不同基质下咸、淡水灌溉对番茄生长和品质的影响

武育芳，杨官凯，曹行行，王晓东，张雪艳

(宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

随着经济的发展和人口的增长，我国农业灌溉用水量呈现急剧增长态势，农业灌溉用水量约占总用水量的62%[1]。宁夏地区主要依靠黄河水来满足农业用水需求，但近年来随着经济的发展和生态保护标准的提高，黄河的可用水量逐渐减少，使得淡水资源的供需矛盾日益突出。尽管节水灌溉、高效用水等措施不断推出，但依旧难以满足宁夏地区农业生产对水的需求。而我国地下微咸水分布的面积广，总量大，其中西北地区地下微咸水资源为88.6亿m3·a-1，可开采量为42.390亿m3·a-1[2]，因此利用微咸水缓解农业用水供需矛盾具有很大潜力[3]。

微咸水灌溉具有两面性，一方面为植物生长提供所需要的水分，另一方面长期大量灌溉会导致土壤含盐量升高，甚至使土壤盐碱化，造成植物生长受限、产量和品质下降，最终影响经济效益。因此，减轻盐胁迫对植物的危害成为人们关注的焦点问题。前人对合理灌水制度、添加缓解物质等方面进行了较多研究，其中，添加缓解盐胁迫物质是减轻盐胁迫对植物危害的有效途径之一，而蚯蚓粪和生物炭在缓解盐胁迫、改善作物生长发育方面应用广泛[4-5]。蚯蚓粪是蚯蚓转化废弃物后的二次产物，有很好的通气性和排水性，具有良好的团粒结构和较大的表面积，能够促进许多有益微生物的繁殖与活性，并且具有良好吸收和保持营养物质的能力，因此对作物生长发育有较好的促进作用[6]。生物炭具有丰富的碳元素以及较强的稳定性，且疏松多孔、容重小，可以提高作物对土壤养分的利用率，减少养分淋失，为微生物创造良好的生存空间，在较长时间范围内增强并保持土壤的生产能力[7]。陈莉莉等[8]研究得出，施用蚯蚓粪在短时间内可降低土壤电导率和含盐量，促进青菜生长和产量增加。孙萍等[9]研究表明，蚯蚓粪具有延缓和修复设施草莓土壤盐渍化、促进草莓生长、提高草莓品质和产量的效果。田飞等[10]研究发现，生物炭作为隔盐层可在盐碱土淋洗改良中加快土壤脱盐速率，使得土壤更快到达淋洗终点，缩短淋洗时间，优于传统的砾石隔盐层。朱成立等[11]研究得出，生物炭能缓解微咸水灌溉造成的土壤盐分表聚现象，减轻玉米受盐胁迫的危害程度，使得玉米各生长阶段光合参数与叶绿素含量以及株高和叶面积有所增加，在高矿化度微咸水处理下效果尤其突出。另外草炭作为无土栽培的常用基质也具有一定缓解盐胁迫的能力[12]，但其为不可再生资源，储量有限，因此混合添加其他基质可减少草炭用量，对维持生态环境具有重要意义[13]。

番茄是我国重要的蔬菜作物，对盐分十分敏感。关于灌溉水盐分浓度对番茄生长和土壤盐分影响的研究较多，一定矿化度的微咸水灌溉可调节番茄的风味、色泽和可溶性酸含量, 有利于提高番茄果实中的糖酸比, 改善番茄的品质[14]。吴蕴玉等[15]研究表明EC为3.0 dS·m-1的微咸水灌溉对番茄的生长和产量是安全的，可明显提高番茄果实的密度、可溶性固形物、总酸、Vc和糖酸比，提高番茄品质。Li 等[16]研究发现微咸水和淡水按次交替灌溉一定程度上缓解了咸水灌溉对土壤与作物系统的不良影响，其番茄果实产量仅略低于淡水灌溉，且显著提高了番茄果实含糖量。目前农业生产中对设施番茄水分调控和养分调控等相关研究较多，但在微咸水灌溉条件下添加缓解物质对设施番茄光合特性、产量及品质的研究较少。因此本试验采用草炭基质栽培，设计添加生物炭和蚯蚓粪，并分别进行淡水和微咸水灌溉，研究番茄植株生长、光合荧光特性、果实品质和产量的变化，探究草炭添加生物炭和蚯蚓粪对不同灌溉水质的响应，为微咸水灌溉下番茄的持续高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在宁夏吴忠国家农业科技园区日光温室C区4号棚内进行，该试验地经、纬度分别为106°38′54″ E、38°33′75″ N，海拔高度1 263 m。以番茄为研究对象，番茄品种为安特莱斯。采用下挖槽式栽培，栽培槽长、宽、高为10 m×0.6 m×0.45 m，设计3种栽培基质组合，并进行淡水(f)和微咸水(b)灌溉，共为6个处理，即：(1)草炭+淡水灌溉(Pf)；(2)草炭+微咸水灌溉(Pb)；(3)草炭+蚯蚓粪+淡水灌溉(PEf)；(4)草炭+蚯蚓粪+微咸水灌溉(PEb)；(5)草炭+生物炭+淡水灌溉(PBf)；(6)草炭+生物炭+微咸水灌溉(PBb)。番茄采用双行栽培，行距70 cm，株距45 cm。每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积6 m2。所有处理均采用滴灌供水，全生育期追肥‘以色列海法·魔力丰’(以色列海法(中国)化学集团有限公司生产)，且所有处理灌水量和追肥量一致。微咸水的EC为3 mS·cm-1，淡水EC为1.15 mS·cm-1。草炭基质由宁夏中青农业科技有限公司生产，蚯蚓粪购买自华盛绿能(宁夏)农业科技有限公司，生物炭则是由玉米秸秆经过炭化得到，由山东泰安精农生物科技有限公司生产。

1.2 样品的采集和测定

1.2.1 株高和茎粗 番茄幼苗定植14 d后, 在每个处理小区内选取代表植株5株，测定植株长势，包括株高、茎粗，连续测定4次，取其平均值。株高采用卷尺测量，为番茄根基部到顶部生长点的长度；茎粗采用游标卡尺测定，为茎部距离地面1 cm处的直径。利用测定的株高和茎粗计算株高相对生长率(RGRh)和茎体积相对生长率(RGRd)，计算方法如下：

RGRh=(lnh2-lnh1)/(T2-T1)

RGRd=[ln(d2d2h2)-ln(d1d1h1)]/(T2-T1)

式中,h1、d1和h2、d2分别代表在T1和T2时间的株高和茎粗[17]。

1.2.2 果实品质 盛果期于每个处理小区中选取5个大小均匀、着色统一的代表性果实，测定果实品质。采用折光仪测定可溶性固形物含量，采用钼蓝比色法测定Vc含量，采用酸碱中和转移法测定番茄有机酸含量，采用蒽酮比色法测定可溶性总糖含量[18]。

1.2.3 光合特性 盛果期于每个处理小区中选取长势一致的植株3株，选择在晴天用美国LI-6800便携式光合仪测定叶片光合特性，测定时间为9∶00—11∶00，每个处理重复3次；并用美国PAM-OS5p便携式叶绿素仪测定叶片荧光参数，叶片需暗适应20 min。

1.2.4 干物质量 采集植株样品，将地上部和地下部分开，测定植株鲜质量后置于鼓风烘箱中105℃下杀青, 然后80℃下烘干至恒重, 用天平称量地上部和地下部干物质量。

1.2.5 果实产量 在果实成熟期采收，记录不同处理小区番茄产量，按照小区面积折合公顷产量。

1.3 数据分析

采用Excel 2010进行数据整理，利用SPSS 20.0进行统计分析，均值通过单因素ANOVA进行分析。采用Duncan进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同基质下咸、淡水灌溉对番茄生长的影响

由表1可以看出，各基质处理在淡水和微咸水灌溉下株高和茎体积相对生长率均无显著差异，与淡水灌溉相比，微咸水灌溉下各基质株高及茎体积相对生长率均有所下降，但差异不显著。

表1 不同基质下咸、淡水灌溉对番茄植株株高及茎体积相对生长率的影响Table 1 Effects of brackish and fresh water irrigation on relative growth rate of tomato plant height and stem volume under different substrates

不同基质下咸、淡水灌溉对番茄植株生物量累积的影响见图1，可以看出PBf的总生物量和地上部干物质量均为最高，显著高于Pf和PEf，而PEf和Pf之间差异不显著，PBf相对于Pf，总生物量和地上部干物质量分别显著增加了32.01%和31.21%；在微咸水处理下，相对于Pb，PEb和PBb均有利于总生物量和地上部干物质量的增加，总生物量分别增加了49.41%和63.59%，地上部干物质量分别增加54.04%和61.27%。在相同基质不同灌溉水处理下，与Pf相比Pb均显著减低总生物量和地上部干物质量。PEb相对于PEf显著增加了总生物量和地上部干物质量14.7%和18.03%。PBb和PBf处理下总生物量和地上部干物质量间无显著差异。

2.2 不同基质下咸、淡水灌溉对番茄光合和荧光特性的影响

由图2可以看出，与淡水相比，相同基质下的微咸水灌溉可显著增加WUE，Pb和PBb的Tr、Gs与Ci显著降低，而PEb的Tr、Pn、Gs显著提高。不同栽培基质在淡水灌溉下对Ci无显著影响，与Pf相比，PEf和PBf处理均显著降低了Tr、Pn和Gs，PEf显著降低了WUE，而PBf显著增加了WUE，增幅为8.76%。微咸水灌溉下，PEb与PBb相比Pb提高了Pn和Gs，分别增加13.2%、32.69%和381.75%、71.94%，且PEb显著增加了Tr，提高了111.85%，PBb显著增加了WUE，增幅为23.27%。

由图3可以看出，相对草炭处理(Pf)，添加蚯蚓粪(PEf)和生物炭(PBf)可显著增加Fm和qP，增幅分别为20.84%、8.23%和33.24%、56.71% ，PBf的ETR显著高于Pf和PEf，而Pf和PEf之间差异不显著，但不同栽培基质的Fv/Fm无显著差异。微咸水灌溉下，相对Pb，PEb和PBb显著降低了Fm，且PBb显著增加了qP和ETR，分别增加了58.87%和14.35%，不同栽培基质间Fv/Fm无显著差异。

2.3 不同基质下咸、淡水灌溉对番茄品质和产量的影响

由图4可以看出，淡水灌溉下，PEf的可溶性固形物、Vc和可溶性糖含量均为最高，可溶性固形物显著高于Pf和PBf19.9%和18.37，Vc含量显著高于PBf40.64%，可溶性糖含量显著高于Pf和PBf11.18%和26.91%，且PBf处理的Vc和可溶性糖含量均最低。在微咸水处理下，各栽培基质Vc和有机酸含量间无显著差异，PEb可溶性固形物含量显著高于PBb处理，PBb和PEb处理相对Pb处理显著降低了果实可溶性糖含量。相同基质在不同灌水下可溶性固形物和有机酸含量间无显著差异，而对可溶性糖的影响显著。PEb相对PEf显著降低了果实可溶性糖含量43.77%，而Pb和PBb相对Pf和PBf显著增加可溶性糖含量10.72%和6.25%；对于Vc含量，PBb相对PBf显著增加了37.43%，而Pb和PEb与Pf和PEf之间差异不显著。

由图5可知，微咸水与淡水相比，相同栽培基质下各处理番茄产量均有所降低，但差异不显著，其中草炭添加生物炭在不同灌溉水下均显著高于草炭处理，与Pf相比，PBf处理显著提高产量21.66%；与Pb相比，PBb处理显著提高产量32.26%，而草炭添加蚯蚓粪与草炭处理之间差异不显著。

2.4 不同处理间隶属函数分析与综合排序

由于单一指标不能合理、科学地反映不同基质对番茄生长的影响，因此结合生长指标、产量、品质以及光合荧光特性进行隶属函数综合评价分析。由表2可知，Pb和PBb相对于Pf和PBf处理显著降低了综合排名，而PEb相对于PEf处理排名有所上升。淡水灌溉下，PBf相对于Pf处理提高了综合排名。微咸水灌溉下相对Pb处理，PEb、PBb均增加了综合排名。

表2 不同处理隶属函数综合评价值及排序Table 2 Comprehensive evaluation and ranking of different treatments

3 讨 论

盐分胁迫是影响作物生长发育的重要逆境因素之一,植物对盐分胁迫的生理、生长、品质等响应不同。本研究中各基质处理在微咸水灌溉下对植株的株高及茎体积均无显著影响，其原因可能是测量时盐分累积不明显，还未对植株造成严重的胁迫影响。与Pb相比，PEb与PBb处理在盐胁迫下的总生物量和地上部干物质量均显著增加，总生物量分别增加了49.4%和63.3%，地上部干物质量分别增加了54.04%和61.27%。这可能是土壤中碱解氮、速效磷、速效钾和有机物的含量由于添加蚯蚓粪而得到提高，从而使光合效率提高，进而提高了生物量[19]。生物炭能够提高植物总生物量的原因可能是通过促进生长素而增加植物细胞的扩增，影响细胞壁松弛，从而促进生物量的累积[20]。

光合作用是植物将光能转换为可用于生命过程的化学能的过程，可直接反映植株对逆境的响应能力[21]。本研究表明，Pb和PBb处理相对淡水灌溉显著降低了Tr，这可能由于微咸水比淡水矿化度高，微咸水灌溉使得土壤水势降低，从而影响作物根系吸水，造成生理缺水，使作物主动调低气孔导度，减少蒸腾[22]。PBb相对于PBf处理显著增加了植株的光合速率，这与王建宁[23]的研究一致，可能是在较低的微咸水灌溉下生物炭通过增加通气孔隙、提高土壤透气性，改善养分供应，使植物更容易从土壤中交换营养物质，从而促进植物更好地生长。相对淡水灌溉，PBb处理显著降低了胞间CO2浓度，可能是“气孔”因素导致在中午前后气孔导度降低，造成胞间CO2浓度随之减少。

叶绿素荧光参数能够反映植物光合系统吸收和利用光能的能力[24]。本研究中淡水灌溉相对于Pf，PEf和PBf处理显著增加了Fm和qP值，且PBf增加了ETR值, 说明生物炭和蚯蚓粪的添加有利于提高植株的光合能力[25]，使番茄植株在PSII过程中用于热消耗的光能较少，电子传递效率较高，光合能力较强。微咸水灌溉相对于Pb，PBb处理显著增加了qP和ETR，增加量分别为58.87%和14.35%。这与生物炭改善黄连木叶绿素荧光参数的研究结果一致[26]，施用生物炭后植株的ETR值较对照有显著提高，这与冯美玲[27]得出的结论相同，其原因可能是施用生物炭提高了植株叶片的叶绿素含量，使植株叶片光化学淬灭系数得到提高，增强了电子传递链的稳定性，使得叶片用于光合电子传递的能量占所吸收光能的比例增加，从而提高植物的光能转化效率，增大ETR值、qP值和Fv/Fm值。

此外，大量研究表明，盐分胁迫有利于提高番茄果实的品质[28-29]，本研究得出PEb相对PEf处理显著降低了果实可溶性糖43.77%，这可能是因为蚯蚓粪具有良好的团粒结构，有很好的通气性和排水性，能降低基质的盐分积累，减少渗透调节物质的生成，而造成可溶性糖的含量下降[30]。Pb和PBb相对淡水灌溉显著增加可溶性糖含量，在盐胁迫下, 植物细胞内一些大分子物质趋向于水解，使细胞内可溶性糖含量增加，可溶性糖能提高细胞渗透调节能力和原生质保护能力[31],由此可知草炭和生物炭对盐胁迫的缓解作用略低于蚯蚓粪。PBb相对PBf处理显著增加Vc含量37.43%，有研究表明，肥料中的中量元素可以有效提高Vc含量，而生物质炭自身含有矿质养分(钾、钙、镁、硫、硅等)[32]，并且生物炭能够影响作物体内碳水化合物的合成与分配，提高土壤肥力,提高作物品质。淡水灌溉下，PEf处理的可溶性固形物、Vc和可溶性糖含量均最高，在微咸水处理下，PEb可溶性固形物显著高于PBb，这可能是因为蚯蚓粪中含有大量有益微生物，而微生物对土壤中的有效成分进行活化, 分泌生长素、细胞分裂素、赤霉素等植物激素及大量多糖，促进作物生长，提高作物产量和改良作物品质[33]。同时本研究发现草炭添加蚯蚓粪和生物炭在淡水与微咸水下均有明显增产效果，蚯蚓粪有机肥中大量的氨基酸和植物生长激素对农作物生长有显著促进作用，进而提高作物产量[34]。生物炭可以通过改变土壤结构来提高土壤持水能力[35]，促进作物生长，提高作物产量。

4 结 论

1)各基质处理在淡水和微咸水灌溉下株高和茎体积相对生长率均无显著差异。与草炭处理相比，在淡水灌溉下草炭+生物炭显著增加总生物量和地上部干物质量；在微咸水灌溉下草炭添加蚯蚓粪和生物炭均显著增加总生物量和地上部生物量。

2)相对草炭处理，淡水灌溉下，添加蚯蚓粪和生物炭可显著增加Fm和qP，在微咸水灌溉下，草炭添加蚯蚓粪与生物炭均显著增加光合速率和气孔导度，且草炭+生物炭显著提高WUE、qP和ETR。

3)与草炭相比，淡水灌溉下草炭+蚯蚓粪显著增加果实可溶糖以及可溶性固形物含量，微咸水灌溉下草炭+蚯蚓粪的可溶性固形物含量显著高于草炭+蚯蚓粪处理。各基质处理的产量低于淡水处理，但是相比草炭处理，草炭添加生物炭产量显著增加。

4)综合分析表明，草炭添加生物炭和蚯蚓粪均有利于缓解微咸水胁迫，提高作物生物量。在不同灌溉水条件下，草炭+生物炭的处理综合评价值均为最高。