氢气纳米气泡水提高樱桃番茄质量

Li M, Zhu G, Liu Z, Li L, Wang S, Liu Y, Lu W, Zeng Y, Cheng X, Shen W. Hydrogen Fertilization with Hydrogen Nanobubble Water Improves Yield and Quality of Cherry Tomatoes Compared to the Conventional Fertilizers. Plants (Basel). 2024 Feb 2;13(3):443.

论文作者主要来自南京农业大学

摘要

虽然氢气（H₂）处理的土壤可以提高作物生物量，但由于H₂气体的易燃性，这种方法似乎难以在田间应用。在这份报告中，我们研究了无论是否使用肥料，氢纳米气泡水中的H₂是否能提高樱桃番茄（番茄变种cerasiforme）的产量和品质。为期两年的田间试验表明，与相应的对照组相比，2021年（上海）无肥和有肥的氢纳米气泡水分别使每株樱桃番茄的产量提高了39.7%和26.5%，2023年（南京）分别提高了39.4%和28.2%。与表面水（SW）相比，无论是否施用肥料，氢纳米气泡水都增加了土壤中可用氮（N）、磷（P）和钾（K）的消耗，这可能归因于根部与NPK运输相关的基因（LeAMT2, LePT2, LePT5, 和 SlHKT1,1）的增加。此外，与SW灌溉的植物相比，氢纳米气泡水灌溉的樱桃番茄显示出更高的糖酸比（8.6%）和番茄红素含量（22.3%）。重要的是，不使用肥料的氢纳米气泡水对每株产量（9.1%）、糖酸比（31.1%）、挥发物（20.0%）和番茄红素含量（54.3%）的有益效果比单独使用肥料的效果更强。简而言之，这项研究清楚地表明，氢纳米气泡水供应的H₂不仅展现了施肥效果，增强了番茄产量，而且还提高了果实品质，并且具有更低的碳足迹。

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1. 前言

樱桃番茄是一种小果实的番茄变种，它作为一种受欢迎的水果蔬菜在世界范围内广泛种植。樱桃番茄富含多种营养素，如番茄红素、维生素和矿物质，因此受到消费者的喜爱，它能降低患心血管疾病、高胆固醇、高血糖以及癌症等疾病的风险。尽管肥料可以提高果实产量，但过量施肥不仅会导致水污染，还会使果实失去风味并积累硝酸盐和亚硝酸盐。此外，大规模施用化肥进行作物生产会增加温室气体排放，加速全球变暖。因此，以一种更高效利用肥料且环境友好的方式提高番茄产量和品质是现代的一个挑战。

在过去的十年里，氢分子(H₂)被认为对代谢、消化、呼吸和心血管疾病、神经退行性疾病和癌症具有潜在的医疗治疗前景。此外，H₂在植物中表现出多种生物功能，包括缓解各种非生物胁迫引起的氧化损伤、促进种子萌发和根发育[8]以及改善蔬菜、水果和花卉的采后保鲜。先前的研究发现，暴露于氢气的土壤可以促进大豆、春小麦、大麦和油菜的生物量，这表明氢气在土壤中具有提高肥料利用率的效果。然而，以气态形式应用于土壤处理的氢气在现场操作复杂且不切实际，因为其在较高浓度下滞留时间短且易燃。

尽管已发现富氢水(HRW)能提高百合花蕾的产量并延长其保质期，但它存在溶解氢气的溶解度低和驻留时间短的缺点。固态氢气储存材料，如氢化镁(MgH₂)、氨硼烷(AB)和装载AB的中空介孔二氧化硅纳米颗粒(AB@hMSNs)，可以改善传统HRW的有效氢气驻留时间，从而对花卉衰老、应激反应和植物生长调节有积极影响。然而，当它们在现场广泛使用时，应考虑其副产品的潜在环境风险。

纳米气泡技术为加速气体溶解并在液体中保持其稳定性提供了一种有用的方法。已有报道表明，氢气纳米气泡水(氢纳米气泡水)通过减轻氧化应激和抑制铜积累来减少铜对大型水蚤的毒性。此外，氢纳米气泡水可以促进黑大麦种子萌发和活性植物化学物质的浓度。氢纳米气泡水溶液还被证明可以延长切花康乃馨的花瓶寿命。之前的田间试验表明，氢纳米气泡水增加了水稻籽粒的大小和品质，并增强了草莓的香气。

在本研究中，进行了为期两年的多点试验，以探究收获前氢纳米气泡水处理是否以及如何提高了樱桃番茄的产量和品质（包括糖分、维生素C、番茄红素、酚类和黄酮类含量），特别是在没有或有限使用肥料的情况下。进一步研究了土壤中可利用氮(N)、磷(P)和钾(K)的变化，以及与番茄营养吸收和品质相关的基因的转录谱。这些结果为氢纳米气泡水在园艺实践中的应用提供了参考，以实现在产量和品质方面的更好表现，这可能为低碳社会开辟一个新窗口。

2. 结果

2.1. 收获前应用氢纳米气泡水提高樱桃番茄产量如图1A所示，在上海（2021年）的试验中，使用纳米气泡水(氢纳米气泡水)灌溉促进了番茄植株的生长。与复合肥相似，氢纳米气泡水增加了樱桃番茄的单株产量（图1B）。与表面水(SW)灌溉相比，不施肥的氢纳米气泡水处理使樱桃番茄的单株产量提高了39.7%（p < 0.01）。同时，氢纳米气泡水加肥料处理对樱桃番茄产量有明显的效果，与SW加肥料相比，单株产量提高了26.5%（p < 0.01）。不施肥的氢纳米气泡水处理的单株产量甚至比SW加肥料的处理高出9.1%（p < 0.05）。

 图1. 氢气纳米气泡水（氢纳米气泡水）促进樱桃番茄生长（A）和单株产量（B），有/无肥料（上海，2021年）。值为三次独立实验的平均值±标准差。*, **分别表示在p < 0.05和p < 0.01时的显著差异（t检验）。不同字母表示在p < 0.05时的显著差异（一维方差分析；邓肯多重范围测试）。SW: 表面水；氢纳米气泡水: 氢气纳米气泡水。为了进一步评估使用基于氢气的灌溉在樱桃番茄中实现产量增强的可靠性，我们在南京（2023年）进行了另一项田间试验。与之前的结果一致，单株产量的增加呈现出类似的趋势（图1）。如图2A所示，在有无条件施肥的情况下，氢纳米气泡水（0.50 ± 0.04 kg plant−1/0.46 ± 0.03 kg plant−1）显著地使单株产量分别增加了28.2%（p < 0.01）和39.4%（p < 0.01），与那一年的SW（0.39 ± 0.04 kg plant−1/0.33 ± 0.05 kg plant−1）相比。此外，无论是否使用肥料，氢纳米气泡水处理的单株果实数量也高于SW处理（图2B）。例如，与单独SW和SW加肥料组相比，氢纳米气泡水显著增加了单株果实数量分别为39.10%（p < 0.01）和27.91%（p < 0.01）。尽管氢纳米气泡水并未明显影响单个果实的重量（图2C），但单株果实数量的增加可能最终使樱桃番茄产量（图2D）在无肥料或有肥料的情况下分别增加了43.3%和28.1%。相比之下，我们清楚地观察到，与添加肥料的SW灌溉组相比（22.1%，p < 0.05），在不添加肥料的氢纳米气泡水灌溉组中产量更高，这可以部分解释为与肥料组相比，单株产量和单株果实数量的显著增加（p < 0.05）。

 图2. 氢气纳米气泡水对樱桃番茄单株产量（A）、单株果实数量（B）、单个果实重量（C）和产量（D）的影响，有/无肥料（南京，2023年）。值为三次独立实验的平均值±标准差。*, **分别表示在p < 0.05和p < 0.01时的显著差异（t检验）。不同字母表示在p < 0.05时的显著差异（一维方差分析；邓肯多重范围测试）。SW: 表面水；氢纳米气泡水: 氢气纳米气泡水。2.2. 氢纳米气泡水对樱桃番茄糖酸平衡的影响影响樱桃番茄风味的主要因素是糖和酸的含量及其比例，这对其商业价值至关重要[23]。在无肥料的情况下，氢纳米气泡水处理显著增加了可溶性糖含量（13.9%，p < 0.01；图3A），并略微增加了可滴定酸含量（4.7%；图3B），从而导致糖酸比增加（8.6%，p < 0.05；图3C）。相比之下，单独添加肥料对可溶性糖含量没有这种效果，但增加了可滴定酸含量，导致糖酸比降低（-17.1%，p < 0.05；图3C）。

图3. 氢气纳米气泡水对樱桃番茄中可溶性糖（A）、可滴定酸（B）、糖酸比（C）、果糖（D）、葡萄糖（E）和蔗糖（F）含量的影响，有/无肥料（上海，2021年）。值为三次独立实验的平均值±标准差。*, **分别表示在p < 0.05和p < 0.01时的显著差异（t检验）。不同字母表示在p < 0.05时的显著差异（一维方差分析；邓肯多重范围测试）。SW: 表面水；氢纳米气泡水: 氢气纳米气泡水。当不使用肥料施用氢纳米气泡水时，它显然还表现出最明显的效果，即增加了糖酸比，特别是与单独使用肥料相比增加了31.1%（p < 0.01）。同时，当与肥料结合使用时，氢纳米气泡水削弱了肥料对糖酸比的负面影响。果糖、葡萄糖和蔗糖是樱桃番茄中的三种主要可溶性糖[24]。与单独SW相比，氢纳米气泡水的添加显著增加了果糖含量（3.1%，p < 0.05），但并未影响葡萄糖和蔗糖的含量（图3D-F）。肥料的应用降低了蔗糖含量（-16.4%，p < 0.05），而对其他两种糖没有影响。因此，不使用肥料的氢纳米气泡水处理对果糖和蔗糖含量有更好的效果，与单独使用肥料相比（p < 0.05）。在有肥料的情况下，氢纳米气泡水仅略微增加了果糖含量。上述观察表明，氢纳米气泡水可能调节樱桃番茄果实中糖和酸的平衡。2.3. 氢水对果实抗氧化物质含量的影响

樱桃番茄中含有多种抗氧化成分，如抗坏血酸（维生素C）、酚类和黄酮类，因此具有抗氧化、抗炎和抗菌效果[25]。其中，番茄红素做出了突出的贡献[26]。进一步的结果显示，不使用肥料的氢纳米气泡水处理显著增加了番茄红素的积累（22.3%，p < 0.01; 图4A）和总酚含量（8.1%；图4B），除了维生素C（图4C）和黄酮类（图4D）。相比之下，在我们的实验条件下，使用肥料的处理显著降低了番茄红素含量，并显著增加了总酚和黄酮类含量。因此，在无肥料的情况下，与单独使用肥料相比，氢纳米气泡水显著增加了番茄红素含量（54.3%，p < 0.01），但降低了总黄酮含量（p < 0.01）。同时，当氢纳米气泡水与肥料结合使用时，只有黄酮类含量显著增加。

图4. 氢纳米气泡水对樱桃番茄中番茄红素（A）、总酚（B）、维生素C（C）和黄酮类（D）积累的影响；以及在有/无肥料情况下SlPSY1（E）和SlPDS（F）表达水平的影响（上海，2021年）。值为三次独立实验的平均值±标准差。*, **分别表示在p < 0.05和p < 0.01时的显著差异（t检验）。不同字母表示在p < 0.05时的显著差异（一维方差分析；邓肯多重范围测试）。SW: 表面水；氢纳米气泡水: 氢气纳米气泡水。

番茄红素生物合成的关键酶是八氢番茄红素合酶（PSY）和八氢番茄红素去饱和酶（PDS）。在有/无肥料的情况下应用氢纳米气泡水后，SlPSY1和SlPDS表达水平的变化与番茄红素含量的变化大致相似（图4E,F）。

2.4氢纳米气泡水调节樱桃番茄香气轮廓

在本实验中，共鉴定出49种主要挥发性化合物，包括醛类、醇类、酯类、酚类等。其中，醛类和醇类的比例分别为77.1%和12.3%（补充表S1）。无论是否使用肥料，氢纳米气泡水灌溉都增加了总挥发性化合物的含量，分别为8.0%和4.4%（图5A）。单独使用肥料的处理与SW处理相比，降低了总挥发性化合物的含量（-14.9%）。因此，不使用肥料的氢纳米气泡水处理可以中和单独使用肥料对总挥发性化合物的负面影响（20.0%，p < 0.05）。

图5. 氢纳米气泡水对樱桃番茄中挥发性化合物（A）、醛类（B）、醇类（C）、己醛（D）、(E)-2-己烯醛（E）、反式-1,2-环戊二醇（F）和2,4-双(1,1-二甲基乙基)苯酚（G）浓度的影响，有/无肥料（上海，2021年）。值为三次独立实验的平均值±标准差。*, **分别表示在p < 0.05和p < 0.01时的显著差异（t检验）。不同字母表示在p < 0.05时的显著差异（一维方差分析；邓肯多重范围测试）。SW: 表面水；氢纳米气泡水: 氢气纳米气泡水。

同样地，氢纳米气泡水灌溉增加了醛类（分别增加了15.4%和10.8%；图5B）、己醛（分别增加了150.2%和41.5%，p < 0.05；图5D）、(E)-2-己烯醛（3.0%；图5E）和反式-1,2-环戊二醇（26.1%；图5F）的含量，无论是有肥料还是无肥料。不使用肥料的氢纳米气泡水处理对醛类的效果比单独使用肥料更大（p < 0.01），包括己醛（p < 0.05）、(E)-2-己烯醛（p < 0.05）和反式-1,2-环戊二醇（p < 0.05）。然而，与SW处理相比，单独使用肥料对上述化合物有负面影响，除了2,4-双(1,1-二甲基乙基)苯酚（增加了50.3%；图5G）。同时，醇类（图5C）和2,4-双(1,1-二甲基乙基)苯酚的变化没有显著改变。我们还注意到，在有肥料的情况下，氢纳米气泡水添加可以显著增加己醛水平，但降低醇类含量（p < 0.05）。

2.5 氢纳米气泡水影响了土壤元素的吸收

种植前，不同处理中土壤有效氮（N）、磷（P）和钾（K）的含量基本处于同一水平（图S1）。随后的结果显示，在无肥料的情况下，氢纳米气泡水处理增强了土壤有效N、P和K含量的减少（尤其是N和P，p < 0.01），与表面水相比，使用氢纳米气泡水在土壤有效NP消耗方面取得的效果更为显著，比单独使用肥料的效果更明显（p < 0.05；图6A–C）。同时，在有肥料的情况下，氢纳米气泡水灌溉对减少有效N（p < 0.01）、P（p < 0.05）和K（p < 0.05）含量表现出类似的效果。

图6. 氢纳米气泡水对土壤中有效氮（A）、磷（B）、钾（C）含量以及LeAMT2（D）、LePT5（E）、LePT2（F）和SlHKT1,1（G）在有/无肥料的樱桃番茄中的表达水平的影响（上海，2021年）。值为三次独立实验的平均值±标准差。*, **分别表示在p < 0.05和p < 0.01时的显著差异（t检验）。不同字母表示在p < 0.05时的显著差异（一维方差分析；邓肯多重范围测试）。SW: 表面水；氢纳米气泡水: 氢气纳米气泡水。

植物体内与氮、磷、钾积累相关的基因表达水平进一步得到研究（图6D-G）。这些包括一个铵转运蛋白基因（LeAMT2），两个磷酸盐转运蛋白基因（LePT2和LePT5）和一个钾转运蛋白（SlHKT1,1）[28,29]。正如预期的那样，上述四个基因的转录水平变化与土壤中有效NPK含量的减少一致。这些结果表明，收获前使用氢纳米气泡水可能会积极改善樱桃番茄的NPK吸收。

2.6. 主成分分析

为了区分上述四种处理，进行了主成分分析（PCA）。前两个组件解释了总变异的84.4%（图7A）。同时，四种处理被清晰地分开；SW和氢纳米气泡水 + F处理在PC 1上有所区别，而SW + F和氢纳米气泡水处理在PC 2上有所区别，表明存在明显的差异。如图7B的双标图所示，质量特性（包括糖分、挥发性物质、可滴定酸、总酚、黄酮、维生素C和番茄红素含量，以及与番茄红素生物合成相关的基因表达）与PC 1正相关，而每株产量、土壤NPK减少及相关基因表达（包括LeAMT2、SlHKT1,1、LePT2和LePT5）和己醛与PC 1负相关。此外，质量特性之间还存在进一步的正相关。同样，产量结果与NPK吸收和LeAMT2、SlHKT1,1和LePT2的表达正相关。然而，产量与可溶性糖、糖酸比和挥发性物质（包括醇类、醛类、(E)-2-己醛和己醛）以及番茄红素含量负相关。

图7. 主成分分析（PCA）的得分图（A）和双标图（B），用于评估氢纳米气泡水对有/无肥料的樱桃番茄产量和品质的影响（上海，2021年）。氢纳米气泡水: 氢气纳米气泡水；2,4-Bis: 2,4-双(1,1-二甲基乙基)苯酚；氢纳米气泡水 + F: 氢气纳米气泡水加肥料；SW: 表面水；SW + F: 表面水加肥料；Trans-1,2: 反式-1,2-环戊二醇。

3. 讨论

作为一种环境友好型气体，H₂在促进植物生长、提高作物产量和营养品质方面发挥着重要作用。无论是处理过的H₂气体土壤还是传统的HRW灌溉都被提出并观察到可以提高作物产量。然而，由于其易燃性，H₂以气体形式应用于田间是不实际的，并且H₂在HRW中的有效性不到6小时。在我们的试验条件下，氢纳米气泡水中H₂的滞留时间约为12小时，这与之前的研究一致，并且是HRW中的两倍（图S2）。

尽管使用H₂气体增强植物产量的机制尚未完全理解，但最有可能归因于土壤中H₂氧化细菌的生长增强。这些微生物可能改善土壤的营养状况，并增强植物生长调节剂平衡或抗病能力。之前的报道指出，H₂暴露可以增加土壤碳沉积和土壤酶如过氧化氢酶、脱氢酶和脲酶的合成。这些结果反映了H₂通过诱导有益细菌的代谢活动来改善土壤肥力的可能性。因此，我们选择了四个温室紧密相连（图S3）并且有相同的作物轮作（番茄），以避免气候、光照和微生物条件的差异。重要的是，我们测试了土壤样本的营养，结果显示四个温室的初始土壤条件在关键营养方面相似，包括可用氮、磷和钾（图S1）。

两年的田间试验清楚地表明，氢纳米气泡水提高了温室樱桃番茄的产量，这比施用肥料的效果更为显著（图1和图2）。此外，在氢纳米气泡水加肥料的存在下，樱桃番茄产量的额外效应也得到了观察。

NPK是通常供给植物的主要营养素，因此这些元素的吸收和利用效率控制着作物产量。据报道，氢纳米气泡水增加了水稻中与NPK吸收相关的基因的转录，包括NRT2.3、NiR、ARE1、NLP4和AKT1转录物。在这项研究中，很明显地观察到植物中与NPK转运相关的基因（尤其是LeAMT2、LePT2和SlHKT1,1）与土壤NPK减少和番茄果实产量正相关（图7B）。

据报道，微生物菌群和肥料的联合应用增加了土壤中可用NPK的含量，并促进了甘蔗植物对NPK的吸收，从而促进了植物生长并增加了甘蔗和糖的产量。之前的研究显示，在H₂处理过的土壤中高含量的H₂氧化细菌增加了植物生物量并促进了植物生长。由于在本研究中氢纳米气泡水是在樱桃番茄的早期生长阶段灌溉的，我们推断氢纳米气泡水在改善土壤NPK吸收和樱桃番茄产量方面的有益作用可能部分与H₂影响土壤微生物有关。这一假设需要在植物和微生物对H₂的反应方面的进一步研究。由于在我们的实验条件下氢纳米气泡水可能不同程度地增加这四个基因的表达水平和土壤中可用NPK的消耗（图6），我们进一步提出这些变化也可能部分负责在有/无肥料的情况下促进樱桃番茄产量（图1和图2）。

糖分、酸度及其比例是决定水果味道的主要因素。高糖酸比增强了理想的甜味感知。之前的研究显示，氢气纳米气泡水（氢纳米气泡水）通过增加草莓中的糖分含量和减少可滴定酸含量，从而提高了糖酸比。在这项研究中，没有添加肥料的情况下，氢纳米气泡水通过增加总可溶性糖含量（尤其是果糖；图3A,D）来提高糖酸比。之前的研究指出，氮肥影响了与果实酸代谢直接相关的酶的活性，从而改变了酸含量。一致地，施用肥料增加了可滴定酸含量，因此降低了糖酸比（图3B,C）。然而，氢纳米气泡水通过调节糖和酸的平衡消除了肥料的上述负面影响（图3A-C），这与之前在草莓植株上的研究结果一致。

番茄红素、维生素C、总酚和黄酮是水果和蔬菜中的重要抗氧化剂。之前的研究发现，氢气纳米气泡水（HRW）增强了对UV-B应激的耐受性，这与苜蓿幼苗中黄酮轮廓的改善有关。此外，HRW还可以通过增加维生素C、总酚和黄酮的含量来缓解氧化损伤，从而延长了番茄、萱草芽和荔枝的保质期。一致地，我们的结果显示，单独使用氢纳米气泡水增加了番茄果实中的番茄红素含量（图4A）。这是一个新的发现。氢纳米气泡水控制番茄红素增加的作用进一步得到了SlPSY1和SlPDS转录本上调的支持（图4E,F），这两个是番茄红素合成基因[41]，以及主成分分析（PCA）的结果（图7B）。因此，建议上述两个基因可能是氢纳米气泡水触发番茄红素积累的目标基因。

尽管在番茄果实中已经鉴定出400多种挥发性化合物，但当前研究显示，最重要的化合物是醛类（如己醛和(E)-2-己烯醛）、醇类（如trans-1,2-环戊二醇）和酚类（如2,4-二(1,1-二甲基乙基)苯酚），它们在番茄香气中起着关键作用[42]。醛类是散发出“新鲜绿色”气味的最主要的成分。最近的研究显示，采前使用氢纳米气泡水处理的草莓中，总挥发性化合物和醛类（如己醛和(E)-2-己烯醛）的含量增加。在这份报告中，我们发现氢纳米气泡水也增加了樱桃番茄中的己醛含量（无论是否施用肥料）（图5D），反映了可能的共同机制。

此外，樱桃番茄中可溶性糖和挥发性化合物含量之间的正相关性（图7B）与之前关于草莓的研究一致。由于重要的挥发性化合物（如酯类、呋喃酮和萜烯）在细胞中以糖苷形式存在，而这些的前体物是糖分，因此番茄果实中的芳香挥发物可能与糖分呈正相关。此外，糖分和挥发性化合物被认为是影响甜味感知的重要因素。消费者的喜好与甜味和香气强度有关。因此，氢纳米气泡水增加的樱桃番茄中的糖分和挥发性化合物含量应该对消费者更具吸引力。

在果实碳水化合物有限的条件下，植物优先利用运输到果实中的碳水化合物形成碳骨架，这可能导致果实品质降低但产量更高。一致地，在这项研究中，观察到产量与品质特性（包括可溶性糖、挥发性化合物和番茄红素含量等）之间的负相关性（图7B）。正如预期的那样，复合肥促进了樱桃番茄的产量，但不期望地降低了果实糖分、番茄红素和挥发性物质含量。如图8所示的概要模型总结了产量和品质对氢纳米气泡水响应的效果，值得注意的是，使用氢纳米气泡水进行氢气施肥不仅可以提高樱桃番茄的产量，而且在某种程度上比单独使用肥料种植的效果要好，但也部分减弱了肥料对糖酸比、挥发性化合物和番茄红素含量的负面影响。氢纳米气泡水的上述效果可能归因于植物NPK吸收、碳水化合物和次生代谢的调节。

图8. 氢纳米气泡水改善樱桃番茄产量和品质的建议概要模型。与表面水加肥料相比，红色箭头（左侧）表示不使用肥料而使用氢纳米气泡水实现的效果，蓝色箭头（右侧）表示使用氢纳米气泡水加肥料实现的效果。AMT2：铵转运蛋白2；2,4-Bis：2,4-二(1,1-二甲基乙基)苯酚；HKT1,1：高亲和力K+通道转运蛋白；PT2/5：磷酸盐转运蛋白2/5；PDS：八氢番茄红素脱饱和酶；PSY：八氢番茄红素合酶；Trans-1,2：反式-1,2-环戊二醇。

4部分材料和方法

4.1. 植物材料和实验设计

田间实验分别在中国上海青浦农业基地（东经121°01′，北纬31°02′；2021年）和中国江苏南京溧水区白马农业基地（东经119°17′，北纬31°58′；2023年）进行。樱桃番茄‘金通’分别于2021年1月21日和2023年3月7日种植。考虑到H₂的逃逸性，实验使用了四个温室，每个温室随机选择三个小区（每个长20米，宽3米）作为每种处理的重复（温室长80米，宽6米）。在施肥前，四个温室中的土壤有效氮（N）、磷（P）和钾（K）含量基本处于同一水平（上海，2021年）：有效氮含量215.8±4.5 mg kg−1；有效磷含量410.7 ± 3.7 mg kg−1；有效钾含量406.4 ± 3.8 mg kg−1（图S1）。此外，每个温室中每种处理的樱桃番茄植株数量为1288株。

安排了四种处理，包括：（1）用表面水（SW）灌溉且不施肥；（2）用SW灌溉并正常施肥；（3）用氢纳米气泡水灌溉且不施肥；（4）用氢纳米气泡水灌溉并正常施肥。

在需要的处理中常规施用肥料。复合肥料（Nitrophoska®，南非斯泰伦博斯，15-15-15，含15% N、15% P2O5、15% K2O）作为基肥于2020年12月10日（上海）和2023年1月7日（南京）施用，无需追肥。每个温室（长80米，宽6米）施用的肥料量为50公斤（每平方米N/P2O5/ K2O为15.6克）。此外，在植物生长阶段没有使用农药。用氢纳米气泡水进行漫灌一次，在种植后一天以每小时10吨的流量进行0.5小时的灌溉，作为氢纳米气泡水处理。同时，用相同量的SW灌溉设置为对照。后续的田间作业按照常规农业管理进行。

5研究结论

持续提高园艺作物产量需要NPK肥料，这可以通过使用更健康、更清洁的替代品来抵消，以保持水果消费者的品质。与MgH₂、AB和其他纳米颗粒等固体H₂存储材料相比，氢纳米气泡水不会带来额外的元素。最近，遗传和分子证据表明，分子氢不仅影响了根器官发生，还通过针对硝酸还原酶增加了氮利用效率（NUE）。与此一致的是，在本报告中，我们揭示了收获前使用氢纳米气泡水进行氢气施肥对樱桃番茄产量具有肥效，并提高了其品质，甚至在某种程度上可以替代传统肥料。此外，预计到2050年，全球范围内可再生H₂的生产成本将降至每公斤0.7–1.6美元。因此，氢纳米气泡水可能提供一个简单、经济、环保的解决方案，用于减少肥料的使用，从而提高农业的可持续性。