邱婷瑤，包秀英，韓強，王佳琦，徐麗雯，曲兆鳴，宋琦，李成亮

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/土肥高效利用國家工程研究中心，山東 泰安 271018；2. 山東祥維斯生物科技股份有限公司，山東 濰坊 262737)

三甲基甘氨酸俗稱甜菜堿(betaine)，是一種季胺型生物堿[1]。 外源三甲基甘氨酸可以維持植物細胞膜的完整性、提高其滲透調(diào)節(jié)能力、穩(wěn)定植物體抗氧化酶系統(tǒng)活性，進而降低外界環(huán)境變化對植物的影響，顯著提高植物的抗逆性[2-5]。研究表明外源甜菜堿可顯著提升小麥的抗干旱脅迫能力[6]；外源甜菜堿可有效減緩鹽脅迫對黑果枸杞幼苗生長產(chǎn)生的傷害[7]；甜菜堿處理可明顯緩解硝酸鈣脅迫對黃瓜種子萌發(fā)的抑制[8]。 也有研究表明甜菜堿對茄子[9]、棉花[10-11]、玉米[12]、水稻[13]、番茄[14-16]等作物幼苗生長發(fā)育有顯著影響。

番茄含有豐富的類胡蘿卜素、維生素、糖類、有機酸等物質(zhì)，具有較高的營養(yǎng)價值[17]，是世界范圍內(nèi)廣泛栽培的蔬菜之一[18]。 因設(shè)施栽培的特殊環(huán)境條件，土壤酸化、高溫、次生鹽漬化和病蟲害[19-20]等災(zāi)害頻發(fā)，使得番茄裂果、壞果增多，造成嚴重減產(chǎn)及品質(zhì)下降，給生產(chǎn)和農(nóng)民的收益造成巨大損失[21-23]。 研究表明，噴施5 mmol/L甜菜堿能夠緩解鹽脅迫對加工番茄植株的危害[14]，在干旱脅迫下噴施甜菜堿，可有效抑制葉綠素及可溶性蛋白含量的下降，同時使脯氨酸、可溶性糖含量及抗氧化酶活性等顯著提高，相對電導(dǎo)率減小，丙二醛含量下降[15]，促使加工番茄產(chǎn)量增加[16]。 但前人主要采用葉面噴施的方法且以苗期處理為主，對于根施三甲基甘氨酸對番茄整個生育期影響的研究鮮有報道。 相較于葉面噴施而言，根施三甲基甘氨酸可以結(jié)合水肥一體化技術(shù)減少人力投入降低生產(chǎn)成本。

因此，本研究通過田間試驗探究根施不同種類和濃度的三甲基甘氨酸對設(shè)施番茄生長及土壤性質(zhì)的影響。 通過測定番茄產(chǎn)量、品質(zhì)、葉片光合特性、可溶性蛋白和丙二醛含量及抗氧化酶活性等，明確外源三甲基甘氨酸種類和濃度的最優(yōu)組合，以為實現(xiàn)設(shè)施番茄的增產(chǎn)提質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在山東省泰安市岱岳區(qū)楊莊溫室大棚中進行。 供試番茄品種為諾豐158 號。 供試土壤基本理化性質(zhì):pH 值7.1(水土比5∶1)、電導(dǎo)率745 μS/cm，土壤全氮含量6.0 g/kg、有機質(zhì)38.1 g/kg、、有效磷212.3 mg/kg、速效鉀467.5 mg/kg。 試驗所用三甲基甘氨酸磷酸鹽(TP)和一水三甲基甘氨酸(TM)由山東祥維斯生物科技股份有限公司提供。供試常規(guī)化肥為大量元素水溶肥:20-20-20+TE 通用肥(、脲態(tài)氮15.2%、總N 20%、P2O520%、K2O 20%)。 常規(guī)肥均在每次澆水時隨水施入。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

試驗以清水為對照(CK)，TP、TM 分別設(shè)置3個根施用量:13.7(TP1)、27.6(TP2)、41.2kg/hm2(TP3)，5.4(TM1)、10.8(TM2)、16.3 kg/hm2(TM3)，共7 個處理。 隨機區(qū)組排列，重復(fù)3 次，小區(qū)面積7.1 m2。

于2021 年8 月9 日番茄幼苗長至四葉一心時移栽，每小區(qū)移植30 株。 并分別在開花期、果實膨大期和成熟期按試驗設(shè)計隨水施用不同種類和濃度的三甲基甘氨酸。 番茄株高達20 ～50 cm時進行吊蔓，4～5 穗果時摘心，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民耕作習(xí)慣進行田間管理。 于2022 年2 月12 日完成收獲并結(jié)束試驗。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 植株生長指標的測定 采用SPAD-502Plus手持便攜式葉綠素儀在番茄果實膨大期和成熟期隨機選取完全展開的10 片功能葉測定SPAD 值。果實成熟期，選晴天上午9∶30—11∶30，采用LI-6800 便攜式光合儀測定番茄植株光合參數(shù):凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。

1.3.2 抗氧化酶活性的測定 果實成熟期采集番茄上部完全展開的嫩葉，經(jīng)液氮速凍后放入盛有干冰的泡沫箱中帶回實驗室，存放于-80 ℃冰箱中。 稱取0.4 g 上述葉片放入玻璃研缽中，加入10 mL 磷酸緩沖溶液(pH ＝7.8)冰浴研磨后將勻漿倒入離心管中，在4 ℃條件下冷凍離心15 min(4 000 r/min)，取上清液進行指標測定。 可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍顯色法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑法測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法(240 nm 波長)測定，抗壞血酸過氧化物酶(APX)也采用紫外吸收法(290 nm 波長)測定。

1.3.3 產(chǎn)量與品質(zhì)測定 各小區(qū)番茄產(chǎn)量為實收產(chǎn)量，每次收獲時稱重并記錄。 果實成熟期從每處理中隨機選取大小、色澤、成熟度一致的4 個果實，切碎混勻榨汁過篩后進行品質(zhì)測定。 采用2， 6-二氯酚靛酚滴定法測定VC 含量，采用蒽酮顯色法測定可溶性糖含量，采用臺式折光儀測定可溶性固形物含量；將果實烘干磨細，利用H2SO4和H2O2聯(lián)合消煮后，采用凱氏定氮法測定全氮含量，采用釩鉬黃比色法測定全磷含量，采用火焰光度計測定全鉀含量。

1.3.4 植株氮磷鉀含量的測定 于2022 年2 月試驗結(jié)束后從每小區(qū)中選取植株地上部和完整根系(每小區(qū)取兩株)，用去離子水清洗干凈后，將地上部與地下部分開裝入不同的標記袋中。 帶回實驗室后，在105 ℃下殺青30 min，再轉(zhuǎn)至65 ℃條件下烘干至恒重后稱干重，將兩株平均值作為各處理的實測值，并用磨樣機磨細過篩。 植株全氮、全磷、全鉀的測定方法與上述方法相同。

1.3.5 土壤速效養(yǎng)分含量的測定 在番茄果實成熟期、收獲期分別采集0 ～20 cm 土壤樣品，每小區(qū)取3 鉆土樣，混勻后挑出雜物，裝入有標記的塑料袋中帶回實驗室。 取部分鮮樣，采用紫外分光光度法測定含量，采用靛酚藍比色法測定其余土樣風(fēng)干后磨細分別過2、0.25 mm篩，保存待測。 參考鮑士旦[24]的方法:土壤速效鉀含量用1 mol/L NH4OAc(pH ＝7)浸提后用火焰光度法測定，土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3(pH＝8.5)浸提后用鉬銻抗比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2021 軟件對數(shù)據(jù)進行處理，SPSS 26.0 統(tǒng)計軟件進行方差分析(ANOVA)和Duncan’s 法進行差異顯著性檢驗(P＜0.05)，并使用Origin 2021 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對番茄產(chǎn)量的影響

施用不同種類和濃度的三甲基甘氨酸均顯著提高番茄產(chǎn)量(表1)。 與CK 相比，施用三甲基甘氨酸各處理果實增產(chǎn)6.22 ～27.28 t/hm2，增產(chǎn)率為5.4%～23.6%。 其中，TP3 處理產(chǎn)量最高，為142.84 t/hm2，較CK 增產(chǎn)23.6%，較TP1 和TP2處理增產(chǎn)17.3%和16.6%，較TM3 處理增產(chǎn)17.3%。

表1 不同處理的番茄產(chǎn)量

2.2 不同處理對番茄果實品質(zhì)指標的影響

果實中維生素C、可溶性糖和可溶性固形物的含量決定番茄品質(zhì)的優(yōu)劣。 由表2 看出，施用不同種類和濃度的三甲基甘氨酸均明顯提高番茄果實品質(zhì)。 與CK 相比，三甲基甘氨酸各處理果實維生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量分別增加9.1%～29.6%、1.4%～38.8%和2.4%～9.6%。其中，TP3 處理的維生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量均為最高，其維生素C 含量較TP1 和TP2 處理分別增加14.3%和8.2%，可溶性糖含量增加36.9%和32.0%，可溶性固形物含量增加7.1%和1.1%；維生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量較TM3 處理分別增加18.8%、36.5%和4.0%。

表2 不同處理的番茄果實品質(zhì)指標

2.3 不同處理對番茄葉片SPAD 值及光合特性的影響

SPAD 值與番茄葉片葉綠素含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而葉綠素含量又是反映葉片光合性能的重要指標[25]。 施用三甲基甘氨酸均能顯著提升番茄葉片SPAD 值(圖1)。 與CK 相比，果實膨大期和成熟期各處理番茄葉片SPAD 值分別增加7.2%～31.1%和2.9%～21.2%。 其中，TP3 處理番茄葉片SPAD 值最高，分別為57.4 和47.1，較CK 分別顯著增加31.1%和21.2%，較TP1 處理分別顯著增加14.5%和9.4%，較TP2 處理分別顯著增加5.7%和5.1%，較TM3 處理分別顯著增加22.3%和17.8%。

圖1 不同處理的番茄葉片SPAD 值

施用三甲基甘氨酸可提升番茄葉片光合特性(表3)。 與CK 相比，施用三甲基甘氨酸各處理的番茄葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度分別增加10.6%～40.0%、7.1%～61.9%、54.5%～95.5%和1.6%～8.8%。 其中，TP3 處理番茄葉片凈光合速率最高，為22.94 μmol/(m2·s)，較CK 顯著增加40.0%，較TP1 和TP2 處理顯著增加26.2%和18.3%，較TM3 處理顯著增加26.7%。同時，經(jīng)TM3 處理的葉片蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度也維持在較高水平。

表3 不同處理的番茄光合指標

2.4 不同處理對番茄葉片抗氧化酶活性、可溶性蛋白及MDA 含量的影響

由表4 可知，施用三甲基甘氨酸能顯著提高番茄葉片CAT、POD、SOD、APX 等抗氧化酶活性及可溶性蛋白含量，同時顯著降低丙二醛(MDA)含量。 與CK 相比，施用三甲基甘氨酸的各處理成熟期番茄葉片CAT、POD、SOD 和APX 活性分別提高28.7%～103.8%、32.6%～111.1%、19.9%～78.0%和49.2%～106.3%。 其中，TP3 處理番茄葉片CAT、POD、SOD、APX 活性均為最高，較TP1 處理分別增加36.1%、59.2%、15.6%和38.3%，較TP2 處理分別增加19.4%、14.6%、14.9% 和35.9%。 較TM3 處理分別增加58.4%、47.5%、48.4%和17.1%。

表4 不同處理的番茄葉片抗氧化酶活性、MDA 和可溶性蛋白含量

MDA 是植物細胞中膜脂過氧化物的產(chǎn)物之一，其含量的高低可表征植物細胞膜損傷程度。與CK 相比，施用三甲基甘氨酸的各處理番茄葉片MDA 含量減少32.7%～53.7%。 其中TP3 處理番茄葉片MDA 含量最低，為5.18 nmol/g，較CK減少53.7%。 與TP1 和TP2 處理相比，TP3 處理葉片MDA 含量減少4.8%～13.5%。 與TM3 處理相比， TP3 處理葉片MDA 含量減少31.1%。

可溶性蛋白作為植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，是反映植物抗逆性能的重要指標。各處理番茄葉片可溶性蛋白含量均顯著高于CK。其中TP3 處理番茄葉片可溶性蛋白含量最高，較CK 增加20.7%，較TP1 和TP2 處理增加2.1%和7.6%，較TM3 處理增加3.1%。

2.5 不同處理對番茄氮、磷、鉀吸收量的影響

由表5 可知，施用三甲基甘氨酸可顯著提高氮磷鉀養(yǎng)分的吸收量。 與CK 相比，施用三甲基甘氨酸的各處理氮、磷、鉀吸收量分別增加33.2%～70.7%、61.8%～90.7%和32.8%～56.2%。 其中，TP3 處理的番茄氮、磷、鉀吸收量最高，分別為392.96、117.34 kg/hm2和525.61 kg/hm2。 較TP1和TP2 處理的番茄氮素吸收量增分別增加23.8%和8.6%，磷吸收量分別增加7.3%和5.9%，鉀吸收量分別增加22.3%和4.0%。 較TM3 處理番茄氮、磷、鉀吸收量分別增加28.2%、17.9%、17.6%。

表5 不同處理番茄的氮、磷、鉀吸收量 kg/hm2

2.6 不同處理對土壤速效養(yǎng)分的影響

由圖2 可知，施用不同種類和濃度的三甲基甘氨酸對番茄果實成熟期及收獲期表層(0 ～20 cm)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響不同。 成熟期，TP3 處理的土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮殘留量最低，與CK 相比分別降低5.8%和23.6%；與TP1 和TP2處理相比硝態(tài)氮降低4.9%和3.2%，銨態(tài)氮降低14.1%和3.6%；與TM3處理相比，硝態(tài)氮降低5.7%，銨態(tài)氮降低16.8%。

圖2 不同處理的土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量

收獲期，除TM3 處理外，其余處理的土壤銨態(tài)氮較CK 均顯著降低。 其中TP3 處理的土壤銨態(tài)氮含量降幅最大，為12.1%，較TP1 和TP2 處理降低4.1%和2.6%，較TM3 處理降低22.2%?？傮w來看，收獲期三甲基甘氨酸各處理土壤硝態(tài)氮含量較CK 顯著增加9.4%～20.0%，同時，該時期土壤硝態(tài)氮含量也明顯高于成熟期。 這可能與取樣前期的施肥有關(guān)。

由圖3 看出，施用三甲基甘氨酸可不同程度地降低番茄成熟期、收獲期表層(0 ～20 cm)土壤有效磷含量。 各施肥處理中，TP3 處理的土壤有效磷含量均最低，較CK 分別顯著降低6.0%和7.0%。 較TP1 和TP2 處理分別降低0.5%、1.7%和1.7%、3.6%；較TM3 處理分別顯著降低1.6%和5.3%。

圖3 不同處理土壤有效磷含量

由圖4 可看出，施用三甲基甘氨酸可顯著降低番茄果實成熟期和收獲期表層土壤速效鉀含量。 各施肥處理中，TP3 處理的土壤速效鉀含量均最低，較CK 分別顯著降低15.2%和13.1%；較TP1 和TP2 處理分別顯著降低3.5%、6.4%和2.4%、4.4%；與TM3 處理相比分別顯著降低10.5%和10.3%。

圖4 不同處理土壤速效鉀含量

3 討論

3.1 根施三甲基甘氨酸對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

產(chǎn)量是反映作物經(jīng)濟價值的重要指標之一。陳靜等[26]研究表明，葉面噴施三甲基甘氨酸能夠增加夏玉米單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)，進而提高夏玉米產(chǎn)量。 宋順等[27]研究表明不同濃度外源三甲基甘氨酸浸種會起到增產(chǎn)效果，且當(dāng)施用質(zhì)量濃度達到0.09%時，小麥增產(chǎn)幅度最大。 徐婷等[28]研究鹽脅迫對甜瓜的影響表明，施加一定濃度的外源性三甲基甘氨酸能夠顯著提高其品質(zhì)及產(chǎn)量。 Jokinen 等[29]的研究結(jié)果表明，根施甜菜堿可降低水培生菜葉片中的硝酸鹽含量，防止葉片老化、腐爛，進而提高其品質(zhì)。 本研究結(jié)果表明，施用三甲基甘氨酸處理的番茄產(chǎn)量顯著高于清水對照，其中TP3 處理產(chǎn)量最高，為142.84 t/hm2，且番茄品質(zhì)指標也最佳。 這主要是因為施加外源性三甲基甘氨酸可以提高番茄內(nèi)部保護性酶活性，促進番茄的生長發(fā)育進而提高產(chǎn)量，同時也達到了提質(zhì)效果。

3.2 根施三甲基甘氨酸對番茄葉片酶活性及生理特性的影響

左嵩[30]研究表明，一定濃度的甜菜堿可使鹽脅迫小麥葉片葉綠素含量增加，促進脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的合成。 本試驗發(fā)現(xiàn)，葉片酶活性受三甲基甘氨酸施用種類和濃度的影響顯著，施加三甲基甘氨酸處理的番茄葉片SOD、POD、APX、SOD 活性及可溶性蛋白含量均顯著高于CK，MDA 含量顯著低于CK。 葉面噴施不同濃度的三甲基甘氨酸均能顯著降低葡萄幼苗葉片MDA 含量，使其維持較低的膜透性，提高可溶性蛋白含量，從而提高其抗高溫脅迫的能力[31]。 柴文臣等[32]研究發(fā)現(xiàn)噴施三甲基甘氨酸后茄子植株MDA 含量維持在較低水平，其他生理指標均維持在較高水平。 原因主要是抗氧化酶活性提高有利于清除大量的活性氧自由基，進而降低細胞膜脂化作用。

光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)之一，作物通過光合作用形成的有機物占植株總干物質(zhì)量的95%左右[33]。 本試驗中施用的兩種三甲基甘氨酸濃度對番茄葉片SPAD 值、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度均有明顯提高，這與馬仲煉等[34]的研究結(jié)果一致。 其中TP3 處理的番茄葉片膨大期、成熟期SPAD 值及凈光合速率均顯著大于其他處理，但胞間CO2濃度、蒸騰速率最大的處理為TM3。 這主要因為適宜濃度的三甲基甘氨酸可提高植物的抗逆性使得其體內(nèi)保護酶活性增強，促進了植物的光合作用[35]。

3.3 根施三甲基甘氨酸對番茄氮、磷、鉀吸收量及土壤養(yǎng)分的影響

本研究發(fā)現(xiàn)施用三甲基甘氨酸處理的番茄氮、磷、鉀吸收量均顯著高于CK，其中TP3 處理吸收總量最高，番茄全生育期氮、磷、鉀吸收量整體表現(xiàn)為鉀＞氮＞磷，這與褚?guī)Z等[36]的研究結(jié)果一致。 這是因為三甲基甘氨酸提高了番茄根系對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收，進而促進了番茄的生長發(fā)育，增加了生物量。 嚴青青等[37]研究表明，噴施三甲基甘氨酸后能促進海島棉幼苗生長發(fā)育，增加棉花幼苗生物量。 趙博生等[38]研究表明，在干旱/鹽脅迫下，經(jīng)三甲基甘氨酸浸種的小麥幼苗地上部和根部干重分別比無離子水浸種的幼苗增加35.3%和40.7%。 土壤速效養(yǎng)分是易被作物吸收利用的營養(yǎng)元素，可以直接反映土壤可供植物利用的養(yǎng)分含量水平，也能反映土壤的肥力狀況[39]。 分析番茄成熟期和收獲期土壤硝銨態(tài)氮發(fā)現(xiàn)，各處理成熟期土壤硝銨態(tài)氮含量低于收獲期，這可能是成熟期后施用了水溶肥，而番茄根系成熟期后吸收養(yǎng)分降低導(dǎo)致。 從兩個時期的土壤有效磷、速效鉀含量結(jié)果可以看出，施用三甲基甘氨酸后土壤有效磷、速效鉀含量明顯低于CK。 這可能是因為三甲基甘氨酸的施入促進了番茄根系生長發(fā)育進而加快了根系對養(yǎng)分的吸收，這與許高平等[40]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

根施三甲基甘氨酸可顯著提高番茄葉片SPAD 值和凈光合速率，促進番茄的生長發(fā)育，為番茄產(chǎn)量、品質(zhì)、葉片可溶性蛋白含量及抗氧化酶活性的提高奠定了基礎(chǔ)；同時也促進植株對土壤養(yǎng)分的吸收從而提高了肥料利用率。 同時，采用根施的方法可以減少人力投入、降低生產(chǎn)成本，而且易被植物體吸收利用并迅速轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，保證其功能的充分發(fā)揮。

綜合來看，本試驗施用三甲基甘氨酸磷酸鹽41.2 kg/hm2(TP3)且分3 次隨水灌施，對設(shè)施番茄產(chǎn)量、品質(zhì)、光合速率及抗氧化酶活性等影響最顯著，且成熟期及收獲期土壤養(yǎng)分含量最低。 因此，可將其作為設(shè)施番茄栽培中施肥的最優(yōu)推薦量，為設(shè)施番茄增產(chǎn)提質(zhì)提供一定的參考依據(jù)。