施钾量对设施基质栽培番茄生长生理及其产量和品质的影响

张 洋，李旺雄，刘晓奇，王俊文，唐中祺*，郁继华，2

(1 甘肃农业大学 园艺学院，兰州 730070；2 甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070)

番茄(Solanumlycopersicum)为茄科番茄属一年生草本植物[1-2]。其果实多汁，味道鲜美，食用方法多样，富含维生素C、可溶性糖、有机酸、矿物质等营养物质，还含有类胡萝卜素、类黄酮和酚酸等对人体有益的生物活性物质[3-5]。番茄因其独特的风味、特殊的口感和其较高的营养价值成为中国人民餐桌上不可或缺的重要蔬菜之一[6]，同时也是北方日光温室及中国设施栽培的主栽蔬菜之一，具有较高的科研和经济价值[7-10]。

钾元素是植物体内多种酶的活化因子，能够平衡及缓冲细胞内的离子，可帮助植物体内物质的转运、合成，并在光合作用方面有着重要的作用[11-12]。钾元素也是植物所必需的大量营养元素，它不仅能显著提高农作物的产量，还能改善产品的品质，所以又被称为“品质元素”[13]。例如，钾肥可以显著提高黄瓜产量[14]，充足的钾肥可以显著增加甜瓜产量，提高甜瓜可溶性固形物含量及抗坏血酸浓度，延长甜瓜的货架期[15-16]。番茄是需钾量较大的作物，施入钾肥可以显著降低番茄果实中硝酸盐的含量，提高番茄果实中番茄红素的含量，减少病果烂果数量，且可以提高果实的糖酸比、可溶性固形物的含量和果实的质量，进而提高加工番茄的品质[17]。

在中国设施蔬菜种植面积不断扩大的同时，随之而来的还有各种问题，特别是施用过量的化肥致使土壤板结及盐渍化，破坏了土壤的群落结构及植物的根际环境，不仅造成土壤环境失调，也造成了蔬菜品质的下降，风味物质的减少或消失[18]。如何合理施用化肥来提高蔬菜品质，让人们吃上健康、富含营养的蔬菜已经成为如今研究者的热门研究方向。因此，本试验以“184”番茄品种为研究材料，在日光温室基质栽培条件下，通过设置不同施钾量来处理，探究设施基质栽培番茄生长生理、产量及品质对不同施钾量的响应特征；同时，在日光温室番茄生产中施用钾肥，测定植株形态、生理生长、产量及品质等相关指标，以筛选出适宜番茄生长发育的施钾量，为今后北方地区冬季日光温室越冬番茄高品质栽培生产提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验设计

本试验在甘肃省榆中县城关镇李家庄栖云山国家田园综合体六区2号日光温室中进行。该温室东西长60 m，跨度为10 m；栽培模式为槽式栽培，栽培槽长、宽、深规格分别为9 m、0.4 m、0.25 m，每槽填充基质体积为1 m3(基质购自甘肃省绿能农业科技股份有限公司)，栽培槽南北向平行排列，槽间留有走道。基质EC为2.2 mS·cm-1，pH为7.8，田间最大持水量为76.55%，容重为583.91 kg·m-3，全N为 1593 mg·kg-1，碱解N为 491.8 mg·kg-1，速效P为 125.6 mg·kg-1，速效K为 341.5 mg·kg-1。温室前茬作物为西瓜。供试番茄品种为‘184’，供试施肥配方使用甘肃农业大学植物营养液配方C(表1)。

试验采用基质栽培，于2019年9月15日进行穴盘育苗，待幼苗长至5叶1心时定植，定植时间为11月2日。共定植37槽，南北向平行排列，槽间距为70 cm，每槽两行(南北行)，每行19株，行间距为40 cm，每槽定植38株。试验以甘肃农业大学植物营养液C为常规钾肥，根据钾肥用量不同，共设4个钾肥处理，T1为常量钾肥(每亩1.06 kg)，T2-T4处理均在每亩施用纯N 0.66 kg、P2O50.35 kg的基础上，再分别每亩施用K2O 1.32 kg(钾肥增量25%)、1.59 kg(钾肥增量50%)、1.85 kg(钾肥增量75%)。本试验采用完全随机设计，每个处理4次重复，每个栽培槽为1个重复(小区)，共设置20个小区。定植前浇灌2次营养液，缓苗结束后每7 d灌溉1次营养液，灌溉方式为膜下滴灌，应用水肥一体化设备。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 生长指标当番茄生长处于开花期(2020-1-10)时，用卷尺测量株高，用游标卡尺测量茎粗，采用红四氮唑法(TTC法)测定根系活力。

1.2.2 光合生理指标当番茄生长处于开花期时，使用 Ciras-2 (PP System Inc., Amesbury, MA 01913, USA)便携式光合仪测定各处理番茄同一片功能叶光合气体交换参数净光合作用速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)；同时使用脉冲式叶绿素荧光仪(FMS-2，Hansatech，Norfolk，UK)测定各处理番茄同一片功能叶的荧光参数PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ有效光化学量子产量(φPSⅡ)、光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(NPQ)。

表1 甘肃农业大学植物营养液配方C(25 kg溶解)基本信息

1.2.3 光合色素含量采用丙酮提取法测定各处理叶片光合色素含量。在番茄开花期，各处理随机采取番茄植株从上往下第3片功能叶，用直径为0.8 cm打孔器采取叶片样品，准确称取0.1 g叶片样品放入25 mL试管中，加入10 mL 80%丙酮，试管口用橡胶塞塞住，套上双层黑色塑料袋，置暗处浸提，每12 h振荡1次，至48 h叶片呈白色时，振荡混匀后于663、645、440 nm下使用紫外可见分光光度计(UV-1800,SHIMADZU, Japan.)测定吸光值OD663、OD645和OD440，用80%丙酮调零。最后使用以下公式计算叶绿素a(Ca)、叶绿素b(Cb)、总叶绿素(Ca+b)和类胡萝卜素含量(Ccar)：

Ca=12.21OD663-2.81OD645;

Cb=20.13OD645-5.03OD663;

Ca+b=Ca+Cb;

Ccar=4.4OD440-0.01Ca-0.45Cb，

1.2.4 果实品质指标及产量在番茄盛果期，选取各处理相同穗数且成熟度一致的番茄测定相关品质指标。其中，番茄果实硬度使用 GY-4 数显式水果硬度计(浙江托普云农科技股份有限公司产品)测定；果实鲜质量使用万分之一电子天平(赛多利斯科学仪器(北京)有限公司产品)称量；将采收的果实用DHG-9141A型恒温鼓风干燥机(上海一恒科学仪器有限公司产品) 105 ℃杀青15 min后，80 ℃ 烘干至恒质量，用万分之一电子天平称量番茄果实干质量；使用游标卡尺测量果实横径、纵径，并计算果形指数(纵横径之比)。使用PAL-1手持式折射计[日本株式会社爱宕(Atago CO.,Ltd.)产品]测定可溶性固形物含量；使用蒽酮-硫酸比色法测定可溶性糖含量[19]；使用2，6-二氯酚靛酚钠染色法测定VC含量[19]；用碱液滴定法测定可滴定酸含量；依据测定结果计算糖酸比(可溶性总糖含量与滴定酸含量之比)。使用考马斯亮蓝 G-250 溶液法测定可溶性蛋白含量[19]；使用紫外吸收法测定硝酸盐含量[19]；番茄红素的提取及测定参照柳帆红的方法[20]，稍加改动，使用高效液相色谱(HPLC)法测定。待番茄果实成熟后，分次进行采收，每次采收时称量并记录每处理单果质量，单株结果数，换算为单位面积产量。

1.3 数据分析

采用Excel 2016软件处理试验数据和作图；使用SPSS 20.0软件，应用LSD和Duncan’s检验法对显著性差异(P<0.05)进行多重比较、描述，应用主成分分析法对测定指标进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 施钾量对设施基质栽培番茄植株生长的影响

株高、茎粗、叶片数和根系活力可直观反映植株和根系的生长情况，是衡量植株是否健壮的重要指标。表2显示，与常量钾肥处理(T1)相比，各施钾量处理(T2-T4)的番茄株高、茎粗、叶片数和根系活力均不同程度增加，且株高和根系活力增幅均达到显著水平，茎粗的增幅在T2和T3处理下也达到了显著水平，而叶片数在各处理下均无显著变化；随着施钾量的升高，番茄植株的株高、茎粗、叶片数和根系活力均呈现先增后减的趋势，并均在T3处理下达到最大值，且均表现为T3>T2>T4>T1；与常量钾肥处理(T1)相比，T3处理设施番茄株高显著提高5.21%，T3、T2、T4处理植株根系活力分别显著增加38.53%、22.12%、21.11%，其余增施钾肥处理相关指标增幅均未达到显著水平。以上结果说明在一定范围内，增施钾肥可以促进番茄植株根系的生长，进而促进根系对水及营养物质的吸收，从而显著促进植株的生长，但当施钾量继续持续升高时这种促进作用会显著减弱，其中以增施50%钾肥的效果最佳。

2.2 施钾量对设施基质栽培番茄植株光合指标的影响

2.2.1 叶片光合色素含量从表3可知，随着施钾量的增加，施钾量处理番茄叶片光合色素含量均表现出先增加后降低的变化趋势，并均在T3处理下达到最高值；与T1处理相比，各增施钾肥处理的叶片叶绿素b含量均无显著变化，其余光合色素含量均显著增加。其中，T3、T4处理间的叶绿素a和总叶绿素含量无显著差异，但均显著高于T2处理，T2、T3、T4处理间类胡萝卜素含量均无显著差异；T3处理番茄叶片叶绿素a、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别比T1处理显著增加33.81%、26.09%和18.57%。可见，增施钾肥有利于设施番茄叶片光合色素含量的增加，并以叶绿素a和类胡萝卜素含量增幅表现更为明显，其中以T3、T4处理的效果最佳。

表2 不同施钾量对设施基质栽培下番茄植株生长及根系活力的影响

表3 不同施钾量对设施基质栽培下番茄光合色素含量的影响

2.2.2 光合气体交换参数测定结果(表4)显示，不同施钾处理下，随着施钾量的增加，各施钾处理的胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率基本均呈现出先升高后降低的变化趋势，并均在T3处理下达到最大值，且各指标均表现为T3、T4处理显著高于T2、T1，而前两者间和后两者间均无显著差异。其中，T3处理叶片的胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率分别比T1处理(常量施钾)显著提高14.42%、28.10%、51.12%、10.62%。可见，增施钾肥有利于设施番茄叶片光合作用的进行，并以T3处理的效果最佳。

2.2.3 叶绿素荧光参数叶绿素荧光参数测定结果(表5)表明，不同施钾量处理间，设施番茄叶片PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ有效光化学量子产量(φPSⅡ)、光化学猝灭系数(qP)均未存在显著差异，但基本都呈现先上升后下降的变化趋势，在T3处理下达到最大。与常量施钾处理(T1)相比，增施钾肥后设施番茄叶片φPSⅡ在T2-T4处理下显著增加，并在T3处理下达到最高值，但T3与T4处理间均无显著差异； T3处理φPSⅡ较T1处理显著提高37.31%。可见，适量增施钾肥可显著促进设施基质栽培番茄叶片光合过程。

2.3 施钾量对设施基质栽培番茄果实品质的影响

2.3.1 外观品质设施基质栽培番茄外观品质测定结果(表6)显示，由于施钾量的不同，设施基质栽培番茄的外观品质发生了许多改变，呈现出不同的变化趋势。随着施钾量的升高，番茄硬度呈逐渐增加趋势，单果鲜质量、单果干质量、果形指数均呈现先增加后下降的变化趋势，并多在T3处理下达到最大值，而含水率呈逐渐降低的趋势。其中，果实硬度在各增施钾肥处理(T2-T4)下均显著高于T1处理(常量钾肥)，T3处理较T1处理提高71.12%，而T2-T4处理间无显著差异。单果鲜质量在各增施钾肥处理下较T1处理分别增加4.57%、18.73%、14.27%，后两者增幅达到显著水平。单果干质量在各处理下的表现与鲜质量相似，T3和T4处理显著高于T1、T2处理，T3处理比T1处理显著增加90.06%，前两者间及后两者间均无显著差异。果实含水率在T3、T4处理间无显著差异，但均显著低于其余处理。果形指数在各施钾肥处理间无显著差异。适量增施钾肥可以显著提高设施番茄果实硬度、单果重，降低果实含水率。

表4 不同施钾量对设施基质栽培下番茄光合气体交换参数的影响

表5 不同施钾量对设施基质栽培下番茄叶片叶绿素荧光参数的影响

表6 不同施钾量对设施基质栽培下番茄外观品质的影响

2.3.2 内在品质图1显示，设施基质栽培番茄各内在品质会显著受到钾肥的影响。随着施钾量的增加，各施钾处理果实的可滴定酸含量先降后升，硝酸盐含量呈升-降-升的变化趋势，并均在T3处理下达到最低值，其余品质指标均呈先升后降的变化趋势，并均在T3处理下达到最大值。其中，各增施钾肥处理(T2-T4)番茄果实可溶性固形物、维生素C、可溶性蛋白、番茄红素含量均显著高于常量钾肥处理(T1)，T3处理又不同程度高于T2、T4处理，T3处理的可溶性固形物、维生素C、可溶性蛋白、番茄红素含量分别比T1显著提高29.75%、134.92%、45.45%、41.76%(图1，A、E、F、G)； T2-T4处理果实可溶性总糖含量和糖酸比也不同程度地高于T1处理，但仅T3处理的增幅达到显著水平，分别比T1显著提高39.05%和67.51%(图1，B、D)；果实的可滴定酸含量表现为T2和T4处理与T1处理均无显著差异，T3处理显著低于其余处理，比T1处理显著降低15.00%左右(图1，C)；果实硝酸盐含量在T2处理下稍高于T1处理，在T3、T4处理下均显著低于T1处理，并以T3处理的降幅最大，达到31.28%(图1，H)。综合各项内在品质指标的表现可知，适量增施钾肥可以显著改善、提高设施番茄品质，有利于品质形成，并以T3处理的效果最佳。

图1 不同施钾量下设施基质栽培番茄内在品质的变化Fig.1 The internal quality of tomato cultivated in protected media under different potassium application rates

2.4 施钾量对设施基质栽培番茄果实产量的影响

由表7可知，增施钾肥在不同程度上促进了番茄产量的增加。随着施钾量的增加，各指标均呈现出先上升后下降的趋势，并均在T3处理下达到最大值。与T1处理相比，T2-T4处理番茄单株果数均无显著变化；单果鲜质量在T2处理下无显著变化，在T3、T4处理下分别显著增加18.73%、13.54%；果实产量也在T2处理下无显著变化，在T3、T4处理下分别显著增加20.87%、19.57%。以上结果说明，增施钾肥均有利于设施番茄产量的形成，并以T3处理(施钾量增加50%，每次施用1.588 5 kg的K2O)增产幅度最大，超过这一范围增产幅度则会降低。

2.5 不同施钾量下设施基质栽培番茄果实品质综合评价

2.5.1 果实生长及品质的主成分分析主成分分析(PCA)是利用降维的思想，通过对指标体系内部结构关系的研究，在损失较少信息前提下，将多个指标转化为相互独立无关联的综合指标，再进行综合评价。新的综合变量可以反映出原来各项指标的主要信息，以此来简化数据结构并找出指标间的相互关系[21-22]。本试验通过对株高、茎粗等16个指标为分析指标进行主成分分析，综合评价番茄各项指标对番茄生长、品质的影响。

经过主成分分析得到主成分特征向量、特征值、方差贡献率和累计方差贡献率如表8所示，本研究按照累计方差贡献率大于99%的原则，选择了3个主成分。其中，第一、二、三主成分的特征值分别为12.373、2.079、1.548，分别代表本试验各处理16项生长、品质指标77.331%、12.997%和9.672%的信息，这3个主成分累计方差贡献率达到100.000%，即可反映原始变量100.000%的信息，因此提取前3个主成分替代原16项指标评价番茄生长、品质。从而对番茄生长、品质的评价由原来16个指标降为3个相互独立无关联的主成分，达到了降维的目的。

2.5.2 果实品质综合评价经主成分分析可知，前3个主成分的累计方差贡献率达到100.000%，所以可以使用这3个主成分来构建分析模型。用各指标的主成分载荷值(表9)除以相对应主成分特征值的开平方根，可以获得3个主成分中每个指标所对应的系数，即特征向量值，以特征向量值为权重构建3个主成分的函数表达式：

Z1=0.15x1+0.06x2+0.08x3+0.12x4+0.26x5+0.25x6-0.26x7-0.01x8+0.22x9+0.24x10-0.23x11+0.23x12+0.20x13+0.23x14+0.17x15-0.27x16

Z2=0.52x1+0.64x2+0.67x3+0.59x4+0.29x5+0.28x6-0.22x7+0.01x8+0.44x9+0.30x10-0.29x11+0.28x12+0.49x13+0.37x14+0.55x15-0.07x16

Z3=-0.33x1-0.27x2-0.05x3+0.26x4+0.05x5+0.21x6-0.19x7+0.80x8+0.06x9-0.26x10+0.35x11-0.33x12+0.07x13-0.21x14+0.10x15+0.25x16

上述3个函数表达式中，x1为株高，x2为茎粗，x3为叶片数，x4为硬度，x5为单果鲜质量、x6为单果干质量、x7为含水率、x8为果形指数、x9为可溶性固形物含量、x10为可溶性总糖含量、x11为可滴定酸含量、x12为糖酸比、x13为Vc含量、x14为可溶性蛋白含量、x15番茄红素含量、x16为硝酸盐含量。以各个成分相对应的方差贡献率作为权重，由主成分得分和对应的权重线性求和即可得到指标的综合评价函数(综合得分：Y=0.77Z1+0.13Z2+0.10Z3)，依此计算出4个施钾量设施基质栽培下番茄生长及品质的综合得分和排序(表10)，各处理得分表现为：T3>T4>T2>T1。说明施钾量增加50%处理(T3)下的设施基质栽培番茄生长及品质最佳，施钾量增加75%处理(T4)次之。

表7 不同施钾量对设施基质栽培番茄产量的影响

表8 番茄果实生长及品质指标主成分分析

表9 番茄果实生长及品质指标三个主成分载荷矩阵

表10 各处理综合得分和排序

3 讨 论

随着中国设施番茄栽培生产面积的不断扩大，人们在番茄生产过程中施用肥料过程中存在极大的不合理性，尤其在施用钾肥方面。为了追求更低的投入或更高的经济效益而过少或过量施用钾肥，致使番茄整个生育期钾肥供应量不足或过量，造成肥料利用效率较低[23-25]，番茄品质及产量下降，资源浪费。过量的施用肥料也会使肥料在土壤中积累，对生态环境造成危害[26-28]。针对不合理的肥料施用现状，如何通过在设施番茄中科学、合理地施用钾肥，提高产量、改善品质是当今设施番茄栽培生产中亟待解决的问题[24]。

3.1 施钾量对设施基质栽培番茄植株生长的影响

株高、茎粗等指标是番茄生长状况最为直观的反映。本研究中，设施番茄植株株高、茎粗、叶片数经过不同施钾量处理后均呈现出不同程度的增长趋势，其中T3处理番茄植株的株高、茎粗最大，显著高于T1处理，这可能是因为钾促进了番茄生长相关酶的活性，进而加快植株生长。此结果与孟庆雪[24]、杨玉珍等[29]、李俊[30]在番茄，以及曹永康等[31]在辣椒上的研究结果一致。同时，根系活力是判断植株根系生理机能的重要指标，根系活力越强，根系对水分和营养物质的吸收能力越强[32]。杨萍等[25]研究发现，番茄根系活力随着施钾量的增大呈现先升高后降低的趋势，本研究结果与之相似，且以T3处理下番茄植株根系活力最高，并显著高于T1处理，说明适量施钾处理会促进番茄根系的生长，致使根系对肥料的吸收能力增强，进而进一步提高设施番茄植株根系活力。

3.2 施钾量对设施基质栽培番茄植株光合作用的影响

光合作用是作物产量形成的基础。本研究中设施番茄植株叶片光合色素经过不同施钾量处理后，含量整体呈上升趋势，这可能是由于钾是某些参与叶绿素合成酶的活化剂。钾素水平也可能因为影响了叶绿素与蛋白质的结合，使得叶片光合能力发生改变。王馨笙等[33]研究发现，钾肥能够提高生姜叶片中叶绿素含量，本研究结果与之相似。同时，宁秀娟等[34]在番茄研究中发现，增施钾肥可以显著提高植株叶片的净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度。在本研究中，增施钾肥处理番茄叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度较T1处理都有不同程度的增加，这与其研究结论一致。另外，叶绿素荧光检测技术能够在植物体无损伤的情况下，从电子传递层面快速、灵敏地检测植物体光合生理状况，测定植物叶片的光合反应速率[35]。在本试验中，随着施钾量的提高，番茄叶片φPSⅡ、Fv/Fm、qP均表现出先升高后降低的趋势，并以T3处理最高，而NPQ变化不显著，但仍以T3处理下番茄叶片最低，说明在一定施钾量范围内，钾素能够提高植物对光能的利用效率，阻止过剩光能转化为热能，进而抑制植物光合作用下降。

3.3 施钾量对设施基质栽培番茄果实产量及品质的影响

本研究中，T2-T4处理番茄单果重、果实产量均显著高于T1处理，并以T3处理单果重、产量最高，这与王剑锋[35]、秦文利等[36]在番茄上的研究结果相符，说明施用一定量钾肥能够促进植物体内有机物的积累，进一步提高番茄单果重、单株果数，从而提高产量。同时，本试验中增施钾肥处理番茄果实果硬度较T1均有不同程度的提高，表明钾可能参与了果皮中的纤维素及果胶的合成，从而提高果实硬度，有利于果品贮藏和方便长距离运输。郎文培等[37]在生菜研究中发现，增施钾肥可以提高生菜干物质的积累量。本研究也发现增施钾肥处理能显著提高设施番茄单果干质量，并以T3处理番茄干质量最大，即钾肥可以提高番茄果实干物质的积累。另外，番茄果实中的可溶性固形物、可溶性总糖、可滴定酸、Vc、番茄红素、可溶性蛋白均是重要的品质指标。本试验研究表明，适量增施钾肥可以不同程度提高番茄果实中可溶性固形物、可溶性总糖、Vc、番茄红素含量，并以T3处理增幅最大，但继续加大施钾量，番茄的品质和产量增幅会下降，这与常蕊[38]、齐红岩等[39]、韩启厚[40]等在黄瓜、番茄上的研究结果一致，表明设施栽培番茄在施钾量增加50%条件下可以有效提高番茄的果实风味，且营养价值更高。可溶性蛋白是重要的营养物质，植物体内的可溶性蛋白可参与各种酶类代谢过程，同时易被人体所吸收利用，参与调节生理功能并为人体提供能量[41]。在本研究中，各增施钾量处理均可以提高设施番茄果实内可溶性蛋白含量，并以T3处理番茄果实可溶性蛋白含量最高，且显著高于T1处理，这与苏苑君[42]在生菜上的研究结果一致。

此外，果实中过多的硝酸盐不仅会对人类身体健康带来危害，也会给生态环境构成威胁。经实验检测结果证明，本研究中T3处理番茄果实内硝酸盐含量均低于其他施肥处理，但高于不施肥对照，说明增施钾肥可以提高氮肥的利用率，进而降低果实内硝酸盐含量。

综上所述，在设施基质栽培条件下，番茄生长(株高、茎粗、根系活力)、光合(光合色素、光合参数、荧光参数)、品质(可溶性固形物、可溶性总糖、Vc、番茄红素等)、产量在一定的范围内随施钾量的增加而提高，一旦超过这个范围这种提高效应不仅不明显，而且还会减少。经综合评价发现，T3处理的得分最高，其次为T4、T2、T1处理，T1处理得分最低。可见，在钾肥增量50%处理下，每次营养液中K2O为1.59 kg时，较常量钾肥处理可显著促进番茄植株的生长，增加光合色素含量，进而促进叶片光合作用效率，改善番茄果实品质，提高产量。