分根区交替滴灌对樱桃番茄品质、产量及水分利用效率的影响

王晓艳，高艳明，李建设，闫思华，王禄星

(宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

【研究意义】我国是中度缺水国家，农业用水量占总用水量的70%左右[1]。随着全国农业的快速发展，需水量急剧增加，水资源短缺及水分利用效率低下等问题严重制约着我国农业的发展。我国农业灌溉用水有效利用系数为0.536，仅为发达国家的75%[2]。因此，发展节水农业，提高作物的水分利用效率具有重要意义。分根区交替灌溉(APRI)技术被认为是一种有效的提高作物水分利用效率和改善果实品质的灌溉策略，并已在苹果[3-4]、葡萄[5-6]、玉米[7-8]、马铃薯[9-10]、番茄等[11-12]作物中产生了良好效果。分根区交替灌溉可使根系干燥区域产生脱落酸，脱落酸可通过调节气孔开度来减少植株奢侈的蒸腾失水，APRI策略还能刺激根系的补偿功能，提高根系传导能力，减少棵间土壤蒸发，提高储存在根区水分的有效性[13]。【前人研究进展】郑健等[14]分析表明，在中国地区，交替灌溉可提升28.9%的水分利用效率，西北地区水分利用效率可显著提升49.29%，在温室大棚中，交替灌溉下作物的水分利用效率提升最为显著，达到53.45%，这充分说明分根区交替灌溉是一种高效可行的节水灌溉策略。Zhao D等研究表明，在常规灌水量下，分根区交替灌溉有利于加工番茄的生长发育和干物质积累。陈志远等[15]研究表明，在分根区交替滴灌营养液模式下，适当减少供液量和供液频率可提高番茄果实品质。【本人研究切入点】有关分根区下灌溉量、水肥耦合的研究有很多，但对于分根区交替灌溉下，保持全生育期总灌溉量一定，改变灌溉频率和交替频率的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本试验以樱桃番茄‘金妃’为研究对象，探讨基质培分根区交替灌溉营养液条件下，保持全生育期总灌溉量一定，改变灌溉频率和交替频率对日光温室基质培樱桃番茄果实品质、产量和水分利用效率的影响，得出分根区交替灌溉条件下最优的灌水策略，为日光温室樱桃番茄的灌溉模式提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

试验于2020年4—7月在宁夏银川国家农业科技园区(106°19′E，38°35′N)科研开发区2号日光温室内进行。该地属温带大陆性气候，四季分明，昼夜温差大，气候干燥，蒸发强烈。年平均气温8.5 ℃左右，年平均日照时数2800～3000 h，年平均降水量200 mm左右，无霜期155 d左右。

1.2 供试材料

供试樱桃番茄品种为‘金妃’(农友种苗(中国)有限公司)，为无限生长型，果实长椭圆形，黄色。供试基质由宁夏中青农业科技有限公司提供，基质容重为0.38 g/cm3，田间最大持水体积为80.00%。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，在分根区条件下，设计灌溉频率和交替频率两个因素，两因素下各设3个水平，设计灌溉频率为每天(D1)、2 d(D2)、3 d(D3)灌溉1次，交替频率为一侧灌溉1次(T1)、2次(T2)、3次(T3)换另一侧灌溉，交替进行，共9个处理，具体试验处理见表 1，各处理重复3次。定植株距25 cm，行距150 cm，小区面积6 m2，栽植密度为24 444株/hm2，三杆整枝。

表1 试验设计

采用基质槽培(槽长6.00 m，槽宽0.75 m，深0.30 m)，为实现分根区灌溉，每槽由泡沫板将栽培槽沿槽长方向均匀分为A、B两部分，樱桃番茄定值于泡沫板上，在A侧和B侧各铺设一条滴灌带。将营养液储存在营养液池，每个处理准备一个水桶(150 L)，灌溉前将营养液池水注入水桶，每个水桶放两个水泵，分别对一个处理的A侧和B侧进行灌溉，灌溉的启动与关闭由定时器控制。田间具体灌溉装置布置见图 1。樱桃番茄定值至第1穗花坐果平均每株灌溉600 mL/d，1穗花坐果至1穗果成熟平均每株灌溉800 mL/d，1穗果成熟至拉秧平均每株灌溉1200 mL/d，各处理樱桃番茄全生育期总灌溉量相同。在樱桃番茄定值时灌溉足量的清水以促进缓苗，缓苗结束后采用日本园试1单位营养液进行滴灌。在樱桃番茄第1穗花开始坐果时(定值后第36天)开始处理。

图1 灌溉装置布置Fig.1 Irrigation device layout plan

1.4 测定项目与方法

1.4.1 樱桃番茄根系活力的测定 在樱桃番茄盛果期，每小区选取3株樱桃番茄进行破坏性取样，将根系清理干净用TTC法[16]测定根系活力。

1.4.2 樱桃番茄根冠生物量的测定 在拉秧期，每小区选取3株樱桃番茄植株，称取地上部及与之对应的地下部根系的鲜质量，然后放入烘箱105 ℃杀青0.5 h，在80 ℃下烘干至恒重并称其干质量。根冠比以樱桃番茄地下部根系与地上部(茎、叶)的干重比值表示。

1.4.3 叶绿素荧光参数的测定 在樱桃番茄盛果期，选择晴朗天气，在10:00—11:00用连续激发式荧光仪选取樱桃番茄植株上部完全展开的功能叶进行叶绿素荧光参数的测定，测定前，需要先暗适应20 min。每个小区随机测定3片叶片。

1.4.4 品质指标的测定 每个小区随机选取成熟度一致的二穗果12颗进行品质指标的测定。采用手持式糖度计测定可溶性固形物，NaOH滴定法测定有机酸[17]，硫酸-蒽酮比色法测定可溶性糖[18]，钼蓝比色法测定维生素C[17]，糖酸比为可溶性糖比有机酸。

1.4.5 樱桃番茄产量、水分利用效率的测定 在樱桃番茄果实成熟后，采收成熟度一致的番茄，记录樱桃番茄平均单果质量、单株产量，并最终对各小区产量进行统计汇总，折合成总产量。

灌溉水分利用效率(IWUE，kg/m3)为樱桃番茄单位面积灌水量的产量。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2019对试验数据进行整理，用IBM SPSS Statistics 20.0软件对试验数据进行方差分析，采用Duncan’s新复极差法进行显著性分析(P<0.05)，并用Origin 2019b软件作图。

2 结果与分析

2.1 分根区交替滴灌对樱桃番茄根系活力的影响

由图 2可知，各处理根系活力大小顺序为D3T1>D1T3> D1T2> D3T2> D1T1> D2T1> D2T3> D2T2> D3T3。与处理D1T1相比，处理D1T2、D1T3、D3T1的根系活力分别显著增加了8.40%、13.43%、17.58，处理D3T3显著降低了5.44%。

2.2 分根区交替滴灌对樱桃番茄根冠生物量的影响

由图 3可知，不同灌溉频率和交替频率对樱桃番茄物质积累有显著影响，但对根冠比无显著性影响。与处理D1T1相比，处理D2T1、D3T2的地上部鲜重分别显著降低了16.29%、27.34%，处理D2T1、D2T3、D3T1、D3T2的地上部干重分别显著降低了33.13%、17.31%、16.41%、26.45%，处理D1T3的根干重和鲜重均有显著增加，分别增加了4.79%、7.64%，处理D2T1、D2T3、D3T2、D3T3根鲜重均显著降低，处理D2T1、D2T3根干重分别显著降低了11.63%、17.81%。

2.3 分根区交替滴灌对樱桃番茄叶绿素荧光的影响

叶绿素荧光特性可以反映叶片光合作用光系统对光能的吸收、传递、耗散和分配[19-20]，可用来评价植株叶片光合器官的功能[20-22]，通过对叶绿素荧光特性的研究可以了解植株的生长和受胁迫的生理状态[20,23]。由图 4可知，初始荧光强度(Fo)代表不参与PSⅡ光化学反应的光能辐射部分。处理D1T3、D2T3的Fo较处理D1T1分别显著增加了25.13%、20.94%。处理间的最大荧光产量(Fm)无显著差异，说明通过PSⅡ的电子传递情况无显著差异。最大光化学量子效率(Fv/Fm)是反映光系统Ⅱ活性中心光能转换效率的重要参数，反映了植物对光能的利用效率[24]，反应了植物潜在最大光合能力(光合效率)。与处理D1T1相比，处理D1T3的Fv/Fm显著降低了3.3%。光化学淬灭系数(qP)，即由光合作用引起的荧光淬灭，反映了光合活性的高低。减少灌溉频率可以降低qP，与处理D1T1相比，减少灌溉频率的处理，其qP相对减少了30.06%～49.00%。NPQ是由热耗散引起的荧光淬灭，反映了植物耗散过剩光能为热的能力，即植株的光保护能力[25]。处理D2T1的NPQ较处理D1T1显著降低了19.89%。

图2 不同处理对樱桃番茄根系活性的影响Fig.2 Effects of different treatments on root activity of cherry tomato

图3 不同处理对樱桃番茄根冠生物量的影响Fig.3 Effects of different treatments on root and shoot biomass of cherry tomato

2.4 分根区交替滴灌对樱桃番茄果实品质的影响

由表 2可知，处理D2T3维生素C含量较处理D1T1显著增加了4.49%。处理D1T2、D1T3、D2T3可溶性固形物与处理D1T1差异不显著。处理D1T3可溶性糖含量较处理D1T1显著增加了20.25%。处理D2T3有机酸含量较处理C1D1显著降低了7.69%。处理D1T3的糖酸比较处理D1T1显著提高了21.33%，其它处理(除处理D1T2、D1T3)的糖酸比均显著低于处理D1T1。

表2 不同处理对樱桃番茄果实品质的影响

图4 不同处理对樱桃番茄叶绿素荧光的影响Fig.4 Effects of different treatments on chlorophyll fluorescence of cherry tomatoes

2.5 分根区交替滴灌对樱桃番茄平均单果质量、产量及水分利用效率的影响

由表 3可知，平均单果质量、产量、水分利用效率均以处理D1T3最高，处理D1T3的平均单果质量较处理D1T1显著提高了17.76%，其它处理(除处理D1T2、D1T3)平均单果质量与处理D1T1无显著差异，均达到13.9 g。当保持樱桃番茄全生育期总灌溉量一定时，水分利用效率随着产量的增加而增加，减少而减少。各处理间产量和水分利用效率的大小顺序均为：D1T3>D1T2>D2T1>D1T1>D2T2>D3T1>D2T3>D3T2>D3T3。与处理D1T1相比，处理D1T3产量和水分利用效率显著最高，产量达到61.68 t/hm2，水分利用效率达到30.84 kg/m3，产量和水分利用效率均提高了9.85%，处理D1T2提高了4.32%。处理D3T3的产量和水分利用效率最低，较处理D1T1减少了7.96%。

表3 不同处理对樱桃番茄产量和水分利用效率的影响

2.6 樱桃番茄的综合评价

选取樱桃番茄地上部干重、根干重、根系活力、叶绿素荧光参数(Fo、Fm、Fv/Fm、qP、NPQ)、可溶性糖含量、维生素C含量、可溶性固形物、有机酸、产量、水分利用效率14种指标进行主成分分析及综合评价。由表 4可知，前3个主成分特征值均大于1，且累计贡献率达94.71%。第一主成分的特征值为8.14，贡献率为58.13%，可溶性糖、qP、产量、水分利用效率载荷量正向较大。第二主成分的特征值为2.20，贡献率为15.71%，维生素C载荷量正向较大。第三主成分的特征值为1.68，贡献率为12.03%，Fm载荷量正向较大。

表4 主成分特征向量及累计贡献率

表5 樱桃番茄综合评价

由表 5可知，D1T3处理的樱桃番茄综合评价最好，F值为3.73，其次为处理D1T2，F值为2.04，说明处理D1T2综合评价较处理D1T3差一些，处理D3T3的F值最低，为-2.21，综合评价最差。

3 讨 论

番茄对水分比较敏感，不同灌溉策略对樱桃番茄果实品质、产量及水分利用效率影响显著。增加灌水量可提高番茄产量，但会造成水分利用效率和品质下降[26-27]，亏缺灌溉可降低番茄产量[28]。李红峥等[29]研究表明，交替隔沟灌溉可提高番茄综合品质的同时又可使产量和水分利用效率达到较高水平，从而获得较高的综合效益。本研究结果表明，在分根区条件下，保持全生育期总灌溉量一定，当灌溉频率为1次/d时，减少交替频率可提高樱桃番茄果实品质、产量及水分利用效率；当灌溉频率为1次/2 d，减少交替频率对樱桃番茄果实品质无显著影响，但显著降低产量和水分利用效率；当灌溉频率为1次/3 d时，减少交替频率不利于樱桃番茄果实品质的改善、产量和水分利用效率的提高。其中，处理D1T3的综合评价最好，可溶性糖含量、糖酸比、平均单果质量、产量和水分利用效率均显著最高，产量达61.68 t/hm2，水分利用效率达30.84 kg/m3。

处理D1T3的综合评价最好，可能是因为根系最先感知基质水分变化，该策略能够有效刺激复水区根系生长的补偿效应，干旱一侧复水后能刺激根系产生大量新根，从而保持较高的根系活性和生物量，进而促进植株的养分吸收并提高产量和水分利用效率[30]。

处理D1T2、D1T3可溶性糖含量较处理D1T1分别增加了7.11%、20.25%，说明当灌溉频率1次/d时，可溶性糖含量随着交替频率的减少(交替周期的增加)而增加，这与李洪任等[31]的试验结果相一致。当灌溉频率为1次/2 d、1次/3 d时，各处理的综合表现较差，这可能是樱桃番茄的主要吸收根较集中分布在上层基质中，而上层基质含水量是影响作物根系正常生长的主要因素[32]，当全生育期总灌溉量一定时，减少灌溉频率和交替频率，可增加每次灌溉的灌溉量和一侧根区的基质含水量，这样使得基质水分饱和深度下移，而基质水分饱和深度下移过多不利于樱桃番茄产量、水分利用效率的提高。因此，在实际灌溉时，应充分考虑作物根系吸收根分布位置进行合理灌溉。

4 结 论

处理D2T3维生素C含量显著最高，为191.37 mg/kg；可溶性糖、糖酸比、平均单果质量、产量、水分利用效率均以处理D1T3显著最高，分别达到6.77%、17.52、17.90 g、61.68 t/hm2、30.84 kg/m3。用主成分分析法对樱桃番茄进行综合评价，处理D1T3的F值最高，为3.73。因此，处理D1T3为分根区交替灌溉条件下最优的灌水策略。