基于綜合生長評價體系的番茄虧缺灌溉制度研究

黃 媛，張鐘莉莉，高欣娜，杜亞茹，武 猛，康藝凡，于景鑫，杜鵬飛，田國英

（1.石家莊市農業信息化工程技術研究中心·河北省都市農業技術創新中心·石家莊市農林科學研究院，石家莊 050011；2.北京市農林科學院智能裝備技術研究中心，北京 100097）

0 引言

河北省蔬菜產業快速發展，2020 年蔬菜產量5 198.2 萬t，位居全國第4 位，其中設施蔬菜產量1 258.2 萬t，占蔬菜總產量24.2%[1]。2020 年河北省農業用水量107.70 億m3，是全省總用水量的58.93%[2]，隨著資源環境約束日益加劇，農業節水提質增效是河北省農業高質量發展的重中之重[3]，結合作物需水規律，制定合理灌溉制度是實現節水增效的重要途徑之一。

作物調虧灌溉（Regulated Deficit Irrigation）是以作物與水分關系為基礎，在作物的某一（些）生長階段有目的地使其產生一定的水分虧缺，而對作物產量無不利影響，從而達到省水、高產和提高作物水分利用效率的一種灌溉技術[4]。國內外學者不乏對棉花[5]、小麥[6]、玉米[7]、草莓[8]等作物在不同生育階段開展水分虧缺試驗研究，結果顯示，適當水分脅迫導致作物通過調整生長速度或形態對環境水分做出響應，改變養分分配，生殖器官同化反應增強，從而提高產品品質和水分利用效率。目前，設施番茄種植栽培中使用滴灌設施[9]及土壤水分監測設備已成為重要的節水灌溉措施，依據灌水量、灌溉頻次或土壤水分開展節水灌溉制度研究是國內設施番茄栽培的重要研究方向。其中，李金剛等[10]研究了河套地區番茄灌溉定額，菅毅[11]、張娜等[12]對番茄適宜的土壤含水量下限進行了研究，李旭峰等人[13]在番茄苗期減少50%灌水量，結果顯示在保證產量的同時節約了灌水量18%。劉曉奇等人[14]在番茄第一穗果坐住時（果實直徑1 cm）進行不同程度水分虧缺灌溉處理，結果顯示中度水分虧缺即60%灌水量可作為日光溫室基質栽培高品質番茄的灌溉制度。

以往研究結論往往針對水分虧缺對番茄某類指標的影響[15]，未能開展生長、生理、品質及水分利用效率指標的綜合評價。因此本研究立足河北省設施番茄節水生產實際需求，進行虧缺灌溉試驗，構建番茄綜合生長評價體系，開展番茄生理、生長、品質及水分利用效率的綜合評價，從而獲得高效節水的設施番茄滴灌控制制度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

供試材料于2021 年8 月27 日定植，試驗溫室為石家莊市農林科學研究院趙縣農業科技園區（114°78'E，37°76'N）5號番茄種植大棚，日光溫室為鋼架結構，長90 m、寬8 m、頂高4.5 m，后墻為厚度0.5 m 的磚墻，覆蓋材料為聚乙烯膜，種植面積489 m2。試驗地土質為壤土，0～40 cm 深土壤的物理性質及養分含量情況見表1。試驗苗材為“盛豐5號”（海澤拉啟明種業北京有限公司），番茄苗長至5 葉1 心、苗高10～12 cm 進行定植，該品種為有限生長型，中型果，粉紅果色，綜合抗逆性強。

表1 土壤理化性質Tab.1 Soil physical and chemical indexes

1.2 試驗設計

2021 年8 月27 日番茄苗定植，生育期劃分為定植后至緩苗期（2021-08-27 至2021-09-22），開花坐果期（2021-09-23至2021-11-15），成熟期（2021-11-16至2021-12-31），每6 h 測量一次日光溫室空氣溫度、濕度，全生育期日光溫室環境情況見圖1。灌水濕潤層為深度0～40 cm 土層，定植水灌至田間持水量，開花坐果期開始灌水試驗，試驗設置5 個處理，分別為0 水、1 水、2 水、3 水、4 水，每次灌水達濕潤層的田間持水量，試驗處理見表2。

圖1 日光溫室氣象數據Fig.1 Meteorological data of solar greenhouse

表2 試驗處理Tab.2 Experimental treatment

小區面積25.6 m2，每個處理設置3次重復，各小區之間留2 行保護行。采用高畦單行栽培，畦高20 cm，畦底寬50 cm，畦面寬40 cm，過道寬50 cm，株距33 cm。采用滴灌灌溉，孔距30 cm，1行番茄布置1條滴灌帶。

定植前按照5 000 kg目標產量，底肥施用有機肥（活菌數2 億∕克，有機質40%）1 022.49 kg∕hm2，磷酸二銨（氮18%，磷46%）141.1 kg∕hm2，硝酸鉀（鉀52%）274.85 kg∕hm2，史丹利優肽氮（氮46%）216.77 kg∕hm2。番茄每穗果膨大至果實橫徑1.5 cm 時進行追肥，全生育期追肥4次，每次追復合肥（氮13%，磷6%，鉀40%）12.45 kg∕hm2，農用硫酸鉀（鉀50%）9.75 kg∕hm2，恩樂施（氮32%） 21.9 kg∕hm2。每次追肥確保各小區在7 d內完成追肥，各小區總施肥量一致。

1.3 項目測定及方法

1.3.1 用水量與土壤含水量

各小區分別安裝水表，記錄全生育期灌水量（L），根據種植密度計算番茄單株耗水量（L∕株）。利用土壤水分多剖面立體監測設備（農芯科技，中國）對土壤水分含量（體積含水量）進行測量，設備埋設至各小區南北距離正中部，壟上距番茄植株15 cm 處，對0～20、20～40、40～60、60～80 cm 土層土壤水分含量進行觀測。

1.3.2 作物生理指標

采收期選擇5 株長勢較為一致的番茄植株，使用Li-6400便攜式光合測量儀（LI-COR，美國）、TYS-3N 植物氮元素測定儀（托普云農，中國）進行凈光合速率[μmol∕(m2·s)]、氣孔導度[mol∕(m2·s)]、蒸騰速率[mmol∕(m2·s)]、氮含量（mg∕g）、葉綠素（SPAD）的測量，測量對象為生長點向下第3 片完全展開的功能葉，觀測時段為光照條件較好的上午9∶00-12∶00。

1.3.3 作物生長指標

采收期選取3株長勢一致的植株，挖取根部并保留地上部完整的莖、葉、果實，分別放入烘箱105 ℃殺青后，85 ℃烘干至恒重，利用精度0.01 g天平稱量根部及地上部干重，計算根冠比、全株生物量（g），根據種植密度計算單株生物量（kg∕株）。

1.3.4 果實品質和產量指標

每個處理選取5個大小、硬度一致的果實，采用分光光度計法測量番茄紅素（mg∕100g），2,6-二氯酚靛酚鈉滴定法測量維生素C（mg∕g），酸水解法-萊茵-埃農氏法測量可溶性總糖（g∕100g）、NaOH滴定法測量可滴定酸（mg∕100mL）。

每個處理選取5 株采摘一穗果，采用精度0.01 g 天平稱量果實重量（g），計算單穗平均產量（kg∕株）。

1.3.5 水分利用效率指標

根據產量和耗水量計算水分利用效率（WUEy）[16]。

式中：WUEy為產量水分利用效率，kg∕L；Y為單株產量，kg∕株）；ET為單株耗水量，L∕株。

根據生物量和耗水量計算水分利用效率（WUEb）。

式中：WUEb為生物量水分利用效率，kg∕L；B為單株生物量，kg∕株；ET為單株耗水量，L∕株。

1.4 分析方法

1.4.1 數據處理

建立決策矩陣，設多屬性指標決策問題中包含n個評價的相關指標和m個待評方案，其方案集、指標集分別為：A=(A1,A2,…,Am)，Β=(B1,B2,…,Bn)，方案A i對指標Bj的值記為xij，(i= 1,2,…,m;j= 1,2,…,n)，形成決策矩陣X=(xij)。

對原始矩陣進行歸一化處理。評價指標中正向指標（指標數值越大越優型）按照公式（3）進行歸一化處理，逆向指標（指標數值越小越優型）按照公式（4）進行逆向化處理。

1.4.2 評價結構

根據層次分析法（AHP）的形式構建番茄綜合生長評價體系[17]（圖2）。圖2 中一級指標為生理指標（u1）、生長指標（u2）、品質指標（u3）和水分利用效率指標（u4），生理指標的二級指標包括凈光合速率（u5）、氣孔導度（u6）、蒸騰速率（u7）、氮含量（u8）、葉綠素（u9）；生長指標包括根冠比（u10）、生物量（u11）；品質指標包括番茄紅素（u12）、Vc（u13）、總糖（u14）、可滴定酸（u15）；水分利用效率指標包括

圖2 番茄綜合生長評價體系Fig.2 Comprehensive growth evaluation system of tomato

WUEy（u16）、WUEb（u17）。

1.4.3 基于熵值法TOPSIS評價法

利用熵權法計算二級指標權重值[18]。首先計算第j個指標中，第i個樣本標志值的比重：

計算第j項指標的熵值：

根據指標值的差異度劃定權重：

利用TOPSIS法對二級指標進行綜合評價。

將決策矩陣X進行加權構造加權矩陣：

再從加權矩陣Sij中選擇指標值的最大值和最小值來表示正理想解S+、負理想解S-，分別計算每個處理中各指標與正理距離d+、負理想距離d-：

最后計算相似貼近度Ci和排名：

1.4.4 模糊Borda評價法

利用模糊Borda 法對一級指標的評價值和排名進行組合評價[19]，通過計算各個一級評價指標對評價項目得分的隸屬度，即該一級評價決定其得到好的評價結果的能力。

式中：xij為第i項在第j種方法的得分；μij為第i項在第j種方法下屬于“優”的隸屬度。

計算第i項處于h位的模糊頻數ρhi及模糊頻率Whi：

其中n為一級評價指標數。

將排名名次轉化為得分：

其中，Qhi為第i項在h位的得分，q為評價項目總數。

計算第i項的模糊Borda數得分。

根據上述計算方法，得到綜合得分及排名。

1.5 數據處理

試驗數據使用Microsoft Excel 2007 軟件進行數據整理及圖表繪制，使用Yaahp 10 繪制層次分類圖，使用IBM SPSS Statistics 23進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 用水量與土壤含水量

全生育期T1 用水1 443.17 m3∕hm2，T2 用水1 693.46 m3∕hm2，T3 用水2 320.32 m3∕hm2，T4 用水3 439.72 m3∕hm2，T5 用水3 464.98 m3∕hm2。T1 與T2、T3、T4、T5 相比，分別節水14.78%、37.80%、58.04%、58.35%。

由圖3 可知，T1 定植水占全生育期用水量的93.72%，定植后用水占6.28%，T2 定植水占全生育期用水量的82.31%，定植后用水17.69%，T3 定植水占全生育期用水64.37%，定植后用水35.63%，T4、T5 定植水分別占全生育期用水量的41.32%和40.95%。通過定植水充分灌溉后，T1 除追肥時少量用水，全生育期實現0水種植，大大降低了灌溉用水。

圖3 全生育期定植水和定植后用水比例Fig.3 Proportion of planting water and water after planting in the whole growth period

定植后每10 d 統計不同小區0～20、20～40、40～60、60～80 cm（對應D1、D2、D3、D4）各個深度土壤含水量平均值，對全生育期各深度土壤含水量變異系數（CV系數）進行計算，結果見表3。除T4 小區外，其他各小區土壤含水量呈現變異系數隨土層深度增加而減小的趨勢，即土層越深，土壤水分變化程度越小。各小區之間呈現隨灌水次數增加各土層變異系數逐漸減小的規律。

表3 全生育期土壤含水量 %Tab.3 Soil water content in the whole growth period

2.2 番茄生理、生長、品質、水分利用效率指標基本表現

番茄生理、生長、品質、水分利用效率指標基本表現見表4，經方差分析，不同處理下凈光合速率、蒸騰速率、氮值、葉綠素、番茄紅素、維生素C、總糖、可滴定酸差異顯著。番茄紅素、Vc 與灌水量呈正相關關系，總糖與灌水量呈負相關關系，與WUEy、WUEb呈顯著負相關。其中T4 在凈光合速率、氮值、葉綠素、生物量、番茄紅素、可滴定酸（數值越小越優）這6 項指標中表現最優，T1 在根冠比、Vc、總糖、WUEy、WUEb這5項指標中表現最優，另外T3的氣孔導度值和T2的蒸騰速率值在各組處理中表現最好。

表4 二級指標基本表現Tab.4 Basic performance of secondary indicators

指標之間的相關關系見表5，其中凈光合速率和氮值、葉綠素呈顯著正相關，與WUEy呈顯著負相關；氮值與葉綠素呈顯著正相關；生物量與可滴定酸呈負相關關系；番茄紅素與Vc 呈顯著正相關，與總糖、WUEy、WUEb呈顯著負相關；Vc與WUEy呈負相關關系，與總糖和WUEb呈顯著負相關；總糖與WUEy呈正相關，與WUEb呈顯著正相關；WUEy與WUEb之間呈正相關關系。

表5 二級指標Spearman相關關系Tab.5 Spearman correlation of secondary index

由指標數據間的差異性和相關性可見，二級指標之間所反映的數據信息既有區別又有重疊，有必要對番茄生長情況進行多目標綜合評價，以確定多目標下最優處理。

2.3 番茄綜合評價

2.3.1 二級指標綜合評價

將可滴定酸進行數據的逆向化處理，其他數據進行歸一化處理。利用熵值法對二級指標進行信息熵和局部權重計算（表6），其中生理指標中凈光合速率占24.92%、氣孔導度占16.46%、蒸騰速率占19.60%、氮值占19.38%、葉綠素值占19.65%；生長指標中根冠比占54.57%、生物量占45.43%；果品品質指標中番茄紅素占37.04%、維生素C 占24.15%、總糖占19.84%、可滴定酸占18.98%；水分利用效率指標中WUEy占52.94%、WUEb占47.06%。

表6 熵值法權重結果Tab.6 Weight results of entropy method

表7 表明，在生理指標評價體系中，T3 的相對接近度0.769 最接近理想解；在生長指標評價體系中，T1 的相對接近度0.555最接近理想解；在果品品質評價體系中，T5相對接近度0.617，可認為是表現最優處理；水分利用效率指標體系中，T1 即為最優處理，其相對接近度為1.000。各個一級指標下不同處理的相對接近度可認定為評價得分，排序結果認定為排名。由于不同指標評價體系下不同處理排名各異，為綜合反映不同灌水制度對番茄的綜合影響，進而利用模糊Borda 評價法綜合利用各個評價體系下的分值與序值信息。

表7 TOPSIS評價法排序結果Tab.7 TOPSIS evaluation method ranking results

2.3.2 一級指標組合評價

利用模糊Borda 評價法對不同處理的生理、生長、品質、水分利用效率指標的分值與序值信息進行組合評價，結果見表8，其中T1綜合評分8.87，綜合排名第一。

表8 模糊Borda法綜合評分和排名Tab.8 Fuzzy Borda method comprehensive scoring and ranking

3 討 論

3.1 水分對番茄生理、生長指標的影響

水分虧缺對作物的各個生理過程的影響程度和順序不同，其中生長對干旱的反應最為敏感，物質運輸則最為遲鈍[20]。當植物體內水分含量下降，葉綠素活性降低，表現為凈光合速率下降，同時水分脅迫導致番茄功能葉氣孔導度顯著降低，作物蒸騰作用下降以減少水分蒸發[21]。然而土壤水分過高導致土壤通氣性下降，根系呼吸作用受阻，從而抑制了根系水分和養分的吸收[22]。適度的水分虧缺可促進植株的耐旱性增強[23]，導致番茄底部葉片老化，促進頂部功能葉的光合能力，因此適度的土壤水分虧缺不僅不會抑制番茄生長，反而可以促進番茄光合能力增強。

本研究中，0 水灌溉的T1 處理生理指標綜合評價排名最低，4 水灌溉的T5 處理排名第4，開花坐果期和成熟期各進行1 次灌水的T3 處理生理指標綜合評價最高，由此可見，嚴重的水分虧缺和土壤水分含量過高都會影響葉片的光合生理功能，適中的灌溉量有利于提高葉片凈光合速率等生理功能。生長指標方面，各處理間的根冠比和生物量指標并無顯著性差異，0 水灌溉極大促進了番茄根系的生長，綜合評價下T1處理表現最優。

3.2 水分對番茄果實品質的影響

番茄品質指標與灌水量呈相關關系，且不同灌溉處理下番茄果實番茄紅素、維生素C、總糖、可滴定酸具有顯著性差異，可見灌水量顯著影響番茄品質。劉亭亭等人[24]研究顯示番茄從始花結果期至品質形成期，充足的水分可增加番茄紅素含量。哈婷等人[25]研究顯示營養液供液量的增加會降低果實的品質，不利于高糖度番茄的生產。安順偉等人[26]研究顯示，番茄果實中可溶性固形物隨灌水量減少而增加。吳泳辰等人[27]研究表明番茄果實中可溶性固形物、Vc 與灌水量顯著負相關。本研究，不同灌溉處理下果實的番茄紅素、Vc、總糖、可滴定酸呈現顯著性差異，通過綜合評價發現T5處理表現最優。

3.3 水分對水分利用效率指標的影響

番茄坐果期營養生長與生殖生長同時進行，適當的水分脅迫有利于營養生長向生殖生長的轉化，番茄植株處于一定的水分虧缺狀態，水分利用效率更高[28]。張國新等人[29]研究發現，隨著土壤基質勢降低，灌水頻次減少，番茄的水分利用效率明顯提高。張輝等人[30]在探討番茄不同生育時期灌水下限與番茄產量、水分利用效率的關系時發現，水分利用效率隨番茄產量增加呈拋物線型變化，產量低于9.69 萬kg∕hm2時，生產單位質量番茄用水較少。本研究中，灌水量與水分利用效率指標顯著相關，0 水處理顯著提高WUEy、WUEb，可有效實現設施番茄生產節水。

4 結 論

秋冬茬設施番茄栽培過程中，將定植水灌至40 cm 深土層田間最大持水量后，除追施水溶肥時少量灌水，開花坐果期至采收期0水處理可以維持植株生長，在番茄綜合生長評價體系中表現最優，該灌溉制度有效減少了河北地區秋冬茬設施番茄用水量，實現了農業提質增效。