《Horticulturae》：Improving Water Use Strategies in Greenhouse Tomato with Superabsorbent Polymers: Effects on Fruit Yield Under Deficit Irrigation
Stefania Toscano,
Aurora Maio,
Tommaso La Malfa,
Francesca Calderone,
Elisa Bonanno and
Fabio Gresta
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本研究在温室盆栽番茄体系中评估了高吸水性聚合物（SAP）在亏缺灌溉下的应用潜力。通过设置四种灌溉水平（作物需水量的100%、75%、50%、25%）与两种SAP水平（0 和 2 g L?1）的组合试验，发现SAP可作为一种补充工具，在不影响单位果实重量的前提下，显著提高番茄总产量、可销售果实数量（Marketable fruit number）及净光合速率（An）。研究发现，灌溉量是决定番茄产量的主要因素，而SAP的积极作用是独立且可叠加的，为节水灌溉策略提供了支持。
1. 引言
水资源短缺正日益制约全球园艺生产，气候变化加剧了干旱事件的频率和严重性，对灌溉和高价值种植系统产生强烈影响。在温室蔬菜系统中，产量的稳定性和产品的一致性对经济效益至关重要，因此，提高用水效率同时保持可销售产量和品质是核心的农学目标。番茄是经济上最重要的蔬菜作物之一，并且对水分亏缺尤为敏感，特别是在开花和果实发育期，此时胁迫会减少坐果、限制果实生长并增加非商品果的比例。高吸水性聚合物（SAP）和水凝胶基土壤/基质改良剂作为一种实用工具，正被越来越多地研究用于改善集约化温室和无土栽培系统的水分管理，特别是在水资源有限的条件下。它们通过增加根区的有效持水能力并平滑水分可利用性的短期波动，可以在亏缺灌溉条件下支持植物功能，并有可能在保持高价值园艺作物产量和市场价值的同时减少灌溉投入。
2. 材料与方法
本研究在意大利米拉佐的一个农场进行温室试验，试验周期为2025年4月至8月。试验采用番茄品种Proxy F1，在椰糠基质中栽培。试验设计了四种灌溉量（分别为作物需水量WC的100%、75%、50%和25%）与两种SAP施用水平（0 和 2 g L?1）的组合处理。SAP在移栽时以推荐剂量（2 g L?1）均匀混入生长基质。灌溉由一套渗漏计控制系统管理，通过连续监测盆重来自动触发灌溉事件。所有处理均施用统一的完全营养液。在试验期间，测量了总产量、可销售与非可销售果实数量、单果重、总可溶性固形物（TSS，以°Brix表示）、果实颜色参数（CIELAB L， a， b*）和生理参数，包括净光合速率（An）、气孔导度（gs）、蒸腾速率（E）和水分子利用效率（WUE，计算为An/E）。
3. 结果
3.1. 果实产量与产量构成
方差分析表明，灌溉量（I）和SAP（S）对大多数产量和产量相关性状有强烈的主效应，而I × S交互作用不显著，表明两因素的影响是独立且可加和的。随着灌溉量从100% WC减少到25% WC，总果实产量（平均跨SAP处理）从1212 g 株?1显著下降到624 g 株?1。非可销售果实数量（平均15.4 果 株?1）不受灌溉量影响。SAP处理显著提高了跨灌溉处理平均的总产量（从925 增至 1022 g 株?1）和可销售果实数量（从26.3增至32.3 果 株?1），但未影响单果重（平均20.4 g 果?1）。
3.2. 果实品质与颜色参数
果实可溶性固形物（TSS）受灌溉制度和SAP显著影响，且存在显著的I × S交互作用。在严重亏缺（25% WC）下TSS最高（7.8 °Brix），并且SAP总体上增加了TSS（从6.9增至7.6 °Brix）。颜色参数（L， a， b）主要受灌溉量驱动。亮度（L）在25% WC下最高（41.2），而红度（a）和黄度（b）在亏缺灌溉下降低。SAP对L， a， b无显著主效应，但对于a和b*存在显著的I × S交互作用。果实形状指数（FSI）不受任何因素影响，保持稳定（0.82–0.83）。
3.3. 生理参数
生理参数受灌溉量和SAP水平的不同影响。灌溉显著影响气体交换参数。在100% WC和75% WC下灌溉的植物显示出较高的An值，而50% WC和25% WC的植物光合活性显著降低。气孔导度（gs）随着灌溉减少而逐渐下降，在25% WC时达到最低值。WUE仅在25% WC时显示显著降低。叶绿素含量（SPAD指数）、类黄酮和花青素含量不受灌溉量的显著影响。除了An，SAP水平对其他生理参数无显著影响。SAP处理植物的An比对照植物增加了10%。未检测到灌溉量与SAP水平之间的显著交互作用。
4. 讨论
本研究结果表明，番茄植株对水分胁迫高度敏感，这对其生长和发育过程有相当大的影响。灌溉量对产量和叶片气体交换产生强烈的主效应，而SAP改良剂为产量构成提供了额外的、基本可加和的益处。从100% WC到25% WC的渐进式灌溉减少导致总果实重量明显下降，在75% WC下减少有限且不显著，但在50-25% WC下损失严重。这些产量损失反映了总果实数量和单果重的同步减少，表明水分亏缺限制了库的建立。重要的是，非可销售果实数量不受灌溉量的显著影响，这表明亏缺灌溉主要通过降低果实产量而非增加缺陷果比例来降低生产力。SAP增加了总果实数和可销售果实数，并相应增加了总果实重量，但单果重未受显著影响。观察到的SAP效应与高吸水性水凝胶作为交联聚合物网络的功能概念一致，该网络能够吸收和保留水分，然后在周围基质干燥时释放，从而缓冲根区的短期水分亏缺。这些材料也常被讨论为可以改善水分管理的土壤/基质改良剂，在某些情况下可以减少水分损失并提高水分利用效率，尽管效应的大小取决于环境、土壤/基质和施用率。干旱胁迫通过降低光合色素浓度对植物产生负面影响，从而限制光捕获、光合效率和整体生物量生产。叶片气体交换数据为产量响应提供了生理背景。净光合作用（An）受灌溉量强烈影响；充分灌溉和中等胁迫的植物（100% WC 和 75% WC）保持较高的An，而在50% WC，特别是25% WC下逐渐降低的值反映了由水分短缺引起的日益增加的生理限制。在此背景下，SAP施用通过增强An部分缓解了水分亏缺的负面影响，但未改变gs或WUE，这表明光合能力可能有所改善。瞬时WUE没有显著改善，表明SAP主要是通过维持碳同化而不是按比例减少蒸腾失水来起作用。这意味着SAP主要是作为维持光合作用的水分缓冲剂，而不是改变气孔调节或固有的蒸腾效率。果实品质响应反映了预期的干旱相关权衡，总可溶性固形物（TSS）受灌溉量显著影响，在25% WC时值最高。SAP也增加了TSS，并且显著的灌溉量 × SAP交互作用表明SAP在25% WC时为糖分积累提供了附加价值。与聚合物施用相关的总可溶性固形物增加可能源于增强的代谢活性，这促进了更多酸、代谢物和葡萄糖的产生。颜色参数（L， a， b）主要受灌溉量影响。具体来说，L在最严重亏缺（25% WC）下增加，而a和b在亏缺条件下相对于充分灌溉降低，表明水分限制改变了颜色发育。SAP在整个灌溉水平上对L， a或b没有产生显著的主效应，尽管灌溉量 × SAP对a和b*的交互作用表明SAP可能根据灌溉环境调节颜色发育。从更广泛的视角来看，这些结果支持这样的观点：灌溉量仍然是决定在椰糠中种植的温室番茄产量表现的主要杠杆，而SAP可以通过增加可销售果实数量和支持光合性能来提供可测量的附加优势。这里观察到的SAP效应的可加和性质与番茄田间证据一致，表明SAP可以改善产量和WUE，且与灌溉处理的交互作用通常有限。在绿叶蔬菜的田间条件下，类似的节水增产效果也已被证明，其中改良剂改善了产量和灌溉水利用效率，并能够减少浇水频率。结合关于凝胶基质的温室导向证据以及其他蔬菜中报告的干旱缓解反应，这些研究支持采用SAP/水凝胶作为亏缺灌溉的补充工具，形成一种节水策略。然而，对SAP的响应不一定与剂量成正比，过高的施用率可能会引入物理限制或竞争性吸水效应；因此，剂量响应优化对于实际推荐至关重要。
5. 结论
水资源可利用性仍然是影响温室番茄生长和产量的主要因素，强调了有效灌溉管理的重要性。总的来说，结果表明灌溉量是决定在椰糠中种植的温室番茄产量的主要杠杆，而高吸水性聚合物（SAP）可以作为一种补充工具来支持作物性能，在中等水分限制下提高可销售果实的数量并维持光合活性。虽然SAP可以改善某些品质性状并有助于产量稳定，但它不能完全补偿严重的水分亏缺，这突显了这种方法在严重水分限制下的局限性。这些发现表明，将SAP整合到灌溉策略中可以促进更具韧性和可持续的生产，但优化剂量和仔细监测基质水分和植物水分状况至关重要。未来的工作应优化SAP剂量，并直接监测基质水分动态和植物水分状况，以细化针对不同亏缺水平的推荐。
