番茄综合营养品质对各阶段土壤含水率的响应

吴　雪，陈　思，周振江，牛晓丽，胡田田

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)



番茄综合营养品质对各阶段土壤含水率的响应

吴雪，陈思，周振江，牛晓丽，胡田田

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

[摘要]【目的】 研究不同生育时期土壤含水率对番茄综合营养品质的影响，确立优质番茄的高效灌溉制度。【方法】 以盆栽番茄为试验材料，以苗期、始花结果期、果实生长初期、果实快速膨大期和果实品质形成期的土壤含水率为试验因素，采用五元二次通用旋转组合设计(1/2实施)，应用博弈论综合赋权法和近似理想解法得到番茄单一营养品质指标权重和综合营养品质指标评价值及其排序，建立番茄综合营养品质指标对不同生育期土壤含水率的模型，并进行单因子和2因子互作分析。【结果】 番茄单一营养品质指标权重排序为番茄红素>可溶性糖>维生素C>可滴定酸>可溶性固形物。不同时期土壤含水率对番茄综合营养品质的影响表现为始花结果期>果实快速膨大期>果实生长初期>果实品质形成期>苗期。其他因子为0水平时，番茄综合营养品质随着始花结果期和果实快速膨大期土壤含水率的增加呈凹型抛物线变化趋势。苗期与果实生长初期、苗期与果实品质形成期、果实快速膨大期与果实品质形成期的土壤含水率均对番茄综合品质存在一定的拮抗作用，始花结果期与果实生长初期、始花结果期与果实品质形成期、果实生长初期与果实快速膨大期的土壤含水率均对番茄综合营养品质有一定的协同作用。综合营养品质评价值分布在0.6～0.8的最优试验方案为处理9。综合营养品质评价值分布在0.6～0.8时各生育期的土壤含水率的优化结果为：苗期71%～83%，始花结果期71%～83%，果实生长初期68%～80%，果实快速膨大期70%～82%，果实品质形成期70%～82%。【结论】 不同生育期土壤含水率的合理组合有利于提高番茄营养品质。

[关键词]番茄；土壤含水率；综合营养品质

随着生活水平的提高，消费者对果蔬营养价值和口感风味的关注度越来越高[1]，番茄是人们非常喜爱的果蔬，如何提高番茄营养品质已成为研究人员和生产者迫切需要解决的问题。番茄不同生育时期对水分亏缺的敏感程度不同，不合理的灌溉制度已经成为番茄营养品质的限制因子[2-4]。Pulupol等[2]研究表明，适当的亏缺灌溉有利于提高番茄的水分利用率，减少番茄果实营养物质的流失。刘明池[3]等、Nuruddin等[4]和Nahar等[5]的研究表明，不同时期亏缺灌溉对番茄可溶性固形物、滴定酸度和维生素C含量均有显著影响。Fabio等[6]研究了灌溉制度对栽培番茄品质的影响，认为适当增加灌水间隔和亏缺灌溉有利于番茄营养品质的提高。Wang等[7]利用基于主观层次分析法(AHP)[8]的近似理想解法(TOPSIS)[9]研究了不同生育期灌水量对番茄综合营养品质的影响，得到的综合营养品质排序与大多数单一品质指标的排序相吻合。虞娜等[10]对保护地番茄水肥耦合效应的研究表明，基于熵权法的TOPSIS模型可以用于多指标多方案的水肥管理评价。同一品种的番茄品质主要取决于可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸、番茄红素和维生素C等多个指标的含量。蔬菜品质评价需考虑评价指标本身的重要程度及全面性，应进行综合评价，目前关于不同生育期土壤含水率对蔬菜综合营养品质影响的研究还少见报道，且大多数评价研究采用单一的指标赋权法。本研究尝试通过AHP法和客观熵权法[11]对消费者认识及试验数据进行定量分析，采用博弈论组合赋权法消除单一方法产生的随机误差和系统偏差，得到番茄单一营养品质的组合权重系数，并通过TOPSIS法得到评价对象的综合指标评价值及其排序，以期确定不同生育期番茄最优的灌水量组合，为番茄的优质生产提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

盆栽试验于2012年3月至7月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室进行。试验地位于北纬108°07′，东经34°18′，海拔514 m，属暖温带季风半湿润气候区，年平均气温13 ℃，平均日照时数2 163.8 h，无霜期210 d。供试番茄品种为农城种业906。供试土壤为土娄土耕层土壤，体积质量1.3 g/cm3，田间持水量26%，有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为66.9，7.9，3.8和10.7 g/kg，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为101.09，41.3和98.22 mg/kg，pH为7.8。试验用铁皮桶的直径为30 cm、高为30 cm，桶底部装河沙2 kg，装土 21 kg；距桶底部5 cm处放置有2个PVC灌水管(内径2.5 cm，长25 cm)。试验用灌水管的管壁打3排圆孔，每排打孔8个，用1 mm孔径纱网缠绕2层。供试番茄03-10育苗，04-18移栽，移栽后立即浇水至田间持水量进行缓苗，05-16打顶，每株留2穗果。缓苗期过后，待土壤含水率接近55%田间持水量时开始灌水处理(06-13)。采用恒重法确定灌水时间和灌水量，灌水周期取决于土壤含水率的变化情况。07-16试验结束。

1.2试验设计

试验共设苗期、始花结果期、果实生长初期、果实快速膨大期和果实品质形成期的土壤含水率5个因子，采用五元二次通用旋转组合设计(1/2实施)，共32个处理，3次重复，每盆1株番茄，共96盆，试验随机区组排列，各因子设计水平及编码值见表1，各处理试验因子编码值及各阶段灌水量见表2。磷肥和有机肥一次性基施，氮肥和钾肥按基追比1∶2(质量比)随灌水施入，追肥分别在第2穗果快速膨大期和第3穗果快速膨大期分2次施入。

表 1　番茄不同生育期土壤含水率设计水平及其编码值

注：表中数据为土壤含水量占田间持水量的百分数。

Note:Data in the table was the ratio (%) of soil moisture to field capacity.

表 2　各处理不同生育期的土壤含水率编码值及实际灌水量

注：括号中数据为各处理不同生育期实际灌水量，单位为：L。

Note:Numbers in brackets mean the actual amount of water (L) at different growth stages.

为得到判断矩阵，根据番茄营养品质评价递阶层次结构(图1)设计番茄综合营养品质类别关注度和指标重要性调查问卷。采用1-9标度法，将衡量尺度划分为绝对重要、十分重要、比较重要、稍微重要和同样重要5个等级，对同一层次各评价指标的重要性进行两两比较。向园艺专家发出电子问卷5份，现场向消费者发出纸质问卷295份，收回电子问卷5份，纸质问卷220份，问卷有效率分别为100%和75%。

图 1　AHP法确定的番茄营养品质评价递阶层次结构

1.3测定项目和方法

可溶性固形物用具有温度补偿功能的手持折射仪(RHBO-90，LINK,Co.Ltd.,Taiwan,China)[12]测定；可溶性糖采用硫酸蒽酮比色法[13]测定；可滴定酸用0.1 mol/L NaOH滴定法[14]测定；番茄红素用紫外-可见分光光度法(EV300PC,Thermo Fisher,USA))[15]测定；维生素C用2，6-二氯酚靛酚钠滴定法[13]测定。

1.4统计与分析

采用基于AHP法的yaahp0.6.0层次分析法软件对问卷调查结果的平均值进行分析。采用统计软件design expert V8.0.6设计试验并分析结果，得到番茄综合营养品质指标评价值与试验因子的二次多项式。采用EXCEL对试验数据进行熵权法、TOPSIS法计算。采用MATLAB7.1(The Mathworks Inc.)进行基于博弈论的组合赋权评价法中最优化组合系数及其归一化和矩阵运算。采用SPSS 16.0统计软件进行Spearman相关分析。采用统计软件DPS进行灌水方案的优化设计。

2结果与分析

2.1番茄单一营养品质指标的相关分析

番茄单一营养品质指标的相关分析(表3)表明，维生素C含量(Q22)与番茄红素含量(Q21)呈显著负相关(相关系数r=-0.441，P<0.05)，表明二者之间存在非常密切的直线相关性，但番茄红素是一种脂溶性的类胡萝卜素，而维生素C呈水溶性，不能由人体合成，必须由食物供给，且二者保健功能不同[16-17]，因此在直线回归方程中不能用其中一个指标代替另一个指标；其余营养品质的相关性均未达到统计意义的显著水平。结果表明，本研究所选指标独立性较强，不可减少指标个数。

表 3　番茄单一营养品质指标的相关性分析

注：*表示在0.05水平上显著相关，下同；样本量N=32；r30,0.01=0.449,r30,0.05=0.349。

Note:* means significant correlation at 0.05 level,the same below;The sample sizeNis 23;r30,0.01=0.449,r30,0.05=0.349.

2.2番茄单一营养品质指标权重的确定

2.2.1AHP法确定番茄单一营养品质指标的权重经消费者和专家打分后，按文献[18-19]的计算方法求解层次结构对上层元素的局部权重和各单一营养品质指标对总目标的总体权重，并进行一致性检验。结果表明，保健品质(权重为0.508)较风味品质(权重为0.492)略重要；单一营养品质指标中，番茄红素的权值最高(0.280)，其余指标依次为可溶性固形物(权重为0.272)、维生素C(权重为0.228)和可溶性糖(权重为0.134)，可滴定酸的权重(0.086)最低。

2.2.2熵权法确定番茄单一品质指标的权重为度量番茄各单一营养品质指标所提供的有效信息量，采用熵权法计算各单一指标的客观权重[20-21]。熵作为不确定性程度的度量，指标权值愈大，为决策者提供的有用信息愈多。结果表明，保健品质的权重(0.618)高于风味品质(0.382)；单一营养品质指标权重表现为番茄红素(0.471)最大，可溶性固形物最低(0.091)，其他单一品质权重排序为可溶性糖(0.208)>维生素C(0.102)>可滴定酸(0.128)。

2.2.3基于博弈论组合赋权法确定的番茄单一品质指标权重AHP法易受主观因子和专家素质的影响，熵权法则可能使重要指标的权值变小，而不重要指标的权值变大，为了使权重的确定更为合理，采用博弈论组合赋权法，将AHP法和熵权法2种方法得到的指标权重向量w1、w2进行任意线性组合，得到可能的权重向量集w，并在w中找到满意度最高的最优权重向量w*[22-23]。因此，建立如下对策模型，使w*与采用AHP法和熵权法得到的权向量之间的离差极小化，即有：

(1)

式中：αj是最优化线性组合系数；wi、wj分别为采用AHP法和熵权法确定的指标权重向量，其中i、j取值均为1或2。

采用Matlab软件计算得到归一化后的最优化线性组合系数α1=0.146，α2=0.854。结果表明，单一营养品质指标对番茄综合营养品质影响程度的最终排序为番茄红素(权重为0.443)>可溶性糖(权重为0.197)>可滴定酸(权重为0.122)>维生素C(权重为0.120)>可溶性固形物(权重为0.117)。

2.3TOPSIS法评价番茄综合营养品质

为衡量采用TOPSIS方法评价番茄综合营养品质的效果，对综合品质排序和单一品质排序进行Spearman相关分析。结果(表4)表明，单一品质指标确定的各处理排序与大多数综合指标排序全部呈正相关关系，其中番茄红素含量为极显著正相关，可溶性糖含量为显著正相关，维生素C含量为负相关。这说明在本试验条件下，采用TOPSIS方法确定的番茄综合营养品质指标评价值排序与根据大多数单一营养品质指标确定的排序结果基本一致，表明将该方法用于番茄综合营养品质评价是可行的。

表 4　TOPSIS方法确定的各处理番茄综合营养品质指标评价值及其排序

续表 4　Continued table 4

2.4番茄综合营养品质与各生育阶段土壤含水率间回归模型的建立

为定量分析番茄苗期(X1)、始花结果期(X2)、果实生长初期(X3)、快速膨大期(X4)和品质形成期(X5)土壤含水率5个试验因子对番茄综合营养品质指标评价值Q*的影响，采用design expert软件建立五元二次回归模型，以拟合Xi与Q*的关系。在α=0.10显著水平下，剔除不显著项后得到各因子对番茄综合营养品质影响的简化模型：

(2)

分析表明，该方程与实际情况拟合较好(F回归模型=10.55>F0.01(12,9)=3.30)。方差分析表明，各阶段土壤含水率对番茄综合营养品质的影响程度表现为：始花结果期>果实快速膨大期>果实生长初期>果实品质形成期>苗期。

2.5单一时期土壤含水率对番茄综合营养品质的影响

为探讨单一因子与番茄综合营养品质的关系，对模型(2)采用降维处理，得到某一因子对于番茄综合品质的一元二次偏回归子模型为：

苗期土壤含水率：Q*=0.303。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

图 2　试验因子对番茄综合营养品质的影响

2.62因子交互作用对番茄综合营养品质的影响

为观察2因子交互作用对番茄综合营养品质的耦合效应，对模型(2)进行降维处理，得到的综合营养品质指标评价值对于试验因子的二元二次子回归模型分别为：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

苗期与果实生长初期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应如表5所示。果实生长初期土壤含水率处于0水平时，改变苗期土壤含水率对番茄综合营养品质不产生影响；苗期土壤含水率处于0水平时，番茄综合营养品质随果实生长初期土壤含水率的增大而先降低后升高。果实生长初期土壤含水率高于0水平时，番茄综合营养品质随着苗期土壤含水率的增加而降低；果实生长初期土壤含水率低于0水平时，综合营养品质随着苗期土壤含水率的增加而升高。上述结果表明，苗期低含水率与果实生长初期高含水率或苗期高含水率与果实生长初期低含水率结合，有利于番茄综合营养品质的提高。

表 5　苗期与果实生长初期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应

苗期与果实品质形成期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应如表6所示。当果实品质形成期土壤含水率处于0水平时，改变苗期土壤含水率对番茄综合营养品质无影响；当苗期土壤含水率为0水平时，番茄综合营养品质随着果实品质形成期土壤含水率的增加而先降低后升高。当果实品质形成期土壤含水率低于0水平时，番茄综合营养品质随着苗期土壤含水率的增加而升高；当果实品质形成期土壤含水率高于0水平时，番茄综合营养品质随着苗期土壤含水率的增加而降低。苗期高土壤含水率与果实品质形成期低土壤含水率，或苗期低土壤含水率与果实品质形成期高土壤含水率相结合，番茄综合营养品质最优。表明二者对番茄综合营养品质有一定的拮抗作用。

表 6　苗期与果实品质形成期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应值

始花结果期与果实生长初期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应如表7所示。番茄综合营养品质随着始花结果期或果实生长初期土壤含水率的增大均呈先降低后升高的趋势。始花结果期土壤含水率在-2水平时，番茄综合营养品质普遍较高；始花结果期和果实生长初期土壤含水率均为-2水平时，番茄综合营养品质达到最优，二者均处于0水平时，番茄综合营养品质最低。

表 7　始花结果期与果实生长初期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应

始花结果期与果实品质形成期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应如表8所示。番茄综合营养品质随着始花结果期或果实品质形成期土壤含水率的增大而先降低后升高，且二者对番茄综合营养品质有一定的协同作用。始花结果期土壤含水率为-2水平时，番茄综合营养品质普遍较优；始花结果期和品质形成期土壤含水率均为-2水平时，番茄综合营养品质达到最优。

表 8　始花结果期与果实品质形成期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应

果实生长初期和果实快速膨大期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应如表9所示。当果实生长初期土壤含水率处于1水平或低于1水平时，番茄综合营养品质随着果实快速膨大期土壤含水率的增大呈先降低后升高的趋势；当果实生长初期土壤含水率高于1水平时，番茄综合营养品质随着果实快速膨大期土壤含水率的增大呈升高趋势。从表9还可以看出，果实生长初期和快速膨大期土壤含水率对番茄综合营养品质有一定的协同作用。

表 9　果实生长初期与果实快速膨大期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应

果实快速膨大期与品质形成期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应如表10所示。番茄综合营养品质随着这2个生育期含水率的增大而先降低后升高，且二者对番茄综合营养品质有一定的拮抗作用。当快速膨大期土壤含水率水平高于1，而品质形成期土壤含水率为-2水平时，番茄综合营养品质指标评价值可达0.657～0.869。

表 10　果实快速膨大期与果实品质形成期土壤含水率对番茄综合营养品质的耦合效应

2.7综合营养品质较高的灌水时期与灌水量的确定

用DPS软件对模型(2)寻求理论最优方案，结果表明，当苗期、始花结果期、果实生长初期、果实快速膨大期和果实品质形成期土壤含水率水平分别为2(90%～100%)、-2(50%～60%)、-2(50%～60%)、-2(50%～60%)和-2(50%～60%)时，番茄综合营养品质指标评价值达到最大值2.08。根据所建立的数学模型(2)，共可以得到综合营养品质评价值分布在0.2～0.4的方案304套；分布在0.4～0.6的方案724套；分布在0.6～0.8的方案764套(表11)；分布在0.8～1.0的方案663套；分布在1.0～2.08的方案645套。可见番茄综合营养品质评价值在0.6～0.8的方案频率分布最大。在综合营养品质评价值为0.6～0.8的试验处理中，以处理9的番茄综合营养品质指标评价值最高(0.759，见表4)。计算机模拟结果(表11)显示，综合营养品质评价值分布在0.6～0.8的方案中，苗期、始花结果期、果实生长初期、果实快速膨大期和果实品质形成期的实际土壤含水率分别为71%～83%，71%～83%，68%～80%，70%～82%，70%～82%时，番茄综合营养品质指标评价值较高。

3讨论与结论

1)对蔬菜品质的评价，需基于消费者的主观认识，并根据各评价指标在评价体系中的作用和重要程度，赋予其不同的权重才能完成。本研究采用的赋权法，既照顾到决策者的主观偏好，又做到了决策的客观真实。TOPSIS法通过比较各方案与理想解的相对接近度，将5个番茄单一营养品质评价指标转化为能反映番茄营养品质总体特征信息的综合指标，使分析结果更直观，比依据单一营养品质指标进行番茄综合营养品质评价更为合理。

表 11　番茄综合营养品质评价值分布在0.6～0.8的764个方案中各试验因子不同水平的频率分布

注：95%置信区间即高品质番茄配套方案的优化区域水平，括号中数据为该优化区域水平编码值所对应的实际土壤含水率。

Note:95% confidence interval is the optimal level of experimental factors contributing to higher tomato nutritional quality.Date in brackets shows the actual soil moisture of corresponding codes of optimal intervals.

2)番茄单一营养品质指标权重表现为番茄红素>可溶性糖>维生素C>可滴定酸>可溶性固形物。不同生育期土壤含水率对番茄综合营养品质有显著影响，表现为始花结果期>果实快速膨大期>果实生长初期>果实品质形成期>苗期。当其他因子为0水平时，始花结果期和果实快速膨大期土壤含水率的变化对番茄综合营养品质分别有极显著和显著影响，番茄综合营养品质随着这2个阶段土壤含水率的增加均呈凹型抛物线变化趋势。交互效应表现为苗期与果实生长初期、苗期与果实品质形成期、果实快速膨大期与果实品质形成期的土壤含水率对番茄综合营养品质存在一定的拮抗作用，始花结果期与果实生长初期、始花结果期与果实品质形成期、果实生长初期和果实快速膨大期土壤含水率对综合营养品质有一定的协同作用，表明不同生育期不同灌水量的合理组合有利于番茄综合营养品质的提高。

3)本研究表明，不同生育期番茄果实对土壤含水率变化的敏感性不同，在开花期进行亏缺灌溉，果实可溶性固形物、可滴定酸度和维生素C的含量最高，这与前人的研究结果[2-3]一致。王峰等[25]研究表明，在果实成熟期或始花结果期进行亏缺灌溉，其他生育期正常灌水，温室番茄品质较高。本试验结果表明，苗期高含水率，从始花结果期开始低水处理，番茄综合营养品质较高。

4)综合营养品质指标评价值分布在0.6～0.8时的最优方案为处理9(综合营养品质评价值为0.759)。综合营养品质评价值分布在0.6～0.8时各生育期土壤含水率的优化结果为：苗期71%～83%，始花结果期71%～83%，果实生长初期68%～80%，果实快速膨大期70%～82%，果实品质形成期70%～82%。本试验筛选出的优化灌水方案，既考虑了方案的稳定性，又可以使番茄综合营养品质达到符合实际的最大值。

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Response of comprehensive nutritional quality of tomato to soil moisture at different stages

WU Xue,CHEN Si,ZHOU Zhen-jiang,NIU Xiao-li,HU Tian-tian

(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：【Objective】 This paper investigated the influence of soil moisture at different stages on flavor and nutritional compounds of tomato fruit to establish an efficient irrigation schedule.【Method】 A pot experiment testing soil moistures at seeding stage,blooming and fruit setting stage,early period of fruit growth,fruit expending period and quality forming period was conducted using a quadratic orthogonal regressive rotation design with five factors.Weight of signal quality attributes were determined by the comprehensive weighting method of game theory and comprehensive quality index was obtained by technique for order preference by similarity to an ideal solution (TOPSIS).Then,a regression model on soil moisture at different periods and comprehensive nutritional tomato quality index was established and single and coupling effects were analyzed.【Result】 The weights of nutritional indexes were in a decreasing order of lycopene>soluble sugar>vitamin C>titratable acid>soluble solids.Influences of soil moisture on comprehensive nutritional quality were in the order of blooming and fruit setting stage>fruit expending period>early period of fruit growth>fruit quality forming period>seeding stage.When other factors were at zero level,the comprehensive nutritional quality followed an upward quadratic parabola shape with the increase of soil moisture at fruit quality forming period and fruit expending period.Interactions between soil moisture of seeding stage and early period of fruit growth,seeding stage and fruit quality forming period,as well as fruit expending period and quality forming period showed an antagonism on comprehensive nutritional quality,while that of blooming and fruit setting stage and early period of fruit growth,blooming and fruits setting stage and fruit quality forming period,as well as fruit expending stage and fruit quality forming period showed synergism.The comprehensive nutritional quality index was 0.6 to 0.8,and the optimal plan was treatment 9.The optimal soil moistures were:seeding stage 71%-83%,blooming and fruit setting stage 71%-83%,early period of fruit growth 68%-80%,fruit expending period 70%-82%,and quality forming period 70%-82%.【Conclusion】 Reasonable combination of soil moistures at different stages could improve tomato nutritional quality.

Key words:tomato;soil moisture;comprehensive nutritional quality

DOI：网络出版时间:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.008

[收稿日期]2014-08-06

[基金项目]国家自然科学基金项目(51279169，50939005)；国家“863”计划项目(2011AA100504)

[作者简介]吴雪(1989-)，女，甘肃兰州人，在读硕士，主要从事蔬菜节水调质理论与技术研究。E-mail：wuxue0926@163.com[通信作者]胡田田(1966-)，女，陕西礼泉人，教授，博士，主要从事农业节水理论与技术研究。E-mail：hutiantian@tom.com

[中图分类号]S641.2

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)03-0052-11