咸淡水交替灌溉对南疆设施番茄酶活性及产量品质的影响

辛 朗，马嘉莹，刘 冉，唐茂淞，蒋 敏，王兴鹏

（1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300）

0 引言

新疆南疆地处内陆极端干旱区，蒸发强烈且降水稀少[1,2]，水资源供需矛盾日益尖锐，已成为严重制约南疆地区农业及经济社会可持续发展的最主要因素。然而，南疆地区拥有丰富的地下咸水资源[3]，合理利用咸水是解决当前南疆水资源短缺的有效途径之一。番茄是一种耐盐能力较强的设施作物，较为适宜咸水灌溉。在南疆地区开展设施番茄咸水灌溉研究，将为区域合理发开利用咸水资源提供借鉴和参考。目前，咸水利用主要有咸水、咸淡水混灌和咸淡水交替灌3种方式[4]，其中混灌和交替灌溉对土壤盐分积累具有一定的减缓作用而被广泛采用[5]。有研究表明，咸淡水交替灌溉能够显著提高玉米、小麦等作物产量品质[6-8]。在玉米不同生育阶段选择咸淡水按次交替灌溉，能够提高水分利用效率，缓解土壤盐渍化，促进玉米产量品质提高[9,10]。咸水矿化度小于3.5 g/L时，采用先咸后淡的灌水方式能够提高葡萄果实品质，且使土壤积盐程度最小[11]。当咸水矿化度超过3 g/L时，灌溉会抑制番茄生长，但对产量影响不大[12]。对于矿化度为2～4 g/L的咸水，当灌水定额相同，咸水灌溉在保证番茄产量和水分利用效率的同时可显著提高果实品质[13]。相较于淡水灌溉处理，咸水灌溉会提高番茄果实可溶性糖含量，但降低了果实淀粉含量和转化酶活性[14]。在淡水缺乏地区，咸水资源会作为灌溉补充水源而被加以利用，采用咸水灌溉不仅要考虑作物耐受性，还需关注其对土壤带来的次生盐渍化问题，为此，选择适宜的咸水利用方式就显得至关重要。本文基于国内学者已有研究基础，以南疆设施番茄咸水灌溉为研究对象，试验设置了3种咸淡水交替灌溉方式，探讨了不同交替灌溉对南疆设施番茄水盐胁迫响应及产量品质影响，在确保不发生土壤次生盐渍化前提下，初步得到了适宜设施番茄生长需求的咸水灌溉利用方式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在阿拉尔市塔里木大学水利与建筑工程学院试验基地（北纬40°32′30″、东经81°17′53″，海拔1 020 m）的日光温室内进行，温室昼夜温度分别为（30±2）℃和（28±2）℃，光照强度600 μmol/（m2·s），日照时间14 h/d。本地区年降水量为40.1～82.5 mm，年蒸发量高达1 976.6～2 558.9 mm，气温在10.8～14.5℃，属于大陆性极端干旱荒漠气候，试验区地理位置见图1。试验区土壤质地为砂壤土，土壤特性基本参数见表1。

1.2 试验设计

番茄品种为“秦岭蔬越”，2021年3月10日定植，7月10日拉秧，生育阶段划分见表2。灌溉方式为咸淡水交替滴灌，咸水矿化度3.5 g/L（取自当地地下水），设置W1（淡-咸-咸）、W2（淡-咸-淡）和W3（咸-淡-淡）3个灌溉处理，并以淡水灌溉（CK）对照，每个处理3次重复。

表2 番茄生育期划分Tab.2 Tomato fertility stage division

番茄种植方式为一垄两行一带起垄栽培模式，垄肩宽60 cm，垄高20 cm，垄间距60 cm，株行距30×40 cm，种植模式见图2。选用滴头间距30 cm，流量3.0 L/h的内镶贴片式滴灌带。番茄灌水定额30 mm，全生育期灌水10次[15]。施肥方式为随水施肥，开花期和结果期施用高钾肥（N-P2O5-K2O为12-6-40），其他生育阶段以平衡肥为主，施用量45 kg/hm2。田间管理措施与当地生产实践保持一致。

图2 种植模式（单位：cm）Fig.2 Planting pattern

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水盐测定

在番茄移栽前及各生育阶段末，取土测定土壤盐分值，取样位置为滴头正下方，深度为10、20、40、60和80 cm，土样在105℃烘箱内烘干，取20 g土样经研磨后过筛，按照水土比5∶1浸提液用电导率仪（DDP-210）测定土壤电导率（EC）。

1.3.2 植株生长指标测定

番茄移栽后，每个试验处理小区随机标记6株长势一致的样株，监测番茄各生育阶段末株高和茎粗。从植株基部用卷尺（0.1 cm）测量株高；茎粗用电子游标卡尺（0.01 mm）测量，用十字交叉法读数，取其平均值。

1.3.3 叶片生理指标测定

在番茄开花结果期，每个试验小区选取3棵样株，每个样株随机摘取3片叶测定酶活性。其中，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶（CAT）活性用ELISA酶联免疫检测试剂盒测定[16]；丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸测定法[17]；脯氨酸(PRO)含量用酸性茚三酮显色法测定[18]；可溶性糖(SS)用蒽酮比色法测定[19]；可溶性蛋白(SP)用考马斯亮蓝G-250法测定[19]。

1.3.4 番茄品质及产量

在番茄开花结果盛期（6月29日），每个小区随机选择6个鲜果测定品质。可溶性固形物用手持折射仪（ATAGO-P32，Japan）测定；还原性糖用斐林试剂法测定[20]；硝酸盐用硫酸-水杨酸法测定[16]；Vc用二氯酚靛酚滴定法测定[21]。进入番茄采摘期后，间隔2～5 d采收1次，每个小区按实收果实称量并计算亩产。

1.3.5 灌溉水利用效率计算

灌溉水利用效率（IWUE）计算公式为[22]：

式中：Y为番茄产量，kg/hm2；I为全生育期内灌溉定额，m3/hm2。

1.4 数据处理及分析

采用Microsoft Excel 2018对数据进行整理分析，使用Origin 2018，ChiPlot进行绘图，利用SPSS 25对数据进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 咸淡水交替灌溉对番茄生育期及竖向土壤盐分动态变化的影响

由图3可知，不同咸淡水交替灌溉处理下，随番茄生育期土壤盐分含量出现逐渐累积趋势，苗期土壤盐分积累程度较低，至收获期土壤盐分呈现较大幅度增加。W1、W2处理土壤盐分以表层积聚为主，随着土层深度的增加逐渐减小，W3处理土壤盐分表聚程度较轻，但随着土层深度的增加盐分有向下淋洗趋势，而CK处理在整个番茄生育期土壤盐分变化不大较为稳定。不同的咸淡水交替灌溉方式、灌水次数均会导致土壤积盐但程度略有不同，整体表现为W1＞W2＞W3。

图3 不同咸淡水交替灌溉处理番茄生育期土壤盐分动态变化Fig.3 Soil salinity dynamics during tomato fertility in different alternate saline and freshwater irrigation treatments

2.2 咸淡水交替灌溉对番茄叶片渗透物质和酶活性的影响

由表3可知，咸淡水交替灌溉后，W2、W3处理番茄叶片丙二醛（MDA）均高于对照，较CK分别提高26.8%和28.3%，而W1处理与对照处理叶片丙二醛差异性不显著（P＞0.05）。W1、W2、W3处理番茄叶片脯氨酸较对照处理分别增加175.08%、142.97%和20.9%。W2、W3处理番茄叶片可溶性蛋白较对照分别增加33.73%和75.6%，但W1处理较对照降低26.75%。番茄叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶（CAT）活性较对照均有不同程度提高，其中W2、W3处理各酶活性提高较为明显，W1处理酶活性变化较小。说明不同咸淡水交替灌溉后，由于土壤盐分累积程度不同，使得番茄受到盐分胁迫存在差异，导致叶片内丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶（CAT）对盐胁迫响应不同。

2.3 咸淡水交替灌溉对设施番茄株高、茎粗的影响

不同咸淡水交替灌溉处理番茄生育期内株高和茎粗变化见图4。由图4可知，不同处理番茄全生育期株高和茎粗变化趋势一致，即生育初期生长缓慢，进入开花期后生长明显加快，到结果盛期后生长放缓直至停止。总体来看，W2和W3处理番茄株高与茎粗较对照处理分别增加1.3%和17.8%、7.5%和28.1%，而W1处理株高较对照处理降低3.5%，茎粗增加1.7%，但差异性不显著（P＞0.05）。由此说明咸水灌溉在一定程度上会促进番茄的生殖生长。

图4 各生育期内设施番茄株高和茎粗变化Fig.4 Changes in height and stem thickness of tomato plants in facilities during each reproductive period

2.4 咸淡水交替灌溉对番茄产量品质的影响

由表4可知，不同咸淡水交替灌溉对番茄品质影响的差异性显著（P＜0.05）。W1、W2和W3处理VC和总酚含量较对照分别提高19.1%和31.6%、21.2%和47.4%、33.3%和52.6%。W2、W3处理番茄可溶性固形物、硝酸盐较对照分别提高6.8%和5%、17.4%和16.4%，而W1处理较对照降低4.3%和38.6%。W1和W3处理番茄可溶性糖含量较对照降低7.5%和4.6%，但W2处理较对照提高9.5%。W1、W2和W3处理番茄酸含量较对照分别降低28.6%、10%和7.1%。

表4 不同处理下番茄品质指标Tab.4 Quality indicators of tomatoes under different treatments

由图5可知，W3处理番茄产量较对照增加16.9%，而W1和W2处理较对照产量分别降低26.2%和4.2%，各处理灌溉水生产效率变化与产量变化相对应。综合考虑咸水灌溉对番茄产量和品质影响得出：W3处理是适宜设施番茄灌溉需求的咸淡水交替灌溉方式。

图5 番茄产量和灌溉水生产效率Fig.5 Tomato yield and irrigation water production efficiency

2.5 土壤盐分与番茄叶片酶活性相关性分析

由图6可知，盐分胁迫对番茄叶片过氧化氢酶（CAT）及脯氨酸(PRO)的影响较大，二者与土壤盐分呈现极显著性正相关（P＜0.01），与叶片可溶性糖（SS）呈显著性正相关（P＜0.05），但与番茄叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）及丙二醛（MDA）含量相关性不显著，但不能说明三者不受盐胁迫影响，只是程度相对较小。而可溶性蛋白（SP）与土壤盐分呈负相关关系，但显著性不强，各生理指标之间也存在相关性。

图6 土壤盐分与番茄叶片生理指标相关性分析图Fig.6 Correlation analysis between soil salinity and enzyme activity of tomato leaves

3 讨论

咸水灌溉会造成土壤盐分积聚形成胁迫危害，阻滞作物根系吸水，从而影响作物生长和产量品质[23]。本文分析了咸淡水交替灌溉对设施番茄土壤盐分动态、生长及生理指标和产量品质的影响，试验得出不同咸淡水交替灌溉方式下各土层土壤盐分积聚程度不同，先淡后咸在番茄后期表现为土壤盐分积聚明显，而先咸后淡在番茄生长前期盐分含量较高，但经过两次淡水淋洗后，盐分将被淋洗到60 cm土层以下，降低了对番茄的胁迫危害，这与刘云山等[11]的研究结果相符。对比分析不同咸淡水交替灌溉后，W1（淡咸咸）处理土壤盐分含量相对最高，W2（淡咸淡）处理次之，W3（咸淡淡）处理土壤盐分积聚量最小，这与杨培岭[10]研究结果一致。苏瑞东等[24]采用先咸后淡的方式对枸杞灌溉试验得出，经过咸水灌溉后的两次淡水淋洗，能够有效降低土壤盐分胁迫作用，且不会对枸杞产量品质产生影响，这与本文W3处理分析结论相同。相对于直接咸水灌溉，咸淡水轮灌模式能有效缓解盐分胁迫对棉株根系影响，从而促进棉花生长高产[25]，通过AquaCrop模型模拟结果表明咸淡水轮灌是一种较为高效的咸水利用和提高小麦产量的灌水方式[26]。综合比较，本试验W3（咸淡淡）处理番茄可溶性固形物、硝酸盐、Vc、酸含、总酚及产量均高于其他处理，说明采用咸水灌溉时，应选择适宜的咸淡水交替灌溉方式，在保证土壤不出现盐渍化的同时，对番茄产量品质具有促进作用，这与袁成福等[27]采用咸淡水轮灌方式能够提高作物产量研究结果相似。

受环境胁迫时作物可通过体内各渗透调节物质变化维持细胞压力势和促进代谢活动，从而保证逆境下作物的正常生长[28]。咸淡水交替灌溉后，番茄叶片渗透调节物质含量均有不同程度增加，其中W2、W3处理番茄叶片丙二醛（MDA）和可溶性蛋白含量均显著高于W1处理，而W1处理脯氨酸含量要高于W2、W3处理，说明W1处理番茄氧化胁迫程度较为严重，叶片丙二醛和脯氨酸含量较对照提高不显著，这与张贝贝等[29]认为随着盐分含量增加，作物MDA含量呈不明显增大的结果一致，但与廖扭等[30]研究发现盐胁迫造成番茄MDA含量逐渐提高的结果不同，主要原因是番茄品种不同所致，说明品种不同会造成番茄遭受氧化胁迫程度存在差异[31]。由此可知，采用咸淡水交替灌溉的W2（淡咸淡）和W3（咸淡淡）处理番茄自我调节能力较强。

作物体内保护酶系统在非生物胁迫下会发挥重要调节作用，主要通过改变各种保护酶活性来提高自身抗逆性[32]。不同咸淡水交替灌溉处理后，番茄SOD、POD和CAT活性均有不同程度提高，说明盐胁迫使番茄体内活性氧代谢失调，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等内源活性氧清除剂构成的酶保护系统被激活，以减缓胁迫对番茄造成的危害[33]。W2、W3处理各类酶活性较对照提高明显，而W1处理酶活性变化较小，总体表现为W3＞W2＞W1。W1处理番茄受到盐胁迫最强，但酶活性较低原因可能是过量盐分胁迫引起的离子毒害破坏了酶结构和蛋白质合成[34]。通过相关性分析可知，盐分胁迫对番茄叶片过氧化氢酶（CAT）及脯氨酸(PRO)的影响较大，土壤盐分与二者呈现极显著性正相关，与叶片可溶性糖(SS)呈显著性正相关，与可溶性蛋白(SP)与土壤盐分呈负相关关系，但显著性不强，与上述盐胁迫下番茄体内酶活性和渗透调节物质含量变化研究结果一致。

4 结论

（1）W3处理（咸淡淡）对土壤盐分具有淋洗作用，盐分表聚程度较轻，随着土层深度增加盐分有向下淋洗趋势。而W2（淡咸淡）和W3（咸淡淡）处理土壤盐分表聚较为严重，盐分值随着土层深度增加逐渐减小。

（2）不同咸淡水交替灌溉均会对番茄产生胁迫危害，番茄叶片CAT、SOD和POD等酶活性显著增强，渗透调节物质含量增加，提升了番茄抗性。但是由于土壤盐分累积程度不同，使得番茄受到盐分胁迫存在一定差异。通过相关性分析可知，盐分胁迫对番茄叶片过氧化氢酶（CAT）及脯氨酸(PRO)的影响较大，土壤盐分与二者呈现极显著性正相关，与叶片可溶性糖(SS)呈显著性正相关，与可溶性蛋白(SP)与土壤盐分呈负相关关系，但显著性不强，

（3）综合比较分析不同咸淡水交替灌溉处理可知，W3（咸淡淡）处理番茄可溶性固形物、硝酸盐、Vc、酸含、总酚及产量均高于对照。可将W3处理作为番茄咸水利用的推荐方式。