虧缺灌溉條件下增施硅肥對番茄生長發育及品質的影響研究

楊振平，劉 苑，鄧亞鵬

（1.石家莊市水利技術推廣中心，石家莊 050000；2.石家莊水文勘測研究中心，石家莊 050000）

0 引 言

華北平原是我國重要的農耕區，農業用水占當地用水量的60%以上，農業灌溉用水的增加已經成為了華北地區地下水超采的重要因素。因此，降低農業水資源消耗、提高作物水分利用效率，已經成為了解決華北地區地下水超采問題的重要措施[1]。番茄作為華北地區的重要經濟作物，對土壤水分十分敏感，水分過少會導致番茄生長發育不良、降低產量及品質，而盲目灌溉不僅會抑制番茄根部呼吸，根系腐爛，嚴重時會導致植株死亡，也會造成水資源的浪費，不利于農業的可持續發展[2]。喬民國等[3]研究表明，輕度虧缺灌溉不僅能減少水資源消耗，提高水分利用效率，也可促進番茄生長發育，提升番茄產量及品質。杜兵杰等[4]和黃媛等[5]認為輕度虧缺灌溉能提高葉片抗氧化酶活性，提高地上部干物質積累，增加作物水分利用效率。

硅作為農作物生長過程中所需的重要元素之一，不僅能夠增強細胞壁厚度，延緩植物衰老，也能夠清除植物細胞中活性氧自由基，促進脅迫誘導物質的合成，提升作物抗逆性[6]。同時，硅也能促進作物根系發育、莖葉生長、提升作物產量及品質[7,8]。韓曉楠等[9]指出硅肥對水稻株高、葉面積、產量有促進作用，且硅肥能夠改善土壤結構，降低土壤中鹽分含量。劉鵬等[10]研究發現，硅肥能提升馬鈴薯葉片干物質積累量、產量及商品薯率，且產量及商品薯率均隨施硅量的增加而增加。有關硅肥對水稻、馬鈴薯等作物的研究已經取得了重要進展，但針對施硅量對番茄生長發育、產量及品質的影響還鮮有系統報道。

因此，本文以番茄為研究對象，設置了3個不同灌溉量和3 種施硅方式，研究了不同灌水量和施硅量對番茄生長發育、產量及品質的影響，并利用隸屬函數法對番茄生長、產量和品質進行評價，尋求試驗條件下最優灌溉方式，以期為華北地區發展農業節水、緩解水資源短缺、提高水資源利用效率、提升農業綜合效益、推進農業綠色發展提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2022 年4-8 月于石家莊市欒城區農業種植基地溫室大棚進行。該地區屬于溫帶季風氣候，年日照時數為2 261.6 h，多年平均氣溫為14.0 ℃，多年平均降水量504.4 mm，夏季6-8 月降水量占全年65%左右。供試土壤類型為壤質黏土，其中黏粒、粉粒和沙粒相對含量分別為18.37%、53.24%和28.39%，土壤中主要營養成分如表1 所示。所種番茄品種為“草莓番茄”，施加的硅肥為從山東金潤梓生物科技有限公司購買的硅酸鈉（Na2SiO3≥98%）。

表1 供試土壤主要營養成分情況Tab.1 Main nutrient components of the test soil

1.2 試驗設計

參考杜兵杰等[4]、馮騰騰等[11]和艾鵬睿[12]的試驗設計，本試驗共設置3 個灌溉水量（充分灌溉100% Ep、輕度虧缺灌溉75% Ep和重度虧缺灌溉50% Ep，Ep為作物蒸發蒸騰量，分別用W100、W75 和W50 表示）和3 個硅肥施加量（0、1、2 mmol/L，分別用Si0、Si1 和Si2 表示），共9 組處理，每組處理設置3個重復，采用隨機區組進行排列。

選用直徑為30 cm，高38 cm 的塑料桶，盆底放置沙子2 kg，裝入30 kg風干土，盆底均勻設置排水口，放置于托盤上。4月15日，選取無病蟲、生長健壯一致的“三葉一心”幼苗進行定植，4月15日至4月18日，各處理均保持充分灌溉，其余時間每2～5 d 灌溉一次，灌水量I = α Ep，Ep=Δm/S，α 為蒸發系數，W50、W75 和W100 處理蒸發系數分別為0.50、0.75 和1.00；Δm 為W100Si0 處理2 次稱重變化量，S 為塑料桶上表面積。7月13日開始收獲，7月26日，測定番茄的產量，每組處理隨機選擇5個番茄，對番茄品質進行測定，8月2日拉秧。

1.3 測定指標及方法

株高、莖粗分別由鋼卷尺（精度1 mm）和游標卡尺（精度0.01 mm）測定，每5 d 測定一次；將每個生育期末所收集的葉片放入105 ℃烘箱中30 min后，用萬分之一天平（精度為0.000 1 g）測定葉片干物質量；采用精準電子秤（精度為0.01 g）測定番茄的產量；利用鉬藍比色法、甲苯浸提-比色法、蒽酮法和折光率儀法分別測定番茄的維生素C、番茄紅素、可溶性糖和可溶性固形物含量。水分利用效率為產量與灌溉水量的比值。

1.4 數據處理

利用隸屬函數法對番茄生長和品質進行評價[13]。

式中：η 為評價指標隸屬函數值；i 為不同處理；j 為評價指標；Xj為該指標的測量值，其中株高、莖粗、葉片干物質量、產量、水分利用效率、維生素C、番茄紅素、可溶性糖、可溶性固形物9項指標賦值各占1/9。

試驗數據的計算、作圖和顯著性差異分析分別由Excel 2016、Origin 2018和SPSS 16.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 對番茄株高、莖粗、葉片干物質量的影響

株高、莖粗和葉片干物質量是植物生長發育的重要指標，植物生長越旺盛，株高和莖粗越大、葉片干物質越多。圖1顯示了不同處理對番茄株高影響的變化關系，可以看出，施加1 mmol/L 硅肥時，W100、W75、W50 處理的株高較不施硅處理依次增加了3.66%、3.74%和4.42%，番茄株高增長量隨灌溉水量的降低呈現出增長趨勢，表明硅肥在非充分灌溉條件下會提升番茄的抗逆性，促進番茄株高的生長。在所有處理中，W75Si1、W100Si2、W75Si2 生長發育最佳，說明施硅能促進番茄的生長。

圖1 不同處理對番茄株高影響的變化關系Fig.1 Changes of tomato plant height affected by different treatments

從圖2 可以看出，在試驗結束時，各處理莖粗呈現出W75Si2 ＞ W100Si2 ＞ W100Si1 ＞ W75Si1 ＞ W100Si0 ＞ W75Si0 ＞W50Si2 ＞ W50Si1 ＞ W50Si0的變化趨勢，相同施硅條件下，番茄莖粗隨灌溉量的增加呈現上升趨勢；同等灌溉條件下，番茄莖粗同施硅量的增加而增加。W100 和W75 處理的莖粗較W50 分別增加了22.32%和20.89%；Si1 和Si2 處理較Si0 處理分別增加了4.95%和12.09%。W100和W75處理莖粗均顯著高于W50處理，且施硅對番茄莖粗影響顯著（見表2）。

圖2 不同處理對番茄莖粗影響的變化關系Fig.2 Changes of tomato stem diameter affected by different treatments

表2 灌水量與硅肥施加量交互作用對番茄株高、莖粗、葉片干物質量的雙因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA analysis of irrigation amount and silicon fertilizer amount on tomato plant height, stem diameter, and dry matter quality

不同處理在關鍵生長期間葉片干物質量的關系如圖3 所示，隨著番茄生長的推移，植株逐漸茂密，葉片干物質量增加，在整個生育期間，W100Si2 和W75Si2 處理生育期內葉片干物質量最大，分別為376.68 g 和375.99 g，W50Si0、W50Si1和W50Si2 處理葉片干物質量相對較小，分別為307.15 g、310.34 g 和315.55 g。相同施硅條件下，葉片干物質量隨灌溉量的增加而增加，W100 和W75 處理較W50 處理分別增加了16.82%和16.00%；同等灌溉條件下，葉片干物質量與施硅量呈正比，Si1 和Si2 處理較Si0 處理分別增加了4.71% 和7.31%。

圖3 不同處理對番茄葉片干物質量影響的變化關系Fig.3 Changes of tomato leaf dry mass affected by different treatments

表2為灌水量與硅肥施加量及其交互作用對番茄株高、莖粗、葉片干物質量的雙因素方差分析表，可以看出，硅肥施加量、灌水量及其兩者交互作用均對番茄的株高、莖粗和葉片干物質量存在顯著影響（P＜0.05），其中，灌水量對株高、莖粗和葉片干物質量增長存在極顯著影響（P＜0.01）；灌水量與硅肥施加量的交互作用及硅肥施加量對莖粗存在極顯著影響（P＜0.01）。

2.2 對番茄產量和水分利用效率的影響

由圖4 可以發現，W100Si2 和W75Si2 處理的產量最大，分別為1 482.49 g/盆、1 471.24 g/盆，W50Si0和W50Si1處理產量相對較小，分別為1 014.68 g/盆和1 195.3 g/盆。相同施硅條件下，W100 和W75 處理產量較W50 處理分別增加了19.32%和21.41%，番茄產量隨灌溉水量的增加呈現出先增加后降低的趨勢，說明本試驗中W75是提高番茄產量的最適宜灌水量；同等灌水條件下，番茄產量大小表現為Si2＞Si1＞Si0，Si1和Si2處理產量較Si0 處理分別增加了8.99%和15.68%，可見，適當增加灌溉量和施硅量能促進番茄產量的提升。從圖4亦可以看出，W50 處理水分利用效率顯著高于其余處理，且隨著灌溉水量的增加呈現降低趨勢，隨硅肥施加量的增加呈現出上升趨勢。表3為灌水量與施加硅肥量及其交互作用對番茄產量和品質的雙因素方差分析，可以看出，灌水量、施加硅肥量及其交互作用均會顯著影響番茄的產量和水分利用效率（P＜0.01）。

圖4 不同處理對番茄產量和水分利用效率的影響Fig.4 Changes of tomato yield and WUE affected by different treatments

表3 灌水量與硅肥施加量交互作用對番茄產量、水分利用效率和品質的雙因素方差分析Tab.3 Two-way ANOVA analysis of irrigation amount and silicon fertilizer amount on tomato yield, WUE and quality

2.3 對番茄品質的影響

番茄中的維生素C、番茄紅素、可溶性糖和可溶性固形物含量是影響果實品質的重要指標，從表3中可以發現，灌水量和硅肥施加量及其兩者交互作用對番茄維生素C和番茄紅素存在極顯著影響（P＜0.01）。灌水量對可溶性糖和可溶性固形物存在極顯著影響（P＜0.01）；施硅對可溶性糖存在顯著影響（P＜0.05）。從表4 可以看出，施加等量硅肥條件下，W100 和W75處理維生素C含量隨著灌溉水量的增加呈現先增加后降低趨勢，較W50 處理分別高出了7.03%和14.84%；番茄紅素、可溶性糖和可溶性固形物均隨灌溉水量的增加呈現出上升趨勢，在W100處理下番茄品質最優，說明適宜灌溉會提升番茄品質，增加其口感。同等灌水條件下，施硅處理會提高番茄中番茄紅素含量，W100 和W75 處理較W50 處理分別增加了6.98%和13.29%，說明施硅能提升番茄營養物質含量，但施硅也會降低番茄中可溶性固形物和可溶性糖含量，破壞番茄口感。

表4 不同處理番茄品質情況Tab.4 Quality of tomatoes under different treatments

2.4 不同處理對番茄生長、產量和品質評價

根據番茄實際生長、產量和品質建立了不同處理番茄隸屬函數及排名情況表（見表5），隸屬函數值越大，說明番茄生長、產量和品質越好。從表5可以看出，隸屬函數值最大的為W75Si2，隸屬函數值為0.71，說明在該灌溉方式下，番茄的生長、產量和品質綜合效果最好。

表5 不同處理番茄生長、產量和品質隸屬函數值及排名情況Tab.5 Membership function values and rankings of tomato growth，yield and quality under different treatments

3 討 論

3.1 對番茄株高、莖粗和葉片干物質量的影響

虧缺灌溉能提高作物抗逆性，增加作物水分利用效率，減少農業灌溉水資源消耗，促進作物生長發育，改善作物品質[2]；亦有研究表明虧缺灌溉會導致作物生理生化指標發生紊亂，進而影響到作物的產量及品質[4]。硅作為目前農作物生產過程中的重要營養元素，不僅能夠改善土壤結構，促進作物的生長發育，也有預防病蟲害的作用，近些年來越來越受到學者的重視[14]。株高、莖粗和葉片干物質量對番茄生長狀況最為直觀的反映，水分、施肥、光照強度與時間、氣候條件等因素均是影響番茄生長的重要因素[15]。本研究中，Si2 處理生長指標綜合隸屬函數值大于Si0 和Si1 處理；W75 處理生長指標綜合隸屬函數值大于W100 和W50 處理；同等施硅條件下，番茄莖粗增加量隨灌溉水的減少而降低。初步分析是由于施硅首先能夠改善土壤結構，有利于土壤孔隙形成，提高根系酶活性，促進根系生長發育；其次，施硅不僅可增加土壤保水性能，也能增強作物抗倒伏能力，增大土壤遮陰面積，降低無效水分散發；最后，施硅可調節葉片氣孔的開閉，同時提高番茄的光合作用和葉綠素含量，從而促進番茄的生長發育[16,17]。W75處理能夠提高作物的抗逆性，對作物生長有一定的調節作用，番茄在適度的干旱復水后會產生生長補償效應，促進根系生長、葉片及葉面積增大，過量水分會導致土壤中氧氣含量減少，抑制土壤中微生物和酶的活性，不利于根系的生長發育，抑制了番茄的生長；W50 處理會造成土壤板結，抑制土壤中微生物的活性，對番茄造成不可逆傷害，降低其產量[3]。施加硅肥灌溉能夠為番茄生長提供必要的營養成分，增大土壤保水性能，改善土壤結構，提高微生物和酶的活性，促進番茄的生長發育，且隨著施硅量和灌溉量的增加而呈現上升趨勢[6]。

3.2 對番茄產量和水分利用效率的影響

農業生產的最終目標就是不斷提高作物的產量，華北地區水資源相對短缺，如何合理利用有限水資源提升作物產量一直是華北地區農業生產的重要研究課題。邢英英[18]等研究了水肥組合條件下對番茄產量的影響，指出灌溉量和施肥水平均會對番茄產量產生顯著影響，且番茄產量隨著灌水量和施肥量的增加而增加。本研究中，同等施硅條件下，W100 和W75 處理產量較大，主要是由于番茄生長越旺盛，番茄的葉面積越大，光合作用和酶活性越強，光合產物越多，番茄吸收養分的能力越強，產量越高[16]；同等灌溉量條件下，Si1 和Si2 處理產量均高于Si0 處理，且隨著施硅量的增加而呈現出上升趨勢，主要是由于硅能夠提升番茄的光合作用，在番茄作物內番茄果實中形成硅化細胞和角質雙硅層結構，增大細胞壁，提高單果重，進而提升番茄總產量[19]；另一方面，施硅處理能促進番茄葉片、葉面積及根系生長，根系生長越旺盛，所吸收的養分越多，產量就越高[8]。本試驗中，W100Si2 和W75Si2 處理產量最大，主要是這2 組處理外界無強烈的水分脅迫，同時，施加了2 mmol/L 硅肥，增加了植物細胞液濃度，降低了滲透勢，增加了作物吸水和保水的抗逆能力，提升了番茄的根系活力和酶活性，促進了番茄的生長發育，從而提高了番茄產量[6]。本試驗亦發現，水分利用效率隨灌溉水的降低和施硅量的增加而增加，主要是由于土壤蒸發阻力隨土壤含水率的增加而降低，土壤蒸發阻力越小，無效水分消耗越容易，水分利用效率越低，施加硅肥降低了無效水分消耗，提高了水分利用效率[20]。

3.3 對番茄品質的影響

維生素C、番茄紅素、可溶性糖和可溶性固形物是影響番茄品質的重要指標，番茄營養成分隨維生素C和番茄紅素的增加而增加；口感隨可溶性糖和可溶性固形物含量的增加而增加。本研究中，同等灌溉條件下，維生素C、可溶性糖和可溶性固形物隨硅肥施加量的增加呈現出下降趨勢，主要是由于硅肥作為單一養分多用于番茄的生長，對于果實內部的營養物質影響相對較小，且本試驗為盆栽試驗，期間土壤養分含量相對固定，在大部分營養被番茄的生長發育所消耗，果實所吸收的養分減少；番茄紅素隨硅肥施加量的增加而增加，初步分析是由于硅能提高八氫番茄紅素脫氫酶活性，提高脫氫化學效率，進而促進番茄紅素的合成[21]。同等施肥條件下，維生素C、番茄紅素、可溶性糖和可溶性固形物均隨灌溉水量的增加均呈現出先增加后下降的趨勢，主要是由于W50 處理條件下，不僅抑制了作物的生長發育，同時也降低了番茄所產生的光合作用，抑制了營養物質的形成；W100 處理條件下，稀釋了果實中的營養成分，從而降低了營養成分的濃度，進而影響番茄品質。

番茄生長、產量和品質進行綜合評價是選擇試驗中最優處理的重要方式，本文選擇株高、莖粗、葉片干物質量、產量、水分利用效率、維生素C、番茄紅素、可溶性糖和可溶性固形物9個指標作為評價對象，本研究中，施加等量硅肥，生長、產量和品質指標綜合評分較高的為W75Si2 處理，這與喬民國等[3]研究得到最佳調虧灌溉方案一致。灌溉同等水量下，生長和產量指標綜合評分較高的均為Si2 處理，這與陳華斌等[22]研究結論一致；品質指標綜合評分較高的均為Si0 處理，初步分析是由于施硅增大了細胞液濃度，較高的細胞液濃度抑制了脫氫抗壞血酸還原酶的活性，降低了番茄品質[6]。本研究中對番茄生長、產量及品質綜合效益分析的結果表明，W75Si2處理為本試驗最優灌溉方式。

4 結 論

通過研究了虧缺灌溉條件下施硅量對番茄生長發育及品質的影響，結論如下。

（1）W75Si1、W100Si2、W75Si2 處理的株高、莖粗和葉片干物質量最大，生長發育最佳，株高、莖粗和葉片干物質量隨著灌溉水量和施硅量的增加而增加，硅肥施加量、灌水量及其兩者交互作用均對番茄的株高、莖粗和葉片干物質量產生顯著影響。

（2） W100 和W75 處理產量較W50 處理分別增加 了19.32%和21.41%，Si1 和Si2 處理產量較Si0 處理分別增加了8.99%和15.68%，灌溉水量和施硅能促進番茄產量和水分利用效率的提升，灌水量、施加硅肥量及其交互作用均會對番茄產量和水分利用效率產生顯著影響。

（3）灌水量和硅肥施加量及其兩者交互作用對番茄維生素C和番茄紅素存在極顯著影響，灌水量對可溶性糖和可溶性固形物存在極顯著影響。適宜的灌溉水量會促進番茄品質的提升，Si2 處理在提升番茄紅素的同時，會降低番茄中維生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量。

（4）利用隸屬函數法對番茄生長、水分利用效率、產量和品質的分析結果表明，W75Si2 處理是試驗條件下的最優灌溉方式。