番茄叶片对不同灌溉量的生理响应

范胜男，季延海，刘明池，李 伟，梁 浩，武占会，王丽萍

（1.河北工程大学园林与生态工程学院，河北邯郸 056038；2.北京农林科学院蔬菜研究所，北京 100097；3.农业农村部华北都市农业重点实验室，北京 100097）

0 引言

我国水资源短缺，农业用水十分紧张，降低灌溉量是一种节水措施，有利于提高农业用水的利用效率[1]。番茄是一种具有特殊口感且营养丰富的蔬菜,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[2]。目前关于灌溉量影响番茄栽培的研究较多，Nangare[3]的研究表明过量灌溉不仅不会提高番茄的生长和品质，还会造成水资源浪费。雷喜红[4]的研究表明灌溉量为正常灌溉量的80%时，可以提高果实VC和可溶性固形物。说明适度的减少灌溉量可以提高番茄的品质和风味[5,6]；同时减少灌溉量显著影响植株的生长发育和叶片的光合作用，降低干物质的积累[7]。有研究表明灌溉量减少，番茄植株净光合受到抑制，最大光化学效率降低，抗氧化酶活性升高[8-10]。

在基质栽培番茄中探究减少灌溉量后番茄叶片的响应已有较多研究，但我国基质栽培大多采用营养液外排的开放式栽培模式，不能充分的利用水资源，且造成一定的土壤环境污染[11]。同时一些有机基质稳定性较差，含有有机生物残体，易与营养液反应，长期使用会造成养分累积，对作物生长造成危害[12]。因此本研究是在无土栽培模式下，使用理化性质相对稳定的无机基质，同时采用营养液循环灌溉的封闭式栽培，营养液不外排，精准控制营养液灌溉量。探究不同灌溉量处理下番茄叶片光合参数、叶绿素荧光参数、叶片结构、抗氧化酶系统的变化，揭示相关生理指标之间的联系，为营养液循环利用模式下无机基质栽培番茄科学的灌溉模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2021年8月至2022年1月在北京市农林科学院蔬菜研究中心连栋玻璃温室内进行。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），栽培基质为珍珠岩，营养液配方为北京市农林科学院蔬菜研究中心刘增鑫[13]的地下水改良配方。试验采用番茄品种为‘瑞粉882’，于2021年8月13日播种，9月17日定植，定植后统一进行水肥管理，单株番茄日营养液灌溉总量为2.0 L，营养液EC值为2.0±0.2，pH值为6.2±0.2。于第一穗果实坐果（12月8日）后进行处理，试验设置6个不同营养液灌溉量处理，每株番茄日灌溉总量分别为0.5 L（T1）、0.8 L（T2）、1.1 L（T3）、1.4 L（T4）、1.7 L（T5）、2.0 L（T6），营养液EC值范围为2.4±0.2，pH值不变。

试验采用完全随机设计，每个处理29个栽培槽，每个栽培槽定植2株番茄，合计58株，营养液采用滴灌，每株番茄对应一个滴针，在距离番茄根部5 cm处插入珍珠岩，将营养液直接运输到根系。利用控制器，进行自动灌溉，日灌溉次数为6次，分别为7∶30、9∶30、11∶30、13∶30、15∶30、

17∶00。

1.2 项目测定及方法

1.2.1 生长指标和产量的测定

处理后15 d每个处理选5株用直尺测量株高、叶长叶宽，计算叶面积，游标卡尺测量茎粗。果实成熟后用电子天平称量单果质量计算单株产量。

1.2.2 叶片光合参数的测定

选择晴天上午阳光充足时，采用LI-6400XT（美国，LICOR）对番茄叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）及蒸腾速率（Tr）进行测定，采用6400-02B红蓝光源，流速500 μmol/s，CO2浓度400±2 μmol/mol，小钢瓶二氧化碳浓度（Cɑ）为400 μmol/mol，每个处理3次重复。并计算叶片气孔限制值Ls和叶片水分利用效率WUE。公式如下：

1.2.3 叶绿素荧光测定

首先把番茄叶片用锡纸包住，然后放于暗环境中，处30 min后，设定快门Shutter=1，敏感度Sensitivity=46，光照Act3=0，Act2=10，Act1=56，Super=20，采用Fluor Cam叶绿素荧光成像系统测定叶片初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、光系统Ⅱ的潜在活性（Fv/Fo）、暗适应下最大光化学效率（Fv/Fm）。

1.2.4 叶片显微结构的测定

于晴天上午9∶00-11∶00取番茄叶片叶脉中部左右5 mm×5 mm见方小块，立即置于FAA固定液中，抽真空固定24 h，经脱水、透明、浸蜡、包埋、切片，番红-固绿染色，于蔡司显微镜下观察并拍照。

1.2.5 叶片抗氧化酶活性测定

超氧化物歧化酶（SOD）活性：用氮蓝四唑（NBT）比色法[14]；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚显色法[15]；丙二醛(MDA)含量测定参照的是汤章城TBA(硫代巴比妥酸)显色法[16]；用索莱宝过氧化氢含量试剂盒测定过氧化氢含量；每个处理3次重复。

1.3 数据处理与分析

试验测量数据采用IBM SPSS Statistics 23.0统计软件进行单因素方差分析，采用Duncan进行差异显著性分析；使用Microsoft Excel软件对试验数据进行处理和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉量对番茄生长和产量的影响

由表1可以看出随着灌溉量的逐渐下降，番茄株高、茎粗、叶片数和单株产量都呈下降趋势。T6、T5处理的株高和茎粗无显著性差异，T6处理株高显著高于其他处理组16.60%、14.64%、9.60%、6.20%，T5处理茎粗显著高于T1、T3处理25.19%、14.29%。T4、T5、T6处理叶面积显著高于T1、T2、T3处理，且T4、T5、T6无显著性差异。T4处理单株产量最高，与T6、T5处理差异性不显著，T4处理单株产量显著高于T1、T2、T3处理18.76%、9.08%、3.39%。由此可以看出减少灌溉量，植株生长和产量都会受到一定的影响。

表1 不同灌溉量对番茄生长和产量的影响Tab.1 Effects of different irrigation amounts on tomato growth and yield

2.2 不同灌溉量对番茄叶片光合参数的影响

由图1可知，番茄叶片净光合速率随着不同灌溉量处理时间的延长呈下降趋势，在处理后45 d达到最低，灌溉量越高净光合速率越大。处理45 d时，T6＞T4＞T5＞T3＞T2＞T1，与T1相比T6增加33.93%。胞间CO2浓度随着处理时间的延长，T6处理无明显变化，T4、T5处理逐渐下降，T1、T2、T3处理先下降后上升趋势，30 d出现拐点，此时T2处理最低，T6处理最高；处理45 d时，灌溉量越高二氧化碳浓度越高，且T6显著高于T2。气孔限制值与胞间CO2浓度趋势相反，随着处理时间的延长，T1、T2、T3处理叶片气孔限制值的整体趋势是先上升后下降，30 d时达到最高，T4、T5处理是逐渐上升。处理15 d时，T1处理气孔限制值显著高于T5、T6处理71.43%、81.82%，T5、T6无显著性差异；处理45 d时，T1处理显著高于其他处理4.86%、11.30%、16.75%、29.80%、99.56%。随着处理时间的延长，不同灌溉量处理下水分利用效率变化趋势不同，处理30d时，T1处理显著高于T3、T4、T5、T6处理46.72%、85.75%、74.55%、162.42%，T1、T2无显著性差异，灌溉量越少，叶片的水分利用效率越高。总体上说明相同处理天数下，灌溉量越高，番茄叶片净光合速率、胞间CO2浓度越高，气孔限制值、水分利用率越小，增加灌溉量可以提高番茄叶片净光合速率和蒸腾速率。

图1 不同灌溉量对番茄叶片光合参数的影响Fig.1 Effects of Different Irrigation Amounts on Photosynthetic Parameters of Tomato Leaves

2.3 不同灌溉量对番茄叶片叶绿素荧光参数的影响

Fv/Fm即PSⅡ反应中心光能转化效率，比值越高，光能转化效率越高，当植物受到逆境胁迫时，光能转化效率会降低。由图2可以看出随着灌溉量的增加Fv/Fm逐渐增大，不同处理天数下均在T6处理值最高，T1处理值最低，处理15 d时，T6显著高于T1处理15.71%；处理45 d时，T1、T2、T3、T4无显著性差异。qP表示植物吸收的光能中用于光合的那部分能量，其值越高，说明植物光合作用越好。图2中处理15 d时qP的值随着灌溉量的上升也呈上升趋势，在T6处理达到最高，且T6处理显著高于其他处理；处理45 d时，各处理光化学淬灭系数无显著性差异。NPQ表示植物吸收过量光能时以热耗散形式消耗的部分能量，植物受到胁迫时NPQ值增加。图2中处理15 d时，T1处理最高，T6处理最低，T1处理显著高于T6处理；处理45 d时，T6处理显著低于其他处理组85.56%、107.78%、66.67%、44.44%、58.59%。由此可以看出灌溉量降低，植物叶片受到胁迫，光能转化率下降，光合能力下降，热耗散增加。

图2 不同灌溉量对番茄叶片叶绿素荧光参数的影响Fig.2 Effects of different irrigation rates on the chlorophyll fluorescence parameters of tomato leaves

2.4 不同灌溉量对番茄叶片显微结构的影响

由表2可知，不同灌溉量处理，对叶片的显微结构有一定的影响，随着灌溉量的减少叶片厚度、上表皮、下表皮呈先升高后降低趋势。处理45 d时，叶片厚度、上表皮和下表皮厚度低于15 d，均在T4处理下达到最高，说明减少灌溉量可以提高叶片厚度。叶绿体主要存在于栅栏组织中，栅栏组织与海绵组织的比值越高越有利于叶片进行光合作用。处理15 d时，不同灌溉量处理叶片栅栏组织在T4达到最大，显著高于T1、T2处理51.39%、64.57%，栅海比也是先升高后降低，在T4、T5处理达到最大，且T4、T5处理无显著性差异；45 d时与T1处理相比，其他处理组叶片栅栏组织厚度分别增加了11.76%、16.92%、56.84%、15.97%、11.09%，T4灌溉量处理下叶片栅栏组织厚度增加最多，且不同灌溉量处理，T4处理下栅海比最高，T1处理最低，T2、T3、T5、T6无显著性差异。由此可以看出，在一定范围内减少灌溉量可以提高叶片厚度、叶片的栅海比（见图3）。

图3 不同灌溉量下番茄叶片显微结构Fig.3 Microstructure of tomato leaves under different irrigation rates

表2 不同灌溉量处理对番茄叶片显微结构的影响Tab.2 Effects of different irrigation treatments on the microstructure of tomato leaves

2.5 不同灌溉量对番茄叶片抗氧化酶活性的影响

当植物受到外界环境胁迫时，产生大量的活性氧对植物造成一定的损害。SOD、POD是抗氧化酶，可以有效的清除自由基，减缓胁迫对植物造成的伤害。由图4可以看出，SOD、POD酶活性呈现相同变化趋势，随着处理时间的延长酶活性逐渐下降，不同灌溉量处理呈先上升后下降。处理15 d时，SOD酶活性在T3处理达到最高，显著高于T1、T2处理79.89%、17.78%，同时T2与T4、T5、T6处理组无显著差异；POD酶活性在T4处理达到最高且高于T1、T6处理105.85%、33.36%，且T1与T2、T5与T6无显著性差异。

图4 不同灌溉量对番茄叶片抗氧化酶活性的影响Fig.4 Effects of different irrigation rates on the activities of antioxidant enzymes in tomato leaves

2.6 不同灌溉量对番茄叶片过氧化氢含量的影响

由图5可知，处理45 d各处理H2O2含量均高于处理15 d，处理时间越长，番茄叶片过氧化氢含量越高。处理15 d，随着灌溉量的增加番茄叶片H2O2含量逐渐下降，T1处理显著高于其他处理，其他各处理无显著性差异。在处理第45 d，H2O2含量随灌溉量增加先下降在上升，在T3处理最低，T1、T2处理过氧化氢含量高于T3处理52.00%、59.20%。

图5 不同灌溉量对番茄叶片过氧化氢含量的影响Fig.5 Effects of different irrigation rates on the hydrogen peroxide content of tomato leaves

2.7 不同灌溉量对番茄叶片丙二醛含量的影响

由图6可以看出，丙二醛含量变化趋势和H2O2含量变化趋势相似，随着不同灌溉量处理时间的延长，番茄叶片在处理45 d时丙二醛含量均高于处理15 d。处理15 d时，丙二醛含量随灌溉量增加呈先下降后上升趋势，T1处理丙二醛含量最高，T3处理最低，T2、T4、T5处理组无显著性差异。在处理45 d时，随着灌溉量的增加番茄叶片丙二醛含量逐渐下降，在T4处理达到最低，且与T5、T6无显著性差异，与T1处理相比T4处理丙二醛含量降低了20.07%。

图6 不同灌溉量对番茄叶片丙二醛含量的影响Fig.6 Effects of different irrigation rates on the content of MDA in tomato leaves

3 讨论

水是植物进行光合作用的原料之一，灌溉量的多少直接影响植物的光合作用[17]。在番茄[18]、黄瓜[19]、辣椒[20]上的研究表明随着灌溉量的减少，叶片净光合、Fv/Fm、qP逐渐下降，NPQ和WUE增加，光化学淬灭系数下降，光能传递效率降低，原初反应受到抑制，造成光能过剩，光合作用下降。光合作用下降有两种因素导致，当Ci下降，Ls逐渐增加，光合作用降低受气孔因素影响；反之Ci增加，Ls下降，则是由非气孔因素导致[21]。艾希珍[22]等认为，当叶片衰老时，光合作用下降主要是由非气孔因素限制。本试验结果表明番茄叶片处理后期，T4、T5灌溉量处理下叶片Pn、Ci下降，Ls增加，说明轻度亏缺灌溉叶片受气孔因素影响，但是T1、T2、T3处理Ci增加，Ls降低，说明光合作用受非气孔因素限制，由此可以看出灌溉量过低可能会加速番茄叶片衰老。减少灌溉量会导致叶片Pn、Fv/Fm下降，同时叶片也可以通过提高水分利用效率、增加叶片厚度、提高栅海比来应对一定范围内灌溉量下降带来的损伤[23]。有研究表明适度的减少灌溉量，叶片水分利用效率、叶片厚度和栅海比高于正常灌溉水平[24]。本试验结果表明，处理初期T4、T5灌溉量处理不会对净光合产生很大的影响，叶片可以通过提高叶片的水分利用效率、叶片厚度、栅栏组织厚度、栅海比来适应胁迫。处理15 d时，T4、T5、T6处理Pn无显著性差异，同时T4、T5处理的WUE、叶片厚度、栅海比显著高于T6处理。但不能简单的认为灌溉量越少水分利用效率越高越好，T1、T2处理的水分利用率虽高，同时栅海比下降到最低，净光合速率显著低于其他处理组，且T1、T2处理非光化学淬灭系数高于其他处理组，说明T1、T2灌溉量处理超出植株主动调节范围，叶片结构遭到破坏，植株光合速率受到抑制，与刘洋[25]等研究结果相似。

随着灌溉量的减少，对植物造成一定程度上的水分胁迫，植物体内活性氧产生与清除的动态平衡被打破，酶活性受到抑制，大量活性氧没有及时清除，对细胞造成毒害作用[26]。SOD、POD作为主要的抗氧化酶，能够有效的清除活性氧，减轻营养液灌溉量减少对植物造成的损伤，提高植物的抗旱能力[27]。植物叶片衰老时，SOD酶活性会受到抑制，同时MDA和H2O2的降解能力下降，含量不断累积[28]。本试验中，15 d时各处理SOD和POD酶活性高于45 d，且MDA和H2O2含量低于45d，且T3、T4处理酶活性上升，SOD和POD快速清除自由基，分解H2O2，抑制质膜过氧化产生的MDA。说明胁迫初期，中度亏缺下番茄叶片自身可以做出适应性调节，提高番茄叶片的抗旱能力，应对逆境带来的损伤，T1、T2处理酶活性低于T3、T4处理，说明重度亏缺下抑制了抗氧化酶活性。处理45 d时，经过长期的水分胁迫，SOD、POD酶活性下降。此时番茄叶片代谢紊乱，活性氧自由基累积过多，导致膜质过氧化，产生大量的MDA，膜系统受到破坏，细胞渗透性增大。T1处理SOD酶活性显著低于其他处理，说明灌溉量过低时叶片早衰，与侯梦媛[29]的研究结果一致。

4 结论

不同灌溉量处理对番茄叶片影响显著，随着灌溉量的下降，株高、茎粗、叶面积和产量逐渐下降；Pn、Fv/Fm和qP下降，NPQ和WUE升高，适度的减少灌溉量，可以增加叶片厚度，提高栅海比和抗氧化酶活性，降低MDA和H2O2含量；超出一定范围后，叶片变薄，栅海比下降，抗氧化酶活性下降，灌溉量越低，叶片受到的损伤越大。