基于综合生长评价体系的番茄亏缺灌溉制度研究

2022-11-07张钟莉莉高欣娜杜亚茹康艺凡于景鑫杜鹏飞田国英

节水灌溉 2022年10期

黄媛，张钟莉莉，高欣娜，杜亚茹，武猛，康艺凡，于景鑫，杜鹏飞，田国英

（1.石家庄市农业信息化工程技术研究中心·河北省都市农业技术创新中心·石家庄市农林科学研究院，石家庄 050011；2.北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京 100097）

0 引言

河北省蔬菜产业快速发展，2020 年蔬菜产量5 198.2 万t，位居全国第4 位，其中设施蔬菜产量1 258.2 万t，占蔬菜总产量24.2%[1]。2020 年河北省农业用水量107.70 亿m3，是全省总用水量的58.93%[2]，随着资源环境约束日益加剧，农业节水提质增效是河北省农业高质量发展的重中之重[3]，结合作物需水规律，制定合理灌溉制度是实现节水增效的重要途径之一。

作物调亏灌溉（Regulated Deficit Irrigation）是以作物与水分关系为基础，在作物的某一（些）生长阶段有目的地使其产生一定的水分亏缺，而对作物产量无不利影响，从而达到省水、高产和提高作物水分利用效率的一种灌溉技术[4]。国内外学者不乏对棉花[5]、小麦[6]、玉米[7]、草莓[8]等作物在不同生育阶段开展水分亏缺试验研究，结果显示，适当水分胁迫导致作物通过调整生长速度或形态对环境水分做出响应，改变养分分配，生殖器官同化反应增强，从而提高产品品质和水分利用效率。目前，设施番茄种植栽培中使用滴灌设施[9]及土壤水分监测设备已成为重要的节水灌溉措施，依据灌水量、灌溉频次或土壤水分开展节水灌溉制度研究是国内设施番茄栽培的重要研究方向。其中，李金刚等[10]研究了河套地区番茄灌溉定额，菅毅[11]、张娜等[12]对番茄适宜的土壤含水量下限进行了研究，李旭峰等人[13]在番茄苗期减少50%灌水量，结果显示在保证产量的同时节约了灌水量18%。刘晓奇等人[14]在番茄第一穗果坐住时（果实直径1 cm）进行不同程度水分亏缺灌溉处理，结果显示中度水分亏缺即60%灌水量可作为日光温室基质栽培高品质番茄的灌溉制度。

以往研究结论往往针对水分亏缺对番茄某类指标的影响[15]，未能开展生长、生理、品质及水分利用效率指标的综合评价。因此本研究立足河北省设施番茄节水生产实际需求，进行亏缺灌溉试验，构建番茄综合生长评价体系，开展番茄生理、生长、品质及水分利用效率的综合评价，从而获得高效节水的设施番茄滴灌控制制度。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

供试材料于2021 年8 月27 日定植，试验温室为石家庄市农林科学研究院赵县农业科技园区（114°78'E，37°76'N）5号番茄种植大棚，日光温室为钢架结构，长90 m、宽8 m、顶高4.5 m，后墙为厚度0.5 m 的砖墙，覆盖材料为聚乙烯膜，种植面积489 m2。试验地土质为壤土，0～40 cm 深土壤的物理性质及养分含量情况见表1。试验苗材为“盛丰5号”（海泽拉启明种业北京有限公司），番茄苗长至5 叶1 心、苗高10～12 cm 进行定植，该品种为有限生长型，中型果，粉红果色，综合抗逆性强。

表1 土壤理化性质Tab.1 Soil physical and chemical indexes

1.2 试验设计

2021 年8 月27 日番茄苗定植，生育期划分为定植后至缓苗期（2021-08-27 至2021-09-22），开花坐果期（2021-09-23至2021-11-15），成熟期（2021-11-16至2021-12-31），每6 h 测量一次日光温室空气温度、湿度，全生育期日光温室环境情况见图1。灌水湿润层为深度0～40 cm 土层，定植水灌至田间持水量，开花坐果期开始灌水试验，试验设置5 个处理，分别为0 水、1 水、2 水、3 水、4 水，每次灌水达湿润层的田间持水量，试验处理见表2。

图1 日光温室气象数据Fig.1 Meteorological data of solar greenhouse

表2 试验处理Tab.2 Experimental treatment

小区面积25.6 m2，每个处理设置3次重复，各小区之间留2 行保护行。采用高畦单行栽培，畦高20 cm，畦底宽50 cm，畦面宽40 cm，过道宽50 cm，株距33 cm。采用滴灌灌溉，孔距30 cm，1行番茄布置1条滴灌带。

定植前按照5 000 kg目标产量，底肥施用有机肥（活菌数2 亿∕克，有机质40%）1 022.49 kg∕hm2，磷酸二铵（氮18%，磷46%）141.1 kg∕hm2，硝酸钾（钾52%）274.85 kg∕hm2，史丹利优肽氮（氮46%）216.77 kg∕hm2。番茄每穗果膨大至果实横径1.5 cm 时进行追肥，全生育期追肥4次，每次追复合肥（氮13%，磷6%，钾40%）12.45 kg∕hm2，农用硫酸钾（钾50%）9.75 kg∕hm2，恩乐施（氮32%） 21.9 kg∕hm2。每次追肥确保各小区在7 d内完成追肥，各小区总施肥量一致。

1.3 项目测定及方法

1.3.1 用水量与土壤含水量

各小区分别安装水表，记录全生育期灌水量（L），根据种植密度计算番茄单株耗水量（L∕株）。利用土壤水分多剖面立体监测设备（农芯科技，中国）对土壤水分含量（体积含水量）进行测量，设备埋设至各小区南北距离正中部，垄上距番茄植株15 cm 处，对0～20、20～40、40～60、60～80 cm 土层土壤水分含量进行观测。

1.3.2 作物生理指标

采收期选择5 株长势较为一致的番茄植株，使用Li-6400便携式光合测量仪（LI-COR，美国）、TYS-3N 植物氮元素测定仪（托普云农，中国）进行净光合速率[μmol∕(m2·s)]、气孔导度[mol∕(m2·s)]、蒸腾速率[mmol∕(m2·s)]、氮含量（mg∕g）、叶绿素（SPAD）的测量，测量对象为生长点向下第3 片完全展开的功能叶，观测时段为光照条件较好的上午9∶00-12∶00。

1.3.3 作物生长指标

采收期选取3株长势一致的植株，挖取根部并保留地上部完整的茎、叶、果实，分别放入烘箱105 ℃杀青后，85 ℃烘干至恒重，利用精度0.01 g天平称量根部及地上部干重，计算根冠比、全株生物量（g），根据种植密度计算单株生物量（kg∕株）。

1.3.4 果实品质和产量指标

每个处理选取5个大小、硬度一致的果实，采用分光光度计法测量番茄红素（mg∕100g），2,6-二氯酚靛酚钠滴定法测量维生素C（mg∕g），酸水解法-莱茵-埃农氏法测量可溶性总糖（g∕100g）、NaOH滴定法测量可滴定酸（mg∕100mL）。

每个处理选取5 株采摘一穗果，采用精度0.01 g 天平称量果实重量（g），计算单穗平均产量（kg∕株）。

1.3.5 水分利用效率指标

根据产量和耗水量计算水分利用效率（WUEy）[16]。

式中：WUEy为产量水分利用效率，kg∕L；Y为单株产量，kg∕株）；ET为单株耗水量，L∕株。

根据生物量和耗水量计算水分利用效率（WUEb）。

式中：WUEb为生物量水分利用效率，kg∕L；B为单株生物量，kg∕株；ET为单株耗水量，L∕株。

1.4 分析方法

1.4.1 数据处理

建立决策矩阵，设多属性指标决策问题中包含n个评价的相关指标和m个待评方案，其方案集、指标集分别为：A=(A1,A2,…,Am)，Β=(B1,B2,…,Bn)，方案A i对指标Bj的值记为xij，(i= 1,2,…,m;j= 1,2,…,n)，形成决策矩阵X=(xij)。

对原始矩阵进行归一化处理。评价指标中正向指标（指标数值越大越优型）按照公式（3）进行归一化处理，逆向指标（指标数值越小越优型）按照公式（4）进行逆向化处理。

1.4.2 评价结构

根据层次分析法（AHP）的形式构建番茄综合生长评价体系[17]（图2）。图2 中一级指标为生理指标（u1）、生长指标（u2）、品质指标（u3）和水分利用效率指标（u4），生理指标的二级指标包括净光合速率（u5）、气孔导度（u6）、蒸腾速率（u7）、氮含量（u8）、叶绿素（u9）；生长指标包括根冠比（u10）、生物量（u11）；品质指标包括番茄红素（u12）、Vc（u13）、总糖（u14）、可滴定酸（u15）；水分利用效率指标包括

图2 番茄综合生长评价体系Fig.2 Comprehensive growth evaluation system of tomato

WUEy（u16）、WUEb（u17）。

1.4.3 基于熵值法TOPSIS评价法

利用熵权法计算二级指标权重值[18]。首先计算第j个指标中，第i个样本标志值的比重：

计算第j项指标的熵值：

根据指标值的差异度划定权重：

利用TOPSIS法对二级指标进行综合评价。

将决策矩阵X进行加权构造加权矩阵：

再从加权矩阵Sij中选择指标值的最大值和最小值来表示正理想解S+、负理想解S-，分别计算每个处理中各指标与正理距离d+、负理想距离d-：

最后计算相似贴近度Ci和排名：

1.4.4 模糊Borda评价法

利用模糊Borda 法对一级指标的评价值和排名进行组合评价[19]，通过计算各个一级评价指标对评价项目得分的隶属度，即该一级评价决定其得到好的评价结果的能力。

式中：xij为第i项在第j种方法的得分；μij为第i项在第j种方法下属于“优”的隶属度。

计算第i项处于h位的模糊频数ρhi及模糊频率Whi：

其中n为一级评价指标数。

将排名名次转化为得分：

其中，Qhi为第i项在h位的得分，q为评价项目总数。

计算第i项的模糊Borda数得分。

根据上述计算方法，得到综合得分及排名。

1.5 数据处理

试验数据使用Microsoft Excel 2007 软件进行数据整理及图表绘制，使用Yaahp 10 绘制层次分类图，使用IBM SPSS Statistics 23进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 用水量与土壤含水量

全生育期T1 用水1 443.17 m3∕hm2，T2 用水1 693.46 m3∕hm2，T3 用水2 320.32 m3∕hm2，T4 用水3 439.72 m3∕hm2，T5 用水3 464.98 m3∕hm2。T1 与T2、T3、T4、T5 相比，分别节水14.78%、37.80%、58.04%、58.35%。

由图3 可知，T1 定植水占全生育期用水量的93.72%，定植后用水占6.28%，T2 定植水占全生育期用水量的82.31%，定植后用水17.69%，T3 定植水占全生育期用水64.37%，定植后用水35.63%，T4、T5 定植水分别占全生育期用水量的41.32%和40.95%。通过定植水充分灌溉后，T1 除追肥时少量用水，全生育期实现0水种植，大大降低了灌溉用水。

图3 全生育期定植水和定植后用水比例Fig.3 Proportion of planting water and water after planting in the whole growth period

定植后每10 d 统计不同小区0～20、20～40、40～60、60～80 cm（对应D1、D2、D3、D4）各个深度土壤含水量平均值，对全生育期各深度土壤含水量变异系数（CV系数）进行计算，结果见表3。除T4 小区外，其他各小区土壤含水量呈现变异系数随土层深度增加而减小的趋势，即土层越深，土壤水分变化程度越小。各小区之间呈现随灌水次数增加各土层变异系数逐渐减小的规律。

表3 全生育期土壤含水量 %Tab.3 Soil water content in the whole growth period

2.2 番茄生理、生长、品质、水分利用效率指标基本表现

番茄生理、生长、品质、水分利用效率指标基本表现见表4，经方差分析，不同处理下净光合速率、蒸腾速率、氮值、叶绿素、番茄红素、维生素C、总糖、可滴定酸差异显著。番茄红素、Vc 与灌水量呈正相关关系，总糖与灌水量呈负相关关系，与WUEy、WUEb呈显著负相关。其中T4 在净光合速率、氮值、叶绿素、生物量、番茄红素、可滴定酸（数值越小越优）这6 项指标中表现最优，T1 在根冠比、Vc、总糖、WUEy、WUEb这5项指标中表现最优，另外T3的气孔导度值和T2的蒸腾速率值在各组处理中表现最好。

表4 二级指标基本表现Tab.4 Basic performance of secondary indicators

指标之间的相关关系见表5，其中净光合速率和氮值、叶绿素呈显著正相关，与WUEy呈显著负相关；氮值与叶绿素呈显著正相关；生物量与可滴定酸呈负相关关系；番茄红素与Vc 呈显著正相关，与总糖、WUEy、WUEb呈显著负相关；Vc与WUEy呈负相关关系，与总糖和WUEb呈显著负相关；总糖与WUEy呈正相关，与WUEb呈显著正相关；WUEy与WUEb之间呈正相关关系。

表5 二级指标Spearman相关关系Tab.5 Spearman correlation of secondary index

由指标数据间的差异性和相关性可见，二级指标之间所反映的数据信息既有区别又有重叠，有必要对番茄生长情况进行多目标综合评价，以确定多目标下最优处理。

2.3 番茄综合评价

2.3.1 二级指标综合评价

将可滴定酸进行数据的逆向化处理，其他数据进行归一化处理。利用熵值法对二级指标进行信息熵和局部权重计算（表6），其中生理指标中净光合速率占24.92%、气孔导度占16.46%、蒸腾速率占19.60%、氮值占19.38%、叶绿素值占19.65%；生长指标中根冠比占54.57%、生物量占45.43%；果品品质指标中番茄红素占37.04%、维生素C 占24.15%、总糖占19.84%、可滴定酸占18.98%；水分利用效率指标中WUEy占52.94%、WUEb占47.06%。

表6 熵值法权重结果Tab.6 Weight results of entropy method

表7 表明，在生理指标评价体系中，T3 的相对接近度0.769 最接近理想解；在生长指标评价体系中，T1 的相对接近度0.555最接近理想解；在果品品质评价体系中，T5相对接近度0.617，可认为是表现最优处理；水分利用效率指标体系中，T1 即为最优处理，其相对接近度为1.000。各个一级指标下不同处理的相对接近度可认定为评价得分，排序结果认定为排名。由于不同指标评价体系下不同处理排名各异，为综合反映不同灌水制度对番茄的综合影响，进而利用模糊Borda 评价法综合利用各个评价体系下的分值与序值信息。

表7 TOPSIS评价法排序结果Tab.7 TOPSIS evaluation method ranking results

2.3.2 一级指标组合评价

利用模糊Borda 评价法对不同处理的生理、生长、品质、水分利用效率指标的分值与序值信息进行组合评价，结果见表8，其中T1综合评分8.87，综合排名第一。

表8 模糊Borda法综合评分和排名Tab.8 Fuzzy Borda method comprehensive scoring and ranking

3 讨论

3.1 水分对番茄生理、生长指标的影响

水分亏缺对作物的各个生理过程的影响程度和顺序不同，其中生长对干旱的反应最为敏感，物质运输则最为迟钝[20]。当植物体内水分含量下降，叶绿素活性降低，表现为净光合速率下降，同时水分胁迫导致番茄功能叶气孔导度显著降低，作物蒸腾作用下降以减少水分蒸发[21]。然而土壤水分过高导致土壤通气性下降，根系呼吸作用受阻，从而抑制了根系水分和养分的吸收[22]。适度的水分亏缺可促进植株的耐旱性增强[23]，导致番茄底部叶片老化，促进顶部功能叶的光合能力，因此适度的土壤水分亏缺不仅不会抑制番茄生长，反而可以促进番茄光合能力增强。

本研究中，0 水灌溉的T1 处理生理指标综合评价排名最低，4 水灌溉的T5 处理排名第4，开花坐果期和成熟期各进行1 次灌水的T3 处理生理指标综合评价最高，由此可见，严重的水分亏缺和土壤水分含量过高都会影响叶片的光合生理功能，适中的灌溉量有利于提高叶片净光合速率等生理功能。生长指标方面，各处理间的根冠比和生物量指标并无显著性差异，0 水灌溉极大促进了番茄根系的生长，综合评价下T1处理表现最优。

3.2 水分对番茄果实品质的影响

番茄品质指标与灌水量呈相关关系，且不同灌溉处理下番茄果实番茄红素、维生素C、总糖、可滴定酸具有显著性差异，可见灌水量显著影响番茄品质。刘亭亭等人[24]研究显示番茄从始花结果期至品质形成期，充足的水分可增加番茄红素含量。哈婷等人[25]研究显示营养液供液量的增加会降低果实的品质，不利于高糖度番茄的生产。安顺伟等人[26]研究显示，番茄果实中可溶性固形物随灌水量减少而增加。吴泳辰等人[27]研究表明番茄果实中可溶性固形物、Vc 与灌水量显著负相关。本研究，不同灌溉处理下果实的番茄红素、Vc、总糖、可滴定酸呈现显著性差异，通过综合评价发现T5处理表现最优。

3.3 水分对水分利用效率指标的影响

番茄坐果期营养生长与生殖生长同时进行，适当的水分胁迫有利于营养生长向生殖生长的转化，番茄植株处于一定的水分亏缺状态，水分利用效率更高[28]。张国新等人[29]研究发现，随着土壤基质势降低，灌水频次减少，番茄的水分利用效率明显提高。张辉等人[30]在探讨番茄不同生育时期灌水下限与番茄产量、水分利用效率的关系时发现，水分利用效率随番茄产量增加呈抛物线型变化，产量低于9.69 万kg∕hm2时，生产单位质量番茄用水较少。本研究中，灌水量与水分利用效率指标显著相关，0 水处理显著提高WUEy、WUEb，可有效实现设施番茄生产节水。