李艷梅, 周亞文, 張琳, 廖上強*, 孫焱鑫*

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所, 北京 100097; 2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 石家莊 050018)

番茄是我國的設(shè)施主栽蔬菜，在國際和國內(nèi)市場一直備受青睞。在番茄栽培中，春末夏初中午時段，35 ℃亞高溫環(huán)境經(jīng)常出現(xiàn)，并且常伴有強光脅迫，一直是番茄生產(chǎn)的限制因子[1-2]。若能通過噴施外源物質(zhì)來誘導(dǎo)番茄植株產(chǎn)生逆境耐性，必然能起到改善番茄生產(chǎn)及水分利用的作用。研究發(fā)現(xiàn)，噴施含礦質(zhì)顆粒的懸浮液可通過反射過量的紫外線和紅外線的方式來緩解熱害和輻射損傷[3]。在眾多礦質(zhì)顆粒物中，鈣和硅的作用不容忽視。鈣不僅是植物生長必需的營養(yǎng)元素，而且在植物響應(yīng)逆境脅迫信號中起樞紐作用，可通過參與氣孔調(diào)節(jié)、抗氧化酶活性調(diào)控等途徑減輕逆境細(xì)胞損傷[4-5]，幾乎所有的植物發(fā)育和多種調(diào)控過程都需要鈣信號的參與。盡管硅是否是植物生長的必需元素尚存在爭議，但外源硅的添加能改善設(shè)施作物生長的結(jié)論已有報道[6-7]。

從已有研究來看，外源調(diào)控制劑主要以單一制劑為主。近年來，有學(xué)者報道水楊酸與殼聚糖復(fù)配制劑在棉花抗寒、黃瓜和小白菜抗鹽中具有調(diào)節(jié)作用[8-10]，水楊酸與α-萘乙酸復(fù)配制劑具有提高小麥抗旱的作用[11]，并證實復(fù)配制劑在誘導(dǎo)作物抗逆中的作用優(yōu)于單一制劑。但總體來看，有關(guān)復(fù)配制劑的研究較少，在大田中的應(yīng)用也不多。植物逆境響應(yīng)的一條重要途徑是自身滲透物質(zhì)含量的提升。脯氨酸(proline, Pro)和甜菜堿(betaine, GB)均屬滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，探討其外源添加的調(diào)控效應(yīng)及其與鈣、硅互作效應(yīng)是值得探索的科學(xué)問題。因此，本研究針對設(shè)施番茄，設(shè)置噴施抗逆物質(zhì)、滲透物質(zhì)及其復(fù)配混懸液處理，比較不同處理對番茄水分利用、鮮重及養(yǎng)分吸收、抗氧化物酶活性、丙二醛含量及產(chǎn)量的影響，為篩選可用的葉施調(diào)理劑及栽培調(diào)控策略提供技術(shù)指導(dǎo)，為闡明抗逆與滲透物質(zhì)的耦合效應(yīng)及調(diào)控機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2018年2—7月在北京市大興區(qū)長子營鎮(zhèn)小竹樓設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地進行。土壤類型為褐土，質(zhì)地為壤土。種植前耕層土壤有機質(zhì)含量9.6 g·kg-1、全氮含量0.7 g·kg-1、硝態(tài)氮35 g·kg-1、速效磷50 g·kg-1、速效鉀182 g·kg-1。供試番茄品種為‘鑫語’。于3月5日定植，7月20日拉秧。每株番茄留果4穗。番茄生長期間，采用滴灌追肥方式，苗期、開花期和膨果期的土壤含水量均控制在65%～75%，當(dāng)土壤含水量降至設(shè)計下限時，進行灌溉以達(dá)到相應(yīng)的上限含水量。土壤含水量采用TDR100便攜式水分監(jiān)測儀(北京渠道科學(xué)器材有限公司)測定。全生育期累計灌水8次，累計滴灌水量1 656 m3·hm-2。追肥采用水溶肥，營養(yǎng)生長期以高氮水溶肥為主，開花期和膨果期以高氮和高鉀水溶肥交替配合施用。通過土壤含水率、水表和施肥泵精確控制灌水量和施肥量，N、P2O5和K2O分別累計投入207、150和230 kg·hm-2。

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計。以噴施滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)為主處理，設(shè)置清水(A1)、Pro(A2)和GB(A3)處理；以噴施抗逆物質(zhì)為副處理，設(shè)置清水(B1)、Ca(H2PO4)2(B2)和K4SiO4(B3)處理；共9個處理組合(表1)，每個處理重復(fù)3次。每個試驗小區(qū)的種植面積為30 m2，起壟雙行種植，壟寬0.8 m，壟間距0.6 m，株距0.3 m，行距0.6 m。種植密度54 000株·hm-2。試驗用源制劑均按照單質(zhì)1.5 g·L-1的濃度供應(yīng)，噴施制劑用量1 020 L·hm-2·次-1，在開花盛果期連續(xù)噴施3次，兩次間隔時間7 d。

表1 試驗處理Table 1 Experimental designation

1.2 測定指標(biāo)及方法

于盛果期最后一次噴施處理后1周，在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取10棵植株，自上而下取第3或4復(fù)葉上的成熟葉片，用于葉綠體色素含量和抗逆指標(biāo)的檢測。用分光光度計法(752數(shù)顯，上海精科)測定葉片葉綠體色素含量[12]。采用硫代巴比妥酸法[13]測定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，氮藍(lán)四唑(NBT)光化學(xué)還原法[13]測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性。隨機選取15個成熟果實樣品，采用PAL-1水果糖分測定儀(愛拓)測定糖度，蒽酮比色法[12]測定可溶性糖，比色法[12]測定Vc含量。各小區(qū)選取5株植株，分別稱量各株的莖、葉和果實鮮重。果實烘干后研磨成粉，測定全氮、全磷、全鉀含量。用H2SO4-H2O2消煮[14]后，用FOSS 2300型凱氏定氮儀(聚創(chuàng)環(huán)保)測定全氮含量，用分光光度計法[14](752數(shù)顯分光光度計，上海精科)測定全磷含量，用火焰光度計法[12](6400A分光光度計，上海精科)測定全鉀含量。每次采收時，每個小區(qū)單獨計產(chǎn)，根據(jù)累計果重與占地面積比值計算番茄產(chǎn)量。主要指標(biāo)計算公式如下。

果實氮/磷/鉀吸收量(kg·hm-2)=果實鮮重(kg·hm-2)×果實氮/磷/鉀含量

水分利用率(kg·m-3)=產(chǎn)量(kg·hm-2)/灌水量(m3·hm-2)

氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=產(chǎn)量(kg·hm-2)/氮肥投入量(kg·hm-2)

植株及果實含水率=(鮮重-干重)/鮮重×100%

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)分析采用Microsoft excel 2007，差異顯著性分析采用SPSS 16.0軟件中的多重比較法進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對番茄植株鮮重及果實品質(zhì)的影響

不同處理的番茄植株鮮重及果實品質(zhì)結(jié)果(表2)顯示，與A1B1相比，A2B1和A3B1處理均降低了番茄莖、葉、果和地上總鮮重，A1B3處理對莖、葉、果和地上鮮重的影響不顯著，A1B2處理顯著提高了番茄莖、葉、果和地上總鮮重，分別提高30%、20%、22%和23%。與A1B1相比，8個處理中A1B2、A2B2和A1B3等3個處理均表現(xiàn)出增產(chǎn)效果，其產(chǎn)量增幅分別為14%、10%和3.5%。與A1B1相比，不同滲透物質(zhì)或抗逆物質(zhì)的單獨或組合處理均降低了番茄果實的可溶性固形物含量、可溶糖含量和Vc含量。表明噴施外源抗逆物質(zhì)及滲透物質(zhì)的處理均不利于番茄果實品質(zhì)的提高。

表2 不同處理對番茄植株鮮重及果實品質(zhì)指標(biāo)的影響Table 2 Effects of different treatments on fresh weight and fruit quality indexes of tomato

2.2 不同處理對番茄肥料利用及水肥利用率的影響

植物養(yǎng)分吸收與其抗逆能力密切相關(guān)，張琴[15]和彭劍濤[16]的研究表明，外生菌根提高寄主植物抗逆(干旱、鹽害、病蟲害等)能力，與其改善植物營養(yǎng)狀況有關(guān)。不同處理的番茄果實氮磷鉀吸收量及水肥利用率結(jié)果(表3)顯示，與A1B1相比，A2B3、A3B1、A3B3處理均顯著降低了果實氮吸收；A2B1、A2B3、A3B1和A3B3處理可顯著降低果實的磷吸收，A3B2顯著增加果實的磷吸收；A2B3、A3B1和A3B3處理顯著降低了果實的鉀吸收，A1B2顯著增加了果實的鉀吸收量。與A1B1相比，A2B1和A3B1處理均顯著降低了番茄的氮肥偏生產(chǎn)力和水分利用率。A1B2和A2B2處理均提高了番茄的水肥生產(chǎn)力，分別使番茄的氮肥偏生產(chǎn)力提高60和44 kg·kg-1；水分利用率提高8 和6 kg·m-3。綜合來看，Ca(H2PO4)2、Ca(H2PO4)2+Pro處理的番茄，果實氮磷鉀吸收有增加趨勢，水分利用率和氮肥偏生產(chǎn)力也顯著提高，表明這兩個處理改善了番茄的養(yǎng)分吸收。

表3 不同處理對番茄水肥利用的影響Table 3 Effects of different treatments on water and fertilizer utilization of tomato

2.3 不同處理對番茄葉片SOD活性及MDA含量的影響

不同處理的番茄葉片SOD活性及MDA含量結(jié)果(表4)顯示，與A1B1相比，所有處理均顯著增加了葉片SOD活性；A2B1的MDA含量顯著增加，A2B3的MDA含量增加，但差異不顯著。處理A1B2、A1B3、A2B2、A3B2、A3B3的MDA含量均顯著降低。表明不同抗逆與滲透物質(zhì)單獨及耦合處理均激活了葉片的SOD活性；Pro及KSiO4+Pro處理對番茄葉片造成傷害，引起膜脂過氧化，及MDA累積量增加；Pro單獨處理的影響尤其明顯；Ca(H2PO4)2單獨處理及其與Pro和GB的耦合處理、KSiO4及其與GB的耦合處理可緩解番茄葉片的膜脂過氧化，降低MDA含量。

表4 不同處理對番茄葉片SOD 活性及MDA含量的影響Table 4 Effects of different treatments on SOD activity and MDA content of tomato leaves

2.4 抗逆物質(zhì)與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的交互作用分析

二因素分析結(jié)果(表5)表明，滲透物質(zhì)噴施處理對番茄植株和果實各檢測指標(biāo)影響顯著，抗逆物質(zhì)噴施處理對果實Vc含量指標(biāo)外其他指標(biāo)均存在顯著影響?？鼓嫖镔|(zhì)與滲透物質(zhì)的交互效應(yīng)對番茄果鮮重、水肥生產(chǎn)力、果實磷鉀吸收、果實可溶糖含量、果實Vc含量、葉片SOD活性及MDA含量等指標(biāo)均影響顯著。各因子對果實鮮重(產(chǎn)量)及水肥生產(chǎn)力影響的貢獻度大小表現(xiàn)為：滲透物質(zhì)>抗逆物質(zhì)>滲透物質(zhì)×抗逆物質(zhì)。

表5 抗逆與滲透物質(zhì)交互作用對設(shè)施番茄生產(chǎn)的影響Table 5 Interactive effects of stress-resistant substances and osmotic regulators on tomato production

2.5 檢測指標(biāo)的Pearson相關(guān)分析

不同測定指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果(表6)顯示，番茄產(chǎn)量與水分利用率、果實氮吸收量(0.972)、鉀吸收量(0.963)之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，與果實磷吸收量(0.641)、Vc含量(0.563)之間亦存在正相關(guān)關(guān)系，但均未達(dá)到顯著水平，與葉片MDA含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。果實氮吸收量與果實磷吸收量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(0.709)，與果實鉀吸收量之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(0.980)。果實磷吸收量與果實鉀吸收量間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(0.778)。果實氮、磷、鉀吸收量與葉片MDA含量之間的相關(guān)性雖未達(dá)到顯著水平，但可見其負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明番茄葉片MDA含量的降低與其果實氮、磷、鉀吸收量升高有關(guān)。

表6 番茄檢測指標(biāo)的Pearson相關(guān)分析Table 6 Pearson correlation analysis of measured indexes of tomato

3 討論

本研究表明，噴施Ca(H2PO4)2、Ca(H2PO4)2+Pro懸液具有明顯增加番茄產(chǎn)量與水分利用率的作用，噴施K4SiO4處理的效果次之。噴施Ca(H2PO4)2實現(xiàn)番茄增產(chǎn)的原因可能與膜脂損傷減輕(MDA含量降低)及果實氮磷鉀吸收量的增加有關(guān)。這與尹大川等[17]報道的外源鈣處理誘導(dǎo)樟子松SOD活性升高、MDA含量降低和生長改善及王建國等[18]報道的外源鈣處理增加花生氮磷鉀吸收及產(chǎn)量的結(jié)論基本一致。證明外源鈣調(diào)控對增強作物抗逆性，改善作物生長具有積極作用。本研究發(fā)現(xiàn)，K4SiO4處理番茄產(chǎn)量的增加幅度較小。麻云霞等[19]探討了外源硅對酸棗抗旱性的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量濃度的硅對酸棗所受干旱脅迫的緩解程度不同，硅酸鉀質(zhì)量濃度為0.2～0.6 g·L-1緩解效果較好，過量施硅反而會產(chǎn)生抑制作用。推測后期研究應(yīng)用中，適當(dāng)降低硅調(diào)控的濃度可能會改善其調(diào)控效果。

蘇貝貝等[20]在半夏上應(yīng)用Pro、范春麗等[21]在石榴上應(yīng)用GB的研究均發(fā)現(xiàn)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)具有降低MDA累積的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，噴施Pro或GB均增加了葉片MDA含量，并減少了果實氮磷鉀吸收量和產(chǎn)量。研究表明，Pro和GB在低濃度(0.5 g·L-1)應(yīng)用時，表現(xiàn)出增加葉片SOD活性及降低葉片MDA累積的作用(未發(fā)表數(shù)據(jù))。因此，推測本研究中Pro和GB噴施處理引起番茄減產(chǎn)的原因，可能也與其應(yīng)用濃度過高有關(guān)。

研究還發(fā)現(xiàn)，所有處理中噴施清水的對照處理的番茄果實的糖度、可溶性糖含量和Vc含量最高，噴施外源物質(zhì)則不同程度地降低了番茄的品質(zhì)。在本課題組其他試驗中也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象(未發(fā)表數(shù)據(jù))。由此推測，噴施外源物質(zhì)可能在增強番茄抗逆能力的同時，伴隨著番茄品質(zhì)的降低?？鼓嫖镔|(zhì)(鈣/硅)與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(Pro/GB)對番茄主要指標(biāo)(果實氮吸收量除外)的影響存在顯著的交互效應(yīng)。

綜合來看，鈣懸液單獨使用的效果最佳，鈣+脯氨酸懸液次之。因此，對于鈣這類作物必需的中量營養(yǎng)元素，其作物需求的適宜濃度也較高；而硅是否是植物必需元素尚未定論，其作用途徑更側(cè)重于化學(xué)調(diào)控。脯氨酸和甜菜堿這類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)都有明顯的濃度效應(yīng)，其發(fā)揮調(diào)控效應(yīng)的適宜濃度閾值偏低。因此，硅在與鈣等濃度應(yīng)用時，效果相對較差，鈣與等濃度滲透物質(zhì)耦合應(yīng)用時，效果不及其單獨施用。本研究表明，兩種含鈣懸液噴施是一項簡便有效實用的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)改善生產(chǎn)及節(jié)水的效果，有助于設(shè)施番茄可持續(xù)生產(chǎn)。