番茄葉片對不同灌溉量的生理響應

范勝男，季延海，劉明池，李 偉，梁 浩，武占會，王麗萍

（1.河北工程大學園林與生態工程學院，河北邯鄲 056038；2.北京農林科學院蔬菜研究所，北京 100097；3.農業農村部華北都市農業重點實驗室，北京 100097）

0 引言

我國水資源短缺，農業用水十分緊張，降低灌溉量是一種節水措施，有利于提高農業用水的利用效率[1]。番茄是一種具有特殊口感且營養豐富的蔬菜,也是我國設施蔬菜栽培的主要作物，在蔬菜產業中具有重要的地位[2]。目前關于灌溉量影響番茄栽培的研究較多，Nangare[3]的研究表明過量灌溉不僅不會提高番茄的生長和品質，還會造成水資源浪費。雷喜紅[4]的研究表明灌溉量為正常灌溉量的80%時，可以提高果實VC和可溶性固形物。說明適度的減少灌溉量可以提高番茄的品質和風味[5,6]；同時減少灌溉量顯著影響植株的生長發育和葉片的光合作用，降低干物質的積累[7]。有研究表明灌溉量減少，番茄植株凈光合受到抑制，最大光化學效率降低，抗氧化酶活性升高[8-10]。

在基質栽培番茄中探究減少灌溉量后番茄葉片的響應已有較多研究，但我國基質栽培大多采用營養液外排的開放式栽培模式，不能充分的利用水資源，且造成一定的土壤環境污染[11]。同時一些有機基質穩定性較差，含有有機生物殘體，易與營養液反應，長期使用會造成養分累積，對作物生長造成危害[12]。因此本研究是在無土栽培模式下，使用理化性質相對穩定的無機基質，同時采用營養液循環灌溉的封閉式栽培，營養液不外排，精準控制營養液灌溉量。探究不同灌溉量處理下番茄葉片光合參數、葉綠素熒光參數、葉片結構、抗氧化酶系統的變化，揭示相關生理指標之間的聯系，為營養液循環利用模式下無機基質栽培番茄科學的灌溉模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2021年8月至2022年1月在北京市農林科學院蔬菜研究中心連棟玻璃溫室內進行。采用北京市農林科學院蔬菜研究中心自主研發的封閉式無機基質循環槽培系統（CN201510214349.X），栽培基質為珍珠巖，營養液配方為北京市農林科學院蔬菜研究中心劉增鑫[13]的地下水改良配方。試驗采用番茄品種為‘瑞粉882’，于2021年8月13日播種，9月17日定植，定植后統一進行水肥管理，單株番茄日營養液灌溉總量為2.0 L，營養液EC值為2.0±0.2，pH值為6.2±0.2。于第一穗果實坐果（12月8日）后進行處理，試驗設置6個不同營養液灌溉量處理，每株番茄日灌溉總量分別為0.5 L（T1）、0.8 L（T2）、1.1 L（T3）、1.4 L（T4）、1.7 L（T5）、2.0 L（T6），營養液EC值范圍為2.4±0.2，pH值不變。

試驗采用完全隨機設計，每個處理29個栽培槽，每個栽培槽定植2株番茄，合計58株，營養液采用滴灌，每株番茄對應一個滴針，在距離番茄根部5 cm處插入珍珠巖，將營養液直接運輸到根系。利用控制器，進行自動灌溉，日灌溉次數為6次，分別為7∶30、9∶30、11∶30、13∶30、15∶30、

17∶00。

1.2 項目測定及方法

1.2.1 生長指標和產量的測定

處理后15 d每個處理選5株用直尺測量株高、葉長葉寬，計算葉面積，游標卡尺測量莖粗。果實成熟后用電子天平稱量單果質量計算單株產量。

1.2.2 葉片光合參數的測定

選擇晴天上午陽光充足時，采用LI-6400XT（美國，LICOR）對番茄葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）進行測定，采用6400-02B紅藍光源，流速500 μmol/s，CO2濃度400±2 μmol/mol，小鋼瓶二氧化碳濃度（Cɑ）為400 μmol/mol，每個處理3次重復。并計算葉片氣孔限制值Ls和葉片水分利用效率WUE。公式如下：

1.2.3 葉綠素熒光測定

首先把番茄葉片用錫紙包住，然后放于暗環境中，處30 min后，設定快門Shutter=1，敏感度Sensitivity=46，光照Act3=0，Act2=10，Act1=56，Super=20，采用Fluor Cam葉綠素熒光成像系統測定葉片初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、光系統Ⅱ的潛在活性（Fv/Fo）、暗適應下最大光化學效率（Fv/Fm）。

1.2.4 葉片顯微結構的測定

于晴天上午9∶00-11∶00取番茄葉片葉脈中部左右5 mm×5 mm見方小塊，立即置于FAA固定液中，抽真空固定24 h，經脫水、透明、浸蠟、包埋、切片，番紅-固綠染色，于蔡司顯微鏡下觀察并拍照。

1.2.5 葉片抗氧化酶活性測定

超氧化物歧化酶（SOD）活性：用氮藍四唑（NBT）比色法[14]；過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚顯色法[15]；丙二醛(MDA)含量測定參照的是湯章城TBA(硫代巴比妥酸)顯色法[16]；用索萊寶過氧化氫含量試劑盒測定過氧化氫含量；每個處理3次重復。

1.3 數據處理與分析

試驗測量數據采用IBM SPSS Statistics 23.0統計軟件進行單因素方差分析，采用Duncan進行差異顯著性分析；使用Microsoft Excel軟件對試驗數據進行處理和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉量對番茄生長和產量的影響

由表1可以看出隨著灌溉量的逐漸下降，番茄株高、莖粗、葉片數和單株產量都呈下降趨勢。T6、T5處理的株高和莖粗無顯著性差異，T6處理株高顯著高于其他處理組16.60%、14.64%、9.60%、6.20%，T5處理莖粗顯著高于T1、T3處理25.19%、14.29%。T4、T5、T6處理葉面積顯著高于T1、T2、T3處理，且T4、T5、T6無顯著性差異。T4處理單株產量最高，與T6、T5處理差異性不顯著，T4處理單株產量顯著高于T1、T2、T3處理18.76%、9.08%、3.39%。由此可以看出減少灌溉量，植株生長和產量都會受到一定的影響。

表1 不同灌溉量對番茄生長和產量的影響Tab.1 Effects of different irrigation amounts on tomato growth and yield

2.2 不同灌溉量對番茄葉片光合參數的影響

由圖1可知，番茄葉片凈光合速率隨著不同灌溉量處理時間的延長呈下降趨勢，在處理后45 d達到最低，灌溉量越高凈光合速率越大。處理45 d時，T6＞T4＞T5＞T3＞T2＞T1，與T1相比T6增加33.93%。胞間CO2濃度隨著處理時間的延長，T6處理無明顯變化，T4、T5處理逐漸下降，T1、T2、T3處理先下降后上升趨勢，30 d出現拐點，此時T2處理最低，T6處理最高；處理45 d時，灌溉量越高二氧化碳濃度越高，且T6顯著高于T2。氣孔限制值與胞間CO2濃度趨勢相反，隨著處理時間的延長，T1、T2、T3處理葉片氣孔限制值的整體趨勢是先上升后下降，30 d時達到最高，T4、T5處理是逐漸上升。處理15 d時，T1處理氣孔限制值顯著高于T5、T6處理71.43%、81.82%，T5、T6無顯著性差異；處理45 d時，T1處理顯著高于其他處理4.86%、11.30%、16.75%、29.80%、99.56%。隨著處理時間的延長，不同灌溉量處理下水分利用效率變化趨勢不同，處理30d時，T1處理顯著高于T3、T4、T5、T6處理46.72%、85.75%、74.55%、162.42%，T1、T2無顯著性差異，灌溉量越少，葉片的水分利用效率越高。總體上說明相同處理天數下，灌溉量越高，番茄葉片凈光合速率、胞間CO2濃度越高，氣孔限制值、水分利用率越小，增加灌溉量可以提高番茄葉片凈光合速率和蒸騰速率。

圖1 不同灌溉量對番茄葉片光合參數的影響Fig.1 Effects of Different Irrigation Amounts on Photosynthetic Parameters of Tomato Leaves

2.3 不同灌溉量對番茄葉片葉綠素熒光參數的影響

Fv/Fm即PSⅡ反應中心光能轉化效率，比值越高，光能轉化效率越高，當植物受到逆境脅迫時，光能轉化效率會降低。由圖2可以看出隨著灌溉量的增加Fv/Fm逐漸增大，不同處理天數下均在T6處理值最高，T1處理值最低，處理15 d時，T6顯著高于T1處理15.71%；處理45 d時，T1、T2、T3、T4無顯著性差異。qP表示植物吸收的光能中用于光合的那部分能量，其值越高，說明植物光合作用越好。圖2中處理15 d時qP的值隨著灌溉量的上升也呈上升趨勢，在T6處理達到最高，且T6處理顯著高于其他處理；處理45 d時，各處理光化學淬滅系數無顯著性差異。NPQ表示植物吸收過量光能時以熱耗散形式消耗的部分能量，植物受到脅迫時NPQ值增加。圖2中處理15 d時，T1處理最高，T6處理最低，T1處理顯著高于T6處理；處理45 d時，T6處理顯著低于其他處理組85.56%、107.78%、66.67%、44.44%、58.59%。由此可以看出灌溉量降低，植物葉片受到脅迫，光能轉化率下降，光合能力下降，熱耗散增加。

圖2 不同灌溉量對番茄葉片葉綠素熒光參數的影響Fig.2 Effects of different irrigation rates on the chlorophyll fluorescence parameters of tomato leaves

2.4 不同灌溉量對番茄葉片顯微結構的影響

由表2可知，不同灌溉量處理，對葉片的顯微結構有一定的影響，隨著灌溉量的減少葉片厚度、上表皮、下表皮呈先升高后降低趨勢。處理45 d時，葉片厚度、上表皮和下表皮厚度低于15 d，均在T4處理下達到最高，說明減少灌溉量可以提高葉片厚度。葉綠體主要存在于柵欄組織中，柵欄組織與海綿組織的比值越高越有利于葉片進行光合作用。處理15 d時，不同灌溉量處理葉片柵欄組織在T4達到最大，顯著高于T1、T2處理51.39%、64.57%，柵海比也是先升高后降低，在T4、T5處理達到最大，且T4、T5處理無顯著性差異；45 d時與T1處理相比，其他處理組葉片柵欄組織厚度分別增加了11.76%、16.92%、56.84%、15.97%、11.09%，T4灌溉量處理下葉片柵欄組織厚度增加最多，且不同灌溉量處理，T4處理下柵海比最高，T1處理最低，T2、T3、T5、T6無顯著性差異。由此可以看出，在一定范圍內減少灌溉量可以提高葉片厚度、葉片的柵海比（見圖3）。

圖3 不同灌溉量下番茄葉片顯微結構Fig.3 Microstructure of tomato leaves under different irrigation rates

表2 不同灌溉量處理對番茄葉片顯微結構的影響Tab.2 Effects of different irrigation treatments on the microstructure of tomato leaves

2.5 不同灌溉量對番茄葉片抗氧化酶活性的影響

當植物受到外界環境脅迫時，產生大量的活性氧對植物造成一定的損害。SOD、POD是抗氧化酶，可以有效的清除自由基，減緩脅迫對植物造成的傷害。由圖4可以看出，SOD、POD酶活性呈現相同變化趨勢，隨著處理時間的延長酶活性逐漸下降，不同灌溉量處理呈先上升后下降。處理15 d時，SOD酶活性在T3處理達到最高，顯著高于T1、T2處理79.89%、17.78%，同時T2與T4、T5、T6處理組無顯著差異；POD酶活性在T4處理達到最高且高于T1、T6處理105.85%、33.36%，且T1與T2、T5與T6無顯著性差異。

圖4 不同灌溉量對番茄葉片抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of different irrigation rates on the activities of antioxidant enzymes in tomato leaves

2.6 不同灌溉量對番茄葉片過氧化氫含量的影響

由圖5可知，處理45 d各處理H2O2含量均高于處理15 d，處理時間越長，番茄葉片過氧化氫含量越高。處理15 d，隨著灌溉量的增加番茄葉片H2O2含量逐漸下降，T1處理顯著高于其他處理，其他各處理無顯著性差異。在處理第45 d，H2O2含量隨灌溉量增加先下降在上升，在T3處理最低，T1、T2處理過氧化氫含量高于T3處理52.00%、59.20%。

圖5 不同灌溉量對番茄葉片過氧化氫含量的影響Fig.5 Effects of different irrigation rates on the hydrogen peroxide content of tomato leaves

2.7 不同灌溉量對番茄葉片丙二醛含量的影響

由圖6可以看出，丙二醛含量變化趨勢和H2O2含量變化趨勢相似，隨著不同灌溉量處理時間的延長，番茄葉片在處理45 d時丙二醛含量均高于處理15 d。處理15 d時，丙二醛含量隨灌溉量增加呈先下降后上升趨勢，T1處理丙二醛含量最高，T3處理最低，T2、T4、T5處理組無顯著性差異。在處理45 d時，隨著灌溉量的增加番茄葉片丙二醛含量逐漸下降，在T4處理達到最低，且與T5、T6無顯著性差異，與T1處理相比T4處理丙二醛含量降低了20.07%。

圖6 不同灌溉量對番茄葉片丙二醛含量的影響Fig.6 Effects of different irrigation rates on the content of MDA in tomato leaves

3 討論

水是植物進行光合作用的原料之一，灌溉量的多少直接影響植物的光合作用[17]。在番茄[18]、黃瓜[19]、辣椒[20]上的研究表明隨著灌溉量的減少，葉片凈光合、Fv/Fm、qP逐漸下降，NPQ和WUE增加，光化學淬滅系數下降，光能傳遞效率降低，原初反應受到抑制，造成光能過剩，光合作用下降。光合作用下降有兩種因素導致，當Ci下降，Ls逐漸增加，光合作用降低受氣孔因素影響；反之Ci增加，Ls下降，則是由非氣孔因素導致[21]。艾希珍[22]等認為，當葉片衰老時，光合作用下降主要是由非氣孔因素限制。本試驗結果表明番茄葉片處理后期，T4、T5灌溉量處理下葉片Pn、Ci下降，Ls增加，說明輕度虧缺灌溉葉片受氣孔因素影響，但是T1、T2、T3處理Ci增加，Ls降低，說明光合作用受非氣孔因素限制，由此可以看出灌溉量過低可能會加速番茄葉片衰老。減少灌溉量會導致葉片Pn、Fv/Fm下降，同時葉片也可以通過提高水分利用效率、增加葉片厚度、提高柵海比來應對一定范圍內灌溉量下降帶來的損傷[23]。有研究表明適度的減少灌溉量，葉片水分利用效率、葉片厚度和柵海比高于正常灌溉水平[24]。本試驗結果表明，處理初期T4、T5灌溉量處理不會對凈光合產生很大的影響，葉片可以通過提高葉片的水分利用效率、葉片厚度、柵欄組織厚度、柵海比來適應脅迫。處理15 d時，T4、T5、T6處理Pn無顯著性差異，同時T4、T5處理的WUE、葉片厚度、柵海比顯著高于T6處理。但不能簡單的認為灌溉量越少水分利用效率越高越好，T1、T2處理的水分利用率雖高，同時柵海比下降到最低，凈光合速率顯著低于其他處理組，且T1、T2處理非光化學淬滅系數高于其他處理組，說明T1、T2灌溉量處理超出植株主動調節范圍，葉片結構遭到破壞，植株光合速率受到抑制，與劉洋[25]等研究結果相似。

隨著灌溉量的減少，對植物造成一定程度上的水分脅迫，植物體內活性氧產生與清除的動態平衡被打破，酶活性受到抑制，大量活性氧沒有及時清除，對細胞造成毒害作用[26]。SOD、POD作為主要的抗氧化酶，能夠有效的清除活性氧，減輕營養液灌溉量減少對植物造成的損傷，提高植物的抗旱能力[27]。植物葉片衰老時，SOD酶活性會受到抑制，同時MDA和H2O2的降解能力下降，含量不斷累積[28]。本試驗中，15 d時各處理SOD和POD酶活性高于45 d，且MDA和H2O2含量低于45d，且T3、T4處理酶活性上升，SOD和POD快速清除自由基，分解H2O2，抑制質膜過氧化產生的MDA。說明脅迫初期，中度虧缺下番茄葉片自身可以做出適應性調節，提高番茄葉片的抗旱能力，應對逆境帶來的損傷，T1、T2處理酶活性低于T3、T4處理，說明重度虧缺下抑制了抗氧化酶活性。處理45 d時，經過長期的水分脅迫，SOD、POD酶活性下降。此時番茄葉片代謝紊亂，活性氧自由基累積過多，導致膜質過氧化，產生大量的MDA，膜系統受到破壞，細胞滲透性增大。T1處理SOD酶活性顯著低于其他處理，說明灌溉量過低時葉片早衰，與侯夢媛[29]的研究結果一致。

4 結論

不同灌溉量處理對番茄葉片影響顯著，隨著灌溉量的下降，株高、莖粗、葉面積和產量逐漸下降；Pn、Fv/Fm和qP下降，NPQ和WUE升高，適度的減少灌溉量，可以增加葉片厚度，提高柵海比和抗氧化酶活性，降低MDA和H2O2含量；超出一定范圍后，葉片變薄，柵海比下降，抗氧化酶活性下降，灌溉量越低，葉片受到的損傷越大。