負(fù)水頭灌溉對番茄不同生育期生長特性的影響

張佳，秦淵淵，郭文忠，余禮根，李靈芝，李海平*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

番茄作為我國主要設(shè)施蔬菜之一，屬喜溫作物，其營養(yǎng)豐富，口感極佳。土壤水分條件對番茄植株生長影響較大[1]，當(dāng)土壤水分虧缺時，水勢降低，造成番茄植株水分供應(yīng)減少，破壞植株體內(nèi)的水分代謝平衡，直接影響番茄植株的生長發(fā)育[2,3]、光合特性[4,5]、根系活力[6]、葉片蒸騰[7]等，進(jìn)而影響番茄植株的產(chǎn)量和品質(zhì)[8]。因此，研究不同土壤含水量對番茄生長的影響有重要意義。負(fù)水頭灌溉裝置通過調(diào)節(jié)吸力值使土壤含水量維持在一個穩(wěn)定范圍內(nèi)，可避免土壤的干濕交替[9]。余禮根等[10]研究不同供水模式對番茄生長、光合特性、耗水量等的影響，結(jié)果表明，與稱重法灌溉相比，負(fù)水頭灌溉顯著促進(jìn)番茄植株的生長，且負(fù)水頭灌溉下番茄耗水量降低，產(chǎn)量顯著增加。目前關(guān)于番茄不同生育期的研究多為番茄光合特性變化[11]、番茄抗病性[12]、礦質(zhì)元素含量[13]等，而對于負(fù)水頭灌溉下番茄不同生育期耗水量及光合特性的研究較少，本文以“佳麗14號”番茄為試驗材料，采用負(fù)水頭灌溉，設(shè)置4個不同吸力值，研究不同處理下番茄不同生育期耗水量、光合特性、及植株水分利用效率和產(chǎn)量的變化，可為負(fù)水頭灌溉在番茄生長生產(chǎn)中的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

試驗于2017年3-7月在北京市農(nóng)林科學(xué)院試驗溫室內(nèi)進(jìn)行(39°56′32.60″N，116°16′53.73″E)。以“佳麗14號”番茄為試驗材料，采用溫室盆栽技術(shù)，每盆裝供試土壤11.0 kg(供試土壤為有機(jī)肥與原狀土按質(zhì)量比1∶33混合)，施氮磷鉀復(fù)合肥0.983 kg。供試土壤基本理化性質(zhì)為：土壤容重1.5 g·m-3，最大田間持水量25%(即體積含水率為37.5%)，土壤電導(dǎo)率0.5 ms·cm-1。

1.2　試驗設(shè)計

番茄幼苗于育苗室內(nèi)培養(yǎng)至五葉一心，2017年3月15日定植于試驗溫室塑料花盆中，盆的上口直徑為34.2 cm，底直徑18.5 cm、盆高22.3 cm，每盆定植長勢一致的番茄幼苗1株，共定植20株，對所有供試番茄澆透水緩苗15 d，至4月2日起設(shè)置吸力值分別為5 kPa(T1)、6 kPa(T2)、7 kPa(T3)、8 kPa(T4)進(jìn)行供水控水處理，對應(yīng)的土壤含水率分別為22.7%、19.7%、14.4%、11.9%。為研究不同生育期耗水量和光合特性的變化規(guī)律，將番茄生育期劃分為幼苗期(3月15日-4月1日)、開花期(4月2日-4月14日)、初果期(4月15日-5月15日)和盛果期(5月16日-6月20日)。

1.3　試驗主要儀器與設(shè)備

負(fù)水頭灌溉盆栽試驗裝置如圖1所示。該裝置主要由塑料盆、陶瓷盤、首部、控壓管和導(dǎo)氣管構(gòu)成。當(dāng)裝置運行時，控壓管及首部上的閥門屬于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)水管閥門打開，首部內(nèi)水分進(jìn)入陶瓷盤，陶瓷盤空腔內(nèi)的氣體全部排到首部。由于土壤基質(zhì)勢的作用，陶瓷盤內(nèi)水分緩慢進(jìn)入土壤，致使陶瓷盤內(nèi)壓強(qiáng)逐漸減小，首部內(nèi)水分再次進(jìn)入陶瓷盤，如此不斷循環(huán)，使首部內(nèi)水分在負(fù)壓控制下連續(xù)不斷進(jìn)入土壤以供土壤蒸發(fā)及番茄植株生長發(fā)育[14]。

圖1　負(fù)水頭灌溉盆栽試驗裝置Fig.1　Pot experiment device with negative pressure irrigation　　注：1.番茄 2.土壤 3.陶瓷盤 4.進(jìn)水管 5.首部 6.控壓管 7.導(dǎo)氣管 8.閥門　　Note：1.Tomato 2.Soil 3.Ceramic plate 4.Inlet pipe 5.Water supply barrel 6.Pressure control tube 7.Windpipe 8.Valve

2　測定指標(biāo)及方法

2.1　耗水量測定

在番茄生育期內(nèi)每天9:00使用非接觸式管道液位紅外傳感器(WS03 A, CAEA electrical appliance co.,ltd, Beijing, China)讀取首部內(nèi)的水位高度h。

日耗水量計算公式為：

V=A×(h2-h1)

(1)

式中：V為日耗水量/cm3；A為負(fù)水頭灌溉盆栽試驗裝置首部內(nèi)徑對應(yīng)的橫截面積/cm2；h1為測量前一天水位高度值/cm；h2為測量當(dāng)天的水位高度值/cm；各生育期耗水量為各生育期內(nèi)每日耗水量之和。

2.2　光合特性測定

選取番茄各生育期中的3個晴天9:00-11:00測定[15]，采用LI-6400XT光合作用測量系統(tǒng)(LI-COR Biotechnology, Nebraska, USA)測定番茄葉片凈光合速率和蒸騰速率等參數(shù)。每個處理3個重復(fù)，選取生長點下第4片葉片為所測量的葉片。

2.3　產(chǎn)量測定

從果實成熟開始，每2 d采摘1次，每次采摘完后，分別稱出不同處理當(dāng)天采摘的番茄質(zhì)量。產(chǎn)量統(tǒng)計用15 kg電子稱稱量，保留兩位小數(shù)。

2.4　數(shù)據(jù)處理

采用Excel2017計算番茄不同生育期耗水量、葉片凈光合速率和蒸騰速率等光合特性、植株水分利用效率及產(chǎn)量并繪制圖表；采用SPSS19.0進(jìn)行顯著性分析。

3　結(jié)果與分析

3.1　不同生育期番茄耗水量變化

不同負(fù)水頭吸力值下番茄各生育期耗水量變化如圖2所示。由圖2可知，番茄不同生育期耗水量有顯著差異(P<0.05)，隨番茄生育進(jìn)程的變化，各處理的生育期耗水量均表現(xiàn)為初果期>盛果期>開花期>幼苗期，T1、T2、T3、T4處理的番茄初果期耗水量分別為22.05、18.89、21.11、18.46 kg·pot-1；與番茄初果期耗水量相比，T1、T2、T3、T4處理的番茄盛果期耗水量分別減少了21.5%、31.3%、48.4%和11.9%；與番茄初果期和盛果期耗水量相比，T1、T2、T3、T4處理的番茄幼苗期和開花期耗水量明顯減少，幼苗期與開花期各處理間的耗水量相差較小；番茄初果期和盛果期是番茄生長的重要時期，需同時滿足植株營養(yǎng)生長與生殖生長的需水要求；番茄幼苗期和開花期植株需水較少，因此。番茄初果期和盛果期耗水量明顯高于幼苗期和開花期。

圖2　不同生育期番茄耗水量的變化Fig.2　Changes of water consumption of tomato in different growth stages注：不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。　　Note: Different letters above bars are significantly different among treatments at 5%.

3.2　不同生育期番茄光合特性變化

圖3為不同負(fù)水頭吸力值下各生育期番茄葉片凈光合速率的變化情況。由圖3可知，各處理的番茄葉片凈光合速率隨番茄植株的生長呈先增大后減小的趨勢；T1處理的番茄葉片凈光合速率在番茄開花期達(dá)到最大，為17.09 μmol·m-2·s-1，T2、T3、T4處理的番茄葉片凈光合速率在番茄初果期達(dá)到最大，分別為14.80、14.42、15.53 μmol·m-2·s-1；在番茄幼苗期和盛果期，各處理的番茄凈光合速率相差較小。

圖3　不同生育期番茄葉片凈光合速率的變化Fig.3　Changes of photosynthetic rate of tomato leaf in different growth stages

不同負(fù)水頭吸力值下各生育期番茄葉片氣孔導(dǎo)度的變化情況如圖4所示。由圖4可知，T1和T4處理的番茄葉片氣孔導(dǎo)度變化趨勢一致，在番茄初果期達(dá)到最大，分別為0.83、0.76 mol·m-2·s-1；T2處理的番茄葉片氣孔導(dǎo)度隨番茄生育期變化逐漸減小，在幼苗期和開花期均高于其它處理；T3處理的番茄葉片氣孔導(dǎo)度隨番茄生育期變化表現(xiàn)為開花期>幼苗期>初果期>盛果期，開花期葉片氣孔導(dǎo)度達(dá)到0.74 mol·m-2·s-1。

圖4　不同生育期番茄葉片氣孔導(dǎo)度的變化Fig.4　Changes of conductance of tomato leaf in different growth stages

圖5是不同負(fù)水頭吸力值下各生育期番茄葉片胞間CO2濃度的變化情況。由圖5可知，各處理的番茄葉片胞間CO2濃度隨番茄植株的生長變化趨勢基本一致；在番茄幼苗期、初果期、盛果期，T1處理的番茄葉片胞間CO2濃度均高于其它處理，分別為432.18、358.10和182.88 μmol·mol-1；在番茄開花期T2處理的番茄葉片胞間CO2濃度均高于其它處理，達(dá)到360.95 μmol·mol-1。

圖5　不同生育期番茄葉片胞間CO2濃度的變化Fig.5　Changes of intercellular CO2 concentration of tomato leaf in different growth stages

不同負(fù)水頭吸力值下各生育期番茄葉片蒸騰速率的變化情況如圖6所示。由圖6可知，各處理的番茄葉片蒸騰速率隨番茄植株生育期進(jìn)程的變化先增大后減小，T1、T2、T3、T4處理的番茄初果期葉片蒸騰速率達(dá)到最大，分別為11.12、11.46、10.06和12.20 mmol·m-2·s-1；在番茄幼苗期，T2處理的番茄葉片蒸騰速率高于其它處理，為6.92 mmol·m-2·s-1；在番茄開花期，T2、T3處理的番茄葉片蒸騰速率相差較小，分別為8.76 mmol·m-2·s-1、8.80 mmol·m-2·s-1。

圖6　不同生育期番茄葉片蒸騰速率的變化Fig.6　Changes of Transpiration rate of tomato leaf in different growth stages

3.3　不同處理的番茄水分利用效率和產(chǎn)量變化

不同處理對番茄水分利用效率和產(chǎn)量的影響見表1。由表1可知，各處理的番茄水分利用效率呈先增大后減小的趨勢，T2處理的番茄水分利用效率最高，為17.8 g·kg-1；與T2處理的番茄水分效率相比，T1、T3、T4處理的番茄水分利用效率分別減少17.4%、12.9%、34.8%。T1、T2、T3、T4處理的番茄產(chǎn)量表現(xiàn)為T2>T1>T3>T4，T2處理的番茄產(chǎn)量最高，達(dá)0.71 kg·pot-1，與T1、T3、T4處理相比，增加幅度分別為4.3%、14.4%、30.1%。

表1不同處理對番茄水分利用效率和產(chǎn)量的影響

Table1Effects of different treatments on plant water use efficiency and yield of tomatoes

處理Treatments水分利用效率/g·kg-1Water use efficiency產(chǎn)量/kg·pot-1YieldT114.7±2.8b0.68±0.07aT217.8±1.4a0.71±0.05aT315.5±2.5ab0.62±0.08abT411.6±2.1c0.55±0.03b

注：不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。

Note: Different letters above bars are significantly different among treatments at 5%.

4　討論與結(jié)論

負(fù)水頭灌溉作為一種新型節(jié)水灌溉方式，主要通過設(shè)置不同的吸力值控制土壤的不同含水量，實現(xiàn)對土壤含水量的精準(zhǔn)和持續(xù)控制[16，17]；負(fù)水頭灌溉技術(shù)可有效減少土壤表面水分蒸發(fā)和地下滲漏等形式的水分流失，提高水分利用率[18]。本試驗結(jié)果表明，不同負(fù)水頭吸力值下番茄各生育期耗水量有一定差異，隨番茄生育期進(jìn)程的變化，各處理的番茄耗水量均表現(xiàn)為初果期>盛果期>開花期>幼苗期，幼苗期和開花期耗水量明顯低于初果期和盛果期，由于初果期是番茄植株生長的重要時期，需同時滿足番茄果實生長和葉片花序發(fā)育對水分的需求[19]，因此，初果期和盛果期耗水量明顯高于幼苗期和開花期。

衛(wèi)如雪等[20]研究表明，番茄葉片在上午10:00凈光合速率和蒸騰速率隨吸力值的增加先減小后增大。本試驗結(jié)果表明在番茄開花期葉片凈光合速率和蒸騰速率隨吸力值的增加先減小后增大，與衛(wèi)如雪等[20]的研究結(jié)果基本一致。5、6、7、8 kPa處理的番茄葉片凈光合速率和蒸騰速率隨番茄植株的生長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，與番茄各生育期耗水量的變化趨勢基本相同，說明番茄各生育期耗水量與番茄葉片凈光合速率和蒸騰速率之間有一定的相關(guān)性。余禮根等[10]研究表明，6 kPa吸力值處理的番茄株高增長率最高為31.5%，5 kPa和6 kPa處理的番茄產(chǎn)量較高。本試驗結(jié)果表明，5 kPa、6 kPa處理的番茄產(chǎn)量高于7 kPa和8 kPa處理，分別達(dá)到0.68、0.71 kg·pot-1，與余禮根[11]等的研究結(jié)果基本一致。同時，各處理間番茄水分利用效率有顯著差異(P<0.05)，且6 kPa處理的番茄水分利用效率最高，因此，負(fù)水頭吸力值為6 kPa的土壤含水量及其灌溉量更適合溫室番茄植株的生長發(fā)育。

綜上，采用負(fù)水頭灌溉技術(shù)能有效控制水分供應(yīng)，值得推廣。綜合分析不同處理的番茄耗水量、光合特性、水分利用效率和產(chǎn)量可知，負(fù)水頭吸力值為6 kPa的土壤含水量及其灌溉量更適合溫室番茄植株的生長發(fā)育，為負(fù)水頭灌溉技術(shù)合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。