不同灌水量及頻率對番茄品質及糖分累積影響的研究

周海霞，蘭摯謙，張凱歌，鄭文德，馬嘉偉，林 薇，張雪艷

(寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021)

我國設施農業發展速度較快，面積居世界首位，蔬菜產品已基本滿足了消費要求，蔬菜生產模式已由追求產量型向質量型轉變。番茄是我國西北地區日光溫室栽培的主要特色經濟蔬菜，水分是限制番茄生產高產優質的首要因子，合理番茄灌溉調度是提高番茄產量和品質的關鍵[1]。

前人關于番茄灌溉的研究主要側重于虧缺灌溉對番茄品質和風味物質組成的影響。虧缺灌溉后植株在生長生理、光合產物代謝和分配上都會發生一系列變化來適應水分脅迫，適度水分虧缺能刺激作物根系生長，增加根系土壤分布層，加大對土壤水分、養分的吸收，促進作物地上部分生長，改善植株葉片特性[2-3]，但過度水分虧缺可抑制番茄的生長發育，株高、莖粗等隨著土壤水分下限的增大而減少，且會顯著降低單果重、產量及經濟效益[4-8]。水分不僅影響植株生長、物質積累和產量形成，也是影響番茄形成品質的主要可控因素之一[9-11]。土壤含水量降低可使植物體內的纖維素發達、果品組織硬化、苦味產生，從而影響品質；土壤含水量過多時糖、鹽的相對濃度降低，風味因此變淡。虧缺灌溉后果實糖含量、有機酸含量、Vc含量及干物質積累量和水分利用效率都增加[12-15]；灌水頻率影響土壤濕度變化，對番茄生長發育也有顯著影響，當灌水間隔為2～3 d時，番茄的糖酸比隨灌水量的減少而上升，灌水間隔為4 d時，番茄的糖酸比和Vc含量等品質指標隨灌水量的減少而降低[16]。果實積累的糖分為果糖、葡萄糖和蔗糖，是果實品質成分和風味物質如維生素、色素和芳香物質等合成的基礎原料，也是植物生命活動包括果實生長發育所需的基礎物質[17]，其中蔗糖在植株葉片細胞的細胞質內通過磷酸丙糖合成后通過韌皮部轉運進入到果實中，隨后又被SPS(蔗糖磷酸合成酶)和SS(蔗糖合成酶)重新合成。水分虧缺提高了果實中SPS和SS的活性，降低了果實成熟期AI(酸性轉化酶)和NI(中性化酶)的活性，促進了蔗糖水解為葡萄糖和果糖，進而引起了淀粉水解速度的加快，導致果實中可溶性糖的含量增加[19]，番茄品質風味提升。

因此，合理灌溉可以有效改善果實品質與產量，提高經濟效益，同時，還可以解決水資源浪費等問題，但是系統圍繞灌水量和灌水頻率對設施番茄品質產量、糖組分和糖代謝酶及糖分累積機理的研究鮮有報道，為此，本文以前人研究為基礎，結合節水和增質兩方面，系統研究秋冬茬、冬春茬番茄不同灌水量和灌水頻率對其品質產量、糖組分、糖相關代謝酶活性及糖分累積的影響，以期為日光溫室番茄栽培的合理灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料設計

本試驗研究于2015年12月至2016年11月在寧夏賀蘭園藝產業園4號日光溫室中進行，2015—2016年冬春茬和2016年夏秋茬試驗處理設置一致，所用番茄品種為粉太郎1，所用土壤為沙壤土。試驗設置灌水量L和灌溉頻率P兩個因素，其中灌水量設置4個水平：L1、L2、L3、L4，灌溉頻率設置2個水平：P1、P2，共8個處理：L1P1、L1P2、L2P1、L2P2、L3P1、L3P2、L4P1、L4P2。每個灌水量水平按三個生育期設置3個水量，灌水由時間控制器控制電源開關自動滴灌，每個處理總灌水量由水表記錄。定植密度株距40 cm，行距80 cm，每個處理3次重復，小區面積為1.4 m×6.13 m=8.582 m2，區組隨機排列，兩個小區間用苯板隔離，田間栽培管理一致。兩茬試驗灌水量和灌水頻率處理設置如表1。

1.2 測定指標及方法

果實品質測定：取番茄第三穗果進行品質測定，每個處理的每個重復隨機取4個果實共12個果實并保存于-20℃冰箱，以備常規品質及酶活性測定。Vc含量采用鉬藍比色法測定；有機酸含量采用堿(NaOH)滴定法測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；可溶性固形物含量采用TD-45數字折光儀測定；硝酸鹽含量采用硫酸-水楊酸法測定；蔗糖含量和果糖含量采用間苯二酚光度法測定；葡萄糖含量采用葡萄糖氧化酶-辣根過氧化物酶-鄰聯茴香胺偶聯反應分光光度法測定；淀粉含量采用高氯酸水解-蒽酮比色法測定；蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性和蔗糖合成酶(SS)活性采用分光光度法測定；酸性轉化酶(AI)活性和中性轉化酶(NI)活性采用3,5-二硝基水楊酸法測定。

表1 試驗處理設置/(ml·株-1·天-1)

產量測定：每穗果成熟后測量產量進行累加，最終分別統計各處理整個生育期的總產量，并且按照666.7 m2番茄種植的株數折合產量；每個處理每個重復隨機取4個果實共12果實于烘箱105℃殺青0.5 h后降至65℃烘干測定果實干重，并根據666.7 m2的株數和單株果數折算干果實產量。

1.3 數據統計處理

數據分析采用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 17.0軟件進行處理和主成分分析，采用LSD方法在P<0.05水平進行二因素顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水量及頻率對番茄營養品質的影響

表2結果顯示，在一定灌水量范圍內適當降低灌水量可提高番茄果實可溶性固形物、Vc含量、糖酸比等，從而提高了番茄品質和風味，相反，灌水量較多時會造成番茄品質下降，而灌水頻率對番茄果實品質無顯著影響。冬春茬果實可溶性酸、可溶性糖含量和糖酸比均在灌水量為L2時達最大值，L1處理Vc含量和硝酸鹽含量分別比L4處理高27.50%、1.34%；夏秋茬番茄可溶性酸、可溶性糖含量和糖酸比的平均值L1處理分別顯著高于L4處理41.86%、34.45%和49.60%，Vc含量L1P1處理分別比L3P1、L4P1顯著高12.68%、21.57%，硝酸鹽含量在L1處理分別顯著高于L2處理、L3處理和L4處理57.50%、75%和103%。

2.2 不同灌水量及頻率對番茄產量及水分利用效率的影響

水分利用效率(WUE)指植物消耗單位水量所產出的同化量，反映植物生產過程中的能量轉化效率，也是評價一定水分條件下植物生長適宜度的綜合指標之一，WUE=總產量/總灌水量。由表3可以得出，隨灌水量增加產量增加，會造成水分利用效率WUE下降，而灌水頻率對產量和WUE的影響沒有達到顯著性。兩茬番茄的WUE均在L1與L3、L4間差異顯著，其中冬春茬L1的WUE分別顯著高于L3、L4處理39.21%、64.52%；冬春茬番茄產量在L4與L3處理下分別顯著高出L1處理30.94%與24.47%，夏秋茬產量在L4、L3處理下分別顯著大于L1處理21.63%、18.89%。

表2 各灌水處理下番茄營養品質指標統計表

表3 各處理產量及水分利用效率統計比較

2.3 不同灌水量及頻率對番茄糖分組成及糖代謝酶活性的影響

表4結果表明，在一定的灌水量范圍內(除冬春茬L1處理外)，番茄果糖、蔗糖和葡萄糖含量以及SS、SPS活性隨灌水量增加呈下降的變化趨勢，淀粉含量與AI、NI活性的變化相反，而灌水頻率對它們均無顯著影響。冬春茬番茄果糖和葡萄糖含量及SS和SPS活性均在L2處理下最大，L2處理的果糖含量分別比L1、L3和L4處理顯著高出0.609倍、1.74倍和3.1倍，葡萄糖含量、SS活性在L2處理下分別顯著高于L4處理80.55%、73.53%，蔗糖在L1處理下顯著高于L4處理40.65%，L4的NI活性顯著高于其他處理，AI在灌水量為L2水平時活性最低；夏秋茬番茄果糖含量在L1處理顯著高于L3和L4 1.02倍、1.25倍，葡萄糖含量在L1P1處理下顯著高于L4處理48.93%，蔗糖L1處理顯著高出L4處理38.97%，SS活性在L1處理分別顯著高出L3處理、L4處理64.75%、83.61%，L1處理的SPS活性分別顯著高于L3處理及L4處理67.54%及97.51%，L3、L4處理的AI活性分別顯著高于L1處理62.89%、66.99%。

2.4 不同灌水量及頻率對番茄品質產量及糖組分、糖代謝酶的主成分分析

對各灌水處理品質、產量和水分利用效率、糖組分、糖代謝酶活性指標進行主成分分析，由表5可以看出，冬春茬主成分1特征值為11.633，貢獻率為72.71%，主成分2特征值為3.72，貢獻率為23.25%，前兩個主成分累積貢獻率達95.96%；夏秋茬主成分1特征值為15.365，貢獻率為96.03%。通過主成分分析表6的初始因子載荷，將初始因子載荷矩陣中的數據輸入到數據編輯窗口(為變量冬春茬B1、B2，夏秋茬B1)，再利用公式“冬春茬A1=B1/SQR(11.633)、A2=B2/SQR(3.72)、夏秋茬A1=B1/SQR(15.365)”即可得到特征向量“冬春茬A1、A2”、“夏秋茬A1”(表7)。

表5 各處理特征值和累積貢獻率

Table 5 Eigenvalues and cumulative contribution proportions of different treatments

主成分Principlecomponents冬春茬 Winter-spring crop特征值Eigenvalues貢獻率/%Proportion累積貢獻率/%Cumulative proportion夏秋茬 Summer-autumn crop特征值Eigenvalues貢獻率/%Proportion累積貢獻率/%Cumulative proportion111.63372.70872.70815.36596.03396.03323.7223.24895.9570.2551.59197.62430.3262.03997.9950.1761.10298.72640.1430.89798.8920.1060.6699.38650.090.56599.4570.0590.36899.75460.0510.3299.7770.0280.17699.9370.0360.2231000.0110.071008001000010090010000100100010000100110010000100120010000100130010000100140010000100150010000100160010000100

表6 初始因子載荷矩陣

表7統計了表6中特征值對應的特征向量，即主成分與原變量的關系密切程度，特征向量的絕對值越大則關系越密切。冬春茬第一主成分與Vc、硝酸鹽、可溶性固形物、有機酸、4個糖組分、SS活性、AI活性、NI活性、產量及WUE關系密切，第二主成分與Vc、可溶性糖、糖酸比、葡萄糖、SPS活性、SS活性、AI活性、產量及WUE關系密切；夏秋茬番茄第一主成分與Vc、有機酸、蔗糖、葡萄糖、SS活性、NI活性、產量及WUE關系密切。

表7 相關矩陣的特征向量

綜上所述，冬春茬番茄Vc、葡萄糖、SS活性、AI活性、產量及WUE對其品質及產量形成影響與貢獻較大；夏秋茬番茄Vc、有機酸、蔗糖、葡萄糖、SS活性、NI活性、產量及WUE對其品質及產量形成影響與貢獻較顯著。

2.5 綜合評價

由特征向量得出由標準化變量所表達的各主成分的關系式，由于冬春茬前 2 個主成分已反映了全部信息的95.96%，夏秋茬前1個主成分反映了全部信息的96.03%，所以冬春茬可以由前2 個主成分的貢獻率為權數求加權均值得主成分綜合得分E1，夏秋茬由前1個主成分的貢獻率為權數求加權均值得主成分綜合得分E2。這個綜合得分可以綜合評價不同灌水量和灌水頻率對番茄品質形成及產量的影響，某個處理綜合得分越高則表明這個處理品質與產量綜合評價最優。

E1= 0.7271 Prin1+0.2325 Prin2

E2= 0.9603 Prin1

各處理主成分綜合得分及綜合排序如表8所示。就灌水量處理而言，冬春茬各灌水量下綜合得分為L2>L3>L1>L4，夏秋茬為L1>L2>L3>L4，其中冬春茬L2P1處理綜合得分最高，夏秋茬L1P1處理最高，即兩個處理下的果實品質和產量綜合性最優。

表8 番茄各灌水處理品質及產量的綜合評分和綜合排序

3 討 論

水分虧缺雖提高了番茄果實品質卻不同程度降低了產量，二者是一對相互矛盾的共存體，產量直接影響經濟效益，而作為影響作物生長的五大環境因子之一的水分，對產量的形成更是起著至關重要的作用。本試驗研究結果顯示，增加灌水量可以提高產量，但會導致水分利用效率降低，而灌水頻率對產量及水分利用效率無顯著影響，適當減少灌水量可以提高水分生產效率，起到節水的效果。有研究與本研究得出了一致的結果[20-21]，快速膨大期低灌水處理均對產量有不利影響[22-23]，開花期水分虧缺提高了水分利用效率。

基于庫源同化物競爭理論的品質調控一直都是研究熱點，而品質的形成過程是一個復雜的過程，本研究通過主成分分析得出，Vc、有機酸、蔗糖、葡萄糖、SS活性、AI活性、NI活性、產量及WUE等指標對番茄品質及產量形成影響與貢獻較大，且各品質指標對水分的敏感程度及響應過程不盡相同。番茄成熟期水分、肥料對番茄品質的影響很大[24-26]。本試驗通過研究發現，適當減少灌水量可以提高番茄果實可溶性糖含量、Vc含量、糖酸比等營養品質，從而提高了番茄品質和風味，相反，灌水量較多時，會造成番茄品質下降，這一方面是因為水分對番茄果實中營養物質有稀釋作用，可溶性固形物、可溶性糖等物質會因灌水量的增加而被稀釋減少，另一方面是由于水分的增加降低了促進蔗糖合成的酶活性而造成蔗糖含量下降，從而降低番茄果實風味品質，這與關于節水調質方面的研究結果相符[27]。糖分累積是番茄果實品質形成的關鍵因素，番茄果實的糖分主要由葡萄糖、果糖和蔗糖組成，蔗糖通過韌皮部轉運進入到果實中之后，會在蔗糖代謝相關酶的作用下分解成葡萄糖和果糖[28]，蔗糖代謝酶有四種，SS和 SPS活性之和為合成活性，AI 和 NI 活性之和為分解活性，推測番茄果實中糖分的累積是由合成活性和分解活性之和，即凈活性決定的[29]。本研究發現，在一定灌水量范圍內，促進蔗糖合成酶SS、SPS活性隨著灌水量的增加呈下降的變化，而催化蔗糖分解的酶AI、NI的活性隨著灌水量的增加逐漸增強，但當灌水量低于適宜范圍時，同樣會造成SS、SPS活性下降和AI、NI活性的增強，所以當灌水量減少時因SS、SPS活性升高而加速了蔗糖的合成，AI 和 NI活性下降而減緩了蔗糖分解成果糖和葡萄糖，而果糖的甜度是蔗糖的 1.8 倍，灌水量增加抑制了蔗糖水解成果糖,所以造成番茄整體甜度的下降，從而使品質變劣。崔秀敏等[30]研究發現，水分虧缺降低了果實成熟期AI和NI的活性，與本研究的結果相符。本文通過對各灌水處理品質、產量和水分利用效率、糖組分、糖代謝酶活性指標進行主成分分析，解釋各處理產生差異的主成分貢獻的冬春茬主要有2個主成分，主成分1貢獻率為72.71%，主成分2貢獻率為23.25%，這兩個主成分可以解釋差異產生的95.96%；夏秋茬主要有1個主成分，其貢獻率為96.03%。結果表明冬春茬L2P1處理綜合得分最高，夏秋茬L1P1處理綜合得分最高。

4 結 論

1)增加灌水量可提高產量，但會造成WUE下降，適當減少灌水量可以提高番茄可溶性糖含量、Vc含量等，從而提高了番茄品質和風味，而灌水頻率對產量及各品質指標無顯著影響；冬春茬有機酸、可溶性糖含量和糖酸比均在灌水量水平為L2時最大，夏秋茬有機酸、可溶性糖含量和糖酸比在L1處理最大。

2)在一定灌水量范圍內，減少灌水量可提高SS和SPS活性而加速了蔗糖的合成，抑制AI 和 NI活性而減緩蔗糖分解成果糖和葡萄糖，進而提高了蔗糖的合成量而改善了品質；冬春茬SS和SPS活性最大、果糖和葡萄糖含量最高及AI活性最低均出現在灌水量水平為L2，夏秋茬SPS和SS活性及果糖含量在L1處理最大。

3)根據主成分綜合分析得出，冬春茬L2P1處理綜合得分最優，夏秋茬L1P1處理最優即冬春茬苗期、開花坐果期、盛果期至拉秧分別灌水150、200、 400 ml·株-1·天-1，每天灌水一次；夏秋茬苗期、開花坐果期、盛果期至拉秧分別灌水300、600、900 ml·株-1·天-1，每天灌水兩次。