株长势均匀、没有病害的3株，将植株的根茎叶果分开，测量其鲜重，然后放入105 ℃恒温干燥箱内杀青 30 min，之后75 ℃烘干至恒重，用精度为1/100的电子天平称其干重。

1.3.4 基质含水量的测定 测定时期在定植后第15天开始，之后每15 d一次。各处理在上午第1次灌溉停止后半小时进行，每个处理重复3次，先称重环刀重量M1，使用环刀取栽培槽内基质，再称取重量M2，随后放置烘箱内75 ℃下烘干样品到恒重，称重M3，基质含水量 =（M2-M3）/（M3-M1）［11］。

1.3.5 番茄果实产量和水分利用效率指标测定 摘取各处理成熟度一致的果实，定植后68 d进入采收期，跟踪测定到定植101 d拉秧结束，每重复随机选取12株长势一致的植株，分别记录单果重、单株产量，计算亩产量。

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定植后，记录各处理每次添加营养液的用量，通过番茄产量计算水分利用效率。单株用水量=总用水量/番茄株数，水分利用效率（WUE）=番茄产量（Y）/水分用量（WU）［16］。

1.3.6 番茄植株根系活力指标测定 根系活力于番茄拉秧前7 d测定，用TTC（氯化三苯基四氮唑）染色法［17］。

1.3.7 叶片光合参数的测定 于晴天上午9:00—11:00，采用LI-6400XT（美国，LI-COR）测定第3～4片功能叶，包括光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）及蒸腾速率（Tr），采用6400-02B红蓝光源，PFD为800μmol/(m2·s)，流速 500 μmol/s，CO2浓度 400±2 μmol/mol，3 次重复，取平均值。

1.3.8 叶片显微结构的测定 于盛果期取第4叶叶脉中部左右5 mm×5 mm见方小块，立即置于FAA固定液，抽真空固定24 h，经脱水、透明、浸蜡、包埋、切片，番红-固绿染色，于蔡司显微镜下观察并拍照［18］。每组10张切片，每张切片随机3个视野测量叶片、上下表皮、栅栏组织及海绵组织厚度并计算栅栏组织厚度/海绵组织厚度（即栅/海比），栅栏组织厚度/叶片厚度、海绵组织厚度/叶片厚。

1.4 数据处理与分析

试验测量数据采用IBM SPSS Statistics 23.0统计软件进行单因素方差分析，Duncan进行差异显著性分析；使用Microsoft Excel软件对试验数据进行处理和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 灌溉模式对基质含水量的影响

由表3可知，试验期间，A1B3基质的含水量始终最低。定植90 d时，随着供液量的增加，含水量呈上升趋势，A3B3显著高于A1B3处理32.79%。相同供液量下，供液频率为5次的处理含水量大于供液频率为7次的处理，A3B5高出A3B7处理17.51%。

表3 灌溉模式对基质含水量的影响Table 3 Effects of irrigation patterns on water content s of substrates

2.2 灌对番茄生长的影响溉模式

2.2.1 灌溉模式对番茄株高的影响 由表4可以看出，番茄株高随供液量增大呈增加趋势，定植60 d时，A2、A3供液量的株高显著高于A1，A2B5、A3B5显著高于A1B5处理4.18%、10.63%。同一供液量下，供液频率7次的处理高于供液频率3次。

表4 灌溉模式对番茄株高的影响Table 4 Effects of irrigation patterns on plant height of tomatoes

表5 灌溉模式对番茄茎粗的影响Table 5 Effects of irrigation patterns on stem diameter of tomatoes

2.2.3 灌溉模式对番茄叶片数的影响 从表6中可以看出，定植10 d后，幼苗期各处理叶片数没有显著差异。定植50 d后，A1与A2、A3间差异显著，定植60 d时，A1B3显著低于A2B3、A3B3处理8.19%、7.60%。

表6 灌溉模式对番茄叶片数的影响Table 6 Effects of irrigation patterns on the leaf numbers of tomatoes

2.3 灌溉模式对番茄品质的影响

在第二穗果实中，随着供液量增加可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C含量呈下降趋势，其中可溶性糖含量A1高于A2、A3处理，A2B3、A3B3显著低于A1B3处理51.70%、58.68%；维生素C含量A1B5显著高于A2B5、A3B5处理9.97%、29.76%；可溶性蛋白含量A1B3比A2B3、A3B3高出30%、62.5%；可滴定酸含量A2B5显著高于A3B5处理46.67%；糖酸比A1B3最高，显著高于A2、A3处理。可见A1B3处理品质方面表现较好。

表7 灌溉模式对番茄品质的影响Table 7 Effects of irrigation patterns on quality in tomatoes

2.4 灌溉模式对番茄植株干鲜重的影响

由表8可看出，番茄的全株干重和鲜重随着供液量增加呈上升趋势，A3与A1、A2存在显著差异，A3B5的全株干重显著高于A1B5、A2B5处理55.78%、42.73%；叶片的干鲜重A3显著高于A1，A1B7的叶鲜重显著低于A3B7处理20.21%；同一供液量下，根干鲜重供液频率为7次的处理高于其他频率次数，但A3B7较低，A2B7的根鲜重显著高于A2B3、A2B5处理17.53%、21.71%；根系干重占全株干重的百分比随着供液量的增加呈先增加后下降趋势，说明适度供液有利于根系生长。

表8 灌溉模式对番茄植株干鲜重的影响Table 8 Effects of irrigation patterns on biomass in tomato plants g

2.5 灌溉模式对番茄产量和水分利用效率的影响

由表9可看出，供液量增加，产量增加；相同供液量下，次数越多，产量越高，但3 L下，次数增加产量下降。A2B7产量最好，A2、A3的单果重、单株产量、亩产量显著高于A1，A2B5、A3B5的亩产量显著高于A1B5处理14.26%、29.1%，A1B7亩产量高出A1B3、A1B5处理3.69%、0.91%。随供液量增加单株耗水量呈先上升后下降趋势，A2、A3的平均单株耗水量均比A1的单株耗水量高，A2B7比A1B7、A3B7高出33.33%、3.70%；同一供液量下，供液频率为3次的处理单株耗水量最低，A2B3显著低于A2B5、A2B7处理2%、12.5%。水分利用效率随供液量增加呈下降趋势，A1处理最高，A1B3比A2B3、A3B3高出2.74%、3.25%。

表9 灌溉模式对番茄产量和生长期用水量情况Table 9 Effects of irrigation patterns on yield and water consumption in tomatoes

2.6 灌溉模式对番茄根系活力的影响

由图1可见，供液量增大，根系活力先上升后下降，A1处理的根系活力低于A2、A3。A1B3显著低于A2B3、A3B3处理22.33%、13.79%。

图1 灌溉模式对番茄根系活力的影响Fig.1 Effects of irrigation patterns on tomato root activity

2.7 灌溉模式对番茄叶片光合特性的影响

2.7.1 灌溉模式对番茄叶片气体交换参数的影响 由表10知，随供液量增加，番茄叶片的净光合速率Pn、气孔导度Gs、胞间CO2浓度Ci、蒸腾速率Tr均显著增加，同一供液量下，供液频率无显著差异。其中A3的Pn与A1存在显著差异，A3B5的Pn显著高于A1B5、A2B5处理66.45%、26.09%，A1下降反映植物同化CO2能力较弱；Ci减少，水分亏缺越大，Pn越低，A3B3处理Ci最大，显著高于A1B3、A2B3处理29.77%、23.63%。

表10 灌溉模式对番茄叶片气体交换参数的影响Table 10 Effects of irrigation patterns on gas exchange parameters of tomato leaves

2.7.2 灌溉模式对番茄叶片显微结构的影响 光学显微镜下观察叶片结构如图2，表11，叶片结构由上下表皮、栅栏组织及海绵组织组成，栅栏组织内分布大量叶绿体，栅栏组织越厚且排列紧密，则叶片光合能力越强。随着灌水量的增加，叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度呈先增后降趋势，A2叶片厚度、栅栏组织厚度显著高于A1，A2B5的栅栏组织厚度比A1B5、A3B5高出43.31%、7.98%；海绵组织厚度A2B5显著高于A1B5、A3B5处理35.77%、35.03%。图5可看出，A2B5处理的栅栏组织排列相对整齐且气腔较少，而A1B5、A3B5处理栅栏组织稀疏，间隙较大，排列相对倾斜无序，气腔较多。说明供液量为A2 处理叶片显微结构较好。

表11 灌溉模式对番茄叶片显微结构的影响Table 11 Effects of irrigation patterns on microstructure of tomato leaves

图2 灌溉模式对番茄叶片显微结构的影响Fig.2 Effects of irrigation patterns on microstructure of tomato leaves

2.8 基于熵权的TOPSIS法灌溉模式对番茄生长、产量及品质影响的综合分析

表12采用熵值模型［19］对温室无土栽培番茄灌溉模式进行综合评价，选取指标包括：产量、水分利用效率、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、维生素C含量、糖酸比含量，可见A1B3处理为最优灌溉模式，其次是A2B3，说明供液量为1L、供液频率为3次处理下的番茄具有良好的产量、水分利用、品质等优势。A3B7为最劣灌溉模式。

表12 番茄不同灌溉模式综合评价排名Table 12 Comprehensive evaluation ranking of different treatments of tomatoes

3 结论与讨论

水分是显著影响番茄生长、产量形成及品质性状的主要因子［20］。本试验中，随着供液量和供液频率的增加，植株的株高、茎粗、叶片数呈增加趋势，可能是由于供液量和频率的增加可以提高基质含水量，有利于植株对水分和养分的吸收，增强了植株根系的发育，增加干物质积累，为植株提供了适宜环境，这与张坤［21］研究结果一致。水分亏缺会降低叶肉细胞利用CO2的能力，增加气孔交换时的阻碍，造成叶片光合能力不足，本研究A1处理光合速率显著低于其他处理，光合能力较弱。较高灌溉有利于番茄叶片光合作用顺利进行，增加了栅栏组织和海绵组织的厚度，加强有机物的合成和养分的吸收累积，从而更好地促进作物的增产丰收［22］。

供液量对水分利用效率也有一定的影响，水分利用效率随着供液量的增加会下降［23］，适宜的供液量可以提高水分利用效率，达到节水的效果。本试验A1B3水分利用效率最高，供液量和供液次数最少，这与吴泳辰［24］研究结果一致。供液量增大，供液次数减少，会导致单株耗水量增大，基质含水量达到饱和状态后，会造成番茄生长后期的水分无效蒸发，降低了水分利用效率，A3B3水分利用效率比A1B3、A2B3减少3.15%、0.5%。

随着供液量的增加，番茄果实的可溶性糖及维生素C等品质下降，但产量呈增加趋势，这与祁娟霞［25］研究结果一致。本研究A1处理品质较好，A3处理产量较高。在水分亏缺中可溶性糖含量增加更多，提高了糖酸比，改善了风味品质，水分对果实中糖和酸有稀释作用，过多的水分会导致可溶性糖与可滴定酸的下降，风味变淡，这与国外学者做的节水调质方面的研究［26］结果相符，但严重水亏缺时A1处理会减少产量，表明供液量减少抑制了根系的吸收。

A1B3处理下品质指标表现较好；A2B7处理下产量较高；熵权TOPSIS法对番茄指标的选取会影响最终评价结果的排序，综合考虑产量、水分利用效率及可溶性糖含量等多个指标，结果表明A1B3处理得分最高，其次是A2B3,可以作为此系统应用的供液模式。