膜下滴灌水氮耦合對加工番茄耗水強(qiáng)度及氮素吸收分配的影響

雷成霞，李文昊

(1 山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004；2 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

農(nóng)業(yè)是新疆的第一產(chǎn)業(yè)，截止2018年底新疆作物覆蓋面積達(dá)到6.52×106hm2，其中加工番茄面積為6.872萬hm2。新疆番茄醬出口市場主要集中在亞洲，約占番茄醬出口總額的54%[1]。番茄維生素含量較豐富，可以滿足人類身體對維生素C含量的日常需求[2]，種植緯度在30°～40° N，白天莖葉果適宜生長溫度在25 ℃左右，夜間適宜生長溫度在18 ℃左右，開花坐果后50 d左右成熟采收[3]。新疆地區(qū)由于氣溫高、蒸發(fā)大的特殊地理?xiàng)l件，近年來開始大力發(fā)展膜下滴灌技術(shù)。膜下滴灌技術(shù)具有節(jié)水、保墑的明顯優(yōu)勢[4-5]，已經(jīng)在棉花、玉米、加工番茄等作物的種植上廣泛應(yīng)用[6-8]。李玉義等[9]和李青軍等[10]對灌溉模式和施肥方式對加工番茄生長的影響研究結(jié)果表明，采用膜下滴灌并在加工番茄不同生育期隨水追肥有利于肥料利用率以及加工番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的提高；頡君麗等[11]和HELYES L等[12]對加工番茄調(diào)虧灌溉機(jī)理的研究結(jié)果表明，在加工番茄苗期進(jìn)行調(diào)虧灌溉，一定程度上可以保證產(chǎn)量的同時(shí)還可以提高水分利用效率。滴灌施肥是將施肥與滴灌相結(jié)合的農(nóng)業(yè)創(chuàng)新技術(shù)，利用滴灌灌水器，不僅將植物所需的水分養(yǎng)分輸送到植物根區(qū)，還可以降低水分及肥料的流失，在提高作物的水肥利用效率時(shí)也顯著提高了作物的產(chǎn)量及品質(zhì)[13-14]。

以往對于膜下滴灌加工番茄的研究多集中在灌水定額或施肥量單因素影響下的作物產(chǎn)量或水肥利用效率上，而對于水分耦合作用下的加工番茄耗水強(qiáng)度變化以及加工番茄不同部位對氮素的吸收分配的影響研究很少，本文試驗(yàn)設(shè)置灌溉水平與施氮梯度完全組合的田間試驗(yàn)，分析不同水氮水平下土壤含水率、作物耗水和加工番茄各器官對氮素吸收分配的變化，從而為水氮耦合作用下的膜下滴灌加工番茄的水氮吸收變化規(guī)律提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年5月―2018年8月在新疆石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室的室外大田(86°03′47″E，44°18′28″N)進(jìn)行。

該地區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，海拔450 m，年日照時(shí)數(shù)2 950 h，年降水量在220 mm左右，年平均風(fēng)速1.5 m/s，加工番茄生育期間氣象數(shù)據(jù)通過當(dāng)?shù)貧庀蟛块T獲得。

試驗(yàn)田地下水埋深8 m以下，土壤質(zhì)地為中壤土，物理粘粒含量(粒徑<0.01 mm)大于21%，0～40 cm土壤年平均容重為1.54 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料加工番茄品種為金番3166(新疆石河子)，2年試驗(yàn)均在5月3日進(jìn)行移苗定植，8月26日進(jìn)行成熟期采獲，全生育期116 d。

種植模式為1膜2管4行膜下滴灌，覆膜為1.45 m聚乙烯普通塑料地膜；單翼迷宮式滴灌，毛管間距0.70 m，滴頭間距0.30 m，滴頭設(shè)計(jì)流量1.8 L/h，加工番茄株距0.30 m，行距0.35 m。

滴灌施肥設(shè)備主要由蓄水池、水泵、回流管、施肥罐、旋翼式水表及輸水管道系統(tǒng)組成。

試驗(yàn)設(shè)置水、氮二因素。參考當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐及文獻(xiàn)[15-16]確定2017年大田加工番茄種植的灌溉、施肥量以及灌溉、施肥次數(shù),見表1。具體如下：

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)灌溉水平，分別為5 250(W1)、3 938(W2)、2 625(W3)、4 500 m3/hm2(W4)；設(shè)置3個(gè)N-P2O5-K2O施氮水平，分別為N1(300-188-188)、N2(225-188-188)和N3(150-188-188)kg/hm2，組合設(shè)計(jì)，2017年共計(jì)12個(gè)處理，2018年增加1個(gè)灌溉水平4 500 m3/hm2(V1)，共計(jì)15個(gè)處理；每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為27 m2(18 m×1.5 m)，前茬種植作物分別為棉花和加工番茄，作物沿南向北種植，采用深層地下水進(jìn)行灌溉，灌溉水礦化度約1.35 g/L。

加工番茄每次灌溉量、施肥量依據(jù)試驗(yàn)小區(qū)面積、番茄生育期、作物需水規(guī)律等因素進(jìn)行劃分。CK取當(dāng)?shù)毓喔攘? 500 m3/hm2，施肥全生育期為N300 kg/hm2、P2O5375 kg/hm2、K2O120 kg/hm2，年均產(chǎn)量120 t/hm2，其余經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相同。其中，試驗(yàn)肥料依次為尿素CO(NH2)2(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4%)，磷酸一銨NH4H2PO4(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)60.5%)和氯化鉀KCl(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)57%)。

試驗(yàn)區(qū)的除草、打藥等田間農(nóng)藝管理措施一致。

表1 加工番茄生育期灌溉制度

1.3 項(xiàng)目測定與方法

在加工番茄的生長過程中，于苗期(5月23日)、花期(6月13日)、果實(shí)膨大一期(7月3日)、果實(shí)膨大二期(7月23日)、成熟期(8月13日)進(jìn)行5次植株采樣，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇5株加工番茄，按加工番茄不同的生殖器官進(jìn)行分開稱重后，置于烘箱中，先在105 ℃殺菌30 min，然后在75 ℃下烘干至恒重，稱重。對各個(gè)生育期烘干的各器官干物質(zhì)用小型粉碎機(jī)粉碎過篩后裝袋，樣品消煮采用濃硫酸和雙氧水結(jié)合法，測定植株葉、莖全氮含量采用奈氏比色法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016、Origin 2017、SPSS Statistics 22(單因素方差分析方法)等統(tǒng)計(jì)軟件處理和分析，選用Origin 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對加工番茄土壤含水率的影響

圖1為不同水氮處理下番茄生長階段內(nèi)土壤質(zhì)量含水率的影響。

圖1 不同生育期水氮處理土壤含水率變化

由圖1可知：

(1)在加工番茄花期，不同深度不同灌水量處理下土壤質(zhì)量含水率數(shù)值比較集中，W4處理土壤含水率數(shù)值較大，處理W3的較?。籛1處理各土層土壤質(zhì)量含水率隨土層深度的增加而增大，其中，在W1處理下灌水量滿足植物生長所需耗水量，有多余的水分下滲，W2、W4處理下土壤質(zhì)量含水率先增大后減小，均在20 cm處達(dá)到峰值，W3處理下各處理不同深度土壤質(zhì)量含水率變化較小。在10～20 cm土層各處理間土壤含水率的波動最大，這是由于花期根系集中在土層10～20 cm處。

(2)在果實(shí)膨大期，各處理不同深度的土壤含水率數(shù)值波動較大，W3處理下不同深度的土壤質(zhì)量含水率數(shù)值較小，較低的灌水量，不利于土壤含水率的提高，不能滿足植物生長所需的水分，進(jìn)而影響產(chǎn)量及品質(zhì)。在相同的灌水量W1、W2、W4下，土壤質(zhì)量含水率N3>N1>N2，較高、較低的施氮量下，加工番茄的土壤質(zhì)量含水率較高，這是由于在果實(shí)膨大期，隨著果實(shí)膨大，灌水量一定、施氮量適中的情況下，加工番茄對水分的吸收更敏感。在40 cm以下，W1、W2和W4處理含水率差值較小。

(3)在成熟期，各處理在10 cm以上，含水率數(shù)值差異較小且數(shù)值較小。各處理在10 cm以上土壤質(zhì)量含水率數(shù)值比較集中，這是由于加工番茄成熟期枝繁葉茂，在植株周邊環(huán)境及作物根系在10 cm范圍內(nèi)影響不活躍造成。各處理在10 cm以下含水率變化較大，其中W1處理30 cm以下，土壤含水率數(shù)值較大，W2、W4各處理下不同深度的含水率數(shù)值比較集中，W3處理含水率數(shù)值一致較低。從整個(gè)生育期來看，深度0～10 cm各處理的含水率數(shù)值比較集中，而深度20～40 cm各生育期各處理的含水率數(shù)值皆波動較大。

2.2 加工番茄耗水量的變化

結(jié)果(圖2)顯示：

圖2 水氮耦合對各處理不同生育期耗水量及耗水強(qiáng)度的影響

(1)在整個(gè)生育期內(nèi)加工番茄耗水量在苗期和膨大一期較大，在加工番茄的不同生長階段耗水規(guī)律一致，耗水量隨著灌水的增大而增大，作物吸收水分受施氮量的影響較小。加工番茄耗水量在苗期最大，膨大一期次之，花期最少，這是因?yàn)樵诩庸し训拿缙?，降雨量較大，導(dǎo)致最終耗水量較大；在果實(shí)膨大一期，隨著灌水量的增大，作物進(jìn)入果實(shí)膨大一期坐果階段，作物耗水量較大；加工番茄果實(shí)膨大二期，果實(shí)需吸收大量的水分，但受田間溫度較高和降雨較少的影響，耗水量降低；在加工番茄成熟期，由于成熟期對果實(shí)的積累較大，成熟期時(shí)間持續(xù)較短，作物耗水量加大；在加工番茄苗期，由于較低的灌水量及作物根系不夠發(fā)達(dá)，最終導(dǎo)致花期耗水量較低。

(2)在降雨量及生理期的影響下，加工番茄苗期植株耗水強(qiáng)度大于花期；相同的灌水量處理下，加工番茄各處理耗水強(qiáng)度在生育期先降低后增大，均在果實(shí)膨大一期達(dá)到最大值，這是因?yàn)榧庸し堰M(jìn)入開花坐果，果實(shí)迅速積累時(shí)期，對水分吸收比較敏感；W3處理耗水量持續(xù)降低，這是持續(xù)較低的灌水量下加工番茄各器官發(fā)育不全面。

(3)各處理的耗水強(qiáng)度隨灌水量的增加而增加，隨施氮量增大的變化不明顯，較低的灌水量下耗水強(qiáng)度較低，加工番茄生長受到脅迫；在整個(gè)生育期，加工番茄耗水強(qiáng)度先降低后升高，在加工番茄果實(shí)膨大一期達(dá)到最大值然后再降低。

由表2可知：在整個(gè)生育期加工番茄耗水量、耗水強(qiáng)度W1>W4>W2>W3，作物耗水量和耗水強(qiáng)度與灌水量正相關(guān)；相同灌水量下，隨著施氮量的增加，作物耗水量和耗水強(qiáng)度變化不大；加工番茄耗水量在W1N1處達(dá)到最大值767.42 mm，在W3N3處為最小值499.32 mm，最大值較最小值增加53.71%；耗水強(qiáng)度在W1N3處達(dá)到最大值為7.24 mm/d，在W3N3處為最小值3.19 mm/d，最大值較最小值增加126.96 %；加工番茄的產(chǎn)量在W4N2處達(dá)到最大值，且加工番茄產(chǎn)量W4>W2>W1>W3，耗水量和耗水強(qiáng)度都達(dá)到最大時(shí)，加工番茄產(chǎn)量不一定達(dá)到最大值；灌溉水利用效率在W2N2處達(dá)到最大值，耗水量、耗水強(qiáng)度最大時(shí)，加工番茄的灌溉水利用效率不一定達(dá)到最大值，耗水量、耗水強(qiáng)度較小時(shí)，加工番茄產(chǎn)量及灌溉水利用效率均較低，表明過低的灌水量不利于加工番茄耗水量及耗水強(qiáng)度的提高。

表2 水氮耦合對加工番茄耗水量及耗水強(qiáng)度的影響

2.3 水氮耦合對加工番茄各器官全氮含量的影響

結(jié)果(表3)顯示：

(1)灌水量和水氮耦合對加工番茄莖全氮含量影響均極顯著(P<0.01)，施氮量對莖全氮含量影響顯著(P<0.05)。水氮耦合各處理下，生育期加工番茄莖全氮含量先上升后下降，在果實(shí)膨大期達(dá)到最大值，在12～30 g/kg范圍內(nèi)變化。

表3 水氮耦合對加工番茄單株莖全氮含量的影響

(2)各生育期在相同灌水量下，各處理的莖全氮含量均在N2處達(dá)到最大值，N2>N1>N3，表明較低的施氮量不利于植株莖全氮的累積，適宜的施氮量有助于加工番茄莖全氮含量的累積吸收。在加工番茄苗期、花期、果實(shí)膨大期、成熟期，植株莖全氮含量最大值較最小值分別提高了72.35%、63.23%、38.84%、49.83%，在果實(shí)膨大期W2N2處理莖全氮含量達(dá)到最大值為29.49 g/kg，在苗期W3N3處理為最小值。

(3)各生育期的莖全氮含量均在W3處理為最小值，增加灌水量可以提高莖對氮的吸收。果實(shí)膨大期到加工番茄成熟期，莖全氮含量均降低，這是因?yàn)樵诩庸し殉墒炱诟嗟牡峙涞焦麑?shí)中。

結(jié)果(表4)顯示：

(1)灌水量和水氮耦合對加工番茄葉片全氮含量影響均極顯著(P<0.01)，施氮量對莖全氮含量影響顯著(P<0.05)，在花期對莖全氮含量影響極顯著(P<0.01)。水氮耦合各處理下，加工番茄葉片全氮含量先上升后下降，最大值出現(xiàn)在每個(gè)處理的果實(shí)膨大期，葉片全氮含量在18～46 g/kg范圍內(nèi)變化。

(2)在每個(gè)生長期，相同灌水量下各處理的葉片全氮含量均在N1處達(dá)到最大值，N1>N2>N3，隨著施氮量的增加，植株葉片全氮含量顯著增加。在加工番茄苗期、花期、果實(shí)膨大期、成熟期，植株葉片全氮含量最大值較最小值分別提高46.96%、26.67%、40.53%、63.97%，在果實(shí)膨大期W4N1處理葉片全氮含量達(dá)到最大值為45.80 g/kg，在成熟期W3N3處理為最小值為10.08 g/kg。

(3)各生育期的葉片全氮含量均在W3處理為最小值，增加灌水量，有助于葉片對氮素的吸收利用。在果實(shí)膨大期到加工番茄成熟期，葉片全氮含量均降低，在相同生長階段內(nèi)達(dá)到最小值，這是因?yàn)殡S著加工番茄的成熟，更多的氮分配到果實(shí)中。

表4 水氮耦合對加工番茄單株葉片全氮含量的影響

2.4 水氮耦合下加工番茄各器官全氮含量分配及吸收

結(jié)果(圖3)顯示：

(1)不同的生長階段加工番茄莖和葉全氮累積量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。全氮累積量在果實(shí)膨大期達(dá)到最大值，在成熟期全氮累積量降低；莖干物質(zhì)積累量均在番茄成熟期達(dá)到最小值，花期到果實(shí)膨大期莖全氮累積量速度最大，隨著施氮的增加，莖全氮累積量增加，在N2達(dá)到最大值，且W3處理下植株莖全氮累積量最低，表明較低的灌水量不利于莖全氮累積量的提高。

(2)在相同生育期加工番茄的葉片全氮累積量大于莖全氮累積量；相同灌水量下植株葉片全氮累積量N1>N2>N3，表明增加施氮量有助于莖、葉干物質(zhì)的積累；葉片全氮累積量均在果實(shí)成熟期達(dá)到最小值，這是因?yàn)殡S著果實(shí)成熟，更多的氮分配到植物果實(shí)中。

圖3 加工番茄成熟期干物質(zhì)積累量及各器官分配比

加工番茄全氮累積吸收量及吸收速率結(jié)果如圖4所示。

圖4 加工番茄全氮累積吸收量及吸收速率

由圖4可知：

(1)水氮耦合下各處理加工番茄全氮累積吸收量在果實(shí)膨大期達(dá)到最大值，W4N1處最大值為71.97 g/kg，在成熟期W3N3處全氮累積量達(dá)到最小值32.75 g/kg，最大值較最小值提高119.76%；在苗期、果實(shí)膨大期植株全氮累積吸收量W4>W2>W1>W3，表明灌水量過高和過低都不利于加工番茄全氮的累積吸收；在花期、收獲期植株全氮累積吸收量W4>W1>W2>W3，表明適宜的灌水量有利于加工番茄植株全氮的累積及吸收。

(2)苗期到花期加工番茄吸收速率呈現(xiàn)小幅度的增加，全氮吸收速率W4>W2>W1>W3，吸收速率在2.03～2.61 g/kg·d范圍內(nèi)；花期到果實(shí)膨大期加工番茄全氮吸收速率繼續(xù)增大，且W4>W1>W2>W3，吸收速率在2.43～2.92 g/kg·d范圍內(nèi)；在果實(shí)膨大期加工番茄全氮吸收速率達(dá)到最大值，全氮吸收速率W4>W2>W1>W3，吸收速率在2.93～3.45 g/kg·d范圍內(nèi)；在膨大期到成熟期各水氮耦合處理下加工番茄全氮吸收速率皆降低，其中W1>W2>W4>W3，吸收速率在0.87～1.12 g/kg·d范圍內(nèi)。

(3)在各生育期，相同灌水量下各處理加工番茄的全氮吸收量比較接近，隨著施氮量的增加，沒有顯著性關(guān)系；加工番茄日全氮吸收速率最大值出現(xiàn)在膨大期W4N1處為3.60 g/kg·d，較加工番茄成熟期W3N3最小值0.819 g/kg·d提高259.9%；在果實(shí)膨大期植株全氮累積、吸收速率皆最大，表明保證加工番茄膨大期的灌水量有助于加工番茄的增產(chǎn)、增益。

3 討論

(1)土壤水分的多少直接影響植物的生長過程，養(yǎng)分隨水分運(yùn)輸?shù)街参锏母鱾€(gè)器官中。不同深度土壤含水率的數(shù)值變化可以直接反映出植物生長根部對深層水分的吸收變化。本文研究結(jié)果表明，在花期水氮各處理對含水率的數(shù)值影響不大，各深度含水率數(shù)值比較集中，W3處理出現(xiàn)含水率較小的趨勢。在果實(shí)膨大期、成熟期W3處理含水率依舊較低，對照植物的生長情況，表現(xiàn)出生理缺水情況越發(fā)嚴(yán)重，這可能是由于加工番茄是喜水作物，隨著生育期的推進(jìn)，作物的生長對水量的要求也越來越大。

(2)張坤等[17]研究表明，整個(gè)生育期內(nèi)加工番茄的根系主要集中在0～40 cm內(nèi)，土壤含水率的主要變化范圍在0～40 cm內(nèi)，本文研究結(jié)果與其一致,這與方志剛[18]研究得出的土壤含水率在花期到膨大期先增大、果實(shí)成熟期土壤含水率降低的結(jié)果也一致。本文研究表明水氮耦合效應(yīng)下加工番茄的株高、莖粗影響極顯著，水氮效應(yīng)直接影響作物的生長指標(biāo)，從而影響作物的產(chǎn)量以及品質(zhì)，這與馬國禮[19]研究水氮處理下溫室栽培辣椒生長生理的結(jié)果一致。

(3)本文研究結(jié)果表明，加工番茄耗水量和耗水強(qiáng)度隨著灌水量的增加而增加，灌水量相同時(shí)與施氮量的增加不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，谷曉博[20]研究結(jié)果表明二者的灌水量與生長階段內(nèi)的耗水量影響顯著，當(dāng)施氮量在120～290 kg/hm2時(shí)，施氮量對耗水量影響不顯著，本文與文獻(xiàn)[20]的研究結(jié)果相似；本文研究結(jié)果表明耗水強(qiáng)度在果實(shí)膨大期達(dá)到最大值，這與劉洪波等[21]研究葡萄耗水特征的結(jié)果一致，且呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；本文研究結(jié)果表明加工番茄果實(shí)膨大期耗水強(qiáng)度在W1N3處達(dá)到最大值為7.24 mm/d，這與李波[22]研究加工番茄灌溉制度試驗(yàn)的結(jié)果相差8%，這可能是由于灌溉方式、地理位置的不同而使試驗(yàn)結(jié)果稍有差異。本文研究結(jié)果表明，加工番茄在苗期、花期只需灌水量保證植株正常生長，在果實(shí)膨大期應(yīng)注意水量補(bǔ)給。全氮累積量及全氮吸收速率均在在果實(shí)膨大期達(dá)到最大值，因此作為氮營養(yǎng)診斷的最佳時(shí)期[23]；本文葉片含氮量大于相同生育期同處理莖全氮含量的結(jié)果與于鐵峰[24]在研究氮素對紫花苜蓿根莖葉全氮含量分布的結(jié)果一致；相同灌水量下隨著施氮量的增加，植株全氮累積量增大，分析由于增加施氮量可以有效降低葉綠素分解、緩解葉片衰老[25]。

4 結(jié)論

(1)在加工番茄花期，水氮耦合對含水率的影響不大，土壤含水率變化主要集中在20～40 cm，其中膨大期對水氮作用的響應(yīng)更加顯著。加工番茄耗水量、耗水強(qiáng)度隨著灌水量的增大而增大，各處理均在果實(shí)膨大期耗水強(qiáng)度達(dá)到最大值。

(2)在不同水氮耦合處理下，加工番茄莖葉全氮含量在不同的生長階段整體先增加后減少，全氮累積量、全氮吸收速率均在在果實(shí)膨大期達(dá)到最大值，果實(shí)膨大期可作為氮營養(yǎng)診斷的最佳時(shí)期，在此階段應(yīng)保證生育期內(nèi)植株所需的各種元素值，有利于加工番茄的增產(chǎn)、增益的提高；葉片含氮量大于相同生育期同處理莖全氮含量，相同灌水量下隨著施氮量的增加，植株全氮累積量增大。

(3)當(dāng)灌水量為3 938～4 500 m3/hm2、施氮量在225～300 kg/hm2范圍內(nèi)，加工番茄的生長狀況較好，耗水強(qiáng)度、植株全氮累積吸收量、葉果比、灌溉水利用效率及產(chǎn)量均能達(dá)到最大值，這可作為北疆地區(qū)種植加工番茄的灌溉施肥制度。