灌溉量对限根栽培番茄生长和品质的影响

季延海 李炎艳 武占会 刘 佳 刘明池

〔1北京市农林科学院蔬菜研究中心，北京 100097；2河北省邯郸市农业科学院，河北邯郸 056001；3农业农村部都市农业（华北）重点实验室，北京 100097〕

番茄是世界上设施栽培面积最大的蔬菜作物之一，也是我国设施蔬菜栽培的主要作物，在蔬菜产业中具有重要的地位。传统的大水大肥管理方式，导致了严重的土壤、水污染，连作障碍以及农产品品质降低等问题，限制了农业的健康发展。近年来，消费者对蔬菜高品质、高营养等多样化的需求日益旺盛，而且我国设施蔬菜生产正处在由数量型向质量型转变的时期，因此，品质栽培将是未来我国蔬菜生产的主要方向。

近年来，世界各国都在逐渐开始进行高品质蔬菜的生产，以获得较高附加值（Rouphael et al.，2018）。番茄果实中糖的种类和含量是最重要的品质指标之一，糖类物质的累积是一个重要过程，是决定番茄感官品质的关键因子（Yin et al.，2010；Charles et al.，2016；Schouten et al.，2016；Bianchetti et al.，2017；Li et al.，2017）。日本在无土栽培番茄生产上，通过限根栽培和少量多次的灌溉模式，果实可溶性固形物含量达到8%～10%，取得了较好的经济效益（束胜 等，2018）。研究表明调亏灌溉对番茄果实生长、产量、品质和VC含量等均有影响（Bogale et al.，2016）。与充分灌溉相比，在番茄不同生育期进行亏缺灌溉均能提高品质，尤其是在开花期和果实发育期采用1/3灌水量，能够显著降低作物耗水量，提高综合品质（Wang et al.，2011）。灌溉量减少，植株的生长和产量均表现下降趋势，总灌水量与番茄的单果质量和单株产量之间均呈极显著正相关关系，与果实可溶性糖含量呈极显著负相关关系（刘海涛，2007）。在限根栽培方面，Saito 等（2006）研究表明，限根处理能促进作物开花，番茄的单果质量、果实风味色泽等都有极大的提升。

在土壤栽培中通过调亏灌溉、交替灌溉、肥料调控等方式调控番茄、草莓品质已进行了较多研究，但在土壤栽培条件下由于土壤的缓冲性强且植物根系分布广等问题，使得水分调控非常困难。而无土栽培脱离了土壤的限制，在有限的基质内进行生产，更有利于进行水肥的调控。因此，本试验采用无土栽培系统，在限根栽培模式下研究调控灌溉量对番茄生长和品质的影响，以期建立易操作、可推广的番茄品质调控技术。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017年8月至2018年1月在北京市农林科学院蔬菜研究中心连栋温室内进行，番茄品种为荷兰瑞克斯旺种子公司生产的丰收，2017年8月15日播种，9月12日定植。采用北京市农林科学院蔬菜研究中心自主研发的封闭式无机基质循环槽培系统（CN201510214349.X），营养液配方为北京市农林科学院蔬菜研究中心刘增鑫（2000）的地下水改良配方。

试验设置5个处理，日灌溉量分别为2.0 L（CK）、1.6 L（T1）、1.2 L（T2）、0.8 L（T3）、0.4 L（T4），日灌溉次数均为5次，除日灌溉量不同外，其余均正常管理。定植后到第1穗果坐果（定植后40 d）期间均按照对照灌溉量进行灌溉，在此之后开始进行处理，每个处理为一套单独的循环系统，共20个栽培槽，合计40株番茄，即每处理3次重复，每6个栽培槽为1个重复，每重复12株，其余2个栽培槽为保护行。

1.2 指标测定

基质含水量：分别于定植后41、56、71、83、91、106、121 d最后一次灌溉结束后2 h取基质测定质量，烘干后测定干质量，计算含水量。每个处理随机从3个栽培槽取基质，3次重复。

番茄生长指标：定植后65 d，每个处理随机选取2株，使用直尺测量株高；使用游标卡尺测量茎粗；叶片数直接计数。

叶片光合参数：在定植后82 d（晴天），使用CIRAS-2便携式光合测定系统进行光合指标测定，测定时间为9：00～11：00，选取从上部数第4～6片朝向南侧的叶片，每个处理测定6株。

蔗糖代谢相关酶活性的测定：在第2穗果的不同成熟期分别选取6株，对所有果实取样，由农业农村部蔬菜品质监督检验测试中心（北京）测定。每个处理3次重复。

番茄果实品质：在第2穗果实成熟时（定植后105 d）每个处理选取6株，摘取所有果实随机分成3份，VC含量采用钼蓝比色法测定；可溶性固形物含量使用便携式数显糖度计测定；可滴定酸含量采用酸碱滴定法测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定（鲍士旦，1978）。在第2穗果的不同成熟期分别取样，由农业农村部蔬菜品质监督检验测试中心（北京）测定果实葡萄糖、果糖、蔗糖含量。

番茄产量：分别在定植后89、105、113、125 d，采收小区内的所有果实，用电子天平称量单果质量和单株产量。

1.3 数据处理

试验数据使用Excel 2010和SPSS 22.0数据分析软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 灌溉量对基质含水量的影响

由图1可以看出，随着灌溉量的降低，基质含水量呈下降趋势，定植后41 d，T1～T4各处理基质含水量分别为30.00%、27.33%、25.33%、23.67%，较对照分别降低3.00、5.67、7.67、9.33个百分点。

图1 不同灌溉量对基质含水量的影响

2.2 灌溉量对番茄生长的影响

由表1可知，随着灌溉量的减少，番茄株高、茎粗、叶片数均呈下降趋势。在定植后65 d，T1～T4处理株高分别较对照显著降低7.12%、10.06%、22.82%、28.14%；茎粗分别显著降低8.13%、14.49%、15.24%、16.57%；叶片数分别显著降低21.93%、28.34%、27.81%、24.06%。

表1 不同灌溉量对番茄生长的影响（定植后65 d）

2.3 灌溉量对番茄叶片光合参数的影响

在定植后82 d，分别测定各处理的光合参数（表2），随着灌溉量的减少，净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）均呈下降趋势，T2、T3、T4处理的Pn和Gs分别比对照显著降低了16.26%、25.67%、27.97%和12.50%、15.63%、18.75%，T1处理与对照差异不显著。T1～T4处理的Ci和Tr均显著低于对照。

2.4 灌溉量对番茄果实中蔗糖代谢相关酶活性的影响

由图2可知，番茄果实中中性转化酶（NI）和酸性转化酶（AI）活性在果实发育的前、中期（即定植后72 d前）均相对较低，至果实完全成熟两种酶活性达到最高，果实中AI活性显著高于NI。随着灌溉量的减少，各处理AI和NI活性均显著提高，且均显著高于对照。

表2 不同灌溉量对番茄叶片光合参数的影响（定植后82 d）

图2 不同灌溉量对番茄果实蔗糖代谢相关酶活性的影响

由图2还可以看出，番茄果实中蔗糖合成酶（SS）和蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性随着果实的成熟呈降低趋势，其中SS活性下降幅度较大，SPS活性下降幅度较小，在定植后105 d对照SS活性和SPS活性分别较定植后65 d降低96.39%和3.20%。随着灌溉量的减少，各处理SS活性和SPS活性均呈下降的趋势。定植后65 d，各处理SS活性均显著低于对照，T2～T4处理SPS活性也显著低于对照；定植后105 d，各处理SS活性与对照差异不显著，SPS活性均显著低于对照。

2.5 灌溉量对番茄品质的影响

2.5.1 灌溉量对番茄果实中葡萄糖、果糖与蔗糖含量的影响 由图3可以看出，各处理番茄果实中葡萄糖、果糖含量随着果实的成熟呈增加的趋势，蔗糖含量呈降低的趋势且在果实完全成熟时（定植后105 d）含量接近零。随着灌溉量的降低，葡萄糖、果糖含量逐渐增加，蔗糖含量逐渐降低。在定植后105 d，T1～T4处理葡萄糖和果糖含量分别比对照提高36.21%、24.59%、15.78%、7.10%和27.81%、21.31%、14.23%、6.20%。在定植后65 d，T1～T4处理蔗糖含量分别较对照降低5.84%、13.11%、20.67%、27.72%。

图3 不同灌溉量对番茄果实中葡萄糖、果糖、蔗糖含量的影响

2.5.2 灌溉量对番茄果实品质的影响 由表3可以看出，随着灌溉量的减少，VC含量、糖酸比呈先增加后降低的趋势，可滴定酸和可溶性糖含量呈持续增加的趋势。T2处理的VC含量最高，显著高于对照和其他处理；可滴定酸、可溶性糖含量均以T4处理最高，显著高于对照和其他处理；T2和T3处理的糖酸比较高，显著高于对照和其他处理。

2.6 灌溉量对番茄产量的影响

由表4和图4可以看出，灌溉量显著影响番茄的单株产量和单果质量，T1～T4处理单株产量分别比对照显著降低11.72%、26.16%、44.47%、50.47%。单果质量随灌溉量的减少呈变小的趋势，定植后89 d各处理单果质量分别较对照显著降低6.29%、10.11%、32.95%、34.69%。各处理单果质量在4次采收中均呈现先增加后降低的趋势，对照及T1～T4处理第4穗果（定植后125 d采收）单果质量较第2穗果（定植后105 d采收）分别降低5.16%、6.63%、5.13%、17.23%、14.72%。

表3 不同灌溉量对番茄果实品质的影响

表4 不同灌溉量对番茄单果质量的影响

2.7 基于熵值模型的灌溉量对番茄影响的综合评价分析

以株高、单株产量、净光合速率、可溶性糖、葡萄糖、果糖、糖酸比、VC等8个参数作为评价指标，利用熵权法和TOPSIS法相结合（虞娜 等，2012）的方法，对不同灌溉量对番茄生长和品质影响效果进行综合评价。经计算得到评价指标熵值Hj=（0.700 6，0.703 9，0.652 9，0.706 9，0.694 4，0.729 4，0.717 6，0.718 7，0.700 0，0.706 1，0.705 2，0.723 4，0.714 5）；评价指标权重w=（0.078 3，0.077 4，0.090 7，0.076 6，0.079 9，0.070 7，0.073 8，0.073 5，0.078 4，0.076 8，0.077 1，0.072 3，0.074 6）。进一步计算各评价方案的正理想解和负理想解的距离，并计算接近度Ci。各处理的评价顺序为：T3＞T4＞T1＞T2＞CK，即日灌溉量0.8 L处理组合综合评价结果最佳（表5）。

图4 不同灌溉量对番茄单株产量的影响

表5 不同灌溉量对番茄影响的TOPSIS 综合分析

3 讨论

3.1 灌溉量对番茄生长和光合作用的影响

营养液灌溉量的调控通过调节植物的生长和营养物质的分配，从而影响植物的生长、产量和品质。本试验中减少营养液的灌溉量显著抑制了番茄的生长，在定植后65 d，每天灌溉0.4 L的处理，其株高较对照显著降低28.14%，叶片数减少24.06%，茎粗降低16.57%，在番茄（齐红岩 等，2004）、西瓜（杨小振 等，2014）、草莓（刘明池 等，2001）等已有研究中也表明灌溉量的减少会显著影响植株的生长。本试验中株高和叶片数随营养液灌溉量的减少呈现较大的降低幅度，而茎粗相对降低幅度较小，吴宣毅等（2018）在番茄上的研究也表明相较于茎粗，株高对灌水量的反应更为敏感。本试验中除对照外，不同灌溉量处理间叶片数差异不显著，这可能是由于当灌溉量减少到一定程度后，主要影响番茄植株的节间距和叶面积，而对叶片数的影响不显著，李时雨（2018）的研究也表明黄瓜灌溉量的减少对总叶片数的影响不显著，具体仍需进一步进行验证。

光合作用是植物积累能量和物质的基础，水分是光合作用的重要原料，营养液灌溉量的减少会造成水分的亏缺，进而导致植物光合作用减慢，影响光合产物积累（薛惠云 等，2013；李彪 等，2018）。研究表明，灌溉量的减少显著降低了番茄叶片净光合速率和蒸腾速率（赵娣 等，2018）；黄瓜水分胁迫下净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度均显著降低（曲继松 等，2019）。本试验结果也表明随着灌溉量的减少，净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均呈下降趋势，且灌溉量减少幅度越大，各光合参数下降幅度越大。研究表明，灌溉量的减少导致光合速率下降主要是受气孔因素限制，灌溉量的降低引起气孔导度下降、CO2反应受阻，导致叶片光合能力降低（高玉红 等，2012；于文颖 等，2015），本试验结果与前人研究结果一致。

3.2 灌溉量对番茄品质和产量的影响

已有研究表明，减少灌溉量能够提高品质，但产量也会出现不同程度的降低（Hayata et al.，1998；刘明池 等，2005；姚有华 等，2019），本试验中随着营养液灌溉量的减少，番茄单株产量和单果质量均显著降低。本试验还发现，在4次果实采收中对照单株产量呈增加的趋势，灌溉量减少的处理在第4次采收时产量出现下降。而灌溉量的减少显著提高了番茄的品质，在一定范围内，灌溉量的减少可显著提高VC含量和糖酸比，超过一定范围则呈下降的趋势。而可溶性糖和可滴定酸含量则随灌溉量的减少而增加，这与哈婷等（2017）研究结果一致。番茄果实中的糖主要有葡萄糖、果糖、蔗糖，本试验中不同生育阶段果实中的葡萄糖和果糖含量逐渐增加，至完全成熟达到最大值，而蔗糖含量则呈逐渐下降的趋势，至成熟时达到最低，这与齐红岩等（2004）在亏缺灌溉对番茄生长影响中的研究结果一致。灌溉量的减少提高了果实中的葡萄糖和果糖的含量，降低了蔗糖的含量。蔗糖含量的变化主要受SPS、SS两种合成酶以及AI、NI两种分解酶的影响，随着果实的成熟合成酶含量逐渐降低，代谢酶的含量逐渐升高；并且灌溉量的减少显著降低了合成酶的含量，提高了代谢酶的含量，致使成熟果实中蔗糖含量较低。

3.3 灌溉量调控番茄品质技术存在的问题及应用前景

水在植物生长的不同阶段均发挥着重要的作用，灌溉量的减少会导致番茄株高、茎粗、光合作用等指标的降低，从而导致产量的下降，但同时也提高了番茄的品质，如何解决产量和品质的矛盾一直以来都是学者们研究的方向。在传统的土壤栽培中，通过研究灌溉量减少的范围、调控的时期等内容，已初步建立了相关的技术点，如在番茄上的研究表明，水分调亏控制在75%以上能够提高番茄品质（王丽娟 等，2010）；刘明池等（2005）研究表明，为了保证品质有一定提高而产量降低又不太多，以膨大期为最佳亏缺时期。但土壤栽培由于自身缓冲性强，植株根系发达，难以进行精确的调控和管理，在实际生产应用中往往由于难以把握调控的量而导致产量下降严重或者品质调控效果不理想，使得该项技术并未得到广泛的推广应用。本试验中无土栽培技术的应用，解决了土壤栽培中的问题，可以对灌溉量进行精确调控。因此，无土栽培生产中进行品质调控技术的研究和应用将是未来的方向。在解决产量和品质的矛盾中，还可以通过集成限根栽培技术、营养液配方调控等技术，实现产量和品质的平衡。

4 结论

在无土栽培中限根栽培模式下，通过调控灌溉量能够提高番茄的可溶性糖、VC、糖酸比等品质，但会对番茄的生长、产量等产生影响。利用熵权法和TOPSIS 法相结合的方法，综合分析各项指标得出日灌溉量0.8 L处理组合综合评价结果最佳。