基于土壤含水量的灌溉制度對番茄生理、產(chǎn)量及水分利用效率的影響

黃 媛，于景鑫，杜亞茹，康藝凡，杜鵬飛，田國英

（1.石家莊市農(nóng)業(yè)信息感知與智能控制重點實驗室·石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心·河北省都市農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心·石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院 石家莊 050041；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心 北京 100097）

河北省是蔬菜產(chǎn)銷大省，2020 年蔬菜產(chǎn)量5 198.2 萬t，位居全國第4 位，設(shè)施蔬菜快速發(fā)展，設(shè)施蔬菜產(chǎn)量1 258.2 萬t，占蔬菜總產(chǎn)量24.2%，2020 年河北省農(nóng)業(yè)用水量為107.7 億m3，是全省總用水量的58.93%[1]，隨著資源環(huán)境約束日益加劇，農(nóng)業(yè)節(jié)水提質(zhì)增效成為河北省農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重中之重，2020 年河北省噴滴灌面積達25.9 萬hm2[2]，滴灌是有效減少滲漏蒸發(fā)，實現(xiàn)節(jié)水增效的有效途徑。目前，利用土壤水分傳感器實現(xiàn)土壤含水量監(jiān)測從而制定精準(zhǔn)的灌水制度，提高水分利用效率，是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)種植管理的重要手段。

依據(jù)灌水量、灌溉頻次或土壤水分開展節(jié)水灌溉制度研究是國內(nèi)設(shè)施番茄栽培的重要研究方向。其中，張坤[3]在干旱、半干旱地區(qū)從節(jié)約水資源方面考慮，研究發(fā)現(xiàn)75%ET0處理的灌水量可作為番茄節(jié)水灌溉制度。郭彬等[4]研究表明，番茄在覆膜條件下，設(shè)置80%FC 灌水上限可獲得較高產(chǎn)量和較好的品質(zhì)。李旭峰等[5]研究表明，番茄苗期減少50%灌水量，在保證產(chǎn)量的同時節(jié)約了灌水量18%。劉曉奇等[6]在番茄第一穗果坐住時（果實直徑1 cm）進行不同程度水分虧缺灌溉處理，結(jié)果顯示，中度水分虧缺即60%灌水量可作為日光溫室基質(zhì)栽培高品質(zhì)番茄的灌溉制度。

大量研究結(jié)果表明，在灌溉管理中，以適當(dāng)?shù)耐寥浪趾繛楣喔乳_啟條件可增加番茄產(chǎn)量，提高品質(zhì)和水分利用效率[7]。但研究結(jié)論不盡相同，這可能與不同地區(qū)土壤、氣候條件，不同種植管理制度相關(guān)。因此，筆者立足河北省設(shè)施番茄種植環(huán)境，在典型生產(chǎn)型日光溫室中，利用土壤水分多剖面立體監(jiān)測設(shè)備，開展以不同土壤相對含水量為灌溉開啟條件的灌水試驗，以期通過對番茄生理、品質(zhì)、產(chǎn)量及水分利用率的分析研究，獲得高效節(jié)水的設(shè)施番茄滴灌控制制度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗地點為石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院趙縣農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，試驗溫室為鋼架結(jié)構(gòu)，長度90.0 m、寬度8.0 m、頂高度4.5 m，后墻為厚度0.5 m 的磚墻，覆蓋材料為聚乙烯膜，種植面積489.0 m2。試驗地土質(zhì)為壤土，0～40 cm 深土壤的物理性質(zhì)及養(yǎng)分含量情況見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)

番茄材料為盛豐5 號（海澤拉啟明種業(yè)北京有限公司），該品種為有限生長型，中型果，粉紅果色，綜合抗逆性強。苗長至5 葉1 心、苗高10～12 cm進行定植。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4 個處理，灌水上限均為土壤的田間持水量（100% FC），下限分別為50% FC、60% FC、70% FC、80% FC，分別記為T1、T2、T3、T4，對照CK 依據(jù)本地常用滴灌灌溉制度[8]進行灌溉。灌水濕潤層為深度0～40 cm 土層，即依據(jù)0～40 cm 土壤的平均含水量作為灌水依據(jù)。

利用土壤水分多剖面立體監(jiān)測設(shè)備（農(nóng)芯科技，中國）對土壤水分含量（體積分?jǐn)?shù)）進行監(jiān)測，設(shè)備埋設(shè)至各小區(qū)南北距離正中部，壟上距番茄植株15 cm 處。依據(jù)NY∕T 3678—2020（土壤田間持水量的測定圍框淹灌儀器法）技術(shù)要求，對供試土壤最大持水量（體積分?jǐn)?shù)）進行計算。定植后每5 min 對所在小區(qū)土壤水分進行一次測量，試驗處理見表2。

表2 試驗處理

1.3 方法

小區(qū)面積3.0 m×6.7 m，每個處理設(shè)置3 次重復(fù)，各小區(qū)之間留2 行保護行。采用高畦單行栽培，畦高20 cm，畦底寬約50 cm，畦面寬40 cm，過道寬50 cm，株距0.33 m。采用滴灌灌溉，孔距0.30 m，1 行番茄布置1 條滴灌帶。

定植前按照5000 kg 目標(biāo)產(chǎn)量，底肥施用有機肥（活菌數(shù)2 億?g-1，有機質(zhì)40%，w，后同）1 022.49 kg?hm-2，磷酸二銨（氮18%，磷46%，）141.10 kg?hm-2，硝酸鉀（鉀52%）274.85 kg?hm-2，史丹利優(yōu)肽氮（氮46%）216.77 kg?hm-2。番茄每穗果膨大至直徑1.5 cm 時進行追肥，每次追復(fù)合肥（氮13%，磷6%，鉀40%）12.45 kg?hm-2，農(nóng)用硫酸鉀（鉀50%）9.75 kg?hm-2，恩樂施（氮32%）21.90 kg?hm-2。每次追肥確保各小區(qū)在7 d 內(nèi)完成追肥，各小區(qū)總施肥量一致。

2021 年8 月27 日番茄苗定植，定植后27 d 進入花期，10 月16 日第一穗果開始膨大進行灌水試驗，將試驗時期劃分為3 個時期：結(jié)果前期（10 月16 日至11 月15 日）、轉(zhuǎn)色期（11 月16 日至12 月9 日）、采收期（12 月10－31 日）。試驗至12 月31 日結(jié)束。各處理全生育期灌水量、灌水次數(shù)和灌水周期見表3。

表3 各處理灌溉情況

1.4 項目測定及方法

1.4.1 用水量 各小區(qū)分別安裝水表，記錄全生育期灌水量，根據(jù)種植密度計算單株耗水量（m3·株-1）。

1.4.2 作物生長、生理和果實產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo) 在結(jié)果前期、轉(zhuǎn)色期、采收期，利用Li-6400 便攜式光合測量儀（LI-COR，美國）測定凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，測量位置為生長點向下第3 片完全展開的功能葉，測量時段為光照條件較好的09：00－12：00；采收期隨機選取3 株植株將根、莖、葉、鮮果105 ℃殺青后轉(zhuǎn)80 ℃烘至恒質(zhì)量，采用精度0.01 g 天平稱取全株生物量（kg·株-1）。

采收期各處理選取5 株長勢較為一致的番茄植株采摘一穗果稱量果實質(zhì)量（kg），計算單株平均產(chǎn)量（kg·株-1）；依據(jù)果實質(zhì)量進行商品等級分級，大果質(zhì)量≥150 g，100 g＞中果質(zhì)量≥149 g，50 g＞小果質(zhì)量≥99 g，特小果質(zhì)量≤50 g，統(tǒng)計各等級番茄果實數(shù)量，計算各等級果占比（%）；各處理選取5 個成熟度較為一致的果實，采用分光光度計法[9]測定番茄紅素含量，采用2，6-二氯酚靛酚鈉滴定法[10]測定維生素C 含量，采用蒽酮比色法[10]測定可溶性總糖含量，采用NaOH 滴定法[10]測定可滴定酸含量。

1.4.3 經(jīng)濟指標(biāo) 根據(jù)產(chǎn)量和耗水量計算水分利用效率：WUEy=Y/ET，根據(jù)干物質(zhì)總量和灌水量計算生物量水分利用效率：WUEb=B/ET，式中Y為單株產(chǎn)量（kg·株-1），B為干物質(zhì)總量（kg·株-1），ET為單株耗水量（m3·株-1）[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 軟件進行試驗數(shù)據(jù)整理及圖表繪制，采用IBM SPSS Statistics 23 軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉下限對番茄光合參數(shù)的影響

由表4 可以看出，結(jié)果前期，所有處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均大于對照，說明這一時期以土壤含水量為灌溉依據(jù)的灌溉制度優(yōu)于以灌溉量為依據(jù)的灌溉制度，其中T3 表現(xiàn)最優(yōu)，且與T1、T4、CK 差異達到顯著性水平，凈光合速率較CK 提高了170.84%，氣孔導(dǎo)度提高了474.15%，蒸騰速率提高65.83%。轉(zhuǎn)色期，T3 處理葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率顯著高于CK，其中凈光合 速 率 較T1、T2、T4、CK 分 別 提 高70.45%、10.17%、26.73%、59.68%，氣孔導(dǎo)度分別提高了61.05%、32.22%、44.50%、112.10%，蒸騰速率分別提高了110.61%、45.05%、19.04%、51.03%。進入采收期，T2 處理的光合能力增強，但凈光合速率與T1、T3、T4 無顯著差異；T2 處理氣孔導(dǎo)度分別較T1、T3、T4、CK 顯著提高109.13%、34.65%、113.16%、212.78%；T2 處理蒸騰速率與T3 無顯著差異，較T1和CK 分別顯著提高了230.95%和128.26%。由此可見，以70%FC 為灌溉開啟條件的處理在結(jié)果前期和轉(zhuǎn)色期有利于葉片提高凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，進入果實采收期，以60%FC 為灌溉開啟下限的灌溉制度利于提高葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率，從而促進有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化和積累。

表4 不同灌溉下限對葉片光合參數(shù)的影響

2.2 不同灌溉下限對果實品質(zhì)和分級的影響

由表5 可以看出，T3 處理番茄紅素含量顯著高于其他處理，可滴定酸含量顯著低于其他處理，其中番茄紅素含量分別較T1、T2、T4、CK 提高了232.20%、121.05%、254.22%、222.19%，可滴定酸含量分別較T1、T2、T4、CK 降低了27.78%、25.71%、38.10%、29.73%，但T3 處理大果占比為38.89%，在各處理中最低；特小果占比5.56%，在各處理中最高。T1 處理維生素C 含量和總糖含量均顯著高于其他處理，其中維生素C 含量分別較T2、T3、T4、CK 提高了91.96%、55.46%、62.82%、29.26%，總糖含量分別較T2、T3、T4、CK 提高了22.43%、51.13%、76.98%、28.53%，同時T1 處理大果占比50.00%，特小果占比為0?？梢姡^高的土壤水分含量可提高番茄紅素含量，但不利于番茄果實膨大，以50% FC 為灌水開啟條件可顯著提高番茄維生素C 和總糖含量，同時促進了大果生產(chǎn)。

表5 不同灌溉下限對果實品質(zhì)及分級的影響

2.3 不同灌溉下限對經(jīng)濟指標(biāo)的影響

由表6 可以看出，T1 平均每株耗水量為0.060 4 m3，分別較T2、T3、T4、CK 節(jié)水37.86%、58.06%、58.37%、14.81%；不同灌溉處理下單株產(chǎn)量有一定差異，T2 產(chǎn)量為2.007 kg?株-1，分別較T1、T3、T4、CK 提 高 了43.15%、41.24%、23.13%、44.28%；利用平均單株耗水量與產(chǎn)量計算水分利用效率，其中以50%FC 為灌水開啟條件的T1 處理下的水分利用效率最高，分別較T2、T3、T4、CK 提高了12.42%、135.22%、106.59%、18.36%；各處理的生物量之間無顯著差異，T1 處理生物量水分利用效率方面同樣表現(xiàn)最優(yōu)，分別較T2、T3、T4、CK 提高了42.67%、139.21%、105.24%、2.06%。由此證明，土壤保持較高的土壤含水量導(dǎo)致灌溉量增加，單株耗水量提高，水分利用效率和生物量水分利用效率降低，以50% FC 為灌水開啟條件可達到較高的水分利用效率和生物量利用效率。

表6 不同灌溉下限對植株水分利用效率的影響

3 討論與結(jié)論

番茄的光合能力受水分影響顯著。土壤水分含量過低導(dǎo)致植物體內(nèi)水分含量下降，使得葉綠素活性降低，表現(xiàn)為凈光合速率下降，同時水分脅迫導(dǎo)致番茄功能葉氣孔導(dǎo)度顯著降低，作物蒸騰作用下降以減少水分蒸發(fā)，導(dǎo)致養(yǎng)分運輸能力降低[12]。T1 和T2 處理以50%FC 和60%FC 為灌溉下限，在結(jié)果前期、轉(zhuǎn)色期以及采收期，葉片的光合能力隨土壤含水量下降而下降，這一結(jié)論與前人研究結(jié)論一致；土壤水分過高則導(dǎo)致土壤通氣性下降，根系呼吸作用受阻，從而抑制了根系水分和養(yǎng)分的吸收[13]，筆者試驗中T4 處理以80%FC 為灌溉開啟條件，其葉片光合能力在各個生育期均低于T3 處理。

雷成霞等[14]對地下滴灌研究表明，輕度水分虧缺可以提高作物耐旱性和節(jié)水性。菅毅等[15]對不同節(jié)水灌溉方式的研究中發(fā)現(xiàn)，灌水下限為65%～75%時，綜合效益評價最高。在筆者的研究中，番茄結(jié)果前期和轉(zhuǎn)色期，70%FC 為灌溉下限可使番茄葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率最強，采收期，60% FC 為灌溉下限的光合能力進一步提高。由此可見，適度的土壤水分虧缺不僅不會抑制番茄生長，反而隨著生育期推進使植株的耐旱性逐漸增強[16]，同時導(dǎo)致底部葉片老化速度較快，進而促進了頂部功能葉的光合能力。

不同灌溉制度下番茄果實番茄紅素、維生素C、總糖、可滴定酸含量具有一定差異。劉亭亭等[17]研究顯示，始花結(jié)果期、果實生長初期、果實快速膨大期和品質(zhì)形成期水分充足有利于番茄紅素含量增加。筆者的研究印證了這一結(jié)論，T3 處理番茄紅素顯著高于其他處理121.05%～254.22%。有學(xué)者研究顯示，番茄果實中可溶性固形物、維生素C 含量隨灌水量減少而增加[18-20]。筆者的研究結(jié)果與前人結(jié)論基本一致，其中以50%FC 為灌溉下限的T1 處理獲得了較高的維生素C 和總糖含量，可滴定酸含量適中，果實營養(yǎng)含量及風(fēng)味最佳。大果較中小果更具經(jīng)濟價值，T1 和對照組大果占比均超過50%，且特小果率為0，T3 處理雖然果實番茄紅素較高，但大果率僅為38.89%，且特小果率最高，由此證明，適度較低的土壤水分含量可促進大果生長，減少特小果的出現(xiàn)。

番茄坐果期營養(yǎng)生長與生殖生長同時進行，適當(dāng)?shù)乃置{迫有利于營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化，因此番茄植株處于一定的水分虧缺狀態(tài)，水分利用效率更高[21]。張國新等[22]在對不同土壤基質(zhì)勢對產(chǎn)量及水分利用效率影響的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著基質(zhì)勢降低，灌水頻次減少，水分利用效率明顯提高。張輝等[23]在探討溫室膜下滴灌不同生育時期灌水控制下限與番茄產(chǎn)量、水分利用效率的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，水分利用效率隨番茄產(chǎn)量增加呈拋物線型變化，產(chǎn)量低于9.69×104kg?hm-2時生產(chǎn)單位質(zhì)量番茄用水較少。在筆者的研究中不同灌水制度可影響番茄產(chǎn)量，綜合用水量以50%FC 為灌水開啟條件水分利用效率和生物量利用效率最高，可有效實現(xiàn)設(shè)施番茄生產(chǎn)節(jié)水。

在設(shè)施番茄花果期栽培管理中，不同灌溉制度對番茄植株生長、產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率等方面均具有一定影響。綜合果實品質(zhì)、經(jīng)濟價值和水分利用效率，以50%FC 為開啟條件的灌溉制度可獲得優(yōu)良的果實品質(zhì)和較高的經(jīng)濟價值，同時有效實現(xiàn)節(jié)水增效目標(biāo)。