土壤含水量对日光温室秋冬番茄生长及产量的影响

于锡宏，朱 桐，佟雪姣，张梦瑶，孙 颖，刘雯婷，张 蕊，蒋欣梅

（1.东北农业大学园艺园林学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省高寒地区设施园艺重点实验室，哈尔滨 150030）

土壤含水量在作物栽培生产过程中对提高作物果实品质和产量发挥关键作用[1]，对日光温室、塑料大棚等农业生产设施整体环境有重要影响[2]。例如，高土壤含水量导致棉花和鸭梨果皮中叶绿素含量降低，影响光合速率[3]；当土壤含水量不能满足日光温室黄瓜生长的需求下限或超过一定阈值时，其品质和产量均会受到影响[4]；李春艳等研究发现提高大豆花荚期土壤含水量可促进根系生长，提高大豆产量，地膜覆盖降低土壤水分蒸发[5]。曾秀存等证实地膜覆盖后可使春油菜出苗期和生殖期提前[6]。塔娜等采用峰拟合法对呼和浩特地区日光温室内不同含水率下土壤温度进行拟合，结果发现，土壤含水率降低可提高温室内土壤平均温度[7]。番茄（Solanum lycopersicum）是设施农业主要种植作物之一，普及范围和销售规模均位列我国蔬菜之首[8-9]，应用和科研价值较高[10]。目前，关于土壤含水量影响番茄生长的研究主要集中在越冬、早春、春夏茬番茄生长耗水规律方面[11-12]，对土壤含水量影响北方地区秋冬季节番茄生长和品质研究较少，研究结果存在差异。北方地区秋冬茬日光温室番茄栽培时，管理者通常依据经验实施土壤水分管理，易造成水资源浪费，发生病虫害且影响番茄产量与品质[13]。随农业现代化不断发展和我国水资源匮乏问题逐渐突显，开展优质高效栽培生产和合理科学土壤水分调控管理已成为主要发展目标。

本试验在装配式日光温室中，以不同生育期对土壤水分需求差异较大的番茄作为栽培作物[14]（中果型番茄品种光辉101），设置三种土壤含水量处理，分析土壤含水量对日光温室秋冬番茄生长发育过程中各项指标变化的影响，旨在明确土壤含水量对北方地区秋冬季节日光温室内番茄生长的影响并选出适宜的土壤水分含量，为高纬高寒地区日光温室番茄高产优质栽培奠定基础，为日光温室环境调控设施设备研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验温室

于哈尔滨市香坊区光明村（北纬45.7°，东经126.7°）的装配式双膜内被节能日光温室中开展试验，温室长度为42 m，净跨度8 m，北墙高3.3 m，脊高5.45 m，内外透明覆盖材料均为PO膜，保温被材料为五层毡一层棉，置于内侧棚膜上。墙体保温围护结构总厚度为0.274 m，室内到室外依次由石灰板+EPS模块+混凝土浇筑+EPS模块+石灰板材料构成。图1所示为试验日光温室剖面图。

图1 试验日光温室剖面图Fig.1 Section of experimental solar greenhouse

1.2 试验材料

供试番茄品种为光辉101，购于北京井田农业科技有限公司。番茄于2020年7月12日育苗，温室内整地起垄，垄高20 cm，侧面为梯形，垄面平整，且中心对齐骨架，垄长6.8 m，垄宽65 cm，垄沟35 cm。8月26日双行错位定植，南北走向，株行距40 cm×35 cm，灌溉方式为膜下滴灌，整枝方式为单干整枝。

1.3 试验仪器

采用精创股份有限公司RC-4HC温度记录仪记录土壤温度数据，仪器探头测温范围为-20～40℃，精度为±0.5℃，温度分辨率0.1℃。

采用昆仑海岸传感技术有限公司JZH-0系列无线传感器中水分传感器监测温室土壤水分，测湿量程：0～100%，精度为±3%，分辨率0.1%。

1.4 试验设计

待番茄缓苗后于2020年9月14日开展土壤含水量处理试验，使用环刀法测定田间最大持水量并设置3个土壤含水量区间，分别为田间持水量的50%～65%（W1处理），65%～80%（W2处理）及80%～95%（W3处理），选取试验温室东侧9垄，每连续3垄顺序排列作为1个处理的试验小区，每个试验小区面积为18 m2，不同处理间埋设苯板进行隔断。利用水分传感器监测各垄下15 cm深度土壤含水量，当土壤含水量接近处理水分控制区间下限时，使用滴灌补充灌溉水至区间上限，除土壤水分外其他田间管理同常规方法。

试验中土壤温度测点布置如图2所示，以垄面为水平面，仪器矫正后在各处理小区中间垄距温室北墙2.5、5.0、7.5 m分别垂直向下15 cm深度设置土壤温度测点，共9个。全程监测不同处理土壤含水量和土壤温度。

图2 试验测点布置水平截面图Fig.2 Horizontal section diagram of experiment point layout

取样时间：2020年9月21日至2020年10月31日，试验期间每8 d进行一次番茄植株形态指标（株高、茎粗）的测量标记和叶绿素含量测定，共6次；每16 d随机破坏性取样测定一次根系活力，共3次。

采收时间：10月下旬根据果实成熟情况采收称重统计产量并测定果实品质指标（可溶性糖、番茄红素、可滴定酸、可溶性蛋白）。

1.5 测定项目

番茄株高使用卷尺测量（株高以茎基部到生长点处高度为准）；茎粗使用游标卡尺测量（以子叶上方1 cm处为准）；叶绿素含量采用乙醇浸提比色法测定[15]；根系活力采用TTC染色法[15]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[15]；可滴定酸采用碱滴定法测量；可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250法测定[15]；番茄红素含量采用紫外分光光度法（国标法）测定[16]；番茄产量依据各小区累积产量折合单产。

1.6 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2010初步整理数据，SPSS 21.0处理软件作数据差异显著性分析。根据灰色关联度法对不同处理番茄品质和产量进行多目标综合评价。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量对日光温室秋冬番茄植株生长的影响

如图3所示，土壤含水量对番茄株高、茎粗有显著影响。随土壤含水量增加，番茄植株株高不断增加，茎粗逐渐减小。在不同测量时间，W3处理株高均显著高于W1和W2处理，但W1和W2处理之间差异不显著。番茄植株茎粗在不同含水量处理8 d时各处理间无显著差异，16 d时W1与W2处理差异不显著，与W3处理间差异显著，W2与W3处理差异不显著，24 d时W1与W2处理差异不显著，与W3处理间差异显著，W2与W3处理差异显著，后续测量时番茄茎粗均表现出W1处理显著高于W2和W3处理，W2处理显著高于W3处理。

图3 土壤含水量对番茄株高和茎粗的影响Fig.3 Effects of soil moisture content on plant height and stem diameter of tomato

2.2 土壤含水量对日光温室秋冬番茄生理指标的影响

从图4中可看出，不同土壤含水量对番茄根系活力和叶绿素含量均有显著影响。随处理天数增加，相同土壤含水量处理下的番茄植株叶绿素含量和根系活力均表现先升后降趋势。叶绿素含量和根系活力随土壤含水量增加均显著减小。不同测量时间，番茄叶绿素含量和根系活力在不同处理间具有显著差异，表现为W1处理最高，W2处理次之，W3处理最低。说明土壤含水量增加在一定程度上抑制番茄叶片光合作用和根系吸收营养。

图4 土壤含水量对番茄根系活力和叶绿素含量的影响Fig.4 Effects of soil moisture content on root activity and chlorophyll content of tomato

2.3 土壤含水量对日光温室秋冬番茄品质及产量的影响

由表1可知，土壤含水量对番茄果实品质有显著影响，不同处理番茄果实中可溶性蛋白、可溶性糖、可滴定酸和番茄红素含量差异显著，均表现为W1处理＞W2处理＞W3处理。从产量看，W3处理与W1处理相比增产14.92%，差异显著，与W2处理相比增产9.94%，差异不显著。总体上，W1处理番茄品质好但产量较低，W3处理品质较差但产量高，需进一步综合评价各处理品质和产量。

表1 土壤含水量对番茄品质和产量的影响Table 1 Effects of soil moisture content on tomato quality and yield

2.4 番茄品质与产量综合评价

本研究参考灰色关联度法综合评价不同处理下番茄品质与产量，选取各处理指标平均值作为原始数据，确定最优性状值和无量纲化处理。对于数值越大越好指标（可溶性蛋白、产量、可溶性糖含量），其最优性状值选取本试验中所测定值上限值；对数值适中较好指标（番茄红素、可滴定酸含量），其最优性状值选取试验测定值的适中值，如表2所示。

表2 番茄品质和产量多目标综合评价原始数据及最佳性状值Table 2 Raw data and optimal character values of tomato quality and yield

为保证各性状因素等效和同序性对原始数据进行无量纲化处理，即用最优性状值除各处理数列中相应原始数据值，得到表3。

表3 番茄品质和产量多指标无纲化序列值Table 3 Dimensionless sequence value of multi-target index of tomato quality and yield

无量纲化处理后计算最佳性状值Ti与表4中各对应点Xij绝对差值Δa，Δa=|Xij-Ti|，找出所有绝对差值中最大值（max|Δa|）和最小值（min|Δa|），其中Xij为不同土壤水分处理下番茄果实某一指标无纲化序列值；i为不同指标，i=1，2，3，4，5；j为不同处理，j=1，2，3。算得min|Δa|=0，max|Δa|=0.36，代入公式（1）中，ρ为分辨系数，取值范围为0～1，依生物试验常规取0.5，即得到各处理各指标对理想指标关联度系数Yij。

表4 番茄品质和产量多目标指标绝对差值Table 4 Absolute difference of multi-objective index of tomato quality and yield

综合评价判断的客观性和科学性在很大程度上取决于各评判指标权重，故使用公式（2）标准差权重法计算各指标权重Qi，见表5。根据公式（3）用表5中各对应点Yij与权重Qi相乘计算得到各处理加权关联度gj，W1、W2、W3处理加权关联度四舍五入保留两位小数后分别为0.76、0.71、0.50，低水分处理加权关联度最高，番茄品质与产量综合评价最优。

表5 番茄品质和产量多目标指标关联度及权重Table 5 Correlation degree and weight of multi-objective index of tomato quality and yield

2.5 土壤含水量对日光温室秋冬土壤温度的影响

如图5所示，以典型晴天天气为例（10月7日、10月12日、10月15日），全天每2 h分析不同处理土壤温度，发现在4:00、10:00和14:00时W1处理显著高于W3处理，与W2处理差异不显著。其余时刻W1处理均显著高于W2和W3处理，W2与W3处理差异不显著。说明随土壤含水量增加土壤温度不断降低，W3处理中番茄品质较W1差，原因可能是土壤含水量较高，显著降低土壤温度，不利于番茄果实中营养物质积累。

图5 晴天土壤含水量对土壤温度昼夜变化的影响Fig.5 Effects of soil moisture content on diurnal variation of soil temperature in sunny days

3 讨论与结论

水分是土壤重要组成，影响土壤物理性质，制约土壤养分溶解、迁移和微生物活动，且是作物汲水直接来源和赖以生存基础[17]。土壤含水量对日光温室内秋冬茬番茄生长、产量和品质产生的影响较明显。试验结果表明，不同处理间番茄植株株高表现出W3处理显著高于W2和W1处理，与Agbna[18]等和祁娟霞[19]等研究结果一致，土壤含水量提高增加番茄株高。但本研究发现随土壤含水量提高出现茎粗减小的现象，可能与日光温室番茄栽培的地理位置和季节差异有关。秋冬季节土壤含水量增加可能在一定程度上导致番茄植株徒长，产生“细高”问题，尽管植株前期生长速度较快，但会对采收期番茄营养品质产生影响。

叶绿素是植物体内一种主要光合色素，其含量通常用于评价叶片光合作用强弱和植物生产力等[20]。与日光温室冬茬番茄在不同含水量土壤中叶绿素变化趋势相同[21]，本试验中秋冬季节番茄叶片叶绿素含量随土壤水分含量增加逐渐降低，表现低水分处理显著高于另两个处理。说明装配式日光温室秋冬季节番茄栽培采取低水分灌溉管理方式，可提高植株生长水平，为植物提供更多能量。

高等植物根系是合成植物所需多种氨基酸和激素重要器官[22]，土壤含水量高时会引起根系活力降低，抑制根系向下生长[23]，土壤含水量低时，根系活力旺盛消耗大量干物质影响产量。本研究结果表明随土壤水分含量增加，番茄果实产量不断提高[24]。W1处理下的番茄果实产量显著低于W3处理，可能是因W1处理在苗期株高较矮，纵向生长受抑制，结穗数量少从而影响产量。但W1处理茎粗较大，将积累贮存在茎中的营养物质供给果实，提高产量和品质，所以W1和W2处理产量间差异不显著，说明装配式日光温室秋冬季节番茄栽培采取低水分灌溉管理方式会对产量造成一定影响。

安顺伟等研究发现随土壤含水量降低，番茄果实中可滴定酸、可溶性糖等品质指标均提高[25]。本研究中，番茄果实中可溶性蛋白、可滴定酸和可溶性糖含量均随土壤含水量提高而减少，番茄红素作为一种具有抗氧化作用的可食用色素，其含量随土壤含水量减少而增加，说明秋冬季节装配式日光温室土壤含水量较低时番茄品质表现优异。

土壤中有机质分解、养分转化等化学过程和生命活动均伴随热量释放和吸收[17]。土壤含水量增加，土壤液相比例和比热容提高，土壤降低孔隙率[26]，影响土壤温度，导致土壤含水量越高而温度越低[27]。番茄作为喜温作物，在土壤温度适宜前提下，土壤含水量低、温度高可提高秋冬季节番茄生长品质。W1处理15 cm深度土壤温度显著高于W2和W3处理，W1处理下番茄品质也更佳，说明番茄品质的提高不仅因土壤低含水量，还可能与土壤含水量低导致的土壤温度较高有关。因此，北方地区秋冬季节装配式日光温室栽培番茄时，可在田间管理中选择50%～65%田间持水量控水灌溉。