膜下滴灌不同水分处理对温室番茄根系活力和水分利用率的影响

2019-12-27李旭峰孙西欢马娟娟石小虎郭向红

节水灌溉 2019年12期

李旭峰，孙西欢,2，马娟娟，石小虎，郭向红

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西晋中 030619)

0 引言

番茄作为最受人们欢迎的蔬菜之一，在温室种植的发展速度较快，然而过量灌水现象较为严重，这不仅不利于番茄产量的提高，还降低了水分利用率，造成水资源浪费[1]。膜下滴灌有较高的经济、社会、环境效益，与传统沟灌相比，可以减少地面蒸发，增加土壤贮水，调节土壤温度，保持土壤肥力，增加作物产量，提高水分利用率，同时也为作物的生长发育创造了适宜的土壤环境[2,3]。水分作为作物生长发育的必备条件之一，直接或间接影响着作物的根系活力进而影响作物的产量[4]。张学科等通过对不同灌溉方式的研究表明，随着生育期进行，不同灌溉方式以100 cm为界土壤上下层含水率之间差异较大[5]。根系是作物吸收水分及养分的重要渠道，同时也是作物新陈代谢的重要指标之一，作物产量的高低与根系活力有密切关系[6,7]。在番茄不同生育阶段适当控制灌水量不仅可以提高番茄产量，还大大节约用水量[8]。目前，已有很多学者在膜下滴灌条件下不同深埋秸秆量、灌水量和施肥量对番茄的产量、品质和水分利用率等方面进行研究[9,11]，但在膜下滴灌条件下，根系活力以及水分利用率对不同生育期减少灌水量的响应研究甚少。本文考虑到番茄在不同生育期对水分需求不同，并结合膜下滴灌的诸多优点，通过在不同生育期减少灌水量，分析番茄各生育期不同土层含水率以及根系活力，并比较在全生育期充分灌水及在不同生育期减少灌水量番茄产量及水分利用率的大小，最终在本试验条件下确定一种合理的灌水方案，为我国半干旱地区温室番茄节水灌溉提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年5月到9月在山西省农业科学院旱地农业研究中心阳曲县河村试验基地温室内进行，该地属于典型的半干旱区，海拔1 248.5 m，年均降水量459.0 mm，降水集中在6-9月，年均蒸发量1 546.9 mm，年均温度5～7 ℃，全年无霜期144 d，10 ℃以上的积温2 840.6 ℃，试验地地势平坦，土壤为黄土质淡褐土。试验温室内0～60 cm土壤剖面平均容重1.43 g/cm3，田间持水率(体积含水率)为0.31 cm3/cm3，耕作层(0～20 cm)土壤有机质15.32 g/kg、全氮1.12 g/kg、碱解氮52.21 mg/kg、速效磷22.31 mg/kg 和速效钾120.32 mg/kg。试验温室为非加热型自然通风温室，主体为钢架结构，用塑料薄膜覆盖，东西走向(长×宽×高，50 m×7.6 m×4.6 m)，温室顶部和底部各设1 m宽通风口，并配置手动启闭装置，当温室内温度>35 ℃或<10 ℃时，通过开启或关闭通风口来调节温室内温度。

1.2 试验方法与设计

番茄于2018年5月19日定植，2018年9月15日拉秧，种植品种为“番茄1702”，生育期划分为缓苗期(2018-05-19到2018-06-01)、苗期(2018-06-02到2018-06-13)、开花坐果期(2018-06-14到2018-08-14)、成熟期(2018-08-15到2018-09-15)。本实验以集雨设备收集起来的雨水作为水源，从苗期开始通过膜下滴灌每隔9～11 d灌一次水，共设4个水处理，分别为全生育期充分灌水(灌水至田间持水量的90%)(W1)；苗期减少50% 灌水量，开花坐果期、成熟期复水(W2)；苗期开花期连续减少50% 灌水量成熟期复水(W3)和全生育期减少50% 灌水量(W4)，每个处理设3个重复。定植后为保证其成活率，地面灌定值水20 mm,直到苗期开始灌水处理。

表1 温室番茄试验设计Tab.1 Greenhouse tomato experiment design

注：W为各生育期每次的灌水量，W=(0.9θFc-θv) ×Zr×S×0.6，单位为m3；式中，θFc为田间持水量，cm3/cm3；θv为灌水前的土壤含水量，cm3/cm3；Zr为计划湿润层深度m，本文取0.6 m；0.6为湿润比；S指每个处理的灌水面积为25.2 m2。

1.3 温室管理与农艺措施

定植前在温室内均匀施入等量的磷肥200 kg/hm2和钾肥300 kg/hm2，并将全部有机肥、钙、镁、硼微量元素(过磷酸钙：225 kg/hm2，硼和镁：3 kg/hm2)做基肥均匀施入耕作层；氮肥分期施入，共400 kg/hm2，定植前施入3/5，在第一果实膨大期与第三果实膨大期等量追施1/5。温室共分为14个小区，用于试验处理的有12个小区，南北各一个保护小区，每小区设3沟3垄，植株间宽行距为80 cm，窄行距为40 cm，株距为50 cm，在垄上对番茄进行管理、喷药、采收等农务。试验小区之间埋设塑料薄膜，以防止各处理间相互干扰。定植时，番茄幼苗按单穴单株定植在垄两侧，提前3～4 d铺设黑色塑料地膜。全生育期内，每株番茄在4穗果后摘心，每穗留5～6个番茄。其他喷药等措施均按当地常规进行。

1.4 测定指标与方法

本试验测试的指标为土壤体积含水率、番茄根系活力、产量以及水分利用率。土壤体积含水率从苗期开始，每隔9～11 d在灌水前测定一次，在距离番茄植株水平方向5 cm处取土，垂向每隔15 cm为一层，取土范围为0～60 cm，采用烘干法测量。于番茄各生育期内测定一次根系活力，整根取样采用挖掘法，开挖的范围是以番茄植株为中心形成的40 cm×40 cm的正方形区域，挖掘深度为0～60 cm，以15 cm为一层，根系活力的测定采用TTC法，测定仪器为紫外分光光度计。番茄留4穗果后摘心，用电子天平测量各处理番茄的产量。水分利用率为每公顷地番茄产量与灌水量的比值。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel处理数据并作图，用SPSS17.0软件进行显著性检验(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理灌水前土壤含水率的变化

2.1.1 不同处理下土壤水分时间动态变化

图1为不同处理每次灌水前土壤体积含水率随时间的变化规律，从图1中可以看出各处理土壤含水率随时间的变化趋势基本一致。苗期番茄耗水量较小，所以土壤含水率较大；在开花坐果前期番茄植株生长旺盛，耗水量较大，含水率较低；当进入坐果期时，番茄植株长势基本稳定，耗水量减小；随之进入果实膨大期，耗水量增加，达到需水高峰期，对应的土壤含水率减小；最后进入成熟期，番茄生长减缓，耗水量减小，土壤含水率增大；此外，在整个生育期随着灌水量减少，土壤含水率也减小，处理W1在全生育期与处理W2含水率较接近，而与处理W3、W4差异显著；一般情况下，当土壤含水率占田持60%以上时认为能满足作物的需水要求[12]，处理W2土壤含水率占田持(0.31 cm3/cm3)的63%～81%，能满足番茄生长需要。

图1 番茄生育期内灌水前不同处理土壤含水率Fig.1 Soil moisture content under different treatments during irrigation in tomato growing period

注：小写字母表示差异显著(P=0.05)，下同图2 各时期不同处理灌水前土壤含水率垂向分布情况Fig.2 Vertical distribution of soil moisture content before irrigation in different treatment periods

2.1.2 各时期不同处理土壤含水率的垂向变化

图2为各时期不同处理沿土壤深度含水率分布情况，由图2(a)可知在苗期(6月13日)，各处理在0～15 cm土层中含水率最低，这是由于在生长初期番茄的主根分布在0～15 cm土层中，而且W1的土壤含水率均显著高于W2、W3、W4，处理W2、W3、W4在此时期为同一处理，表明在苗期减少灌水量会显著降低土壤的含水率；如图2(b)在开花坐果期(7月20日)，含水率最低值下移到30～45 cm土层，这是由于随着番茄植株的生长，番茄根系逐渐向下深扎，增加对下层土壤中水分的吸收，此外，上层土壤(0～30 cm)含水率处理W1最高，W2次之，W3、W4最小，处理W1、W2差异不显著，而与处理W3、W4差异显著，下层土壤(30～45 cm)含水率则仍表现为W1最高，W2次之，W3、W4最小，但处理W1与W2、W3、W4差异均显著，处理W2与W3、W4差异显著，处理W3与W4在开花坐果期为同一处理，差异不显著，这表明在开花坐果期，充分灌水会使土壤含水率保持最高，而在苗期减少灌水量，开花期复水后会使根系充分吸收底层(30～45 cm)水分，显著降低该层土壤含水率；如图2(c)在成熟期(9月12日),含水率最小值继续下移，各处理含水率表现为W1>W2>W3>W4，表明随着灌水量减少土壤含水率减小，在苗期减少灌水量复水后(处理W2)可使土壤保持较高含水率，而在全生育期减少灌水量(处理W4)会显著降低土壤含水率。

因此，应当在适当的时期减少灌水量，这样既不影响番茄的正常生长，又节约灌水。而处理W2在整个生育期不仅能满足番茄的需水要求，同时还减少了灌水量，使得番茄在全生育期的含水率保持较高值。

2.2 不同处理下番茄各生育期根系活力变化情况

2.2.1 不同土壤深度番茄根系活力值

图3为不同时期各处理在不同土壤深度的番茄根系活力值。由图3(a)在苗期，0～30 cm土层中处理W1显著大于其他处理，而在30～45 cm土层中W1处理显著小于其他处理，表明减少灌水量可以提高番茄下层根系活力值。在开花坐果期[图3(b)]，上层土壤中(0～30 cm)处理W1根系活力值最大，W2次之，处理W3、W4为最小值，在下层土壤中(30～60 cm)，W2处理的根系活力值显著高于其他处理，W4处理根系活力显著低于其他处理，这表明充分灌水使番茄上层根系活力保持最高值，而在苗期减少灌水量在开花坐果期恢复灌水后可显著提高番茄下层根系活力值。由图3(c)知在成熟期，随土层深度增加，根系活力逐渐降低，上层土壤中(0～30 cm)根系活力表现为W2>W1>W3>W4，表明在苗期减少灌水量，且开花坐果期、成熟期复水后能显著提高番茄上层根系活力值，在下层土壤中(30～60 cm)，根系活力值表现为W2>W3>W4>W1，表明减少灌水量可延缓番茄下层根系衰老，且随着复水时间的延长，这种作用越明显，处理W2下层根系活力分别比处理W3、W4高16%～32%、20%～36%。

图3 不同处理下番茄各生育期根系活力变化情况Fig.3 Changes in root activity of tomato at different growth stages under different treatments

因此，应选取在苗期适当减小灌水量，这样使得番茄能保持较高的根系活力值，同时可以延缓番茄根系的衰老速度，而处理W2使得番茄在全生育期内各层土壤中有较高的根系活力值。不同水处理对根系活力的影响可能是通过水分对作物体内酶的作用进而影响的[13]，有待在今后的研究中对其进行深入探讨。

2.2.2 根系活力与土壤含水率之间的关系

在开花坐果期根系活力与土壤含水率之间相关性最明显，其拟合线性方程为：

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

(1)

式中：y为开花坐果期根系活力平均值，μg/(g·h)；x为开花坐果期土壤含水率平均值，cm3/cm3；R2为根系活力与土壤含水率之间的决定系数。

番茄根区土壤水分状况与其活力状况相互影响。在一定时期内土壤含水率越高，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还受其他因素的影响。

2.3 不同处理对番茄产量及水分利用率的影响

由表2可以看出，处理W1的产量最高，W2次之，处理W4产量最低，表明随着灌水量的减小，番茄产量逐渐减小，不同处理下灌水量表现为W1>W2> W3>W4，处理W2较处理W1减少灌水量18%，较高产量和较低的灌水量导致处理W2的水分利用率最高，为48.80 kg/m3，而W1虽然产量最高但灌水量也最大，导致其水分利用率极低，处理W2的水分利用率较处理W1提高约12%，表明苗期适当减少灌水量(处理W2)在不显著影响产量同时还大大节约了用水量。表2说明较高的灌水量可以使番茄产量保持较高值，但是会导致水分利用率降低，在实际生产中应该根据作物需求进行合理灌溉，既不能造成水分的浪费，也不能因为水分不足而造成产量大幅下降。