亏缺灌溉条件下增施硅肥对番茄生长发育及品质的影响研究

2023-10-28杨振平邓亚鹏

节水灌溉 2023年10期

杨振平，刘苑，邓亚鹏

（1.石家庄市水利技术推广中心，石家庄 050000；2.石家庄水文勘测研究中心，石家庄 050000）

0 引言

华北平原是我国重要的农耕区，农业用水占当地用水量的60%以上，农业灌溉用水的增加已经成为了华北地区地下水超采的重要因素。因此，降低农业水资源消耗、提高作物水分利用效率，已经成为了解决华北地区地下水超采问题的重要措施[1]。番茄作为华北地区的重要经济作物，对土壤水分十分敏感，水分过少会导致番茄生长发育不良、降低产量及品质，而盲目灌溉不仅会抑制番茄根部呼吸，根系腐烂，严重时会导致植株死亡，也会造成水资源的浪费，不利于农业的可持续发展[2]。乔民国等[3]研究表明，轻度亏缺灌溉不仅能减少水资源消耗，提高水分利用效率，也可促进番茄生长发育，提升番茄产量及品质。杜兵杰等[4]和黄媛等[5]认为轻度亏缺灌溉能提高叶片抗氧化酶活性，提高地上部干物质积累，增加作物水分利用效率。

硅作为农作物生长过程中所需的重要元素之一，不仅能够增强细胞壁厚度，延缓植物衰老，也能够清除植物细胞中活性氧自由基，促进胁迫诱导物质的合成，提升作物抗逆性[6]。同时，硅也能促进作物根系发育、茎叶生长、提升作物产量及品质[7,8]。韩晓楠等[9]指出硅肥对水稻株高、叶面积、产量有促进作用，且硅肥能够改善土壤结构，降低土壤中盐分含量。刘鹏等[10]研究发现，硅肥能提升马铃薯叶片干物质积累量、产量及商品薯率，且产量及商品薯率均随施硅量的增加而增加。有关硅肥对水稻、马铃薯等作物的研究已经取得了重要进展，但针对施硅量对番茄生长发育、产量及品质的影响还鲜有系统报道。

因此，本文以番茄为研究对象，设置了3个不同灌溉量和3 种施硅方式，研究了不同灌水量和施硅量对番茄生长发育、产量及品质的影响，并利用隶属函数法对番茄生长、产量和品质进行评价，寻求试验条件下最优灌溉方式，以期为华北地区发展农业节水、缓解水资源短缺、提高水资源利用效率、提升农业综合效益、推进农业绿色发展提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022 年4-8 月于石家庄市栾城区农业种植基地温室大棚进行。该地区属于温带季风气候，年日照时数为2 261.6 h，多年平均气温为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。供试土壤类型为壤质黏土，其中黏粒、粉粒和沙粒相对含量分别为18.37%、53.24%和28.39%，土壤中主要营养成分如表1 所示。所种番茄品种为“草莓番茄”，施加的硅肥为从山东金润梓生物科技有限公司购买的硅酸钠（Na2SiO3≥98%）。

表1 供试土壤主要营养成分情况Tab.1 Main nutrient components of the test soil

1.2 试验设计

参考杜兵杰等[4]、冯腾腾等[11]和艾鹏睿[12]的试验设计，本试验共设置3 个灌溉水量（充分灌溉100% Ep、轻度亏缺灌溉75% Ep和重度亏缺灌溉50% Ep，Ep为作物蒸发蒸腾量，分别用W100、W75 和W50 表示）和3 个硅肥施加量（0、1、2 mmol/L，分别用Si0、Si1 和Si2 表示），共9 组处理，每组处理设置3个重复，采用随机区组进行排列。

选用直径为30 cm，高38 cm 的塑料桶，盆底放置沙子2 kg，装入30 kg风干土，盆底均匀设置排水口，放置于托盘上。4月15日，选取无病虫、生长健壮一致的“三叶一心”幼苗进行定植，4月15日至4月18日，各处理均保持充分灌溉，其余时间每2～5 d 灌溉一次，灌水量I = α Ep，Ep=Δm/S，α 为蒸发系数，W50、W75 和W100 处理蒸发系数分别为0.50、0.75 和1.00；Δm 为W100Si0 处理2 次称重变化量，S 为塑料桶上表面积。7月13日开始收获，7月26日，测定番茄的产量，每组处理随机选择5个番茄，对番茄品质进行测定，8月2日拉秧。

1.3 测定指标及方法

株高、茎粗分别由钢卷尺（精度1 mm）和游标卡尺（精度0.01 mm）测定，每5 d 测定一次；将每个生育期末所收集的叶片放入105 ℃烘箱中30 min后，用万分之一天平（精度为0.000 1 g）测定叶片干物质量；采用精准电子秤（精度为0.01 g）测定番茄的产量；利用钼蓝比色法、甲苯浸提-比色法、蒽酮法和折光率仪法分别测定番茄的维生素C、番茄红素、可溶性糖和可溶性固形物含量。水分利用效率为产量与灌溉水量的比值。

1.4 数据处理

利用隶属函数法对番茄生长和品质进行评价[13]。

式中：η 为评价指标隶属函数值；i 为不同处理；j 为评价指标；Xj为该指标的测量值，其中株高、茎粗、叶片干物质量、产量、水分利用效率、维生素C、番茄红素、可溶性糖、可溶性固形物9项指标赋值各占1/9。

试验数据的计算、作图和显著性差异分析分别由Excel 2016、Origin 2018和SPSS 16.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 对番茄株高、茎粗、叶片干物质量的影响

株高、茎粗和叶片干物质量是植物生长发育的重要指标，植物生长越旺盛，株高和茎粗越大、叶片干物质越多。图1显示了不同处理对番茄株高影响的变化关系，可以看出，施加1 mmol/L 硅肥时，W100、W75、W50 处理的株高较不施硅处理依次增加了3.66%、3.74%和4.42%，番茄株高增长量随灌溉水量的降低呈现出增长趋势，表明硅肥在非充分灌溉条件下会提升番茄的抗逆性，促进番茄株高的生长。在所有处理中，W75Si1、W100Si2、W75Si2 生长发育最佳，说明施硅能促进番茄的生长。

图1 不同处理对番茄株高影响的变化关系Fig.1 Changes of tomato plant height affected by different treatments

从图2 可以看出，在试验结束时，各处理茎粗呈现出W75Si2 ＞ W100Si2 ＞ W100Si1 ＞ W75Si1 ＞ W100Si0 ＞ W75Si0 ＞W50Si2 ＞ W50Si1 ＞ W50Si0的变化趋势，相同施硅条件下，番茄茎粗随灌溉量的增加呈现上升趋势；同等灌溉条件下，番茄茎粗同施硅量的增加而增加。W100 和W75 处理的茎粗较W50 分别增加了22.32%和20.89%；Si1 和Si2 处理较Si0 处理分别增加了4.95%和12.09%。W100和W75处理茎粗均显著高于W50处理，且施硅对番茄茎粗影响显著（见表2）。

图2 不同处理对番茄茎粗影响的变化关系Fig.2 Changes of tomato stem diameter affected by different treatments

表2 灌水量与硅肥施加量交互作用对番茄株高、茎粗、叶片干物质量的双因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA analysis of irrigation amount and silicon fertilizer amount on tomato plant height, stem diameter, and dry matter quality

不同处理在关键生长期间叶片干物质量的关系如图3 所示，随着番茄生长的推移，植株逐渐茂密，叶片干物质量增加，在整个生育期间，W100Si2 和W75Si2 处理生育期内叶片干物质量最大，分别为376.68 g 和375.99 g，W50Si0、W50Si1和W50Si2 处理叶片干物质量相对较小，分别为307.15 g、310.34 g 和315.55 g。相同施硅条件下，叶片干物质量随灌溉量的增加而增加，W100 和W75 处理较W50 处理分别增加了16.82%和16.00%；同等灌溉条件下，叶片干物质量与施硅量呈正比，Si1 和Si2 处理较Si0 处理分别增加了4.71% 和7.31%。

图3 不同处理对番茄叶片干物质量影响的变化关系Fig.3 Changes of tomato leaf dry mass affected by different treatments

表2为灌水量与硅肥施加量及其交互作用对番茄株高、茎粗、叶片干物质量的双因素方差分析表，可以看出，硅肥施加量、灌水量及其两者交互作用均对番茄的株高、茎粗和叶片干物质量存在显著影响（P＜0.05），其中，灌水量对株高、茎粗和叶片干物质量增长存在极显著影响（P＜0.01）；灌水量与硅肥施加量的交互作用及硅肥施加量对茎粗存在极显著影响（P＜0.01）。

2.2 对番茄产量和水分利用效率的影响

由图4 可以发现，W100Si2 和W75Si2 处理的产量最大，分别为1 482.49 g/盆、1 471.24 g/盆，W50Si0和W50Si1处理产量相对较小，分别为1 014.68 g/盆和1 195.3 g/盆。相同施硅条件下，W100 和W75 处理产量较W50 处理分别增加了19.32%和21.41%，番茄产量随灌溉水量的增加呈现出先增加后降低的趋势，说明本试验中W75是提高番茄产量的最适宜灌水量；同等灌水条件下，番茄产量大小表现为Si2＞Si1＞Si0，Si1和Si2处理产量较Si0 处理分别增加了8.99%和15.68%，可见，适当增加灌溉量和施硅量能促进番茄产量的提升。从图4亦可以看出，W50 处理水分利用效率显著高于其余处理，且随着灌溉水量的增加呈现降低趋势，随硅肥施加量的增加呈现出上升趋势。表3为灌水量与施加硅肥量及其交互作用对番茄产量和品质的双因素方差分析，可以看出，灌水量、施加硅肥量及其交互作用均会显著影响番茄的产量和水分利用效率（P＜0.01）。

图4 不同处理对番茄产量和水分利用效率的影响Fig.4 Changes of tomato yield and WUE affected by different treatments

表3 灌水量与硅肥施加量交互作用对番茄产量、水分利用效率和品质的双因素方差分析Tab.3 Two-way ANOVA analysis of irrigation amount and silicon fertilizer amount on tomato yield, WUE and quality

2.3 对番茄品质的影响

番茄中的维生素C、番茄红素、可溶性糖和可溶性固形物含量是影响果实品质的重要指标，从表3中可以发现，灌水量和硅肥施加量及其两者交互作用对番茄维生素C和番茄红素存在极显著影响（P＜0.01）。灌水量对可溶性糖和可溶性固形物存在极显著影响（P＜0.01）；施硅对可溶性糖存在显著影响（P＜0.05）。从表4 可以看出，施加等量硅肥条件下，W100 和W75处理维生素C含量随着灌溉水量的增加呈现先增加后降低趋势，较W50 处理分别高出了7.03%和14.84%；番茄红素、可溶性糖和可溶性固形物均随灌溉水量的增加呈现出上升趋势，在W100处理下番茄品质最优，说明适宜灌溉会提升番茄品质，增加其口感。同等灌水条件下，施硅处理会提高番茄中番茄红素含量，W100 和W75 处理较W50 处理分别增加了6.98%和13.29%，说明施硅能提升番茄营养物质含量，但施硅也会降低番茄中可溶性固形物和可溶性糖含量，破坏番茄口感。

表4 不同处理番茄品质情况Tab.4 Quality of tomatoes under different treatments

2.4 不同处理对番茄生长、产量和品质评价

根据番茄实际生长、产量和品质建立了不同处理番茄隶属函数及排名情况表（见表5），隶属函数值越大，说明番茄生长、产量和品质越好。从表5可以看出，隶属函数值最大的为W75Si2，隶属函数值为0.71，说明在该灌溉方式下，番茄的生长、产量和品质综合效果最好。

表5 不同处理番茄生长、产量和品质隶属函数值及排名情况Tab.5 Membership function values and rankings of tomato growth，yield and quality under different treatments

3 讨论

3.1 对番茄株高、茎粗和叶片干物质量的影响

亏缺灌溉能提高作物抗逆性，增加作物水分利用效率，减少农业灌溉水资源消耗，促进作物生长发育，改善作物品质[2]；亦有研究表明亏缺灌溉会导致作物生理生化指标发生紊乱，进而影响到作物的产量及品质[4]。硅作为目前农作物生产过程中的重要营养元素，不仅能够改善土壤结构，促进作物的生长发育，也有预防病虫害的作用，近些年来越来越受到学者的重视[14]。株高、茎粗和叶片干物质量对番茄生长状况最为直观的反映，水分、施肥、光照强度与时间、气候条件等因素均是影响番茄生长的重要因素[15]。本研究中，Si2 处理生长指标综合隶属函数值大于Si0 和Si1 处理；W75 处理生长指标综合隶属函数值大于W100 和W50 处理；同等施硅条件下，番茄茎粗增加量随灌溉水的减少而降低。初步分析是由于施硅首先能够改善土壤结构，有利于土壤孔隙形成，提高根系酶活性，促进根系生长发育；其次，施硅不仅可增加土壤保水性能，也能增强作物抗倒伏能力，增大土壤遮阴面积，降低无效水分散发；最后，施硅可调节叶片气孔的开闭，同时提高番茄的光合作用和叶绿素含量，从而促进番茄的生长发育[16,17]。W75处理能够提高作物的抗逆性，对作物生长有一定的调节作用，番茄在适度的干旱复水后会产生生长补偿效应，促进根系生长、叶片及叶面积增大，过量水分会导致土壤中氧气含量减少，抑制土壤中微生物和酶的活性，不利于根系的生长发育，抑制了番茄的生长；W50 处理会造成土壤板结，抑制土壤中微生物的活性，对番茄造成不可逆伤害，降低其产量[3]。施加硅肥灌溉能够为番茄生长提供必要的营养成分，增大土壤保水性能，改善土壤结构，提高微生物和酶的活性，促进番茄的生长发育，且随着施硅量和灌溉量的增加而呈现上升趋势[6]。

3.2 对番茄产量和水分利用效率的影响

农业生产的最终目标就是不断提高作物的产量，华北地区水资源相对短缺，如何合理利用有限水资源提升作物产量一直是华北地区农业生产的重要研究课题。邢英英[18]等研究了水肥组合条件下对番茄产量的影响，指出灌溉量和施肥水平均会对番茄产量产生显著影响，且番茄产量随着灌水量和施肥量的增加而增加。本研究中，同等施硅条件下，W100 和W75 处理产量较大，主要是由于番茄生长越旺盛，番茄的叶面积越大，光合作用和酶活性越强，光合产物越多，番茄吸收养分的能力越强，产量越高[16]；同等灌溉量条件下，Si1 和Si2 处理产量均高于Si0 处理，且随着施硅量的增加而呈现出上升趋势，主要是由于硅能够提升番茄的光合作用，在番茄作物内番茄果实中形成硅化细胞和角质双硅层结构，增大细胞壁，提高单果重，进而提升番茄总产量[19]；另一方面，施硅处理能促进番茄叶片、叶面积及根系生长，根系生长越旺盛，所吸收的养分越多，产量就越高[8]。本试验中，W100Si2 和W75Si2 处理产量最大，主要是这2 组处理外界无强烈的水分胁迫，同时，施加了2 mmol/L 硅肥，增加了植物细胞液浓度，降低了渗透势，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，促进了番茄的生长发育，从而提高了番茄产量[6]。本试验亦发现，水分利用效率随灌溉水的降低和施硅量的增加而增加，主要是由于土壤蒸发阻力随土壤含水率的增加而降低，土壤蒸发阻力越小，无效水分消耗越容易，水分利用效率越低，施加硅肥降低了无效水分消耗，提高了水分利用效率[20]。

3.3 对番茄品质的影响

维生素C、番茄红素、可溶性糖和可溶性固形物是影响番茄品质的重要指标，番茄营养成分随维生素C和番茄红素的增加而增加；口感随可溶性糖和可溶性固形物含量的增加而增加。本研究中，同等灌溉条件下，维生素C、可溶性糖和可溶性固形物随硅肥施加量的增加呈现出下降趋势，主要是由于硅肥作为单一养分多用于番茄的生长，对于果实内部的营养物质影响相对较小，且本试验为盆栽试验，期间土壤养分含量相对固定，在大部分营养被番茄的生长发育所消耗，果实所吸收的养分减少；番茄红素随硅肥施加量的增加而增加，初步分析是由于硅能提高八氢番茄红素脱氢酶活性，提高脱氢化学效率，进而促进番茄红素的合成[21]。同等施肥条件下，维生素C、番茄红素、可溶性糖和可溶性固形物均随灌溉水量的增加均呈现出先增加后下降的趋势，主要是由于W50 处理条件下，不仅抑制了作物的生长发育，同时也降低了番茄所产生的光合作用，抑制了营养物质的形成；W100 处理条件下，稀释了果实中的营养成分，从而降低了营养成分的浓度，进而影响番茄品质。

番茄生长、产量和品质进行综合评价是选择试验中最优处理的重要方式，本文选择株高、茎粗、叶片干物质量、产量、水分利用效率、维生素C、番茄红素、可溶性糖和可溶性固形物9个指标作为评价对象，本研究中，施加等量硅肥，生长、产量和品质指标综合评分较高的为W75Si2 处理，这与乔民国等[3]研究得到最佳调亏灌溉方案一致。灌溉同等水量下，生长和产量指标综合评分较高的均为Si2 处理，这与陈华斌等[22]研究结论一致；品质指标综合评分较高的均为Si0 处理，初步分析是由于施硅增大了细胞液浓度，较高的细胞液浓度抑制了脱氢抗坏血酸还原酶的活性，降低了番茄品质[6]。本研究中对番茄生长、产量及品质综合效益分析的结果表明，W75Si2处理为本试验最优灌溉方式。