節(jié)水減氮對溫室番茄生長及水氮利用率的影響

李旭峰，馬娟娟*，孫西歡,2，石小虎，郭向紅，雷濤,3

(1. 太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024； 2. 晉中學院院長辦公室，山西 晉中 030619；3.有機旱作山西省重點實驗室，山西 太原 030031)

水肥利用率低是制約農民增產增收的主要因素，灌水、施氮過多或不足會造成水肥資源浪費或重度虧缺，甚至直接或間接造成土壤污染[1].近年來，膜下滴灌作為干旱半干旱地區(qū)一種高效灌溉方法，集覆膜與滴灌優(yōu)點于一體，在現(xiàn)代農業(yè)生產中應用廣泛.研究表明，與常規(guī)灌溉相比，膜下滴灌節(jié)水效果顯著，可提高水分利用率5%～29%，提高肥料利用率約21%[2-4].因此，研究膜下滴灌條件下節(jié)水減氮對設施番茄高產高效生產具有重大意義.

張燕等[5]和DU等[6]研究表明：在一定范圍內，番茄產量及水肥利用率隨著水氮用量的增加而提高，當超過某一閾值時，番茄產量并沒有顯著增加，且水肥利用率出現(xiàn)下降的趨勢.根系是作物吸收并運輸水分和養(yǎng)分的主要器官，一般直徑小于2 mm的根為細根，細根具有較大的吸收面積，是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要根系級配[7], 劉世全等[8]在田間進行不同水氮處理試驗，研究結果表明小南瓜產量與細根根長之間均有顯著的線性關系.

目前研究主要集中在不同灌水量和施氮量梯度對番茄生長及水氮利用率方面的影響[9]，而在番茄生長和產量對節(jié)水后復水效果以及節(jié)水減氮敏感性等方面的研究相對較少[10].基于此，文中通過在番茄不同生育期減少灌水量，與在全生育期充分灌水對比，并在常規(guī)施氮水平的基礎上減少施氮量，探索節(jié)水減氮對番茄生長規(guī)律與水氮利用率的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗場地位于山西省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究中心河村試驗基地日光溫室，試驗地位于112°90′E，38°05′N，海拔1 248.5 m，試驗溫室為非加熱型自然通風溫室，東西走向(長×寬×高，50.4 m×7.6 m×4.6 m).試驗地年均降水量459.0 mm，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 ℃，試驗地地勢平坦，土壤為黃土質淡褐土.試驗前0～15 cm土壤平均容重為1.43 g/cm3，田間持水量為0.31 cm3/cm3，全氮為1.12 g/kg，堿解氮為52.21 mg/kg，速效磷為22.31 mg/kg，速效鉀為120.32 mg/kg.

1.2 試驗方法與設計

番茄于2018年5月19日定植，9月15日拉秧，供試品種為“番茄1702”，生育期劃分為緩苗期(2018-05-19—2018-06-01)、苗期(2018-06-02—2018-06-13)、開花坐果期(2018-06-14—2018-08-14)、成熟期(2018-08-15—2018-09-15)，滴灌施肥采用的氮、磷、鉀肥分別為尿素(wN≥46.4%)、鈣鎂磷肥(wP2O5≥15.0%)、氯化鉀(wK2O≥57%).

本試驗設計灌水和施氮2個因素，灌水設計4個水平，施氮設計3個水平，試驗處理設計詳見表1，表中W為各處理灌水定額，W=(0.9θFc-θv) ×Zr×S×0.6，單位為m3.其中，θFc為田間持水量,cm3/cm3；θv為灌水前的土壤含水量,cm3/cm3；Zr為計劃濕潤層深度，取0.6 m；0.6為濕潤比；S為每個處理的灌水面積，S=25.2 m2.常規(guī)施氮量mN為400 kg/hm2，較常規(guī)施氮減少25%為300 kg/hm2，較常規(guī)施氮減少50%為200 kg/hm2.其中W1的灌水下限為60%～65%θf，其他3個水平與W1同時灌水；氮肥分期施入，定植前基施總量的3/5，在第一穗果實膨大期(2018年7月13日)與第三穗果實膨大期(2018年8月3日)分別等量追施1/5.試驗采用完全隨機區(qū)組設計，共12個處理，每個處理設3個重復.定植后為保證其成活率，采用地面灌溉定植水20 mm，從苗期開始灌水處理.

表1 番茄節(jié)水減氮調控試驗方案

1.3 溫室管理與農藝措施

定植前在溫室內各小區(qū)按試驗設計施入基施氮肥，并將全部的磷肥(200 kg/hm2)、鉀肥(300 kg/hm2)和有機肥(20 000 kg/hm2)做基肥均勻施入耕作層.溫室共分為14個小區(qū)，小區(qū)長7.0 m，寬3.6 m，面積為25.2 m2，用于試驗處理的有12個小區(qū)，其他用作保護小區(qū)，每小區(qū)設3溝3壟，采用“一膜雙行雙管”配置模式，行距為0.6 m，株距為0.5 m，在壟上對番茄進行管理、噴藥、采收等農務.試驗小區(qū)之間埋設塑料薄膜，以防止各處理間相互干擾.定植時，番茄幼苗按單穴單株定植在壟兩側，提前3～4 d鋪設黑色塑料地膜.全生育期內，每株番茄在4穗果后摘心，每穗留5～6個番茄.其他噴藥等措施均按當?shù)爻Ｒ?guī)進行.

1.4 測定指標與方法

本試驗測試的指標為番茄株高、莖粗、根系形態(tài)及水氮利用率.

1.4.1 番茄株高、莖粗

從苗期開始，每隔6～11 d測定1次，株高從植株基部到生長點，利用卷尺測量；莖粗在植株第1片真葉下部，沿2個垂直的方向各測1次，利用電子游標卡尺測量.

1.4.2 根系形態(tài)指標

于番茄生育期末測定1次根系形態(tài)，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1層，取樣后用孔隙直徑為0.5 mm的篩子沖洗，用Epson Perfection進行根系掃描，采用根系分析軟件(WinRHI ZO version 5.0) 進行分析.

1.4.3 產量及水氮利用率

用精度為0.05 kg的電子天平測量各處理番茄的產量，水氮利用率計算公式:

灌溉水利用效率=番茄產量/灌水量，

氮肥偏生產力=番茄產量/氮肥用量.

1.5 數(shù)據處理

采用Microsoft Excel處理數(shù)據并作圖，用SPSS17.0軟件進行數(shù)據分析.

2 結果與分析

2.1 節(jié)水減氮對地上部分生長的影響

表2 番茄株高莖粗的實測值及最大生長速率

由表2可知，當灌水量一定時，減少施氮量對番茄株高、莖粗有顯著影響，在W1，W2水平下，N1與N2水平之間差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05)，但顯著高于N3水平；而在W3，W4水平下，N1，N2，N3水平之間差異均具有統(tǒng)計學意義，表明與W1，W2水平相比，在W3水平下番茄植株生長對施氮量的響應更敏感；各灌水水平下，N1水平的番茄株高、莖粗值均比N2，N3水平高0.85～17.50 cm，0.02～0.09 cm.在同一施氮水平下，除W3N1和W4N1外，隨著灌水量的減少，番茄株高、莖粗值逐漸降低，W1水平株高、莖粗值與W2差異不具有統(tǒng)計學意義，但顯著高于W3，W4水平，表明在苗期減少灌水量并且開花坐果期復水，對番茄植株生長的影響不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05).番茄在處理W1N1下株高、莖粗及各自MGR均達到最大值，分別為156.50 cm，1.71 cm，3.90 cm/d和0.06 cm/d，分別較處理W4N3高21.5 cm,0.30 cm,0.89 cm/d,0.02 cm/d.各處理番茄株高最大生長速率在定植后34～54 d,莖粗最大生長速率在定植后25～34 d.

2.2 節(jié)水減氮對番茄根系生長的影響

2.2.1 對番茄整根特征參數(shù)的影響

根系是作物吸收并運輸水分和養(yǎng)分的主要器官，表3為各處理對溫室番茄整根特征參數(shù)的影響，其中l(wèi)t為總根長,l為直徑小于2 mm 的根長，s為表面積，v為根體積.由表可知，各整根特征參數(shù)隨不同水氮處理表現(xiàn)出相似規(guī)律，同一灌水水平下，各參數(shù)隨著施氮量的減少先增大后減小.以細根為例，各施氮水平下細根總根長從大到小順序為N2，N3，N1，表明減少25%施氮量會促進細根的生長，有助于對水分和養(yǎng)分吸收；在同一施氮水平下，番茄各整根特征參數(shù)隨著灌水量的減小先增大后減小，W2水平的整根特征參數(shù)均高于其他灌水水平，表明在苗期減少灌水量，之后復水會促進番茄根系的發(fā)育.在處理W2N2下，番茄總根長，細根總根長最長，分別為17 989.70，16 417.72 cm，總表面積及總體積最大分別為7 289.11，40.31 cm3，分別較W1N1高33%，34%，46%和67%，是本試驗條件下根系較發(fā)達的節(jié)水減氮組合.

表3 各處理對番茄整根特征參數(shù)的影響

2.2.2 溫室番茄細根垂直分布規(guī)律

作物主要通過細根從土壤中吸收水分和養(yǎng)分，圖1為不同水氮條件下番茄各層細根根長密度占總細根根長密度的比值ε.由圖可知，當灌水量一定時，0～30 cm細根根長密度占比隨著施氮量的減少而減少，而30～60 cm的根長密度占比則相反；當施氮量一定時，隨著灌水量的減少，30～60 cm的根長密度占比逐漸增大，0～30 cm的占比則相反.表明常規(guī)灌水施氮會促進表層(0～30 cm)根系的發(fā)育，使番茄植株根系變淺，而節(jié)水減氮會使根系深扎，有利于細根吸收下層(30～60 cm)的水分和養(yǎng)分.

圖1 節(jié)水減氮下番茄番茄根系垂直分布規(guī)律

2.3 不同處理對產量及水氮利用率的影響

水氮利用率是衡量作物水肥利用效率的指標，表4為不同水氮處理對溫室番茄產量及水氮利用率的影響，其中y為產量，p為灌水量，WUE為灌溉水利用效率，PFPN為氮肥偏生產力.由表可知，番茄產量隨著灌水量和施氮量的降低而減小，同一灌水、施氮水平下，當施氮量、灌水量減半時，產量均分別降低5%～12%，47%～51%，表明在本試驗條件下灌水量對產量的影響大于施氮量.同一施氮水平下，W1與W2差異不具有統(tǒng)計學意義，W2，W3，W4之間差異具有統(tǒng)計學意義；同一灌水水平下，N1與N2差異不具有統(tǒng)計學意義，除W4水平外N2與N3差異均具有統(tǒng)計學意義，表明全生育期減少灌水量時，增加氮肥對產量影響不具有統(tǒng)計學意義；而減少50%施氮量時，增加灌水量對產量影響均具有統(tǒng)計學意義，可能是由于全生育期虧水使番茄植株對氮素吸收起到了制約作用.

表4 不同水氮條件下番茄水氮利用率

當灌水量一定時，除W2N2外灌溉水利用效率隨著施氮量的降低而減小，氮肥偏生產力隨著施氮量的降低而增大；同一施氮水平下，灌溉水利用效率隨著灌水量減小呈先增大后減小的趨勢，氮肥偏生產力隨著灌水量的減少而減小，處理W2N2的灌溉水利用效率最大為49.31 kg/m3，較處理W1N3(最低值)高18%,處理W1N3的氮肥偏生產力最大為414.51 kg/kg，較處理W4N1(最低值)高72%.由于灌水對產量的影響大于施氮，且處理W1N3沒有達到節(jié)水效果，所以處理W2N2為本試驗條件下的最佳節(jié)水減氮處理.

3 討 論

本研究結果表明隨著灌水量及施氮量的減少，番茄株高、莖粗值逐漸減小，在處理W1N1下，番茄植株的株高、莖粗值最大，且生長速率也最快，王虎兵等[12]通過設置不同灌水施肥水平，測得番茄的株高、莖粗變化規(guī)律與本試驗結果一致.但番茄地下部分的生長對灌水量及施氮量的響應則不然，石小虎等[9]通過在膜下溝灌條件下改變灌水量和施氮量，得出過于充裕的水氮不利于根系潛力的挖掘，文中也得出適當節(jié)水減氮(處理W2N2)可促進番茄根系生長的類似結論，且苗期節(jié)水后，復水對根系生長具有補償效應.這是由于適度節(jié)水減氮會使番茄根系對水分和養(yǎng)分虧缺作出適應性反應，根系不斷增多并向更遠處延伸，尋求土壤水分和養(yǎng)分[12].

文中得出處理W1N1番茄產量高于W2N2，但同一施氮水平下，W1與W2水平產量差異不具有統(tǒng)計學意義，而處理W2N2的水氮利用率顯著高于W1N1，這可能是由于產量對苗期節(jié)水的敏感程度小，且節(jié)水減氮會抑制葉片光合速率，降低光合產物的形成及向葉片的運移和轉換，植株蒸騰面積相應減小，從而減少了植株耗水量所致[13].

4 結 論

1) 番茄在全生育期充分灌水且常規(guī)施氮水平下(W1N1)下株高、莖粗以及各自最大增長速率達到最大值，分別為156.50 cm，1.71 cm，3.90 cm/d和0.06 cm/d；番茄產量隨灌水量、施氮量的減少而減少，其在處理W1N1下達到最大為94 207.35 kg/hm2.

2) 番茄整根特征參數(shù)均有隨灌水量和施氮量減少呈先增大后減小的趨勢，處理W2N2是本試驗條件下根系最發(fā)達的水氮組合，番茄總根長、細根總根長、總表面積及總體積最大，分別為17 989.70 cm，16 417.72 cm，7 289.11 cm2，40.31 cm3；番茄0～30 cm細根根長密度占總根長密度的比例隨著灌水量、施氮量的減少而減小，30～60 cm的比例則相反，節(jié)水減氮有助于番茄吸收下層水分和養(yǎng)分.

3) 在處理W1N1下，番茄株高、莖粗以及產量均高于處理W2N2，但整根特征參數(shù)則相反.且處理W2N2灌溉水利用效率最高，產量及氮肥偏生產力較優(yōu)，其在略有減產的條件下具有明顯的節(jié)水減肥效果，是本試驗條件下的最佳節(jié)水減氮處理.