灰色理论关于滴灌加工番茄生理特性在盐化土中的应用

张继峯，王振华*，张金珠，侯裕生，任作利

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832003)

随着全球环境恶化及人为不合理耕作，造成的土壤盐渍化现象呈现逐年加重的趋势.新疆现有347.6×104hm2耕地，其中1/3已经产生盐渍化现象，不利于新疆农业的发展.加工番茄是新疆主要的经济作物之一，生产的番茄酱远销国外，使中国成为仅次于美国和意大利的第三大加工番茄生产国[1-2].加工番茄耐盐程度较低，并且由于新疆盐碱土地广泛，为了充分利用新疆土地资源，扩大加工番茄种植面积，因此寻找适宜加工番茄种植的土壤盐分含量范围对新疆的农业生产具有重要意义.

盐碱胁迫会减弱植物体内光合物质的产生能力[3]，进而导致植物细胞间CO2浓度降低，最终削弱作物光合作用[4].植物体内的PSⅡ是光系统中较为敏感的部分，其是作物合理利用光能、保证光合作用正常进行的一个重要环节.叶绿素荧光诱导动力学能充分揭示PSⅡ的内部反应、电子的供受体侧，而不改变其体外功能[5-6].通过光合作用和叶绿素荧光诱导动力学分析，可以从微观角度了解作物光合系统中的光能传递、转化及其利用效率[7].

加工番茄指标参数间存在着隐性相关.如果仅对单一指标的试验数据进行方差分析，结果就不能充分反映作物的综合特性[8].为了对农作物进行综合评价，近现代学者发展了许多理论.其中，模糊综合评价法、聚类分析和层次分析法、灰色关联度综合评价法是常用的评价方法[9-10].灰色关联度分析法是将灰色系统中各个要素进行综合描述和量化的一种评价方法，是一种全面、客观的评价方法，而不会因为其中特例优良的性能而错误识别出其特征.该评价方法克服了采用单一性状对作物进行评价的缺点，近年来被广泛应用于农业研究领域[11].研究表明[12]，运用灰色关联度分析法对烤烟农艺性状与主要经济指标间的关系进行分析，其结果可以直观地看出各性状的优缺点，并对品种进行综合评价，而对于样本的多少和有无规律性此方法都同样适用，结论具有更好的合理性和科学性.

文中采用人工配制不同梯度的盐分含量土壤，研究加工番茄在不同梯度的盐碱胁迫条件下生理特性和水肥利用效率的变化规律，运用灰色关联理论寻找与产量关系紧密的指标参数；结合该指标参数对不同盐碱胁迫的响应情况，确定适宜加工番茄在新疆种植的土壤盐分范围，为在新疆盐渍化土壤上种植和推广加工番茄提供科学有效的理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4—9月在石河子大学节水灌溉试验站暨现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地(86°03′47″E，44°19′12″N)进行.试验站年均日照时间达2 870 h，作物种植期间(4—8月)总降水和平均温度分别为81.8 mm和31.2 ℃，无霜期为170 d.图1为2017年试验期间降雨量P、蒸散量ET0和平均气温ta分布情况.

图1 2017年试验期间降雨、蒸散和平均气温分布

1.2 试验过程

试验以加工番茄“3166”为试验品种，进行了露天桶栽试验.桶体尺寸为0.60 m×0.55 m×0.45 m(顶高×顶内径×底内径).这些桶被并排放置在一个50 cm深的测试坑中.土壤样品取自石河子市121团农场(112°42′50″E，44°46′59″N)盐碱土(土层平均盐分质量比为24.84 g/kg)和石河子大学节水灌溉试验站(土层平均盐分质量比为1.15 g/kg，土壤盐渍化程度为非盐渍土).土壤样本自然干燥，粉碎，筛分，并移除碎石.具体土壤理化性质见表1，表中h为土层深度；γ为干容重，ω为肥料质量比，θ为田间持水率.

表1 土壤0～40 cm的基本理化性质

根据罗家雄[13]的土壤盐碱分级标准，将2份土样按比例混合均匀地装在桶里，制成4种不同处理的盐碱土，盐分质量比分别为1.5，4.0，7.0，10.0 g/kg(分别记为CK，S1，S2，S3，表示非盐化土、轻度、中度和重度盐化土)，采用完全试验设计，各处理下设3个重复，每桶种植加工番茄3株，株距30 cm.

试验以氯化钾KCl(K2O质量分数57 %)、尿素CO(NH2)2(N质量分数46.4 %)和磷酸一铵NH4H2PO4(P2O5质量分数60.5 %)为试验用肥.施肥量根据种子培育机构的要求，全生育期尿素为300 kg/hm2，磷酸一铵和氯化钾均为225 kg/hm2，换算为全生育期为每盆尿素7.12 g，磷酸一铵和氯化钾各5.35 g，各处理施肥量相同.结合陈秀香等[14]研究的灌溉制度与当地生产生活实际，确定灌溉量为4 500 m3/hm2.采用塑料软管和螺旋止水卡模拟滴灌条件，精确控制每个试验用桶的灌水量，滴头流量控制为1.8 L/h；在整个生育期内，共进行9次灌溉和8次施肥.表2为灌水施肥设计，表中I，NW，WF，NF分别为灌水量、灌水次数、施肥量、施肥次数.

表2 灌水施肥设计

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生理指标

于2017年4—8月，使用美国Li-6400型光合作用测定系统对加工番茄光合速率Pn[μmol/(m2·s)]、气孔导度Gs[mol/(m2·s)]、胞间CO2浓度Ci[μmol/(m2·s)]和蒸腾速率Tr[mmol/(m2·s)]等光合指标进行测定.采用德国PAM-2 500调制叶绿素荧光仪测量加工番茄叶绿素荧光参数.在暗适应下测定最小荧光产量(F0)和最大荧光产量(Fm)，在光适应条件下测定其稳定荧光(F′)、光下最小荧光产量(F′0)和光下最大荧光产量(F′m)，计算光化学猝灭系数(qP)、非光化学淬灭的量子产量Y(NO)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)以及非光化学猝灭系数(NPQ)等荧光指标.

各荧光参数[15]采用以下公式计算，即

qP=(F′m-F′)/(F′m-F′0)，

(1)

NPQ=Fm/F′m-1，

(2)

ΦPSII=(F′m-F′)/F′m，

(3)

Y(NO)=1/[NPQ+1+qL·(Fm/F0-1)]，

(4)

qL=qP·F0′/F′.

(5)

1.3.2 番茄产量、水分利用效率和氮肥偏生产力

在8月1日进入成熟期后，每7 d进行1次人工采收，每次采收每桶单独计数并称量.水分利用效率[16]WUEET计算公式为

WUEET=Y/ET，

(6)

ET=I+Pr+ΔW-R-S，

(7)

式中：Y为经济产量，kg/盆；ET为作物耗水量，mm；I为灌水量，mm；Pr为降雨量，mm；ΔW为土体贮水量的变化量(通过土壤含水率测定)，mm；R为土壤径流量，mm；S为土体下边界净通量(向上为负，向下为正)，mm.

由于采用盆栽法，土壤径流量R和净通量S均为0.

氮肥偏生产力(nitrogen fertilizer partial productivity，NFPP)即单位投入的氮肥所能生产的作物籽粒产量，其计算公式[17]为

NUE=Y/N，

(8)

式中：N为纯施肥量，g/盆.

1.4 分析方法

关联分析采用刘思峰[18]的统计分析方法进行.灰色关联分析主要对事物态势发展的过程进行量化分析，根据因素间发展态势的相似、相异程度衡量因素间的接近程度.根据灰色系统理论的要求，将加工番茄的产量与光合指标及荧光参数视为一个灰色系统，以指标参数为影响因素，以经济产量为特征序列Y0作为比较的“母序列”，Y0=y0(1)，y0(2)，…，y0(n)，8个指标参数设为比较序列Xi(i=1，2，…，8)，Xi=xi(1)，xi(2)，…，xi(n).为了便于数据分析和比较，先将数据进行标准化处理，再利用刘思峰[18]的公式计算Xi与产量Y0的相关系数及各因素的相关程度.

(9)

(10)

(11)

式中：X′为X标准化后的数值；μ为样本数据平均值；σ为样本数据标准差；γ(y0(k),xi(k))为Xi与Y0在k点的关联系数，简记为γ0i(k)；γ(Y0,Xi)为Xi与Y0的关联度；ξ为分辨系数，一般取ξ为0.5.

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对光合特性的影响

2.1.1Pn和Tr对盐碱胁迫的响应

图2为盐碱胁迫下加工番茄Pn和Tr的变化情况.从图2可以看出，各处理Pn和Tr的变化趋势基本相同，随着时间推移先增大后减小.在处理S1和CK下，Pn和Tr在7月27日达到最大值[26.17和25.42 μmol/(m2·s)，4.38和4.36 mmol/(m2·s)]，处理S2和S3下Pn和Tr在7月9日(膨大1期)达到最大值[17.87和13.33 μmol/(m2·s)，3.64和3.03 mmol/(m2·s)]，成熟期各处理均显著降低.各生育期Pn和Tr的变化趋势基本一致，处理S1与CK之间不具有统计学意义(P>0.05)；处理S2和S3均低于CK，Pn分别下降43.58%和64.22%，抑制效果非常显著(P<0.01).

图2 盐碱胁迫下加工番茄Pn和Tr的变化情况

2.1.2 盐碱胁迫对Gs和Ci的变化规律

图3为加工番茄Gs和Ci对盐碱胁迫随时间的响应变化.由图3a可知，随着生育期推移，各处理的Gs在果实膨大期达到最大值，处理S1和CK在整个生长期差异不具有统计学意义(P<0.05)；处理S2和S3在整个生育期内对加工番茄都有抑制现象，抑制程度分别为63.04%和70.82%，处理S3抑制作用最强(P<0.01).

从图3b可以看出，所有处理的Ci在早期生长阶段随时间而增大.开花坐果期(6月17日)后，处理S1和CK的Ci逐渐下降，在果实膨大的第2阶段达到最小值，进入成熟期后又有一定程度提高.处理S2和S3的Ci在整个生育期基本上呈上升趋势，在成熟期达到最大值，分别为290.00和322.46 μmol/(m2·s)，分别比对照高出21.85%和35.04%，其中处理S3增加最为显著(P<0.05).

图3 加工番茄Gs和Ci对盐碱胁迫随时间的响应变化

2.2 盐碱胁迫对叶绿素荧光参数的影响

2.2.1 盐碱胁迫对ΦPSⅡ和qP的影响

qP表示的是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子转递的份额，只有使PSⅡ的反应中心处于“开放”状态，才能获得较高的光化学淬灭[19-20].随着生育时间推移，ΦPSⅡ和qP在处理S1及CK下呈增大趋势；处理S3进入膨大第1阶段(7月4日)后，逐渐下降.

图4为加工番茄ΦPSⅡ和qP对盐碱胁迫随时间的变化情况.图4a表明，处理S2和S3分别在果实膨大第2阶段(7月27日)和膨大第1阶段(7月4日)达到最大值，在成熟期达到最小，两者较CK最大降低了40.10%和63.00%；图4b表明，处理S1和CK变化趋势与ΦPSⅡ基本一致，处理S2和S3在膨大第1阶段(7月9日)达到最大，较CK分别下降了39.86%和68.42%.随着番茄持续生长，处理S1和CK的qP和ΦPSⅡ逐渐增大，差异不具有统计学意义(P>0.05)；处理S3在膨大的第1阶段(7月4日)后开始下降，处理S2进入成熟期后逐渐下降，其中S3处理的下降幅度最大.

图4 加工番茄ΦPSⅡ和qP对盐碱胁迫随时间的变化情况

2.2.2NPQ和Y(NO)对盐碱胁迫的响应

图5为盐碱胁迫下加工番茄的Y(NO)(非光化学猝灭量子产率)和NPQ(非光化学猝灭系数)的过程变化.

图5 加工番茄NPQ和Y(NO)对盐碱胁迫随时间的变化情况

非光化学猝灭系数NPQ是一种自我保护机制，可提高非光化学的能量耗散，有助于缓解环境对光合作用的影响和过剩光能对PSⅡ反应中心的损伤.从图5a可以看出，除处理S3外，加工番茄在整个生育期的变化趋势基本相同，在膨大的第2阶段先增加后减少，进入开花结果期(6月15日)后，处理S3有一定程度下降，进入花果末期后逐渐上升，并在膨大第2阶段达到最大值.各处理的变化规律由大到小排序为CK，S1，S2，S3，处理S1和CK对NPQ无抑制作用；处理S2和S3的抑制程度较显著，处理S3的抑制程度最大达到61.51%(P<0.01).图5b中，如果非光化学猝灭的量子产率Y(NO)较高，说明光化学能量转换和保护调节(例如散热)机制不足以完全消耗作物吸收的光能，作物将受到一定程度的损害.

由图5b可知，Y(NO)的变化趋势与其他指标不同：苗期(5月25日)各处理的Y(NO)相对集中且较大，随着发育时间延长，处理S1和CK逐渐减少，此后，随着生育期推移，处理S2和S3逐渐上升，在成熟期达到最大，分别为0.35和0.59.6月15日进入开花坐果期后，2个处理的值均高于对照和S1.处理S3的增大趋势最为显著，是对照处理的5.32倍(P<0.01).

2.3 盐碱胁迫对滴灌加工番茄水分利用效率及氮肥偏生产力的影响

加工番茄不同处理条件下全生育期耗水量及水分利用效率和氮肥料偏生产力见表3(已将单盆产量换算为hm2产量)，表中Y，θin，Δθ，W，NUE分别为产量、土壤体积初始含水率、全生育期土壤体积含水率变化量、全生育期耗水量、氮肥偏生产力.表3表明，处理S1与CK相比，产量有所提高，增产率为1.28%，而WUEET基本一致；处理S2及S3在产量和WUEET上均有不同程度的抑制作用，WUEET分别下降了20.45%和52.27%，其中抑制作用最为显著的是处理S3.处理S1的氮肥偏生产力均高于其他3个处理，较处理CK仅提高了1.28%；处理S2和S3的氮肥偏生产力较CK分别降低了19.15%和51.92%.

表3 加工番茄氮肥料偏生产力和水分利用效率

2.4 滴灌加工番茄各指标间的灰色关联分析

按照灰色系统理论的要求，将不同盐碱胁迫程度下加工番茄的产量设为母序列Y0，8个指标参数Pn～Y(NO)设为比较序列X1～X8.按照分析方法的要求，先对各指标参数进行Z-score标准化法，将标准化的结果应用于式(8)—(10)，得到表4数据，表中M，A和a分别为关联系数、关联度和关联序.由表4可以看出，各指标参数与产量的关联序从大到小依次为非光化学猝灭系数，蒸腾速率，净光合速率，光化学猝灭系数，实际光化学效率，气孔导度，非光化学淬灭的量子产量，细胞间CO2浓度.由灰色关联理论可知，关联序越高，比较序列与参考序列越接近，反之则关系越远.

表4 加工番茄产量与各指标间的关联系数、关联度和关联序

因而，关联序的排名及关联度的大小可以表明某一项参数指标与所要分析指标间的敏感程度.各参数指标对产量产生的影响，以NPQ最大，其次为Pn和Tr，Ci最小.

从表4也可以看出，在不同的盐碱条件下，各指标的紧密度和产量之间有不同的表现.在处理S1下，产量和Tr，Pn，Gs，ΦPSⅡ和qP的关联系数达到最大；Y(NO)和Ci在处理S2下关联系数达到最大；NPQ在S3下达到最大关联系数；多数指标在处理S1下与产量拥有很好的关联度.

3 结 论

1)轻度盐碱处理(盐质量比为4.0 g/kg)对加工番茄的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、水分利用效率和氮肥偏生产力无明显的抑制作用；随着盐碱度增加，上述指标逐渐降低，在盐质量比为10.0 g/kg的重盐渍土处理下达到最小值，并出现减产现象.在盐质量比为7.0和10.0 g/kg的中及重度盐化土壤上种植加工番茄，其生育期有提前现象.

2)盐质量比为4.0 g/kg的轻度盐化土壤下的实际光化学效率ΦPSⅡ与1.5 g/kg的非盐渍化土壤无异；7.0和10.0 g/kg的中及重度盐化土对ΦPSⅡ有抑制作用，PSⅡ的光合组织受到破坏及初始光能转换效率降低，影响其内部器官的光合能力，从而影响到加工番茄的生长发育，并且由于非光化学猝灭系数在中及重度盐化土条件下，PSⅡ中心无法以热耗散形式消耗多余的能量，致使加工番茄的光合结构出现损伤.综合分析可知，加工番茄种植在盐质量比为7.0 g/kg的中度以上的盐化土上光合能力显著降低，严重阻碍其生长发育.

3)加工番茄产量与净光合速率、蒸腾速率和非光化学猝灭系数呈高度灰色关联.结合3个参数的生理规律，初步得出适宜加工番茄种植的土壤盐分质量比范围为1.5～4.0 g/kg，可保证加工番茄在非盐渍化土壤和轻度盐化土的土壤上种植有利于加工番茄生长，对扩大加工番茄在盐碱地的种植面积有一定的指导意义.