保水劑墊料栽培基質對番茄生理指標及產量的影響

摘要：【目的】探討添加不同種類保水劑（SAP）發酵床秸稈墊料栽培基質（以下簡稱墊料基質）對番茄生理指標及產量的影響，為蔬菜基質節水栽培提供參考依據。【方法】在墊料基質中添加3種類型（SAP1、SAP2和SAP3）及2個濃度（0.4%和0.8%）的SAP，測定各處理墊料基質的基本理化性狀和種植番茄的生長參數、光合參數和保護酶活性等生理指標。【結果】與不添加SAP的對照（CK）相比，在等量澆水的情況下，墊料基質添加0.8% SAP1、SAP2和SAP3的番茄總產量分別提高10.0%、14.5%和26.5%，以添加0.8% SAP3的番茄增產效果最佳；添加3種SAP均有利于提高番茄葉片光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr），且SAP濃度越高，效果越佳；在開花期，添加0.8% SAP1、SAP2和SAP3的番茄葉片超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性均顯著高于CK（P<0.05）；在結果期，添加SAP處理的番茄葉片SOD活性降低，而POD活性升高，其中添加高濃度（0.8%）SAP的番茄葉片POD活性比添加低濃度（0.4%）SAP的升幅更明顯。【結論】在墊料基質中添加SAP特別是添加淀粉基保水劑（SAP3）可改善番茄的部分生理指標，有利于番茄生長并提高產量，在蔬菜基質栽培中具有較高的推廣價值。

關鍵詞： 番茄；發酵床秸稈墊料栽培基質；保水劑（SAP）；生理指標；產量

中圖分類號： S641.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）07-1242-07

0 引言

【研究意義】我國農業年用水約4000億m3，占總用水量的71%左右（吳普特等，2003），灌溉用水平均利用率僅45%左右，遠低于發達國家的70%（Clarke and Phillpot，2005）。絕大部分蔬菜是高需水量作物，應用基質栽培技術既可提高農業用水利用率，緩解水資源供需緊張問題，又可節省人力成本。近年來，生態環保發酵床養豬技術的推廣應用不僅解決了養豬場周邊的環境污染難題，以粉碎秸稈和菌渣為墊料還開辟了農副產品資源化利用的新途徑，有助于解決環境污染和資源浪費問題（劉振東等，2012；范如芹等，2015a；劉海琴等，2015；劉宇鋒等，2015；盛清凱等，2015；Luo et al.，2015）。高吸水性樹脂（Super absorbent polymer，SAP）是一種具有超強吸水和保水能力的新型高分子材料，已被廣泛應用于農林業、醫藥業、建筑業和衛生用品產業等多個領域，在農業生產、水土保持和污染治理中的應用也受到廣泛關注（黃占斌等，2016）。番茄是我國大宗蔬菜，種植過程中耗水量較大，但目前有關SAP應用于基質栽培的節水效果、保肥效應、對基質理化性狀的影響及對番茄生長的作用等未見報道。因此，分析添加SAP的發酵床秸稈墊料栽培基質對番茄生理生長及產量的影響，對蔬菜基質節水栽培具有重要意義。【前人研究進展】李永勝等（2006）的研究結果表明，SAP在基質水分耗竭過程中可延緩番茄和黃瓜等蔬菜萎蔫發生時間，且隨SAP添加量的增加，萎蔫發生時間延后，植株葉片量及莖粗等生長指標也相應增加。謝建軍等（2010）研究認為，將SAP作為土壤保水劑用于荒漠化土壤修復和干旱區農業土壤節水取得了良好效果。李晶晶和白崗栓（2012）研究表明，應用SAP能使土壤具有水肥保持和土壤改良等多重效應。鄧琦子和汪天（2013）研究發現，利用SAP改良基質性能理論上可行，適量應用SAP可延緩植株萎蔫發生時間，提高植株的水分利用率。徐磊等（2014）、范如芹等（2015b）研究發現，聚丙烯酸鈉類保水劑吸水速率較高，但存在反復吸水能力較低、耐鹽性及凝膠強度不高等缺點，淀粉接枝丙烯酸鹽共聚交聯物保水劑來源豐富且容易降解，保水性強不易失水，但易發霉變質，使用周期差異明顯。【本研究切入點】基質與土壤在物理學特性及養分釋放等方面存在明顯差異，不同原材料基質在保水保肥性能上也有較大不同，目前各類SAP在無土栽培基質中的應用技術尚未成熟，而SAP應用于基質的節水效果、保肥效應、對基質理化性狀的影響及對栽培作物的作用等均需進行深入探究。【擬解決的關鍵問題】在發酵床秸稈墊料栽培基質基礎上添加不同類型及不同濃度SAP，在嚴格控制澆水條件下探討SAP對番茄品種金陵秀玉植株生長、產量及對葉片保護酶和光合作用的影響，為蔬菜生產中進行基質節水栽培提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

發酵床墊料由江蘇省農業科學院六合基地有機肥廠提供，是由水稻秸稈豬圈發酵床墊料圈內腐解（兩年）及出圈后經過再次堆肥（1個月）并作為主要原料制成的基質（以下簡稱墊料基質），其配方為：堆肥∶木薯渣∶蛭石∶泥炭=3∶2∶3∶2（v∶v）。基質拌勻后裝袋放置1周，移苗前將SAP與基質拌勻裝盆，每盆10 L。3種SAP中：SAP1以聚丙烯酸鉀為主，購自鼓嶺生態有機肥有限公司；SAP2以聚丙烯酸鈉為主，購自山東華迪新型材料有限公司；SAP3是以改性后的可溶性玉米淀粉為主要原料及丙烯酸和丙烯酰胺為接枝單體，采用水溶液聚合法制備的耐鹽性鉀型丙烯酸類高吸水樹脂，由江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所提供。番茄品種為金陵秀玉，購自江蘇明天種業科技有限公司。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 試驗設計 試驗在江蘇省農業科學院日光溫室進行。設7個處理：對照（CK），不添加SAP；0.4S1處理，基質添加0.4% SAP1；0.8S1處理，基質添加0.8% SAP1；0.4S2處理，基質添加0.4% SAP2；0.8S2處理，基質添加0.8% SAP2；0.4S3處理，基質添加0.4% SAP3；0.8S3處理，基質添加0.8% SAP3。番茄種子點播于育苗穴盤中，培育30 d后選取長勢一致的幼苗移栽至盆中，每盆種植1株，每處理3次重復。定期澆水（每周每盆澆水總量為2 L，每周澆2次，每次澆1 L）。

1. 2. 2 測定項目及方法 添加不同濃度SAP的基質與去離子水以1∶5混合攪拌，靜置后用pH計測定pH；容重、總孔隙度及通氣孔隙度等指標參照Jayasinghe等（2010）、Farrell等（2013）的方法進行測定，并計算墊料基質每次稱重時的水分含量。

分別于番茄開花期、結果期和成熟期測定株高、直徑、葉片葉綠素含量及光合作用參數，不定期采摘成熟番茄記錄產量。試驗結束后測定植株地上部和地下部生物量，植株烘干粉碎后測量氮、磷和鉀含量。植株經硫酸和過氧化氫消煮后，全氮含量采用凱氏定氮儀測定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用火焰光度計測定。葉綠素含量采用葉綠素儀（SPAD-502Plus，日本）測定。光合作用參數的測定：在晴朗天氣選取植株從上往下數第3～4片功能葉，用LI-6400XT型便攜光合儀測定光合速率（Pn）、氣孔導度（Co）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑光化還原法測定；過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定，以每分鐘OD值變化（升高）0.01為1個酶活力單位（U）；丙二醛（MDA）含量用硫代巴比妥（TBA）顯色法測定。

1. 3 統計分析

試驗數據采用SPSS 13.0進行單因素方差分析，并以LSD法對墊料基質基本性狀、番茄生長、生物量、養分積累、葉片光合作用、保護酶活性和產量等指標進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2. 1 不同SAP處理對墊料基質基本性狀的影響

由表1可知，0.4S2和0.8S2處理墊料基質的pH顯著降低（P<0.05，下同），且0.8S2處理的pH顯著低于0.4S2處理；0.4S1、0.8S1、0.4S3和0.8S3處理墊料基質的pH顯著高于CK。添加3種SAP墊料基質的電導率（EC）均升高，且隨SAP濃度的增加而上升，除0.4S1和0.4S3處理外，其余處理的EC均顯著高于CK，且0.4S2和0.8S2處理的EC顯著高于0.4S1、0.8S1、0.4S3和0.8S3處理。7個處理墊料基質的容重為0.28～0.33 g/cm3，相互間差異不顯著（P>0.05，下同）；總孔隙度為71.4%～74.2%，相互間差異不顯著； 0.4S1、0.8S1、0.4S2和0.8S2處理墊料基質的通氣孔隙度大于CK，說明墊料基質添加SAP1和SAP2有利于番茄根系生長。

從圖1可看出，各墊料基質的初始持水量均明顯高于CK；CK基質的水分損失最快，添加同種SAP條件下，墊料基質水分損失量隨SAP濃度的增加而降低。其中，在處理前4 h，CK基質的水分損失達17.8%，而0.8S1、0.8S2和0.8S3處理墊料基質的水分僅損失11.5%、14.8%和14.4%。處理至52 h時，0.4S1、0.8S1、0.4S2、0.8S2、0.4S3和0.8S3處理墊料基質的水含量分別是CK的1.6、1.8、1.4、1.6、1.1和1.1倍。說明添加SAP的墊料基質能較長時間保持相對濕潤狀態，且隨著SAP濃度的增加，保持相對濕潤效果更明顯。

2. 2 不同SAP處理對番茄生長的影響

由表2可知，開花期各SAP處理番茄的株高與CK差異不顯著，結果期和收獲期0.8S2處理番茄的株高顯著低于CK，其余處理與CK均無顯著差異；在開花期和結果期，0.8S1、0.4S3和0.8S3處理番茄的株高均顯著高于0.8S2處理，但進入收獲期后株高間的差異日趨減小，除0.4S3處理仍顯著高于0.8S2處理外，其余均降至同一水平；同種SAP不同濃度處理番茄的株高無顯著差異。各SAP處理番茄的直徑在開花期和結果期與CK均無顯著差異；收獲時CK和0.8S1處理番茄的直徑顯著大于0.8S2處理，且隨SAP1濃度的升高，番茄的直徑也顯著增加，0.8S2處理番茄直徑的變化則與CK和0.8S1處理相反，說明SAP2濃度過高不利于番茄生長。0.4S1處理番茄開花期葉片的葉綠素含量最高，顯著高于除0.852處理外的其余處理；各處理番茄結果期和收獲期的葉綠素含量無顯著差異。

2. 3 不同SAP處理對番茄植株生物量和養分積累的影響

由表3可知，除0.8S2處理番茄的地上部鮮重和干重顯著低于CK外，其余SAP處理地上部鮮重和干重均與CK相當；0.8S3處理番茄地上部的磷含量顯著低于CK，0.4S2和0.8S2處理番茄地下部的磷含量顯著高于CK；除0.4S1和0.8S2處理外，添加SAP對番茄植株地上部氮含量無明顯影響；0.8S2處理番茄地下部的氮含量顯著高于CK和其他SAP處理；0.8S2處理番茄地上部的鉀含量顯著低于CK和其他SAP處理，CK番茄地下部的鉀含量明顯高于添加SAP處理。

2. 4 不同SAP處理對番茄葉片光合作用的影響

從表4可看出，開花期各處理番茄葉片的Co無顯著差異，但CK的Co最低，結果期0.4S2和0.4S3處理的Co均高于CK，但差異不顯著，其余SAP處理番茄葉片的Co均顯著高于CK；開花期和結果期各SAP處理番茄葉片均Ci均明顯高于CK，與Co的變化規律一致，說明Co的增加對提高Ci有一定作用；同一生育期Pn和Tr的變化趨勢基本一致，各SAP處理均有利于番茄葉片提高Pn和Tr，同種SAP濃度越高，提高Pn和Tr的效果越明顯；與開花期相比，結果期Pn下降，Tr升高。說明墊料基質添加SAP有利于提高番茄的Pn和Tr，增加Co，促進Ci升高。

2. 5 不同SAP處理對番茄葉片保護酶活性的影響

由表5可知，添加高濃度（0.8%）SAP番茄開花期葉片的SOD活性顯著高于CK，結果期各處理SOD活性無顯著差異；各SAP處理番茄開花期葉片的POD活性均顯著高于CK；結果期除0.4S1處理外番茄葉片的POD活性均明顯升高，尤其以添加高濃度（0.8%）SAP番茄葉片的POD活性升幅更大，且顯著高于CK。說明基質中添加SAP可通過提高番茄開花期葉片的SOD活性來抵抗輕度缺水，降低結果期葉片SOD活性而升高POD活性以提高番茄的抗氧化能力。

MDA是直接反映膜脂過氧化的指標之一，其含量可反映細胞氧化損傷程度。各SAP處理番茄開花期葉片MDA含量差異不顯著，但結果期各處理葉片MDA含量大幅上升，CK葉片的MDA含量顯著高于各SAP處理。說明結果期番茄需水量有所增加，墊料基質容易缺水，基質中添加SAP有助于緩解該時期輕度缺水對葉片造成的損傷。

2. 6 不同SAP處理對番茄產量的影響

由表6可知，除0.4S2處理外，各SAP處理均可提高番茄坐果個數和總產量，其中0.8S3處理的坐果數與CK差異顯著；0.8S1、0.8S2和0.8S3處理的總產量分別比CK提高10.0%、14.5%和26.5%；同種SAP處理基質中SAP含量越高番茄的坐果數及產量也越高，說明0.8% SAP處理的基質能儲藏更多水分供番茄后期生長利用，有利于促進植株坐果和膨大；相同濃度、不同類型SAP處理番茄坐果數及產量間均無顯著差異；各SAP處理的單果重與CK無顯著差異；在同種SAP處理中，0.8% SAP處理番茄的單果重均高于0.4% SAP處理，與坐果數變化的表現相反，說明高濃度（0.8%）SAP能促進番茄果實膨大，但坐果個數相對減少。

3 討論

Abad等（2001）研究認為，栽培基質理想的pH為5.3～6.5。Jayasinghe等（2010）研究發現，大部分溫室栽培作物更適應含有多種有效性養分的微酸性基質環境。本研究中添加SAP基質的pH為5.57～6.93，雖與CK差異顯著，但仍在偏酸性范圍內，對番茄生長無不良影響；添加SAP1和SAP2具有提高通氣孔隙度的趨勢，基質變得膨脹疏松，增加的孔隙主要是持水孔隙，基質的液相比增加，通氣孔隙變化不明顯，與李永勝等（2006）對番茄的研究結果一致。

當基質中SAP 添加量過高時，基質的水分含量雖得到一定程度的保證，但孔隙度過低及EC過高會導致作物出苗率降低（Bustamante et al.，2008）。本研究的基質中添加3種SAP均能提高其EC，且除0.4S1和0.4S3處理外，其余處理的EC均顯著高于CK，尤其是添加SAP2的基質，其EC顯著高于添加另兩種SAP的基質，可能是導致番茄直徑生長相對較細的原因之一。

范如芹等（2015b）、Fan等（2015）研究表明，不同種類SAP對水的吸力不同，在基質含水量相同條件下添加SAP比例越高，其吸水力越大。本研究中，0.8S2處理的番茄在收獲期生長較差，株高、直徑、地上部鮮重及干重均顯著低于CK，也差于其他兩種SAP處理，說明SAP2在水含量較高條件下自身對水分吸持能力可能過強，無法將所儲存水分輸送給番茄根系，反而與番茄根系競爭水分，也說明當基質中水含量達到作物對水分利用的臨界值時，作物對基質中水分的利用率較低。

在本研究中，0.4S2和0.8S2處理番茄地下部的磷含量顯著高于CK，地下部的氮含量顯著高于CK和其他SAP處理，但地上部的鉀含量顯著低于CK和其他SAP處理，說明SAP2可一定程度抑制番茄對鉀的吸收。植物在氮、磷和鉀供應不足時會產生活性氧積累（Shin et al.，2004， 2005），缺鉀會導致生長停滯，蛋白合成受抑而影響C/N平衡（White and Karleya，2010）。本研究中，0.4S2處理番茄的產量低于CK，說明缺鉀在一定程度限制了番茄結果，但0.8S2處理番茄的產量比CK提高14.5%，可能是蒸騰作用和光合作用對鉀在番茄體內的運輸有一定影響所致。

本研究結果表明，各SAP處理番茄開花期葉片的Co均高于CK，但差異不顯著，而結果期葉片的Co高于CK，且除0.4S2和0.4S3處理外均顯著高于CK，Co升高對提高Ci有正面影響，即Co提高Ci隨之提高，而Co下降則Ci不變甚至升高；各SPA處理番茄結果期的Ci與開花期相比大幅升高，但Pn反而下降，顯然不是氣孔限制所引起；番茄同一生育期Pn和Tr的變化趨勢基本一致，與CK相比，添加SAP有利于提高番茄葉片的Pn和Tr，SAP濃度越高，提高Pn和Tr的效果越佳；隨著SAP處理時間的延長，與開花期相比，番茄結果期的Pn下降，Tr升高。

本研究中，SAP處理番茄的開花期可能是通過提高SOD活性來抵抗輕度缺水，保護其內部組織，減輕因基質水分減少引起的損傷，并增強番茄生長后期對干旱的抵抗力；結果期番茄葉片的SOD活性下降、POD活性升高以提高自身的抗氧化能力，說明番茄葉片保護酶維持較高的活性水平可使活性氧代謝處于一定平衡狀態，避免活性氧和氧自由基對細胞產生毒害作用；番茄葉片的POD活性與SOD活性變化趨勢基本一致，表明在減少澆水條件下該兩種保護酶具有一定的協同作用使番茄葉片適應缺水環境。這與張仁和等（2011）、楊再強等（2014）研究獲得SOD能有效清除活性氧進而降低對細胞膜膜脂過氧化水平的結論一致。各處理番茄開花期葉片的MDA含量差異不顯著，表明番茄葉片通過增強自身保護酶系統可有效清除活性氧而緩解輕度缺水產生的影響；各處理番茄結果期葉片的MDA含量大幅上升，且CK葉片的MDA含量顯著高于其他SAP處理，說明結果期番茄的需水量增加，依靠提高保護酶活性已不能維持正常的代謝活動。

本研究中，0.8S3處理的番茄坐果數與CK差異顯著，0.8S1、0.8S2和0.8S3處理的總產量分別比CK提高10.0%、14.5%和26.5%，說明添加SAP對番茄增產有積極作用，其中SAP3增產效果最理想，與范如芹等（2015b）對小青菜的研究結果一致。由于基質對水分的涵養能力比土壤低，因此在生產實踐中SAP對保持基質水分和延緩植株萎蔫發生具有更重要的意義。

黃占斌等（1999）研究認為，基質中添加3.0% SAP因吸水過多而影響烤煙出苗、抑制玉米正常生長和干物質積累；李永勝等（2006）研究發現，基質中添加SAP不僅能提高基質持水能力進而減少灌溉次數和減少水資源浪費，還對營養元素特別是氮素有較強的保蓄作用，可提高肥料利用率，有利于番茄生長。可見，基質中SAP添加量是影響植物生長的重要因素，在實際生產過程中應根據作物類型和生產需要選擇合適種類的SAP和用量。

4 結論

在發酵床秸稈墊料栽培基質中添加SAP特別是添加淀粉基保水劑（SAP3）可改善番茄的部分生理指標，有利于番茄生長并提高產量，在蔬菜基質栽培中具有較高的推廣價值。

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（責任編輯 思利華）