水分虧缺對溫室覆膜滴灌番茄根系生長及吸水量的影響

葛建坤，平盈璐，龔雪文*，王玲，辛清聰，張磊，劉歡歡

?作物水肥高效利用?

水分虧缺對溫室覆膜滴灌番茄根系生長及吸水量的影響

葛建坤1，平盈璐1，龔雪文1*，王玲2，辛清聰1，張磊1，劉歡歡1

（1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450045；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450003）

【】探討水分脅迫和覆膜對溫室滴灌番茄根系生長和根系吸水狀況的影響。以20 cm標準蒸發(fā)皿的累計蒸發(fā)量（p）為依據(jù)，結(jié)合地膜覆蓋情況，設(shè)置3個處理：無膜高水處理（WM-0.9，水面蒸發(fā)系數(shù)為0.9）、有膜高水處理（FM-0.9）和有膜低水處理（FM-0.5，水面蒸發(fā)系數(shù)為0.5）。系統(tǒng)研究水分脅迫和覆膜雙因素影響下的溫室番茄根系分布特征，利用HYDRUS-1D軟件模擬了根系吸水量，在此基礎(chǔ)上，闡明了不同根系吸水量對番茄產(chǎn)量和水分利用效率的影響機理。WM-0.9、FM-0.9處理和FM-0.5處理在20 cm土層內(nèi)的根長分別占總根長的58.6%、56.2%和78.9%。HYDRUS-1D模擬的各土層土壤含水率的均方根誤差在0.010 cm3/cm3以內(nèi)，回歸系數(shù)在0.867～1.076左右，各處理蒸騰量與根系吸水量的均方根誤差均在0.581 mm/d以內(nèi)，回歸系數(shù)在0.890以上，說明模擬值和實測值具有較好的一致性。FM-0.9處理的根系吸水量最多，達240.9 mm，比WM-0.9處理和FM-0.5處理分別高24.4%和26.7%，其中0～40 cm土層為番茄根系的主要吸水層，WM-0.9、FM-0.9處理和FM-0.5處理在該層的根系吸水量分別占總吸水量的84.2%、85.7%和83.2%，同時WM-0.9處理和FM-0.5處理在土層20～40 cm的根系吸水量迅速下降，F(xiàn)M-0.9處理則仍可保持較高的根系吸水量。FM-0.5處理的水分利用效率和灌溉水利用效率分別為59.0 kg/m3和70.3 kg/m3，比WM-0.9處理高34.4%和55.5%，比FM-0.9處理高11.3%和30.4%；FM-0.9處理的產(chǎn)量最高，為147.7 t/hm2，較WM-0.9處理和FM-0.5處理高19.3%和23.6%。依據(jù)番茄根系對水分反應(yīng)的差異，在0.9p的灌溉定額下，結(jié)合覆膜栽培技術(shù)，可提高深層土壤水分的吸收和利用。

日光溫室；膜下滴灌；HYDRUS-1D；根長密度；根系吸水

0 引言

【研究意義】設(shè)施農(nóng)業(yè)因具有產(chǎn)量高、效益好、容易集約生產(chǎn)等特點，近些年來在國內(nèi)外飛速發(fā)展[1]。我國2020年的經(jīng)濟與園藝作物種植面積約為6.6億畝，總產(chǎn)值達到4.09萬億元，占種植業(yè)總產(chǎn)值的79.9%。番茄是我國種植面積排名第4的蔬菜品種，番茄產(chǎn)業(yè)已成為我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，尤其是設(shè)施番茄種植面積居于蔬菜種類的首位[2]。然而目前多數(shù)地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)仍以經(jīng)驗灌溉為主，導(dǎo)致水分利用效率不高，造成了水資源浪費，且產(chǎn)量并未得到提升[3]。根系作為植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，其生長發(fā)育直接關(guān)系到地上部的生長發(fā)育，也會影響到作物的產(chǎn)量和水分利用效率。因此，明確作物的根系生長狀況和吸水特性，達到促進作物生長、提高產(chǎn)量的效果，對研究溫室高效節(jié)水灌溉具有重要意義。

【研究進展】土壤濕熱狀況直接影響著根系的生長發(fā)育，地膜覆蓋和調(diào)控灌水定額是調(diào)節(jié)土壤濕熱環(huán)境的常用手段，其中地膜覆蓋因具有優(yōu)化根區(qū)微域環(huán)境、增強“土壤－微生物及酶－根系”之間交互作用，節(jié)水保溫增產(chǎn)等優(yōu)點，得到大面積普及[4-6]。根系是土壤-植物系統(tǒng)的重要媒介，作物依靠根系吸收土壤中的水分以滿足自身生長需求，因此在土壤－植物系統(tǒng)的水分運移規(guī)律分析中，根系吸水特性研究至關(guān)重要[7]。目前根系吸水速率還無法通過試驗手段準確獲取，通常采用數(shù)值模擬計算獲得，因此構(gòu)建根系吸水模型就顯得尤為重要，根系吸水模型研究大致分為2種：微觀方法和宏觀方法。微觀方法考慮了根系和根系附近土壤的水分通量，描述了水分通過單個根系的運動；宏觀方法將根系視為一個單匯項，代表了單個根系吸水的總和[8]。宏觀方法簡單方便，應(yīng)用較為廣泛[9]。其中HYDRUS軟件內(nèi)嵌van Genuchten、Gardner等水分運移模型，可對非飽和土壤中水、熱及溶質(zhì)的一維運動進行模擬。HYDRUS軟件模擬的土壤水分運移結(jié)果較好，如向友珍[10]利用HYDRUS模擬了溫室滴灌甜椒果實膨大期的根系吸水和土壤水分運移，結(jié)果表明，模型精度較好，證實了HYDRUS模型可用于作物灌溉策略的評價。【切入點】目前HYDRUS主要用于土壤水分動態(tài)運移和溶質(zhì)運移的研究和預(yù)測，其模擬根系吸水量的功能使用較少，李會杰等[11]、丁超明等[12]利用HYDRUS對玉米的根系吸水進行了模擬，但通過HYDRUS模擬番茄根系吸水量的研究鮮見?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于此，本研究以溫室滴灌番茄為研究對象，針對覆膜虧水條件下根系的生長和吸水特性進行深入研究，利用HYDRUS-1D模型模擬根系層土壤水分動態(tài)變化，在此基礎(chǔ)上探討不同處理下的番茄產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率，旨在為優(yōu)化設(shè)施番茄栽培制度提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)試驗基地（35°9' N，113°5' E，海拔78.7 m）的日光溫室中進行。試驗日光溫室為東西走向，坐北朝南，占地面積達510 m2（長60 m×寬8.5 m）。溫室頂部覆蓋材料有無滴聚乙烯薄膜（厚0.2 mm）和保溫棉被（厚5 cm）。溫室墻體厚60 cm，為更好地發(fā)揮溫室的保溫作用，墻內(nèi)均嵌有保溫材料，室內(nèi)無其他增溫設(shè)施。試驗區(qū)0～60 cm土壤質(zhì)地為壤土，土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗以20 cm標準蒸發(fā)皿的累計蒸發(fā)量（p）為依據(jù)，結(jié)合地膜覆蓋情況，設(shè)置3種處理：無膜高水處理（WM-0.9，水面蒸發(fā)系數(shù)為0.9）、有膜高水處理（FM-0.9）和有膜低水處理（FM-0.5，水面蒸發(fā)系數(shù)為0.5），其中FM-0.9為對照。番茄品種為“金鵬M6”，于2020年1月5日育苗，番茄長至5葉1心時（3月4日）進行移栽，移栽后FM-0.9和FM-0.5處理鋪設(shè)黑色地膜（材料為聚乙烯，厚度為0.008 mm）。試驗小區(qū)長8 m，寬2.2 m，所有處理均采用寬窄行交替種植，寬行65 cm，窄行45 cm，株距30 cm。每個處理3次重復(fù)，采用隨機區(qū)組設(shè)計。各小區(qū)之間埋設(shè)塑料薄膜（深60 cm），避免水分側(cè)滲。試驗供水方式為滴灌，滴頭流量1.1 L/h，間距30 cm，滴頭與植株對應(yīng)。蒸發(fā)皿保持高度在冠層上方30 cm，根據(jù)番茄生長情況及時調(diào)整高度，并于每日07:30—08:00用精度為0.1 mm成套配備的量筒測定蒸發(fā)量，測量后再次添加20 mm蒸餾水，避免水中出現(xiàn)雜質(zhì)。通過標準蒸發(fā)皿（直徑20 cm，深11 cm）的累積蒸發(fā)量（p）確定灌水定額和時間，灌溉時間由p確定，當p為（20±2）mm時進行灌溉，灌水定額（r）按式（1）計算：

rpc， （1）

式中：r為灌水定額（mm）；c為水面蒸發(fā)系數(shù)；p為累計蒸發(fā)量（mm）。

番茄移栽后補水20 mm進行保苗，在苗期不進行灌水施肥，進入快速生長期且0～60 cm土壤含水率降至75%田間持水率時開始進行水分處理。試驗底肥為112 kg/hm2尿素（含46%N）、150 kg/hm2硫酸鉀（含50%K2O）和120 kg/hm2過磷酸鈣（含14%P2O5），水分處理開始后，分別在第2、4、6、8、10次灌水時，采用水肥一體化系統(tǒng)隨水追肥，每次追肥量為18.8 kg/hm2尿素和25 kg/hm2硫酸鉀。番茄坐果后，留5層果，每層留4果。所有小區(qū)的農(nóng)藝措施（如打頂、噴藥等）與當?shù)匾恢隆?/p>

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水率

選擇具有代表性的2棵植株中間位置測量土壤含水率。土壤剖面含水率由TRIME-IPH時域反射儀（Micromodultechnik GmbH，Germany）進行測定，測量深度為20、40、60、80和100 cm，全生育期內(nèi)每隔7 d測1次，灌水后加測，每個處理3次重復(fù)，計算時取平均值。定期采用取土烘干法校正以確保數(shù)據(jù)準確性。

實際作物蒸散量（c）由水量平衡法[13]計算：

式中：c為實際作物蒸散量（mm）；為降雨量（mm）；r為灌水量（mm）；為地下水補給量（mm）；w為深層滲漏量（mm）；為地表徑流（mm）；Δ為土壤深度0～100 cm的儲水變化量（mm）。試驗在溫室中進行，故=0；地下水埋深在5.0 m以下，番茄不能吸收利用，即=0；因單次灌水量較少（最大為22 mm），灌溉不產(chǎn)生深層滲漏和地表徑流，故w=0、0。

1.3.2 植株蒸騰

試驗于2020年5月10日—6月27日采用包裹式莖流計（Flow32-1 k system，Dynamax，Houston，TX，USA）測定植株莖稈液流速率（）。各小區(qū)隨機選取6株長勢良好且形態(tài)相似的植株，探頭安裝位置為植株第3與第4側(cè)枝之間，且高度距地表20 cm，以防止土壤熱量造成干擾。在莖干處涂抹植物油后進行安裝以確保傳感器探頭與植株接觸良好。為防止太陽輻射對傳感器造成影響，在外部裹2～3層泡沫錫箔，同時使用保鮮膜膠帶封口。探頭型號為SGB9，5 s收集1次數(shù)據(jù)，每15 min計算平均值并保存在DT80數(shù)據(jù)采集器（Data Taker，Australia）中。莖流計安裝好后，測定探頭以上的植株葉面積。作物蒸騰量（）[14]計算式為：

式中：為作物蒸騰量（mm/d）；為植株樣本總數(shù)，6；為第個樣本植株的莖流（g/d）；LA為第個樣本植株的葉面積（cm2）；為水的密度（g/cm3）；為葉面積指數(shù)（cm2/cm2）。

1.3.3 土壤蒸發(fā)

各小區(qū)于2020年3月7日—6月30日依次在植株棵間和行間布置2套微型蒸滲儀測定蒸發(fā)量。微型蒸滲儀由材質(zhì)為鍍鋅鐵皮的內(nèi)筒和外筒組成，直徑分別為10.0 cm和11.4 cm，高度均為9.6 cm。外筒埋設(shè)于土壤內(nèi)，上邊沿和地表齊平。取土樣時將內(nèi)筒緩緩壓入土壤至充滿筒體，取出內(nèi)筒后將外表和底面多余土壤拭去，并用塑料薄膜包裹底部，每隔1 d和灌水后將土樣更換。每日08:00稱取內(nèi)筒質(zhì)量（要求天平精度至少為0.1 g），2 d測量差值即為前1天的土壤蒸發(fā)量。每日土壤蒸發(fā)量（）計算式為：

式中：為土壤蒸發(fā)（mm/d）；為微型蒸滲儀總樣本數(shù)，為樣本個體；Δ為第+1日和日的微型蒸滲儀質(zhì)量差值（g）；為微型蒸滲儀的橫截面積（cm2）。

1.3.4 根系

試驗結(jié)束，各小區(qū)選5棵具有代表性的植株，用直徑為7 cm的根鉆在棵間和行間各取根1次，取根深度為60 cm，每10 cm為1層。所取根系放入網(wǎng)袋沖洗后，由雙面掃描儀（Epson Expression 1600 pro，Japan）掃描成黑白圖片文件，用圖像分析系統(tǒng)（WinRHIZO Pro2004 b，Canada）分析根系形態(tài)特征指標如根長、根表面積、平均根系直徑、根體積等。

1.3.5 產(chǎn)量（）、水分利用效率（）和灌溉水利用效率（）

每行選取中間20棵植株作為測產(chǎn)植株，各小區(qū)果實成熟采摘時，采用精度為0.005 kg的電子秤稱取番茄質(zhì)量并記錄個數(shù)，計算產(chǎn)量。

和的計算式為：

式中：為水分利用效率（kg/m3）；c為實際作物蒸散量（mm）；為灌溉水利用效率（kg/m3）；為產(chǎn)量（t/hm2）；為灌水量（mm）。

1.3.6 根系吸水

HYDRUS-1D軟件可對非飽和土壤中水、熱及溶質(zhì)的一維運動進行模擬[15]。本研究主要利用HYDRUS-1D模擬試驗的土壤水分狀況和根系吸水情況。利用van Genuchten模型擬合土壤水分特征曲線，即：

式中：為土壤體積含水率（cm3/cm3）；為壓力水頭（cm），當土壤處于飽和狀態(tài)時，=0；r為殘余含水率（cm3/cm3）；s為飽和含水率（cm3/cm3）；、、為模型參數(shù)，=1-1/；為非飽和導(dǎo)水率（cm/d）；s為飽和導(dǎo)水率（cm/d）；為經(jīng)驗擬合參數(shù)，通常取平均值0.5。

土壤水分運動方程中，源匯項()為根系吸水，可用Feddes模型[16]描述為：

()()， （9）

式中：為潛在根系吸水量（1/d）；()為表示土壤水勢對根系吸水的影響函數(shù)。()的表達式為：

式中：1為植物厭氧生活點的壓力水頭（cm）；2和3為植物最優(yōu)生長點的壓力水頭（cm）；4為植物生長凋萎點的壓力水頭（cm）。具體參數(shù)采用Li等[17]給出的番茄推薦值，1=-10 cm；2=-25 cm；3=-300 cm；4=-15 000 cm。

1.3.7 模型參數(shù)設(shè)置

土壤顆粒組成及體積質(zhì)量參數(shù)已通過試驗獲得，其他土壤水力參數(shù)參考模型土壤水力參數(shù)數(shù)據(jù)庫確定初始值，經(jīng)與實測值校準優(yōu)化得到參數(shù)，如表2所示。HYDRUS-1D模擬周期為2020年4月5日—6月21日，共78 d。假設(shè)模擬區(qū)域為一維剖面，土壤深度為60 cm，有限均分為61個節(jié)點網(wǎng)格。WM-0.9處理的上邊界設(shè)為地表與大氣相接，F(xiàn)M-0.9處理和FM-0.5處理因為鋪設(shè)不透水地膜切斷了大氣和地表的水分傳輸路徑，設(shè)為零通量邊界條件。所有處理下邊界均設(shè)為自由排水邊界，初始條件選擇“含水率”，忽略滯后效應(yīng)。根系吸水函數(shù)有Feddes和S-Shape（van Genuchten）函數(shù)，有研究發(fā)現(xiàn)Feddes函數(shù)的模擬結(jié)果應(yīng)更趨合理、切合實際[18]，因此根系吸水函數(shù)選用Feddes分段函數(shù)。各處理通過和計算，將和作為時變邊界條件。

表2 土壤特性參數(shù)表

1.3.8 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析和圖表繪制分別選用SPSS 26.0和Microsoft Excel 2010。采用單因素ANOVA 的Duncan分析法進行多重比較。采用均方根誤差（Root mean square error，）和回歸系數(shù)（regression coefficient，0）評價模型精度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率變化特征

由圖1可知，0～60 cm的平均含水率表現(xiàn)為FM-0.9處理>WM-0.9處理>FM-0.5處理。FM-0.9處理在20、40、60 cm位置的平均土壤含水率分別為0.189、0.219和0.249 cm3/cm3，相同深度處較WM-0.9處理高8.0%、5.8%和8.7%，這是因為覆膜措施可以減少土壤蒸發(fā)。與FM-0.9處理相比，F(xiàn)M-0.5處理減少了44.4%的灌溉定額，因此在20、40、60 cm位置的土壤含水率分別降低14.3%、18.4%和12.8%。各處理不同土層的土壤含水率在整個生育期均隨著土壤深度的增加而增加，且由于根系分布主要集中在表層，因此土壤含水率在20 cm的波動幅度較大，在40 cm和60 cm處則變化相對平穩(wěn)。在快速生長期和生長中期，植株生長需要大量水分，各層土壤的含水率總體呈現(xiàn)降低趨勢。進入生育后期后，淺層土壤含水率都有所增加，各土層土壤含水率趨近平穩(wěn)或相同，差異減小。這是因為植株進入生理成熟期后，自身生理機理衰退，葉片逐漸黃化，需水量減少導(dǎo)致的，這與之前的研究[19]類似。

圖1 土壤含水率變化曲線

2.2 根系形態(tài)分布

2.2.1 相同地膜覆蓋不同水分處理下的根系特征

表3為各處理不同土壤深度的根長、根表面積、平均根系直徑、根體積變化特征。FM-0.9處理和FM-0.5處理的根長有隨土壤深度的增加逐漸減少的趨勢，且均主要集中在0～20 cm處，F(xiàn)M-0.9處理和FM-0.5處理在該土層的根長分別占土層0～60 cm總根長的56.2%和78.9%。FM-0.5處理在表層0～10 cm的根長密度（4.5 cm/cm3）比FM-0.9處理（2.04 cm/cm3）增加了120.6%，但在20～50 cm土層，F(xiàn)M-0.5處理的根長密度要略低于FM-0.9處理，在其他土層中，根長密度相近；同一處理的根表面積和根體積的變化規(guī)律相同，但不同處理的根表面積和根體積隨深度的變化規(guī)律不同，高水FM-0.9處理的根表面積和根體積隨土壤深度的增加先增大后減少，在土層30 cm達到最大值（83.5 cm2、1.84 cm3），F(xiàn)M-0.5處理的根表面積、根體積則隨深度的增加逐漸減小，在土壤表層0～10 cm達到最大值（119.5 cm2、0.67 cm3），較FM-0.9處理分別高62.1%、15.5%，50～60 cm土層中的根表面積略高于FM-0.9處理，但在其他土層中都低于FM-0.9處理，而在土壤0～60 cm內(nèi)的根表面積和根體積，F(xiàn)M-0.9處理較FM-0.5處理分別增加了27.5%、166.2%；各處理的平均根系直徑隨土壤深度呈先增大后減小的規(guī)律，F(xiàn)M-0.9處理和FM-0.5處理均在土層30 cm處達到最大值（1.11 mm和0.69 mm）。FM-0.5處理在各土層的平均根系直徑均低于FM-0.9處理，這可能是因為灌水量小，在水分脅迫的作用下，根系盡可能地減小根系直徑增大根表面積以獲取更多的土壤水分。

2.2.2 相同水分不同地膜覆蓋處理下的根系特征

無膜WM-0.9處理和覆膜FM-0.9處理的根長隨深度的變化規(guī)律不同，F(xiàn)M-0.9處理隨土壤深度的增加逐漸減少，而WM-0.9處理隨土壤深度的增加先增大后減少，在土層20 cm處達到最大值3.76 cm/cm3，WM-0.9處理在0～20 cm的根長比FM-0.9處理多了106.0%，但與FM-0.9處理相似，在該土層的根長，WM-0.9處理占土層0～60 cm總根長的58.6%，而在各土層中WM-0.9處理的根長密度要高于FM-0.9處理，其總根長比FM-0.9處理多了97.7%。同一處理的根表面積和根體積的變化規(guī)律相同，且WM-0.9處理和FM-0.9處理的規(guī)律相似，均是隨土壤深度先增大后減少，WM-0.9處理的根表面積、根體積在土層20 cm處達到最大值（140.3 cm2、1.51 cm3），F(xiàn)M-0.9處理則在土層30 cm達到最大值（83.5 cm2、1.84 cm3），50～60 cm土層中的根表面積和根體積略高于WM-0.9處理，但在其他土層低于WM-0.9處理，其總根表面積和根體積較WM-0.9處理減少了37.2%、14.4%；與其他處理相似，WM-0.9處理的平均根系直徑隨深度呈先增大后減小，在土層30 cm處達到最大值（0.82 mm），但其各土層的平均根系直徑變化不大，根系較粗，均在0.6～0.8 mm左右，而FM-0.9處理則變化較大，平均根系直徑由土層60 cm的0.63 mm到最大值1.11 mm，差值是WM-0.9處理的2.0倍。整體來看，F(xiàn)M-0.9處理的平均根系直徑較大，這可能是因為覆膜后土壤水分較多，刺激了根系的生長。

表3 不同土壤深度的根長、根表面積、根體積、平均根系直徑

注 表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤，同根系形態(tài)指標同深度不同字母代表不同處理之間差異顯著（<0.05）。

2.3 產(chǎn)量、水分利用效率和灌溉水利用效率

表4為不同處理的產(chǎn)量（）、水分利用效率（）和灌溉水利用效率（）。由表4可知，與FM-0.9處理的產(chǎn)量相比（147.7 t/hm2），WM-0.9處理顯著降低了產(chǎn)量16.2%（123.8 t/hm2）（<0.05），F(xiàn)M-0.5處理降低灌水量后，其產(chǎn)量也大幅度減少（<0.01），為119.5 t/hm2，比FM-0.9處理少了19.1%。與WM-0.9處理相比，F(xiàn)M-0.9處理的和也有明顯的提高，分別從43.9 kg/m3和45.2 kg/m3提高到了53.0 kg/m3和53.9 kg/m3，而FM-0.5處理最高，分別為59.0 kg/m3和70.3 kg/m3。WM-0.9處理和FM-0.9處理的、差值相差較小，而FM-0.5處理的、差值較大，這主要是因為FM-0.5處理的灌水量小，只能從初始土壤儲水量中汲取水分，補償植株生長所需，因此整個生育期內(nèi)的土壤儲水量變化大，為32.5 mm（表6），遠大于WM-0.9處理的4.4 mm和FM-0.9處理的4.7 mm，導(dǎo)致和相差較大。說明，覆膜可提高、，降低灌水量不利于產(chǎn)量的形成，而灌水量較大的FM-0.9處理可保持較大、的同時，顯著提高產(chǎn)量。

表4 產(chǎn)量（Y）、水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）

注 表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤，同指標不同字母代表不同處理間差異顯著（<0.05）。

2.4 根系吸水

2.4.1 模型驗證

植物根系吸收的水分約99%被用于蒸騰作用，根系吸水量（）和蒸騰量（）有著密切的聯(lián)系。利用土壤水分實測數(shù)據(jù)和式（3）計算的蒸騰量對模型可靠性進行驗證。由表5可以看出，各土層土壤含水率的模擬值與實測值在0.010 cm3/cm3以內(nèi)，0在0.867～1.076左右，WM-0.9、FM-0.9處理和FM-0.5處理與的分別為0.515、0.581、0.488 mm/d，0分別為0.890、0.920、0.934，表明模型可靠，HYDRUS-1D能夠很好地模擬番茄的水分運移過程。

表5 土壤含水率、RWU模擬誤差分析

表6 番茄根區(qū)土壤水分平衡

Table.6 Soil water balance in tomato root zone

2.4.2 根系吸水

圖2為HYDRUS-1D模擬的，可以看出，移栽31 d后的每日在3～5 mm左右。隨著土壤有效水分的增加（圖1），相應(yīng)增加，表現(xiàn)為FM-0.9處理>WM-0.9處理>FM-0.5處理。FM-0.9處理和WM-0.9處理的灌水量相同，均為274 mm，但整個模擬期內(nèi)2個處理的分別為240.9 mm和193.7 mm，分別為53.9 kg/m3和45.2 kg/m3，覆膜減少了表層土壤水分蒸發(fā)，抑制了土壤水分消耗，促使根系吸收土壤水分增多，F(xiàn)M-0.9處理比WM-0.9處理可以更有效地利用灌溉水。與FM-0.9處理相比，F(xiàn)M-0.5處理灌水量減少，植株受到水分脅迫，促進根系盡可能地多吸收土壤中的有效水分，導(dǎo)致土壤儲水量變化大，但受到灌水量和土壤水分的限制，F(xiàn)M-0.5處理的為190.2 mm，比FM-0.9處理減少了21.0%。因此，F(xiàn)M-0.9處理有利于促進的吸收。

圖2 RWU日變化曲線

圖3為隨深度的變化曲線。由圖3可知，0～40 cm是根系主要的水分吸收區(qū)域，WM-0.9、FM-0.9、FM-0.5處理分別占總的84.2%、85.7%和83.2%。WM-0.9處理和FM-0.9處理的在表層0～20 cm接近，均達到最大值6.0 mm，在土壤20～40 cm差異明顯，WM-0.9處理在20～25 cm迅速減小，在25 cm略有升高，而FM-0.9處理在20～40 cm平穩(wěn)減少，在土壤40～60 cm的與WM-0.9處理趨近相同，這與根系密度的分布相同。與FM-0.9處理相比，F(xiàn)M-0.5處理的番茄植株受到水分脅迫，根系進行自我調(diào)節(jié)，表層0～10 cm的根長密度和根表面積分別增加120.6%和62.1%，導(dǎo)致FM-0.5在表層0～15 cm的最高，為7.9 mm，而總較低。隨著深度的增加，土壤含水率增加，根系分布趨近相同，各處理的也漸漸相近。說明，F(xiàn)M-0.9處理有利于土壤20 cm以下土壤水分的吸收和利用。

圖3 RWU的深度變化曲線

3 討論

植株生長所需水分主要由根系輸送，根系在土壤水分和植株中起著不可或缺的作用。在土壤表層10 cm，F(xiàn)M-0.9處理的根長密度（2.04 cm/cm3）明顯小于FM-0.5處理（4.5 cm/cm3），但FM-0.9處理的高于FM-0.5處理。灌水量的增加促進了的吸收，當番茄受到水分脅迫后，引起了水分和離子運輸?shù)馁|(zhì)外體阻力的形成，徑向途徑上的傳輸阻力增加，水通道蛋白的活性降低，大大減小了根系水力傳導(dǎo)度[20]，此外，水分脅迫導(dǎo)致土壤水勢降低，根系產(chǎn)生信號物質(zhì)輸送到植株地上部分，造成了氣孔的閉合和蒸騰拉力的減小，也使得水力傳導(dǎo)度降低，根系形態(tài)和生理特性較正常供水條件下變化較大，導(dǎo)致了減少[21-22]。雖然下層土壤含水率較高，但番茄吸收的深層水分較少，這可能是因為根系較少，本研究無法證明是其他原因引起的，如根系下扎深度、吸水持續(xù)時間或根系吸水功能等。WM-0.9處理與FM-0.9處理灌水量一致，但WM-0.9處理的根長密度大，較少。這是因為根長密度大僅表明根系吸水能力大，并不能表明根系消耗的水量多[23]。而且，覆膜具有保水保溫作用，能大大減少土壤水分的蒸發(fā)，使土壤長期保持濕潤狀態(tài)，有益于土壤微生物的繁殖，加快腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化成無機鹽，更有利于根系的吸收。因此，F(xiàn)M-0.9處理的、產(chǎn)量分別比WM-0.9處理高24.4%、19.3%。

根系長度是限制的重要因素，而是否足夠供給作物的蒸騰需水量則直接影響到衡量作物是否受到水分脅迫及脅迫程度[24]。從表3和圖5可以看出，WM-0.9、FM-0.9處理和FM-0.5處理在土壤0～40 cm的根長分別占土壤0～60 cm總根長的85.7%、84.1%和88.4%，而在土壤0～40 cm的分別占總的84.2%、85.7%和83.2%。WM-0.9處理的根長密度和在10～20 cm達到最大值，而FM-0.9處理和FM-0.5處理的根長密度則均呈隨深度不斷減小的趨勢，在土壤表層10 cm最高，各處理的根長密度分布規(guī)律與其根系吸水分布規(guī)律相似，二者之間有著密切聯(lián)系?？到B忠等[25]對冬小麥根系吸水的研究表明，土壤均勻濕潤時根系吸水速率和根系密度的分布相同，因此認為土壤充分濕潤時的根系吸水速率分布與根系密度分布成正比例關(guān)系。這對于本研究中的水分虧缺試驗有一定的借鑒價值。但本研究并未對不同水分處理之間根長密度與的聯(lián)系進行探討，在今后的研究中可以進一步考慮不同水分虧缺條件下根長密度和之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

1）同一灌溉制度下，覆膜抑制了表層根系的生長，無膜WM-0.9處理在0～20 cm的根長比有膜FM-0.9處理增加106.0%，WM-0.9處理的總根長、總根體積、總根表面積等均高于覆膜處理，但覆膜有助于根系吸水速率的提高，覆膜處理的根系吸水量增加了24.4%，同時減少了土壤蒸發(fā)，有助于水分利用效率和灌溉水利用效率的提高，分別從43.9 kg/m3和45.2 kg/m3提高到了53.0 kg/m3和53.9 kg/m3。

2）覆膜條件下，根系分布較淺，主要集中在0～20 cm處，F(xiàn)M-0.5處理在水分脅迫的作用下，根系盡可能地減小根系直徑增大根表面積以獲取更多的土壤水分，但在土壤0～60 cm內(nèi)，F(xiàn)M-0.9處理的根表面積和根體積仍分別比FM-0.5處理高了27.5%、166.2%，而FM-0.5處理的根系吸水量為190.2 mm，比FM-0.9處理減少了21.0%，F(xiàn)M-0.9處理更有利于根系吸水量的增加。

3）土層0～40 cm是根系主要的水分吸收區(qū)域，WM-0.9、FM-0.9、FM-0.5處理分別在該層的根系吸水量占總根系吸水量的84.2%、85.7%和83.2%。WM-0.9處理和FM-0.5處理在土層20～40 cm的根系吸水量迅速下降，而FM-0.9處理仍可保持較高的根系吸水量，有利于深層土壤水分的吸收和利用。

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The Effects of Water Deficit on Root Growth and Water Uptake of Mulched Greenhouse Tomato under Drip Irrigation

GE Jiankun1, PING Yinglu1, GONG Xuewen1*, WANG Ling2, XIN Qingcong1, ZHANG Lei1, LIU Huanhuan1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China 2. Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd, Zhengzhou 450003, China)

【】Facility vegetable production in China relies on drip irrigation with the seedbed mulched. How roots grow and its consequence for water uptake is an issue that is not fully understood. The aim of this paper is to investigate the change in root traits and water uptake of tomato under deficit irrigation, as well as the effect of initial soil water on demand of the crop for water.【】The experiment was conducted in a solar greenhouse, and the irrigation amount in each treatment was calculated based on the cumulative evaporation (P) measured from a 20 cm standard evaporation pan installed inside the greenhouse. There were three treatments: irrigating 90% ofPwith the soil mulched (FM-0.9) and not mulched (WM-0.9) by plastic film, and irrigating 50% ofPwith the soil mulched (FM-0.5). In each treatment, we measured root distribution and change in soil water content. The root water uptake was calculated inversely using HYDRUS-1D, from which we analyzed the factors which impacted root water uptake as well as the consequence for fruit yield.【】Root length in the top 20 cm soil in WM-0.9, FM-0.9 and FM-0.5 accounted for 58.6%, 56.2% and 78.9% of their total root length, respectively. The mean root square error of the soil moisture content simulated by HYDRUS-1D was less than 0.010 cm3/cm3, and the regression coefficient between the measured and simulated soil water content was in the range of 0.867～1.076. The mean root square error of the measured transpiration and the simulated total root water uptake was less than 0.581 mm/d, and the regression coefficient between them was higher than 0.890. The largest root water uptake was in FM-0.9, totaling 240.9 mm, 24.4% and 26.7% more than that in WM-0.9 and FM-0.5, respectively. Roots took most of the water the crop transpired from the 0～40 cm of soil, accounting for 84.2%, 85.7% and 83.2% of the total transpiration for WM-0.9, FM-0.9 and FM-0.5, respectively. Water use efficiency and irrigation water use efficiency of FM-0.5 were 59.0 and 70.3 kg/m3, 34.4% and 55.5% above that of WM-0.9, and 11.3% and 30.4% higher than that of FM-0.9, respectively. FM-0.9 gave the highest fruit yield at 147.7 t/hm2, 19.3% and 23.6% higher that of WM-0.9 and FM-0.5, respectively. 【】Our experimental results showed that irrigating 90% ofPcombined with film mulching is optimal to increase the use of deep soil water for greenhouse tomato production.

solar greenhouse; mulched drip irrigation; HYDRUS-1D; root length density; root water uptake

葛建坤, 平盈璐, 龔雪文, 等. 水分虧缺對溫室覆膜滴灌番茄根系生長及吸水量的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(3): 1-9.

GE Jiankun, PING Yinglu, GONG Xuewen, et al. The Effects of Water Deficit on Root Growth and Water Uptake of Mulched Greenhouse Tomato under Drip Irrigation [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 1-9.

S274.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021392

1672 - 3317（2022）03 - 0001 - 09

2021-08-22

國家自然科學(xué)基金項目（51709110，51809094，51779093）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目（2020GGJS100）；河南省重點研發(fā)與推廣專項（192102110090）

葛建坤（1983-），男，河北保定人。副教授，博士，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: 54012012@qq.com

龔雪文（1987-），男，河南安陽人。講師，博士，主要從事作物水分生理與高效利用等方面的研究。E-mail: gxw068@126.com

責任編輯：韓 洋