随着我国蔬菜产业劳动力成本持续攀升,发展机械化、转变生产方式已成为保障产业可持续发展的必然选择
[1]。2018年,宋卫堂
[2]首次提出了集改进的日光温室结构、东西向栽培技术和适配作业机械于一体的“设施、农艺、农机”融合生产模式,为日光温室蔬菜生产全程机械化提供了系统性解决方案。围绕该模式,后续研究相继在番茄
[3]、黄瓜
[4]、西瓜
[5]、甜瓜
[6]等高效益园艺作物上明确了关键宜机化参数,初步证实了东西垄向栽培具有较传统南北垄向更优的增产效果
[7]。然而,这种种植方式也使得温室内固有的南北光照分布不均问题更为凸显,导致不同栽培垄的蔬菜产量出现明显差异
[6],成为制约该模式稳产性的重要瓶颈。研究表明,弱光胁迫会显著抑制番茄花粉与子房发育,延缓果实发育进程,并导致成熟果实单果质量下降,而不同品种对弱光的耐受性存在显著的基因型差异
[8]。同时,番茄果实的品质性状主要受品种基因、环境条件及栽培措施的共同调控
[10]。因此,筛选兼具耐弱光且在东西垄向栽培空间内产量稳定性高的番茄品种,成为推广该宜机化栽培模式的迫切需求。
近年来,宁夏蔬菜产业在全国的影响力日益增强,冷凉蔬菜已成为巩固拓展脱贫攻坚成果、衔接乡村振兴的支柱产业之一
[11]。宁夏地区光热资源充沛,昼夜温差显著,为生产高品质番茄提供了得天独厚的区位优势
[12]。鲜食番茄在宁夏种植面积持续扩大,以“连湖西红柿”为代表的产品已获得市场与消费者的广泛认可,高品质的鲜食番茄已成为宁夏优质特色农产品的标志。鉴于不同番茄品种在果实外观、营养品味及风味物质方面存在较大差异,本研究选取宁夏地区主要种植的14个鲜食番茄品种,在日光温室越冬茬东西垄向栽培模式下,系统调查叶片表型、产量空间分布特征及果实综合品质。通过层次分析(Analytic hierarchy process,AHP)确定适用于宜机化栽培的番茄品种的评价指标体系及指标权重,并利用动态时序逼近理想解排序法(Distance-based technique for order preference by similarity to ideal solution,DTOPSIS)对参试品种进行综合排序与筛选,以期为提高日光温室番茄机械化生产水平提供品种选择方面的科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试的14个鲜食番茄品种均为粉果品种类型,具体包括:济南沃尔富斯农业科技有限公司的‘粉贝儿’(简称FB),京研益农(北京)种业科技有限公司的‘京番 308’(简称JF 8)、‘京番 309’(简称JF 9),北京现代农夫种苗科技有限公司的‘京采 6号’(简称JC 6),广州亚蔬国艺种苗有限公司的‘亚蔬 12号’(简称YS 12)、河南豫艺种业科技有限公司的‘豫艺酸甜果 101’(简称ST 10),大连柯瑞亨农业有限公司的‘铁娘子’(简称TN),北京金种惠农农业科技发展有限公司的‘梅香’(简称MX),宁夏巨丰种苗有限责任公司的‘塞硒柿 4号’(简称SX 4)和‘塞硒柿 5号’(简称SX 5),秦皇岛盛裕农业科技发展有限公司的‘草莓番茄’(简称CM),宁夏农林科学院园艺研究所选育的‘C 46’和‘C 50’,以及荷兰德奥特种业集团公司的‘普罗旺斯’(简称PL)。其中‘PL’为宁夏日光温室越冬茬主栽品种,其余品种在宁夏设施中也有少量种植。所有试验用种子均由宁夏农林科学院园艺研究所番茄育种课题组提供。
1.2 试验方法
种植试验于2021年在吴忠国家农业科技园区孙家滩日光温室蔬菜基地进行。育苗工作在宁夏益利特农业科技有限公司的育苗温室完成,采用工厂化穴盘基质育苗,播种日期为2021年7月26日。幼苗于2021年9月30日定植于净跨10 m、脊高4.5 m、长64 m的采光面钢架结构日光温室内。定植前,每亩施用腐熟鸡粪1 000 kg、磷酸二铵20 kg作为基肥,并利用旋耕机械将土壤与肥料混合均匀。采用YT10-A100型自走式起垄覆膜机(无锡悦田农业机械公司)一次性完成东西向起垄、覆膜及铺设滴灌带作业。垄底宽70 cm,垄高20 cm,垄面宽50 cm,垄中心间距1.8 m,全温室共设5个栽培垄。采用双行定植方式,株距30 cm,小行距30 cm,折合密度为2 119株/667 m2。每个品种设为1个处理,共设14个处理,依次标记为‘FB’、‘JF 8’、‘JF 9’、‘JC 6’、‘YS 12’、‘ST 10’、‘MX’、‘C 46’、‘C 50’、‘TN’、‘CM’、‘SX 4’、‘SX 5’、‘PL’。每个品种的蜘蛛同步种植于由南向北的5个栽培垄上,形成小区面积1.5 m×10 m,3次重复,依次排列。田间管理采用单杆整枝,留6穗果后摘心,辅以人工振动授粉。水肥管理通过加压泵驱动的水肥一体化系统进行,将温室中部区域划分为东、西2个灌溉区,每个区5个栽培垄垄面均放置2条滴灌带,确保5个栽培垄同时进行水肥等量、等时的水肥滴灌。
1.3 测试指标及方法
于番茄果实采收期进行调查与测定。每个品种于第3垄南侧行随机选取5株健康植株,测定其第4穗果对应节位(距离地面1.5 m处)的叶片,利用杭州万深检测科技有限公司的LA-S叶面积分析仪测量叶长、叶宽、叶面积和叶周长。将每个品种的种植区域,按由北向南的顺序,在10个特定的栽培行(标记为1-N、1-S、2-N、2-S、3-N、3-S、4-N、4-S、5-N、5-S)各随机选取5株,调查单株坐果数,并测量、计算单株产量,用于分析产量及其构成要素的空间变异特征。每个处理选取第2至第3穗成熟度一致的果实12个,平均分为3组。分别测量单果重,使用浙江托普仪器有限公司的GY-4型果实硬度计测量果实硬度,采用柯尼卡美能达(中国)投资有限公司的CR-10Plus色差计测量果实颜色,以3组测定值的平均值作为该处理的重复数据。果实品质采用四分法取样:将12个果实混合后迅速打浆,采用上海申光仪器仪表有限公司WYA-2WAJ阿贝折射仪测定可溶性固形物;蒽酮比色法测定可溶性糖含量;考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量;酸碱滴定法测定总酸含量;2,6-二氯酚靛酚钠滴定法测定维生素C含量
[13];番茄红素含量则依据国家标准(GB/T 14215—2021)规定的方法进行检测
[14]。
1.4 数据分析
采用Microsoft Excel 2021软件进行原始数据的整理与初步计算。使用SPSS 23.0统计软件进行单因素方差分析(ANOVA),并用Duncan’s法进行多重比较(显著性水平P<0.05)。
采用层次分析法(AHP)计算各项测定指标的权重
[15]。首先,根据指标性质与内在关联构建综合评价的层次结构模型。将总目标层(C,适宜品种筛选)分为5个准则层:叶片表型指标(C
1)、外观品质指标(C
2)、营养品质指标(C
3)、风味品质指标(C
4)和产量指标(C
5)。准则层下共设20个具体指标层:C
1包括叶宽(C
11)、叶长(C
12)、叶面积(C
13)、叶周长(C
14);C
2包括果形指数(C
21)、L值(C
22)、红绿色度a
*值(C
23)、黄蓝色度b
*值(C
24)、硬度(C
25);C
3包括可溶性蛋白质(C
31)、维生素C(C
32)、番茄红素(C
33);C
4包括总酸(C
41)、可溶性糖(C
42)、糖酸比(C
43)、可溶性固形物(C
44);C
5包括坐果数变异系数(C
51)、单株产量变异系数(C
52)、单果重(C
53)和产量(C
54)。层次结构建立后,运用比例标度法
[16]对同层次指标进行两两比较,构建判断矩阵,运用Yaahp 10.2层次分析法软件完成模型构建与权重计算(采用算术平均法),同时进行一致性检验(CR<0.10)。最后,参考李文砚等
[17]的方法,基于AHP确定的指标权重,利用DTOPSIS模型计算各品种与正、负理想解的加权欧氏距离及相对接近度(Ci值),以此进行综合排序
[18]。相关运算在Excel 2021软件中完成。
2 结果与分析
2.1 不同鲜食番茄叶片表型特征
在东西垄向宜机化栽培模式下,番茄群体冠层光分布受叶片形态影响显著。参试14个番茄品种在叶片表型指标上存在明显差异(
图1)。其中,叶周长变异系数最高,达19.21%,变化范围在349~641 mm之间,以‘FB’叶周长最大,‘SX 4’最小。叶面积变异系数为15.07%,范围为34 394~56 721 mm
2,‘FB’叶面积最大,‘YS 12’最小。叶长与叶宽变异范围分别为77.21~121.61 mm和40.99~65.9 mm。值得注意的是,‘TN’品种的叶长、叶宽及周长均最小,但其叶面积处于中等水平,表明其叶片边缘缺刻较浅;而‘JC 6’品种叶长和叶宽较大,叶面积却相对较小,说明其叶片边缘存在较深的裂刻。
2.2 不同鲜食番茄果实外观质量特征
由
表1可知,14个参试番茄品种果形指数变异系数较小,变异系数仅为3.32%,变异区间为0.74~0.83。其中,4个品种果形指数>0.8,属近圆形;10个品种<0.8,属扁圆形。各品种间果皮硬度差异显著,变异系数达到17.13%。‘ST 10’、‘SX 4’和‘TN’3个品种的果皮硬度显著高于其他品种,表现出较好的耐裂果和耐贮运特性;‘MX’和‘SX 5’品种果实硬度最低,存在较高的裂果风险。依据单果重可将品种划分为:大果型(>140 g)4个,其中‘SX 5’单果重最高;中果型(100~140 g)8个,以及小果型(<100 g)2个。产量方面,‘PL’的产量最高,显著高于其他所有品种;‘SX 5’和‘C 50’次之,亩产均超4 000 kg;亩产高于3 000 kg的品种有‘JF 8’、‘JF 9’、‘JC 6’、‘ST 10’、‘C 46’、‘TN’和‘SX 4’,其余3个品种产量相对较低。
2.3 不同鲜食番茄果实营养风味特征
如
表2所示,不同番茄品种果实的可溶性糖含量变异区间为23.22~50.43 mg/g,变异系数为23.97%,其中‘YS 12’、‘MX’果实可溶性糖含量显著高于其他品种,‘CM’、‘C 50’糖含量最低。总酸含量范围为4.34~7.92 g/kg,其中‘FB’、‘JF 8’和‘JC 6’的含量较高;糖酸比以‘YS 12’、‘MX’和‘JF 9’位列前三。各品种可溶性固形物含量变化于4.5~8.4%之间,‘FB’、‘YS 12’和‘MX’的含量较高。维生素C、可溶性蛋白及番茄红素含量的变化区间分别为122.70~205.16 mg/kg、0.38~0.94 mg/g和174.64~305.59 mg/kg,变异系数分别为14.12%、20.08%和16.06%。其中,‘C 50’的维生素C含量最高、‘MX’的可溶性蛋白和番茄红素含量均为最高。
2.4 不同鲜食番茄果实颜色参数特征
果实颜色是鲜食番茄重要的外观品质性状,红色番茄颜色越红,富含番茄红素越高,抗氧化效果越好,在鲜食或加工方面更受市场的欢迎
[19]。国际照明委员会(CIE)的Lab表色系常用于测量物体颜色的参考标准,从该颜色空间的维度中收集的数据可以记录并用于颜色的定量分析
[20]。由
图2可知,不同品种间果实亮度参数(L值)介于38.52至43.01之间,变异系数为3.74%,其中‘SX 4’和‘ST 10’的L值显著高于其他品种。不同品种果实红色饱和度(a
*值)变化幅度为22.08~28.95,变异系数为8.2%;‘FB’、‘JF 8’、‘JC 6’、‘YS 12’和‘MX’的a
*值显著高于其他品种,‘JF 9’和‘ST 10’的a
*值最小。不同品种果实黄色饱和度(b
*值)的变化幅度为15.25~19.84,‘JF 9’和‘YS 12’的b
*值较高,说明其果肉黄色色调相对明显。
2.5 不同鲜食番茄坐果数和单株产量空间分布特征
受温室内部南北向光照梯度的影响,同一番茄品种在不同栽培垄上的坐果性能与单株产量存在差异。由
图3可知,所有品种的坐果数与单株产量总体上均呈现由北向南逐步增加的趋势,且两者变化趋势基本一致。‘CM’、‘SX 4’和‘SX 5’3个品种的单株坐果数产量在10个栽培行的变异系数超过20%,其最北端(1-N)和最南端(5-S)栽培行的数值相差接近1倍,空间波动幅度最大。‘TN’、‘ST 10’、‘JC 6’、‘FB’、‘C 50’、‘MX’和‘YS 12’这7个品种的变异系数在15%~20%之间,5-S栽培行的坐果数和产量较1-N行高出约70%;‘JF 8’、‘JF 9’、‘C 40’和‘PL’的变异系数小于15%,其中‘JF 8’最小为7.96%,南北行差约为28%;‘PL’单株产量的变异系数为10.73%,南北行差值约为22%。这表明‘JF 8’和‘PL’对东西垄向栽培下的光环境变化,特别是靠近温室北墙的弱光条件,表现出更强的适应性和坐果稳定性。
2.6 宜机化栽培模式下不同鲜食番茄品种综合评价
2.6.1 基于AHP的品种筛选指标权重确定
通过AHP构建的判断矩阵一致性良好(CR<0.10)。各评价指标的最终权重排序如下:产量(C
54)>可溶性固形物含量(C
44)>番茄红素含量(C
33)>单果重(C
53)>糖酸比(C
43)>维生素C含量(C
32)>可溶性糖含量(C
42)>单株产量变异系数(C
52)>硬度(C
25)>b
*值(C
24)>坐果数变异系数(C51)>a
*值(C
23)>总酸含量(C
41)>可溶性蛋白质含量(C
31)>L值(C
22)>叶周长(C
14)>叶面积(C
13)>叶长(C
12)>果形指数(C
21)>叶宽(C
11)。其中,产量、可溶性固形物、番茄红素、单果重、糖酸比和维生素C含量这6项指标的权重显著占优,共同构成了评价宜机化栽培番茄品种的核心指标体系(
表4)。
2.6.2 基于DTOPSIS法的番茄品种综合评价
基于AHP法确定的指标权重,进一步采用DTOPSIS法计算各品种的综合评价指数(Ci值)并进行排序(
表5)。结果显示:大果型品种‘PL’、‘SX 5’的Ci值位列前2位。‘PL’的优势主要体现于其在东西垄向栽培下不同行间产量的变异系数较小,空间适应性更强;‘SX 5’则凭借其突出的单果重、高产潜力及较高的可溶性固形物含量排名第二。中果型品种‘YS 12’与‘JF 9’分别位列第三和第四,它们在保持较高产量的同时,拥有更优的糖酸比与综合风味品质。
3 讨 论
3.1 宜机化栽培品种评价指标体系的构建
适应性评价是引种成功与否的关键
[21],番茄的表型与品质指标繁多,单一指标难以全面评判品种优劣,需借助多指标综合评价方法
[22]。然而,评价指标的选择因生产目标与栽培模式的不同而异。例如,王文选等
[22]针对北京地区种植8个鲜食番茄品种的19个生长和品质指标进行综合分析,筛选出葡萄糖、单果重、苹果酸、平均节间长度、可滴定酸和叶片数6个核心评价指标。王明姣等
[23]对冀南区域的10个鲜食番茄品种18个指标进行主成分分析,筛选出可溶性糖含量、单果质量、单株产量、果实裂果率和果实硬度5个核心评价指标;苏秀敏等
[24]对山西地区种植的16个番茄品种9个指标进行层次分析和隶属函数计算,得出经济产量、可溶性固形物权重较高;薛莲等
[25]对汉中地区种植的9个鲜食番茄14个指标进行分析,筛选出果皮颜色赋值、平均单果质量、裂果率和糖酸比4个核心指标;张田米等
[26]对陕西地区种植的47个鲜食番茄20个指标进行多种方法分析,筛选出糖酸比、可溶性固形物、甜度、酸度、单果质量、可滴定酸和可溶性糖7个评价口感型番茄的核心指标。尽管存在地域差异,但单果重、可溶性固形物和糖酸比等指标在多项研究中被共同关注,反映了其对鲜食番茄综合品质的普遍重要性。
本研究基于东西垄向栽培模式的光温梯度特点,在评价体系中引入了坐果数量与单株产量的空间变异系数,以量化品种在南北行间的产量稳定性,并补充了与冠层光分布密切相关的叶片表型指标,从而更全面地反映品种对光环境异质性的适应能力。通过AHP对指标进行赋权,结果显示:产量(权重占34%)和风味品质(权重占29%)两大准则层累计权重达63%,这精准反映了在宜机化栽培体系中,品种筛选需同时兼顾“高产稳产”与“优质鲜食”的双重需求。最终确定的产量、可溶性固形物、番茄红素、单果重、糖酸比和维生素C含量6项核心指标,构成了本研究评价体系的关键维度,既突出了模式特异性,也强化了评价的针对性与实用性。
3.2 AHP-DTOPSIS联用评价方法的适用性
品种科学评价是选育和推广优良品种的关键环节。然而,由于不同农作物品种在生长习性、产量结构和果实品质等方面存在显著差异,且评价指标往往繁多、主次难辨,因此需要采用系统、客观的综合评判方法
[27]。目前,番茄品种综合评价尚未形成统一标准,常见方法包括主成分分析法
[23]、聚类分析法
[28]、隶属函数法和灰色关联法
[29]等。这些方法基于不同的数学原理,各有特点,为减少主客观因素干扰,研究多采用2~3种方法联合进行分析。然而,这类依赖数据驱动、“自下而上”的分析方法,对数据全面性和准确性要求较高,且容易忽略一些难以量化的重要因素。
层次分析法(AHP)是一种将定性与定量分析相结合、具有系统性和层次结构的多目标决策方法。通过构建目标层、准则层和指标层,将复杂的综合判断分解为同一层次内各级要素的两两比较,从而将决策者基于长期实践、区域生产目标和经验形成的主观判断转化为具体的权重赋值,反映各指标在评价体系中的相对重要性
[30]。其核心是将决策者的经验判断定量化,增强了决策依据的准确性
[31];DTOPSIS被广泛应用于品种综合评价中应用广泛
[32],其优点在于将各品种多个指标无量纲化后结合指标赋值与理想解的接近程度进行排序,能够有效筛选出最符合决策者目标的品种
[33]。采用AHP与DTOPSIS相结合的方法,形成了一种“经验导向赋权,数据驱动排序”的综合评价范式
[34]。该范式既能有效集成主观判断与客观数据,又能符合区域、差异化生产的需求。本研究结合东西垄向栽培模式对品种稳定性与优质性的要求,以及鲜食番茄的市场需求,应用该联用方法进行评价。结果表明,该方法适用于日光温室东西垄向栽培模式的品种筛选,这与前期在小果型西瓜上的研究结论一致
[18]。通过综合评价,成功从14个品种中筛选出‘PL’、‘SX 5’、‘YS 12’和‘JF 9’4个综合性优良品种:‘PL’在产量空间稳定性方面表现突出,‘SX 5’具有显著的高产潜力,‘YS 12’和‘JF 9’则在品质和产量之间取得了良好的平衡,可作为适宜日光温室东西垄向宜机化栽培推荐品种。
4 结 论
本研究构建了针对日光温室东西垄向宜机化栽培模式的鲜食番茄品种综合评价体系,明确了以产量及其空间稳定性为核心,兼顾可溶性固形物、番茄红素、单果重、糖酸比和维生素C含量的指标选择原则。通过AHP-DTOPSIS模型综合评价,筛选出‘普罗旺斯’(PL)、‘塞硒柿 5号’(SX 5)、‘亚蔬 12号’(YS 12)和‘京番 309’(JF 9)4个适宜品种,为宁夏及类似生态区日光温室番茄宜机化生产提供了直接的品种选择依据。试验发现在日光温室番茄东西垄向栽培中,受温室结构和光环境分布不均的影响,靠近温室北墙栽培行的番茄果实大小和坐果数量均显著低于其他栽培行。因此,今后有必要进一步研究光照不均匀环境下番茄坐果与果实膨大的调控机制,以期为提升日光温室宜机化栽培的整体产量与稳定性提供科技支撑。
宁夏回族自治区农业高质量发展和生态保护科技创新示范项目(NGSB-2021-804)
宁夏回族自治区科技创新领军人才项目(2021GKLRLX11)