有机施肥重塑亏缺灌溉下温室番茄叶片碳水协同与水分利用效率的生理机制

《Scientia Horticulturae》：Organic fertilization enhances carbon–water coordination and water use efficiency of greenhouse tomato under deficit irrigation

　　

摘要：水资源短缺背景下，农业耗水占比高而作物用水效率偏低。研究人员针对温室番茄在限水条件下的生理响应机制，设置全量灌溉(FI)与中度亏缺灌溉(DI，灌水量为FI的70%)两类水分处理，并配施可溶性有机肥(OF)、化肥(CF)及不施肥对照(CK)，于两个连作季开展裂区试验。结果表明，有机施肥可延缓高温诱导的气孔导度(gs)下降，在亏缺灌溉下维持较高的气体交换与冠层发育水平；其通过协调木质部液流、气孔行为与叶温阈值，缓解水分胁迫对光合的限制。相较化肥处理，有机施肥在DI下降低产量损失，并使基于产量的水分利用效率(WUEp)提升，其中秋冬季DIOF处理WUEp达63.88 kg·m?3。研究揭示有机输入通过改善叶片尺度碳-水协同关系，为节水型设施番茄水肥管理提供生理依据。

研究背景与问题提出：全球农业用水占总耗水约70%，而作物水分利用效率(WUE，water use efficiency)偏低。温室番茄因密闭高蒸发环境对水分胁迫敏感，单纯追求高产的水肥模式难以适应缺水条件。已有研究多关注亏缺灌溉(DI，deficit irrigation)对产量与土壤的影响，但有机施肥如何通过叶片尺度生理过程协调碳同化与水分耗散仍不清楚，尤其缺乏对气孔热敏感性、液流与胞间CO₂协同机制的定量解析。因此，研究人员假设有机施肥可通过调控液流与气孔行为改善碳-水协同，从而缓解中度亏缺灌溉的负面效应。

主要技术方法概览：研究依托中国农业大学石羊河试验站干旱区温室，以番茄品种Fenxi为材料，设FI与DI(70% FI)主区，CK、CF、OF施肥亚区，裂区设计、三重复，连续两个生长季(春-夏与秋-冬)。关键观测技术包括：便携式光合系统(Li-6400)测定净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)；热平衡式液流系统(Flow32-1K)连续监测茎流以表征植株蒸腾；冠层分析仪测叶面积指数(LAI，leaf area index)；基于土壤水均衡的滴灌调度；并以非线性回归拟合叶温-气孔导度阈值，结合产量与全生育期蒸腾计算叶片即时WUE_i与植株级WUE_p。

研究结果

3.1 灌溉与施肥对番茄生长性状的影响

通过株高、茎粗与LAI动态测定，研究人员发现季节与施肥是形态建成主效因子。DIOF(亏缺灌溉+有机肥)较DICF维持更高株高、茎粗与LAI，且在秋冬季接近全灌水平；表明有机施肥在同等限水下减缓营养生长受抑。

3.2 水分消耗与蒸腾动态

基于日蒸腾与小时液流监测，DI降低整体耗水，但OF提升峰值液流与午间持续蒸腾能力。DIOF峰值小时液流约35 g·h^?1，显著高于DICF的20 g·h^?1，说明有机输入增强根系吸水与冠层水分转运，延缓灌后蒸腾衰减。

3.3 气孔行为与气体交换调控

3.3.1 即时水分利用效率

通过P_n、T_r与WUE_i日过程分析，OF处理光合维持更久；DIOF在灌后第13天WUE_i达1.79 μmol CO₂·mmol^?1 H₂O，接近全灌CF对照，显示其以适度蒸腾换取代偿性碳同化。

3.3.2 胞间CO₂与气孔导度关系

g_s–C_i(胞间CO₂浓度)曲线显示，OF使C_i对g_s上升的响应更平缓(每0.1单位g_s仅增7.50 μmol·mol^?1)，亏缺下更好保持内部CO₂稳定与叶肉羧化能力。

3.3.3 气孔叶温阈值

叶温-gs非线性拟合表明，有机施肥抬高气孔关闭温度点：FI下OF阈值29.56 °C，DI下达33.34 °C，较对应CF/CK高约2.84%–11.17%，增强高温下气体交换热韧性。

3.4 产量与水分利用效率

产量与WUE_p统计显示，DIOF较FICF减产仅3.9%(春夏)与8.8%(秋冬)，而WUE_p在秋冬升至63.88 kg·m^?3，较FICF提高22.1%；证明有机施肥以较小产量代价显著放大限水产出效率。

讨论与结论翻译：讨论指出，DI虽节水但抑制营养生长与冠层扩展，有机施肥通过提升土壤持水、根系吸水与Rhizosphere(根际)过程，抵消部分干旱限制。叶片尺度上，OF降低气孔热敏感、稳定C_i扩散与羧化、维持液流，形成“较高蒸腾-稳态光合”的碳-水协同模式。结论为：有机施肥通过延迟气孔高温衰退、协调液流与气体交换，在中度亏缺灌溉下减轻胁迫损伤，减少产量损失并提高WUE，为设施番茄节水提质提供可落地的水肥耦合路径。

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