膜下滴灌不同水分處理對溫室番茄根系活力和水分利用率的影響

李旭峰，孫西歡,2，馬娟娟，石小虎，郭向紅

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引 言

番茄作為最受人們歡迎的蔬菜之一，在溫室種植的發(fā)展速度較快，然而過量灌水現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這不僅不利于番茄產(chǎn)量的提高，還降低了水分利用率，造成水資源浪費(fèi)[1]。膜下滴灌有較高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益，與傳統(tǒng)溝灌相比，可以減少地面蒸發(fā)，增加土壤貯水，調(diào)節(jié)土壤溫度，保持土壤肥力，增加作物產(chǎn)量，提高水分利用率，同時(shí)也為作物的生長發(fā)育創(chuàng)造了適宜的土壤環(huán)境[2,3]。水分作為作物生長發(fā)育的必備條件之一，直接或間接影響著作物的根系活力進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量[4]。張學(xué)科等通過對不同灌溉方式的研究表明，隨著生育期進(jìn)行，不同灌溉方式以100 cm為界土壤上下層含水率之間差異較大[5]。根系是作物吸收水分及養(yǎng)分的重要渠道，同時(shí)也是作物新陳代謝的重要指標(biāo)之一，作物產(chǎn)量的高低與根系活力有密切關(guān)系[6,7]。在番茄不同生育階段適當(dāng)控制灌水量不僅可以提高番茄產(chǎn)量，還大大節(jié)約用水量[8]。目前，已有很多學(xué)者在膜下滴灌條件下不同深埋秸稈量、灌水量和施肥量對番茄的產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用率等方面進(jìn)行研究[9,11]，但在膜下滴灌條件下，根系活力以及水分利用率對不同生育期減少灌水量的響應(yīng)研究甚少。本文考慮到番茄在不同生育期對水分需求不同，并結(jié)合膜下滴灌的諸多優(yōu)點(diǎn)，通過在不同生育期減少灌水量，分析番茄各生育期不同土層含水率以及根系活力，并比較在全生育期充分灌水及在不同生育期減少灌水量番茄產(chǎn)量及水分利用率的大小，最終在本試驗(yàn)條件下確定一種合理的灌水方案，為我國半干旱地區(qū)溫室番茄節(jié)水灌溉提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年5月到9月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心陽曲縣河村試驗(yàn)基地溫室內(nèi)進(jìn)行，該地屬于典型的半干旱區(qū)，海拔1 248.5 m，年均降水量459.0 mm，降水集中在6-9月，年均蒸發(fā)量1 546.9 mm，年均溫度5～7 ℃，全年無霜期144 d，10 ℃以上的積溫2 840.6 ℃，試驗(yàn)地地勢平坦，土壤為黃土質(zhì)淡褐土。試驗(yàn)溫室內(nèi)0～60 cm土壤剖面平均容重1.43 g/cm3，田間持水率(體積含水率)為0.31 cm3/cm3，耕作層(0～20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)15.32 g/kg、全氮1.12 g/kg、堿解氮52.21 mg/kg、速效磷22.31 mg/kg 和速效鉀120.32 mg/kg。試驗(yàn)溫室為非加熱型自然通風(fēng)溫室，主體為鋼架結(jié)構(gòu)，用塑料薄膜覆蓋，東西走向(長×寬×高，50 m×7.6 m×4.6 m)，溫室頂部和底部各設(shè)1 m寬通風(fēng)口，并配置手動(dòng)啟閉裝置，當(dāng)溫室內(nèi)溫度>35 ℃或<10 ℃時(shí)，通過開啟或關(guān)閉通風(fēng)口來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

番茄于2018年5月19日定植，2018年9月15日拉秧，種植品種為“番茄1702”，生育期劃分為緩苗期(2018-05-19到2018-06-01)、苗期(2018-06-02到2018-06-13)、開花坐果期(2018-06-14到2018-08-14)、成熟期(2018-08-15到2018-09-15)。本實(shí)驗(yàn)以集雨設(shè)備收集起來的雨水作為水源，從苗期開始通過膜下滴灌每隔9～11 d灌一次水，共設(shè)4個(gè)水處理，分別為全生育期充分灌水(灌水至田間持水量的90%)(W1)；苗期減少50% 灌水量，開花坐果期、成熟期復(fù)水(W2)；苗期開花期連續(xù)減少50% 灌水量成熟期復(fù)水(W3)和全生育期減少50% 灌水量(W4)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。定植后為保證其成活率，地面灌定值水20 mm,直到苗期開始灌水處理。

表1 溫室番茄試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Greenhouse tomato experiment design

注：W為各生育期每次的灌水量，W=(0.9θFc-θv) ×Zr×S×0.6，單位為m3；式中，θFc為田間持水量，cm3/cm3；θv為灌水前的土壤含水量，cm3/cm3；Zr為計(jì)劃濕潤層深度m，本文取0.6 m；0.6為濕潤比；S指每個(gè)處理的灌水面積為25.2 m2。

1.3 溫室管理與農(nóng)藝措施

定植前在溫室內(nèi)均勻施入等量的磷肥200 kg/hm2和鉀肥300 kg/hm2，并將全部有機(jī)肥、鈣、鎂、硼微量元素(過磷酸鈣：225 kg/hm2，硼和鎂：3 kg/hm2)做基肥均勻施入耕作層；氮肥分期施入，共400 kg/hm2，定植前施入3/5，在第一果實(shí)膨大期與第三果實(shí)膨大期等量追施1/5。溫室共分為14個(gè)小區(qū)，用于試驗(yàn)處理的有12個(gè)小區(qū)，南北各一個(gè)保護(hù)小區(qū)，每小區(qū)設(shè)3溝3壟，植株間寬行距為80 cm，窄行距為40 cm，株距為50 cm，在壟上對番茄進(jìn)行管理、噴藥、采收等農(nóng)務(wù)。試驗(yàn)小區(qū)之間埋設(shè)塑料薄膜，以防止各處理間相互干擾。定植時(shí)，番茄幼苗按單穴單株定植在壟兩側(cè)，提前3～4 d鋪設(shè)黑色塑料地膜。全生育期內(nèi)，每株番茄在4穗果后摘心，每穗留5～6個(gè)番茄。其他噴藥等措施均按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)進(jìn)行。

1.4 測定指標(biāo)與方法

本試驗(yàn)測試的指標(biāo)為土壤體積含水率、番茄根系活力、產(chǎn)量以及水分利用率。土壤體積含水率從苗期開始，每隔9～11 d在灌水前測定一次，在距離番茄植株水平方向5 cm處取土，垂向每隔15 cm為一層，取土范圍為0～60 cm，采用烘干法測量。于番茄各生育期內(nèi)測定一次根系活力，整根取樣采用挖掘法，開挖的范圍是以番茄植株為中心形成的40 cm×40 cm的正方形區(qū)域，挖掘深度為0～60 cm，以15 cm為一層，根系活力的測定采用TTC法，測定儀器為紫外分光光度計(jì)。番茄留4穗果后摘心，用電子天平測量各處理番茄的產(chǎn)量。水分利用率為每公頃地番茄產(chǎn)量與灌水量的比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS17.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理灌水前土壤含水率的變化

2.1.1 不同處理下土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

圖1為不同處理每次灌水前土壤體積含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律，從圖1中可以看出各處理土壤含水率隨時(shí)間的變化趨勢基本一致。苗期番茄耗水量較小，所以土壤含水率較大；在開花坐果前期番茄植株生長旺盛，耗水量較大，含水率較低；當(dāng)進(jìn)入坐果期時(shí)，番茄植株長勢基本穩(wěn)定，耗水量減小；隨之進(jìn)入果實(shí)膨大期，耗水量增加，達(dá)到需水高峰期，對應(yīng)的土壤含水率減?。蛔詈筮M(jìn)入成熟期，番茄生長減緩，耗水量減小，土壤含水率增大；此外，在整個(gè)生育期隨著灌水量減少，土壤含水率也減小，處理W1在全生育期與處理W2含水率較接近，而與處理W3、W4差異顯著；一般情況下，當(dāng)土壤含水率占田持60%以上時(shí)認(rèn)為能滿足作物的需水要求[12]，處理W2土壤含水率占田持(0.31 cm3/cm3)的63%～81%，能滿足番茄生長需要。

圖1 番茄生育期內(nèi)灌水前不同處理土壤含水率Fig.1 Soil moisture content under different treatments during irrigation in tomato growing period

注：小寫字母表示差異顯著(P=0.05)，下同圖2 各時(shí)期不同處理灌水前土壤含水率垂向分布情況Fig.2 Vertical distribution of soil moisture content before irrigation in different treatment periods

2.1.2 各時(shí)期不同處理土壤含水率的垂向變化

圖2為各時(shí)期不同處理沿土壤深度含水率分布情況，由圖2(a)可知在苗期(6月13日)，各處理在0～15 cm土層中含水率最低，這是由于在生長初期番茄的主根分布在0～15 cm土層中，而且W1的土壤含水率均顯著高于W2、W3、W4，處理W2、W3、W4在此時(shí)期為同一處理，表明在苗期減少灌水量會(huì)顯著降低土壤的含水率；如圖2(b)在開花坐果期(7月20日)，含水率最低值下移到30～45 cm土層，這是由于隨著番茄植株的生長，番茄根系逐漸向下深扎，增加對下層土壤中水分的吸收，此外，上層土壤(0～30 cm)含水率處理W1最高，W2次之，W3、W4最小，處理W1、W2差異不顯著，而與處理W3、W4差異顯著，下層土壤(30～45 cm)含水率則仍表現(xiàn)為W1最高，W2次之，W3、W4最小，但處理W1與W2、W3、W4差異均顯著，處理W2與W3、W4差異顯著，處理W3與W4在開花坐果期為同一處理，差異不顯著，這表明在開花坐果期，充分灌水會(huì)使土壤含水率保持最高，而在苗期減少灌水量，開花期復(fù)水后會(huì)使根系充分吸收底層(30～45 cm)水分，顯著降低該層土壤含水率；如圖2(c)在成熟期(9月12日),含水率最小值繼續(xù)下移，各處理含水率表現(xiàn)為W1>W2>W3>W4，表明隨著灌水量減少土壤含水率減小，在苗期減少灌水量復(fù)水后(處理W2)可使土壤保持較高含水率，而在全生育期減少灌水量(處理W4)會(huì)顯著降低土壤含水率。

因此，應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)期減少灌水量，這樣既不影響番茄的正常生長，又節(jié)約灌水。而處理W2在整個(gè)生育期不僅能滿足番茄的需水要求，同時(shí)還減少了灌水量，使得番茄在全生育期的含水率保持較高值。

2.2 不同處理下番茄各生育期根系活力變化情況

2.2.1 不同土壤深度番茄根系活力值

圖3為不同時(shí)期各處理在不同土壤深度的番茄根系活力值。由圖3(a)在苗期，0～30 cm土層中處理W1顯著大于其他處理，而在30～45 cm土層中W1處理顯著小于其他處理，表明減少灌水量可以提高番茄下層根系活力值。在開花坐果期[圖3(b)]，上層土壤中(0～30 cm)處理W1根系活力值最大，W2次之，處理W3、W4為最小值，在下層土壤中(30～60 cm)，W2處理的根系活力值顯著高于其他處理，W4處理根系活力顯著低于其他處理，這表明充分灌水使番茄上層根系活力保持最高值，而在苗期減少灌水量在開花坐果期恢復(fù)灌水后可顯著提高番茄下層根系活力值。由圖3(c)知在成熟期，隨土層深度增加，根系活力逐漸降低，上層土壤中(0～30 cm)根系活力表現(xiàn)為W2>W1>W3>W4，表明在苗期減少灌水量，且開花坐果期、成熟期復(fù)水后能顯著提高番茄上層根系活力值，在下層土壤中(30～60 cm)，根系活力值表現(xiàn)為W2>W3>W4>W1，表明減少灌水量可延緩番茄下層根系衰老，且隨著復(fù)水時(shí)間的延長，這種作用越明顯，處理W2下層根系活力分別比處理W3、W4高16%～32%、20%～36%。

圖3 不同處理下番茄各生育期根系活力變化情況Fig.3 Changes in root activity of tomato at different growth stages under different treatments

因此，應(yīng)選取在苗期適當(dāng)減小灌水量，這樣使得番茄能保持較高的根系活力值，同時(shí)可以延緩番茄根系的衰老速度，而處理W2使得番茄在全生育期內(nèi)各層土壤中有較高的根系活力值。不同水處理對根系活力的影響可能是通過水分對作物體內(nèi)酶的作用進(jìn)而影響的[13]，有待在今后的研究中對其進(jìn)行深入探討。

2.2.2 根系活力與土壤含水率之間的關(guān)系

在開花坐果期根系活力與土壤含水率之間相關(guān)性最明顯，其擬合線性方程為：

y=7 100.1x-1 161.6R2=0.979 1

(1)

式中：y為開花坐果期根系活力平均值，μg/(g·h)；x為開花坐果期土壤含水率平均值，cm3/cm3；R2為根系活力與土壤含水率之間的決定系數(shù)。

番茄根區(qū)土壤水分狀況與其活力狀況相互影響。在一定時(shí)期內(nèi)土壤含水率越高，番茄根系活力值越大；而在苗期、成熟期番茄根系活力值可能還受其他因素的影響。

2.3 不同處理對番茄產(chǎn)量及水分利用率的影響

由表2可以看出，處理W1的產(chǎn)量最高，W2次之，處理W4產(chǎn)量最低，表明隨著灌水量的減小，番茄產(chǎn)量逐漸減小，不同處理下灌水量表現(xiàn)為W1>W2> W3>W4，處理W2較處理W1減少灌水量18%，較高產(chǎn)量和較低的灌水量導(dǎo)致處理W2的水分利用率最高，為48.80 kg/m3，而W1雖然產(chǎn)量最高但灌水量也最大，導(dǎo)致其水分利用率極低，處理W2的水分利用率較處理W1提高約12%，表明苗期適當(dāng)減少灌水量(處理W2)在不顯著影響產(chǎn)量同時(shí)還大大節(jié)約了用水量。表2說明較高的灌水量可以使番茄產(chǎn)量保持較高值，但是會(huì)導(dǎo)致水分利用率降低，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)作物需求進(jìn)行合理灌溉，既不能造成水分的浪費(fèi)，也不能因?yàn)樗植蛔愣斐僧a(chǎn)量大幅下降。

2.4 產(chǎn)量與番茄根系活力之間的關(guān)系

番茄產(chǎn)量與根系活力呈正相關(guān)，且在開花坐果期相關(guān)性最強(qiáng)，其擬合線性方程為：

表2 不同水處理對番茄產(chǎn)量與水分利用率的影響Tab.2 Effects of different water treatments on tomato yield and water use efficiency

z=400.45y+4 048.4R2=0.943 6

(2)

式中：z為番茄產(chǎn)量，kg/hm2；y為開花坐果期根系活力平均值，μg/(g·h)；R2為產(chǎn)量與番茄根系活力之間的決定系數(shù)。

根系活力是根系吸收并輸送水分、養(yǎng)分等性能的綜合表現(xiàn)，番茄根系活力高說明番茄根系吸收輸送水分、養(yǎng)分的綜合表現(xiàn)好，為番茄高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。所以番茄根系活力越高，番茄產(chǎn)量也越高。

3 結(jié) 論

通過研究溫室膜下滴灌條件下，不同水分處理對番茄根系活力和水分利用率的影響，得出以下結(jié)論：

(1)土壤含水率隨灌水量的減少而減??；隨著生育期的推進(jìn)，土壤含水率最低值逐漸下移，在苗期減少灌水量而后復(fù)水(W2)可以使番茄在整個(gè)生育期保持較高的含水率；

(2)隨著灌水量減少，根系活力先增大后減小，在開花坐果期以及成熟期，處理W2在下層(30～60 cm)的根系活力最大；且番茄根系活力與土壤含水率在開花坐果期呈顯著的正相關(guān)；

(3)番茄產(chǎn)量隨灌水量減小逐漸減小，處理W1番茄產(chǎn)量最高，與處理W2差異不顯著，而處理W2水分利用率最大；且番茄產(chǎn)量與根系活力在開花坐果期呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，處理W2在本試驗(yàn)條件下是較適宜的灌水方案，可為我國干旱地區(qū)溫室番茄節(jié)水灌溉提供參考。