生育期水分亏缺和施氮对设施番茄叶片酶活性和水氮利用效率的影响

李旭峰，马娟娟，郑利剑，孙西欢，郭向红

(太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

设施农业是传统农业向现代农业转化的必由之路，适合在我国年降水量较少、气候寒冷、日照充足的干旱半干旱地区发展[1]。近年来，受经济效益的驱使，广大农民为了获得短期的经济效益，通过大量浇水和增施化肥来达到高产目的，这不仅不利于水肥利用率的提高，还使果实品质降低，甚至造成土壤环境污染[2-5]。因此，对作物进行适当的亏水和减施化肥势在必行。

不同水氮供应模式会对植物生长生理和水氮利用产生一定的影响。已有研究表明：轻度水分胁迫可提高西洋参超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)等保护酶的活性，降低丙二醛(MDA)含量，以提高其抗旱性并减弱叶片的受损程度[6]；在水分亏缺条件下，适当增加施氮量亦可提高叶片保护性酶活性[7]。随着灌水量和施肥量的增大，核桃叶片SPAD值均呈先增大后减小的趋势[8]。而番茄干物质累积量、产量均随着灌水量和施肥量的增加呈升高趋势，适当减小灌水量有利于提高水分利用效率[9]。已有研究大多针对水氮耦合对番茄生长、生理、水氮利用等单一方面或其中两者的影响[10-12]，而在生育期水分亏缺条件下，施氮量对番茄生长、生理、产量以及水氮利用效率等方面的综合性研究较少[13]。

本文通过在番茄不同生育期亏水，并在常规施氮水平的基础上减少施氮量，探索水氮供应对设施番茄叶片生理、生长及水氮利用等指标的综合影响，旨在为干旱、半干旱地区设施番茄栽培制定科学合理的灌溉和施氮策略提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于山西农业大学山西有机旱作农业研究院河村试验基地日光温室(38°05′N，112°90′E，海拔1 248.5 m)，试验温室为非加热型自然通风温室，东西走向(长、宽、高分别为50.4、7.6、4.6 m)。试验地地势平坦，土壤为黄土质淡褐土，定植前0～15 cm土层土壤容重为1.43 g·cm-3，田间持水量为0.31 cm3·cm-3，pH为8.32，有机质为15.32 g·kg-1，全氮为1.12 g·kg-1，碱解氮为52.21 mg·kg-1，全磷为0.65 g·kg-1，全钾为43.65 g·kg-1。试验前茬作物为番茄。

1.2 试验设计

番茄于2020年5月15日定植，9月18日拉秧，供试品种为‘番茄1702’，生育期划分为缓苗期(5月15日—5月27日)、苗期(5月28日—6月9日)、开花坐果期(6月10日—8月12日)、成熟期(8月13日—9月18日)。滴灌施肥采用的氮、磷、钾肥分别为尿素(N≥46.4%)、钙镁磷肥(P2O5≥15.0%)、氯化钾(K2O≥57%)。

表1 试验方案

本试验设计灌水和施氮两个因素，灌水设计4个水平，施氮设计3个水平，试验处理方案详见表1。其中

W=(0.9θFc-θv)×Zr×S×0.6

(1)

式中，θFc为田间持水量(cm3·cm-3)，θv为灌水前的土壤含水量(cm3·cm-3)；Zr为计划湿润层深度，本文取0.6 m；0.6为湿润比；S指每个处理的灌水面积为25.2 m2。

W1的灌水下限为田间持水量的60%～65%，W2、W3、W4与W1同时灌水，0.5W表示灌水量减半；施氮水平设置为200、300、400 kg·hm-2。定植前将氮肥总量的3/5、全部磷肥(200 kg·hm-2)、钾肥(300 kg·hm-2)和有机肥(20 000 kg·hm-2)作为基肥均匀施入耕作层；在第一穗果实膨大期(7月10日)与第三穗果实膨大期(8月5日)分别追施氮肥总量的1/5。试验采用完全随机区组设计，共12个处理，每个处理设3个重复。定植后地面灌溉定植水20 mm，从苗期开始灌水处理。

1.3 温室管理与农艺措施

温室共分为14个小区，小区长7 m，宽3.6 m，面积为25.2 m2；垄长、宽、高分别为7、0.8、0.1 m，沟宽0.4 m，用于试验处理的有12个小区，其他用作保护小区，每小区设3沟3垄，在垄上对番茄进行管理、喷药、采收等农务。试验小区之间0～60 cm土层内埋设塑料薄膜，以防止各处理间水分发生侧向交换。定植时，番茄幼苗按单穴单株定植在垄两侧，提前3～4 d铺设黑色塑料地膜。全生育期内，每株番茄在4穗果后摘心，每穗留5～6个番茄。其他喷药等措施均按当地常规进行。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 番茄叶片酶活性 在番茄成熟期测定一次新鲜叶片的酶活性，叶片取样和酶的测定参照李合生[14]方法，SOD活性采用氮蓝四唑法测定，POD活性采用愈创木酚法测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定。

1.4.2 叶片SPAD值 从苗期开始每隔15 d测定一次叶片SPAD值，各处理取整齐一致的3个植株样本，分别对不同节位叶片SPAD 值采用叶绿素仪(SPAD-502，柯尼卡美能达，日本)测定，将第 5、6 和 7 节位所测数据平均后作为下位叶SPAD 值，第8、9和10节位所测数据平均后作为中位叶SPAD值，第11和12节位所测数据平均后作为上位叶SPAD值。

1.4.3 干物质量 在番茄生育期末测定，整根取样采用挖掘法，开挖范围是以番茄植株为中心形成的40 cm×40 cm的正方形区域，挖掘深度为60 cm，以15 cm为一层，取样后用孔隙直径为0.5 mm的筛子冲洗，去除植株地上的杂物，放入105℃烘箱中杀青30 min、75℃下烘干至恒重，用精度为0.01 g天平称重。根冠比=根系干质量/地上部分干质量。

1.4.4 商品番茄产量及水氮利用效率 商品番茄产量为单果重大于60 g的所有果实质量的总和[15],用精度为0.05 kg的电子天平称取；耗水量采用水量平衡法计算，试验过程在温室大棚内进行，无降水和地下水补给，灌溉不会产生深层渗漏，故耗水量计算公式如下：

ET=I-ΔW

(2)

式中，ET为番茄耗水量(m3·hm-2);I为番茄灌水量(m3·hm-2)；ΔW为土壤水分变化量(m3·hm-2)。

番茄水分利用效率=商品番茄产量/耗水量；番茄氮肥偏生产力=商品番茄产量/施氮量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel处理数据并作图，用SPSS软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 水分亏缺和施氮对温室番茄叶片酶活性和MDA含量的影响

2.1.1 SOD活性 SOD是植物体内重要的抗氧化酶，可以清除植物体内自由基并对抗与阻断因氧自由基对细胞造成的损害，是植物抗逆生理的重要指示[16]。图1A为不同水氮处理对设施番茄叶片SOD活性的影响。由图可知，同一施氮水平下，随灌水量的减少番茄叶片SOD活性呈先增加后减少的趋势，且W2水平的SOD活性显著高于其他灌水水平，较W1水平高13%～34%；在W1、W4灌水水平下，随着施氮量的减少，SOD活性逐渐减小，而在W2、W3水平下，各施氮水平的SOD活性表现为N2>N1>N3；W2N2处理的SOD活性最大，较W1N1高25.90%。

2.1.2 POD活性 POD活性与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等均有关，也是植物组织老化的生理指标之一[17]。由图1B可知，同一施氮水平下，不同灌水水平对POD活性的影响与SOD类似；同一灌水水平下，除W1水平下POD活性随着施氮量的减小而减小外，其他灌水水平的POD酶活性随着施氮量的减小呈先增大后减小的趋势，W2N2处理的POD活性最高为57.67 U·g-1·min-1，较W1N1高71.74%。

2.1.3 MDA含量 MDA是植物在逆境或衰老时发生膜脂过氧化作用的产物，可直接反映细胞损伤的程度[18]。由图1C可知同一施氮水平下，随着灌水水平的降低，MDA含量呈先降低后升高的趋势，表明在全生育期亏水会产生较多的MDA，使番茄叶片细胞损伤严重；在同一灌水水平下，随着施氮量的减少，MDA含量呈先降低后升高的趋势，在W1水平下，各施氮水平之间MDA含量差异不显著，而在W2、W3、W4水平下，N2水平MDA含量显著小于N1、N3水平，N1与N3水平之间差异不显著，表明在全生育期充分灌水时，施氮对MDA含量影响不显著，而减少灌水量时，常规施氮和减氮50%均会加重叶片的损伤程度，W2N2处理的番茄叶片MDA含量最低，较最高值(W4N3)小23%。

注: 不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 水分亏缺和施氮对温室番茄SPAD值的影响

2.2.1 不同处理番茄SPAD值的时间动态变化 叶绿素是植物进行光合作用的必要成分之一，有研究表明植物SPAD与叶绿素含量存在很好的相关关系[19]。图2为不同水氮处理下SPAD平均值随定植后天数(DAT)的变化规律，由图2可知，在生育前期，各处理间SPAD值差异不显著，随着生育期的推进，各处理间差异逐渐加大，且SPAD值先增大后减小，各处理SPAD值在定植后60～75 d 达到最大，从定植后90 d开始降低，这是由于在生育前期番茄叶片较小，进入开花坐果期后叶片逐渐变大，叶绿素含量也增加，生育后期番茄叶片逐渐变黄，叶绿素含量降低。W2N1处理在全生育期SPAD值最高，开花坐果期(DAT=75 d)SPAD值分别是苗期(DAT=15 d)和成熟期(DAT=115 d)的1.67倍和1.27倍。

图2 番茄SPAD值随定植后天数的变化规律

2.2.2 水分亏缺和施氮对番茄不同叶位SPAD值的影响 图3为成熟期不同水氮处理下番茄不同叶位SPAD值及其平均值。由图3可知，当灌水量一定时，随着施氮量的减小，不同叶位SPAD平均值逐渐减小，在水分比较充足(W1、W2水平)情况下，N1与N2水平差异不显著，但显著大于N3水平，而在水分供应不充足时(W3、W4水平)，不同施氮水平之间SPAD平均值差异显著(P<0.05)；在各施氮水平下，随着灌水量的减少，SPAD平均值呈先增大后减小的趋势；W2N1处理的番茄SPAD值最大为66.43，较W4N3处理(最小值)高21%。

图3 不同叶位SPAD值及其平均值

此外，不同处理的中位叶SPAD值分别高于上位叶和下位叶4.72%～14.43%和5.18%～12.82%；中位叶的SPAD值与平均值的变化规律相似，线性拟合结果显示中位叶SPAD值与不同叶位SPAD平均值之间相关性最强，因此番茄植株的SPAD值可选取中位叶进行测定。中叶位SPAD值与不同叶位SPAD平均值的线性拟合方程为：

y=1.1034x-10.174R2=0.9734

(3)

式中,y为不同叶位SPAD平均值；x为中位叶SPAD值；R2为决定系数。

2.3 水分亏缺和施氮对温室番茄干物质累积和商品产量的影响

生物量是衡量植物有机物积累、营养成分含量的重要指标之一，表2为不同水氮处理对番茄干物质累积和商品产量的影响。由表2可知，在同一施氮水平下，除W1N3和W2N3外，其他处理番茄总干物质量随着灌水量的减少而减小，W1与W2水平差异不显著，但显著高于W3、W4水平；在同一灌水水平下，生物量随着施氮量的降低而减小，N1水平的生物量比N2、N3分别高1.27%～12.83%、3.60%～21.46%。由表2可知，N1水平下根冠比随着灌水量的减少呈先增大后减小的趋势，在N2、N3水平下，根冠比随着灌水量的减少而增加；而根冠比随着施氮量的降低呈先增大后减小的趋势，W4N2处理的根冠比最大，W1N1处理最小，W2N2处理的根冠比为0.0312，且果重占比最大为0.36，番茄植株在充分吸收土壤水分和养分的同时也有利于干物质向地上部分分配，进而促使营养物质向果实转移。商品产量是番茄经济价值的重要组成部分，随着灌水量和施氮量的减少，番茄商品产量均降低，在W1N1处理下番茄商品产量最高为92.61 t·hm-2，较处理W4N3(最低值)高54%。

表2 不同处理对番茄干物质量累积和商品番茄产量的影响

2.4 水分亏缺和施氮对温室番茄水氮利用效率的影响

图4为不同处理对番茄耗水量和水氮利用效率的影响。由图4可知，番茄耗水量随着灌水量的减少而降低，同一灌溉水平下施氮对耗水量的影响不明显，W1、W2、W3、W4水平下番茄的平均耗水量分别为275.59、223.23、171.75、134.86 mm。在W1水平下，水分利用率随着施氮量的减少而降低，在其他施氮、灌水水平下，水分利用率均随着灌水量、施氮量的减少呈先升高后降低的趋势，其原因是水分供应充足时，减施氮肥的减产效应较明显，W2N2处理水分利用率最高为38.30 kg·m-3，较W1N3处理(最低值)高22.40%，表明番茄苗期适度的亏水和减施25%氮肥有利于番茄对水分的吸收利用。在灌水水平相同情况下，随着施氮量减小，氮肥偏生产力逐渐升高；在相同施氮量情况下，随着灌水量的减小，氮肥偏生产力逐渐降低，这是由亏缺灌溉的减产作用所致，W1N3处理氮肥偏生产力最高为405.7 kg·kg-1，较最低值(W4N1)高72.00%。

图4 不同处理对番茄水氮利用效率的影响

2.5 番茄生长生理指标和水氮利用的主成分分析

通过主成分分析法可将番茄的多个生理、生长指标划分为少数几个综合指标，进而对设施番茄的生理特性、生物量和水氮利用效率进行综合评价，弥补利用单项指标进行评价的不足。主成分分析法通过对数据进行标准化和同趋化处理来保证评价指标优劣方向的一致[20-21]。

对番茄SOD(X1)、POD(X2)、MDA(X3)、SPAD(X4)、茎叶干重(X5)、果干重(X6)、根干重(X7)、总生物量(X8)、商品产量(X9)、水分利用率(X10)、氮肥偏生产力(X11)等11个指标进行主成分分析，其特征值及累积贡献率见表3，根据累积方差贡献率超过 80%的原则，前两个主成分的累积贡献率达到82.842%，具有很好的代表性，可用来代替原来11个变量对番茄生长生理进行评价。通过计算可得前两个主成分表达式如下：

表3 主成分分析方差解释

Y1=0.139X1+0.203X2+0.376X3+0.381X4+0.331X5+0.361X6+0.247X7+0.366X8+0.364X9+0.230X10+0.178X11

(4)

Y2=0.528X1+0.475X2+0.034X3-0.041X4-0.225X5-0.117X6+0.169X7-0.188X8-0.217X9+0.477X10-0.299X11

(5)

对第一和第二主成分影响最大的分别是SPAD值和SOD活性。前两个主成分可作为番茄生长生理的评价指标，利用如下公式计算各处理综合得分：

Y=0.704Y1+0.296Y2

(6)

表4为各处理综合得分及排序，由表4可知W2N2处理得分最高。在本试验条件下番茄植株抗逆性最强，积累了较多的有机物，且水分利用率最高，氮肥偏生产力较高，而W1N1处理并没有获得最高的综合得分，表明在常规水氮处理下番茄叶片的生理特性、生物量生产和分配以及水氮利用率的综合效应并非最优，且其水氮用量较大，不利于节水减氮。W4N3处理得分最低，表明在全生育期水分亏缺及减氮50%不利于设施番茄生长。综上可得，在苗期亏水50%且较常规施氮量减少25%处理下番茄叶片生理特性、生物量积累和水氮利用的综合效应最优。

表4 各处理综合得分及排序

3 讨 论

本研究结果表明相比于全生育期充分灌水，减少灌水量可提高番茄叶片SOD、POD活性，而降低叶片中MDA含量，W2水平的SOD、POD活性高于其他水平，MDA含量最低；在W1水平下，SOD、POD活性均随着施氮量的减少而减小，而在W2、W3水平下，两种酶活性均随着施氮量的减小呈先增大后减小的趋势，徐建霞等[16]采用室内盆栽试验研究不同水氮处理对新银合欢幼苗叶片酶活性的影响，得出与本文类似的结论，这是由于作物在营养生长阶段适当减少水氮用量，使作物对水氮进行亏缺锻炼，以提高作物生殖生长阶段的抗逆性。

本试验得出同一灌溉水平下，随着施氮量的减少，叶片SPAD值逐渐减小，这与王忠任等[8]的结果不同，这可能是由于试验所设施氮水平不同所致；石小虎等[22 ]通过在温室内设置不同水氮处理试验，得出各处理中位叶SPAD值高于上位叶和下位叶，与本试验结果类似，这可能是由于下位叶片被上位叶片遮挡，合成的叶绿素含量较少，而上位叶片是新生叶片，其叶绿素含量也比较少。W2N2处理番茄果重占比最高，其原因可能是适当增加灌水、施氮量可提高番茄光合作用, 而水氮过量供应则对光合作用无益[23]。随着灌水量、施氮量的减少，番茄总干物质量及商品产量逐渐减小，而适当节水减氮(W2N2)有利于番茄水氮利用效率的提高，这与王秀康等[9]得出的结论一致。

相比于常规水氮处理，在苗期亏水50%和减氮25%可提高叶片保护酶活性，进而提高设施番茄抗逆性，在未显著影响光合作用所需叶绿素的前提下，使光合产物向果实分配，且提高了番茄的水分利用效率和氮肥偏生产力，达到了节水减氮的目的。不同处理下植物可能是通过各种保护性酶及叶绿素合成先影响其光合作用，进而影响干物质的积累和分配，不同水氮处理对光合作用的影响以及光合指标与叶片生理指标、生物量、商品番茄产量之间的关系有待进一步研究。

4 结 论

1)适当节水减氮可提高番茄叶片保护酶活性，W2N2处理的SOD、POD活性最高，MDA含量最低，分别为365.88 U·g-1·h-1、57.67 U·g-1·min-1和1.42 umol·g-1；

2)不同处理的中位叶SPAD值与不同叶位SPAD值的平均值呈较强的正相关关系，且中位叶SPAD值高于上位叶和下位叶，W2N1处理的SPAD平均值最高为66.43；

3)番茄干物质量、商品番茄产量均随着水氮用量的减少而减小，W1N1处理的番茄生物量及商品番茄产量最大，分别为9 765.12 kg·hm-2和92.61 t·hm-2。W2N2处理水分利用率最高为38.30 kg·m-3，较W1N3处理(最低值)高22.40%；W1N3处理氮肥偏生产力最高为405.7 kg·kg-1，较最低值(W4N1)高72%。

4)对番茄生长生理和水氮利用等指标进行主成分分析，得出W2N2处理的综合得分及排名最高，表明在苗期亏水50%和减氮25%有利于番茄抗逆性和水氮利用效率的提高，是本试验条件下最佳的水氮处理。