富氢水岩棉培对樱桃番茄耐盐性及产量品质的影响

李湘妮 张 晶 刘诗华 伍倩慧 王怡玫 司 雨 单既亮

（佛山市农业科学研究所 广东佛山 528000）

无土栽培是设施蔬菜栽培的一个重要模式，Ca（NO3）2是目前无土栽培中用的最广泛的氮源和钙源肥料， 特别是钙源， 绝大多数营养液配方都是由Ca（NO3）2来提供。 有研究报道，Ca（NO3）2胁迫引起严重的氧化损伤和代谢紊乱，降低黄瓜和番茄的产量[1]。番茄无土栽培过程中， 由于栽培基质重复多次使用而导致Ca（NO3）2过量积累，从而使得番茄正常生长受阻。因此，如何缓解无土栽培 Ca（NO3）2次生盐渍化问题、降低蔬菜硝酸盐含量，提高蔬菜营养品质引起了越来越多的关注。 积极采取栽培和管理措施控制无土栽培蔬菜硝酸盐大量积累具有重要现实意义，也是当前研究的一个热点。

氢气（H2）是已知最轻的双原子分子，无色无味。近年来，越来越多的研究显示，氢气可以作为一种气体信号分子，参与调控植物对生物胁迫和非生物胁迫的响应，促进植物的生长发育。 如：氢气缓解苜蓿和小白菜的镉胁迫[2-3]；缓解拟南芥和水稻的盐胁迫[4-5]；缓解玉米的高光胁迫[6]；促进黄瓜不定根的生成[7]；提高萝卜芽苗菜中花青苷的含量[8]；Zeng 等[9]在水稻中研究发现， 外源添加富氢水能够显著地提高植物内源激素含量，如脱落酸、乙烯和茉莉酸等，从而提高植物对环境胁迫的响应能力。

随着H2在高等植物领域研究的不断深入， 其作用机理会越来越清楚，但是对于富氢水（HRW）的制造方法、 富氢水在作物中的应用和操作规程鲜有研究，而关于番茄无土栽培过程中，如何利用富氢水来缓解Ca（NO3）2过量积累而导致的次生盐胁迫问题的研究更是空白。 本研究在前期工作的基础上， 采用Ca（NO3）2胁迫处理，分别使用自来水（CK）和富氢水（HRW）对樱桃番茄进行灌根处理。 通过比较盐胁迫条件下，CK 和HRW 处理对樱桃番茄耐盐性和产量、品质的影响，初步探究HRW 缓解无土栽培Ca（NO3）2次生盐渍化问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

岩棉栽培多适用于无限生长型、 抗性强且可以长季节栽培的品种。 本研究选用荷兰瑞克斯旺公司提供的樱桃番茄品种72-192，植株为无限生长型，早熟性好，适合南方全年保护地种植。 果实红色鲜亮，单果重12~23 g，单串留果8~10 对，岩棉栽培产量可达25 kg/m2，可单果采收也可串收，果实口味极佳，商品性好。

1.2 富氢水制备

富氢水制备方法：采用水电解制氢法，制氢设备主要由电解槽和纳米泵组成， 首先将蒸馏水倒入电解槽，在电流的作用下，将水分子分解成氢离子和氧离子，在电场的作用下负氧离子向阳极运动，在阳极失去电子，形成氧气排出；氢以水合离子的形式通过离子膜，到达阴极并得到电子形成氢气，氢气通过纳米泵， 纳米泵将氢气破碎成粒径大小在30 μm 以下的气泡溶解在水中， 从而使空气和水的接触面积增加10 000 倍，水体中的溶氢浓度也随之增加，即可生成富氢水。 制出的富氢水浓度约1 mg/L。

1.3 试验设计

试验于2021 年8 月至2022 年5 月在佛山市三水区佛山市农科所岩棉栽培温室进行。 试验设3 次重复， 随机区组排列。 秧苗于 8 月 10 日播种，9 月15 日定植， 种植密度为 2.5 株/m2，1 月达到盛收期，翌年5 月拉秧。 番茄定植后， 用富氢水淋灌作定根水，2 周后，将营养液中硝酸钙含量提高30%，营养液浓度设置为3.5 ms/cm， 连续供肥2 周， 使秧苗出现严重肥害后， 营养液改为正常配方供肥， 并开始浇灌富氢水， 以后每隔10 d 淋灌1 次富氢水， 浓度为0.9 mg/L 左右，每次淋灌500 mL/株，淋灌前，提前一晚控肥水，翌日上午9:00 后淋灌富氢水，淋灌2 h 后恢复正常供肥。 对照为淋灌自来水，时间和用量同富氢水，3 次重复。营养液夏季每天淋灌7 次，每天淋灌量约为700 mL/株；冬季每天淋灌5 次，每天淋灌量约为500 mL/株。

1.4 测定方法

每小区随机抽取5 株标记记录植株生长情况，包括株高、茎粗、单株果穗数等指标。 待番茄恢复正常生长后， 每小区分别取盛果期果实用考马斯亮蓝G-250 染色法测定可溶性蛋白， 滴定法测定可滴定酸， 折光仪测定可溶性固形物和糖含量，2,6-二氯酚靛酚钠滴定法测定维生素C 含量， 水杨酸消化比色法测定硝酸盐含量。 采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法[10]测定丙二醛（MDA）含量，氮蓝四唑（NBT）还原法[11]测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，以抑制光化还原50%为1 个酶活性单位；参照OMRAN[12]的方法测定过氧化物酶（POD）活性；按 Chance 和 Maehly[13]的方法测定过氧化氢酶 （CAT） 活性； 参照 NAKAN0 和ASADA[14]的方法测定抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性；酸性茚三酮法测定脯氨酸（Pro）含量。

1.5 营养液管理

正常营养液配方：按照按每1 t 营养母液含硝酸钙 59 kg、硝酸钾 40.4 kg、硫酸镁 24.6 kg、磷酸二氢钾 13.6 kg、硫酸钾 4.1 kg、EDTA-2NaFe13% 2 000 g、硼酸 286 g、硫酸锰 213 g、硫酸锌 22 g、硫酸铜 8 g、钼酸铵2 g，将原材料配制成A、B 2 种浓缩100 倍的母液，分别装入A 母液罐和B 母液罐内。其中A 母液由钙盐、 螯合铁混合配制；B 母液以其他大量元素和微肥混配而成。 定植后，樱桃番茄不同生育时期适宜的灌溉营养液EC 值和pH 范围： 营养生长期EC 值2.5～3.0 ms/cm，pH 5.8 左右； 开花结果期 EC 值 3.2~3.6 ms/cm，pH 5.5~6.2。

2 结果与分析

2.1 富氢水灌根处理对高盐胁迫下樱桃番茄叶片抗氧化系统的影响

丙二醛（MDA）是脂质过氧化的主要产物，其含量高低可以反映植物膜系统的受伤程度。 由表1 可知，与自来水（CK）相比，富氢水（HRW）处理的樱桃番茄叶片中MDA 含量明显降低了8.65%， 说明富氢水灌溉可以明显减少樱桃番茄叶片细胞膜受损程度。

POD 作为植物内源的活性氧清除剂， 逆境中维持较高的酶活性， 才能有效地清除活性氧使之保持较低水平，减少其对膜结构和功能的破坏。 SOD 是生物体内普遍存在的金属酶，在酶促保护系统中，它与POD 酶、CAT 酶、APX 酶等酶协同作用， 防御活性氧或其他过氧化物自由基对细胞膜系统的伤害， 处于核心地位。 SOD 酶活性可以间接反映植物抗逆性的高低。HRW 处理的叶片 SOD、CAT、POD 和 APX 活性均显著上升， 分别升高了23.3%、13.42%、26.67%和25.71%，说明HRW 可通过提高抗氧化酶活性清除活性氧（ROS），减轻高盐胁迫对番茄叶片细胞膜的伤害。

游离脯氨酸（Pro）是植物细胞内重要的渗透调节物质， 含量越高越有利于细胞持水和生物大分子稳定。 由表 1 可知，HRW 处理的 Pro 含量较 CK 明显升高，提高了14.19%，可见利用HRW 灌根处理可通过提高高盐胁迫下番茄叶片的渗透调节能力， 增加幼苗吸水量或减少植株失水量， 这是番茄耐盐性增强的重要机理之一。

表1 富氢水灌溉对樱桃番茄叶片抗逆性的影响

2.2 富氢水灌根处理对高盐胁迫下樱桃番茄根部抗氧化系统的影响

对于根系的抗逆性测定发现 （表2）， 与叶片相比，根系MDA 含量有所增加，说明高盐胁迫下，根部细胞膜损伤程度较叶片严重， 这和高浓度Ca（NO3）2直接作用到根部有关。 HRW 处理的MDA 含量较CK有所升高，但不显著，说明番茄不同部位对H2的敏感度不同，其作用机理仍需进一步研究。

表2 富氢水对樱桃番茄根系抗逆性的影响

CAT、POD、APX 活性和 Pro 含量则均显著升高，分别升高了15.49%、32.57%、34.35%和29.79%。表明HRW 可通过提高抗氧化酶活性清除活性氧（ROS），减轻高盐胁迫对番茄根部细胞膜的伤害， 提高番茄根部的渗透调节能力， 利于细胞持水和生物大分子稳定。

2.3 富氢水灌溉对樱桃番茄产量和品质的影响

由表3 可知， 高盐胁迫下，HRW 处理的番茄株高、茎粗、单果重、果实硬度、果穗数和产量明显优于CK， 分别增加了 6.11%、8.03%、19.2%、3.24%、7.95%和6.02%。 说明富氢水淋灌根部，可有效缓解盐胁迫危害，明显促进樱桃番茄营养生长，提高产量。

表3 不同处理对盐胁迫下樱桃番茄产量的影响

由表4 可知， 高盐胁迫下，HRW 处理的樱桃番茄果实蛋白质含量显著提高了25.81%；维生素C、可溶性固形物、总糖含量、糖酸比也明显高于CK 处理，硝酸盐含量明显下降了2.48%，说明樱桃番茄生长期间灌溉富氢水可明显提高果实品质。

表4 不同处理对盐胁迫下樱桃番茄品质的影响

3 讨论与结论

3.1 讨论

近年来的研究证实， 氢气作为一种新的信号分子参与植物对逆境的响应， 在抵御植物对干旱、盐渍、重金属等非生物胁迫中有重要作用。 植物在盐胁迫条件下会发生膜透性增强和膜脂过氧化现象。 作为膜脂过氧化的产物，MDA 会损害细胞生物膜并抑制保护酶的活性[15]。 Xu 等[16]的研究发现，富氢水可减少盐胁迫下水稻丙二醛积累量。 在本试验中，高盐胁迫下， 番茄叶片中的MDA 含量急剧增加， 与CK 相比，HRW 处理的MDA 含量增加幅度较小，叶片受伤程度明显减轻。 可见氢气可减轻高盐引起的膜脂过氧化伤害，与前人研究结果一致，这对提高樱桃番茄的耐盐性具有重要意义。

植物体内存在两类保护系统，一类是包括SOD、POD、CAT、APX 等在内的酶促保护系统，另一类是包括GSH、AsA 等在内的非酶促保护系统。 在酶促保护系统中，SOD 是植物抗氧化系统的第一道防线，其主要作用是使Mehler 反应中产生的活性氧（ROS）转化成 H2O2， 然后通过 POD、CAT 等将 H2O2分解为 H2O和 O2－[17]。 APX 能通过 AsA-谷胱甘肽-NADPH 循环，清除H2O2和O2-[18]。 前人研究证明，氢气可以通过增加抗氧化酶如CAT 和SOD 等的活性来保护细胞[19-20]。Cui 等[21-22]的研究表明，富氢水可增加 SOD、POD 和APX 等抗氧化酶的活性， 并增加一些非酶类抗氧化物的含量，如GSH 和AsA，帮助植物对抗镉、汞毒害带来的氧化损伤。 本试验结果表明，高盐胁迫下，樱桃番茄叶片和根部的 SOD、CAT、POD、APX 活性均显著升高， 说明HRW 能够增强樱桃番茄的抗氧化能力，抑制ROS 的产生和积累，这是氢气提高樱桃番茄耐盐性的重要机理。

高盐胁迫下， 樱桃番茄叶片和根部的脯氨酸（Pro）含量也明显升高，即作物会主动积累渗透调节物质，提高细胞液的渗透压，增加蛋白质分子的水合度，增强细胞的吸水和保水能力[23]。 HRW 处理的Pro的含量明显大于CK，表明氢气能通过增加高盐下樱桃番茄叶片和根部的渗透调节物质含量提高其渗透调节能力，从而减轻高盐伤害，这是其耐盐性增强的重要原因之一。 在本研究中，盐胁迫条件下，樱桃番茄叶片MDA 含量增加， 外源添加HRW 减少了叶片MDA 的积累， 说明外源添加HRW 降低了盐胁迫条件下樱桃番茄细胞膜的损伤。

本研究中， 富氢水处理明显增加了盐胁迫下樱桃番茄的株高、茎粗、单果重、果实硬度、果穗数和产量，果实品质也得到明显改善，表明外源添加富氢水可能通过降低细胞膜损伤程度，提高抗氧化酶活性，进而促进植株生物量的积累，提高品质。

3.2 结论

富氢水处理可以减少高盐胁迫下樱桃番茄叶片中丙二醛在细胞内的积累， 提高渗透调节物质脯氨酸和过氧化物酶的活性，并促进樱桃番茄的生长，提高其产量和品质。 综上所述，富氢水能通过提高抗氧化系统活性及渗透调节能力来增强樱桃番茄的耐盐性，提高产量及品质。